JP2001024715A - 振幅計算回路 - Google Patents
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Abstract
な振幅の計算を行える振幅計算回路を提供する。 【解決手段】 入力されたI(同相成分),Q(直交成
分)ベースバンド信号は絶対値回路111,112によ
ってそれぞれ正の値に変換され、入力ベクトルVin,0と
なる。位相回転回路(R0 )101は入力ベクトルV
in,0をθ0 =45度時計方向に回転し、振幅を1/co
s(θ0 )倍とし、出力ベクトルVout,0 を出力する。
これを絶対値回路113で絶対値にすると、X軸に対し
て対称なベクトルVin,1になる。以降、この操作を、位
相回転回路(R1 )102,(R2 )103,(R3 )
104,(R4 )105及び絶対値回路113〜116
で繰り返す。
Description
し、特に直交位相変調を用いた通信装置のベースバンド
(I信号とQ信号)においてその振幅を正確に計算する
ための振幅計算回路(The Amplitude C
alculation Circuit)に関する。
相変調を用いた通信装置のベースバンド[I(In−p
hase)信号とQ(Quadrature−phas
e)信号]の振幅を正確に計算するものがある。この回
路においては、I,Qベースバンド信号から、 A(t)=|G(t)| =√[I(t)2 +Q(t)2 ] ……(1) で表される振幅を正確に求めている。
時間、G(t) は直交変調波、Iはキャリアと同相の位相
関係にある成分(すなわち同相成分)の振幅、Qはキャ
リアと直交する位相関係にある成分(すなわち直交成
分)の振幅である。上記の技術は直交位相変調方式の通
信システムにおいて今後重要なものになる。
め、これを所定値と比較し、AGC(Automati
c Gain Control)を行うことが必要にな
る。従来は、I,Q信号から振幅を簡単かつ高精度で導
き出す方法がなく、現在は、 A’=max(|I|,|Q|)+1/2・min(|I|,|Q|) ……(2) で表される近似値が使われている。これは正しい振幅に
比べて大きな誤差がある。
から瞬間的な振幅が正確に計算できればその結果を用
い、振幅が大きい場合に送信パワーアンプのバイアス電
流を増やし、振幅が小さい場合に減らすという制御が可
能になる。この制御を行うことによって、平均的な消費
電流を保ったまま、振幅がピークの時の歪みを減らすこ
とができる。
するため、リニアライザの一種のプレディストータが有
望である。プレディストータでは正確な振幅の計算が不
可欠である。この例を図11に示す。
リアの同相成分になるベースバンド信号Irと直交成分
になる信号Qrとから構成されている。入力信号Srは
信号Irを実数部分、信号Qrを虚数部分とする複素数
と考えることができる。
号Irと虚数部分である信号Qrとは複素乗算器(Co
mplex Multiplier)20で、ROM
(リードオンリメモリ)14からの歪み補正データ(実
数部分がRe、虚数部分がIm)と複素乗算される。複
素乗算器20は乗算器1〜4と加減算器5,6とからな
る。
幅と位相とを非線形アンプ(Nonlinear Am
plifier)11の特性が線形になるように補正し
た複素信号Spである。複素乗算の結果、複素信号Sp
は、 Sp=Sr・a・exp(jθ) ……(3) と表される。ここで、aは振幅補正値、θは位相補正値
である。
位相をθだけ回転した信号であり、実数部分Reと虚数
部分Imとを使って計算することができる。
pとすると、 Ip=Re・Ir−Im・Qr Qp=Re・Qr+Im・Ir ……(5) と表される。これら実数部Ip、虚数部Qpの信号はD
/A(ディジタル/アナログ)変換器(DAC)7,8
でそれぞれアナログ信号に変換され、直交変調器(Qu
adrature Modulator)9で高周波信
号に変換される。
Calculation)15は入力信号Srの瞬間
的な振幅|Sr|を計算し、出力する。振幅|Sr|
は、 |Sr|=√[Ir2 +Qr2 ] ……(6) と表される。この(6)式は(1)式と同じである。
2で分岐し、検波器(Rectifier)19で検波
し、ローパスフィルタ(LPF)18で平均送信振幅を
求めることができる。この信号をA/D(アナログ/デ
ィジタル)変換器(ADC)17でディジタル信号に変
換し、平均送信振幅とする。
|と平均送信振幅、これら2つの値が乗算器30で乗算
される。その結果は、送信パワーの瞬間的な振幅を表す
ものであり、この値を歪み補償ROM(Look−up
Table)14のアドレス入力として使う。
算回路では、非常に正確に振幅を計算する必要があり、
これを実現するためにI,Q信号の値をアドレスにして
ROMテーブルから振幅を読出す方法が用いられてい
る。
tion Analysis and Design
of a Digital Predistortio
nLinearizerfor RF Power A
mplifiers”(Sundstrom,L.;F
aulkner,M.;Johansen,M.Veh
icular Technology,IEEE Tr
ans.,Vol.45 4,Page 707−71
9)に開示されている。
振幅を求めるために極めて大容量のROMが必要にな
り、これが最大の問題になっている。上記のように、直
交位相変調方式の通信装置では送信側、受信側を問わ
ず、I,Qベースバンド信号から正確な振幅を計算する
ことが大きな課題となっている。
消し、きわめて小さな回路規模及び消費電力で正確な振
幅の計算を行うことができる振幅計算回路を提供するこ
とにある。
路は、一対のベースバンド信号を入力して各々の絶対値
を計算する絶対値計算回路と、前記絶対値を2次元ベク
トルの成分として入力して前記2次元ベクトルに所定の
回転角の回転を加えたベクトルの成分を出力する位相回
転回路とを有し、前記絶対値計算回路及び位相回転回路
を1組とした回路を縦続接続し、最前段の入力信号にそ
れぞれベースバンド信号を入力して最終段の位相回転回
路の出力を振幅計算結果として出力するようにしてい
る。
Qベースバンド信号を直交位相変調して生成した高周波
信号を送信する無線送信装置、または受信高周波信号を
直交復調してI,Qベースバンド信号を再生する無線受
信装置において、I,Qベースバンド信号の値から高周
波信号の振幅を演算して計算する回路に関する。
理回路であり、入力信号であるI(同相成分)信号、Q
信号(直交成分)信号も、ディジタルベースバンド信号
である。これらのディジタルベースバンド信号は無線送
信装置においてD/A(ディジタル/アナログ)変換を
行う前のディジタル信号であり、無線受信装置において
受信したアナログベースバンド信号をA/D(アナログ
/ディジタル)変換した後のディジタル信号である。
変調波のベースバンド信号は、I信号とQ信号との2種
類の信号である。直交変調波G(t) はこれらI,Q信号
を用いると、 G(t) =I(t) ・cos(2πfc・t) −Q(t) ・sin(2πfc・t) ……(7) で表される。tは時間でありfcはキャリアの周波数で
ある。
(すなわち同相成分)の振幅であり、Qはキャリアと直
交する位相関係にある成分(すなわち直交成分)の振幅
である。
記の(1)式となる。実際は無線回路やA/D、D/A
変換器等の利得によって(1)式の値を定数倍したもの
になるが、ここでは一般性を失うことなく、(1)式で
計算されるものと定義することができる。
た値を、I信号とQ信号とから簡単に求める回路の構成
方法を提供するのが目的である。この目的を達成するた
めに、本発明の第1の振幅計算回路はkを0からNの整
数とする時、一対のベースバンド信号Xk ,Yk を入力
し、各々の絶対値|Xk |,|Yk |を計算する絶対値
計算回路をAk と表し、ベースバンド信号の絶対値|X
k |、|Yk |を2次元ベクトルVin,kの成分Xin,k,
Yin,kとして入力し、このベクトルVin,kに所定の回転
角θk の回転を加えたベクトルVout,k の成分X
out,k ,Yout,k を出力する位相回転回路をRk と表す
時、絶対値計算回路Ak と位相回転回路Rk とを1組に
した回路を、kが0からNまで縦続に接続し、最前段の
入力信号X0 ,Y0 にそれぞれベースバンド信号I,Q
を入力し、最終段の位相回転回路RN の出力Xout,N を
振幅計算結果として出力している。
回転回路Rk の入力信号をXin,k,Yin,kとし、出力信
号をXout,k ,Yout,k とする時、位相回転回路Rk
が、入力信号Xin,kをkビットシフトする第1のシフト
回路と、入力信号Yin,kをkビットシフトする第2のシ
フト回路と、入力信号Xin,kと第2のシフト回路とによ
るシフト演算結果を加算する加算器と、入力信号Yin,k
から第1のシフト回路によるシフト演算結果を減算する
第1の減算器とを持ち、出力信号Xout,k が加算器の出
力であり、出力信号Yout,k が第1の減算器の出力であ
るようにしている。
幅計算回路においてkが1より大きい位相回転回路Rk
について、入力信号Xin,kが絶対値回路Ak を介せずに
直接信号Xk を入力し、入力信号Yin,kのみ、信号Yk
を絶対値回路Ak を介した値|Yk |を入力するように
している。
幅計算回路においてkが0からN−1までの位相回転回
路Rk が、さらに第1のシフト回路によるシフト演算結
果から入力信号Yin,kを減算する第2の減算器を持ち、
第2の減算器の出力を信号(−Yout,k )として出力し
ており、次段の絶対値回路Ak+1 が出力信号Yout,kの
値が正の場合に出力信号Yout,k を、負の場合に信号
(−Yout,k )を選択して出力することによって絶対値
計算を行っている。
幅計算回路において最後の位相回転回路RN だけが第1
減算器及び第2の減算器と第1のシフト回路とを省略
し、出力信号Yout,N 及び信号(−Yout,N )を生成せ
ず、出力信号Xout,N のみを出力するようにしている。
幅計算回路において各絶対値回路と各位相回転回路との
間の信号伝達路に、レジスタやラッチ回路等の遅延手段
を挿入している。
フト回路、加算器、減算器の組合せで極めて精度の良い
振幅の計算値を得ることが可能となる。この場合、消費
電力が大きく、回路規模の大きい乗算器は一切使ってい
ない。よって、従来のプレディストータで使われている
ROMテーブルによる振幅計算回路に比べて、きわめて
小さな回路規模及び消費電力で正確な振幅の計算が可能
となる。
面を参照して説明する。図1は本発明の一実施例による
振幅計算回路の構成を示すブロック図である。図1にお
いて、本発明の一実施例による振幅計算回路は位相回転
回路(Rk )101〜105と、信号の絶対値を計算す
る絶対値回路(ABS)111〜116とから構成され
ている。
は0から4までの整数である。kの値は4までに限定す
るわけではなく、よりよい精度で振幅を求めたい場合に
は5以上の値も可能である。
の構成例を示す図である。図2においては絶対値回路1
11〜116が、例えば信号が2の補数で表される場合
の回路例を示している。
る時、信号が負すなわちINN が“1”の場合のみ、エ
クスクルーシブORゲート302〜306で各ビットを
反転した値に、加算器301でサインビットを加算す
る。これによって、出力OUTに絶対値が得られる。
ンビットは“0”であるので、エクスクルーシブORゲ
ート302〜306は信号をそのまま伝える。また、加
算器301で加算するサインビットは“0”であるた
め、出力OUTには入力信号がそのまま伝わる。すなわ
ち、入力が負の場合のみ、極性を反転して正の値を出力
することによって絶対値が得られる。
の構成を示すブロック図である。図3において、ブロッ
ク201,202は信号をkビットシフトすることによ
って1/2k 倍する回路である。ブロック203は加算
器であり、ブロック204が減算器である。
out,k は入力信号Xin,k,Yin,kから、 Xout,k =Xin,k+2-k・Yin,k Yout,k =Yin,k−2-k・Xin,k ……(9) で表されることがわかる。
in,kとし、出力信号を成分とするベクトルをベクトルV
out,k とする。すなわち、
in,kの振幅を1/cos(θk )倍し、θk だけ負方向
(時計回り)に回転したものであることを示している。
角と振幅との変化及び位相回転角理想値を示す図であ
る。図4においては各kの値に対するθk と1/cos
(θk)とを示す。これによって、θ0 は45度であ
る。その他のθk は45×2-k度に近い値であることが
分かる。
との比較を示す図である。図5においてはθk の収束の
様子を示している。図5から明らかなように、45×2
-k度の理想値にほぼ近く、上側に凸の曲線になってい
る。kの値が十分大きい場合には45×2-k度に収束す
る。
度から+90度までの任意の角度をθk の組合せの和ま
たは差で近似的に表現できる。したがって、位相回転回
路Rk を適切に組合せることによって、−90度から+
90度までの任意の角度の近似的回転が得られる。
ず、図1において、入力信号はI(同相成分),Q(直
交成分)ベースバンド信号である。これらが絶対値回路
111,112によってそれぞれ正の値に変換される。
この操作は振幅を変えずに、ベクトル(I,Q)を2次
元X−Y平面上の第1象限に移す演算である。この結果
は位相回転回路101の入力ベクトルVin,0である。
101〜105の入力ベクトルと出力ベクトルとの収束
状況を示す図である。これら図1と図3と図6とを用い
て各位相回転回路(Rk )101〜105の動作につい
て説明する。尚、各位相回転回路(Rk )101〜10
5の入力信号のベクトルを入力ベクトルVin,kとし、出
力信号のベクトルを出力ベクトルVout,k とする。
in,0は第1象限に位置する。この入力ベクトルVin,0を
位相回転回路R0 にかけると、θ0 =45度時計方向に
回転し、振幅は1/cos(θ0 )倍になる。
るが、第1象限からはみ出し、Y成分が負になってい
る。これを絶対値回路113で絶対値にすると、X軸に
対して対称なベクトルVin,1になる。以降、この操作
を、位相回転回路(R1 )102,(R2 )103,
(R3 )104,(R4 )105及び絶対値回路113
〜116で繰り返すと、図6に示すように、 入力ベクトルVin,0→出力ベクトルVout,0 →入力ベク
トルVin,1→出力ベクトルVout,1 →入力ベクトルV
in,2→出力ベクトルVout,2 →入力ベクトルVin,3→出
力ベクトルVout,3 →入力ベクトルVin,4→出力ベクト
ルVout,4 という具合に、次第にX軸に重なるベクトルに収束して
いく。kを大きくすれば、限りなくX軸に重ねることが
できる。
4まで実行した場合、
の角度誤差は±3.6度以内であり、ほとんどX軸と重
なっていると言ってよい。したがって、最後の位相回転
回路(R4 )105のX出力であるXout,4 がほぼ、元
の入力振幅Aの1.64568891倍になっている。
スバンド信号I,Qの振幅A[(1)式で与えられる]
の定数(=1.64568891)倍の値を計算するこ
とができる。
入力ベースバンド信号I,Qから、その振幅の定数倍の
値を計算することができる。上記の説明のように、k=
4までとした場合でも、最終的な角度の誤差は±3.6
度以内であり、これから、振幅の計算誤差eは、 e=(1−cos(3.6°))×100%≒0.2%……(14) となる。すなわち振幅の計算誤差はAの1.64568
891倍からわずか0.2%以内の値である。これは、
例えば9ビット精度信号の1LSB(LeastSig
nificant Bit)程度の値であり、非常に正
確であるといえる。
ば、少ない数の絶対値回路111〜116と位相回転回
路101〜105(シフト回路及び加減算器からなる)
との組合せで極めて精度のよい振幅の計算値を得ること
ができる。この場合、消費電力が大きく、回路規模の大
きい乗算器は一切使用していない。よって、従来のプレ
ディストータで使われているROMテーブルによる振幅
計算回路に比べて、きわめて小さな回路規模及び消費電
力で、正確な振幅の計算を行うことができる。
回路の構成を示すブロック図である。図7において、本
発明の他の実施例による振幅計算回路はその基本的構成
が上記の本発明の一実施例による振幅計算回路と同様で
あるが、若干の回路の削減を図っている。
125の構成だけが本発明の一実施例による振幅計算回
路と異なっている。図1に示す本発明の一実施例による
振幅計算回路では、最後の位相回転回路(R4 )105
の出力Yout,4 は使われることなく、放置されている。
は無駄である。そこで、本発明の他の実施例による振幅
計算回路では最後の位相回転回路(RX4 )125だけ
図3に示す構成をとっていない。
5の構成を示すブロック図である。図8において、位相
回転回路(RX4 )125は図3に示す構成から、信号
をkビットシフトすることによって1/2k 倍する回路
201と減算器204とを削除し、信号をkビットシフ
トすることによって1/2k 倍する回路202及び加算
器203のみとしている。これによって、回路規模を若
干低減することができる。
回路の構成を示すブロック図である。図9において、本
発明の別の実施例による振幅計算回路は上記の本発明の
一実施例による振幅計算回路で用いられている絶対値回
路113〜116を位相回転回路121〜124内に実
装するようにしたものである。
4の構成を示すブロック図である。図10において、位
相回転回路121〜124は図3に示す構成に減算回路
205とデータセレクタ206とを追加している。
力とは極性が逆である。データセレクタ206は減算回
路205の出力のサインビットで駆動されており、必ず
正の値のほうを選んで出力するように制御する。これに
よって、位相回転回路(Rk)のY出力は必ず|Yout,k
|となる。したがって、後段の絶対値回路を省略する
ことができる。
ある。なぜなら、2の補数表示を使う場合、絶対値演算
には必ず加算器301が必要である。このため、図1及
び図7に示す構成ではY側の加算器及び減算器の段数が
多くなり、その分動作速度が限定されてしまう。これに
対して、図10に示す構成は絶対値回路の加算器がなく
なるので、Y側とX側との加算器及び減算器の段数が等
しくなる。これによって、動作速度が向上することとな
る。
別の実施例のほかに、動作速度の制限を打破する手段と
して、各絶対値回路、各位相回転回路の信号伝播路に図
示せぬレジスタやラッチ回路等の遅延回路を挿入してパ
イプライン処理を行うことも考えられる。また、絶対値
回路の変わりに、常に負の値を出力する回路を使った
り、位相回転回路の位相回転方向を反時計回りにする
等、いろいろな変形が考えられるが、これらも本発明の
範囲に含まれる。
の実施例ではk=4までの場合について述べたが、k>
4においても、同様に実現することが可能であり、本発
明の範囲に包含される。
に次の態様をとりうる。
る時に一対のベースバンド信号Xk,Yk を入力して各
々の絶対値|Xk |,|Yk |を計算する絶対値計算回
路をAk と表し、前記絶対値|Xk |,|Yk |を2次
元ベクトルVin,kの成分Xin ,k,Yin,kとして入力し、
このベクトルVin,kに所定の回転角θk の回転を加えた
ベクトルVout,k の成分Xout,k ,Yout,k を出力する
位相回転回路をRk と表す時、前記絶対値計算回路Ak
と前記位相回転回路Rk とを1組にした回路をkが0か
らNまで縦続に接続し、最前段の入力信号X0 ,Y0 に
それぞれベースバンド信号I,Qを入力し、最終段の位
相回転回路RN の出力Xout,N を振幅計算結果として出
力するようにしたことを特徴とする振幅計算回路。
については、前記信号Xk を前記絶対値回路Ak を介さ
ずに前記入力信号Xin,kとして直接入力し、前記信号Y
k が前記絶対値回路Ak を介した絶対値|Yk |を前記
入力信号Yin,kとして入力するようにしたことを特徴と
する(1)記載の振幅計算回路。
Xin,k,Yin,kとし、出力信号をXout,k ,Yout,k と
する時、前記位相回転回路は、前記入力信号Xin,kをk
ビットシフトする第1のシフト回路と、前記入力信号Y
in,kをkビットシフトする第2のシフト回路と、前記入
力信号Xin,kと前記第2のシフト回路のシフト演算結果
とを加算する加算器と、前記入力信号Yin,kから前記第
1のシフト回路のシフト演算結果を減算する第1の減算
器とを含み、前記加算器の出力を前記出力信号Xout,k
とし、前記第1の減算器の出力を前記出力信号Yout,k
としたことを特徴とする(1)または(2)記載の振幅
計算回路。
路Rk は、前記第1のシフト回路によるシフト演算結果
から前記入力信号Yin,kを減算する第2の減算器を含
み、前記第2の減算器の出力を−Yout,k として出力
し、次段の絶対値回路Ak+1 は、出力信号Yout,k の値
が正の場合にYout,k を、負の場合に前記−Yout,k を
選択して出力することで前記絶対値の計算を行うように
したことを特徴とする(3)振幅計算回路。
第1減算器及び前記第2の減算器と、前記第1のシフト
回路とを省略し、前記出力信号Yout,N 及び−Yout,N
を生成せず、前記出力信号Xout,N のみを出力するよう
にしたことを特徴とする(4)記載の振幅計算回路。
回転回路Rk 各々との間の信号伝達路に遅延手段を挿入
するようにしたことを特徴とする(1)〜(5)のいず
れか記載の振幅計算回路。
対のベースバンド信号を入力して各々の絶対値を計算す
る絶対値計算回路と、絶対値を2次元ベクトルの成分と
して入力して2次元ベクトルに所定の回転角の回転を加
えたベクトルの成分を出力する位相回転回路とを1組と
した回路を縦続接続し、最前段の入力信号にそれぞれベ
ースバンド信号を入力して最終段の位相回転回路の出力
を振幅計算結果として出力することによって、きわめて
小さな回路規模及び消費電力で正確な振幅の計算を行う
ことができるという効果がある。
示すブロック図である。
ある。
の変化及び位相回転角理想値を示す図である。
示す図である。
力ベクトルとの収束状況を示す図である。
を示すブロック図である。
ある。
を示すブロック図である。
である。
の応用例を示す図である。
回路 125 簡略化位相回転回路 201、202 kビットシフト回路 203、301 加算器 204、205 減算器 206 データセレクタ 302〜306 エクスクルーシブORゲート
Claims (6)
- 【請求項1】 一対のベースバンド信号を入力して各々
の絶対値を計算する絶対値計算回路と、前記絶対値を2
次元ベクトルの成分として入力して前記2次元ベクトル
に所定の回転角の回転を加えたベクトルの成分を出力す
る位相回転回路とを有し、前記絶対値計算回路及び位相
回転回路を1組とした回路を縦続接続し、最前段の入力
信号にそれぞれベースバンド信号を入力して最終段の位
相回転回路の出力を振幅計算結果として出力するように
したことを特徴とする振幅計算回路。 - 【請求項2】 前記X軸成分の入力信号は、前記絶対値
回路を介せずに直接前記位相回転回路に入力され、 前記Y軸成分の入力信号は、前記絶対値回路を介して前
記位相回転回路に入力されるようにしたことを特徴とす
る請求項1記載の振幅計算回路。 - 【請求項3】 前記位相回転回路は、X軸成分の入力信
号をシフトする第1のシフト回路と、Y軸成分の入力信
号をシフトする第2のシフト回路と、前記X軸成分の入
力信号と前記第2のシフト回路のシフト演算結果とを加
算する加算器と、前記Y軸成分の入力信号から前記第1
のシフト回路のシフト演算結果を減算する第1の減算器
とを含み、前記加算器の出力をX軸成分の出力信号と
し、前記第1の減算器の出力をY軸成分の出力信号とす
るようにしたことを特徴とする請求項1または請求項2
記載の振幅計算回路。 - 【請求項4】 前記位相回転回路は、前記第1のシフト
回路によるシフト演算結果から前記Y軸成分の入力信号
を減算する第2の減算器を有し、前記第2の減算器の出
力を負のY軸成分の出力信号として出力し、 次段の絶対値回路は、前記Y軸成分の出力信号の値が正
の場合にその信号をそのまま出力し、負の場合に前記負
のY軸成分の出力信号を選択して出力することで前記絶
対値の計算を行うようにしたことを特徴とする請求項3
記載の振幅計算回路。 - 【請求項5】 最後段の位相回転回路は、前記第1減算
器及び前記第2の減算器と、前記第1のシフト回路とを
省略し、前記Y軸成分の出力信号及び前記負のY軸成分
の出力信号を生成せずに前記X軸成分の出力信号のみを
出力するようにしたことを特徴とする請求項4記載の振
幅計算回路。 - 【請求項6】 前記絶対値回路各々と前記位相回転回路
各々との間の信号伝達路に、遅延手段を挿入するように
したことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか
記載の振幅計算回路。
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