JP2001251202A - 変調依存信号増幅方法および装置 - Google Patents
変調依存信号増幅方法および装置Info
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Abstract
化,製造コスト低減,および増幅器性能向上を実現する
変調フォーマット・スイッチを提供する。 【解決手段】 変調フォーマット・スイッチ(20)
は、増幅器(15)および負荷(25)と信号を通信す
る。増幅器は、複数の変調フォーマット信号を生成す
る。変調フォーマット信号(20)は、増幅器(15)
および負荷(25)と信号を通信する少なくとも1つの
整合ネットワーク(62,100)を含む。少なくとも
1つの整合ネットワークは、複数の変調フォーマット信
号に対応する複数のインピーダンス値を有することがで
きる。また、変調フォーマット・スイッチ(20)は、
整合ネットワーク(62,100)内に可制御素子(7
0,72,74,76,102)も含む。可制御素子
(70,72,74,76,102)は、1つ以上のイ
ンピーダンス値を有することができる。
Description
レス電気通信の電力増幅システムに関し、更に特定すれ
ば、ワイヤレス・システムが多数のモードおよび/また
は変調で動作することを可能にするシステムおよび方法
に関するものである。
うなワイヤレス通信システムの使用は、非常に急速に増
大し、今日では世界中の殆どの国がその境界内部でワイ
ヤレス・システムを確立している。これらのワイヤレス
・システムは、帯域幅,電力および周波数要件が異なる
ために、国毎に(そして、同一の国においても地域毎
に)動作モードが様々である。ディジタル・セルラ電話
機の動作における一例として、米国は専ら符号分割多元
接続(CDMA)または時分割多元接続(TDMA)動
作モードのいずれかに基づくディジタル・セルラ・シス
テムを採用しているのに対して、西ヨーロッパは一般に
移動通信用グローバル・システム(GSM)モードに基
づくディジタル・セルラ・システムを採用している。
種々のシステムにおいて動作可能なセルラ電話機のよう
に、多数のモードおよび/または変調で動作可能なワイ
ヤレス電気通信システムが求められている。一例とし
て、TDMAおよびCDMA動作モードで動作可能なセ
ルラ電話機が求められている。しかしながら、各モード
の送信電力レベル,電力増幅後の挿入損失(post power
amplifier insertion loss),ならびに変調依存線形性
および効率要件の相違のために、各モードにはセルラ電
話機の電力増幅器に一意の制約があることは、当業者に
は認められよう。かかるセルラ電話機では、適正な動作
のためには電力増幅器が各変調フォーマット毎に異なる
出力負荷ラインを有することが必要となるので、その設
計および構築には大きな課題がある。
は、各変調フォーマット毎に別個の電力増幅器を有し、
これら増幅器チェーン間で切り替えることから成るもの
があった。これは、二重化回路を必要とし、システムの
占有空間が増大し、コスト上昇を招いた。この問題を更
に複雑化するのは、将来のセルラ電話機の多くが、(新
たなフォーマットが開発されるに連れて)更に一層多く
のフォーマットに対処した設計を必要とすることであ
り、設計開発(engineering)が更に一層困難となる。
第5,060,294(’294特許)は、電力増幅器
の負荷特性を変更し、増幅器を飽和させるかあるいは増
幅器の飽和を防止する手段を開示する。しかしながら、
将来、セルラ電話機は、線形TDMA(例えば、位相偏
移変調を採用する)およびある形態のCDMAのよう
に、多数の線形モードで動作する能力を有することにな
ろう。’294特許は、異なる線形変調フォーマット間
で動作するセルラ電話機には対処していない。
ドまたは非飽和モードのどちらで動作するかに応じて、
増幅器のバイアス電流を変化させることを開示してい
る。前述のように、’294特許は、異なる線形変調フ
ォーマット間で動作するセルラ電話機については論じて
いない。加えて、増幅器のバイアス電流を変化させるこ
とは、増幅器の一次性能(first order of amplifier pe
rformance)を向上させるに過ぎない。一層の効率および
/または線形性の改善が求められている。
5,291,516号は、動作モードに応じて調節可能
な出力フィルタを有するデュアル・モード送信機を開示
する。これは、信号スプラッタ(signal splatter),電
磁波放射(radiated emission),およびノイズ・パワー
放射というような問題に対処するが、増幅器の効率およ
び/または線形性に対して必要な性能向上をもたらすも
のではない。
1,403号は、増幅器が第1電力レベルでAM信号を
増幅しているときの第1負荷インピーダンスと、増幅器
が第2電力レベルでFM信号を増幅しているときの第2
負荷インピーダンスとの間で切り替える増幅器を開示す
る。しかしながら、セルラ電話機は異なる線形変調方式
によって動作しなければならない。例えば、これらの異
なる線形変調方式は、異なる形態のディジタル変調であ
り、四次位相偏移変調(QPSK),二次位相偏移変調
(BPSK),および/または直交振幅変調(QAM)
の異なる形態を含む可能性がある。これら異なるディジ
タル形態の変調は、異なるピーク対平均比特性を有し、
増幅器の効率に個々に影響を及ぼす。
作モードで動作し、複雑度の低下,空間の縮小,製造コ
ストの低減,および増幅器性能において格段の向上を図
った増幅器が求められている。
送信機10が示されている。送信機10は、好ましく
は、セルラ電話機の送信機であり、あるいはワイヤレス
環境において情報を送信可能なその他のいずれのワイヤ
レス型送信機としてもよい。送信機10は、フィルタ・
ミキサのような他の構成部品も備えているが、図面の図
を不当に複雑化するのを避けるために、これらの要素は
示されていないことは当業者には明白であろう。
フォーマット・スイッチ(MFS)20(可変インピー
ダンス・ネットワークとも呼ぶ),負荷25,制御部3
0,マイクロプロセッサ42,ならびに電源およびバイ
アス制御部52を含む。線形電力増幅器15および制御
部30は、信号接続部35,40をそれぞれ介して負荷
25に接続されている。MFS20は信号接続部45を
介して負荷25に接続されている。
知のように、線形動作のためにバイアスされた、一般的
なソリッド・ステート増幅回路である。負荷25は、電
力を送出する先の要素であり、とりわけ、アンテナから
成る。MFS20は、線形電力増幅器15の出力段から
見たインピーダンス値を切り替える。異なるインピーダ
ンス値を調節することにより、符号分割多元接続(CD
MA)および線形時分割多元接続(TDMA)のよう
な、異なる変調形式に合わせて、線形電力増幅器15の
出力段の性能を最適化することは当業者には認められよ
う。例えば、増幅器の出力に与えられる負荷は、負荷ラ
インに沿ったその動作点に影響を及ぼす。これは当技術
分野では既知である。したがって、負荷インピーダンス
を調節することにより、線形電力増幅器15の効率およ
び/または線形性を高めることができる。個々の変調フ
ォーマット信号に必要な負荷インピーダンスは、実験的
に予め決定されている。
イアス制御部52や制御部30の制御を行なうというよ
うに、送信機に対する種々の制御機能を備えている。こ
れについては、以下で更に説明する。また、マイクロプ
ロセッサ42は、MFS20を適切なインピーダンス設
定値に切り替えることができるように、線形電力増幅器
15に供給する入力信号の変調形式を決定する。送信機
10がセルラ電話機(図示せず)に用いられる場合、マ
イクロプロセッサ42は当技術分野では既知の別のセル
ラ電話機制御機能を実行する。加えて、マイクロプロセ
ッサ42の代わりに、他の処理手段を用いて、採用する
変調形式を決定することも可能であることを当業者は認
めよう。
ス値の切り換えを制御するものであり、以下で更に詳し
く説明する。加えて、電源およびバイアス制御部52
は、線形電力増幅器15に印加するバイアス設定値を制
御する。これについても以下で更に詳しく説明する。
る。線形電力増幅器15は、第1段増幅器55(ドライ
バ増幅器とも呼ぶ)および第2段増幅器60(出力段と
も呼ぶ)を含む。あるいは、線形電力増幅器15は、単
一段電力増幅器とすることも可能である。MFS20
は、線形電力増幅器15および負荷25(図1)と信号
を通信する整合ネットワーク62を含む。整合ネットワ
ーク62は、線形電力増幅器15によって増幅される複
数の線形変調フォーマット信号に対応する、複数のイン
ピーダンス値を有することができる。
70,第2可制御素子72,第3可制御素子74,およ
び第4可制御素子76を含む。第1可制御素子70は電
圧可変コンデンサである。電圧可変コンデンサの一例
は、1991年10月KennethD. Cornett, E.S. Ramak
rishnan, Gary H. Shapiro, Raymond M. Caldwell, お
よびWei-Yean Howrigによって出願された米国特許番号
第5,137,835号に開示されている。この特許は
その全体が本願でも使用可能である。電圧可変コンデン
サの別の例として、当技術分野では既知のバラクタ・ダ
イオードがある。
して、種々の容量値に設定することができる。可制御素
子70に印加される電源電位は、二極性であり、第1可
制御素子70を第1容量および第2容量に切り替える。
あるいは、電源電位は2つ以上の状態を有することもで
き、第1可制御素子70は、2つ以上の多い容量状態を
有することができる。コンデンサは、ブロッキング・コ
ンデンサおよび/または整合コンデンサのいずれかとし
て機能する、固定コンデンサである。
に応じて線形電力増幅器15の出力においてコンデンサ
81の加入/除去を切り替えるPINダイオードであ
る。例えば、CDMAモードにおける動作によって変調
フォーマット信号が得られた場合、コンデンサ81を加
入するように切り換え、分路コンデンサとして機能させ
ることができる。逆に、線形TDMAモードにおける動
作によって変調フォーマット信号が得られた場合、コン
デンサ81を除去するように切り替える。さらにまた、
第2可制御素子72は、当技術分野では既知のマイクロ
電気機械式スイッチまたは電界効果トランジスタ(FE
T)のような、他の形式のスイッチング素子とすること
も可能である。同様に、第3制御素子74および第4制
御素子も、それぞれ、コンデンサ82およびコンデンサ
83と共に用い、線形電力増幅器15に対するインピー
ダンスを更に変更する。
よび組み合わせも想定可能であることは、当業者には認
められよう。加えて、ある種の用途では、異なる変調フ
ォーマットに対処するために必要なインピーダンス値の
範囲は、さほど多くの可変制御素子を必要としない場合
も、追加の可変制御素子を必要とする場合もあり得る。
給し、可変制御素子を制御する。図示の実施例では、制
御信号は、シフト・レジスタ95が発生する二極信号で
ある。代替実施例では、制御信号は、シフト・レジスタ
によって発生するのではなく、いずれの可変制御素子に
対する制御信号も複数の離散または連続値を取ることも
可能である。図示の実施例では、シフト・レジスタ95
には、マイクロプロセッサ42(図1)が発生するフォ
ーマット切り換え直列制御ワードが供給される。あるい
は、制御ワードは、送信機10に結合された他の回路
(図示せず)によって発生することも可能である。フォ
ーマット切り換え直列制御ワードは、制御部30の入力
92に印加される。
チョークおよびバイパス回路93も含み、当技術分野で
は公知のように、線形電力増幅器15の出力インピーダ
ンスから制御部30を分離する。また、チョークおよび
バイパス回路93は、直列抵抗94を含み、可変制御素
子に対して適当なDCバイアス・レベルを設定する。
ぼ同時に切り替えられる可変制御素子を示す。シフト・
レジスタ95の切り換え時間は、送信機10において個
々の変調フォーマットを用いる時間量に比較すると、無
視し得る程度である。
信号を効率的かつ線形に増幅しなければならない多変調
フォーマット・ワイヤレス電話機では、線形電力増幅器
15は、最適なインピーダンスを線形電力増幅器15の
出力に得る必要がある。制御部30は、MFS20との
組み合わせによって、これを行なう。その際、各変調フ
ォーマット毎に、MFS20のインピーダンス値を変更
する。尚、これらのインピーダンスを変更するには、可
変制御素子70,72,74,76の制御部30との適
当な組み合わせを活性化することは認められよう。
にMFS20によって生ずるインピーダンスの例を3種
類スミス・チャート300上に示す。これら3つのイン
ピーダンス例は、3つの異なる変調フォーマットを規定
する3つの多アクセス技術に対応する。例えば、第1イ
ンピーダンス302は、Interim Standard IS-54または
IS-136によって規定されるようなTDMAセルラ電話機
システムの線形変調フォーマットに対応する。第2イン
ピーダンス304は、同じ平均出力電力を生成するが、
Interim Standard IS-95によって規定されるようなCD
MAセルラ電話システムを特徴とする第2線形変調フォ
ーマットに対する線形電力増幅器15に対応する。第3
インピーダンス306は、例えば、第三世代広帯域CD
MA(WCDMA)セルラ電話エアー・インターフェー
ス規格(種々のセルラ電話標準機関において既に公に開
示および提唱されている)によって得られる、更に別の
第3線形変調フォーマットに対応する。前述のように、
種々の変調フォーマットに対応する種々のインピーダン
ス値は、実験的に予め決定されている。
る場合、MFS20は、オプションとして、第1段55
および第2段60間に結合された段間整合ネットワーク
100を含むことができる。段間整合ネットワーク10
0は、段間可変制御素子102を含み、第1段および第
2段間のインピーダンス・レベルを変化させる。段間可
変制御素子102の構成および動作は、可変制御素子7
0,72,74,76について記載したものと同様であ
る。また、段間整合ネットワーク100は、当技術分野
では既知のように、受動インダクタおよびコンデンサを
RF整合の目的のために含んでいる。
電源およびバイアス制御部52を含ませることによって
得ることができる、一層の性能向上を示す。電源および
バイアス制御部52は、ゲート・バイアス制御部115
および電源バイアス制御部110を含む。ゲート・バイ
アス制御部115は、第1ディジタル/アナログ変換器
(DAC)112およびDC回路ブロック113を含
む。DC回路ブロック113は、第1DAC112が生
成するアナログ信号のスケーリングおよびレベル・シフ
トを行なう、種々のアナログ回路を含む。
ク110に結合された第2DAC114を含む。電源発
生ブロック110は、従来の線形レギュレータまたはス
イッチング電源とすることができる。
の変調フォーマット信号に対応する複数のバイアス設定
値を有することができる。例えば、図示の実施例では、
第1段増幅器55および第2段増幅器60は電界効果ト
ランジスタ(FET)である。ゲート・バイアス制御部
115は、バイアス電圧を第1段増幅器55および第2
段増幅器60のゲートに供給し、それぞれのドレイン電
流を異なる変調フォーマット信号に合わせて変化させ
る。これを行なうために、マイクロプロセッサ42(図
1)は、増幅する信号の形式が、一方の形式の変調フォ
ーマット信号から別の形式の変調フォーマット信号に変
化するときを知らせる。マイクロプロセッサ42は、制
御ワードを発生し、ライン200を通じて第1DAC1
12に印加する。すると、第1DAC112は、新たな
変調フォーマット信号に適したアナログ信号を発生す
る。このアナログ信号は、DC回路113によって処理
され、新たなゲート電圧を生成し、第1段増幅器55お
よび第2段増幅器60のゲートに印加する。
変調フォーマット信号に対応して、第2段電力増幅器6
0のドレイン電圧を変化させる。マイクロプロセッサ4
2(図1)は、増幅する信号の形式における、第1形式
の変調信号から第2形式の変調信号への変化(例えば、
線形TDMAモードからCDMAモードへの遷移)を知
らせる。マイクロプロセッサ42は、ライン201を通
じて第2DAC114に、異なるアナログ信号を生成し
電源発生器110に印加するように指示する。次いで、
電源発生器110は、新たな形式の増幅対象変調フォー
マット信号に適した、新たな電源電圧を第2段電力増幅
器60のドレインに生成する。
ダンスを印加することと組み合わせて、線形電力増幅器
15のバイアスおよび/または電源設定を変化させるこ
とを追加すると、以前に可能であった以上の著しい効率
向上が得られる。
例に関連付けて説明したが、例示の目的のために多くの
詳細を明記した。つまり、これまでの説明は、本発明の
原理を例示したに過ぎない。したがって、本発明は、そ
の精神または本質的な特性から逸脱することなく、その
他の具体的な形態も有することができる。例えば、第1
段増幅器55(図2)および第2段増幅器60(図2)
は、FETではなく、バイポーラ・トランジスタとする
ことができる。その場合、電源およびバイアス制御部5
2は、前述のように、変調フォーマット信号または平均
出力電力の形式に対して、第2段増幅器60のコレクタ
電圧および/または第1段増幅器55および第2段増幅
器60のベース電流を変化させることができる。
ンス・ネットワークとも呼ぶ)を採用した送信機の一例
の一部を示すブロック図。
FS)の実施の一例を示す図。
採用する異なる変調フォーマットに対するインピーダン
スを示す図。
路 94 直列抵抗 100 段間整合ネットワーク 102 段間可変制御素子 110 電源バイアス制御部 112 第1ディジタル/アナログ変換器(DAC) 113 DC回路ブロック 114 第2DAC 115 ゲート・バイアス制御部 300 スミス・チャート 302 第1インピーダンス 304 第2インピーダンス
Claims (17)
- 【請求項1】増幅器(15)および負荷(25)と信号
を通信する変調フォーマット・スイッチ(20)であっ
て、前記増幅器(15)は、線形変調方式によって区別
される複数の線形変調フォーマット信号を増幅し、前記
変調フォーマット・スイッチ(20)は:前記増幅器
(15)および前記負荷(25)と信号を通信する少な
くとも1つの整合ネットワーク(62,100)であっ
て、前記複数の線形変調フォーマット信号に対応する複
数のインピーダンス値(302,304,306)をと
り得る、少なくとも1つの整合ネットワーク(62,1
00);および前記少なくとも1つの整合ネットワーク
(62,100)内にある可制御素子(70,72,7
4,76,102)であって、1つ以上のインピーダン
ス値をとり得る可制御素子(70,72,74,76,
102);から成ることを特徴とする変調フォーマット
・スイッチ(20)。 - 【請求項2】前記可制御素子(70,72,74,7
6,102)は、制御部(30)によって制御されるこ
とを特徴とする請求項1記載の変調フォーマット・スイ
ッチ(20)。 - 【請求項3】前記制御部はシフト・レジスタ(30)か
ら成ることを特徴とする請求項2記載の変調フォーマッ
ト・スイッチ(20)。 - 【請求項4】前記可制御素子(70,72,74,7
6,102)は、PINダイオード,マイクロ電気機械
式スイッチまたは電圧可変コンデンサから成ることを特
徴とする請求項2記載の変調フォーマット・スイッチ
(20)。 - 【請求項5】前記複数の線形変調フォーマット信号は、
符号分割多元接続(CDMA)および線形変調時分割多
元接続(TDMA)から成る群から選択された複数の多
元接続技術のいずれかに対応することを特徴とする請求
項1記載の変調フォーマット・スイッチ(20)。 - 【請求項6】前記増幅器(15)と信号を通信する中間
整合ネットワーク(100)であって、前記増幅器が少
なくとも第1段増幅器(55)および第2段増幅器(6
0)を有する多段増幅器であるところの中間整合ネット
ワーク;および前記中間整合ネットワーク(100)内
にある可制御素子(102)であって、1つ以上のイン
ピーダンス値をとることが可能な、前記中間整合ネット
ワーク(100)内にある可制御素子(102);を更
に備えることを特徴とする請求項1記載の変調フォーマ
ット・スイッチ(20)。 - 【請求項7】前記増幅器(15)と信号を通信する電源
およびバイアス制御部(52)を更に含むことを特徴と
する請求項6記載の変調フォーマット・スイッチ(2
0)。 - 【請求項8】前記電源およびバイアス制御部(52)
は、前記複数の線形変調フォーマット信号に対応して、
複数のバイアス設定値を有することを特徴とする請求項
7記載の変調フォーマット・スイッチ(20)。 - 【請求項9】前記少なくとも1つの整合ネットワーク
(62,100)は、前記複数の線形変調フォーマット
信号の各々に対して、前記増幅器(15)に異なるイン
ピーダンスを与え、実質的に所定の様式で前記増幅器
(15)の動作負荷ラインを変化させることを特徴とす
る請求項1記載の変調フォーマット・スイッチ(2
0)。 - 【請求項10】前記増幅器(15)と信号を通信する電
源およびバイアス制御部(52)を備えることを特徴と
する請求項1記載の変調フォーマット・スイッチ(2
0)。 - 【請求項11】前記電源およびバイアス制御部(52)
は、前記複数の線形変調フォーマット信号に対応して、
複数のバイアス設定値を生成することを特徴とする請求
項10記載の変調フォーマット・スイッチ(20)。 - 【請求項12】前記少なくとも1つの整合ネットワーク
(62,100)は、前記増幅器(15)の動作のキャ
リア周波数において、複数の実質的に所定のインピーダ
ンス(302,304,306)を有し、該複数の実質
的に所定のインピーダンス(302,304,306)
が前記複数の線形変調フォーマット信号に対応すること
を特徴とする請求項1記載の変調フォーマット・スイッ
チ(20)。 - 【請求項13】増幅器(15)および負荷(25)と信
号を通信する変調フォーマット・スイッチ(20)であ
って、前記増幅器(15)は、線形変調方式によって区
別される複数の線形変調フォーマット信号を増幅し、前
記変調フォーマット・スイッチ(20)は:前記増幅器
(15)および前記負荷(25)と信号を通信する可変
インピーダンス・ネットワーク(62,100)であっ
て、前記複数の線形変調フォーマット信号に対応する複
数のインピーダンス値(302,304,306)を与
える、可変インピーダンス・ネットワーク(62,10
0);前記可変インピーダンス・ネットワーク(62,
100)内にある可変インピーダンス素子(70,7
2,74,76,102)であって、1つ以上のインピ
ーダンス値をとり得る可変インピーダンス素子(70,
72,74,76,102);および前記増幅器(1
5)と信号を通信する電源およびバイアス制御部(5
2)であって、前記複数の線形変調フォーマット信号に
対応する複数のバイアス設定値をとり得る電源およびバ
イアス制御部(52);から成り、 前記可変インピーダンス・ネットワーク(62,10
0)が、前記複数の線形変調フォーマット信号の各々に
ついて、前記増幅器(15)に異なるインピーダンスを
与え、前記増幅器(15)の動作負荷ラインを実質的に
所定の様式で変化させることを特徴とする変調フォーマ
ット・スイッチ(20)。 - 【請求項14】前記複数のバイアス設定値は、前記増幅
器(15)の電圧バイアス設定値,電源電圧設定値,お
よび電流バイアス設定値の少なくとも1つから成ること
を特徴とする請求項13記載の変調フォーマット・スイ
ッチ(20)。 - 【請求項15】前記複数の線形変調フォーマット信号
は、位相偏移変調(PSK)によって得られることを特徴
とする請求項13記載の変調フォーマット・スイッチ
(20)。 - 【請求項16】複数の異なる線形変調フォーマットによ
って区別される複数の信号を増幅する装置であって:増
幅器(15);前記増幅器(15)に結合された可変イ
ンピーダンス・ネットワーク(62,100)であっ
て、前記複数の異なる線形変調フォーマットの各々につ
いて、前記増幅器に異なるインピーダンスを与える、可
変インピーダンス・ネットワーク(62,100);お
よび前記増幅器(15)に結合されたバイアス制御回路
(52)であって、前記増幅器(15)に複数のバイア
ス設定値を与え、該複数のバイアス設定値が前記複数の
異なる線形変調フォーマットに対応する、バイアス制御
回路(52);から成ることを特徴とする装置。 - 【請求項17】複数の異なる線形変調フォーマットによ
って区別される複数の信号を増幅する方法であって:第
1線形変調フォーマットによって特徴付けられる第1信
号を増幅器(15)に印加する段階;前記第1信号に応
答して、第1インピーダンスを前記増幅器(15)の出
力に与える段階;前記第1信号に応答して前記増幅器
(15)の第1バイアス状態を設定する段階;第2線形
変調フォーマットによって特徴付けられる第2信号を前
記増幅器(15)に印加する段階;前記第2信号に応答
して、前記増幅器(15)の出力に第2インピーダンス
を与える段階;および前記第2信号に応答して、前記増
幅器(15)の第2バイアス状態を設定する段階;から
成ることを特徴とする方法。
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