JP2004222265A - 電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号の使用帯域の外側に位置する周波数帯域における量子化雑音を減少させる。
【解決手段】電力増幅装置は、使用周波数帯域を持つ信号を受け取る入力部と、デルタシグマ型の電力増幅手段を備える。デルタシグマ型の電力増幅手段は、信号の使用帯域において１以上の次数を持ち、該使用帯域の外側において１以上の次数を持つ。こうして、使用帯域におけるＳＮ比を調整するように、雑音伝達関数の零点の位置を調整することができるようにすると共に、使用帯域の外側に位置する、量子化雑音を最小にすることが望まれる１つまたは複数の周波数帯域の値を調整することができるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力増幅に関し、より具体的には、無線通信システム、特にセルラ移動電話において使用される電力増幅に関する。しかし、本発明は、無線通信システムに限定されるものではない。

無線通信方式において、基地局は、セルラ移動電話のような複数の遠隔端末と通信する。周波数分割多重アクセス(Frequency Division Multiple Accessの頭文字を取ってＦＤＭＡと略称される)および時分割多重アクセス(Time Division Multiple Accessの頭文字を取ってＴＤＭＡと略称される)は、複数の端末に同時にサービスを提供する、従来よりある多重アクセス方式である。ＦＤＭＡおよびＴＤＭＡシステムの基本概念は、複数の端末が干渉を引き起こすことなく同時に動作することができるような形態で、それぞれ、複数の周波数または複数の時間間隔として、利用可能資源を共有することにある。

周波数分割または時分割を使用するこれら方式とは対照的に、ＣＤＭＡ(Code Division Multiple Accessの略称であって、符号分割多重アクセスを意味する)システムは、符号化変調(Coded Modulation)を使用して、共通の周波数および共通の時間チャネルを、複数のユーザが共有することを可能にする。

更に詳細に述べれば、当業者に周知の通り、スクランブリングコードが各基地局に関連付けられ、それによって、或る基地局を他の基地局と区別することが可能になる。更に、当業者に"ＯＶＳＦ符号"として知られている直交符号が(例えばセルラ移動電話のような)遠隔端末の各々に割り当てられる。すべてのＯＶＳＦ符号は相互に直交しており、これによって、ある１つの遠隔端末を他の遠隔端末と区別することが可能となる。

ある遠隔端末に向けて伝送チャネル上に信号を送信する前に、該信号は、基地局のスクランブリングコードおよび該遠隔端末のＯＶＳＦ符号を使用して、該基地局によってスクランブルされ、拡散される。

ＣＤＭＡシステムにおいては、送信および受信について別々の周波数を使用するシステム(ＣＤＭＡ−ＦＤＤシステム)と、送信および受信について共通の周波数を使用するが、送信および受信について別々の時間領域（time domain）を使用するシステム(ＣＤＭＡ−ＴＤＤシステム)と、の間で更なる区別を行うことができる。

セルラ移動電話のような第３世代の端末は、ＵＭＴＳ規格と互換性がなくてはならない。すなわち、それらの端末は、種々の無線伝送規格の下で動作することができなくてはならない。従って、例えばＧＳＭまたはＧＰＲＳ伝送規格に従ったＦＤＭＡ／ＴＤＭＡタイプのシステムにおいて、あるいは、例えばＵＴＲＡ−ＦＤＤまたはＵＴＲＡ−ＴＤＤまたはＩＳ−９５伝送規格を使用することによるＣＤＭＡ−ＦＤＤまたはＣＤＭＡ−ＴＤＤタイプの通信システムにおいて、これらの端末は動作することができなければならない。

従って、本発明は、包絡線が変動する変調(variable envelope modulation、可変包絡線変調)システムに関してとりわけ利点を有してはいるが、本発明は、使用される伝送規格にかかわらず、すなわち該伝送規格が、(例えばＧＳＭおよびＤＣＳシステムのような)定包絡線変調(constant envelope modulation)を供するか、または(ＣＤＭＡタイプのシステムのような)可変包絡線変調を供するかにかかわらず、例えばセルラ移動電話のような無線通信システムのすべての端末およびコンポーネントに適用される。

例えばセルラ移動電話のような無線通信システムのコンポーネントの無線周波数伝送回路は、伝送することができるのに十分なレベルにまで信号を増幅するよう設計された電力増幅器を備える。可変包絡線変調を示すＣＤＭＡ規格に従って動作するシステムにおいては、歪みを生ずることなく、所定の振幅の信号を送信することを可能にする線形伝送回路が使用される。

伝送回路の電力増幅手段を実現するための１つの方策は、デルタシグマ型の増幅手段を使用することである。そのようなアーキテクチャの一例が、例えば米国特許第５７７７５１２号に記載されている。デルタシグマ型の増幅手段には、従来の線形増幅手段と比較して、効率の観点で一層競争力を持つという利点がある。

しかしながら、デルタシグマ型の増幅手段は、次のような欠点を持つ。デルタシグマ型の増幅手段は、雑音伝達関数の零点の位置を調整することを可能にする、すなわち量子化雑音が理論上除去される位置の周波数を調整することを可能にする周波数選択回路(frequency selector network)を備える。また、従来より、使用される伝送規格によって必要とされるＳＮ比に従うように、これらの零点は、信号が位置している使用伝送帯域内に置かれる。

また、量子化雑音の主な部分が信号の使用帯域から除去されることにより、該使用信号帯域の外側に位置する量子化雑音を除去する機能を持つ１つまたは複数の後置増幅器フィルタを、デルタシグマ型増幅手段の出力部に備える必要がある。種々の伝送規格によって定義された雑音テンプレート(noise template)に従うことが実際には必要であり、信号の使用伝送帯域の外側にある雑音に関しては、異なった伝送規格を使用する他の送信／受信を妨害しないように、雑音は一定のエネルギー・レベルを超えてはならない。

このようなテンプレートを満たすために、後置増幅器フィルタによって実行されるフィルタリング動作が増えると、使用信号帯域における損失が不可避的に増える。従って、増幅器に対して更に一層の電力を付与しなければならなくなり、それによって、該増幅器は、従来の増幅器に対する競争力を失うことになる。また、エネルギー・レベルについて伝送規格によって課される制約が、周波数の関数として様々に異なる場合、使用信号帯域の外側の雑音を除去する上記問題の解決は一層複雑となる。

例えば、その使用伝送帯域が１９２０ＭＨｚと１９８０ＭＨｚの間に位置しているＷ−ＣＤＭＡ伝送規格に従って動作するように移動電話が設計される場合、該使用帯域の外側の雑音レベルは、ＧＳＭ受信を妨害しないように、９２５ＭＨｚと９３５ＭＨｚとの間では１ヘルツあたり−１１７ｄＢｍ、９３５ＭＨｚと９６０ＭＨｚとの間では１ヘルツあたり−１２９ｄＢｍを超えてはならない。更に、雑音レベルは、ＤＣＳ受信を妨害しないように、１８０５ＭＨｚと１８８０ＭＨｚとの間で１ヘルツあたり−１２１ｄＢｍを超えてはならない。

本発明はこのような問題を解決しようとするものであり、その目的は、増幅手段の下流に位置する後置増幅器フィルタに対する制約を緩和すると共に、種々の伝送規格によって規定されている雑音テンプレートの要求を満たすように、信号の使用帯域の外側に位置する少なくとも１つの周波数帯域、あるいは場合によってはいくつかの周波数帯域における量子化雑音を減少させることである。

本発明は、使用周波数帯域を持つ信号を受信する入力部およびデルタシグマ型の電力増幅手段を備える電力増幅装置を提案する。本発明の１つの側面に従えば、該デルタシグマ型電力増幅手段は、信号の使用帯域において１以上の次数を有し、該使用帯域の外側において１以上の次数を有する。

本発明は、デルタシグマ型増幅手段の従来のアーキテクチャを修正することによって、使用帯域の外側にある雑音を減少させるという課題を解決する。より詳細に述べれば、信号の使用帯域において１以上の（典型的には、１より大きい）次数を実現することによって、使用帯域におけるＳＮ比を調整するように、雑音伝達関数の零点の位置を調整することができるようにする。

また、使用帯域の外側において１以上の（典型的には１より大きい）次数を実現することによって、該使用帯域の外側に位置する、量子化雑音を最小にすることが望まれる１つまたは複数の周波数帯域の値を調整することができるようにする。

このようにして、増幅手段の実際の構築を介して、信号の使用帯域の外側に位置する雑音部分が削除されるので、後置増幅器のフィルタリングに対する制約が緩和される。また、このフィルタリングは、使用信号帯域内に挿入される損失と該使用帯域の外側における減衰との間に妥協をもたらすので、重要なものである。例えば、伝送される信号における１ｄＢの損失は、増幅器の電力の増加としてみなされ、よって電流消費の増加とみなされる。従って、使用帯域の外側における量子化雑音の減少は、後置増幅器フィルタリングの要件を減少させ、使用伝送帯域における損失を減少させることを可能にし、最終的には、電流消費における利得につながる。

本発明の別の側面に従えば、電力増幅手段は、使用帯域に位置する１つの周波数に同調される少なくとも１つの周波数選択回路、および使用帯域の外側に位置する１つの周波数に同調される少なくとも１つの周波数選択回路を備える。

本発明の更に別の側面に従えば、電力増幅装置は、入力部と電力増幅手段との間に接続された少なくとも１つの信号増幅器(信号利得)を更に備える。信号増幅器(信号利得)の数は、電力増幅手段の総次数(global order)に等しく、該総次数は１つずつ増やされる。

該信号利得だけが入力信号に作用するので、好ましくはプログラム可能な少なくとも１つの信号利得の存在が、増幅手段の入力の動的変動を低減することを可能にする。また、増幅手段の全体の利得は、該信号利得の値を変更することによって定まるので、プログラム可能ないくつかの信号利得の存在により、増幅手段の全体利得を監視する際の柔軟性を一層増加させる。

更に、少なくとも２つの信号利得の存在が、信号の多項式伝達関数の零点を調節することを可能にする。信号伝達関数の零点が雑音伝達関数の零点と異なるので、これらの信号利得の存在を介して、使用帯域の外側に位置する、入力信号の雑音の除去が望まれる周波数値を調節することが可能となる。こうして、電力増幅手段の実際の構築を介して、使用帯域の外側の入力信号のフィルタリングが達成され、それによって、本発明に従う電力増幅装置の上流に位置するエレメントに対するフィルタリング制約を緩和することが可能となる。

本発明に従う電力増幅装置は、集積回路の形態で実現することができる。

本発明は、また、該電力増幅装置を備える無線通信システムのコンポーネントを提案する。このコンポーネントは、例えばセルラ移動電話あるいは基地局である。

図１において、参照符号ＴＰは、セルラ移動電話のような遠隔端末を示し、該遠隔端末は、例えばＣＤＭＡ−ＦＤＤタイプの通信方式(例えばＵＴＲＡ−ＦＤＤ規格)に従って基地局ＢＳ１との通信を行う。

セルラ移動電話は、従来の手法に従い、無線周波数アナログ段階ＥＲＦを備えており、該段階ＥＲＦは、入力信号を受け取るため、デュプレクサＤＵＰを経由してアンテナＡＮＴに接続されている。

従来の通り、該段階ＥＲＦは、低雑音増幅器と、ミキサ、従来型のフィルタおよび増幅器を含む２つの処理経路と、を含む。２つのミキサは、それぞれ、相互に９０度の位相差を持つ２つの信号を位相ロックループ(phase lock loop)から受け取る。ミキサにおける周波数変換の後、当業者に周知の表現である、Ｉ(同相ストリーム)およびＱ(直交位相ストリーム)という２つのストリームが、該２つの処理経路によりそれぞれ規定される。

アナログ−デジタル変換器ＡＤＣにおけるデジタル変換の後、２つのストリームＩおよびＱは、受信処理段階ＥＴＮＲに送られる。

この処理段階ＥＴＮＲは、従来通り、当業者に広く"レーキ(rake)受信機"と呼称されている受信機を含む。この受信機の後に従来通りの復調手段が続き、該復調手段は、レーキ受信機によって送出されたコンステレーション(constellation)の復調を実行する。

処理段階ＥＴＮＲはまた、従来手法に従い、当業者に周知のソース復号を実行するソース復号器を含む。

ベースバンドＢＢ処理ブロックは、処理段階ＥＴＮＲに加えて、伝送処理段階ＥＴＮＥを含む。該伝送処理段階ＥＴＮＥは、特にソース符号化、シンボルの拡散および変調という処理操作を従来手法で実行し、２つのストリームＩおよびＱを、従来型構造の伝送回路ＣＨＭに送る。

この伝送回路ＣＨＭは、特にその頭の部分において、デジタル／アナログ変換器と共に、伝送周波数への周波数変換を実行することを可能にするミキサを備える。該変換された信号は、処理段階ＥＴＮＥに組み込まれた自動周波数制御手段によって同様に制御される位相ロックループ（簡略化のため図示していない）により、配信される。

回路ＣＨＭに続いて、デュプレクサＤＵＰを経由してアンテナに接続された電力増幅段階ＥＴＰが、従来通りに配置されている。

アンテナ・コネクタのレベルにおいて超えてはならない雑音レベルの値が、３ＧＰＰ標準化グループによって仕様ＴＳ２５ １０１に定義されている。そのような雑音レベルは、図２に示される伝送テンプレートで表されており、これは、Ｗ−ＣＤＭＡ規格に準拠した伝送について有効なものである。

このテンプレートに見られるように、使用伝送帯域が、ここでは１９２０ＭＨｚと１９８０ＭＨｚとの間に位置している。雑音レベルは、９２５ＭＨｚと９３５ＭＨｚとの間では、１ヘルツあたり−１１７ｄＢｍを超えてはならず、また９３５ＭＨｚと９６０ＭＨｚとの間では、１ヘルツあたり−１２９ｄＢｍを超えてはならない。これらの値は、他の電話によって実行されるＧＳＭ受信を妨害しないように定められている。

同様に、該使用帯域の外側においては、雑音レベルは、ＤＣＳ規格に従った受信を妨害しないように、１８０５ＭＨｚと１８８０ＭＨｚとの間では１ヘルツあたり−１２１ｄＢｍを超えてはならない。

そこで、本発明に従う電力増幅装置は、信号の使用帯域におけるＳＮ比の要件および該使用帯域の外側における雑音レベル要件を満たすようなやり方で構成される。

具体的には、図３に示されるように、電力増幅装置ＤＩＳは、増幅されるべき信号ＳＧを受け取る入力端子ＢＥ、およびそれに続くデルタシグマ型の電力増幅手段ＭＡＰを備える。

より詳細に述べれば、入力端子ＢＥ上にある信号ＳＧは、まず、ミキサによって無線周波数ドメインに変換された後、一連の加算器／減算器と、それぞれが周波数選択回路から形成される積分手段ＩＮＴ１−ＩＮＴ３と、により処理される。

その後、周波数選択回路ＩＮＴ２の出力部に送出された信号が、量子化手段ＱＴＺにおいて１ビットに量子化される。

量子化手段ＱＴＺによって送出される方形波の信号が、デジタル−アナログ変換の後、クラスＥで(すなわち方形波信号に対して)動作する電力増幅器ＡＭＰにおいて増幅される。増幅器の出力は、本例において、ｋ１〜ｋ４とそれぞれ符号の付けられた４つの連続する利得によって、加算器／減算器の入力部に戻される。

増幅器ＡＭＰの出力部はまた、後置増幅器フィルタＦＤＳの入力部に連結される。後置増幅器フィルタＦＤＳは、その出力部がデュプレクサＤＵＰに接続されるバンドパス・フィルタである。

デルタシグマ型の電力増幅手段ＭＡＰは、図３を単純化するため、本例では、総次数（global order）が４に等しい(積分器の数が４であるので)。

ここでは、２つの周波数選択回路ＩＮＴ１およびＩＮＴ２は、使用信号帯域、すなわち本例では１９２０と１９８０ＭＨｚとの間に位置する周波数に同調される容量誘導性回路(inductive capacitive network)である。より詳細には、回路ＩＮＴ１は、例えば１９４０ＭＨｚの周波数に同調することができ、回路ＩＮＴ２は、例えば１９６０ＭＨｚの周波数に同調することができる。

一般に、周波数選択回路の共振周波数が、雑音伝達関数の零点を決める、すなわち、量子化雑音が除去される零点を決める。

回路ＩＮＴ１およびＩＮＴ２の２つの共振周波数に対応する該伝達関数の２つの零点により、信号の使用伝送帯域における２つのＳＮ比の要件が満たされる。

更に、２つの周波数選択回路ＩＮＴ３、ＩＮＴ４は、使用帯域の外側に位置する周波数に同調される。従って、これらの回路のそれぞれが、同調対象の周波数における量子化雑音を除去することを可能にする。

本例においては、ネットワークＩＮＴ３およびＩＮＴ４は、９３０および９５０ＭＨｚに等しい周波数にそれぞれ同調することができ、それによって、(図２の場合の)９２５ＭＨｚと９６０ＭＨｚとの間に存在するＧＳＭ受信帯の雑音レベルを低減させることが可能となる。

伝達関数の極（pole）は、一連のフィードバック利得ｋ１〜ｋ４によって規定され、システム全体を安定させるように配置される。

このようにして、雑音レベルを、信号の使用帯域の外側にある予め決められた周波数に制限し、また、電力増幅手段ＭＡＰのレベルに直接制限することによって、本発明は、典型的には約２０デシベルの後置増幅器フィルタに対する制約を緩和することを可能にする。

次に、図４を参照して、本発明に従った電力増幅装置の第２の実施形態を説明する。この実施形態における電力増幅装置ＤＩＳが、図３の実施形態と相違するのは、入力端子ＢＥと電力増幅手段ＭＡＰとの間に少なくとも１つの信号利得(信号増幅器)が配置されている点である。この例においては、５つの信号利得ｋ６〜ｋ１０が備えられており、そのうちの４つは、入力端子ＢＥと回路ＩＮＴ１〜ＩＮＴ４の上流に配置された加算器／減算器との間に接続され、他の１つは、周波数選択回路ＩＮＴ２および量子化手段ＱＴＺとの間に配置されたもう１つの加算器ＡＤＤと、入力端子ＢＥとの間に接続されている。

このような実施形態は、信号の伝達関数の零点を決めるための更なる自由度を許容する。特に、雑音伝達関数の零点および極は、周波数選択回路の周波数と、フィードバック利得ｋ１〜ｋ４とによって決まる。更に、信号伝達関数の極は、雑音伝達関数の極と同じである。

少なくとも２つの信号利得が、(周波数選択回路を直接または間接的に介して)入力端子ＢＥと量子化手段ＱＴＺの入力部との間に配置されない場合、フィードバック利得および周波数選択回路の同調周波数が一旦定まれば、信号の伝達関数の零点は自動的に定まる。しかしながら、少なくとも２つの信号利得が存在する場合、信号伝達関数の零点の位置を調整することが可能である。

また、(これら信号利得の相対的な値に基づいて)使用帯域の外側の信号伝達関数の零点の位置を特定することにより、入力信号ＳＧを確実にフィルタリングすることが可能になり、使用帯域の外側に位置する予め決められた周波数における若干の厄介な雑音を除去することが可能となる。こうして、電力増幅装置の上流に位置している伝送回路のエレメントに対するフィルタリング制約を緩和することができる。

更に、信号利得の絶対値を変えることによって、特に使用伝送帯域において、ＳＮ比の劣化を招くことなく、増幅器の利得を調節することが可能となる。

また、これらの利得が入力信号にだけ作用するので、電力増幅手段の入力の動的な変動（dynamic swing）が減少する。これらの信号利得は、プログラム可能である。

更にまた、このような信号利得の存在が、電力増幅装置の上流に配置されるミキサの出力電力を低下させることを可能にする。従って、信号における１５ｄＢの利得により、ミキサの出力において必要な最大電力において１５ｄＢの減少が可能になる。

こうして、システムの線形要件に関する制約は、大部分において、電力増幅手段の入力段階すなわち利得ｋ３およびｋ６に対応する段階に存在する。量子化手段に近付くほど、中間ブロックの線形性能に関する制約は一層緩和される。

本発明に従う、セルラ移動電話の構造を示すブロック図。 ＣＤＭＡ規格に従った伝送用雑音テンプレートの一例を示す図。 本発明に従う、電力増幅器の第１の実施形態を示す図。 本発明に従う、電力増幅器の第２の実施形態を示す図。

符号の説明

ＡＭＰ 増幅器
ＢＥ 入力端子
ＢＳ１ 基地局
ＤＩＳ 電力増幅器
ＦＤＳ 後置増幅器フィルタ
ＩＮＴ 周波数選択回路
ＭＡＰ デルタシグマ型電力増幅手段
ＱＴＺ 量子化器
ＳＧ 入力信号
ＴＰ セルラ移動電話

Claims (10)

1. 使用周波数帯域を持つ信号を受信する入力部、およびデルタシグマ型の電力増幅手段を備える電力増幅装置であって、
   前記デルタシグマ型電力増幅手段は、前記信号の前記使用帯域において１以上の次数を有し、かつ、該使用帯域の外側において１以上の次数を有する、電力増幅装置。
2. 前記電力増幅手段は、
   前記使用帯域に位置する周波数に同調される少なくとも１つの周波数選択回路と、該使用帯域の外側に位置する１つの周波数に同調される少なくとも１つの周波数選択回路と、
   を備える、請求項１に記載の電力増幅装置。
3. 前記入力部および前記電力増幅手段の間に接続される少なくとも１つの信号増幅器を備える、請求項１または２に記載の電力増幅装置。
4. 前記入力部および前記電力増幅手段の間に接続される少なくとも２つの信号増幅器を備える、請求項３に記載の電力増幅装置。
5. さらに、前記電力増幅手段の総次数に等しい数の信号増幅器を備え、該次数は、１つずつ増やされる、請求項４に記載の電力増幅装置。
6. 前記使用帯域の外側の雑音伝達関数の零点の位置を特定するように、前記信号増幅器の利得の相対的な値が調節される、請求項４または５に記載の電力増幅装置。
7. 前記信号増幅器は、プログラム可能な利得を有する、請求項３から請求項６のいずれかに記載の電力増幅装置。
8. 集積回路の形態で実現される、請求項１から請求項７のいずれかに記載の電力増幅装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の電力増幅装置を備える無線通信システムのコンポーネント。
10. セルラ移動電話である、請求項９に記載のコンポーネント。

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