JP2004504772A - 周波数シンセサイザに基づく位相符号化を行う送信機のための基準信号事前歪み - Google Patents
周波数シンセサイザに基づく位相符号化を行う送信機のための基準信号事前歪み Download PDFInfo
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Abstract
Description
(発明の背景)
本発明はセルラ電話送信機などの通信送信機に関するもので、より詳しくは、周波数シンセサイザを用いて位相符号化信号を生成する通信送信機と無線通信移動端末に関する。
【0002】
無線通信では信号の振幅と位相とを符号化して送るのが普通である。例えば、北米共通のセルラ通信用の1標準であるTIA/EIA−136は、搬送周波数上に情報を符号化するのに振幅および位相変調を要求している。この標準は当業者によく知られている。TIA/EIA−136および他の標準では、1つまたは複数の混合段階を用いて送信信号をベースバンドから所定の搬送周波数まで上げるI/Q変調器構造を用いるのが普通である。かかる構造では、送信する信号を表す同相(I)信号成分と直交(Q)信号成分とをベースバンドで生成する。I信号およびQ信号を混合してベースバンドから一般に2つ以上の中間周波数に(直列に)上げ、更に搬送周波数まで上げる。
【0003】
(発明の概要)
本発明の1つの形態では、位相符号化信号を生成するときに可変周波数シンセサイザを用いる。従来の周波数シンセサイザの場合と同様に、周波数シンセサイザの出力は少なくとも部分的に入力基準信号に基づく。本発明では、周波数シンセサイザの基準信号入力を安定かつ一定に保つのではなく、故意に変化させて周波数シンセサイザの出力を制御する。この変化する基準信号をここでは位相基準信号と呼び、これは従来の同相信号と直交信号とを位相歪み器(phase distorter)で修正することにより得られる。位相歪み器は同相信号と直交信号とに事前歪み(pre−distortion)を与えて、周波数シンセサイザの帯域制限効果を補償する。したがって、送信信号は位相符号化信号に基づく。
【0004】
(発明の詳細な説明)
本発明について、無線通信移動端末20を参照して説明する。しかし理解されるように本発明はこれに限定されるものではなく、周波数シンセサイザを用いて位相符号化送信信号を生成する任意の型の通信送信機に適用される。
【0005】
図1に示す無線通信移動端末20は一般に、コントローラ22と、オペレータ・インターフェース26と、送信機38と、受信機50と、アンテナ組立体58とを含む。オペレータ・インターフェース26は一般に、ディスプレイ28と、キーパッド30と、制御ユニット32と、マイクロホン34と、スピーカ36とを含む。ディスプレイ28は、ダイアルされた数字や、呼の状態や、その他のサービス情報をオペレータが見るのに用いられる。キーパッド30は、オペレータが番号をダイアルし、コマンドを入力し、オプションを選択するのに用いられる。制御ユニット32はディスプレイ28およびキーパッド30とコントローラ22とをインターフェースする。マイクロホン34はユーザから音響信号を受け、この音響信号をアナログ電気信号に変換する。スピーカ36は受信機50からのアナログ電気信号を、ユーザが聞くことのできる音響信号に変換する。
【0006】
マイクロホン34からのアナログ電気信号は送信機38に送られる。送信機38は、アナログ・ディジタル変換器40と、ディジタル信号処理プロセッサ42と、位相変調器およびRF増幅器48とを含む。アナログ・ディジタル変換器40はマイクロホン34からのアナログ電気信号をディジタル信号に変換する。ディジタル信号は、音声符号器44とチャンネル符号器46とを含むディジタル信号処理プロセッサ(DSP)42に送られる。音声符号器44はディジタル信号を圧縮し、チャンネル符号器46は誤り検出と誤り訂正とシグナリング情報を挿入する。DSP42はDTMFトーン発生器(図示せず)を含むかまたはこれに関連して動作する。ディジタル信号処理プロセッサ42からの圧縮され符号化された信号は位相変調器およびRF増幅器48に送られる。図1には、これは結合されたユニットとして示されている。位相変調器は、RF搬送波で送信するのに適した形に信号を変換する。次にRF増幅器は、アンテナ組立体58を介して送信できるように位相変調器の出力を増幅する。
【0007】
受信機50は、受信器/増幅器52と、ディジタル信号処理プロセッサ54と、ディジタル・アナログ変換器56とを含む。アンテナ組立体58が受信した信号は受信器/増幅器52に送られる。ここで周波数スペクトラムをシフトし、低レベルのRF信号をディジタル信号処理プロセッサ54に入力するのに適したレベルまで増幅する。
【0008】
ディジタル信号処理プロセッサ54は一般に、チャンネル劣化信号(channel corrupted signal)内の位相歪みと振幅歪みとを補償する等化器と、受信信号からビット・シーケンスを抽出する復調器と、抽出されたシーケンスに基づいて送信ビットを決定する検出器とを含む。チャンネル復号器は受信信号内のチャンネル誤り(channel errors)を検出して訂正する。またチャンネル復号器は、制御データとシグナリングデータとを音声データから分離する論理を含む。制御データとシグナリングデータとはコントローラ22に送られる。音声データは音声復号器により処理され、ディジタル・アナログ変換器56に送られる。ディジタル信号処理プロセッサ54は、DTMFトーン検出器(図示せず)を含むかまたはこれに関連して動作する。ディジタル・アナログ変換器56は音声データをアナログ信号に変換し、これをスピーカ36に送って、ユーザが聞くことのできる音響信号を生成する。
【0009】
アンテナ組立体58は、送信機38のRF増幅器と、受信機50の受信機/増幅器52とに接続する。アンテナ組立体58は一般にデュープレクサ60とアンテナ62とを含む。デュープレクサ60はアンテナ62による完全二重通信を可能にするのに用いられる。
【0010】
コントローラ22は送信機38と受信機50の動作を調整し、例えば共通マイクロプロセッサの形をとってよい。この調整は、電力制御や、チャンネル選択や、タイミングや、この技術において知られる他の多数の機能を含む。コントローラ22は送信信号にシグナリングメッセージを挿入し、受信信号からシグナリングメッセージを抽出する。コントローラ22はシグナリングメッセージ内に含まれる全ての基地局コマンドに応答してこれらのコマンドを実施する。ユーザがキーパッド30を介してコマンドを入力すると、このコマンドはコントローラ22に送られて実施される。メモリ24はコントローラ22の指示により情報を記憶しまた供給し、好ましくは揮発性部分と不揮発性部分とを共に含む。
【0011】
上に述べたように、DSP42からの圧縮され符号化された信号は位相変調器およびRF増幅器48に入力される。位相変調器およびRF増幅器48の詳細を図2に示す。位相変調器およびRF増幅器48は概念的に、波形発生器120と、周波数シンセサイザ140と、増幅器110とに分割してよい。波形発生器120はDSP42からの入力データ・ストリームを取り、振幅成分AM(t)と位相基準信号Yとを生成する。周波数シンセサイザ140は位相基準信号Yを用いて一定の包絡線位相成分PM(t)を生成する。増幅器110は、振幅成分AM(t)に基づいて位相成分信号PM(t)に振幅変調を与えて、AM無線送信機で知られている方法または米国特許番号第5,990,735号や第5,973,556号などに記述されている方法などの公知の任意の方法で、搬送波周波数の出力信号s(t)を生成する。
【0012】
位相変調器およびRF増幅器48の一部の詳細を図3に示す。波形発生器120は図に示すように、シンボルマッパ122と、位相歪み器124と、2個のミクサ126および128と、結合器130と、振幅発生器190とを含んでよい。記号マッパはこの図の例では差動符号器122の形をとり、DSP42からの入力データ・ストリームを受け、このデータを適切なシンボルにマッピングしてデータ・ストリームを符号化し、データ信号を表す2つの出力(同相成分Iと直交成分Q)を公知の任意の方法で作成する。例えば、差動符号器は差動直交位相シフト・キーイング(DQPSK)または3π/8シフト8位相シフト・キー変調(EDGE)を用いてよい。本発明にとって必須ではないが、IとQは共に振幅発生器190に送られ、IとQに基づいて公知の方法で振幅成分AM(t)が生成され、このAM(t)は増幅器110に送られる。また、IとQは共に位相歪み器124に送られる。位相歪み器124はIとQに補償事前歪みを与えて
と
を生成する。これについては後で詳細に説明する。次に
信号と
信号はそれぞれのミクサ126と128に送られ、各ミクサはそれぞれの信号を混合してベースバンド周波数から中間周波数まで上げる。例えば、ミクサ126は
信号と中間周波数のコサイン関数混合信号とを混合し、ミクサ128は
信号と、上と同じ中間周波数の混合信号の負サイン関数とを混合する。次にこれらの混合信号を結合器130に送り、任意の一般の方法でこれらを結合する。結合器130の出力(すなわち位相基準信号Y)は周波数シンセサイザ140に送られる。
【0013】
位相基準信号Yを用いて周波数シンセサイザ140の動作を調整して、位相成分PM(t)内に所望の位相変動を作る。周波数シンセサイザ140は周知の種々の形式でよいが、一例として、周波数シンセサイザ140は位相同期ループ(PLL)であると仮定する。図3のPLL140は一般に、位相比較器144と、ループ・フィルタ146と、電圧制御発振器(VCO)148と、ループ・ミクサ142とを含む。位相比較器144はループ・ミクサ142の出力の位相と、基準分割器波形発生器120からの位相基準信号Yとを比較し、この比較に基づいて位相訂正信号を生成する。位相比較器を用いて2つの入力信号(基準信号とフィードバック信号)に基づいて位相訂正信号を作る周知の方法は多数あるが、どの方法を選択するかは本発明の動作にとって重要ではないので簡単のために省略する。位相比較器144からの位相訂正信号はループ・フィルタ146を介してVCO148に送られる。VCO148は、PLL140への基準信号入力に少なくとも部分的に基づいて出力信号を生成する。この説明では、VCO148は位相基準信号Yに少なくとも部分的に基づいて出力信号PM(t)を生成する。PLL出力信号PM(t)は増幅器110に送られる。更に、位相同期ループでは通例のことであるが、出力信号は位相比較器144にもフィードバックされる。この図の例では、出力信号PM(t)はループ・ミクサ142に送られ、ここでローカル発振器信号と混合された後、位相比較器に送られる。一般に、ループ・ミクサ142は出力信号PM(t)を混合して搬送波周波数から中間周波数を生成して、位相基準信号Yとの比較を容易にする。また、ループ・ミクサ142を用いて送信チャンネルの選択を支援することができる。上の説明から分かるように、PLL140は周知の位相同期ループと同様に動作するが、PLL140の基準入力は普通に用いられる一定周波数の基準信号ではなく、故意に変化させた位相基準信号Yである。
【0014】
残念ながら、位相同期ループは変調された信号の位相成分の帯域を制限する傾向を有する。場合によっては、この帯域制限のために送信信号に中程度のまたは相当のアーチファクト(artifacts)が生じる。これを補償するため、本発明は周波数シンセサイザ140に供給する位相基準信号Yに故意に事前歪みを与える。この事前歪みを与えるプロセスを図4に示す。まず、位相歪み器124は差動符号器122からのI成分とQ成分を、
および
の形の極座標形式に変換する。ただし、Ikはサンプリング時刻kでの同相変調成分、Qkは同じサンプリング時刻kでの直交変調成分である(ボックス210)。位相の不連続性を除くため、計算された位相角θをアンラップする(unwrapped)(ボックス220)。このことは、式φk=θk+2πrkの中のrkを|φk−φk−1|<πになるように選ぶことに相当する。事前歪みベクトルhをアンラップした位相に作用させて事前歪み位相
、すなわち
を生成する(ボックス230)。ここで、nは0からN−1まで変化し、Nは位相歪み器124の「長さ」である。次に、事前歪み位相
を用いて、
と
に従って
信号と
信号とを生成する(ボックス240)。次に信号
をミクサ126により、また
信号をミクサ128によりそれぞれ混合して中間周波数を生成し、これを結合器130で結合して位相基準信号Yを作る(ボックス250)。信号Yを基準信号入力としてPLL140に与える(ボックス260)。周知のように、PLL140などの位相同期ループは、上に述べたように位相同期ループに入力される基準信号の位相にその出力の位相を合わせる。したがって、PLL140は、基準入力信号に基づいて出力信号を生成するという位相同期ループの周知の方法で、信号Yに基づいてPM(t)を生成する(ボックス270)。信号PM(t)は増幅器110に送られ、これを用いて任意の従来の方法で送信信号が生成される。
【0015】
図4のプロセスにより、位相歪み器124は事前歪みベクトルhを用いて
信号と
信号とを生成する。事前歪みベクトルhの係数を計算するには、PLL140のインパルス応答を測定し(解析的にまたは実験的に)Nx1ベクトルfとしてモデル化する。ここで、ベクトルの各要素(例えばf0,f1,f2,...,fN−1)は対応する時間インデックスにおけるPLL140の応答を表す。このインパルス応答に基づいて、マトリクスF(インパルス応答マトリクスと呼ぶことがある)を次のように構築することができる。
【0016】
位相歪み器124が用いる補償ベクトルhを計算するには、所望の応答ベクトルgを選択しなければならない。所望の応答ベクトルgは、PLL140を通して事前歪みを与える回路経路(例えば、位相歪み器124)の理想的なオーバーオール(overall)の応答関数の時間領域表現と考えてよい。一般に、所望の応答ベクトルgは、ほとんどの要素が0で、位相歪み器124の入力に対するPLLの出力信号PM(t)の時間遅れに対応する位置gkに1を持つベクトルであろう。また、本発明の範囲を越えることなく他の所望の応答ベクトルgを選ぶことができる。所望の応答ベクトルgに基づいて、位相歪み器124が用いる補償ベクトルhは次の式を解くことにより得られる。
【0017】
補償ベクトルhを決定するのに用いられるプロセスの一例を図5に示す。周波数シンセサイザ140のインパルス応答f(t)を解析的にまたは実験的に決定する(ボックス310)。周波数シンセサイザ140のインパルス応答に基づいてマトリックスFを形成する(ボックス320)。所望の応答ベクトルgを選択し(ボックス330)、次に補償ベクトルhを計算する(ボックス340)。
【0018】
一般に、補償ベクトルhを作用させて修正したI信号とQ信号(すなわち、
と
)をPLL140の基準信号入力として用いることは、周波数シンセサイザ140の入力に事前歪みを与えて周波数シンセサイザ140の帯域制限効果を補償するという効果を有する。これを行うため、差動符号器122とミクサ126、128との間に位相歪み器124を挿入し、適当な事前歪みhを与えるようにプログラムする。
【0019】
本発明により、周波数シンセサイザ140を用いることによる帯域制限効果を補償する一方で、PLL140や、差動符号器122や、ミクサ126、128など、多数の他の標準的な低コストの構成要素を用いることができる。また幾つかの実施の形態では、本発明により、通常より狭い閉ループ帯域幅を有する位相同期ループを用いて位相符号化信号を生成することができる。なぜなら、位相事前歪みは位相同期ループの帯域幅を広げ、しかも位相変調を正確に表現することができるからである。このように、本発明により標準の周波数シンセサイザを用いてしかもその欠点の一部を補償することが可能であり、また良好な隣接チャンネル電力レベルを持つ信号などの、クリーンな信号を作ることができる。
【0020】
もとより、本発明の精神と必須の特性から逸れずにここに説明した以外の方法で本発明を実施することができる。したがって、この実施の形態はあらゆる点において例であって制限するものではなく、特許請求の範囲の意味と同等の範囲内にある全ての変更はここに含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明を組み込んだ無線通信移動端末を示す。
【図2】
図1の位相変調器およびRF増幅器の詳細を示す。
【図3】
図2の位相変調器およびRF増幅器の一部の詳細を示す。
【図4】
補償事前歪みを与える1つのプロセス・フローを示す。
【図5】
図3の位相歪み器が用いる補償事前歪みを決定する1つのプロセス・フローを示す。
Claims (32)
- 無線送信機を制御する方法であって、
送信するデータを表す符号化信号を生成し、
周波数シンセサイザに関連する第1の位相歪みを決定し、
前記第1の位相歪みを実質的に打ち消す(counteract)事前歪みを決定し、
前記位相事前歪みを前記符号化信号に与えて位相基準信号Yを作成し、
前記位相基準信号Yを基準信号として前記周波数シンセサイザに供給し、前記位相基準信号Yに基づいて前記周波数シンセサイザからの出力を作成し、
前記周波数シンセサイザの前記出力に基づいて信号を送信する、
ことを含む、無線送信機を制御する方法。 - 前記周波数シンセサイザは基準入力に応答する位相同期ループを有し、また前記位相基準信号Yを基準信号として前記周波数シンセサイザに供給することは前記位相基準信号Yを前記位相同期ループ基準入力として前記位相同期ループに与えることを含む、請求項1記載の無線送信機を制御する方法。
- 前記位相同期ループは実質的に、位相比較器と、ループ・フィルタと、電圧制御発振器と、フィードバック・ミクサとから成る、請求項2記載の無線送信機を制御する方法。
- 送信するデータを表す符号化信号を生成することは、送信するデータを表す同相信号と直交信号とを生成することを含み、
前記位相事前歪みを前記符号化信号に与えて位相基準信号Yを作成することは、前記位相事前歪みを前記同相信号と前記直交信号とに与えて事前歪み同相信号と事前歪み直交信号とを作成することを含む、
請求項1記載の無線送信機を制御する方法。 - 前記位相事前歪みを前記符号化信号に与えて位相基準信号Yを作成することは、前記事前歪み同相信号と前記事前歪み直交信号とを結合して前記位相基準信号Yを作成することを更に含む、請求項4記載の無線送信機を制御する方法。
- 無線送信機であって、
送信するデータを表す同相信号と直交信号とを受け、これに事前歪みを与えて、前記同相信号と直交信号とに基づいて事前歪み同相信号と事前歪み直交信号とを生成する位相歪み器と、
前記事前歪み同相信号と事前歪み直交信号とを結合し、これに基づいて位相基準信号Yを作成する結合器と、
入力する基準信号として前記位相基準信号を受け、これに基づいて位相符号化信号を作成する周波数シンセサイザと、
を備える無線送信機。 - 前記周波数シンセサイザは基準入力に応答する位相同期ループを有し、また前記基準入力は前記位相基準信号Yを含む、請求項9記載の無線送信機。
- 前記位相同期ループは実質的に、位相比較器と、ループ・フィルタと、電圧制御発振器と、フィードバック・ミクサとから成る、請求項10記載の無線送信機。
- 前記位相同期ループは前記位相基準信号に基づいて一定の包絡線位相変調位相符号化信号を生成する、請求項11記載の無線送信機。
- 前記事前歪み同相信号を混合してベースバンド周波数から中間周波数まで上げる第1のミクサと、前記事前歪み直交信号を混合してベースバンド周波数から中間周波数まで上げる第2のミクサとを更に備え、前記結合器は前記第1および第2のミクサの下流に配置される、請求項9記載の無線送信機。
- 増幅器と振幅発生器とを更に備え;前記振幅発生器は前記同相信号と直交信号とを受けてこれに基づいて振幅符号化信号を生成し;前記増幅器は前記位相符号化信号と前記振幅符号化信号とに基づいて振幅および位相変調送信信号を生成する、請求項9記載の無線送信機。
- 無線通信移動端末を制御する方法であって、
送信するデータを表す符号化信号を生成し、
周波数シンセサイザに関連する第1の位相歪みを決定し、
前記第1の位相歪みを実質的に打ち消す(counteracts)事前歪みを決定し、
前記位相事前歪みを前記符号化信号に与えて位相基準信号Yを作成し、
前記位相基準信号Yを基準信号として前記周波数シンセサイザに供給し、前記位相基準信号Yに基づいて前記周波数シンセサイザからの出力を作成し、
前記周波数シンセサイザの前記出力に基づいて信号を送信する、
ことを含む、無線通信移動端末を制御する方法。 - 前記周波数シンセサイザは基準入力に応答する位相同期ループを有し、また前記位相基準信号Yを基準信号として前記周波数シンセサイザに供給することは前記位相基準信号Yを前記位相同期ループ基準入力として前記位相同期ループに与えることを含む、請求項17記載の無線通信移動端末を制御する方法。
- 前記位相同期ループは実質的に、位相比較器と、ループ・フィルタと、電圧制御発振器と、フィードバック・ミクサとから成る、請求項18記載の無線通信移動端末を制御する方法。
- 送信するデータを表す符号化信号を生成することは、送信するデータを表す同相信号と直交信号とを生成することを含み、
前記位相事前歪みを前記符号化信号に与えて位相基準信号Yを作成することは、前記位相事前歪みを前記同相信号と前記直交信号とに与えて事前歪み同相信号と事前歪み直交信号とを作成することを含む、
請求項17記載の無線通信移動端末を制御する方法。 - 前記位相事前歪みを前記符号化信号に与えて位相基準信号Yを作成することは、前記事前歪み同相信号と前記事前歪み直交信号とを結合して前記位相基準信号Yを作成することを更に含む、請求項20記載の無線通信移動端末を制御する方法。
- 前記位相事前歪みを前記同相信号と前記直交信号とに与えて事前歪み同相信号と事前歪み直交信号とを作成することは前記位相事前歪みを第1の位置で前記同相信号と前記直交信号とに与えて事前歪み同相信号と事前歪み直交信号とを作成することを含み、また前記第1の位相歪みと前記位相事前歪みとの関係は
であり、ただし補償ベクトルhは前記位相事前歪みを表し、所望の応答ベクトルgは前記周波数シンセサイザを通して前記第1の位置の直前からの理想的なシステム応答を表し、またc=(FTF)−1FTgであり、ただしインパルス・マトリクスFは前記周波数シンセサイザに関連する前記第1の位相歪みを表す、請求項17記載の無線通信移動端末を制御する方法。 - 無線通信移動端末であって、
送信するデータを表す同相信号と直交信号とを受け、これに事前歪みを与えて、前記同相信号と直交信号とに基づいて事前歪み同相信号と事前歪み直交信号とを生成する位相歪み器と、
前記事前歪み同相信号と事前歪み直交信号とを結合し、これに基づいて位相基準信号Yを作成する結合器と、
入力する基準信号として前記位相基準信号Yを受け、これに基づいて位相符号化信号を作成する周波数シンセサイザと、
を備える無線通信移動端末。 - 前記周波数シンセサイザは基準入力に応答する位相同期ループで構成し、また前記基準入力は前記位相基準信号Yを含む、請求項25記載の無線通信移動端末。
- 前記位相同期ループは実質的に、位相比較器と、ループ・フィルタと、電圧制御発振器と、フィードバック・ミクサとから成る、請求項26記載の無線通信移動端末。
- 前記位相同期ループは前記位相基準信号に基づいて一定の包絡線位相変調位相符号化信号を生成する、請求項27記載の無線通信移動端末。
- 前記事前歪み同相信号を混合してベースバンド周波数から中間周波数まで上げる第1のミクサと、前記事前歪み直交信号を混合してベースバンド周波数から中間周波数まで上げる第2のミクサとを更に備え、前記結合器は前記両ミクサの下流に配置される、請求項25記載の無線通信移動端末。
- 増幅器と振幅発生器とを更に備え;前記振幅発生器は前記同相信号と直交信号とを受けてこれに基づいて振幅符号化信号を生成し;前記増幅器は前記位相符号化信号と前記振幅符号化信号とに基づいて振幅および位相変調送信信号を生成する、請求項25記載の無線通信移動端末。
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