JP2004517541A - 高効率線形電力増幅用多重化入力エンベロープ復元方式 - Google Patents
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Abstract
Description
(発明の背景)
本発明は電力増幅器に関する。特に、本発明は高効率線形電力増幅用の多重化入力変調方式を採用するシステムおよび装置に関する。
【0002】
本発明はまた、エンベロープが振幅変調された信号の効率的な増幅、特に、そのような信号のRF周波数での線形増幅を大電力レベルにまで適用することに関する。利用可能な直流電力が限られるために制約を受ける(例えば、固定容量の電池を電源とするような)応用では、能動装置の出力に存在する波形を調整して(増幅チェーンに沿った任意の与えられたステージにおいて)、能動装置の内部で電力が、消費されずに直流からRF信号エネルギーへ変換されるまで保存されるようにすることが課題となる。能動装置内で消費される電力が少なければ少ないほど、増幅器の効率は高くなる。能動装置内部で電力が消費されるのは、その装置の出力端子において搬送波信号の非ゼロの電圧および電流に同時的な重畳が発生する場合である。非ゼロの電圧と電流との積は、搬送波周波数における意図された出力信号の電力から差し引かれるエネルギー損失となり、効率を低下させる。電流と電圧のこの有限の重畳をいろんなレベルにまで削減するための各種の技術および増幅器トポロジーが存在し、それらをここに提案する発明と組み合わせることによって有限の振幅変調を必要とする場合の最大効率を得ることもできる。
【0003】
更に望みの信号の線形増幅をも要求する応用では、効率を改善する同じクリッピングが線形性を劣化させる場合がある。もし波形が“クリッピング”されたり、歪んでいたりすれば入力信号の増幅されたコピーを得ることは難しい。
【0004】
この歪はとりわけ入力信号の特定の面に影響を与える。入力信号を振幅変調あるいは位相変調されたものとして表現できるのと同じように、歪は、それらの振幅変調および位相変調成分を乗じた場合に、出力で結果としての振幅変調および位相変調成分を与えるマトリックスとして表現できる。例えば、
【0005】
【0006】
振幅変調を含まず、PM情報でのみ情報を搬送する特定の信号に対しては、この式で重要なのはPM0/PMiの項だけである。位相のみを変調された入力信号から取り出される位相変化は、しばしば非常に非線形性の高い増幅器においても大きな位相歪を生じない。従って、非常に効率的な非線形電力増幅器を用いて、重要な位相情報に顕著な劣化をもたらすことなく位相変調された入力を増幅することができる。
【0007】
しかし、振幅変調された信号の場合はそういかない。この場合、大きなエンベロープ振幅は増幅器の非線形性によって顕著な振幅歪を生ずる。装置入力における振幅の大きな変動は装置のキャパシタンスおよびコンダクタンスに大きな変動を引き起こすのが普通であって、それらはすべて非線形的に変動する。これらの非線形なコンダクタンスおよびキャパシタンス変化は出力に現れる波形に顕著な歪を生じさせる。この歪は最終的には、用途において要求される線形性要求に増幅器が応える能力を劣化させる。同時に、増幅器を非線形に動作させる効率上のメリットは大きく、従って、大きな振幅変調を伴う信号を線形的に増幅するために非線形増幅器を使用することはもっと研究する余地がある。
【0008】
非線形増幅ステージの出力において振幅変調のエンベロープを復元するための確立された方法があり、それ自身非常に高い効率を達成できるため、その中核の増幅器を変調するシステム・ソリューションは高い効率を実現できる。そのような方式は一般的に、増幅器入力において一定のエンベロープを持つ位相変調された信号を使用することを想定している。非線形増幅器は、AM/AMおよびAM/PM歪なしに位相変調成分を効率的に増幅することができる。振幅変調エンベロープ情報は従って、そのステージに振幅歪を生ずることなく、増幅器出力において復元させることができる。
【0009】
振幅および位相情報を別々に増幅する1つの良く知られた方法は非線形コンポネントを用いた線形増幅(LINC)である。この方法は一対の増幅器チェーンを使用しており、各チェーンが一定のエンベロープ信号に作用し、それらの信号の相対的な位相は、それらの和が変動振幅を有する所望のエンベロープをなすように変動する。これら2チェーンの出力における電力結合が各波形のコヒーレント部を加算し、その結果が出力に現れる。これら2つの信号間の消滅的な干渉は電力結合要素の終端抵抗で消費される。この消費は全体としての増幅器の効率を大幅に劣化させ、特にこれら2つの信号が最小の所望出力振幅を与えるように大きく位相ずれを起こしている場合にそうである。
【0010】
エンベロープ除去および復元(EER)、またはカーン式伝送(Kahn−technique transmission)も良く知られている。EERはLINCと同じようにエンベロープが一定の位相変調された入力信号を使用する。しかし、EERは振幅変調されたエンベロープ情報を出力の直流電源の供給ライン上へ直接復元させる。出力の電源電圧を直接変調させることによって、結果の波形は、電源電圧によって規定される飽和レベルまでの増幅された位相情報を含むことになる。従って、この出力は上限および下限が増幅された位相波形を囲むことによってエンベロープを復元させる。しかし、電源電圧を変調することには問題がある。すなわち、スイッチング・レギュレータの偽の出力が所望のエンベロープと激しく干渉する。更に、スイッチング・レギュレータの干渉効果を最小限に抑制するためには、それを非常に高レートでスイッチングしなければならず、それの出力における相互変調雑音(intermodulation spur)を非常に低い周波数へフィルタリングしなければならない。この結果、振幅歪を修正するためにフィードバック・ループを必要とする場合は、そのループの帯域幅は極端に狭く限る必要があり、広帯域チャネル通信には利用できない。
【0011】
従って、LINCにおける電力結合損失の限界を克服し、標準的なEER/カーン方式のスイッチング・レギュレータ限界を克服する進歩したエンベロープ復元方式に対する需要が存在する。
【0012】
(発明の概要)
本発明に従えば、ここに述べる好適な実施の形態は、入力信号から受け取った位相および振幅情報に基づいて量子化波形を生成するための装置および方法を提供する。特に、本発明は、一次波形から振幅および位相情報を互いに独立的に受信する制御装置を含む回路として実施されよう。制御装置は、各々が異なる“オン”抵抗を有する複数のスイッチング装置を制御する。制御装置は1つの能動スイッチング装置を選ぶために振幅情報を使用する。制御装置は次に、位相情報を用いてそのスイッチング装置を制御して、E級の増幅器の出力負荷整合網への入力用として二次波形を生成する。
【0013】
本発明はまた、一次波形から振幅および位相情報を分離する工程を含む方法として実施されよう。振幅および位相情報は互いに独立に制御装置に受信される。振幅情報は、各々が異なる電流抵抗を有する複数のスイッチング装置の中から能動スイッチング装置を選ぶために用いられる。次に、位相情報を用いて二次波形を生成するようにその能動的スイッチング装置を制御する。最後に、二次波形はE級増幅器の出力負荷整合網への入力として供給される。
【0014】
本発明の特徴は、例示的にここに示し説明される本発明の好適な実施の形態についての以下の説明から当業者には容易に明らかとなろう。明らかなように、本発明はその他の異なる実施の形態を取ることもでき、またその詳細はいろんな形で修正することができる。従って、図面および説明は例示的なものと捉えるべきで、限定的なものではない。
【0015】
(発明の詳細な説明)
ここで図面を参照すると、図面には同様な部品に対して同一の参照符号が付されているが、図1は、出力負荷整合網12と組み合わされて増幅器1を構成する能動装置スイッチング回路10の回路図を示している。この回路10は好ましくは制御装置14と、各々が異なる電流抵抗を有する複数のスイッチング装置16、18、20、および22と制御装置14を含んでいる。制御装置は好ましくは、モトローラ社から普通に入手できるようなマルチプレクサである。スイッチング装置は高速スイッチング能力を持つ、より低い最小“オン”抵抗の装置であるべきであり、一例は日立製の2SK2922 LDMOS型RFディスクリートFETトランジスタであろう(http://www.hitachi.co.jp/Sicd/English/Products/transise.htm)。これらの装置は本実施の形態に関するほんの一例であって、当業者の知識に従ってここに述べた部品を広範囲のその他の部品または構造によって置き換えることができる。
【0016】
ここに説明する実施の形態は非常に高い効率と、その他上述の特徴に合わせたE級実現であるが、本発明のためのその他の実施の形態としてC級あるいはその他の増幅器動作モードも含まれよう。標準的なE級増幅器は1つのトランジスタ・スイッチと、図1の第1の実施の形態に示されるのと同じ出力負荷整合網とを含む。能動スイッチ装置10とこの標準的なE級出力負荷整合網12との間の接続ノードは電源電圧Vdd34へつながるインダクタンス・コイル32を含んでいる。キャパシタンス36は、能動装置の出力インピーダンスと並列になった能動装置(単数または複数)からの寄生容量を含む。同調回路フィルタ38は、リアクティブ部品44および公称50オームの負荷抵抗46と直列につながれたインダクタンス42とキャパシタンス40とを含む。典型的には、周波数および位相変調情報はスイッチからノード17に受信され、振幅変調情報は34において電源電圧Vddの変動から受信される。しかし、本件では以下に説明するが、振幅および位相情報24および26は両方とも入力14aおよび14bにおいてスイッチングされた入力として受信され、制御装置14および複数のスイッチング装置16、18、20、および22によって用いられて、最終的な信号が望みのように負荷46へ供給されるようにノード17に所望の信号を生成する。
【0017】
制御装置14は一次波形から振幅情報24および位相情報26を受信する。位相情報26および振幅情報24は制御装置14の入力14aおよび14bへ受信される。整合網28が入力14bへリンクされ、位相変調された信号源から制御装置14を通ってスイッチング装置16、18、20、および22の入力ゲート16a、18a、20a、および22aへの最適な電力転送を提供する。整合網28は既知の方法に従って複数のリアクティブ要素を含むことができる。別の実施の形態では、それらサイズの異なるスイッチング装置16、18、20、および22に対する入力整合を更に最適化するために、制御装置14の後に個別的な整合網を含めるか、あるいは整合網28をそれで置き換えてもよい。
【0018】
制御装置14は振幅情報24を用いて複数のスイッチング装置16、18、20、および22のうちから能動スイッチング装置を選択する。スイッチング装置16、18、20、および22は入力16a、18a、20a、および22aを介して制御装置14によって制御される。能動スイッチング装置を選択した後で、制御装置14は位相情報26を用いて能動制御装置を制御することによってノード17に増幅器の負荷ネットワーク12へ入力するための二次波形を生成する。
【0019】
動作中、制御装置14は位相情報26に従って能動スイッチング装置を制御する。制御装置は好ましくは位相情報26に従って能動スイッチング装置をターンオン・オフする。結果として、スイッチ電圧はゼロと能動スイッチング装置のピーク・スイッチ電圧との間で変動する。
【0020】
スイッチング装置16、18、20、および22はそれぞれ異なる“オン”抵抗を持つので、それらは駆動されたときに各々異なるピーク・スイッチング電圧を示す。制御装置14は振幅情報24に従って能動スイッチング装置を選択し、所望のピーク・スイッチ電圧を実現する。与えられた時間間隔に対して適当な能動スイッチング装置を選択することによって、スイッチ電圧のピーク振幅は一次波形の振幅エンベロープの量子化近似が生成されるように変化する。能動スイッチング装置両端の電圧は位相情報26に従って変動するため、それは振幅情報24に従って選択された特別な能動スイッチング装置のピーク・スイッチ電圧に限定される。好ましくは、振幅情報24および位相情報26を用いて一次波形を近似する二次波形が生成される。二次波形は次に、増幅器1の整合網12への入力として提供される。
【0021】
ピーク・スイッチ電圧を実現するための能動スイッチング装置の選択は多様な変化レートで行われよう。変化レートを変えることによって、スイッチング過程で生成される任意の偽の雑音は帯域外へ移されるか整形されて、任意の与えられた雑音仕様に合致するようにされる。図2は低速のスイッチング・レートに対する量子化近似110を示す。量子化近似110は、一次波形の振幅エンベロープ112を近似するように、離散した振幅レベル114および116において量子化される。
【0022】
振幅エンベロープ周波数およびそれ以下と同じオーダーの最低スイッチング・レートではディスクリート量子化雑音の欠点が現れる。低速スイッチング・レートでの量子化歪の効果を回避するために、各々の決められた範囲内で多様な電流抵抗を有する付加的なスイッチング装置を追加することによって、利用可能な振幅レベル114および116の数を増やすことができる。量子化雑音を許容レベルに低減するために、負荷ネットワーク12の後に帯域外へのフィルタリングが必要となるかもしれない。
【0023】
あるいは、位相変調レートまでのより高速レートでのスイッチングは多様な振幅での高速なスイッチング・インおよびアウトを許容し、最終的には所望の平均値へのフィルタリングを許容する。この変調が図3に示されている。214と216のように離れた量子化レベル間で量子化近似210が高レートでスイッチングされるので、この装置は比較的短時間でフィルタリングを行い、その期間に対して振幅エンベロープ212を近似する平均値を発生する。より高速のスイッチング・レートは、任意の振幅エンベロープ値の実現を少数の離散振幅レベル214および216を使用するだけで可能にする。これによって、必要とされるスイッチング装置16、18、20、および22はより少なくなり、その結果、簡単な制御装置機能で済むことになる。このレートでのスイッチングの制御は、当業者には良く知られている標準的な高速マルチプレクサ回路を使用することで可能である。
【0024】
より高い“オン”抵抗能動装置のスイッチング・インは出力の振幅および電力を減少させるであろうが、それに関連して増幅器の効率も電力増大したものとなる。E級装置の設計を通して、より高い“オン”抵抗状態に対してさえ、顕著な効率を実現することができる。この事実により、より低電力での装置動作の結果、同じ固定された電源電圧に対しても、低出力電力まで効率的な増幅が可能となる。更に、より低電力レベルに対してのみ能動的となるスイッチ電源レギュレータから、顕著な効率利得がディスクリート電圧で実現できる。ここに提示する実施の形態は、負荷ネットワークに修正を施す必要なしに、電源電圧の変動を許容する。
【0025】
本実施の形態では、増幅器1からの所望の出力波形を得るために、正しい波形を入力14bにおいて制御装置14へ入力するために何らかのプリディストーション(先行歪:predistortion)が必要とされる。任意の与えられた望ましい出力に対して、ベースバンドのディジタル信号プロセッサが、修正された入力波形を正しく発生できるように、特有の入力波形が定義される。このことを実行する回路が図4に示されており、この図は制御装置入力14bへ入力を与えるディジタル信号プロセッサ300を示している。このプリディストーションは当業者には既知の従来の方法によって発生させることができる。あるいは、任意の長期劣化要求に従って、入力−出力関係を周期的に更新するための付加的なフィードバック・ループを組み込んでもよい。例えば、フィードバック・ループ302を用いて、アンテナ304からの任意の電圧定在波比(“VSWR”)反射を検出することができる。フィードバック・ループはこれによって、振幅情報が制御装置によって受信される前に、ディジタル信号プロセッサ300を制御して任意のVSWR反射を修正するように振幅および位相情報24および26を調節する。
【0026】
スイッチング・レギュレータに基づくEER実現の出力供給電圧の変動による全体的な位相歪は本実施の形態では軽減される。これは、能動スイッチング装置中の寄生容量が出力直流電圧とともに変動しないという事実による。出力供給電圧は一定のままである。しかし、スイッチング装置を付加することによって、負荷ネットワークへの入力に要する合計の“非線形”寄生容量は増大し、従って、平均的な直流値の変動に影響され易くなる。しかし、本実施の形態では、“平均”直流値は電池の電圧に留まり、変動しない。
【0027】
本提案の重要な特徴は、変調信号源から直接的に大きな直流電流を供給する必要なしに、ベースバンドから変調を直接適用できることである。エンベロープを供給するためにベースバンドを使用することによって、同じ飽和増幅器コアを異なる変調形式や入力信号に対して応用するように、増幅器のエンベロープを直接的にソフトウエア制御することが可能になる。従って、改善されたシステムレベルでの波形制御が可能となり、それにより当業者には既知のディジタル信号プロセッサを利用する位相修正フィードバックや適応プリディストーションのような補助的方式を本実施の形態と一緒に利用することが容易になる。
【0028】
本発明の付加的な実施の形態には、位相信号26に対する振幅変調の或る部分、および振幅信号24に対する位相変調の或る部分を利用して、それら2つの信号の帯域幅要求を更に縮小することが含まれよう。フィルタリングされたIQ信号が振幅および位相の分離した成分に分割されるときは、それらの振幅および位相成分は元のIQ表現よりもずっと広い帯域幅を有するのが普通である。所望の出力を発生させるために要求される振幅信号24のプリディストーションは、典型的なディジタル変調波形エンベロープの最小となる期間に発生する、必要な鋭い振幅カスプを減少させるため、振幅信号24の帯域幅要求を縮小することを助ける。帯域幅要求を更に緩和することは、入力信号24および26のいずれか、あるいは両方に対して振幅および位相信号の何らかの組み合わせを用いることによって実現できる。
【0029】
E級増幅器トポロジーは増幅器トポロジーの任意のもののうちで最高の最適負荷抵抗を示している。これは供給電圧が減少するため特に重要であり、その他のトポロジーでは整合損失を蒙ったり、ピーク効率を寄生的に制限したりする。50オームのフィルタ、デュプレクサ、およびアンテナ・インタフェースへのインピーダンス変換における電力損失を少なくする可能性がある。更に、スイッチをベースとする従来技術での安定性は、本実施の形態ではオンおよびオフ状態の低い利得状態のために問題にならない。このため、スイッチに対してより小型のゲート長FET技術を採用することが可能となり、それのより高いIDSSが、高効率のためのより高速のスイッチング速度のほかに、より小型のデバイス、およびダイ寸法を可能とする。
【0030】
ここで図5を参照すると、本発明に従う通信装置400の模式的ブロック図が示されている。通信装置400は好ましくは変調信号を伝送するために用いられる無線トランスミッタである。変調器402はマイクロフォン408からの音声入力とキーボード404からのテキスト入力を受信する。マイクロフォン408およびキーボード404からの信号は変調器402で処理されて、既知の位相変調技術を用いて搬送波信号を位相変調する。位相変調された信号は入力回路410へ与えられ、上述の実施の形態に従って処理される。結果の出力は好ましくはE級増幅器412へ送られる。増幅器412の出力は次にアンテナ450へ送られる。制御装置414は好ましくは変調器402および先に述べたマルチプレクサを含む入力回路410の動作を制御する。図5の模式図には最小限の部品しか示していないが、当業者であれば、本実施の形態のシステムに対する動作する代替を提供するために、部品の置換や回路の修正を容易に行うことができよう。
【0031】
もちろん、上に述べた好適な実施の形態に対して広範囲の変更および修正を施すことが可能であることは理解されるべきである。従って以上の詳細な説明は限定的なものではなく、例示的なものと理解されるべきであり、また本発明のスコープを定義すると解釈されるべきものは、すべての等価物を含む以下の特許請求の範囲であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明を実施する回路の模式図。
【図2】
図1の実施の形態によって生成される波形の量子化を示すグラフ。
【図3】
図1の実施の形態による出力としての図2の量子化波形を示すグラフ。
【図4】
図1に示す回路に対する修正を示す模式図。
【図5】
本発明に従う通信装置のブロック図。
Claims (15)
- E級増幅器の出力負荷整合網への入力とする波形を供給するための能動スイッチング回路であって:
一次波形から振幅情報および位相情報を受信する制御装置であって、前記振幅および位相情報が互いに独立して受信される制御装置;および
前記制御装置および前記増幅器と交信する複数のスイッチング装置であって、各々が異なる電流抵抗を有している複数のスイッチング装置;を含み、
前記制御装置は、前記振幅情報を用いて前記スイッチング装置のうちから能動スイッチング装置を選択し、また前記位相情報を用いて前記能動スイッチング装置を制御して、前記整合網への入力とする二次波形を生成する、回路。 - 請求項1に記載の回路であって、前記二次波形が前記一次波形の量子化近似である回路。
- 請求項1に記載の回路であって、前記制御装置が一時に1つの能動スイッチング装置を選択する回路。
- 請求項1に記載の回路であって、前記制御装置が同時に複数の能動スイッチング装置を選択する回路。
- 請求項1に記載の回路であって、前記スイッチング装置が各々ゲートを有するトランジスタであり、また前記制御装置が前記能動スイッチング装置の前記ゲートに対して前記位相情報を供給することによって前記能動スイッチング装置を制御する回路。
- 請求項1に記載の回路であって、前記制御装置がマルチプレクサである回路。
- 請求項1に記載の回路であって、更に、前記制御装置と交信するディジタル信号プロセッサ装置を含み、前記ディジタル信号プロセッサ装置が、前記振幅情報が前記制御装置に受信される前に、その振幅情報を調節して前記振幅情報中の歪を修正する回路。
- 請求項1に記載の回路であって、更に:
前記制御装置と交信するディジタル信号プロセッサ装置;および
前記増幅器と交信してアンテナからのVSWR反射を検出するためのフィードバック・ループであって、前記ディジタル信号プロセッサ装置と交信するフィードバック・ループ;
を含み、
前記ディジタル信号プロセッサ装置は、前記振幅情報が前記制御装置に受信される前に、その振幅情報を調節して前記VSWR反射を修正する、
回路。 - E級増幅器の出力負荷整合網へ波形を供給するための方法であって:
一次波形から振幅情報および位相情報を分離する工程;
前記振幅情報および位相情報を独立的に制御装置へ受信する工程;
前記振幅情報を用いて複数のスイッチング装置のうちから能動スイッチング装置を選択する工程であって、前記スイッチング装置が各々異なる電流抵抗を有している工程;
前記位相情報を用いて前記能動スイッチング装置を制御することによって二次波形を生成する工程;および
前記二次波形を前記整合網へ入力として供給する工程;
を含む方法。 - 請求項9に記載の方法であって、前記二次波形が前記一次波形の量子化近似である方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記振幅情報を用いて能動スイッチング装置を選択する前記工程が、更に、一時に1つの能動スイッチング装置を選択する工程を含んでいる方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記振幅情報を用いて能動スイッチング装置を選択する前記工程が、更に、同時に複数の能動スイッチング装置を選択する工程を含んでいる方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記スイッチング装置が各々ゲートを有するトランジスタであり、また前記能動スイッチング装置が、前記位相情報を前記能動スイッチング装置の前記ゲートへ供給することによって制御される方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記制御装置がマルチプレクサである方法。
- 請求項9に記載の方法であって、更に、前記振幅情報が前記制御装置に受信される前に、その振幅情報を調節して前記振幅情報中の歪を修正する工程を含む方法。
Applications Claiming Priority (2)
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