JP2005064662A - 送信装置、送信電力制御方法および無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力効率が良好で、かつ送信出力電力の制御範囲が広い送信装置、送信電力制御方法およびこの送信装置を用いた無線通信装置を提供すること。
【解決手段】 高出力電力時には高周波電力増幅器５を非線形増幅器として動作させて、送信信号の電力増幅時の電力効率を向上させることができる。また、低出力電力時には、高周波電力増幅器５を線形増幅器として動作させて、送信出力電力の制御範囲を広くとることができる。さらに、高周波電力増幅器５が非線形増幅器として動作する時に、高周波電力増幅器５の入力レベルを可変利得増幅器７により送信信号の平均出力電力に応じて変化させることにより、リーク電力を低減して送信出力電力の制御範囲を広くとることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、送信信号を電力増幅して出力する送信装置および送信電力制御方法、ならびにこの送信装置を用いた無線通信装置に関する。

従来、包絡線変動成分を含む変調信号を増幅する高周波電力増幅器には、包絡線変動成分を線形に増幅するためにＡ級またはＡＢ級の線形増幅器が用いられてきた。このような線形増幅器は、線形性には優れている反面、常時直流バイアス成分に伴う電力を消費しているために、Ｃ級ないしＥ級等の非線形増幅器に比べて電力効率が低い。このため、このような高周波電力増幅器を、電池を電源とする携帯型の無線機に適用した場合、高周波電力増幅器の電力消費量が多いため使用時間が短くなってしまう事情があった。また、大電力の送信装置を複数設置する無線システムの基地局装置に適用した場合においては、装置の大型化や発熱量の増大を招いてしまう事情があった。

そこで、高効率の送信装置として提案された、ポーラ変調を用いた送信装置を図５に示す。図５に示すように、この送信装置は、振幅位相分離手段２１と、振幅変調信号増幅器２２と、周波数シンセサイザ２３と、非線形増幅器である高周波電力増幅器２４とを有している。

振幅位相分離手段２１にはベースバンド変調信号２００が入力され、振幅位相分離手段２１からベースバンド振幅変調信号２０１が振幅変調信号増幅器２２に入力され、振幅位相分離手段２１からベースバンド位相変調信号２０２が周波数シンセサイザ２３に入力され、周波数シンセサイザ２３から高周波位相変調信号２０３が高周波電力増幅器２４に入力され、高周波電力増幅器２４から送信出力信号２０４が出力される。

次に、この送信装置の動作を説明する。まず、ベースバンド変調信号２００をＳｉ（ｔ）とすると、式１で表される。

Ｓｉ（ｔ）＝ａ（ｔ）ｅｘｐ［ｊφ（ｔ）］ ・・・（１）

ここで、ａ（ｔ）は振幅データ、ｅｘｐ［ｊφ（ｔ）］は位相データをそれぞれ示す。振幅位相分離手段２１によりＳｉ（ｔ）から振幅データａ（ｔ）と位相データｅｘｐ［ｊφ（ｔ）］が抽出される。ここで、振幅データａ（ｔ）はベースバンド振幅変調信号２０１に、位相データｅｘｐ［ｊφ（ｔ）］はベースバンド位相変調信号２０２に、それぞれ対応する。振幅データａ（ｔ）は振幅変調信号増幅器２２で増幅されて高周波電力増幅器２４に与えられる。これにより、高周波電力増幅器２４の電源電圧値が振幅データａ（ｔ）に基づいて設定される。

周波数シンセサイザ２３は搬送波角周波数ωｃを位相データｅｘｐ［ｊφ（ｔ）］で変調した高周波位相変調信号２０３を生成し、これが高周波電力増幅器２４に入力される。ここで、高周波位相変調信号２０３を信号Ｓｃとすると、式２で表される。

Ｓｃ＝ｅｘｐ［ωｃｔ＋φ（ｔ）］ ・・・（２）

そして、高周波電力増幅器２４に非線形増幅器を用いることで、この高周波電力増幅器２４の電源電圧値ａ（ｔ）と周波数シンセサイザ２３の出力信号とを掛け合わせた信号が高周波電力増幅器２４の利得Ｇだけ増幅されて生成される送信出力信号２０４が高周波電力増幅器２４から出力される。ここで、送信出力信号２０４をＲＦ信号Ｓｒｆとすると、式３で表される。

Ｓｒｆ＝Ｇａ（ｔ）Ｓｃ＝Ｇａ（ｔ）ｅｘｐ［ωｃｔ＋φ（ｔ）］ ・・・（３）

高周波電力増幅器２４に入力される信号は、振幅方向の変動成分を持たない位相変調信号であるため定包絡線信号となる。したがって、高周波電力増幅器２４として効率の良い非線形増幅器を使用できるので、高効率の送信装置を提供することができる。この種のポーラ変調を用いた技術は、例えば特許文献１または特許文献２に記載されている。
特許第３２０７１５３号明細書 特開２００１−１５６５５４号公報

しかしながら、上記従来の送信装置にあっては、高周波電力増幅器２４の出力電力を制御する場合、高周波電力増幅器２４は非線形増幅器のため入力信号に対して出力信号は線形に変化しない。したがって、出力電力制御も振幅変調と同様に電源電圧を変化させて行う必要がある。この場合、出力電力の制御範囲がリーク電力や電源電圧に対するトランジスタの動作限界等によって制限されるという事情があった。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、電力効率が良好で、かつ送信出力電力の制御範囲が広い送信装置、送信電力制御方法および無線通信装置を提供することを目的とする。

本発明の送信装置は、送信信号を電力増幅して出力する送信装置であって、高周波電力増幅器を有する送信電力増幅手段を備え、前記送信電力増幅手段は、前記高周波電力増幅器を非線形増幅器として動作させる第１モードと前記高周波電力増幅器を線形増幅器として動作させる第２モードとを有し、前記第１モード時に、前記高周波電力増幅器の電源電圧で前記送信信号の振幅変調と平均出力レベルの制御を行い、前記第２モード時に、前記高周波電力増幅器の前段で、前記送信信号の平均出力レベルの制御を行い、さらに平均出力レベル制御された送信信号の振幅変調を行うものである。

この構成により、第１モード時、例えば高出力時に、高周波電力増幅器を非線形増幅器として動作させるにより、電力効率を著しく高めることができ、また、第２モード時、例えば低出力時に、高周波電力増幅器を線形増幅器として動作させることにより、送信出力電力を広い範囲にわたって制御することができるとともに、一つの増幅器を極めて効率的に使用でき、電力効率を著しく高めることができる。

また、本発明の送信装置は、前記送信電力増幅手段は前記高周波電力増幅器の前段に設けられた掛算器と、前記掛算器の前段に設けられた可変利得増幅器とを備え、前記第２モード時は、前記掛算器で前記送信信号の振幅変調を行い、前記可変利得増幅器で前記送信信号の平均出力レベルの制御を行うものである。

この構成により、第２モード時は高周波電力増幅器が線形動作を行うため、その電源電圧が一定で、高周波電力増幅器で送信信号の振幅変調と平均出力レベルの制御を行うことができないため、前段に設けられた掛算器で前記送信信号の振幅変調を行い、前記掛算器の前段に設けられた可変利得増幅器で前記送信信号の平均出力レベルの制御を行って、高周波電力増幅器が線形動作させることにより、広い範囲にわたって、送信出力電力を制御することができる。

また、本発明の送信装置は、前記第１モード時に、前記高周波電力増幅器の入力レベルを前記送信信号の平均出力電力に応じて変化させるものである。

この構成により、高周波電力増幅器の入力レベルを前記送信信号の平均出力電力に応じて変化させるため、リーク電力を低減させて、高周波電力増幅器が非線形動作する際の電源電圧による送信出力電力の制御範囲を拡大することができる。

さらに、本発明の送信装置は、前記第１モード時に、前記高周波電力増幅器の入力レベルを前記送信信号の瞬時出力電力に応じて変化させるものである。

この構成により、高周波電力増幅器の入力レベルを前記送信信号の瞬時出力電力に応じて変化させることにより、瞬時レベル変動に追従し、リーク電力も低減するので瞬時レベル変動の再現性を向上させることができる。

また、本発明の送信電力制御方法は、送信信号を高周波電力増幅器により電力増幅して出力する際の送信電力制御方法であって、第１モード時に前記高周波電力増幅器を非線形増幅器として動作させ、前記高周波電力増幅器の電源電圧で振幅変調と平均出力レベルの制御を行うステップと、第２モード時に前記高周波電力増幅器を線形増幅器として動作させ、前記高周波電力増幅器の前段で、前記送信信号の平均出力レベルの制御を行い、さらに平均出力レベル制御された送信信号の振幅変調を行うステップとを備える。

この構成により、高周波電力増幅器を非線形増幅器として動作を行わせる第１モードにより電力効率を著しく高めることができ、第１モードと高周波電力増幅器を線形増幅器として動作させる第２モードとにより、送信出力電力を広い範囲にわたって制御することができる。

さらに、本発明の無線通信装置は、送信信号をアンテナより無線で送信する無線通信装置であって、前記送信装置により前記送信信号を電力増幅して前記アンテナに出力する構成を有している。

この構成により、第１モード時の送信装置の電力効率が高いため、搭載している電池電源の使用期間を延ばすことができると共に、送信装置の高周波電力増幅器を小型にできるため、無線通信装置のより一層の小型化を図ることができる。

本発明に係る送信装置、送信電力制御方法および無線通信装置によれば、電力効率が良好で、かつ送信出力電力の制御範囲を広くすることができる。

図１は、本発明の実施形態を説明するための送信装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の送信装置は、ベースバンド変調信号１００をベースバンド振幅変調信号１０１とベースバンド位相変調信号１０２に分離する振幅位相分離手段１と、ベースバンド振幅変調信号１０１と利得制御信号１０５とを掛算する掛算器２と、モード切換信号１０６に基づいて切り換えられるスイッチ３と、高周波電力増幅器５に電源電圧を供給する振幅変調信号増幅器４と、掛算器８からの入力信号を電力増幅して送信出力信号１０４を出力する高周波電力増幅器５と、ベースバンド位相変調信号１０２で搬送波信号を位相変調して高周波位相変調信号１０３を生成する周波数シンセサイザ６と、高周波位相変調信号１０３の信号レベルを調整する可変利得増幅器７と、可変利得増幅器７の出力とベースバンド振幅変調信号１０１とを掛算する掛算器８と、ベースバンド振幅変調信号１０１の振幅変動の下限値を制限する下限値制限回路９と、モード切換信号１０６により切り換えられるスイッチ１０と、利得オフセット信号１０８とベースバンド振幅変調信号１０１を加算する加算器１１とを備える。

以上のように構成された送信装置について、その動作を説明する。図１において、高周波電力増幅器５の動作モードは、たとえば、無線基地局から送信装置への送信電力レベル指定、あるいは送信装置の受信信号の状態に基づく送信電力レベルに応じて決定される。送信出力信号１０４のレベルが大きい場合は、高周波電力増幅器５が非線形増幅器となる動作モードが電力効率の観点から望ましい。一方、送信出力信号１０４のレベルが低くなり高周波電力増幅器５が非線形増幅器として動作可能な範囲から外れる場合、高周波電力増幅器５を線形増幅器として動作させる必要がある。モード切換信号１０６は、所望の送信電力レベルと高周波電力増幅器５の特性とに基づいて設定される。ここで、送信装置に入力される利得制御信号１０５、モード切換信号１０６、直流電圧値１０７、利得オフセット信号１０８は、たとえば、図示しない制御部により設定される。この制御部は、送信装置自身の内部に設けられてもよい。また、送信装置が無線通信装置等に設けられる場合は、無線通信装置の動作を制御する制御部と共用されてもよい。

まず、図１に示す高周波電力増幅器５の送信出力信号１０４のレベルが比較的大きい場合について述べる。この時、高周波電力増幅器５は飽和動作あるいはスイッチング動作領域の非線形増幅器として動作する。ベースバンド変調信号１００は振幅位相分離手段１により、ベースバンド振幅変調信号１０１とベースバンド位相変調信号１０２に分離される。

ベースバンド振幅変調信号１０１は掛算器２によって利得制御信号１０５と掛け合わされ、スイッチ３の端子ａに入力される。高周波電力増幅器５で振幅変調が行われる場合（送信出力信号のレベルが比較的大きい場合）、モード切換信号１０６によりスイッチ３の端子ａと端子ｃが接続される。スイッチ３の端子ｃから出力されたベースバンド振幅変調信号１０１と利得制御信号１０５の乗算値は、振幅変調信号増幅器４で増幅されてから高周波電力増幅器５の電源電圧として高周波電力増幅器５に印加され、高周波電力増幅器５を振幅変調動作させる。

ここで、振幅変調信号増幅器４は電源電圧をベースバンド振幅変調信号１０１のレベルに応じて高効率に変化させるために、パルス幅で振幅情報を表すＤ級増幅器を用いることが好ましい。

一方、ベースバンド位相変調信号１０２は周波数シンセサイザ６に入力される。周波数シンセサイザ６は搬送波信号をベースバンド位相変調信号１０２で位相変調した高周波位相変調信号１０３を生成して出力する。この高周波位相変調信号１０３は可変利得増幅器７で利得制御信号１０９に基づき増幅（あるいは減衰）された後、掛算器８に出力される。

ここで、可変利得増幅器７に入力される利得制御信号１０９は、加算器１１で利得制御信号１０５に利得オフセット信号１０８を加算することで得られる。利得オフセット信号１０８は、可変利得増幅器７が高周波電力増幅器５を飽和動作あるいはスイッチング動作領域の非線形増幅器として動作させるのに適した信号レベルに調整するように設定される。

送信出力信号のレベルが比較的大きい場合、モード切換信号１０６によりスイッチ１０の端子ａと端子ｃが接続される。このため、下限値制限回路９でベースバンド振幅変調信号１０１の振幅変動の下限値を制限した信号が、このスイッチ１０を介して掛算器８に出力される。

これにより、掛算器８によって可変利得増幅器７の出力とベースバンド振幅変調信号１０１の振幅変動の下限値を制限した信号とが掛け合わされたものが位相変調信号となる。この掛算器８から出力される位相変調信号は高周波電力増幅器５に入力され、振幅変調と掛け合わされて送信出力信号１０４となって出力される。

図２は非線形増幅器として用いた場合の高周波電力増幅器５の回路構成、図３は非線形増幅器として用いた場合の高周波電力増幅器５の動作を説明する図である。図２に示すように、高周波電力増幅器５は、非線形増幅器５０を備えるとともに、その入力側と出力側間に寄生容量５１が接続された構成を有している。図３は非線形増幅器５０の電源電圧と出力電力の関係を示している。図３に示すように、非線形増幅器５０において、電源電圧の二乗と出力電力とが比例する。ここで、リーク電力の大きさは、寄生容量５１と非線形増幅器５０の入力信号のレベル（掛算器８の出力信号のレベル）とにより定められる。

ここで、可変利得増幅器７と掛算器８を設けない場合について考えると、周波数シンセサイザ６の出力はほぼ一定であるからリーク電力も一定となる。その場合、送信出力信号１０４のレベルを下げるためは、非線形増幅器５０の電源電圧を下げればよいが、リーク電力に制限され、一定値よりレベルが下げることができない。

一方、本実施形態では、利得制御信号１０９により可変利得増幅器７の利得を制御して、高周波電力増幅器５に入力される位相変調信号のレベルを制御することにより、リーク電力を低減させることが可能となる。したがって、高周波電力増幅器５において、電源電圧による出力電力の制御範囲を拡大させることができる。このように、振幅変調信号の平均出力を設定する利得制御信号１０５に基づいてベースバンド位相変調信号を増幅することにより、可変利得増幅器７によるレベル制御が振幅変調信号の平均電力に追従することができる、すなわち、高周波電力増幅器５の入力を平均出力電力に応じて制御することができる。

さらに、掛算器８で可変利得増幅器７の出力信号をベースバンド振幅変調信号１０１と掛け合わせることにより、高周波電力増幅器５の入力レベルは振幅変調信号の瞬時レベル変動に追従し、リーク電力も低減するので瞬時レベル変動の再現性を向上させることができる。すなわち、高周波電力増幅器５の入力を瞬時出力電力に応じて制御することができる。

ここで、高周波電力増幅器５の入力レベルを下げすぎると、飽和動作あるいはスイッチング動作領域から外れ、電源電圧の変化に対する線形性が悪化する。そこで、下限値制限回路９を設けて高周波電力増幅器５の入力レベルを一定値以上に保っている。なお、掛算器８においては送信出力信号１０４の振幅変調を掛けているのではなく、振幅変動に追従してリーク電力を低減すればよいので、瞬時レベル変動の低レベル側が制限されても問題ない。

次に、送信出力信号１０４のレベルが比較的小さい場合について説明する。この時、高周波電力増幅器５は入出力関係が線形な線形増幅器として動作する。まず、スイッチ３において、モード切換信号１０６により端子ｂと端子ｃとが接続される。これにより、直流電圧値１０７がスイッチ３を介して振幅変調信号増幅器４から入力され、振幅変調信号増幅器４は高周波電力増幅器５に一定の電源電圧を印加する。

一方、ベースバンド位相変調信号１０２は周波数シンセサイザ６に入力され、周波数シンセサイザ６は搬送波信号をベースバンド位相変調信号１０２で位相変調した高周波位相変調信号１０３を可変利得増幅器７に出力する。高周波位相変調信号１０３は可変利得増幅器７で利得制御信号１０９に基づき増幅（あるいは減衰）されて掛算器８に入力される。このとき、利得オフセット信号１０８はゼロに設定される。したがって、利得制御信号１０５（＝利得制御信号１０９）を加算器１１に通して可変利得増幅器７に入力することになる。

また、この場合、スイッチ１０は、モード切替信号１０６によって、端子ｂと端子ｃとが接続される。したがって、ベースバンド振幅変調信号１０１がスイッチ１０を介して掛算器８に入力される。掛算器８は、可変利得増幅器７で増幅された高周波位相変調信号１０３とベースバンド振幅変調信号１０１とを掛け合わせる。高周波電力増幅器５は掛算器８の出力を線形増幅し、送信出力信号１０４を出力する。

このように、送信出力信号のレベルが小さく、高周波電力増幅器５において飽和動作あるいはスイッチング動作領域から外れる可能性がある場合、すなわち、電源電圧の変化に対する出力電力の線形性が悪化する可能性がある場合においても、高周波電力増幅器５を線形増幅器として動作させることにより、入力信号に対する出力信号の線形性を保つとともに、出力電力制御範囲を広げることができる。

このような本発明の実施形態の送信装置によれば、送信出力信号のレベルが比較的大きい場合は高周波電力増幅器５を非線形増幅器として用いて、高周波電力増幅器５に印加される電源電圧で振幅変調と平均出力レベルの制御を行い、送信出力信号のレベルが比較的小さい場合は高周波電力増幅器５を線形増幅器として用いて、高周波電力増幅器５の前段に設けられた掛算器８で振幅変調を行い、掛算器８の前段に設けられた可変利得増幅器７で平均出力レベルの制御を行うことで、広い範囲にわたって送信出力信号のレベルを制御することができる。

また、送信出力が大きい場合は高周波電力増幅器５を非線形動作させるため、電力効率を向上させることができる。

さらに、高周波電力増幅器５が非線形動作時に、利得制御信号１０９で可変利得増幅器７の利得を制御して高周波位相変調信号１０３のレベルを可変させることにより、リーク電力が低減して下がるので、電源電圧による出力電力の制御範囲を拡大することができる。

また、高周波位相変調信号１０３を掛算器８でベースバンド振幅変調信号１０１と掛け合わせることにより、高周波電力増幅器５の入力レベルはベースバンド振幅変調信号１０１の瞬時レベル変動に追従し、リーク電力も低減するので瞬時レベル変動の再現性を向上させることができる。

図４は、図１で説明した本実施形態の送信装置を備えた無線通信装置の送信系の概略構成を示したブロック図である。ここで、無線通信装置は、たとえば携帯電話機や通信機能を備えた携帯情報端末等の携帯無線端末装置や、無線基地局等を含む。なお、図４の例では、本実施形態の送信装置を携帯無線端末装置に適用した場合を示している。携帯無線端末装置は第１の実施形態で示したの高周波電力増幅器５の出力側に、送受信切換器１２と、アンテナ１３とを備える。

次に、図４に示された携帯無線端末装置の動作について説明する。送信時には、高周波電力増幅器５は電力増幅した送信出力信号１０４を送受信切換器１２を介してアンテナ１３から放射する。一方、受信時には、送受信切換器１２を介してアンテナ１３から受信信号が図示していない受信部へ入力される。

このような本実施形態の携帯無線端末装置によれば、高周波電力増幅器５は高出力電力時には非線形増幅器として動作することにより、電力効率を向上させて電池の消耗を防止でき、その分、使用時間を延ばすことができる。また、高周波電力増幅器５は電力効率が向上された分、小型化でき、また、発熱量も低減できるため、これを搭載する無線通信装置の小型化を図ることができる。

また、本発明を、大電力の送信装置を複数設置する無線システムの基地局装置に適用すれば、高周波電力増幅器の高出力電力時の電力効率が向上するため、高周波電力増幅器を小型にできると共に、発熱量を低減できるため、設備の大型化を防止でき、スペース性を向上させることができる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。

本発明は、電力効率が良好で、かつ広い範囲に亙って送信出力電力を制御できる効果を有し、携帯電話機や携帯情報端末等の携帯端末装置や、無線基地局等の無線通信装置等に有用である。

本発明の第１の実施形態における送信装置の概略構成を示すブロック図 図１に示した高周波電力増幅器を非線形増幅器として用いた場合の回路構成を示す図 図１に示した高周波電力増幅器を非線形増幅器として用いた場合の動作を説明する図 本発明の第２の実施形態における無線通信装置の送信系の概略構成を示したブロック図 従来の送信装置の構成例を示したブロック図

符号の説明

１ 振幅位相分離手段
２、８ 掛算器
３、１０ スイッチ
４ 振幅変調信号増幅器
５ 高周波電力増幅器
６ 周波数シンセサイザ
７ 可変利得増幅器
９ 下限値制限回路
１１ 加算器
１２ 送受信切換器
１３ アンテナ

Claims (6)

1. 送信信号を電力増幅して出力する送信装置であって、
   高周波電力増幅器を有する送信電力増幅手段を備え、
   前記送信電力増幅手段は、前記高周波電力増幅器を非線形増幅器として動作させる第１モードと前記高周波電力増幅器を線形増幅器として動作させる第２モードとを有し、前記第１モード時に、前記高周波電力増幅器の電源電圧で前記送信信号の振幅変調と平均出力レベルの制御を行い、前記第２モード時に、前記高周波電力増幅器の前段で、前記送信信号の平均出力レベルの制御を行い、さらに平均出力レベル制御された送信信号の振幅変調を行うものである送信装置。
2. 請求項１記載の送信装置であって、
   前記送信電力増幅手段は前記高周波電力増幅器の前段に設けられた掛算器と、前記掛算器の前段に設けられた可変利得増幅器とを備え、
   前記第２モード時は、前記掛算器で前記送信信号の振幅変調を行い、前記可変利得増幅器で前記送信信号の平均出力レベルの制御を行うものである送信装置。
3. 請求項１または２記載の送信装置であって、
   前記第１モード時に、前記高周波電力増幅器の入力レベルを前記送信信号の平均出力電力に応じて変化させるものである送信装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項記載の送信装置であって、
   前記第１モード時に、前記高周波電力増幅器の入力レベルを前記送信信号の瞬時出力電力に応じて変化させるものである送信装置。
5. 送信信号を高周波電力増幅器により電力増幅して出力する際の送信電力制御方法であって、
   第１モード時に前記高周波電力増幅器を非線形増幅器として動作させ、前記高周波電力増幅器の電源電圧で振幅変調と平均出力レベルの制御を行うステップと、
   第２モード時に前記高周波電力増幅器を線形増幅器として動作させ、前記高周波電力増幅器の前段で、前記送信信号の平均出力レベルの制御を行い、さらに平均出力レベル制御された送信信号の振幅変調を行うステップと、
   を備える送信電力制御方法。
6. 送信信号をアンテナより無線で送信する無線通信装置であって、
   請求項１ないし４のいずれか一項記載の送信装置により送信信号を電力増幅して前記アンテナに出力するものである無線通信装置。

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