JP2008086006A - 信号処理法及び電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の増幅器は、比較的低い出力で急速にかつ著しく非線形になる。
【解決手段】 信号処理法及び電力増幅装置を開示する。送信する予定の信号（原信号）を受信する工程と、その原信号を、振幅が一定の小さい信号でそのベクトル和が原信号と等しい信号群に分解する工程と、その振幅が一定の小さい信号群を、原信号の振幅に基づいて、複数の増幅器を用いて所定の増幅率によって増幅する工程と、その増幅された、振幅が一定の小さい信号群を原信号に合成する工程と、を含み、この原信号は上記の増幅率により増幅されており、増幅された原信号は送信される。
【選択図】 図３

Description

本発明は電力増幅器に関し、特に、振幅が一定の分解された信号を利用する信号処理法及び電力増幅装置に関する。

干渉を低減させつつ基地局から無線ハンドセットへの無線伝送の信号強度を高める通信システムなどの多種多様な応用に、電力増幅器が用いられている。理想的な線形電力増幅器においては、入力電力に、入力電力によって変動しない定数を掛けたものが、出力電力である。

既存の通信システムでは、電力増幅器は基地局の送信経路における最終の能動部品であり、かつ、残念なことに、ノイズを増やし歪みを引き起こす非線形性を有する。中でも特に、従来の増幅器は、比較的低い出力で急速にかつ著しく非線形になり、これによって多くの場合に設計者にとって、効率と線形性はトレードオフの関係になる。

信号処理法及び電力増幅装置を開示する。本方法は、送信する予定の信号を受信する工程と、原信号を、振幅が小さく一定の信号のベクトル和が原信号と等しい、複数の信号に分解する工程であって、振幅が小さく一定の信号群を複数の増幅器を用いて所定の増幅率によって増幅する工程と、原信号の振幅に基づき複数の増幅器のうち１つ以上が使用可能であり、振幅が小さく一定の増幅した信号群を原信号に合成する工程と、を含み、この原信号は上記の増幅率により増幅されており、増幅された原信号が送信される。

本発明以上に挙げた利点及び特質に加え他の利点及び特質を得る方法を記載する為に、簡潔に前述した本発明の更に詳細な記述を、添付の各図面に図示する本発明の具体的な実施形態を参照して行う。この図面群は本発明の一般的な実施形態を描写しているだけなので、本発明の範囲を制限するものではない。本発明を、特定性及び詳細を加えて、添付の図面を用いて記載し説明する。

本発明の付加的な特質及び利点を以下の記述で述べ、部分的にはこの記述から明らかになるが、場合によっては本発明を実践することで分かる。本発明の特質及び利点を実現し得るには、添付の請求項に指摘された機器及び組み合わせを用いればよい。これらの特質及び本発明の他の特質は、以下の説明及び添付の請求項から更に明白になるが、場合によっては本明細書で述べたとおりに本発明を実践することで分かる。

本発明の種々の実施形態を以下で詳細に論じる。特定の実装を論じるが、当然のことながらこの目的は単なる図示である。当業者には、本発明の精神及び範囲から外れることなく他の構成要素及び構成を用いればよいことが分かる。

本発明には多様な実施形態が含まれ、例えば、本発明の基本的な概念に関する、装置や、方法及びシステムや、他の実施形態などである。
図１が図示するのは、本発明の考えうる実施形態に係る、一連の個々に振幅を制御された信号に分解された信号Ｓ_ｅの模範的な図である。図１は、原点（０，０）から位置（Ｉ_ｅ，Ｑ_ｅ）へと数ナノ秒ごとに移動する信号Ｓ_ｅのベクトル表示の単なるスナップショットである。情報が送信されると信号は変化するので、（Ｉ_ｅ，Ｑ_ｅ）の位置は変化する。

従来の方法では、信号Ｓ_ｅ全体が電力増幅器を介して（０，０）から（Ｉ_ｅ，Ｑ_ｅ）へと送られる。原信号Ｓ_ｅは時間の経過と共に動き、その振幅は変化する（例えば、回転する、小さくなる、大きくなる等）。しかし、このように振幅が変化すると、電力増幅器の信号出力の品質には良くない影響がある。

従って、図１〜図４及び各図に対応する議論が関わる工程は、信号全体を送る工程ではなく、信号ベクトルＳ_ｅを、振幅が固定されている又は振幅が一定である小さい信号ベクトル群に分割する工程であり、この小さい信号ベクトル群をＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３等と表示する。小さい信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３等のそれぞれの位相は、時間と共に変動する。従って、原信号Ｓ_ｅは多数の一定の振幅の信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３等に分解され又は位相をずらされ、この小さい信号群は、以下に詳細に論じるように、別個に並列して増幅器に送られる。

図２が示すのは、図１で論じられた分解プロセスのもう１つの例である。小さいベクトルである、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３等の位相は可変で振幅は一定なので、Ｓ_ｅが変化しても、小さい信号群の振幅は実際には変化しない。図２に示されているように、Ｓ_１及びＳ_５の各ブランチは、所望の効果を生む為に分解される又は位相をずらされる。しかし、振幅が小さく一定の信号であるＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３等のベクトル和は、常に原信号Ｓ_ｅに等しい。

図３が図示しているのは、本発明の考えうる実施形態に係る考えうる電力増幅装置１００の模範的なブロック図である。電力増幅装置１００には、分解器３１０と、複数の増幅器３３０を備え位相を調整した増幅器アレイ３２０と、合成器３４０とがある。以上に論じられたように、分解器３１０は任意のデジタル処理要素であり、例えば、小さい信号ベクトルであるＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３等を計算し、この小さい信号ベクトル群を変調によって増幅器アレイ３２０に送るデジタル処理要素である。増幅器アレイ３２０が表しているのは、例えば、適応性のある電力増幅器アレイであり、複数の増幅器３３０を備えている。Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３等の小さい信号ベクトル群の振幅は一定であり、振幅が一定の信号群は重大な歪みを引き起こさないことから、増幅器群３３０は線形である必要はない。

合成器３４０が表しているのは、小さい信号であるＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３等を、当業者には既知の任意の方法を用いて原信号Ｓ_ｅに合成する任意の回路又は装置である。例えば、合成器３４０は、ある数の増幅器のブランチが使用不可である場合に、対応する数の合成するブランチが同様に使用不可になるよう動作するオンデマンド型の合成器を表す。

図３に示すブロック図について電力増幅プロセスを以下に記載する。図４は、本発明の考えうる実施形態に係る考えうる電力増幅プロセスに関する基本的な工程の内の幾つかを図示する模範的なフローチャートである。本プロセスは工程４１００から始まり、工程４２００に進み、工程４２００では、電力増幅装置３００が、最大振幅値が１である送信する信号（議論を簡略化する為に「原信号」と呼ぶ）を受信する。工程４３００では、分解器３１０が原信号を、振幅が小さく一定である複数の信号に分解し、よって、振幅が小さく一定の信号すべてのベクトル和は原信号と等しい。

工程４４００では、増幅器アレイ３２０が、分解された複数の信号を受信し、振幅が小さく一定の信号群を増幅率αで増幅する。このプロセスでは、増幅器アレイ３２０の複数の増幅器３３０のうち１つ以上が使用可能であり、場合によっては、原信号の振幅に基づき増幅器群３３０のうち使用不可なものが幾つかある。

増幅器アレイ３２０の増幅器群３３０のうち１つ以上を使用可能にする本プロセスを、当業者には既知の任意のアルゴリズム又は方法により行えばよい。このような方法の例を図５に示す。本プロセスは工程５１００から始まり、工程５１００では、増幅器アレイ３２０の増幅器群３３０及び対応する増幅器のブランチの最大数がＮに設定される。工程５２００では、増幅器３３０のブランチの１つに入力される、振幅が小さく一定の信号の各々の振幅Ｔとして、１／Ｎが設定される。

工程５４００では、送信する瞬時信号サンプル（Ｉ_ｅ，Ｑ_ｅ）を得る。工程５５００では、送信する瞬時の原信号（Ｉ_ｅ，Ｑ_ｅ）サンプルから信号の振幅を以下のように決定する（計算する又は得る）。

工程５６００では、増幅器アレイ３２０の増幅器３３０のブランチの使用可能な数Ｍが以下のように決定される。

ここで

は、（Ａ_ｅ／Ｔ）の整数部である。工程５７００では、振幅が一定で小さい信号の位相を増幅器３３０のブランチごとにΦ_ｉと決定し、ここでｉ＝１、．．．、Ｍであり、この工程のプロセスを図６について以下に論じる。工程５８００では、増幅器アレイ３２０では合計ブランチＮ個のうちＭ個が使用可能となり、残りは使用不可となる。本プロセスは工程５９００へと進み終了する。

図４に戻り、工程４５００では、合成器３４０が増幅器アレイ３２０の複数の増幅器３３０から振幅が小さく一定である複数の増幅した信号を受信し、振幅が小さく一定の増幅した信号群を合成して原信号に戻す。原信号は、増幅器アレイ３２０で用いた増幅率αにより効果的に増幅されている。合成器３４０は送信用に増幅した原信号を転送する。本プロセスは工程４６００へと進み終了する。

図６は、上記の工程５７００から始まる、振幅が一定で小さい信号の位相を決定する考えうる方法の模範的なフローチャートを図示し、各増幅器３３０は増幅器アレイ３２０のブランチを操作する。本プロセスは工程６１００から始まり、工程６２００では、原信号Ｓ_ｅの位相Φ_ｅを決定する。工程６３００では、原信号Ｓ_ｅの位相を変える部分の振幅をＰ＝Ａ_ｅ−（Ｍ−２）Ｔと算出する。工程６４００では、振幅がＰで位相がΦ_ｅである信号の位相を変えて、２つの信号、即ち、振幅がＴで位相がΦ_ｅ１である第１の信号と振幅がＴで位相がΦ_ｅ２である第２の信号にする。

工程６５００では、（Ｍ−２）個の動作ブランチの位相をΦ_ｉ＝Φ_ｅと割り当て、ここでｉ＝１、．．．、Ｍ−２である。工程６６００では、位相を変えた２つの動作ブランチの位相をΦ_Ｍ−１＝Φ_ｅ１、Φ_Ｍ＝Φ_ｅ２と割り当てる（ここで添え字を変えたことに注意！）。その後、本プロセス工程６７００へと進み終了する。

先に記載した電力増幅装置３００及び信号を増幅する方法を、電力増幅器を利用する無線通信製品で用いることができ、例えば、セルラ基地局、セルラハンドセット、Ｗｉ‐Ｆｉの装置、無線のインターネットアプリケーション、信号を送受信する他の電子デバイスなどで用いることができる。

以上の記述には具体的な詳細が含まれるが、これはどんな形にせよ請求項を制限するものと解釈するべきではない。本発明の記載した実施形態の他の構成は本発明の範囲の一部である。例えば、本発明の原理を、各ユーザが個々にこのようなシステムを採用した場合に個々のユーザそれぞれに適用してもよい。これによって、多数の考えうる応用のうちのいずれか１つが本明細書に記載した機能を必要としなくても、各ユーザが本発明の利点を利用できるようになる。言い換えると、図１の電力増幅装置３００の例は多数あり、それぞれが内容を種々の考えうる方法で処理する。必ずしも、すべてのエンドユーザが１つのシステムを用いる必要はない。従って、特定の例が本発明を定義するのではなく、添付の請求項及び法的に請求項と同等なもののみが本発明を定義する。

本発明の考えうる実施形態に係る、一連の個々に振幅を制御された信号に分解された信号の模範的な図。 本発明の考えうる実施形態に係る模範的な信号分解プロセスのもう１つの模範的なブロック図。 本発明の考えうる実施形態に係る電力増幅装置の模範的なブロック図。 本発明の１つの考えうる実施形態に係る、１つの考えうる信号処理プロセスを示す模範的なフローチャート。 動作ブランチの最良の数を決定する模範的なフローチャート。 各動作ブランチの位相を決定する模範的なフローチャート。

Claims (20)

1. 送信するための信号を処理する方法であって、
   原信号を、振幅が小さく一定で、信号全部のベクトル和が前記原信号と等し
   く、位相が可変の複数の信号に分解する工程と、
   複数の増幅器のうちの１つ以上を使用して、前記振幅が小さく一定の信号群を、前記原信号の振幅に基づき、所定の増幅率で増幅する工程と、
   前記増幅した小さい信号群を前記原信号に合成する工程と、
   前記増幅された原信号を送信する工程と、
   からなる方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、増幅に使用する前記複数の増幅器の数が、
   使用する増幅器の最大数Ｎを設定する工程であって、１／Ｎが、前記増幅器群の１つに入力される振幅が小さく一定の１つの信号の振幅Ｔと等しい前記工程と、
   前記原信号の振幅Ａ_ｅを決定する工程と、
   使用する増幅器の数Ｍを決定する工程と、
   

   

   であり、
   

   

   は（Ａ_ｅ／Ｔ）の整数部であり、
   各動作ブランチｉ＝１、．．．、Ｍの位相Φ_ｉを決定する工程と、
   により決定される方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、各動作ブランチｉ＝１、．．．、Ｍの前記位相Φ_ｉが、
   前記原信号Ｓ_ｅの位相Φ_ｅを決定する工程と、
   前記原信号Ｓ_ｅの位相を変える部分の振幅をＰ＝Ａ_ｅ−（Ｍ−２）Ｔとして算出する工程と、
   振幅がＰで位相がΦ_ｅである前記原信号Ｓ_ｅの少なくとも一部の位相を変えて、２つの信号、即ち、振幅がＴで位相がΦ_ｅ１である第１の信号と振幅がＴで位相がΦ_ｅ２である第２の信号とにする工程と、
   （Ｍ−２）個の動作ブランチの位相をΦ_ｉ＝Φ_ｅとして割り当てる工程と、ここでｉ＝１、．．．、Ｍ−２であり、
   位相を変えた２つの動作ブランチの位相をΦ_Ｍ−１＝Φ_ｅ１、Φ_Ｍ＝Φ_ｅ２として割り当てる工程と、
   により決定される方法。
4. 前記複数の増幅器が増幅器アレイの一部である請求項１に記載の方法。
5. 少なくとも１つ以上の前記複数の増幅器が非線形である、請求項１に記載の方法。
6. 前記振幅が小さく一定である信号がそれぞれ、成分の位相が可変で振幅が一定であるベクトルで表されている請求項１に記載の方法。
7. 前記増幅された原信号が、無線通信ネットワークを介して送信又は受信の少なくともどちらかの処理をなされる請求項１に記載の方法。
8. 送信する原信号を受信する電力増幅装置であって、
   前記原信号を、信号すべてのベクトル和が前記原信号と等しい、振幅が小さく一定である複数の信号に分解する分解器と、
   前記原信号の振幅に基づき、前記複数の増幅器のうち１つ以上を使用して、
   前記振幅が小さく一定の信号群を所定の増幅率で増幅する複数の増幅器と、
   前記振幅が小さく一定の増幅した信号群を前記原信号に合成する合成器と、を備え、
   前記原信号が前記増幅率により増幅されており、前記増幅された原信号が送信される、
   電力増幅装置。
9. 請求項８に記載の電力増幅装置であって、増幅に使用可能な前記複数の増幅器の数が、
   使用可能な増幅器の最大数Ｎを設定する工程と、１／Ｎが、前記増幅器群の１つに入力される振幅が小さく一定の１つの信号の振幅Ｔと等しく、
   前記原信号の振幅Ａ_ｅを決定する工程と、
   使用可能な増幅器の数Ｍを決定する工程と、
   

   

   であり、
   

   

   は（Ａ_ｅ／Ｔ）の整数部であり、
   各動作ブランチｉ＝１、．．．、Ｍの位相Φ_ｉを決定する工程と、
   により決定される電力増幅装置。
10. 請求項９に記載の電力増幅装置であって、各動作ブランチｉ＝１、．．．、Ｍの前記位相Φ_ｉが、
    前記原信号Ｓ_ｅの位相Φ_ｅを決定する工程と、
    前記原信号Ｓ_ｅの位相を変える部分の振幅をＰ＝Ａ_ｅ−（Ｍ−２）Ｔとして算出する工程と、
    振幅がＰで位相がΦ_ｅである前記原信号Ｓ_ｅの少なくとも一部の位相を変えて、２つの信号、即ち、振幅がＴで位相がΦ_ｅ１である第１の信号と振幅がＴで位相がΦ_ｅ２である第２の信号とにする工程と
    （Ｍ−２）個の動作ブランチの位相をΦ_ｉ＝Φ_ｅとして割り当てる工程と、ここでｉ＝１、．．．、Ｍ−２であり、
    位相を変えた２つの動作ブランチの位相をΦ_Ｍ−１＝Φ_ｅ１、Φ_Ｍ＝Φ_ｅ２として割り当てる工程と、
    により決定される電力増幅装置。
11. 前記複数の増幅器が増幅器アレイの一部である請求項８に記載の電力増幅装置。
12. 少なくとも１つ以上の前記複数の増幅器が非線形である請求項８に記載の電力増幅装置。
13. 前記振幅が小さく一定の信号それぞれが、成分の位相が可変で振幅が一定であるベクトルで表されている請求項８に記載の電力増幅装置。
14. 前記増幅された原信号が、無線通信ネットワークを介して送信と受信の少なくともどちらかの処理をなされる請求項８に記載の電力増幅装置。
15. 無線通信ネットワークを介して信号を送信する電子デバイスであって、
    送信される原信号を受信する電力増幅装置であって、
    前記原信号を、信号すべてのベクトル和が前記原信号と等しい、振幅が小さく一定である複数の信号、に分解する分解器と、
    同振幅が小さく一定の信号群を、前記原信号の振幅に基づき前記複数の増幅器のうち１つ以上を使用して所定の増幅率で増幅する複数の増幅器と、
    前記振幅が小さく一定の増幅した信号群を前記原信号に合成する合成器と、を備えた前記電力増幅装置と、
    前記増幅率により増幅されている前記原信号を送信する送信機と、
    を備えた電子デバイス。
16. 請求項１５に記載の電子デバイスであって、増幅に使用可能な前記複数の増幅器の数が、
    使用可能な増幅器の最大数Ｎを設定する工程と、１／Ｎが、前記増幅器群の１つに入力される振幅が小さく一定の１つの信号の振幅Ｔと等しく、
    前記原信号の振幅Ａ_ｅを決定する工程と、
    使用可能な増幅器の数Ｍを決定する工程と、
    

    

    であり、
    

    

    は（Ａ_ｅ／Ｔ）の整数部であり、
    各動作ブランチｉ＝１、．．．、Ｍの位相Φ_ｉを決定する工程と、
    により決定される電子デバイス。
17. 請求項１６に記載の電子デバイスであって、各動作ブランチｉ＝１、．．．、Ｍの前記位相Φ_ｉが、
    前記原信号Ｓ_ｅの位相Φ_ｅを決定する工程と、
    前記原信号Ｓ_ｅの位相を変える部分の振幅をＰ＝Ａ_ｅ−（Ｍ−２）Ｔとして算出する工程と、
    振幅がＰで位相がΦ_ｅである前記原信号Ｓ_ｅの少なくとも一部の位相を変えて、２つの信号、即ち、振幅がＴで位相がΦ_ｅ１である第１の信号と振幅がＴで位相がΦ_ｅ２である第２の信号とにする工程と、
    （Ｍ−２）個の動作ブランチの位相をΦ_ｉ＝Φ_ｅとして割り当てる工程と、ここでｉ＝１、．．．、Ｍ−２であり、
    位相を変えた２つの動作ブランチの位相をΦ_Ｍ−１＝Φ_ｅ１、Φ_Ｍ＝Φ_ｅ２として割り当てる工程と、
    により決定される電子デバイス。
18. 前記複数の増幅器が増幅器アレイの一部である請求項１５に記載の電子デバイス。
19. 少なくとも１つ以上の前記複数の増幅器が非線形である請求項１５に記載の電子デバイス。
20. 前記振幅が小さく一定の信号それぞれが、成分の位相が可変で振幅が一定であるベクトルで表されている請求項１５に記載の電子デバイス。

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