JP2009077439A - Ｒｆ電力増幅器用の動的バイアス - Google Patents

Abstract

【課題】電池駆動の手持式送受信ユニットのＲＦ電力増幅段に適した高効率ＲＦ電力増幅器を提供する。
【解決方法】ＲＦ送信機の電力増幅器の動作点バイアスを電力制御信号に応答して動的に調節するシステムおよび方法。利用可能な動作電源が限られている用途に適した高効率ＲＦ電力増幅器を提供する。この発明は無線通信システムアーキテクチャに含まれている電力制御信号を利用し、検波器および電圧−電流変換器を用いて動的増幅器動作バイアスを生ずる。
【選択図】図４

Description

この発明は概括的には無線ディジタル通信システムに関する。より詳細にいうと、この発明は無線通信信号の送信に用いる無線周波数（ＲＦ）電力増幅器を動的にバイアスするシステムおよび方法に関する。

ディジタル通信システムは通常は連続搬送波にその振幅、周波数または位相を変動させる変調をかけて情報またはデータを送信する。変調のあとその信号を増幅して通信媒体経由で送信する。

多元接続通信システムは、複数の加入者ユニットが同一の通信媒体にアクセスして情報の送信または受信を行うことを可能にする。この通信媒体は一般にチャネルと呼ばれ、情報を一つの場所からもう一つの場所に伝える。無線通信では、このチャネルは数ＫＨｚのごく低い周波数から数ＭＨｚの短波、さらに数百ＭＨｚの超短波および極超短波、約１ＧＨｚ以上のマイクロ波におよぶ電磁波周波数スペクトラムで構成される。

従来技術による多元接続通信システムを図１に示す。周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、キャリアセンス多元接続（ＣＳＭＡ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）、その他の通信技術により、二つ以上の加入者ユニットが同一通信媒体にアクセスできる。これらの技術を組み合わせて複合化多元接続手法を構成することもできる。例えば、第三世代無線プロトコル案の時分割二重（ＴＤＤ）モードはＴＤＭＡとＣＤＭＡとの組合せである。

従来技術による無線ＣＤＭＡ通信システムの例を図２に示す。送信すべきデータ信号を、擬似雑音（ＰＮ）符号系列で変調して、拡大した帯域（スペクトラム拡散）で送信する。送信すべきデータ信号の帯域幅は数千Ｈｚであるが、これを数百万Ｈｚに及ぶ周波数帯域に分散させるのである。この通信チャネルを複数の互いに独立のサブチャネルで同時並行に用いるのである。それらサブチャネルの各々にとっては、それ以外のサブチャネルはすべて干渉となる。

図示のとおり、特定の帯域幅の単一のサブチャネルを、広帯域ＰＮ符号系列発生器で発生した所定の符号パターンの反復から成る特有の拡散符号と混合する。それら特有の拡散符号は通常互いに擬似直交とし、スペクトラム拡散符号間の相互相関をほぼ零にするようにしてある。データ信号を上記ＰＮ符号系列で変調し、ディジタルスペクトラム拡散ずみ信号を生ずる。次に、このスペクトラム拡散ずみ信号で搬送波信号を変調し送信する。受信機はこの送信されてきた信号を復調してディジタルスペクトラム拡散信号を抽出する。この信号と合致ＰＮ符号系列との相関をとって送信データを再生する。上記拡散符号が互いに直交関係にあれば、特定の拡散符号に関連づけられた特定の加入者ユニットの信号とその受信信号との相関をとり、その特定の拡散符号に関連した所望の加入者ユニット信号だけを強め、それ以外の加入者ユニット向けの信号すべてを強めないままに留めるようにすることができる。

ＣＤＭＡシステムにおいては多数のサブチャネルが同じ帯域幅を共用するので、一つのサブチャネルからそれ以外のチャネルへの妨害を防ぐために、従来技術の無線ＣＤＭＡ通信システムでは何らかの適応型送信電力制御（ＴＰＣ）を用いるのが普通である。一つの加入者ユニットまたは基地局が特定の信号を受信している場合は、その加入者以外のすべてのサブチャネルすなわちその加入者ユニット以外の全加入者ユニットからの信号は雑音として認識される。したがって、一つの加入者ユニットの電力レベルを上げると、それ以外の全加入者ユニットの受ける雑音のレベルが上がる。

従来技術によるＣＤＭＡ通信システムでは、基地局は通信信号をダウンリンク経由で特定の加入者ユニットに送信する。その信号を受信して受信信号品質を分析し比較する。その比較の結果に基づきＴＰＣ信号をアップリンクで基地局に送り、基地局からその特定の加入者ユニットへの送信電力を基地局に増加または減少させる。この手法は順方向チャネル電力制御として周知である。これと逆に加入者ユニットから基地局への送信の電力制御は逆方向チャネル電力制御として知られる。

送信信号電力レベルはＲＦ増幅器への入力信号の振幅を、前置駆動段、可変利得増幅器、減衰器などを用いて上記ＴＰＣ信号により調節することによって制御する。しかし、この増幅器の利得およびバイアスは一定のままとする。したがって、送信信号振幅は増減するものの、この増幅器の動作点は一定である。

第三世代無線通信プロトコル案は広帯域の高速データ通信を提供する。この案による通信チャネル帯域幅は５ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚである。しかし、約１０ｄＢ乃至１５ｄＢの高速フェーディングが起こることが知られている。例えば、移動加入者ユニットが一つの区画されたセルの境界に位置していて最大電力で送信している場合は、ごく短い時間当たり１０ｄＢ乃至１５ｄＢの送信電力余力が必要である。この条件を、ｄＢ単位の加入者ユニット出力電力対秒単位の時間で示した図３の曲線で図示する。送信出力電力平均値は１２ｄＢ乃至１５ｄＢの範囲にある。この送信電力平均値以上の過渡的ピーク値の発生は、図３の１６秒間の時間分布サンプルでは１％乃至１０％である。すなわち、高い送信電力を要する時間長は限られていることをこの特性曲線は示している。

データ信号の変調にごく普通に用いられる手法は、入力信号に従って所定の搬送波の振幅および位相を変動させる直交振幅変調（ＱＡＭ）である。その理由は、多数の種類のＱＡＭ（６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭなど）および直交位相偏移変調（ＱＰＳＫ）が、振幅情報をほとんどまたは全く含まない周波数変調（ＦＭ）、周波数偏移変調（ＦＳＫ）、位相偏移変調（ＰＳＫ）、２進位相偏移変調などと対照的に、変調の一部として振幅情報を含むことによって利用可能な帯域幅の高効率利用を達成しているからである。この信号を適切に増幅するには送信電力増幅器は線型モードで動作しなければならない。変調器ポートにおける入力信号のダイナミックレンジは大きくなりうる。例えば、第三世代無線プロトコルでは入力信号ピーク値対入力信号平均値比は１０ｄＢ以上である。

大きい過渡ピーク値は望ましくない。送信出力電力の増加３ｄＢごとに基地局ＲＦ増幅電力ワット値２倍を要し、その結果電力増幅器の動作領域を応答特性曲線の非直線域に設定する必要が生ずる。そのために、帯域外放射が増加し増幅器の効率が低下する。また、増幅器電源を最大過渡予測値よりも大きい容量のものにしなければならない。この点は手持ち式の電池駆動の装置ではとくに不都合である。大きい過渡値に対処して高い電力レベルに設計するには、より複雑な増幅回路が必要になる。そうしなければ、増幅利得、電池寿命および交信時間を犠牲にする必要がある。

ＲＦ電力増幅器の効率を上げるために、従来技術は歪前段発生器、包絡線帰還補正、フィードフォワード誤り補正などの多様な手法を開示している。しかし、ＲＦ電力増幅器効率の改善のためのそれら従来技術の方策は設計上の諸問題を解決困難にしている。

したがって、これら従来技術に伴う問題に対処したＲＦ増幅器が必要になっている。

この発明は、送信電力制御（ＴＰＣ）信号に応答してＲＦ送信機の増幅器の動作点バイアスを動的に調節するシステムおよび方法にある。この発明は限られた利用可能な電源を備える用途向きの高効率ＲＦ電力増幅を提供する。この発明は、特定の通信アーキテクチャに伴うＴＰＣ信号を検波器および電圧−電流変換器と共に用いて、所要送信電力に直接に対応する増幅器動作点バイアスに到達する。

したがって、この発明の目的は所要信号増幅度に応じてＲＦ増幅器の動作点バイアスを動的に調節することである。

このシステムおよび方法の上記以外の目的および利点は、好ましい実施例の詳細な説明を読めば当業者にはより明らかになろう。

同一の構成要素には全図を通じて同一の参照数字を付けて示した図面を参照してこの発明の実施例を次に説明する。

加入者ユニットに組み入れたこの発明の動的バイアス増幅システム１０を図４に示す。この増幅システムを基地局の一部として組み入れ可能であることは当業者に認識されよう。このシステム１０は通信信号入力２０、増幅器１２、検波器１４、送信電力制御信号入力２２、電圧−電流変換器１６、電流鏡像回路１８および出力２４を含む。この発明の説明の便宜のために、ＴＰＣ信号を用いる無線通信システムを述べる。しかし、この発明が送信電力制御信号を用いるあらゆる種類の通信システムに利用できることは当業者に認識されよう。

送信用の無線通信信号３２を通信信号入力２０から供給する。この入力無線通信信号３２は、無線通信システムで送信可能な音声、データその他任意の種類の無線信号で構成できる。

ＲＦ増幅器１２はこの入力信号３２を受けて信号電力を線型増幅し、電力レベルを上げた出力信号３８を供給する。ＲＦ増幅器１２は一つまたは複数の利得段、各利得段についての一つまたは複数のバイアス調節手段、入力拡大縮小手段などを含む。ＲＦ増幅器１２の回路トポロジーはこの明細書による説明の範囲外である。

検波器１４はスペクトラム拡散ずみの通信信号から変調成分を除去し、時間とともに低速度で変動する直流電圧出力信号２８を生ずる。検波器１４の出力を電圧−電流変換器１６の第１の入力に加える。

制御入力２２はＴＰＣ信号２６を供給する。ＴＰＣ信号の発生やＴＰＣ信号処理についての詳細はこの明細書の説明の範囲外である。しかし、概括的にいうと、ＴＰＣ信号２６は、加入者ユニット（または基地局）の送信電力の大きさの計測を行う基地局（または加入者ユニット）（すなわち、交信相手の送信電力の大きさの測定をそれぞれ行う）で抽出する。基地局または加入者局はこのＴＰＣ信号を交信の相手方に送って、自局における算出値にしたがって相手方の送信電力の増減を指示する。

電圧−電流変換器１６は二つの入力を受け、それら入力を拡大縮小し、それらを組み合わせて電流出力信号３０を生ずる。第１の入力は検波器出力信号２８である。第２の入力はＴＰＣ信号２６である。この電圧−電流変換器１６はこれら入力２６、２８を受けて、これら入力を拡大縮小、すなわち重みづけし、式（１）、すなわち
ＶＣ出力信号＝（Ｗ１＊ｌｏｇＰ）＋（Ｗ２＊ｌｏｇＶ） （１）
（ここで、Ｐ＝検波器２８の出力信号、Ｖ＝ＴＰＣ信号２６、Ｗ１およびＷ２は電力ダイナミック制御範囲、波形ピーク値対平均値比、使用電力増幅器アーキテクチャの関数である設計上の特定の定数）にしたがって組み合わせて電流出力信号３０を構成する。

電流出力信号３０を電流鏡像回路１８の一つの入力に供給する。ＲＦ増幅器１２の出力３８からの帰還路３６を電流鏡像回路１８のもう一つの入力に接続する。電流鏡像回路１８は入力信号３０、３６の比較を行い、バイアス電流信号３４を出力する。図示のとおり、バイアス電流３４はＴＰＣ信号２６および増幅器１２の出力信号１８の両方に関連づけられている。すなわち、ＴＰＣ信号２６が高レベルである場合は基地局が加入者ユニットからの送信電力を上げるよう指示していることを示す。従来技術について上に述べたとおり、ＴＰＣ信号２６は加入者ユニットの送信信号電力を適切に増減させる。入力信号３０、３６の両方を比較のために拡大縮小する。電流出力信号３０がＲＦ増幅器１２の出力３８よりも高い場合は、電流鏡像回路１８はバイアス電流信号３４を増加させる。また、電流出力信号がＲＦ増幅器１２の出力３８よりも低い場合は、電流鏡像回路１８はバイアス電流信号３４を減少させる。

電流鏡像回路１８は上記比較動作を通じてバイアス電流を増減させ、それによって増幅器１２の線型動作領域を調節する。ＴＰＣ信号２６が低下した場合は、増幅器１２は大きいバイアス電流を必要としない。すなわち、高いバイアス電流は高い電力消費に等しいからである。したがって、電力消費を減らすためにバイアス電流を減少させる。

増幅器利得、すなわち増幅器出力電力Ｐｏｕｔ対増幅器入力電力Ｐｉｎ比に等価の増幅器利得のグラフを図５に示す。１ｄＢ圧縮点（Ｐ１ｄＢ）は増幅器が非線型になり始める点である。点Ａで示したバイアス２についての１ｄＢ圧縮点は、バイアス１についての１ｄＢ圧縮点、すなわち点Ｂよりも小さい出力電力レベルで生ずる。図示のとおり、この発明により抽出した動的バイアス値は増幅器動作の線型の範囲を拡大している。すなわち、出力電力の低下にともあってバイアス電流が低下し、増幅器の線型動作を維持する。また入力電力の増加に伴ってバイアス電流が増加し増幅器の線型動作を維持する。

この発明は従来技術による補正手法よりも統計的に優れた性能を示す。この送信機の所要最大電力は全送信時間長のごく一部の時間で発揮されるにすぎないので、ＴＰＣ信号に動的に追従することによって、この発明の動的バイアス制御を施したＲＦ電力増幅器は消費電力を大幅に軽減する。

この発明の好ましい実施例を上に述べてきたが、特許請求の範囲の各請求項に記載した発明の範囲を逸脱することなく上記以外の種々の改変が可能であることは当業者に認識されよう。

従来技術による多元接続通信システムの単純化したシステム図。 従来技術による無線通信システムの単純化したシステム図。 短時間ピーク所要電力を表すグラフ。 この発明のシステム図。 この発明における出力電力対入力電力特性図。

符号の説明

１０ 動的バイアス増幅システム
１２ ＲＦ電力増幅器
１４ 検波器
１６ 電圧−電流変換器
１８ 電流鏡像回路
２０ 通信信号入力
２２ 電力制御信号入力
２４ 出力

Claims (5)

1. 動的バイアス制御を持ったＲＦ電力増幅器制御回路において、
   ＲＦ入力信号を増幅してＲＦ出力信号を生成するように構成された少なくとも一つのゲイン段を持ったＲＦ電力増幅器、及び、
   バイアス制御電流信号が該ＲＦ出力電力と直接対応して生成されるように各ゲイン段について動的バイアス制御を行うように構成され、且つ、前記ＲＦ電力増幅器がリニアな増幅利得で動作するよう維持するように構成されたバイアス制御手段を備えたことを特徴とするＲＦ電力増幅器制御回路。
2. 請求項１に記載のＲＦ電力増幅器制御回路において、
   前記バイアス制御手段が更に、前記ＲＦ出力電力を可変するための可変電力制御信号を受信するように構成されることを特徴とするＲＦ電力増幅器制御回路。
3. 請求項２に記載のＲＦ電力増幅器制御回路を備えた加入者ユニットにおいて、
   前記可変電力制御信号が、逆方向チャネル電力制御の無線通信で基地局から受信された送信電力制御信号であることを特徴とする加入者ユニット。
4. 請求項３に記載の加入者ユニットにおいて、
   前記バイアス制御手段がさらに、前記送信電力制御信号を変換されたＲＦ入力信号で処理するように構成されたコンバータを備えており、該コンバータが前記信電力制御信号及び前記変換されたＲＦ入力信号の重み付けを、前記ＲＦ電力増幅器の動的電力制御レンジと前記ＲＦ入力信号の波形のピークツーピークの比率の関数である設計仕様定数に応じて行って該コンバータが電流信号を生成することを特徴とする加入者ユニット。
5. 請求項４に記載の加入者ユニットにおいて、
   前記バイアス制御手段がさらに、前記電流信号及び前記ＲＦ出力信号からのフィードバックを受信するための及び前記電流信号を前記フィードバックと比較して前記バイアス制御電流信号を生成するためのカレントミラーを備えることを特徴とする加入者ユニット。

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