JP2009100390A - ピークファクタ低減装置および無線送信機 - Google Patents

Abstract

【課題】ピークファクタの低減に用いる補正信号は、帯域外へ漏洩しないように送信スペクトルにマスクされていることが重要である。しかしながら、送信帯域が狭い場合、補正信号の電力は限られてしまい、十分にピークファクタを低減することができない。本発明は、OFDMなどの変調方式を用いた無線装置において、ピークファクタを低減する補正信号を送信帯域外になるように生成し、電力増幅器の出力側にバンドパスフィルタなどを挿入し、帯域外に漏洩する電力を抑えることを目的とする。
【解決手段】ピークファクタを低減する補正信号を、通信システム帯域外になるように生成する。このとき、補正信号は帯域外に妨害波として発生してしまうが、増幅装置の出力段にバンドパスフィルタを接続することによって、この補正信号を減衰させる。
【選択図】図１

Description

本発明は無線送信機、特に送信波のピークファクタ（最大電力と平均電力の比）が高い直交周波数分割多重(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)用無線送信機に関する。

近年、ディジタル処理技術の進歩やインターネット・携帯電話などの急速な普及に伴い、高速・大容量で信頼性の高い通信の実現が必要とされ、その要求は高まっている。直交周波数分割多重(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)はこの要求を満たす通信方式として広く研究開発が行われている。

OFDM信号は、変調に多数のサブキャリアを用いるので、信号の分布が中心極限定理に従って正規分布に近づき、ピークファクタ（最大電力と平均電力の比）が10dB〜12dBにも達することが知られている。無線送信機ではOFDM信号を電力増幅装置で増幅して送波するが、ピーク振幅に対しても増幅装置の線形性が確保されていないと送信波形に歪が生じ、送信帯域外、特に隣接帯域に電力を漏洩させる。この漏洩電力は電波法規によって厳しく規制されているので、電力増幅装置の定格出力に対して十分電力を上げることが困難となる。
電力増幅器は、先に述べたようにピークファクタが大きいため、飽和領域よりバックオフを10dB〜12dB取る必要があり、電力効率を十分に上げることができない。このため、装置サイズおよびコストの増大を招いてしまう。

この問題を解決するためには、ピークファクタの低減が有効である。ピークファクタ低減とは、若干の波形品質劣化（すなわち雑音の付加）を許しつつ、ピーク振幅を抑えるような波形処理である。
従来技術では、ベースバンド信号振幅のピークが極大値となるサンプル点にインパルス状の補正信号を生成し、この信号をベースバンド帯域制限フィルタと同等の周波数応答を持つフィルタで波形整形し、ベースバンド信号から減算することでピークファクタ低減を実現している。この補正信号は、元の信号に無い成分であるため雑音として振舞うが、フィルタの作用によって送信スペクトルにマスクされるので、送信帯域外への雑音漏洩を防止することができる。

ベースバンドの信号振幅のピークが増幅装置の入力制限より大きい場合には、振幅制御部でこの電力のピークを打ち消すような信号を生成する。この補正信号は雑音として振舞い信号品質を劣化させてしまう。従来技術では、ピークファクタの低減に用いる補正信号（雑音）は、帯域外へ漏洩しないように送信スペクトルにマスクされていることが重要であった。しかしながら、送信帯域が狭い場合など、補正信号の電力は限られてしまい、十分にピークファクタを低減することができない。

また、近年、ディジタルデバイスの進歩にともない、より高速化されたディジタルアナログ変換器が開発されてきている。このため、補正信号処理において広帯域に信号生成することが可能となった。

本願発明は、ピークファクタ低減に際して生成する補正信号を送信帯域外に集中できるようにし、送信帯域に制限されず、従来と同一の信号品質劣化ではピークファクタ低減効果をより大きくすることを目的とする。

本発明は、ピークファクタを低減する補正信号を、送信帯域外になるように生成する。このとき、補正信号は帯域外に妨害波として発生してしまうが、増幅装置の出力段にバンドパスフィルタを接続することによって、この補正信号を減衰させ、送信帯域外への雑音漏洩を抑える。

具体的には、本発明のピークファクタ低減装置は、入力されたベースバンド信号を一次変調し変調信号を出力する符号処理部と、変調信号をサブキャリア数毎にブロック化するシリアルパラレル変換部と、ブロック化したデータを逆FFT処理し複素信号とするIFFTと、逆FFT変換された複素信号に冗長部分を付加する冗長部付加部と、冗長部分を付加された複素信号を、パラレル信号からシリアル信号に変換するシリアルパラレル変換部と、シリアル信号に対し、送信帯域外に振幅制限をする補正信号を生成し、振幅制御を行うピークファクタ低減部とから構成されるようにしたものである。

また、本発明の無線送信機は、前記ピークファクタ低減装置と、ピークファクタ低減装置のディジタル信号出力をアナログ信号に変換するディジタルアナログ変換装置と、アナログ信号をRF周波数に周波数変換する周波数変換装置と、周波数変換された信号に対し電力増幅を行う電力増幅装置と、増幅した信号のうち送信帯域外に漏洩させた補正信号を減衰させるバンドパスフィルタとから構成されるようにしたものである。

ピークファクタ低減に際して生成する補正信号を送信帯域外に集中できるので、送信帯域に制限されず、従来と同一の信号品質劣化ではピークファクタ低減効果をより大きくできる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

図1に本願発明の無線送信機の一実施例を示す。
図１に示すように、本発明を用いたピークファクタ低減処理装置とバンドパスフィルタを接続した無線送信機である。

本実施例の無線送信機、OFDM用無線送信機であり、まず始めに、OFDM方式について説明する。
ODFM方式では、まず、入力データを符号処理装置にてQAM変調（QAM:Quadrature Amplitude Modulation、直交振幅変調）などに1次変調し、シリアルパラレル変換装置でN個のサブキャリアごとにブロック化する。これに適当な数のゼロを追加して点数を2のべきで表現可能な数NFFT（FFT：Fast Fourier Transform、高速フーリエ変換）本に増やし、これを逆FFT装置で2次変調する。逆FFTにより、NFFT本の直交サブキャリアのうち非ゼロデータに対応する周波数のサブキャリアに情報が載るので、OFDMはマルチキャリア変調方式の一種といえる。
次に、逆FFT装置出力の後半からN個のサイクリックプレフィックス（CP：cyclic prefix）点をコピーして前半に付加することで、NFFT+NCP点に冗長化する。この冗長部分(サイクリックプレフィックス)は、サイクリックプレフィックス長NCPがマルチパス遅延波の遅延時間以上であれば、遅延波の影響を取り除くことができる。こうして得られたNFFT+NCP点のブロック信号は、パラレルシリアル変換装置でシリアル信号に変換して送出されるが、前後のブロックとの接続部において信号が不連続となるから、送信スペクトルが広がる傾向がある。そのため、必要に応じて適当な窓関数を用いて接続部にテーパ処理を行い、信号を滑らかに接続させる場合がある。さらに必要な場合は帯域制限フィルタを追加して送信スペクトルの広がりを抑える場合もある。

以上のように処理された信号のスペクトラムを図３に示す。この例ではｎ個のサブキャリアを用いたOFDM信号のスペクトラムである。図４はｎ個のサブキャリアを用いた場合のＯＦＤＭ信号を時間軸上で表現したものである。

図５に電力増幅器の入出力特性を示す。横軸は電力増幅器へ入力する信号レベル、縦軸は電力増幅器の出力レベルを表す。電力増幅器は、先に述べたようにピークファクタが大きいため、飽和領域よりバックオフを10dB〜12dB取る必要があり、電力効率を十分に上げることができない。このため、装置サイズおよびコストの増大を招いてしまう。

この問題を解決するためには、ピークファクタの低減が有効である。以下、本実施例の無線送信機におけるピークファクタ低減装置について説明する。

図６は本実施例のピークファクタ低減装置の詳細を説明する図である。

図６のピークファクタ低減装置は、ベースバンドから送出された複素信号の実部Iiと虚部Qiをそれぞれ、参照フィルタ501aと501bによって帯域制限をする。次に、絶対値回路509にて帯域制限された複素信号から実部と虚部の二乗和の平方根を算出することにより、振幅成分の瞬時値を得ることができる。デットゾーン回路510では図７の入出力特性から、絶対値回路509の出力信号から設定値Ao以上の振幅成分を出力する。デットゾーン出力は、インパルス発生回路に入力する。インパルス発生回路にて、ピークパルスが発生する位置にインパスル信号を出力する。このピークパルスをハイパスフィルタ512aと512bで帯域制限し、補正信号を送信帯域外に生成するようにする。
図８に、ハイパスフィルタの通過特性を示す。

一方、参照フィルタ501aと501b出力から絶対値回路509出力を除算器506aと506bで除算することで、複素信号のIf＋ｊQfの余弦成分と正弦成分を得ることができる。これを遅延器507aと507bにより、インパルス発生回路511の遅延分とタイミングを合わせる。乗算器508aと508bでインパルス発生回路の出力信号との積を求めて、複素インパルス信号を生成する。
次に、入力信号をフィルタ201aと201bと振幅制御部504の遅延量に合致する遅延時間を遅延器502aと502bで遅延させタイミングを合わせる。加算器503aと503bによって複素インパルス信号を減算することによってピークファクタを低減する。

このときのディジタル信号をＦＦＴ解析したスペクトラムを図１１に示す。図１１から分かるように、補正信号の電力が送信帯域外に生成されていることが分かる。

次にピークファクタ低減装置のディジタル信号出力をディジタルアナログ変換装置107によりアナログ信号に変換し、周波数変換装置108によりRF周波数に周波数変換する。さらに、電力増幅装置109により電力増幅された信号を、バンドパスフィルタ110により、送信帯域外に漏洩させた補正信号を減衰させる。
図９に、バンドパスフィルタの通過特性を示す。
図１０に、ピークファクタ低減装置入力のＦＦＴ解析スペクトラムを、また、バンドパスフィルタ後の送信スペクトラムを図１２に示す。
バンドパスフィルタ110によって、補正信号が十分に減衰されていることが分かる。

本発明の実施例のブロック図である。 ピークファクタ低減装置の原理図である。 OFDM信号のスペクトラムを説明する図である。 OFDM信号の時間軸上での波形を模式的に表した図である。 電力増幅器の入出力特性を表した図である。 本発明のピークファクタ低減装置詳細を示したブロック図である。 デットゾーン回路の入出力特性を示す図である。 ハイパスフィルタの通過特性を表した図である。 バンドパスフィルタの通過特性を表した図である。 ピークファクタ低減装置入力のＦＦＴ解析スペクトラムである。 ピークファクタ低減装置出力のＦＦＴ解析スペクトラムである。 バンドパスフィルタ後の送信スペクトラムである。

符号の説明

101…符号処理装置
102…シリアルパラレル変換装置
103…逆FFT装置
104…サイクリックプレフィックス付加装置
105…パラレルシリアル変換装置
106…ピークファクタ低減装置
107…ディジタルアナログ変換装置
108…周波数変換装置置
109…電力増幅装置
110…バンドパスフィルタ
111…アンテナ
201…参照フィルタ
202…遅延装置
203…加算器
204…振幅制御部
205…ハイパスフィルタ
206…帯域制限フィルタ
501a、501b…参照フィルタ
502a、502b…遅延器
503a、503b…加算器
504…振幅制御部
505a、505b…帯域制限フィルタ
506a、506b…除算器
507a、507b…遅延器
508a、508b…乗算器
509…絶対値回路
510…デットゾーン回路
511…インパルス発生回路
512a、512b…ハイパスフィルタ

Claims (3)

1. 入力されたベースバンド信号を一次変調し変調信号を出力する符号処理部と、前記変調信号をサブキャリア数毎にブロック化するシリアルパラレル変換部と、前記ブロック化したデータを逆FFT処理し複素信号とするIFFTと、前記逆FFT変換された複素信号に冗長部分を付加する冗長付加部と、前記冗長部分を付加された複素信号を、パラレル信号からシリアル信号に変換するシリアルパラレル変換部と、前記シリアル信号に対し、送信帯域外に振幅制限をする補正信号を生成し、振幅制御を行うピークファクタ低減部とから構成されることを特徴とするピークファクタ低減装置。
2. 請求項1記載のピークファクタ低減装置と、前記ピークファクタ低減装置のディジタル信号出力をアナログ信号に変換するディジタルアナログ変換装置と、前記アナログ信号をRF周波数に周波数変換する周波数変換装置と、前記周波数変換された信号に対し電力増幅を行う電力増幅装置と、前記増幅した信号のうち送信帯域外に漏洩させた補正信号を減衰させるバンドパスフィルタとから構成されることを特徴とする無線送信機。
3. 請求項２に記載された無線送信機において、送信帯域外に漏洩させた補正信号を減衰させるバンドパスフィルタの代わりに、ディプレキサを用いたことを特徴とする無線送信機。

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