JP2009225186A - 無線通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】増幅回路に入力される信号を増幅する際に、適切な電力が増幅回路に供給される無線通信機器を提供する。
【解決手段】
無線通信機器であって、無線信号を送信する場合には、増幅回路に供給する電力を制御するデジタル制御部は無線信号を送信することを示す割込開始信号を受け付けて送信信号に追随する電力を増幅回路に供給できる制御を実行する。そして、無線信号を送信していない場合には、デジタル制御部は、フィードバック制御により、安定した電力を増幅回路に供給する。
【選択図】図５

Description

本発明は、無線通信機器における消費電力の削減や発熱の低減に関する。

近年、無線通信における電力の削減を目的とした種々の研究が行われている。殊に無線基地局など、送信アンプの駆動において高い電圧を必要とする機器においては、その需要が高くなっている。
通常、無線送信する際には、送信アンプには、一の無線送信区間で必要とするピーク電圧が印加される。しかし、その通信区間内で常にピーク電圧が必要とされるわけではないので、無駄が発生している。

そこで、特許文献１には、無線信号を送信する際に、その時々で無線送信に必要とする電力を供給できるように、逐次、無線信号の信号波形に追随するような電力を送信アンプに供給する技術が開示されている。
特願２００７−９４４３６号

ところで、上記特許文献１においては、電源回路から供給される電力がなるべく送信信号が必要とする電力に近づけるためにフィードバック制御も実行して、電力を供給する構成にしている（特許文献１図６参照）。しかしながら、フィードバック制御に基づく電力の供給が、実際の無線送信信号に追随できずに、実際にフィードバックを適用するタイミングが遅れる可能性があり、実際に必要な電力を供給できないことがある。フィードバック機構の分解能が速ければ問題はないのだが、実際には、フィードバックが追いつかないのが現状である。

これについて単純にフィードバック制御の構成を含まなければ良いように思われる。しかしながら、送信アンプは、電力が供給されていない状況から電力が供給されて安定して動作するまで若干の時間を要する。したがって、送信アンプに無線送信を実行していないときに電力を供給しない構成にすると、送信アンプに電力が供給されていない状態から電力が供給され、実際に無線送信するまでに時間がかかるため、実用に耐えない。よって、送信アンプには、いつ無線信号を送信してもよいように無線信号を送信しないときでもある一定の安定した電力を供給しておく必要がある。よって、安定した電力を供給するためにもフィードバック制御の構成は外せない構成となっている。

そこで、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、無線送信信号に遅延なく追随できる電力を供給することができる無線通信機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は無線通信機器であって、送信用信号を増幅するための増幅回路と、前記増幅回路に電力を供給する電源回路と、前記電源回路の出力電圧値が所定値に保たれるように前記電源回路をフィードバック制御する第１制御手段と、前記電源回路の出力電圧値が、前記送信用信号に応じて前記増幅回路から出力されるべき送信信号の単位時間毎の最大電圧値に追従するように前記電源回路を制御する第２制御手段と、切替を示す制御信号に基づいて、前記第１制御手段による電力制御と前記第２制御手段による電力制御とを切り替える切替手段とを備えることを特徴としている。

ここで、追随とは、送信用信号の増幅に必要な電力を供給でき、かつ送信信号に近しい包絡線を描くような電力を供給することをいう。

これにより、無線通信機器は、無線送信を実行するときには、無線送信信号に追随する電力を供給するよう第１制御手段による制御を実行し、無線送信を実行していないときには、フィードバック制御により安定した電力を供給するよう第２制御手段による制御を実行する。フィードバックによる制御を実行するか否かを無線送信するか否かにより切り替えているので、無線送信しないときにはフィードバックをかけないため、送信信号に追随した電力を供給できないということがなくなる。

また、前記無線通信機器は、更に、間欠的に前記送信用信号を生成し、前記増幅回路に送出する生成回路と、前記送信用信号の生成に同期して前記送信用信号の増幅を開始することを示す割込開始信号と前記送信用信号の増幅を終了することを示す割込終了信号との何れか一方の信号を出力する割込回路とを備え、前記切替手段は、前記割込開始信号を前記制御信号として受け付けて、前記第１制御手段による前記電源回路の制御から前記第２制御手段による前記電源回路の制御に切り替え、前記割込終了信号を前記制御信号として受け付けて、前記第２制御手段による前記電源回路の制御から前記第１制御手段による前記電源回路の制御に切り替えることとしてよい。

これにより、切替手段は、無線送信を実行することを認識できる生成回路からの割り込み信号を受けて、切替のトリガとするので、タイミングを逸することなく、無線送信の実行、非実行に併せて電力供給の制御方法を切り替えることができる。
また、前記所定値は、複数の前記最大電圧値の平均値であるとしてよい。
これにより、送信用信号が送信アンプに入力される最初の時点における電力の追随がより容易になる。つまりフィードバック制御時には送信信号の増幅に必要な電圧値の平均値を与えることで、フィードバックにより安定した電力を供給しているときから、追随制御による電力供給に切り替えたタイミングでの平均的な電圧変化を抑制することができるので、より容易に所望の電圧値の電力を供給できる。

以下、本発明の一実施形態である無線通信機器について図面を用いて説明する。
＜概要＞
増幅回路に対して電力を供給する際に、増幅回路が信号を増幅するタイミングでは、特許文献１に示されるような、増幅して得られる信号が必要とする電圧値に逐次追随する制御（以下、変調波追随制御ともいう）により電力を供給し、増幅回路が信号を増幅しないタイミングでは、従来からある定電圧電源に用いられるフィードバック制御により電力を供給するように切替機構を設ける。
＜構成＞
図１は無線通信機器１の機能ブロック図である。無線通信機器１は図１に示すように、メモリ２、無線制御部３、局部発振回路４、混合回路５、増幅回路６、アンテナ７、及び電力制御装置１００を含んで構成される。

本実施の形態では、一例として、無線通信機器１が「１０１０１０１１０１１０・・・」というデータ列を送信しようとしているものとする。このデータ列は、図２に示すように、送信データＤｔとしてメモリ２に記憶されている。送信データＤｔは、無線通信機器１が送信すべきデータ列を１シンボル長である４ビット毎に論理的に区切ったものである。すなわち、メモリ２には、送信データＤｔ「１０１０」「１０１１」「０１１０」・・・が記憶されている。

メモリ２は具体的にはＲＡＭ等であり、送信データＤｔ及び割付変換表を記憶している。
無線制御部３は、メモリ２から送信データをサンプリング周波数に係る周期間隔で１シンボル分ずつ読み出し、当該送信データを１６値ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）信号に変換する。そして、１６値ＱＡＭ信号を混合回路４に出力する。なお、無線制御部３が生成した１６値ＱＡＭ信号は、中間周波信号（ＩＦ信号）である。

なお、４ビットのデジタルデータから１６値ＱＡＭ信号を得る方法は、電話回線を用いた９６００ｂｐｓのデータ伝送で実際に使用されるなど公知の方法であるので、ここでは簡単な説明に留める。
変調には、送信用の搬送波として直交するｃｏｓ２πｆｃｔと−ｓｉｎ２πｆｃｔとの２波を用いる。それぞれ負の振幅を含めて４値の振幅変調を行い、それらを加え合わせて１６値ＱＡＭ信号を得る。なお、ｆｃは搬送波周波数である。

図３は、４ビットのデジタルデータ（すなわち送信データＤｔ）と、１６値ＱＡＭ信号の振幅Ａ及び位相θとの関係を模式的に示す図である。マトリックス状に並んだ１６個の白抜き点のそれぞれに付した４ビットの数値が伝送する４ビットのデジタルデータである。
例えば、図３は、送信すべきデジタルデータ「１０１０」には、振幅Ａの値Ａ１及び位相θの値θ１１が割り当てられていることを示す。このデジタルデータ（割付データＤｍ）と振幅Ａの値及び位相θの値との対応は、図４に示す割付対応表としてメモリ２に記憶されている。

無線制御部３は、デジタルデータ「１０１０」に対応する振幅Ａの値Ａ１及び位相θの値θ１１を前記割付対応表から読み出し、デジタルデータ「１０１０」に対応する変調後信号として、式Ａ１ｃｏｓθ１１ｔ−Ａ１ｓｉｎθ１１ｔで表される１６値ＱＡＭ信号を生成する。
以上説明したように、無線制御部３は、メモリ２に記憶されている送信データＤｔをサンプリング周波数に係る周期間隔で１シンボル分ずつ読み出し、送信データＤｔを１６値ＱＡＭ信号に変換し混合回路５に出力していく。

また、無線制御部３は、生成した１６値ＱＡＭ信号を予め定められた増幅率により増幅した後、混合回路５が行っているのと同様の方法によりＲＦ信号へと周波数変換する。そして、ＲＦ信号（以下、「割り込みデータ」または「出力電圧制御信号」という）を割込み信号とともに電力制御装置１００に出力する。なお、増幅率は、電力制御装置１００が増幅回路６に対し電源レベルに適した信号を供給できるように予め測定、シミュレーション等により決定されているものとする。

無線制御部３は、１６値ＱＡＭ信号を混合回路５に対し出力する時刻と、出力電圧制御信号を電力制御装置１００に対し出力する時刻とを、各回路について予め測定しているデータ等に基づき調整している。この調整がなされることにより、無線制御部３から混合回路５へと出力された信号が処理されて増幅回路６に到達するタイミングと、無線制御部３から電力制御装置１００に対し出力された信号が処理されて増幅回路６に電力が供給されるタイミングとが同期することとなる。

局部発振回路４は具体的には、発振器を含んで構成され、この発振器で作ったローカル信号（ＬＯ信号）を混合回路５に出力する。
混合回路５は、無線制御部３からＩＦ信号を受信し、局部発振回路４からＬＯ信号を受信する。そして、ＩＦ信号とＬＯ信号とを混合することによりＲＦ（Radio Frequency）信号を生成し、生成したＲＦ信号を増幅回路６に出力する。

増幅回路６は、混合回路５から受信したＲＦ信号を増幅する線形アンプであり、電力制御装置１００から電力供給を受けて駆動する。増幅回路６は、受信したＲＦ信号を増幅してアンテナ７を介して放射する。
電力制御装置１００は、無線制御部３から入力される信号に基づいて、増幅回路６に供給する電力を生成する。以下、電力制御装置１００について詳細に説明する。

図５は、電力制御装置１００の構成の一例を示す図である。本図に示すように、電力制御装置１００は電源入力部１０、入力フィルタ２０、パワーアナログ部３０、出力フィルタ４０、信号入力部５０、デジタル制御部６０、電圧検出部７０、及び電源出力部８０を含んで構成される。
電源入力部１０は図示しないスイッチング電源と接続されており、具体的には直流電圧（以下、「電圧」という）が供給される入力端子である。なお、スイッチング電源は図示しない商用電源と接続されている。

入力フィルタ２０は、具体的には本図に示すように、コイルＬ３及びコンデンサＣ３を含んで構成されるＬＣ回路であり、パワーアナログ部３０から発生し、電源入力部１０へ帰還するノイズを抑制する機能を有する。
パワーアナログ部３０は具体的には、降圧チョッパ回路と平滑回路とからなり、ドライブ回路３ａ、スイッチング素子ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂ、磁気エネルギーを蓄積及び放出するフェライトコイル（以下、「インダクタ」ともいう）Ｌ１、及び平滑用コンデンサＣ１を含んで構成される。

ドライブ回路３ａはデジタル制御部６０のＰＷＭ出力１端子及びスイッチング素子ＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂのゲート端子と接続されており、ＰＷＭ出力端子から入力されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子ＳＷ１ａをＯＮ／ＯＦＦする動作を繰り返す。また、スイッチング素子ＳＷ１ａがＯＦＦの間、スイッチング素子ＳＷ１ｂをＯＮする。
スイッチング素子ＳＷ１ａは降圧用スイッチング素子であり、具体的にはＭＯＳＦＥＴである。ドライブ回路３ａによりＭＯＳＦＥＴがＯＮ／ＯＦＦされること、すなわちゲートにかかる電圧が変化することにより、ドレインからソースに流れる電流が変化する。

なお、スイッチング素子ＳＷ１ａのドレイン端子はコイルＬ３の一端と接続され、ソース端子はインダクタＬ１の一端と接続され、ゲート端子はドライブ回路３ａと接続されている。
スイッチング素子ＳＷ１ｂは同期整流用スイッチング素子であり、具体的にはＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子ＳＷ１ａがＯＦＦの間、ドライブ回路３ａによりＯＮされる。これによりソースからドレインに向かって電流が流れる。

なお、スイッチング素子ＳＷ１ｂはスイッチング素子ＳＷ１ａと並列に接続されており、スイッチング素子ＳＷ１ｂのソース端子は接地され、ドレイン端子はインダクタＬ１の一端と接続され、ゲート端子はドライブ回路３ａと接続されている。
パワーアナログ部３０の動作について簡単に説明すると、スイッチング素子ＳＷ１ａがＯＮされている時には、インダクタＬ１に磁気エネルギーを蓄えながら出力電流を供給する。

スイッチング素子ＳＷ１ａがＯＦＦされている時には、インダクタＬ１は磁気エネルギーを放出しながら出力電流を供給する。
出力フィルタ４０は、具体的には本図に示すように、コイルＬ４とコンデンサＣ４とを含んで構成されるＬＣ回路であり、パワーアナログ部３０で発生するスイッチングノイズを抑制する機能を有する。

信号入力部５０は無線通信機器１内の無線制御部３と接続されており、具体的には、各種信号が供給される入力端子である。各種信号は、割込み信号や割込みデータ等である。割込み信号は、送信期間と受信期間とを切り替えるための信号であり、割込み信号がハイの場合、送信期間であることを示す。送信期間では、送信信号に応じた電力制御が行われ、受信期間では、従来と同様のフィードバック制御が行われる。割込みデータは、具体的には、無線通信機器１が送信すべき送信信号に応じて生成された出力電圧制御信号である。

デジタル制御部６０は、具体的にはＤＳＰ（Digital Signal Processor）を用いて実現され、図６に示すように、通信Ｉ／Ｆ（インタフェース）６１、外部割込み処理部６２、演算処理部６３、及びフィードバック部６４を含んで構成される。
通信Ｉ／Ｆ６１は、無線制御部２から入力される割込み信号及び割込みデータを外部割込み処理部６２に出力する。

外部割込み処理部６２は、通信Ｉ／Ｆ６１から入力される割込みデータを演算処理部６４に出力するとともに、割込みがあった旨を示す信号をフィードバック部６４に送信する。
演算処理部６３は、フィードバック部６４あるいは外部割込み処理部６２から入力される出力電圧制御信号とに基づいて、発振周波数やデューティ比を決定し、ＰＷＭ信号を生成する。生成したＰＷＭ信号を出力端子から、ドライブ回路に出力する。フィードバック部６４から出力電圧制御信号が入力される場合には、増幅回路６には定電圧の電力が供給され、外部割込み処理部６２から出力電圧制御信号が入力される場合には、増幅回路６には、増幅する信号に追随する電力が供給される。

フィードバック部６４は、電圧検出部７０から入力される電圧をＡ／Ｄ変換し、変換後の電圧に基づいて、出力電圧を予め定められている定電圧に保つよう出力電圧制御信号を設定する。そして、設定した出力電圧制御信号を演算処理部６３に出力する。また、外部割込み処理部６２から割込みがあった旨の信号を受信している間、出力電圧制御信号の設定及び出力を停止する。なお、ここで、フィードバック部６４が保つように設定されている定電圧は、無線送信のために増幅回路が必要とする電圧値を予め一定期間測定しておいて得られる、その平均値である。

デジタル制御部６０はさらに、位相補償設定等を行うが、この制御は従来と同様である。
電圧検出部７０は、出力フィルタ４０から出力される電圧を検出し、デジタル制御部６０に出力する。
電源出力部８０は、具体的には出力フィルタ４０から入力される電圧を、送信信号を増幅する増幅回路６に供給する出力端子である。
＜動作＞
では、電力制御装置における２つの電力制御方法の切替にかかる動作について図７に示したフローチャートに基づいて説明する。なお、フィードバック制御による定電力供給は従来から行われており、また、送信信号に追随する電力制御については、特許文献１に記されているため、ここでは、これらの制御の詳細については省略する。

本実施の形態に係るデジタル制御部６０の動作を図７に示すフローチャートと、図１、図５、図６の機能ブロック図とを用いて説明する。
まず、デジタル制御部６０は、無線通信機器１が無線信号を送信しないときはフィードバック部６４により、フィードバック制御を実行している。そして電力制御装置１００は、当該フィードバック制御に基づく電力を増幅回路６に供給している。

デジタル制御部６０の通信Ｉ／Ｆ６１は割込み信号を常時監視しており、割込みが発生するか否か、即ち、無線送信が実行されるか否かを、割込み信号が変化したか否かにより検出する（ステップＳ７０１）。割込み信号が「０」である間は（ステップＳ７０１のＮＯ）、デジタル制御部６０は、フィードバック部６４によるフィードバック制御による電力制御を実行する。

無線制御部３は、送信用信号を生成し、混合回路と電力制御装置１００に出力する。このとき、無線制御部３は、割込み信号を「０」から「１」に変化させる。通信Ｉ／Ｆ６１は、割込み信号が「０」から「１」に変化したことを受けて、無線送信が実行されること外部割込み処理部６２に伝達する（ステップＳ７０１のＹＥＳ）。
すると、外部割込み処理部６２は、フィードバック部６４に、フィードバックによる電力制御の停止を指示する（ステップＳ７０２）。

それとともに、外部割込み処理部６２は、割込みデータ、即ち、無線送信する送信用信号を通信Ｉ／Ｆ６１を介して、無線制御部３から受け取る。そして、受け取った割込みデータを演算処理部６０ａに伝達する。割込みデータを受け取った演算処理部６０ａは、割込みデータに追随する電力を出力するための変調波追従制御を実行し（ステップＳ７０３）、電力制御装置１００は、送信用信号に追随する電力を増幅回路６に供給する。

通信Ｉ／Ｆ６１は、割込み信号を監視しており、割込みが終了する、即ち、無線送信が終了したか否かを検出する（ステップＳ７０４）。
割込み信号が「１」である間（ステップＳ７０４のＮＯ）は、デジタル制御部６０は、変調波追従制御による電力供給を実行する。
無線通信機器１が、送信信号を出力し終えると、無線制御部３は、割込み信号を「１」から「０」に変化させる。

通信Ｉ／Ｆ６１は、割込み信号が「１」から「０」に変化したことを検出すると、無線送信が終了したことを外部割込み処理部６２に伝達する（ステップＳ７０４のＹＥＳ）。
すると、外部割込み処理部６２は、変調波追従制御を停止する（ステップＳ７０５）。
そして、それとともに、外部割込み処理部６２は、フィードバック部６４にフィードバック制御による電力制御を開始させ（ステップＳ７０６）、デジタル制御部６０は、ステップＳ７０１の処理に戻り、以降の処理を実行する。

以上に説明してきたように、本発明に係る無線通信機器は、変調波追従制御と、フィードバック制御とを、無線送信を実行するか否かによって切り替えて行う。よって、無線通信機器は、無線送信する際にはフィードバック制御を実行しないので、フィードバックの分解能が低いために、正しく変調波信号、即ち、送信信号に追随した電力を供給できないという事態を防げる。また、送信時に必要最低限の電力しか供給しないことで、電力の供給に伴う発熱を極力おさえることができる。
＜補足＞
上記実施の形態において、本発明の実施の手法について説明してきたが、本発明の実施形態がこれに限られないことは勿論である。以下、上記実施の形態以外に本発明の思想として含まれる各種の変形例について説明する。
（１）上記実施の形態においては、増幅回路である送信アンプに入力される信号を増幅する際の電力追随制御とフィードバック制御の切替を示した。しかし、この制御は、送信アンプに供給する信号のみに対してでなく、事前に増幅すべき信号の情報があり、増幅するタイミングと電力を供給するタイミングの同期がとれるのならば、それを増幅するアンプに対しても、本発明と同様の電力供給制御を行ってもよい。
（２）上記実施の形態においては、割込み信号が「０」の場合に、無線信号の送信を実行していないことを示し、割込み信号が「１」の場合に無線信号の送信を実行していることを示した。しかし、割込み信号は、無線送信の開始と終了を示す信号であればよく、例えば、無線送信するデータに所定のビット値、つまり無線送信を開始することを「００」で、無線送信を終了することを「１１」で示し、これらのビット値を付加する構成で実現されてもよい。
（３）上記実施の形態においては、フィードバック制御による電力制御は、無線送信に必要とする電圧の平均値となるように制御した。しかし、これは、平均値以外の値であってもよく、たとえば、無線送信時に必要とした最後の電圧値になるようにフィードバック制御をかけることとしてもよい。これにより、変調波追随制御から、フィードバック制御に切り替えたタイミングでの増幅回路に供給される電力の電圧変化を抑制することができる。
（４）上述の実施形態で示した電力供給に係る動作、切替処理等（図７参照）を携帯電話機等のプロセッサ、及びそのプロセッサに接続された各種回路に実行させるためのプログラムコードからなる制御プログラムを、記録媒体に記録すること、又は各種通信路等を介して流通させ頒布させることもできる。このような記録媒体には、ＩＣカード、ハードディスク、光ディスク、フレキシブルディスク、ＲＯＭ等がある。流通、頒布された制御プログラムはプロセッサに読み出され得るメモリ等に格納されることにより利用に供され、そのプロセッサがその制御プログラムを実行することにより、実施形態で示したような各種機能が実現されるようになる。

本発明に係る無線通信機器は、電波の送信時の電力消費を最小限にとどめおくことができ、例えば無線基地局として活用することができる。

無線通信機器の機能構成を示した機能ブロック図である。 メモリに記憶された送信データＤｔを示す図である。 １６値ＱＡＭ信号の振幅及び位相に対する４ビットのデジタルデータの割付を模式的に示した図である。 メモリに記憶された割付変換表を示す図である。 電力制御装置１００の機能構成を示した機能ブロック図である。 デジタル制御部６０の機能構成を示した機能ブロック図である。 制御方法の切替を実行する際の電力制御装置１００の動作を示したフローチャートである。

符号の説明

１ 無線通信機器
２ メモリ
３ 無線制御部
４ 局部発振回路
５ 混合回路
６ 増幅回路
７ アンテナ
１００ 電力制御回路
１０ 電源入力部
２０ 入力フィルタ
３０ パワーアナログ部
４０ 出力フィルタ
５０ 信号入力部
６０ デジタル制御部
６１ 通信Ｉ／Ｆ
６２ 外部割込み処理部
６３ 演算処理部
６４ フィードバック部
７０ 電圧検出部
８０ 電源出力部

Claims (3)

1. 送信用信号を増幅するための増幅回路と、
   前記増幅回路に電力を供給する電源回路と、
   前記電源回路の出力電圧値が所定値に保たれるように前記電源回路をフィードバック制御する第１制御手段と、
   前記電源回路の出力電圧値が、前記送信用信号に応じて前記増幅回路から出力されるべき送信信号の単位時間毎の最大電圧値に追従するように前記電源回路を制御する第２制御手段と、
   切替を示す制御信号に基づいて、前記第１制御手段による電力制御と前記第２制御手段による電力制御とを切り替える切替手段とを備える
   ことを特徴とする無線通信機器。
2. 前記無線通信機器は、更に、
   間欠的に前記送信用信号を生成し、前記増幅回路に送出する生成回路と、
   前記送信用信号の生成に同期して前記送信用信号の増幅を開始することを示す割込開始信号と前記送信用信号の増幅を終了することを示す割込終了信号との何れか一方の信号を出力する割込回路とを備え、
   前記切替手段は、前記割込開始信号を前記制御信号として受け付けて、前記第１制御手段による前記電源回路の制御から前記第２制御手段による前記電源回路の制御に切り替え、前記割込終了信号を前記制御信号として受け付けて、前記第２制御手段による前記電源回路の制御から前記第１制御手段による前記電源回路の制御に切り替える
   ことを特徴とする請求項１記載の無線通信機器。
3. 前記所定値は、複数の前記最大電圧値の平均値である
   ことを特徴とする請求項１記載の無線通信機器。

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