JP2009504085A - Vco粗調整ビットを用いた一体型位相回転器のバンドパスフィルタの中心周波数制御 - Google Patents

Vco粗調整ビットを用いた一体型位相回転器のバンドパスフィルタの中心周波数制御 Download PDF

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Abstract

送信機の最終段(13)のカーテシアンフィードバック電力増幅器(32)の位相回転器(42)が、局部発振器(LO)の粗調整制御信号(VVC1〜4)が選択した中心周波数でバンドパスフィルタリング(80)を行う一体型電圧制御された同調可能共振回路(88)を備える。電圧制御された同調可能共振回路(88)は、バンドパスフィルタ(80、82)に極を多く設定せず、フィードバックLO経路(14、15)のダウンコンバータ(36)に向け入力信号の高調波レベルを広い比帯域で減衰する。LO(30)の利得を制御する2進加重済みのコース調整値により、電圧制御された同調可能共振回路(88)の電圧可変コンデンサ群(VVC)のバンクが2つの2極バンドパスフィルタ(80、82)の各中心周波数を制御するよう設定され、フィードバックLO経路(14、15)の多相直交位相生成回路(38)の入力で合成4極バンドパスフィルタが作られる。

Description

本発明は無線送信機に関し、特に、送信機のフィードバックループにおけるバンドパスフィルタリングのための装置及び方法に関する。
無線通信に関する標準規格、例えば、TETRA(Terrestrial Trunked RAdio)、UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)、EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)などでは、一般に、間隔の狭い無線チャネル同士間のノイズを低減させるために、送信設備には高レベルの直線性を必要とする。送信設備の電力増幅器の線形化は広範囲に研究されており、多くの技術、例えば、カーテシアンループ、ポーラループ、包絡線除去及び復元(Envelope Elimination and Restoration)、LINC(LInear amplification using Nonlinear Components)、CALLUM(combined analog locked loop universal modulator)などが開発されてきた。
上記の技術では直線性と帯域とにはトレードオフの関係があり、高い直線性は帯域が狭ければ可能で、中程度の直線性ならばもっと広い帯域で可能である。更にほとんどの技術では直線性と効率とはトレードオフの関係にある。無線送信機に用いる電力増幅器は、高い電力で動作しているときは、より効率的であるが直線性は低く、特に各電力増幅器のピーク電力定格付近での直線性は低い。上記の技術は、バッテリ寿命が長く重量が軽く、かつ、直線性も効率も高くなくてはならない移動通信には満足のいくものではない。
カーテシアンループ法には、同相成分と直交成分とを持つベースバンド入力信号に適用される負帰還が伴う。フィードバック信号は、ループの順方向経路に主に増幅器により持ち込まれた歪みの大きさであり、リアルタイムで入力信号から減算される。このフィードバック信号により、入力信号が、増幅器の出力で歪みを取り消すのに役立つ誤差信号によって、修正される。
安定したフィードバックシステムを得るために必要なのは、フィードバックループを閉じた際に、フィードバック直交信号を着信直交信号に対し約180度シフトすることである。この未知で可変の位相シフトはアンテナ負荷下でフィードバックループにより生成されるので、この条件は必ずしも満たされるとは限らない。着信信号とフィードバック直交信号の各位相は、通例、フィードバックループの補償位相回転の助けを借りて、要求される相対位相となる。フィードバックループにより生成される位相回転を決定するためによく使われる方法は、ループを開き、着信した同相信号及び直交信号(I/Q)とフィードバック直交信号とを測定することである。測定した値はアナログ‐デジタル変換され、位相誤差が計算される。その後、変換されたデジタル値により電圧制御位相回転器が制御され、カーテシアンループシステムでの位相シフトを適用することによって、フィードバックループに関する無線周波数(RF)遅延が打ち消される。
位相回転の精度を確保するために、既存のカーテシアンループ回路は、カーテシアンループにより持ち込まれた余計なノイズ及び歪みを取り除くためにノイズフィルタリングを供給する。しかし、直交位相のバランスを保つために直交位相生成回路が入力信号の高調波レベルの強力なフィルタリングを必要とするので、カーテシアンフィードバックループのバンドパスフィルタの設計が複雑になる恐れがある。なおまた、異なるチャネルは通例、各自異なる位相シフトと異なる最適の設定とを必要とするので、フィルタ設計は更に複雑になる。
入力信号の高調波レベルの適当な減衰を達成するには、このようなシステムに必要な広い比帯域を支持しながら、位相回転器のバンドパスフィルタのポールの数を従来通り多くするべきであるが、これに応じて、バンドパスフィルタは複雑になりコストも増える。
求められているものは、入力信号の高調波レベルを広い比帯域でフィルタリングするカーテシアンフィードバックループに一体化され、依然としてフィルタ設計の複雑さを抑えたバンドパスフィルタである。
本発明の模範的な各実施形態の以下の詳細な記述では、添付の図面について述べる。各図面は本明細書の一部を成しており、各図面で、実例として示されているのは本発明を実践しうる特定の模範的な実施形態であり、同じ番号が同一の又は同様な要素に対応している。
ここで各図を参照すると、特に図1に関して、好適な実施形態に係るカーテシアンフィードバック送信機を、一般に参照数字10により描写されている。送信機10は一般に、第1及び第2の情報信号経路即ち11及び12と、組み合わせ情報信号経路13と、第1及び第2のフィードバック経路即ち14及び15と、位相調節ユニット16とを備えている。
第1の情報信号経路11と第2の情報信号経路12とは、本実施形態では同一である。この2つの情報信号経路が異なるのは、第1の経路11が同相のベースバンド情報入力信号17を受信するのに対し、第2の経路12が直交位相のベースバンド情報入力信号を受信することだけである。従って、第1の経路11のみを詳細に記載する。
第1の情報経路11は自身の入力17を差分加算器19に結合する。この差分加算器19への入力の残っている方は第1のフィードバック経路14に結合している。加算器の出力は可変利得ベースバンド増幅器21に結合しており、可変利得ベースバンド増幅器21はローパスフィルタ22を介して加算器23に結合している。可変利得ベースバンド増幅器21は、情報経路11の利得制御を利得制御信号43により供給する。この加算器23への入力の残っている方は入力17に結合しており、よって開ループ動作が支持される。加算器23の出力はもう1つの増幅段24を通過してミキサ26へと向かい、ミキサ26は着信ベースバンド信号をアップコンバートして、選ばれた所定のキャリア周波数にする。ミキサ26への注入信号は、局部発振器(LO)27により変調されたものが直交位相生成器28により供給され、第2の情報経路12が受信する注入信号は、直交位相生成器28により位相を90度シフトされた信号である。[0014] 情報経路11も情報経路12も出力は加算器29の入力に結合しており、この入力は組み合わせ情報信号経路13への入力に相当する。加算器29の出力は励振器31の入力に結合しており、それから電力増幅器(PA)32を介して適切な出力要素33へと結合している。
PA32の出力に応答するカプラ34が、第1及び第2のフィードバック経路即ち14及び15の両方にフィードバック信号を供給する。PAの出力から得られるアップコンバートされた信号は、まず、適切なRFフィードバックダウンコンバータ36及び37を介してダウンコンバートされ、次に、前述のように第1及び第2の情報信号経路の各差分加算器19の負の入力へと供給される。RFフィードバックダウンコンバータ36及び37へのダウンコンバージョン注入信号群は、位相シフトユニット16の適切な位相シフトに従って、直交位相生成器38により直交位相で供給される。
位相シフトユニット16は比較器39及び44を備えており、比較器39及び44は、2つの入力即ち17と18との間の位相差及び2つのフィードバック経路即ち14と15との間の位相差を検出し、任意の差分情報を制御装置41に供給する。そして制御装置41は次に位相回転器42を制御し、位相回転器42は直交位相生成器28と直交位相生成器38との間に結合しており、直交位相生成器28から受信した直交信号に位相シフトを施し、信号はその後で直交位相生成器38の入力に用いられ、直交位相生成器38は、無線周波数(RF)フィードバックダウンコンバータ36及び37への注入入力を生成する。[0017] ここで図2を参照すると、本発明の好適な実施形態に係る、位相回転器42、直交位相生成器38、RFフィードバックダウンコンバータ36及び37、局部発振器30の、更に詳細なブロック図が示されている。局部発振器30は、アップミキサ群26及び位相回転器42への注入信号として用いられる局部発振(LO)信号を生成する。VCO27への入力90の粗調整ビットが設定したシステム動作周波数を4倍(4×)した発振信号がVCO27により生成される。粗調整ビットは、送信機10の出力を要素33で送信するための所望の中心周波数を指定する4ビットの値に相当する。VCO発振信号はVCO27による出力であり、増幅段91により増幅され、直交位相生成器28で受信され、直交位相生成器28は4で除算する直交位相生成器であり、VCO発振信号の周波数の4分の1(1/4)の直交成分(I/Q)を生成する。もちろん、VCO27を対応する周波数に同調させることにより、局部発振器30の動作周波数を任意の所望の周波数に設定できる。一例として、VCO27が4ギガヘルツ(4GHz)の発振信号を生成すると、この発振信号は直交位相生成器28により除算され1ギガヘルツ(1GHz)の直交位相LO信号(I/Q)になる。直交位相生成器28はコサインシンセサイザ信号(コサインLO)とサインシンセサイザ信号(サインLO)とを生成し、各信号は、増幅器段92、93のそれぞれにバッファされ、その後ミキサ60、62のそれぞれに結合される。直交位相生成器28は更に、増幅器段94及び95を介してコサインLO及びサインLOを各アップミキサ26に出力する。
直交位相変調器50が、制御回路41の参照機能によりコサイン位相回転値51とサイン位相回転値53とを受信する。コサイン値51、サイン値53は、デジタル‐アナログ変換器(DAC)52、54のそれぞれに結合され、そしてDAC52、54は次に、バッファ56、58を介してミキサ60、62のそれぞれに結合されている。ミキサ60、62は、着信位相回転値51、53をアップコンバートして、局部発振器30により供給された注入信号のコサインLO、サインLOに応じて、選ばれた所定のキャリア周波数に対して45度の角度をつける。
直交位相になったコサイン及びサインの各LO信号は、ミキサ60、62でコサインの参照信号即ち51、サインの参照信号53と混合され、ミキサ60、62の各出力は、バッファ61、63のそれぞれでの増幅に続いて加算器66で合計される。加算器66は、バッファ61からの入力を負の値として、バッファ63からの入力を正の値として合計し、直交位相変調器50の差分出力67を生成する。直交位相変調器50からの差分出力67はバッファ68に結合され、バッファ68は差分接続70の一対のRF差分出力を生成し、差分接続70は更に、接続72の位相回転器42の出力としてバッファ77により増幅される。
性能を最良のものにするには、位相回転器42は、RFフィードバックダウンコンバータ36、37への入力の際の多相直交位相生成器38への注入に先立ち、直交位相生成器28により生成された高調波を排除する必要がある。並列接続のLCバンドパスフィルタ80及び82を包含することにより、4極バンドパスフィルタの機能がフィードバックLO経路に完全に一体化される。ある好適な実施形態ではBPF80及び82が位相回転器42に一体化されて示されるが、他の実施形態では、各バンドパスフィルタが位相回転器の外部に一体化されていたり、個別の構成要素としてダウンコンバージョンミキサへの注入信号と並列に接続されていたりする。
位相回転器42には、差分接続70及び72のそれぞれと並列に結合された同調可能なバンドパスフィルタ(BPF)80と82のセットがあり、本発明の好適な実施形態に係る一体化された同調可能な4極BPFを形成する。ある好適な実施形態ではBPFが2つ即ち80と82とが示されているが、本発明はこのような構成に限定されず、単一のBPFで実施されたり任意の数のBPFで実施されたりする。好適な実施形態に従い、BPF80及び82は、容量の値に同調可能な並列のLCフィルタであり、最適化された4極フィルタリング機能をフィードバックLO経路の出力周波数の中心の帯域に亘り供給する。
バンドパスフィルタ80、82の各々は、入力78での可変電圧制御により完全に同調可能な2極バンドパスフィルタであり、VCO27の動作周波数の設定に用いる粗調整ビットを受信する。例えば、VCO27が自身のコース調整ビットを1GHzに設定すると、結果として生じた4GHzのVCO出力信号は直交位相生成器28により4で除算され、1GHzを中心とするコサインLO及びサインLOとして出力される。それに応じて、可変電圧制御により、バンドパスフィルタ80及び82が直交位相変調器50の出力周波数を中心とするバンドパスに設定される。以上の例では、可変電圧制御の入力78によりBPF80、82の中心周波数が1GHzに設定される。
ここで図3を参照すると、本発明の好適な実施形態に係る、BPF80及び82とバッファ68及び77の更に詳細なブロック図が示されている。バッファ68が、接続70に関する一対のRF差分である75と76に対し直交位相生成器50からの入力を増幅する。増幅された信号は、並列に接続されたBPF80によりフィルタリングされてバッファ77に受信され、そしてバッファ77は次に差分出力の直交信号を接続72に対し更に増幅する。直交信号は更に、位相回転器42の出力に並列に接続されたBPF82によりフィルタリングされる。バンドパスフィルタ80及び82は全く同様に設計されるので、これよりバンドパスフィルタ80のみを詳細に記載する。
バンドパスフィルタ80内にはインダクタである84及び86があり、それぞれの第1の端部で電源電圧(Vcc)に結合されている。インダクタ84は更に自身の第2の端部で接続70の第1の差分出力75に結合され、インダクタ86は自身の第2の端部で接続70の第2の差分出力76に結合されている。共振タンク回路88が、接続75と接続76との間に結合されており、電圧可変コンデンサ(VVC)、バラクタ、その他の可変リアクタンス素子などの、可変の反応段を用いている。共振タンク回路88には2進加重済みの粗調整ビットを制御入力78で受信する能力があり、制御入力78は、ある好適な実施形態では、VVCビット(VVC1、VVC2、VVC3、VVC4)と明記されている4つの入力ビットから成っている。VVCビット群は、共振タンク回路88内の別個のコンデンサ対に入力される。対応するVVCビットは、共振タンク回路88内の対応するコンデンサ対を使用可能又は使用不可にする。VVC1〜4の設定の組み合わせが、コンデンサ対を使用可能又は使用不可にすることによってBPF82のリアクタンスを定義し、それによって共振タンク回路88の応答を確立する。共振タンク回路88は粗調整ビット群のフォーマットと一致するよう設計され、これによって、共振タンク回路88がVVC1〜VVC4の選択された送信機周波数により対応する静電容量に対し設定され、そして共振タンク回路88は次にBPF80の中心周波数を所望の送信機周波数に同調させる。共振タンク回路88には容量性素子が4つ示されているが、所望のバンドパスフィルタリング機能を成し遂げるのに利用するのが、これより少数又は多数のVVCビットに制御されるこれより少数又は多数容量性素子でもよい。
注目すべきは、ある好適な実施形態ではVVCが利用されているが、コンデンサ及び誘導コイルの一方又は両方を変えることにより、BPF80の可変の反応段を同調することもできることである。しかし、集積化の利点から可変電圧コンデンサ構造を用いることが好ましい。更に、VCOをコース同調させるために、既に存在する適切な電圧信号を単純に適用することで、VVCをもっと容易に同調できる。更に、好適な実施形態をカーテシアンフィードバック電力増幅器内で具体化して記載したが、当然のことながら、本発明は、線形電力増幅器からのフィードバック信号の位相回転を制御することが望ましい場合、例えばポーラ変調の場合などに、他の送信機アーキテクチャにも適用される。 本発明を詳細に示し好適な実施形態を参照して記載したが、当業者には分かるように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形式及び詳細の種々の変更を行いうる。記載した実施形態に対し、あらゆる変形、修正、付加、改善が、可能であり、かつ、以下の請求項で詳述のように本発明の範囲内にある。
一般に、好適な実施形態に係るカーテシアンフィードバック送信機を描写する図。 本発明の好適な実施形態に係る、カーテシアンフィードバック送信機の抜粋された構成要素群の更に詳細なブロック図。 本発明の好適な実施形態に係る、カーテシアンフィードバック送信機の位相回転器の抜粋された構成要素群の更に詳細なブロック図。

Claims (25)

  1. 局部発振器信号を受信して、変調された信号群を、RFダウンコンバータに結合された出力で出力する変調器であって、前記局部発振器信号の選択周波数は制御信号により設定される、前記変調器と、
    前記制御信号により設定された選択周波数に同調可能な可変リアクタンス回路を具備した、前記変調器出力に結合されたバンドパスフィルタと、を備えた、
    位相回転器。
  2. 前記可変リアクタンス回路が更に、
    共振素子と、複数の固定コンデンサを有する電圧可変コンデンサ(VVC)と、を備え、前記固定コンデンサがそれぞれ対応する容量値を有して、前記共振素子と共振するために静電結合を構成可能であり、
    前記VVCが、前記制御信号を含む複数の電圧信号により制御され、 前記複数の電圧信号のうち1つ以上を選択することにより、前記固定コンデンサ群のうちの1つ以上と前記変調器出力とが静電結合され、それによって、前記可変リアクタンス回路が前記選択周波数で共振するよう同調する、
    請求項1に記載の位相回転器。
  3. 前記バンドパスフィルタが更に前記制御信号に指定された選択周波数に同調可能なもう1つの可変リアクタンス回路を具備し、同回路が前記変調器の前記出力に対して並列に接続されている請求項1に記載の位相回転器。
  4. 前記可変リアクタンス回路が前記変調器の差分出力に対して並列に結合されている請求項1に記載の位相回転器。
  5. 前記制御信号が前記局部発振器信号の周波数の粗調整を設定する2進数である請求項1に記載の位相回転器。
  6. 前記変調器の出力に結合されて、前記可変リアクタンス回路に結合された無線周波数の差分信号群を生成する利得段を更に備えた請求項1に記載の位相回転器。
  7. 前記RFダウンコンバータがカーテシアンフィードバック電力増幅器のフィードバック経路内にある請求項1に記載の位相回転器。
  8. 前記可変リアクタンス回路が二極バンドパスフィルタである、請求項1に記載の位相回転器。
  9. 前記変調器が、前記局部発振器信号を受信して、同相信号と直交信号とを出力する直交位相変調器である請求項1に記載の位相回転器。
  10. 負帰還増幅器であって、
    第1の増幅器及びフィルタと、局部発振器信号を受信する第1のアップコンバージョンミキサと、を具備する第1の情報信号経路と、
    第2の増幅器及びフィルタと、第2のアップコンバージョンミキサとを具備する第2の情報信号経路と、
    前記第1の情報信号経路及び前記第2の情報信号経路に結合され、励振器、増幅器および出力を具備した、組み合わせ情報信号経路と、
    前記出力と前記第1の情報信号経路との間に結合された、第1のRFダウンコンバータを具備した第1のフィードバック信号経路と、
    前記出力と前記第2の情報信号経路との間に結合された、第2のRFダウンコンバータを具備した第2のフィードバック信号経路と、
    局部発振器信号の選択出力周波数を識別した、受信した制御信号に応じて局部発振器信号を生成する局部発振器と、
    少なくとも前記第1のRFダウンコンバータに結合された、位相回転信号を受信して位相回転された出力を生成する位相回転器と、
    前記位相回転器出力に結合された、制御信号を受信し、前記制御信号に指定された選択周波数に同調可能な可変リアクタンス回路を具備したバンドパスフィルタと、
    を備えた負帰還増幅器。
  11. 前記可変リアクタンス回路が更に、
    共振素子と、
    複数の固定コンデンサを有する電圧可変コンデンサ(VVC)と、を具備し、
    前記固定コンデンサがそれぞれ対応する容量値を有して、前記共振素子と共振するために静電結合を構成可能であり、前記VVCが複数の電圧信号により制御され、
    前記複数の電圧信号のうち1つ以上を選択することにより、前記固定コンデンサ群のうち1つ以上と前記位相回転器出力とが静電結合し、それによって、前記可変リアクタンス回路が前記選択周波数で共振するよう同調する、
    請求項10に記載の増幅器。
  12. 前記バンドパスフィルタが、前記制御信号に指定された選択周波数に同調可能なもう1つの可変リアクタンス回路を更に備え、同もう1つの可変リアクタンス回路が前記位相回転器の出力に対して並列に接続されている、請求項10に記載の増幅器。
  13. 前記可変リアクタンス回路が、前記位相回転器出力と結合された差分出力に対して並列に接続されている請求項10に記載の増幅器。
  14. 前記制御信号が、前記局部発振器の出力周波数の粗調整を設定する2進数である請求項10に記載の増幅器。
  15. 前記バンドパスフィルタに結合された直交位相変調器を更に備え、同直交位相変調器が同相信号と直交信号とを出力し、前記同相信号と直交信号とが前記バンドパスフィルタによりバンドパスフィルタリングされる請求項10に記載の増幅器。
  16. 前記位相回転器が更に利得段を具備し、前記利得段が、前記位相回転器出力を増幅し、前記可変リアクタンス回路に結合された無線周波数の差分信号群を出力する請求項10に記載の増幅器。
  17. 前記負帰還増幅器がカーテシアンフィードバック電力増幅器である請求項10に記載の増幅器。
  18. 前記可変リアクタンス回路が二極バンドパスフィルタである請求項10に記載の増幅器。
  19. バンドパスフィルタの中心周波数を制御する方法であって、
    制御信号を第1の入力で受信する工程と、
    変調された信号を第2の入力で受信する工程と、
    前記制御信号に応じて可変リアクタンス回路を選択周波数に同調させ、前記制御信号が、前記変調された信号を生成するために用いる局部発振器信号の選択周波数を指定する工程と、
    前記同調された可変リアクタンス回路を前記第2の入力に結合する工程と、
    前記同調された可変リアクタンス回路を用いて前記変調された信号をフィルタリングする工程と、
    からなる方法。
  20. 同調させる工程が更に、電圧可変コンデンサ(VVC)を前記選択周波数で共振するように構成する工程を含み、
    前記VVCが複数の固定コンデンサを有し、前記固定コンデンサがそれぞれ、対応する容量値を有し、共振素子と共振するために静電結合を構成可能であり、
    前記VVCが、前記制御信号を含む複数の電圧信号を受信することにより、前記複数の電圧信号のうち1つ以上を選択することで前記固定コンデンサ群のうち1つ以上と前記第2の入力とが静電結合するよう構成されている、 請求項19に記載の方法。
  21. 前記制御信号に指定された選択周波数にもう1つの可変リアクタンス回路を同調させる工程と、前記回路を前記第2の入力に対して並列に結合する工程と、を更に含む請求項19に記載の方法。
  22. 前記変調された信号変調器を増幅する工程と、前記可変リアクタンス回路に結合された無線周波数の差分信号群を生成する工程と、を更に含む請求項19に記載の方法。
  23. 前記フィルタリングされた変調された信号を用いて電力増幅を行う工程を更に含む請求項19に記載の方法。
  24. フィルタリングする前記工程が、四極バンドパスフィルタリングを行う工程を含む請求項19に記載の方法。
  25. 前記変調された信号を得るために直交変調を行う工程を更に含む請求項19に記載の方法。
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