JP2011019025A - Tdd方式送受信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】TDD方式送受信装置に関し、送信系の過出力信号の受信系回路への回り込みに対する保護をより確実・適確に行う。
【解決手段】電力増幅器6により電力増幅した送信信号を、サーキュレータ7を介してアンテナから送信し、かつ、該アンテナで受信された受信信号を、サーキュレータ7を介して受信系の低雑音増幅器14に入力する構成を有するTDD方式送受信装置において、電力増幅器6の出力電流又は出力電圧を監視し、該出力電流又は出力電圧が予め規定した過出力電流値又は過出力電圧値を超えたことを判定すると、サーキュレータ7と低雑音増幅器14との間に設けた受信スイッチ13を遮断し、送信系の高出力信号が受信系の低雑音増幅器14に回り込むことによって引き起こされる低雑音増幅器14の特性劣化又は破壊を防ぐ。
【選択図】図1

Description

本発明は、TDD方式送受信装置に関する。本発明は、例えば、移動無線通信基地局においてTDD(Time Division Duplex)方式を用いる無線装置等の送受信部に適用することができるTDD方式送受信装置に関する。
TDD方式は、周波数有効利用の観点で有用な無線通信方式の一つで、送信と受信とに共通の周波数帯域を使用し、一つの周波数帯域内で時分割により送信と受信とを切替える。WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)やLTE(Long Term Evolution)の一部でこの方式が採用されている。
TDD方式送受信装置は、同一の周波数帯域の送信系と受信系とを一つの送受信装置内に構築する必要があり、送信時における受信系への送信信号電力の回り込みや受信時における送信系雑音の受信系への回り込みを防止する等、TDD方式特有の技術上の課題を有する。
従来のTDD方式送受信装置の一例として、移動無線基地局(BS)の送受信部(TRX)の構成例を図9に示す。まず、送信系について説明すると、送信信号のデジタルIQ信号がベースバンド部(BB)1から出力され、該デジタルIQ信号は、デジタルアナログ変換部(DAC)2でアナログ信号に変換される。該アナログ信号は、直交変調部(QMOD)3で直交変調され、無線周波数帯信号として出力される。
該無線周波数帯信号は、前置増幅器(PreAMP)4で前置増幅され、送信出力増幅器(以下、電力増幅器(PA)という)6で高出力信号に増幅され、送受信信号結合部(以下、サーキュレータ(CIR)という)7に入力される。サーキュレータ(CIR)7の出力信号は、フロントエンド部(FE)8により不要波成分の除去等が施され、アンテナ(ANT)から送信波として出力される。
電力増幅器(PA)6の出力信号はカップリングされ、フィードバックコンバータ(FB−CONV)9により中間周波数帯に変換され、アナログデジタル変換部(ADC)10によりデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換されたフィードバック信号は、ベースバンド部(BB)1に戻され、デジタルプリディストータ(DPD)11の処理信号として用いられると同時に、送信出力レベルの値の導出に用いられる。
次に受信系について説明すると、アンテナ(ANT)から入力された信号は、フロントエンド部(FE)8により帯域外の不要波成分が除去された後、サーキュレータ(CIR)7で受信信号が送信信号と分離され、受信スイッチ(RX RFSW)13に入力される。この受信スイッチ(RX RFSW)13は、低雑音増幅器(LNA)14等の受信入力増幅器に送信信号の過出力レベルが回り込んで入力されるのを防ぐために設けられたスイッチである。
受信スイッチ(RX RFSW)13から出力される信号は、低雑音増幅器(LNA)14等の受信入力増幅器に入力され、低雑音増幅された後、受信コンバータ(RX−CONV)15へ入力される。受信信号は、受信コンバータ(RX−CONV)15により中間周波数帯に変換され、アナログデジタル変換部(ADC)16によりデジタル信号に変換され、ベースバンド部(BB)1へ入力され、復調処理が施される。
従来のTDD方式送受信装置では、ベースバンド部(BB)1内のアラーム判定部(ALM)12により過出力が検出されたとき、受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断し、送信系の回り込み信号が低雑音増幅器(LNA)14に入力されないようにする処理を施している。
また、従来のTDD方式の無線送受信装置として、アンテナなどからの送信信号の異常レベルの反射信号による低雑音増幅器への影響を防止する手段と、異常レベルの反射信号の発生を検出し、異常検出信号を生成する手段とを設け、送受信状態の異常を検出して無駄な動作をなくすようにしたTDD方式の無線送受信装置等が、例えば下記の特許文献1等によって知られている。
特開2008−147934号公報
従来のTDD方式送受信装置では、電力増幅器(PA)6の出力信号をカップリングにより抽出し、フィードバックコンバータ(FB−CONV)9及びアナログデジタル変換部(ADC)10を介してそのフィードバック信号をベースバンド部(BB)1に入力し、ベースバンド部(BB)1で送信出力レベルの値を導出する。
そして、送信出力レベルの値をアラーム判定部(ALM)12で判定して、過出力(異常な高出力)と判定された後、受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断していた。その結果、電力増幅器(PA)6から過出力レベルが出力された後、それがアラーム判定部(ALM)12で判定されて受信スイッチ(RX RFSW)13が遮断されるまでに、可成の時間が掛かり、その間、受信系の低雑音増幅器(LNA)14等の受信入力増幅器に高電力の信号が印加されていた。そのため、低雑音増幅器(LNA)14等の受信入力増幅器に高電力耐力性を有するものを使用しなければならなかった。
しかし、使用周波数の追加や低コスト化への対応に際して、必ずしも充分な高電力耐力性のデバイスが容易に入手可能であるとは限らず、また、低雑音増幅器(LNA)14の高電力耐力性が維持されている時間内に受信スイッチ(RX RFSW)13の遮断への切替えが完了せず、低雑音増幅器(LNA)14の破壊又は特性劣化が生ずる可能性があった。
また、送信系の回路の故障などにより想定外の周波数で発振が起きた場合、フィードバックコンバータ(FB−CONV)9の周波数特性により、或いはアナログデジタル変換部(ADC)10が動作可能な周波数レンジ外となることにより、送信系の出力レベルの検出が適正に行われなくなる。そのため、フロントエンド部(FE)8により外部に不要な電波を送出することは防げたとしても、受信系の回路に対する保護が不充分で、受信系の回路の故障を引き起こす恐れがあった。本発明は、送信系の過出力信号の受信系回路への回り込に対する保護がより確実・適確に行われるTDD方式送受信装置を提供する。
上記課題を解決するTDD方式送受信装置は、送信出力増幅器により電力増幅した送信信号を送受信信号結合部を介してアンテナから送信し、かつ、該アンテナで受信された受信信号を前記送受信信号結合部を介して受信系の受信入力増幅器に入力する構成を有するTDD方式送受信装置において、前記送信出力増幅器の出力電流又は出力電圧を監視し、該出力電流又は出力電圧が予め規定した過出力電流値又は過出力電圧値を超えたことを判定する過出力判定手段と、前記送受信信号結合部と前記受信入力増幅器との間に設けられ、前記過出力判定手段により前記送信出力増幅器の過出力が検出されたときに出力される信号により、前記受信信号を前記受信入力増幅器へ入力する信号路を遮断する受信スイッチと、を備えたものである。
また、前記送受信信号結合部と前記アンテナとの間に設けられたフロントエンド部における送信信号の出力電流又は出力電圧を監視し、該出力電流又は出力電圧が予め規定した過出力電流値又は過出力電圧値を超えたことを判定する過出力判定手段と、前記送受信信号結合部と前記受信入力増幅器との間に設けられ、前記過出力判定手段により前記送信出力増幅器の過出力が検出されたときに出力される信号により、前記受信信号を前記受信入力増幅器へ入力する信号路を遮断する受信スイッチと、を備えたものである。
また、前記送信出力増幅器の前段の前置増幅器の出力電流又は出力電圧を監視し、該出力電流又は出力電圧が予め規定した過出力電流値又は過出力電圧値を超えたことを判定する過出力判定手段と、前記送受信信号結合部と前記受信入力増幅器との間に設けられ、前記過出力判定手段により前記送信出力増幅器の過出力が検出されたときに出力される信号により、前記受信信号を前記低雑音増幅器へ入力する信号路を遮断する受信スイッチと、を備えたものである。
TDD方式送受信装置において、送信系から過出力レベルの送信信号が出力されたとき、短時間で送信系の過出力を検出し、送信系の過出力信号の受信系回路への回り込みに対する受信系回路の保護を敏速にかつ確実・適確に行うことができ、受信系回路の破壊又は特性劣化を防ぐことができる。
TDD方式送受信装置の過出力保護機能の説明図を示す図である。 電力増幅器のFETのドレイン電流の監視による過出力保護機能の説明図を示す図である。 電力増幅器のドレイン電流を監視による過出力保護の処理フローを示す図である。 電力増幅器の出力電力の監視による過出力保護機能の説明図を示す図である。 電力増幅器の出力電力の監視による過出力保護機能の処理フローを示す図である。 前置増幅器の出力電力の監視による過出力保護機能の構成例を示す図である。 前置増幅器の出力電力の監視による過出力保護の処理フローを示す図である。 低雑音増幅器の診断機能の説明図である。 従来のTDD方式送受信装置の構成例を示す図である。
図1にこのTDD方式送受信装置の過出力保護機能の説明図を示す。該過出力保護機能は第1の手段(1)として、送信出力増幅器(以下、電力増幅器(PA)という)6に用いられる増幅素子(例えば、FET:Field Effect Transistor)の出力電流(例えばドレイン電流)又は出力電圧を監視し、該出力電流又は出力電圧が該増幅素子の規定最大電流値又は規定最大電圧値に達した場合、電力増幅器(PA)6が過大出力状態であると判断し、受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断する構成を備える。この構成により、通常動作時の周波数帯だけでなく、回路故障による発振等で想定外の周波数の送信出力信号が発生した場合でも過出力検出が可能となり、それに伴う受信系への大電力信号の回り込みを短時間で抑制することができる。
また、電力増幅器(PA)6の過出力警報(Over Power Alarm)により、受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断する構成を備えることができる。この構成により、ベースバンド部(BB)1の信号処理に異常を来たした場合でも、過出力検出が可能となり、それに伴う受信系への大電力の回り込みを短時間で抑制することができる。
また、第2の手段(2)として、前置増幅器(PreAMP)4の出力側に設けた検波部で前置増幅器(PreAMP)4の出力電力をモニタし、該出力電力が規定値以上となり、過出力となったとき、前置増幅器(PreAMP)4の出力側に設けた送信スイッチ(TX RFSW)5と受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断する構成を備える。
この構成により、前置増幅器(PreAMP)4及びベースバンド部(BB)1の信号処理に異常を来たした場合に過出力検出が可能となり、送信スイッチ(TX RFSW)5を遮断することにより、電力増幅器(PA)6への過大信号の入力を防ぎ、また、受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断することにより、それに伴う受信系への大電力の回り込みを短時間で抑制することができる。
また、第3の手段(3)として、受信系に設けられる受信入力増幅器(以下、低雑音増幅器(LNA)という)14に用いられる増幅素子(例えばFET)のゲートバイアス電圧を、送信と受信の切替えタイミングに合わせて切替え、そのときの出力電流又は出力電圧(例えばドレイン電流又は電圧)の変化を確認する構成を備える。この構成により、受信系に大電力信号が回り込んでしまった場合でも、受信系の低雑音増幅器(LNA)14動作の正常性を逐次確認し、動作不良を監視することができる。
図2に、電力増幅器(PA)6のFETのドレイン電流の監視による過出力保護機能の説明図を示す。電力増幅器(PA)6のFETのドレイン電流の監視手段として、給電部(PS:Power Supply)20に、過出力制限値(Overload Limit)が設定されている。なお、以下の説明において、出力電流と出力電圧とに格別な差異は無いため、主に出力電流について説明するが、出力電圧についても同様に適用することができる。
該過出力制限値は、電力増幅器(PA)6のFETのドレイン電流の通常動作時の最大電流(Maximum Current)の例えば1.05倍に設定され、該過出力制限値を越えるドレイン電流が流れたとき、過出力警報(Over Power Alarm)を発し、送信信号の送出を停止させる。
このTDD方式送受信装置の過出力保護機能は、上述の過出力制限値より低い値として、電力増幅器(PA)6のFETの出力信号が過出力と想定される過出力電流値を規定する。そして、この過出力電流値への到達を契機として受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断する。この過出力電流値として、電力増幅器(PA)6のFETのドレイン電流の通常動作時の最大電流(Maximum Current)値とすることができる。
電力増幅器(PA)6のFETの出力電流の変化を監視することにより、前置増幅器(PreAMP)4又は電力増幅器(PA)6の異常発振等によって帯域外の過大信号が出力されても過出力電流として検出され、直ちに過出力を検出することができる。
図3に電力増幅器(PA)6のドレイン電流を監視による過出力保護の処理フローを示す。給電部(PS)において、過出力電流値として設定した通常動作時の最大電流(Maximum Current)の上限設定値を超えたことを検出すると(3−1)、受信スイッチ(RX RFSW)13の遮断(OFF)信号を生成する(3−2)。該遮断(OFF)信号を受信スイッチ(RX RFSW)13に送出し、受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断(OFF)し、過出力信号の受信系への回り込みを防止する(3−3)。
図4に、電力増幅器(PA)6の出力電力の監視による過出力保護機能の説明図を示す。従来例では、過出力検出の機能をベースバンド部(BB)1のデジタルプリディストータ(DPD)11に搭載していたが、過出力検出の機能をベースバンド部(BB)1とは別の回路構成とし、ベースバンド部(BB)1と独立した例えばフロントエンド部(FE)8の出力側に検波部(DET)41及び過出力判定部42を設ける。
フロントエンド部(FE)8から出力される送信信号の過出力を、検波部(DET)41及び過出力判定部42により検出及び判定する。そして、過出力判定部42から受信スイッチ(RX RFSW)13の制御信号を供給し、過出力時に受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断状態に切替える。この構成により、ベースバンド部(BB)1が誤動作した場合でも、受信系に対する保護動作が確実に行われる。
図5に電力増幅器(PA)6の出力電力の監視による過出力保護機能の処理フローを示す。検波部(DET)41によりフロントエンド部(FE)8の出力電力を検出する(5−1)。検波部(DET)41の出力電力検出結果を基に、過出力判定部42により過出力を判定し、過出力時に受信スイッチ(RX RFSW)13の遮断(OFF)信号を生成する(5−2)。該遮断(OFF)信号を受信スイッチ(RX RFSW)13に送出して受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断(OFF)し、過出力信号の受信系への回り込みを防止する(5−3)。
図6に、前置増幅器(PreAMP)4の出力電力の監視による過出力保護機能の構成例を示す。前置増幅器(PreAMP)4の出力側に検波部(DET)61を設け、該検波部(DET)61により前置増幅器(PreAMP)4の出力電力をモニタする。
該検波部(DET)61により検出される出力電力を過出力判定部(COMP)62により所定の閾値と比較し、該出力電力が該閾値を超えて過出力と判定されたとき、前置増幅器(PreAMP)4の出力側に設けた送信スイッチ(TX RFSW)5を遮断する制御信号を送出し、送信スイッチ(TX RFSW)5により前置増幅器(PreAMP)4以降の出力信号の送出を遮断する。
図6の実施例は送信系の中間段の回路における過出力によるものであり、最終段の電力増幅器(PA)6の故障による出力遮断と区別するために、ベースバンド部(BB)1に対して、前置増幅器(PreAMP)4での過出力発生による出力遮断を示す信号を送出する。またこの信号を、受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断する遮断信号として利用することができる。
図7に前置増幅器(PreAMP)4の出力電力の監視による過出力保護の処理フローを示す。検波部(DET)61において前置増幅器(PreAMP)4の出力電力を検出する(7−1)。過出力判定部(COMP)62で検波部(DET)61による出力電力検出結果を基に過出力を判定し、過出力時に送信スイッチ(TX RFSW)5の遮断(OFF)信号を生成する(7−2)。
遮断(OFF)信号の送出により送信スイッチ(TX RFSW)5を遮断(OFF)し、電力増幅器(PA)6への入力信号を遮断する(7−3)。それと同時にベースバンド部(BB)1へ前置増幅器(PreAMP)4での過出力を示す信号を通知し、かつ受信スイッチ(RX RFSW)13を遮断(OFF)して、過出力信号の受信系への回り込み防止する(7−4)。
次に低雑音増幅器(LNA)14を診断する機能について図8を参照して説明する。低雑音増幅器(LNA)14の増幅素子のゲート電圧のバイアスを、TDD方式における送信と受信の切替えタイミングに合わせて切替え、そのときの増幅素子の出力あるドレイン電流又は電圧の変化を監視する。
即ち、TDD方式における送信と受信の切替えを制御するTDD切替制御部(TDDSW CONT)81の切替制御信号を、アナログスイッチ82に入力し、該切替制御信号により、アナログスイッチ82から出力する低雑音増幅器(LNA)14のゲート電圧のバイアスを切替える。
アナログスイッチ82には、異なるゲートバイアス電圧、例えば、低雑音増幅器(LNA)14の通常動作時のゲートバイアス電圧(On bias)83と、低雑音増幅器(LNA)14を不動作とするゲートバイアス電圧(Off bias)84とを入力し、アナログスイッチ82は、上記切替制御信号によりその何れか一方のゲートバイアス電圧を、低雑音増幅器(LNA)14のゲートに印加する。そして、低雑音増幅器(LNA)14の出力電圧であるドレイン電圧を、オペアンプ85等を用いた増幅素子出力監視手段により監視する。
図9の(a)に示すように、時分割複信(TDD)の切替えタイミングに同期して、低雑音増幅器(LNA)14のドレイン電圧が変化していれば、低雑音増幅器(LNA)14の動作は正常であると判定する。一方、図9の(b)に示すように、時分割複信(TDD)の切替えタイミングに同期した変化が得られない場合は、低雑音増幅器(LNA)14の動作不良と判定する。これにより、受信系に何らかの不具合が生じたとき、低雑音増幅器(LNA)14の故障を検出することが可能となる。
なお、図9の(a)及び(b)において、TDSWはTDD方式における送信と受信の切替えを制御する切替制御信号の波形を示し、OPAMP出力は低雑音増幅器(LNA)14の出力を監視するオペアンプ85の出力信号を示している。
1 ベースバンド部
2 デジタルアナログ変換部
3 直交変調部
4 前置増幅器
5 送信スイッチ
6 送信出力増幅器(電力増幅器)
7 送受信信号結合部(サーキュレータ)
8 フロントエンド部
9 フィードバックコンバータ
10 アナログデジタル変換部
11 デジタルプリディストータ
13 受信スイッチ
14 低雑音増幅器
15 受信コンバータ
16 アナログデジタル変換部

Claims (5)

  1. 送信出力増幅器により電力増幅した送信信号を送受信信号結合部を介してアンテナから送信し、かつ、該アンテナで受信された受信信号を前記送受信信号結合部を介して受信系の受信入力増幅器に入力する構成を有するTDD方式送受信装置において、
    前記送信出力増幅器の出力電流又は出力電圧を監視し、該出力電流又は出力電圧が予め規定した過出力電流値又は過出力電圧値を超えたことを判定する過出力判定手段と、
    前記送受信信号結合部と前記受信入力増幅器との間に設けられ、前記過出力判定手段により前記送信出力増幅器の過出力が検出されたときに出力される信号により、前記受信信号を前記受信入力増幅器へ入力する信号路を遮断する受信スイッチと、
    を備えたことを特徴とするTDD方式送受信装置。
  2. 送信出力増幅器により電力増幅した送信信号を送受信信号結合部を介してアンテナから送信し、かつ、該アンテナで受信された受信信号を前記送受信信号結合部を介して受信系の受信入力増幅器に入力する構成を有するTDD方式送受信装置において、
    前記送受信信号結合部と前記アンテナとの間に設けられたフロントエンド部における送信信号の出力電流又は出力電圧を監視し、該出力電流又は出力電圧が予め規定した過出力電流値又は過出力電圧値を超えたことを判定する過出力判定手段と、
    前記送受信信号結合部と前記受信入力増幅器との間に設けられ、前記過出力判定手段により前記送信出力増幅器の過出力が検出されたときに出力される信号により、前記受信信号を前記受信入力増幅器へ入力する信号路を遮断する受信スイッチと、
    を備えたことを特徴とするTDD方式送受信装置。
  3. 送信出力増幅器により電力増幅した送信信号を送受信信号結合部を介してアンテナから送信し、かつ、該アンテナで受信された受信信号を前記送受信信号結合部を介して受信系の受信入力増幅器に入力する構成を有するTDD方式送受信装置において、
    前記送信出力増幅器の前段の前置増幅器の出力電流又は出力電圧を監視し、該出力電流又は出力電圧が予め規定した過出力電流値又は過出力電圧値を超えたことを判定する過出力判定手段と、
    前記送受信信号結合部と前記受信入力増幅器との間に設けられ、前記過出力判定手段により前記送信出力増幅器の過出力が検出されたときに出力される信号により、前記受信信号を前記受信入力増幅器へ入力する信号路を遮断する受信スイッチと、
    を備えたことを特徴とするTDD方式送受信装置。
  4. 前記前置増幅器と前記送信出力増幅器との間に設けられ、前記過出力判定手段により前記送信出力増幅器の過出力が検出されたときに出力される信号により、前記前置増幅器の出力信号を前記送信出力増幅器へ入力する信号路を遮断する送信スイッチと、
    を備えたことを特徴とする請求項3に記載のTDD方式送受信装置。
  5. 前記受信入力増幅器に用いられる増幅素子のゲートバイアス電圧を、送信と受信の切替えタイミングにて合わせて異なる電圧に切替えるバイアス切替え手段と、
    前記増幅素子の出力電流又は出力電圧の変化を監視し、前記ゲートバイアス電圧の切替えタイミングに同期して前記増幅素子の出力電流又は出力電圧が変化しているか否かを判定する増幅素子出力監視手段と
    を備えたことを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のTDD方式送受信装置。
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