JP2011044809A - 無線送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率の維持と歪の抑圧の両立を図った無線送信装置を提供すること。
【解決手段】高周波信号から振幅信号および位相信号を抽出し、位相信号を増幅する高周波電力増幅器のバイアスを振幅信号で制御するＥＥＲ型の増幅系統を備える無線送信装置にあって、高周波電力増幅器８を飽和領域で動作させる。また、高周波電力増幅器８に入力される位相信号の振幅を可変減衰器７により制御する。その際、バイアス制御による位相シフトと、飽和領域動作による位相シフトとが相殺すべく、バイアスおよび可変減衰器７の減衰量を制御する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、例えば直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：ＯＦＤＭ）方式の無線送信装置に関する。

無線通信設備のなかでは、無線送信装置に備わる高周波電力増幅器において多くの電力が消費される。電力効率を向上させ消費電力を抑えるために、ＥＥＲ（Envelope Elimination and Restoration）と称する技術が用いられる。（例えば特許文献１を参照）。
ＥＥＲを適用した無線送信装置では、送信信号は振幅信号と位相信号とに分離して処理される。そして位相信号の信号を非線形増幅器で増幅し、この増幅器のバイアス電圧（電源電圧）を振幅信号の信号で制御することで、送信信号の振幅と位相を再構築する。このような構成により高効率化を実現している。
しかしながら非線形増幅器のバイアス電圧が変わると、増幅器の入出力間の位相が変化する。バイアス電圧の変化はすなわち高周波出力信号の振幅の変化であるので振幅−位相特性が変化することになり、出力信号に歪みを生じることになる。

特開２００６−１４８７８１号公報

以上述べたように、高周波電力増幅器のバイアス電圧を制御する方式の増幅器を備える無線送信装置では、増幅器のバイアス電圧（ドレイン電圧、または、コレクタ電圧）を変化させると入出力間の位相が変化する。よって高周波電力増幅器の振幅−位相特性が変化し、歪劣化が生じる。これを防ぐために、位相器を使用して高周波電力増幅器の入出力間の位相変化を補正する技術が知られているが、位相変調信号は帯域が広いので広帯域の位相器が必要となりコストがアップする。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、高効率の維持と歪の抑圧の両立を図った無線送信装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、入力信号を分岐する分岐部と、前記分岐された一方の入力信号の振幅を制限して当該入力信号の位相信号を抽出するリミッタと、前記分岐された他方の入力信号を検波して当該入力信号の振幅信号を出力する検波器と、前記振幅信号の強度に応じたバイアス電圧を生成するバイアス生成部と、前記バイアス電圧により駆動され前記位相信号を増幅する電力増幅器と、この電力増幅器に入力される位相信号のレベルを当該電力増幅器の飽和領域において調整するレベル調整部と、前記電力増幅器のバイアス電圧の変動による位相シフトと前記飽和領域における入力レベルの変化による位相シフトとを相殺すべく、前記バイアス電圧と前記前記レベル調整部のレベル調整量とを制御する制御手段とを具備することを特徴とする無線送信装置が提供される。

このような手段を講じることにより、ＥＥＲ方式の電力増幅器においてそのバイアス電圧の変動により生じる位相シフトが、電力増幅器を飽和領域で動作させることで生じる位相シフトにより相殺される。従って電力増幅器の入出力間での位相差を一定に保つことが可能になり、位相シフトによる歪の発生を防止することが可能になる。

この発明によれば、高効率の維持と歪の抑圧の両立を図った無線送信装置を提供することができる。

ＥＥＲを適用した無線送信装置の一例を示す機能ブロック図。 この発明に係わる無線送信装置の第１の実施形態を示す機能ブロック図。 高周波電力増幅器の特性の一例を示す図。 図２のバイアス制御部４の一例を示す機能ブロック図。 図２のバイアス制御部４の他の例を示す機能ブロック図。 図２のバイアス制御部４の他の例を示す機能ブロック図。 この発明に係わる無線送信装置の第２の実施形態を示す機能ブロック図。 この発明に係わる無線送信装置の第３の実施形態を示す機能ブロック図。 振幅制御部２５の制御方式の一例を示す図。 振幅制御部２５の制御方式の他の例を示す図。 この発明に係わる無線送信装置の第４の実施形態を示す機能ブロック図。 この発明に係わる無線送信装置の第５の実施形態を示す機能ブロック図。 この発明に係わる無線送信装置の第６の実施形態を示す機能ブロック図。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態につき説明するが、まず、図１を参照してＥＥＲにつき更に説明する。図１はＥＥＲを適用した無線送信装置の一例を示す機能ブロック図である。図１において、信号入力端子１から与えられる高周波信号はハイブリッド回路２において２系統に分離され、一方は振幅検波器３により振幅信号が抽出されてバイアス制御部２９に与えられる。他方はリミッタ５で位相信号のみが抽出され、遅延部６で遅延されたのち非線形の高周波電力増幅器８に与えられる。高周波電力増幅器８のバイアス電圧（電源電圧）は振幅検波器３で抽出された入力信号の振幅信号により制御される。これにより送信信号の振幅と位相とが再構築され、増幅された高周波信号が信号出力端子９から出力される。

上記構成によれば高周波信号を高効率で増幅することが可能となる。しかしながら高周波電力増幅器８のバイアス電圧が定常的に変動するので、高周波電力増幅器８の特性から入出力間の位相が変動する。また、位相信号を処理するリミッタ５、遅延部６および高周波電力増幅器８を広帯域化する必要があり、コストの上昇などがもたらされる。以下ではこのような弊害を解決可能な実施形態につき開示する。

［第１の実施形態］
図２はこの発明に係わる無線送信装置の第１の実施形態を示す機能ブロック図である。図２において図１と同じ部分には同じ符合を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。すなわち図２の無線送信装置は、図１の遅延部６と高周波電力増幅器８との間に可変減衰器（レベル調整部）７を備える。

図２の高周波電力増幅器８は飽和領域で駆動され、そのバイアス電圧（ドレイン電圧または、コレクタ電圧）は、高周波信号の振幅信号により制御される。これによりＥＥＲ方式のもとで高周波電力増幅器の効率を向上させることができる。

図３は、高周波電力増幅器の特性の一例を示す図である。図３（ａ）に示すように高周波電力増幅器は一般に、入力レベルが飽和領域に達した状態で駆動すると入出力間の位相が変化するという特性を持つ。また、図３（ｂ）に示すように、高周波電力増幅器のバイアス電圧が変化すると入出力間の位相特性が変化する。なお図３（ｃ）については後述する。

この実施形態では、図３（ａ）の特性と図３（ｂ）の特性とが互いに相殺するように可変減衰器７を動作させ、高周波電力増幅器８の飽和領域における入力レベルを調整することで、バイアス変動による位相変化を補正するようにする。

図４は、図２のバイアス制御部４の一例を示す機能ブロック図である。図２の振幅検波器３からの振幅信号は、変換部１０，１１に入力される。変換部１０は近似式としての関数ｆ（ｘ）を用いて上記振幅信号をバイアス電圧の制御信号に変換する。この制御信号は可変出力電源３７に与えられてバイアス電圧が生成される。一方、変換部１１は関数ｇ（ｘ）を用いて上記振幅信号を可変減衰器７の制御信号に変換する。ここで、ｆ（ｘ）およびｇ（ｘ）は、入力される振幅信号に対して高周波電力増幅器８の入出力間の位相を一定に保つ関係をもつ関数とする。このような特性を持つ関数ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）は、演算増幅器などで容易に実現可能である。

図５は、図２のバイアス制御部４の他の例を示す機能ブロック図である。振幅検波器３からの振幅信号をアナログ／ディジタル変換器１２でディジタルデータに変換し、このディジタルデータに基づいてルックアップテーブル（ＬＵＴ）（データテーブル）１３，１４にアクセスし、各テーブルに記憶されるデータを取り出す。それぞれ取り出されたデータはディジタル／アナログ変換器１５，１６でそれぞれアナログ値に変換されて可変出力電源３７および可変減衰器７に与えられる。

ＬＵＴ１３には、振幅信号に対するバイアス電圧のデータが予め格納される。ＬＵＴ１４には、振幅信号に対して高周波電力増幅器８の入出力間の位相を一定に保つ関係をもつデータが予め格納される。このように図４の機能をディジタル的に実現することも可能である。

図６は、図２のバイアス制御部４の他の例を示す機能ブロック図である。図６のバイアス制御部４は図５のＬＵＴ１３，１４に代えて、演算器１７，１８を設けたものである。演算器１７はディジタルデータ化された振幅信号を演算処理してバイアス電圧に変換し、演算器１８はディジタルデータ化された振幅信号を演算処理して可変減衰器７の制御信号に変換する。ここでいう演算処理とは加減乗除に加え、初等超関数などの演算をも含むものである。演算器１と演算器２は、高周波電力増幅器８の入出力の位相が一定となるように関連づけられる。このように、ルックアップテーブルに代えて演算処理をディジタル的に実施することによっても図４の機能を実現することが可能である。

以上述べたようにこの実施形態では、高周波信号から振幅信号および位相信号を抽出し、位相信号を増幅する高周波電力増幅器のバイアスを振幅信号で制御するＥＥＲ型の増幅系統を備える無線送信装置にあって、高周波電力増幅器８を飽和領域で動作させる。また、高周波電力増幅器８に入力される位相信号の振幅を可変減衰器７により制御する。その際、バイアス制御による位相シフトと、飽和領域動作による位相シフトとを相殺させるべく、バイアスおよび可変減衰器７の減衰量を制御するようにした。

このようにしたので、飽和領域にある入力に対しては入出力間の位相が変化するという、高周波電力増幅器の特性を利用して、この飽和領域において入力レベルを変化させることによりバイアス電圧による位相シフト分を補正することができる。従ってＥＥＲ方式による高効率の維持と、歪の抑圧とを両立させることが可能になる。

［第２の実施形態］
図７はこの発明に係わる無線送信装置の第２の実施形態を示す機能ブロック図である。図７において図２と同じ部分には同じ符合を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。すなわち図７の無線送信装置は、図２の可変減衰器７に代えて可変利得増幅器（レベル調整部）１９を備えるものとなっている。

可変利得増幅器１９によっても可変減衰器７と同様に、高周波電力増幅器８への入力レベルを制御することが可能である。よって可変利得増幅器１９の利得を制御するとともに高周波電力増幅器８へのバイアスを制御すれば、バイアス制御による位相シフトと、飽和領域動作による位相シフトとを相殺させ、高周波電力増幅器８の入出力間の位相を一定にすることが可能となる。従って第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。

［第３の実施形態］
図８はこの発明に係わる無線送信装置の第３の実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態では増幅すべき入力信号がディジタル波形を持つケースを想定し、入力信号の利得および位相をディジタルで制御する。図８において、信号処理部１００の高周波信号入力端子２０に入力される高周波信号（ベースバンド信号）は、位相抽出部２１および振幅抽出部２２に送られ、ディジタルの位相信号および振幅信号が各々抽出される。
位相信号は遅延部２３を介して振幅調整部２４に与えられる。振幅信号は振幅制御部２５に与えられる。振幅制御部２５は例えば図９に示すように、振幅信号のディジタル波形に対応する位相制御データをＬＵＴ３０から取り出す。ＬＵＴ３０には第１の実施形態と同様に、振幅信号に対する高周波電力増幅器８の入出力間の位相を一定に保つ関係をもつデータが予め格納される。この取り出された位相制御データは振幅調整部制御信号として振幅調整部２４に与えられ、位相信号の振幅が制御される。

あるいは振幅制御部２５は、図１０に示すように演算器３１による演算処理により振幅調整部制御信号を生成する。高周波電力増幅器８の入出力間の位相が一定となる関係を例えば多項式で近似することにより、演算器３１による加減乗で制御信号を生成することができる。

さて、振幅抽出部２２からの出力はディジタル／アナログ変換器２６によりアナログ値に変換され、バイアス制御部２９に与えられて高周波電力増幅器８のバイアス電圧が制御される。振幅調整部２４の出力はディジタル／アナログ変換器２７によりアナログ波形に変換され、アップコンバータ２８により周波数変換されて高周波電力増幅器８に入力される。

上記構成においては、ディジタルの高周波信号入力に対するルックアップテーブルあるいは演算器を用いた演算処理により振幅調整部２４の制御信号を生成し、高周波電力増幅器８の入出力間の位相を一定に保つようにしている。すなわちディジタル演算により振幅調整部２４およびバイアス制御部２９への制御信号を生成するようにしており、ルックアップテーブルあるいは演算器にはバイアス制御による位相シフトと、飽和領域動作による位相シフトとを相殺させることの可能な特性が予め設定されている。このようにしても第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。

［第４の実施形態］
図１１は、この発明に係わる無線送信装置の第４の実施形態を示す機能ブロック図である。図１１において図２と同じ部分には同じ符合を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。すなわち図１１の無線送信装置は、図２の高周波電力増幅器８の入力段と出力段にそれぞれハイブリッド回路３８，３９を備える。ハイブリッド回路３８は可変減衰器７からの信号を一部分岐して位相差検出器（モニタ部）３２に与え、ハイブリッド回路３９は高周波電力増幅器８からの信号を一部分岐して位相差検出器３２に与える。位相差検出器３２は高周波電力増幅器８の入出力の位相差をモニタし、その結果を振幅制御部３３にフィードバックする。振幅制御部３３は高周波電力増幅器８の入出力の位相差を一定に保つべく、バイアス制御部からの制御信号にオフセットを与える。

温度や経年劣化により各デバイスの特性に変化が生じると、振幅制御部３３に記憶されたルックアップテーブルあるいは演算式をそのまま使用できなくなる。そこでこの実施形態ではバイアス制御部２９からの制御信号にオフセットを与え、その値を調整することで特性変化分を補正する。すなわち図３（ｃ）に示すように、高周波電力増幅器８の入力レベルと位相シフトとの関係は経年変化などにより変動する。その変動分を位相差検出器３２でモニタし、その結果に基づいてバイアス制御部２９からの制御信号のオフセットをフィードバック制御することで、高周波電力増幅器８の入出力間の位相をさらに高い精度で保つことが可能になる。

［第５の実施形態］
図１２は、この発明に係わる無線送信装置の第５の実施形態を示す機能ブロック図である。図１２において図１１と同じ部分には同じ符合を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。すなわち図１２の無線送信装置は、図１１の可変減衰器７に代えて可変利得増幅器１９を備えるものとなっている。

図７と同様の作用により、可変利得増幅器１９の利得を制御するとともに高周波電力増幅器８へのバイアスを制御すれば、バイアス制御による位相シフトと、飽和領域動作による位相シフトとを相殺させ、高周波電力増幅器８の入出力間の位相を一定にすることが可能となる。

［第６の実施形態］
図１３は、この発明に係わる無線送信装置の第６の実施形態を示す機能ブロック図である。図１３において図８と同じ部分には同じ符合を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。すなわち図１３の無線送信装置は、図８の高周波電力増幅器８の入出力の位相差を位相差検出器３２によりモニタし、その結果をアナログ／ディジタル変換器４０でディジタル値に変換したうえで振幅制御部３３に与え、振幅調整部３３への制御信号にオフセットを与える。このオフセット量を位相差検出器３２のモニタ値によりフィードバック制御することで、高周波電力増幅器８の入出力間の位相を温度変化や経年劣化によらず、高精度で一定に保つことができる。

さらに、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…信号入力端子、２…ハイブリッド回路、３…振幅検波器、２９…バイアス制御部、５…リミッタ、６…遅延部、７…可変減衰器、８…高周波電力増幅器、９…信号出力端子、１０，１１…変換部、１２…アナログ／ディジタル変換器、１３，１４…ルックアップテーブル（ＬＵＴ）、１５，１６…ディジタル／アナログ変換器、１７，１８…演算器、１９…可変利得増幅器、２０…高周波信号入力端子、２１…位相抽出部、２２…振幅抽出部、２３…遅延部、２４…振幅調整部、２５…振幅制御部、２６，２７…ディジタル／アナログ変換器、２８…アップコンバータ、２９…バイアス制御部、３２…位相差検出器、３３…振幅制御部、３７…可変出力電源、３８，３９…ハイブリッド回路、４０…アナログ／ディジタル変換器、１００…信号処理部

Claims (8)

1. 入力信号を分岐する分岐部と、
   前記分岐された一方の入力信号の振幅を制限して当該入力信号の位相信号を抽出するリミッタと、
   前記分岐された他方の入力信号を検波して当該入力信号の振幅信号を出力する検波器と、
   前記振幅信号の強度に応じたバイアス電圧を生成するバイアス生成部と、
   前記バイアス電圧により駆動され前記位相信号を増幅する電力増幅器と、
   この電力増幅器に入力される位相信号のレベルを当該電力増幅器の飽和領域において調整するレベル調整部と、
   前記電力増幅器のバイアス電圧の変動による位相シフトと前記飽和領域における入力レベルの変化による位相シフトとを相殺すべく、前記バイアス電圧と前記前記レベル調整部のレベル調整量とを制御する制御手段とを具備することを特徴とする無線送信装置。
2. 前記レベル調整部は、可変減衰器であることを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
3. 前記レベル調整部は、可変利得増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
4. 前記制御手段は、前記振幅信号の強度と前記バイアス電圧との対応を予めテーブル化したデータテーブルから、前記振幅信号の強度に対応するバイアス電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
5. 前記制御手段は、前記振幅信号の強度と前記レベル調整量との対応を予めテーブル化したデータテーブルから、前記振幅信号の強度に対応するレベル調整量を生成することを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
6. 前記制御手段は、前記振幅信号の強度と前記バイアス電圧との対応を示す近似式により前記振幅信号の強度に対応するバイアス電圧を算出することを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
7. 前記制御手段は、前記振幅信号の強度と前記レベル調整量との対応を示す近似式により前記振幅信号の強度に対応するレベル調整量を算出することを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
8. さらに、前記電力増幅器の入出力間の位相差をモニタするモニタ部を具備し、
   前記制御手段は、前記モニタ部によりモニタされた位相差に基づいて前記バイアス電圧にオフセットを与えることを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。

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