JP2016054439A - 送信機 - Google Patents

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Abstract

【課題】送信開始時、また、ユーザデータの送信中においても、送信波のDCオフセットを低減するためのDCトレーニングを行い、DCオフセットを安定的に保つことが可能な送信機を提供する。
【解決手段】同相成分信号および直交成分信号からなる入力信号を直交変調して送信信号を生成し、生成した送信信号の一部をフィードバックし直交復調して求めた同相成分信号の戻り値および直交成分信号の戻り値に基づいてDCオフセット補正値を算出することで、DCオフセット補償を行うDCオフセット補償手段を備えた送信機において、DCオフセット補償手段は、無線フレーム上のガード区間、LP(リニアライザ用プリアンブル)区間、およびデータ送信中の3箇所でDCオフセット補償を行うためのDCトレーニングを行うことを特徴とする。
【選択図】 図2

Description

本発明は、送信波の原点オフセットを低減するためのDCオフセット補償機能に係り、例えば、π/4シフトQPSKを用いる無線機のDCオフセット補償機能に関する。
従来のDCオフセット補償の方法としては、ユーザデータの送信前に、複素振幅信号のI相成分及びQ相成分をそれぞれ直流にし、その戻り値がゼロになるように、I相補正値及びQ相補正値を補正し、補正が終わった後に、ユーザデータを送信していた。この方法は、すばやくI相補正値及びQ相補正値を決めることができる一方、ユーザデータの送信が始まってしまうと一切補正ができないという問題点を持っている。長時間の送信を行うと、送信機の温度が上昇するが、一切補正できないので、送信波の特性が劣化するという問題が発生する。
ユーザデータの送信が始まってもDCオフセット補償をするための方法として、特許文献1が存在する。
一般的に、ユーザデータの送信が始まってしまうと、送信するデジタルデータの0と1が出現する確率を制御できない。そのため、0と1の出現確率がほぼ50%に収束する期間分のデータを蓄積し、そのデータを使用してDCオフセットを算出しないと、正確なDCオフセット補正量を見つけることができない。
しかし、特許文献1の技術は、アナログ方式であり、時間軸方向の平均値をとっていない。そのため、特許文献1の方式では、送信ビットの0と1の出現確率の偏りにより、DCオフセットが動いてしまうという問題が発生する。また、この方式の問題点として、長時間の平均を必要とするため、DCオフセットの収束が遅く、送信開始直後には、DCオフセットが収束していないという問題がある。特に、常に送信を行っているとは限らない移動局の場合、初期のDCオフセットの収束が遅いことは大きな問題となる。
また、LP区間において、直流を出力するか、又は、変調波が綺麗な正弦波になるように複素振幅信号を生成し、その戻り値よりI相補正値及びQ相補正値を算出する方法も存在するが、非特許文献1と非特許文献2の移動通信システムでは、LP区間が存在しない無線フレームの構成も存在するため、この方式がいつも使えるとは限らない。
特開2002−164947号公報
ARIB STD−T79、「都道府県・市町村デジタル移動通信システム」、社団法人電波産業会 ARIB STD−T87、「空港内デジタル移動通信システム」、社団法人電波産業会
本発明は、このような従来の事情に鑑みなされたものであり、送信開始時、また、ユーザデータの送信中においても、送信波のDCオフセットを低減するためのDCトレーニングを行い、DCオフセットを安定的に保つことが可能な送信機を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明に係る送信機は、同相成分信号および直交成分信号からなる入力信号を直交変調して送信信号を生成し、生成した前記送信信号の一部をフィードバックし直交復調して求めた前記同相成分信号の戻り値および前記直交成分信号の戻り値に基づいてDCオフセット補正値を算出することで、DCオフセット補償を行うDCオフセット補償手段を備えた送信機において、前記DCオフセット補償手段は、無線フレーム上のガード区間、リニアライザ用プリアンブル区間、およびデータ送信中の3箇所で前記DCオフセット補償を行うためのDCトレーニングを行うことを特徴とする。
また、上記目的を達成するための本発明に係る送信機は、上記した送信機において、前記DCトレーニングの修正量に対する修正の割合をデータ送信中よりリニアライザ用プリアンブル区間を大きく、さらに、リニアライザ用プリアンブル区間よりガード区間を大きくすることが好ましい。
本発明によれば、送信開始時、また、ユーザデータの送信中においても、送信波のDCオフセットを低減するためのDCトレーニングを行い、DCオフセットを安定的に保つことが可能な送信機を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る送信機のシステム構成の一例を示すブロック図である。 図1に示す送信機を詳細にブロック化したブロック図である。 送信波に直流を用いた場合のI相戻り値、Q相戻り値、およびバンドギャップ・リファレンスの例を示したグラフである。 π/4シフトQPSKで8シンボル分00bのデータを送信し、送信波をsin波のようにした場合のグラフである。 ARIB STD−T79とARIB STD−T87の物理チャネル第1ユニットの信号フォーマットである。 ARIB STD−T79とARIB STD−T87の物理チャネル第2ユニットの信号フォーマットである。 ARIB STD−T79とARIB STD−T87の同期バーストの信号フォーマットである。 ARIB STD−T79とARIB STD−T87の通信用物理チャネルの信号フォーマットである。 ARIB STD−T79とARIB STD−T87の音声通信とデータ通信のシーケンス図を示す。
以下、本発明の一実施形態に係る送信機について説明する。
本発明の一実施形態に係る送信機は、線形デジタル変調方式、特に、π/4シフトQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)を利用した送信機において、電力増幅器での非線形歪みを補償するために、カーテシアンループを用いた負帰還方式のリニアライザを用いた非線形歪み補償方式により、送信開始時、また、ユーザデータの送信中においても、送信波のDCオフセットを低減するためのDCトレーニングを行い、送信開始時やLP(リニアライザ用プリアンブル)区間では、すばやくDCオフセットを収束させ、その後、LP区間の存在しない無線フレームを長時間送信させても、DCオフセットを安定的に保つことができる。
なお、本発明の一実施形態に係る送信機は、特にπ/4シフトQPSKを用いる、ARIB STD−T61狭帯域デジタル通信方式(SCPC/FDMA)、ARIB STD−T79都道府県・市町村デジタル移動通信システム、または、ARIB STD−T87空港内デジタル移動通信システムに好適である。
〔送信機のシステム構成〕
本発明の一実施形態に係る送信機のシステム構成について、図1を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る送信機のシステム構成の一例を示すブロック図である。
本発明の一実施形態に係る送信機100は、DSP(Digital Signal Processor)20と、同相(I相)成分用のデジタル/アナログ変換器7(以下、D/A変換器7という)と、直交(Q相)成分用のデジタル/アナログ変換器8(以下、D/A変換器8という)と、カーテシアンフィードバックループ回路30と、電力増幅器10(以下、PA(Power Amplifier)10という)と、方向性結合器11と、アンテナ12と、同相(I相)成分用のアナログ/デジタル変換器14(以下、A/D変換器14という)と、直交(Q相)成分用のアナログ/デジタル変換器15(以下、A/D変換器15という)と、バンドギャップ・リファレンスの基準電圧VREF用のアナログ/デジタル変換器17(以下、A/D変換器17という)とから構成されている。
本発明の一実施形態に係る送信機100では、DSP20でデジタル値の送信信号を作成し、D/A変換器7およびD/A変換器8でアナログ信号に変換され、変換されたアナログ信号がカーテシアンフィードバックループ回路30に入り、この回路内で直交変調が行われ、PA10で電力増幅され、方向性結合器11を経由して、アンテナ12から送信波として出力される。
また、カーテシアンフィードバックループ回路30より基準電圧としてバンドギャップ・リファレンスが出力されており、このバンドギャップ・リファレンスの基準電圧VREFがA/D変換器17によりデジタル変換され、DSP20に入る。また、送信波は、カーテシアンフィードバックループ回路30内で直交復調され、I相戻り値とQ相戻り値になり、A/D変換器14およびA/D変換器15によりデジタル変換され、DSP20に戻る。
〔送信機の詳細構成〕
図2は、図1に示すデジタル送信機を詳細にブロック化したブロック図である。
本発明の一実施形態に係る送信機100は、図2に示すように、無線チャネル制御部1、マッピング部2、ルートロールオフフィルタ部3(以下、フィルタ部3という)、ルートロールオフフィルタ部4(以下、フィルタ部4という)、加算器5、加算器6、D/A変換器7、D/A変換器8、直交変調器9、PA10、方向性結合器11、アンテナ12、直交復調器13、A/D変換器14、A/D変換器15、バンドギャップ・リファレンス16、A/D変換器17、およびDCオフセット補償部18から構成されている。
また、無線チャネル制御部1、マッピング部2、フィルタ部3、フィルタ部4、加算器5、加算器6、およびDCオフセット補償部18は、DSP20に含まれ、更に、直交変調器9、PA10、直交復調器13、およびバンドギャップ・リファレンス16は、カーテシアンフィードバックループ回路30に含まれる。
このような構成の送信機100において、方向性結合器11を設け、方向性結合器11を直交復調器13に接続することでカーテシアンループ方式の負帰還リニアライザ構成を実現している。
次に、図2に示すカーテシアンループ方式を使用した送信機100における各機能の処理について説明する。
まず、図2に示す無線チャネル制御部1からアンテナ12までの信号ルートの各機能について説明する。マッピング部2は、無線チャネル制御部1から出力された送信機100が送信するベースバンド信号(以下、送信信号という)のマッピングを行い、マッピングされた同相信号(以下、I信号という)をフィルタ部3に、また、マッピングされた直交信号(以下、Q信号という)をフィルタ部4にそれぞれ出力する。
フィルタ部3は、マッピング部2からI信号を入力すると帯域制限を行い、帯域制限されたI信号を加算器5に出力する。フィルタ部4は、マッピング部2からQ信号を入力すると帯域制限を行い、帯域制限されたQ信号を加算器6に出力する。
加算器5は、フィルタ部3から入力したI信号と、後述するDCオフセット補償部18から出力される補正量Iとを加算し、D/A変換器7に出力する。加算器6は、フィルタ部4から入力したQ信号と、後述するDCオフセット補償部18から出力される補正量Qとを加算し、D/A変換器8に出力する。
D/A変換器7は、加算器5からI信号を入力すると、デジタル信号であるI信号をアナログ信号に変換し、直交変調器9に出力する。D/A変換器8は、加算器6からQ信号を入力すると、デジタル信号であるQ信号をアナログ信号に変換し、直交変調器9に出力する。
直交変調器9は、D/A変換器7からI信号を入力、D/A変換器8からQ信号を入力すると、I信号とQ信号を直交変調し、変調された信号(以下、被変調波信号という)をPA10に出力する。PA10は、入力された被変調波信号を規定の出力レベルまで増幅し、増幅された信号は方向性結合器11を経由してアンテナ12に出力される。
次に、送信機100におけるカーテシアンループ方式の負帰還リニアライザ構成における各機能の処理について説明する。方向性結合器11は、直交復調器13に出力信号を帰還させるために、PA10の出力信号の一部(以下、帰還信号という)を直交復調器13に出力する。
直交復調器13は、方向性結合器11から帰還信号を入力すると、帰還信号をI信号とQ信号に復調する。そして、直交復調器13は、復調したI相戻り値をA/D変換器14に出力し、復調したQ相戻り値をA/D変換器15に出力する。
直交復調器13の出力(I相戻り値)はA/D変換器14でデジタル変換され、DCオフセット補償部18に入力され、また、直交復調器13の出力(Q相戻り値)はA/D変換器15でデジタル変換され、DCオフセット補償部18に入力される。
DCオフセット補償部18は、I相戻り値およびQ相戻り値と、バンドギャップ・リファレンス15から出力され、A/D変換器17によりデジタル変換された電圧値VREFとを用いてそれぞれDCオフセットを算出し、ルートロールオフフィルタ部での処理後の信号に対して、加算器5で補正量Iを加算し、同様に、加算器6で補正量Qを加算し、送信波のDCオフセットを減少させる。
DCオフセット補償部18では、以下の(式1)、(式2)、(式3)、(式4)の計算を行う。
ずれ量I=VREF−I相戻り値 ・・・(式1)

ずれ量Q=VREF−Q相戻り値 ・・・(式2)

補正量I=α×ずれ量I ・・・(式3)

補正量Q=α×ずれ量Q ・・・(式4)

なお、αは0以上1以下の修正量を表す係数である。
ここで、図3は、送信波に直流を用いた場合のI相戻り値、Q相戻り値、およびバンドギャップ・リファレンスの例を示したグラフである。
DCオフセット補償部18では、I相戻り値とQ相戻り値がバンドギャップ・リファレンスに近づくように、(式1)、(式2)、(式3)と(式4)を用いて調整する。
また、この直流方式を用いた場合、バンドギャップ・リファレンス、およびI相戻り値とQ相戻り値の3つが直流であるため、短い時間でI相戻り値とQ相戻り値をバンドギャップ・リファレンスに近づけることができる。通常、送信波は8倍のオーバーサンプリングなどシンボル周期より早い時間を使用している。そのため、シンボル期間に8回もの修正を行うことができる。そのため、すばやく、DCオフセットを収束できるという特徴がある。
一方、この方法は、送信データを固定しているため、同一タイミングでは、データの送信ができないという問題がある。また、直流成分を電波として送信することは禁じられているため、この信号をアンテナ12から送信することはできない。
また、図4は、π/4シフトQPSKで8シンボル分00bのデータを送信し、送信波をsin波のようにした場合のグラフである。
DCオフセットが収束している場合、I相戻り値とQ相戻り値の信号は、バンドギャップ・リファレンスより電圧が高い部分の面積と、バンドギャップ・リファレンスより電圧が低い部分の面積が等しくなる。そのため、電圧が高い部分の面積と低い部分の面積が等しくなるように補正量Iと補正量Qを修正する。
この方法のよい点は、任意のデータを送信してよい区間で、かつ、8シンボル以上の期間がとれるなら、この方法を使うことができることである。また、DCオフセットが完全に収束している場合、以下の(式5)のずれ量Iと(式6)のずれ量Qがゼロになるという保証があることである。一方、8シンボルで1回分の修正しかできないため、DCオフセットの収束が遅いという問題点がある。
DCオフセット補償部18では、以下の(式5)、(式6)、(式7)および(式8)の計算を行う。
ずれ量I=Σ(VREF−I相戻り値) ・・・(式5)

ずれ量Q=Σ(VREF−Q相戻り値) ・・・(式6)

補正量I=β×ずれ量I ・・・(式7)

補正量Q=β×ずれ量Q ・・・(式8)

なお、βは0以上1以下の修正量を表す係数である。
また、ユーザデータ区間の場合、図4のようにバンドギャップ・リファレンスより高い電圧がでる期間と低い電圧がでる期間を制御することができなくなるため、図4の方式より長い時間の戻り値を使用して計算する必要がある。そのため、図4の方式より、DCオフセットの収束がかなり遅くなる。
ここで、図5は、ARIB STD−T79とARIB STD−T87の物理チャネル第1ユニットの信号フォーマットである。
図5のリニアライザ用プリアンブル期間(LPの36bit期間)は任意のデータを送信することができるので、図4のDCトレーニング方法を使うことができる。また、このLP区間は36bitで、π/4シフトQPSKの場合には18シンボルとなる。そのため、図4のDCトレーニングを2回行うことができる。
また、信号フォーマットの最後にガード時間(G 24bit)が存在するが、この区間は信号のレベルを滑らかに減衰するための時間と移動局間の送信タイミングの違いによる電波干渉を防ぐための時間として使われる。また、リニアライザ用プリアンブル期間(LP)とガード時間(G)以外の場所は、決められた送信データを送信しなければいけないので、図3と図4のDCトレーニング方法を用いることができない。
また、図6は、ARIB STD−T79とARIB STD−T87の物理チャネル第2ユニットの信号フォーマットである。
図6のリニアライザ用プリアンブル期間(LPの36bit期間)は任意のデータを送信することができるので、図4のDCトレーニング方法を使うことができる。また、このLP区間は36bitで、π/4シフトQPSKの場合には18シンボルとなる。そのため、図4のDCトレーニングを2回行うことができる。
また、信号フォーマットの最後にガード時間(G 24bit)が存在するが、この区間は信号のレベルを滑らかに減衰するための時間と移動局間の送信タイミングの違いによる電波干渉を防ぐための時間として使われる。また、リニアライザ用プリアンブル期間(LP)とガード時間(G)以外の場所は、決められた送信データを送信しなければいけないので、図3と図4のDCトレーニング方法を用いることができない。
また、図7は、ARIB STD−T79とARIB STD−T87の同期バーストの信号フォーマットである。最初のガード時間(G 50bit)は電波を送信してはいけない時間なので、図3の直流を用いる方式でしか、DCトレーニングを行うことができない。また、リニアライザ用プリアンブル期間(LPの36bit期間)は任意のデータを送信することができる区間なので、図4のDCトレーニング方法を使うことができる。
また、このLP区間は36bitで、π/4シフトQPSKの場合には18シンボルとなる。そのため、図4のDCトレーニングを2回行うことができる。また、信号フォーマットの最後にガード時間(G 40bit)が存在するが、この区間は信号のレベルを滑らかに減衰するための時間と、移動局間の送信タイミングの違いによる電波干渉を防ぐための時間として使われる。また、リニアライザ用プリアンブル期間(LP)とガード時間(G)以外の場所は、決められた送信データを送信しなければいけないので、図3と図4のDCトレーニング方法を用いることができない。
また、図8は、ARIB STD−T79とARIB STD−T87の通信用物理チャネルの信号フォーマットである。リニアライザ用プリアンブル期間が存在しないため、図4のDCトレーニング方法を使うことができない。また、信号フォーマットの最後にガード時間(G 8bit)が存在するが、この区間は信号のレベルを滑らかに減衰するために使われる。そのため、図8の通信用物理チャネルの信号フォーマットでは、図3と図4のDCトレーニング方法を用いることができない。
図9に、ARIB STD−T79とARIB STD−T87の音声通信とデータ通信のシーケンス図を示す。
図9に示すように、本発明の一実施形態に係る送信機(ここでは移動局無線機)100では、最初に同期バーストのやりとりを行い、その後、通信の切断まで、通信用物理チャネルを使用する。そのため、図3と図4のDCトレーニング方法が使用できるのは、最初の同期バーストのときのみである。そのため、長時間通信をおこなっていると、送信機の温度が上昇するが、通信用物理チャネルであるため、DCトレーニングができず、送信波が汚くなるという問題が発生する。そのため、図8の通信用物理チャネルにおいても、DCトレーニングを行えるようにする必要がある。
図8の通信用物理チャネルは、任意のユーザデータを送信するため、DCトレーニングがやりやすいデータに作り変えることもできないし、データの0と1の出現確率も制御できない。しかし、プリアンブル(P)からガード時間(G)の直前のTCH(108bit)の最終シンボルまでの153シンボル分の変調波を用いることにより、0と1の出現確率を50%に近づけることができる。そのため、153シンボル期間における、ギャップ・リファレンスより高い部分の面積と低い部分の面積を比較することにより、DCオフセットの補正量Iと補正量Qを算出することができる。
そこで、DCオフセット補償部18では、以下の(式9)、(式10)、(式11)および(式12)の計算を行う。

ずれ量I=Σ(VREF−I相戻り値) ・・・(式9)

ずれ量Q=Σ(VREF−Q相戻り値) ・・・(式10)

補正量I=γ×ずれ量I ・・・(式11)

補正量Q=γ×ずれ量Q ・・・(式12)

なお、γは0以上1以下の修正量を表す係数である。
ただし、0と1の出現確率が50%である保証はどこにもないので、修正係数γを小さくして、間違った方向に大きく動かないように制御する必要がある。
最終的に、DCトレーニング方法に使用する送信データが既知であるかどうかにより、修正係数α、修正係数βおよび修正係数γの大小関係を決め、以下の(式13)のように設定する。

0< γ < β < α <1 ・・・(式13)
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る送信機によれば、送信開始時、また、ユーザデータの送信中においても、送信波のDCオフセットを低減するためのDCトレーニングを行い、DCオフセットを安定的に保つことが可能な送信機を提供することができる。
なお、上記した実施形態の構成及び動作は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実行することができることは言うまでもない。
1:無線チャネル制御部、2:マッピング部、3:ルートロールオフフィルタ部、4:ルートロールオフフィルタ部、5:加算器、6:加算器、7:デジタル/アナログ変換器、8:デジタル/アナログ変換器、9:直交変調器、10:電力増幅器、11:方向性結合器、12:アンテナ、13:直交復調器、14:アナログ/デジタル変換器、15:アナログ/デジタル変換器、16:バンドギャップ・リファレンス、17:アナログ/デジタル変換器、18:DCオフセット補償部、20:DSP、30:カーテシアンフィードバックループ回路、100:送信機。

Claims (2)

  1. 同相成分信号および直交成分信号からなる入力信号を直交変調して送信信号を生成し、生成した前記送信信号の一部をフィードバックし直交復調して求めた前記同相成分信号の戻り値および前記直交成分信号の戻り値に基づいてDCオフセット補正値を算出することで、DCオフセット補償を行うDCオフセット補償手段を備えた送信機において、
    前記DCオフセット補償手段は、無線フレーム上のガード区間、リニアライザ用プリアンブル区間、およびデータ送信中の3箇所で前記DCオフセット補償を行うためのDCトレーニングを行うことを特徴とする送信機。
  2. 請求項1記載の送信機において、前記DCトレーニングの修正量に対する修正の割合をデータ送信中よりリニアライザ用プリアンブル区間を大きく、さらに、リニアライザ用プリアンブル区間よりガード区間を大きくすることを特徴とする送信機。


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