JP2018093399A - Highly efficient digital modulation transmitter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式やQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)方式などのマルチキャリアやシングルキャリアのデジタル変調方式による送信機に関し、特に、電力増幅器に高い直線性が要求される高効率デジタル変調送信機に関する。 The present invention relates to a transmitter based on a multicarrier or single carrier digital modulation scheme such as an OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) scheme or a QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) scheme, and in particular, a high linearity required for a power amplifier. It relates to an efficient digital modulation transmitter.
例えば、現在のGMDSS(Global Maritime Distress and Safety System、全世界的な海上遭難・安全システム)は、数十年前の技術を前提に構築されており、衛星通信技術等の発達を考慮して、システム全体の見直しがなされている。そのひとつとして、テキスト配信のみが可能なNAVTEX放送から、デジタル方式でのデータ配信が可能なNAVDAT放送に移行(または並列運用)することが検討されている。 For example, the current GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System, a global maritime distress and safety system) is built on the premise of technology several decades ago, and considering the development of satellite communication technology, The entire system has been reviewed. As one of them, it is considered to shift (or operate in parallel) NAVTEX broadcasting capable of only text distribution to NAVDAT broadcasting capable of digital data distribution.
そして、NAVDAT放送では、OFDM方式の変調方式が検討中であるが、一般的なOFDM方式やQPSK方式などの送信機では、電力増幅器に高い直線性・リニアリティが要求される。このため、図6に示すように、電力増幅器にリニアアンプを使用するとともに、さらに直線性を確保するために歪補償回路を設ける必要がある(例えば、特許文献1)。すなわち、ベースバンド信号を生成した後に、歪補償を行ってリニアアンプでパワー増幅することで、高い直線性を確保していた。 In NAVDAT broadcasting, an OFDM modulation scheme is under study, but a transmitter such as a general OFDM scheme or a QPSK scheme requires high linearity and linearity in a power amplifier. For this reason, as shown in FIG. 6, it is necessary to use a linear amplifier as a power amplifier and to provide a distortion compensation circuit in order to further ensure linearity (for example, Patent Document 1). That is, after generating a baseband signal, distortion compensation is performed and power amplification is performed by a linear amplifier, thereby ensuring high linearity.
このように、従来の送信機では、リニアアンプを使用するため、電力利用効率が低く(例えば、50%以下)、大電力化には大形化してしまう問題があった。また、リニアアンプだけでは高い直線性を確保できないため、歪補償回路を設ける必要があり構成が複雑になる、という問題があった。 As described above, since the conventional transmitter uses a linear amplifier, the power use efficiency is low (for example, 50% or less), and there is a problem that the power transmitter is increased in size. Further, since high linearity cannot be ensured with only a linear amplifier, there is a problem that a distortion compensation circuit needs to be provided and the configuration becomes complicated.
そこで本発明は、高い電力利用効率が得られ、かつ、歪補償回路が不要な高効率デジタル変調送信機を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a high-efficiency digital modulation transmitter that can obtain high power utilization efficiency and does not require a distortion compensation circuit.
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、入力されたデジタル変調ベースバンド信号を位相情報信号と振幅情報信号とに分ける変換部と、前記位相情報信号を高周波に変換するミキサーと、前記高周波と前記振幅情報信号に基づいて相対的な位相差を加えたデューティー比50%の2系統の高周波矩形波を生成するPTAM変調器と、該2系統の矩形波をスイッチング電力増幅して合成し、高調波を除去して位相変調および振幅変調した高周波信号を発生させる増幅処理部と、を備えることを特徴とする高効率デジタル変調送信機である。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 includes a conversion unit that divides an input digital modulation baseband signal into a phase information signal and an amplitude information signal, and a mixer that converts the phase information signal into a high frequency. A PTAM modulator that generates two high-frequency rectangular waves with a duty ratio of 50%, which is obtained by adding a relative phase difference based on the high-frequency and the amplitude information signal, and amplifying the switching power of the two rectangular waves A high-efficiency digital modulation transmitter comprising: an amplification processing unit that synthesizes and generates a high-frequency signal that is subjected to phase modulation and amplitude modulation by removing harmonics.
この発明によれば、入力されたベースバンド信号から変換部によって位相情報信号と振幅情報信号とが生成・抽出され、PTAM(Phase To Amplitude Modulation)変調器と増幅処理部によって、この位相情報信号と振幅情報信号とに基づいて位相変調および振幅変調された高周波信号が生成される。 According to the present invention, the phase information signal and the amplitude information signal are generated and extracted from the input baseband signal by the conversion unit, and the phase information signal and the amplitude processing unit are generated by the PTAM (Phase To Amplitude Modulation) modulator and the amplification processing unit. A high-frequency signal that is phase-modulated and amplitude-modulated based on the amplitude information signal is generated.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の高効率デジタル変調送信機において、前記増幅処理部を複数備え、前記2系統の高周波矩形波を対にして該複数増幅処理部に入力し、各増幅処理部で発生された高周波信号を合成する電力合成部を備える、ことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the high-efficiency digital modulation transmitter according to the first aspect, the amplification processing unit includes a plurality of amplification processing units, and the two high-frequency rectangular waves are input to the multiple amplification processing unit in pairs. And a power combiner that combines the high-frequency signals generated by the respective amplification processors.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の高効率デジタル変調送信機において、前記デジタル変調ベースバンド信号には、OFDM方式等によるマルチキャリアの信号、QPSK方式およびQAM方式等によるシングルキャリアの信号を含む、ことを特徴とする。また、請求項4に記載の発明は、請求項1から3に記載の高効率デジタル変調送信機において、前記PTAM変調器で生成する2系統の高周波は正弦波である、ことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the high-efficiency digital modulation transmitter according to the first or second aspect, the digital modulation baseband signal includes a multicarrier signal based on an OFDM system, a QPSK system, a QAM system, or the like. It includes a single carrier signal. According to a fourth aspect of the present invention, in the high-efficiency digital modulation transmitter according to the first to third aspects, the two high-frequency frequencies generated by the PTAM modulator are sine waves.
請求項1に記載の発明によれば、デューティー比が50%の2系統の矩形波の位相差を変え、この2系統の矩形波をスイッチング増幅して合成し、高調波を除去して高周波信号を生成するため、リニアアンプを使用せずにスイッチングアンプを使用することができる。この結果、高い電力利用効率が得られ、大電力に適用することが容易である。
しかも、2系統の矩形波の相対的な位相差により振幅変調を実現させているため、高い直線性が得られ、歪補償回路が不要となる。この結果、構成が簡易となって高信頼性化や低コスト化を図ることができる。
According to the first aspect of the present invention, the phase difference between the two rectangular waves having a duty ratio of 50% is changed, the two rectangular waves are switched and amplified to be synthesized, the harmonics are removed, and the high frequency signal is removed. Therefore, a switching amplifier can be used without using a linear amplifier. As a result, high power utilization efficiency is obtained, and it is easy to apply to large power.
In addition, since the amplitude modulation is realized by the relative phase difference between the two types of rectangular waves, high linearity is obtained, and a distortion compensation circuit is not required. As a result, the configuration is simplified, and high reliability and cost reduction can be achieved.
請求項2に記載の発明によれば、複数の増幅処理部で発生された高周波信号が電力合成部で合成されるため、より大電力化することができる。 According to the second aspect of the invention, since the high frequency signals generated by the plurality of amplification processing units are combined by the power combining unit, the power can be increased.
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。 The present invention will be described below based on the illustrated embodiments.
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1に係る高効率デジタル変調送信機1を示す概略構成ブロック図である。この高効率デジタル変調送信機1は、OFDM方式やQPSK方式などのデジタル変調方式による送信機であり、この実施の形態では、OFDM方式の場合について主として説明する。高効率デジタル変調送信機1は、主として、極座標変換部(変換部)3とPTAM変調部4とを備える。
(Embodiment 1)
1 is a schematic block diagram showing a high-efficiency digital modulation transmitter 1 according to Embodiment 1 of the present invention. The high-efficiency digital modulation transmitter 1 is a transmitter using a digital modulation scheme such as the OFDM scheme or the QPSK scheme. In this embodiment, the case of the OFDM scheme will be mainly described. The high-efficiency digital modulation transmitter 1 mainly includes a polar coordinate conversion unit (conversion unit) 3 and a
極座標変換部3は、入力されたデジタル変調信号を位相情報信号と振幅情報信号V2とに分ける変換部である。すなわち、変調用デジタル信号がOFDM変調器2に入力され、OFDM変調器2でOFDM変調されて出力されたベースバンド信号(デジタル信号)が、極座標変換部3に入力される。そして、極座標変換部3は、ベースバンド信号を信号処理つまり極座標変換して位相情報信号(位相成分)と振幅情報信号(振幅成分)V2とに分ける。
The polar
PTAM変調部4は、極座標変換部3による位相情報信号と振幅情報信号V2とに基づいて、デューティー比が50%の2系統の矩形波の位相差を変え、この2系統の矩形波をスイッチング増幅して合成し、高調波を除去して位相変調および振幅変調した高周波信号を生成するものである。具体的には、キャリア信号発生器41と、相関器(ミキサー)42と、PTAM変調器43と、スイッチングアンプ44、45と、出力トランス46と、ローパスフィルタ47とを備える。ここで、スイッチングアンプ44、45と出力トランス46とローパスフィルタ47で、増幅処理部が構成されている。
The
キャリア信号発生器41は、高周波RFのキャリア信号を生成し、相関器42は、入力された極座標変換部3からの位相情報信号とキャリア信号発生器41からのキャリア信号とを相関処理して、RF搬送波V1を出力する。ここで、RF搬送波V1は、マルチキャリアの正弦波が位相変調された波形となる。
The
ここで振幅変調の核となる、PTAM方式について説明する。その基本ブロック図は図2に示す通りであり、その基本動作波形を図3に示す。 Here, the PTAM system, which is the core of amplitude modulation, will be described. The basic block diagram is as shown in FIG. 2, and the basic operation waveform is shown in FIG.
PTAM変調器43は、入力された相関器42からのRF搬送波V1と極座標変換部3からの振幅情報信号V2とに基づいて、デューティー比が50%の2系統のRF矩形波の位相差を変え、RF矩形波W1、W2を生成する。すなわち、振幅情報信号V2の振幅に応じて、デューティー比が50%の2つのRF矩形波W1、W2の位相差を変える。具体的には、図3に示すように、RF搬送波V1と振幅情報信号V2とを重ね、その交点において交互に矩形波を立ち下げ立ち上げて(V1の下降時の交点ではW1を立ち下げ、V1の上昇時の交点ではW2を立ち上げて)、位相が異なる2つRF矩形波W1、W2を生成する。
The
上記の処理は、遅延回路を多数用意しておいて、2系統において使用する遅延回路の数を変えてもよい。 In the above processing, a large number of delay circuits may be prepared, and the number of delay circuits used in the two systems may be changed.
このようなRF矩形波W1、W2の生成からW4の生成までは、次の原理に基づいている。まず、図4に示すように、周期2π、パルス幅2θの矩形波の基本波成分の振幅E´は、次式のように求められる。
この式から、基本波の振幅E´は、パルス幅θのサイン(sin)に比例することがわかる。そこで、パルス幅θを変調信号のアークサインに比例して変化させれば、基本波の振幅も変調信号に比例して変化し、振幅変調されたことになる。パルス幅θと変調角周波数pとの関係を次式のように表し、
このようにして求められるRF矩形波W1、W2は、変調信号の増減によって元のRF搬送波V1に対して、図3に示すように、第1のRF矩形波W1がθだけ位相が進み、第2のRF矩形波W2がθだけ位相が遅れるように動作する。この変調信号g(pt)とθとの関係は、
スイッチングアンプ44、45は、電力効率が高いD級のパワーアンプで、第1のスイッチングアンプ44は、PTAM変調器43からの第1のRF矩形波W1をスイッチング増幅し、第2のスイッチングアンプ45は、PTAM変調器43からの第2のRF矩形波W2をスイッチング増幅する。ここで、RF矩形波W1、W2のデューティー比が50%に設定されているのは、増幅が容易だからである。
The switching
出力トランス46は、スイッチングアンプ44、45で増幅されたRF矩形波W1、W2を合成するものである。すなわち、第1のRF矩形波W1と第2のRF矩形波W2との差を取って、図3に示すようなPWM(Pulse Width Modulation、パルス幅変調)波W3を生成する。ここで、PWM波W3のパルス幅Hは、振幅情報信号V2の振幅に応じて大きくなっている。
The
ローパスフィルタ47は、出力トランス46から入力されたPWM波W3の高調波成分を除いて基本波成分のみを取り出し、振幅変調された高周波信号W4を生成、出力するものである。
The low-
以上のPTAM変調部4を組み込んだ構成の高効率デジタル変調送信機1(図1)によれば、OFDM変調器2でOFDM変調されたベースバンド信号が、極座標変換部3によって位相情報信号と振幅情報信号V2とに分けられる。次に、この位相情報信号とキャリア信号とが相関器42によって相関処理されてRF搬送波V1が出力され、PTAM変調器43の搬送波入力は位相変調された波形となる。PTAM変調器43において、RF搬送波V1と振幅情報信号V2とに基づいて、デューティー比が50%で位相が異なる2つのRF矩形波V3、V4が生成される。なお、位相情報に基づいて、RF矩形波V3、V4の位相が同時に変化することになる。
According to the high-efficiency digital modulation transmitter 1 (FIG. 1) configured to incorporate the above
続いて、スイッチングアンプ44、45によってRF矩形波V3、V4がそれぞれスイッチング増幅され、出力トランス46によって2つのRF矩形波V3、V4が合成されて、PWM波V5が生成される。そして、ローパスフィルタ47によってPWM波V5の高調波成分が除去されて、位相変調および振幅変調された高周波信号V6が生成、出力される。
Subsequently, the RF rectangular waves V3 and V4 are respectively switched and amplified by the switching
このように、この高効率デジタル変調送信機1によれば、デューティー比が50%の2系統のRF矩形波V3、V4の位相差を変え、この2系統のRF矩形波V3、V4をスイッチング増幅して合成し、高周波信号V6を生成するため、リニアアンプを使用せずにスイッチングアンプ44、45を使用することができる。この結果、高い電力利用効率(例えば約80%)が得られ、大電力に適用することが容易である。殊に、増幅する前の低電力段のPTAM変調器43(位相変調)により振幅変調を行うため、大電力化に適しており、大電力変調器が不要となる。
Thus, according to the high-efficiency digital modulation transmitter 1, the phase difference between the two RF rectangular waves V3 and V4 having a duty ratio of 50% is changed, and the two RF rectangular waves V3 and V4 are switched and amplified. In order to generate the high-frequency signal V6, the switching
しかも、PTAM方式は(数1)から(数4)よりわかるように、出力振幅はV3、V4の位相差により決まり、スイッチング電力増幅器のデバイス特性にはほとんど依存しないため、高い直線性が得られ、歪補償回路が不要となる。この結果、構成が簡易となって高信頼性化や低コスト化を図ることができる。 In addition, as can be seen from (Equation 1) to (Equation 4), the output amplitude is determined by the phase difference between V3 and V4 and hardly depends on the device characteristics of the switching power amplifier, so that high linearity is obtained. , No distortion compensation circuit is required. As a result, the configuration is simplified, and high reliability and cost reduction can be achieved.
(実施の形態2)
図5は、この発明の実施の形態2に係る高効率デジタル変調送信機を示す概略構成ブロック図である。この実施の形態では、増幅処理部を複数備え、各増幅処理部で発生された高周波信号を合成する電力合成部5を備える点で、実施の形態1と構成が異なり、実施の形態1と同等の構成については、同一符号を付することでその説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a schematic block diagram showing a high-efficiency digital modulation transmitter according to
すなわち、増幅処理部を構成するスイッチングアンプ44、45と出力トランス46とローパスフィルタ47を複数組備え、PTAM変調器43からのRF矩形波V3、V4が各増幅処理部において、それぞれ電力増幅、合成および高調波除去され、位相変調および振幅変調した高周波信号が発生される。そして、これらの高周波信号が電力合成部5で合成されるため、より大電力化することができるものである。
That is, a plurality of sets of switching
以上、本発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、OFDM方式のマルチキャリアの場合について説明したが、QPSK方式やQAM(Quadrature Amplitude Modulation)方式などのシングルキャリアのデジタル変調方式であってもよい。また、2系統の矩形波をスイッチング電力増幅する場合について説明したが、2系統の正弦波をスイッチング電力増幅してもよい。 The embodiment of the present invention has been described above, but the specific configuration is not limited to the above embodiment, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention, Included in the invention. For example, in the above embodiment, the case of the OFDM multicarrier has been described, but a single carrier digital modulation method such as a QPSK method or a QAM (Quadrature Amplitude Modulation) method may be used. Moreover, although the case where two systems of rectangular waves are amplified with switching power has been described, two systems of sine waves may be amplified with switching power.
1 高効率デジタル変調送信機
2 OFDM変調器
3 極座標変換部(変換部)
4 PTAM変調部
41 キャリア信号発生器
42 相関器(ミキサー)
43 PTAM変調器
44、45 スイッチングアンプ
46 出力トランス
47 ローパスフィルタ
5 電力合成部
V1 RF搬送波(位相変調波)
V2 振幅情報信号
1 High-efficiency
4
43
V2 amplitude information signal
Claims (4)
前記位相情報信号を高周波に変換するミキサーと、
前記高周波と前記振幅情報信号に基づいて相対的な位相差を加えたデューティー比50%の2系統の高周波矩形波を生成するPTAM変調器と、
該2系統の矩形波をスイッチング電力増幅して合成し、高調波を除去して位相変調および振幅変調した高周波信号を発生させる増幅処理部と、
を備えることを特徴とする高効率デジタル変調送信機。 A converter that divides the input digital modulation baseband signal into a phase information signal and an amplitude information signal;
A mixer for converting the phase information signal into a high frequency;
A PTAM modulator that generates two high-frequency rectangular waves with a duty ratio of 50%, to which a relative phase difference is added based on the high-frequency and the amplitude information signal;
An amplification processing unit that generates a high-frequency signal that is phase-modulated and amplitude-modulated by combining the two systems of rectangular waves by amplifying switching power and removing harmonics;
A high-efficiency digital modulation transmitter characterized by comprising:
The high-efficiency digital modulation transmitter according to any one of claims 1 to 3, wherein the two high-frequency waves generated by the PTAM modulator are sinusoidal waves.
Priority Applications (1)
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