JP2019057878A - 直交変調器におけるキャリアリーク補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模や回路面積の増大を抑制しつつ、高精度にキャリアリークを補正することができる、直交変調器におけるキャリアリーク補正方法を提供する。【解決手段】周波数fBBのテスト信号を送信器１００に入力して周波数fLOでアップコンバートし、また、周波数fLOでダウンコンバートする。ダウンコンバートしたテスト信号において、周波数2fBBの成分を検出する。テスト信号において、検出した周波数2fBBの成分の大きさを小さくするように、送信器１００の１つあるいは複数のパラメータを調節する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、直交変調器におけるキャリアリーク補正方法に関する。

携帯電話などの移動通信端末においては、直交するベースバンド信号で搬送波（キャリア）を変調する直交変調方式が広く用いられている。直交変調方式では、直交変調器のＩ／Ｑベースバンド信号にＤＣオフセットが含まれていると、「キャリアリーク」と呼ばれる不要な搬送波成分が出力される。信号に対するキャリアリークの割合が大きいと、変調制度の低下や、復調器側での復調誤りが増大する要因となる。

これを抑制するため、所望の信号成分に対するキャリアリーク成分の大きさを包絡線検波にて監視し、それらの成分が小さくなるようにフィードバック制御を行う方法が提案されている。

しかしながら、包絡線検波にてキャリアリーク成分の大きさを監視してフィードバック制御を行う場合、包絡線検波器、ＤＣカット用のハイパスフィルタ、レベル調整のための可変増幅器、単相信号を検出可能なＡＤＣを搭載する必要がある。このため、直交変調器の回路規模や回路面積が増大してしまい、装置が大型化してしまうという問題があった。

米国特許第７８３１２２０号公報

本実施形態は、回路規模や回路面積の増大を抑制しつつ、高精度にキャリアリークを補正することができる、直交変調器におけるキャリアリーク補正方法を提供することを目的とする。

本実施形態のるキャリアリーク補正方法は、第１の周波数のテスト信号を送信器に入力して第２の周波数でアップコンバートし、前記アップコンバートしたテスト信号を、前記第２の周波数でダウンコンバートする。そして、前記ダウンコンバートしたテスト信号において、前記第１の周波数の２倍の周波数成分を検出する。更に、前記テスト信号において、前記検出した第１の周波数の２倍の周波数成分の大きさを小さくするように、前記送信器の１つあるいは複数のパラメータを調節する。

本実施形態に係わる直交変調器を含む、無線通信器の構成の一例を示す概略ブロック図。 キャリアリーク補正回路２ｂの詳細な構成の一例を示す回路図。 各信号の周波数分布を示す図。 キャリアリーク補正制御部１０の構成の一例を示すブロック図。 相関演算器２２の詳細な構成の一例を示すブロック図。 直交変調器におけるキャリアリーク補正手順の一例を説明するフローチャート。 本実施形態に係わる直交変調器を含む、無線通信器の別の構成の一例を示す概略ブロック図。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に係わる直交変調器を含む、無線通信器の構成の一例を示す概略ブロック図である。直交変調器は、例えば、無線送信器であり無線受信器でもある無線通信器内に設けられる。無線通信器は、テスト信号生成回路１と、送信部１００と、電力増幅器１２と、アンテナ１３と、低雑音増幅器（以下、ＬＮＡと略す）１４と、ローカル発信器６と、受信部２００と、キャリアリーク補正制御部１０とを有している。

送信部１００は、デジタル変調器１１と、キャリアリーク補正回路２ａと、デジタルアナログコンバータ（以下、ＤＡＣと略す）３と、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと略す）４と、直交変調器５とから主に構成される。

受信部２００は、直交復調器７と、アナログデジタルコンバータ（以下、ＡＤＣと略す）８と、受信用ＩＱミスマッチ補正回路９と、受信デモジュレータ１５とから主に構成される。

テスト信号生成回路１は、キャリアリーク補正時において、直交変調器のキャリアリーク補正に用いるテスト信号を生成し、キャリアリーク補正回路２ａに出力する。テスト信号は、アンテナ１３から無線伝送される電波（搬送波）と同じ位相（同相成分）であるデジタルＩ信号（周波数f_BB）と、搬送波と直交する位相（直交成分）のデジタルＱ信号（周波数f_BB）とから構成される。

デジタル変調器１１は、通常の無線通信時において、入力された送信データ列に基づいて、搬送波の同相成分のデジタルＩ信号（周波数f_BB）と、搬送波の直交成分のデジタルＱ信号（周波数f_BB）とを生成し、キャリアリーク補正回路２ａに出力する。

キャリアリーク補正回路２ａは、入力されるデジタルＩ信号とデジタルＱ信号とに対し、キャリアリークの補正を行う。なお、キャリアリークとは、主に、ベースバンド信号（送信信号であるＩ信号とＱ信号）におけるＤＣオフセットにより生じる、不要な信号成分である。キャリアリーク補正回路２ａは、キャリアリーク補正制御部１０から入力される制御信号に従い、Ｉ信号、及び／又は、Ｑ信号の値を調整する。調整後のデジタルＩ信号とデジタルＱ信号とは、ＤＡＣ３に出力される。

なお、キャリアリーク補正回路２ａは、送信ＩＱミスマッチ補正機能も有する。なお、ＩＱミスマッチとは、Ｉ信号とＱ信号の振幅差や位相差に起因する正規直交性の損失である。ＩＱミスマッチが存在すると、不要な信号成分（イメージ成分）が生ずるため、変調信号の品質が低下する。キャリアリーク補正回路２ａは、入力信号に対し、キャリアリークの補正を行った後、公知の手法を用いて送信ＩＱミスマッチ補正を行う。

ＤＡＣ３は、デジタルＩ信号をアナログＩ信号に、デジタルＱ信号をアナログＱ信号にそれぞれ変換し、ＬＰＦ４に出力する。なお、送信部１００には、アナログ信号に対するキャリアリークの補正を行う、キャリアリーク補正回路２ｂを設けてもよい。キャリアリーク補正回路２ｂが設けられている場合、ＤＡＣ３は、キャリアリーク補正回路２ｂに対して変換後のアナログＩ信号、アナログＱ信号を出力する。

キャリアリーク補正回路２ｂは、入力されるアナログＩ信号とアナログＱ信号とに対し、キャリアリークの補正を行う。図２は、キャリアリーク補正回路２ｂの詳細な構成の一例を示す回路図である。キャリアリーク補正回路２ｂは、例えば、２つの電流源２０１、２０２を備えている。キャリアリーク補正制御部１０から入力される制御信号に従い、電流源２０１、２０２から出力する電流の値を調整し、Ｉ信号、及び／又は、Ｑ信号に対し、補正用の電流を注入する。調整後のアナログＩ信号とアナログＱ信号とは、ＬＰＦ４において不要な高周波成分がカットされた後、直交変調器５に入力される。

なお、キャリアリーク補正回路２ｂが設けられていない無線通信器では、ＤＡＣ３から出力されたアナログＩ信号とアナログＱ信号とは、ＬＰＦ４において不要な高周波成分がカットされた後、直交変調器５に入力される。

直交変調器５は、ＬＰＦ４から入力される調整後のベースバンド信号の他に、搬送波信号を生成するローカル信号（周波数f_LO）が、ローカル発信器６から入力される。直交変調器５は、ローカル信号の位相を９０度シフトする位相器（図示せず）を有している。入力されたアナログＩ信号とローカル信号とを乗算し、また、入力されたアナログＱ信号とローカル信号を位相器によって９０度位相をシフトした信号とを乗算する。これらの乗算された信号を加算することで、ベースバンド信号をアップコンバートし、変調信号を生成する。

直交変調器５で生成された変調信号は、パワーアンプ１２と、受信部２００の直交復調器７とに入力される。通常の無線通信時において、デジタル変調器１１から供給されたベースバンド信号は、パワーアンプ１２に入力される。パワーアンプ１２に出力された変調信号は、必要な出力値まで増幅された後、アンテナ１３から無線伝送される。キャリアリーク補正時において、テスト信号生成回路１から供給されたベースバンド信号は、受信部２００の直交復調器７に入力される。

直交復調器７は、入力された変調信号を、ローカル発信器６から入力されるローカル信号（周波数f_LO）を用いてダウンコンバートし、アナログＩ信号とアナログＱ信号とを生成する。通常の無線通信時においては、アンテナ１３で受信した信号をＬＮＡ１４において低雑音で増幅した変調信号が直交復調器７に入力される。また、キャリアリーク補正時においては、直交変調器５で生成された変調信号が直交復調器７に入力される。

直交復調器７には、変調信号の他に、ローカル信号（周波数f_LO）がローカル発信器６から入力される。直交復調器７は、ローカル信号の位相を９０度シフトする位相器（図示せず）を有している。変調信号とローカル信号とを乗算することで、変調信号の同相成分のアナログＩ信号を生成し、ＡＤＣ８に出力する。また、変調信号とローカル信号を位相器によって９０度位相をシフトした信号とを乗算することで、変調信号の直交成分のアナログＱ信号を生成し、ＡＤＣ８に出力する。

ＡＤＣ８は、アナログＩ信号をデジタルＩ信号に、アナログＱ信号をデジタルＱ信号にそれぞれ変換し、受信用ＩＱミスマッチ補正回路９に出力する。受信用ＩＱミスマッチ補正回路９は、直交復調器７や、受信部２００におけるＩ信号の経路とＱ信号の経路との間における特性差に起因する、ＩＱミスマッチを補正する。ＩＱミスマッチの補正は、公知の手法を用いて行うことができる。

受信用ＩＱミスマッチ補正回路９で補正されたデジタルＩ信号とデジタルＱ信号とは、受信デモジュレータ１５と、キャリアリーク補正制御部１０とに入力される。通常の無線通信時において、アンテナ１３で受信した変調信号を復調したＩ信号とＱ信号は、受信デモジュレータ１５に入力される。キャリアリーク補正時において、テスト信号生成回路１から供給されたベースバンド信号から生成した変調信号を復調したＩ信号とＱ信号は、キャリアリーク補正制御部１０に入力される。

キャリアリーク補正制御部１０は、入力されたＩ信号とＱ信号において、キャリアリークのレベルに比例する周波数成分を抽出し、同周波数成分が極小になるように、キャリアリーク補正回路２ａ、２ｂに対して制御信号を入力する。

図３は、各信号の周波数分布を示す図である。図３（ａ）は、キャリアリーク成分を有する直交変調後の変調信号の周波数分布を示す。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す変調信号を入出力特性が非線形な回路に入力した際に生じる周波数分布を示す。更に、図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す変調信号を復調した際のＩ／Ｑ信号の周波数分布を示す。

図３（ａ）に示すように、ＩＱミスマッチがなく、キャリアリーク成分のみを有するベースバンド信号を直交変調した変調信号は、周波数f_LO＋f_BBに補正信号１０１、周波数f_LOにキャリアリークに起因する成分１０２が存在する。

一般的に、二つの異なる周波数の信号を、入出力特性が非線形な回路に入力すると、相互変調歪（Inter Modulation Distortion、以下、ＩＭＤと略す）が生じる。結果として、これらの入力信号の周波数とは異なる周波数に、ＩＭＤに起因する成分が発生する。

周波数f₁の信号s₁(t)=A₁cos2πf₁tと、周波数f₂の信号s₂(t)=A₂cos2πf₂tとからなる入力信号x(t)= s₁(t)+ s₂(t)を、非線形な回路に入力すると、出力信号y(t)は、以下の（１）式ようにあらわされる。

…（１）式
（１）式において、第４項が３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）となる。

直交変調器５は、完全に線形な入出力特性を実現することは難しく、出力信号にはある程度の歪みが生じてしまう。従って、s₁(t)が周波数f_LO＋f_BBの補正信号、s₂(t)が周波数f_LOのキャリアリークに起因する信号とすると、直交変調器５からの出力信号の３次歪成分（ＩＭＤ３）は、3f_LO＋2f_BB（=2f₁+f₂）、f_LO＋2f_BB（=2f₁−f₂）、3f_LO＋f_BB（=2f₂+f₁）、f_LO−f_BB（=2f₂−f₁）の４つの周波数にあらわれる。このうち、3f_LO＋2f_BBと3f_LO＋f_BBとは、高周波数帯域に存在するので、図示しないＬＰＦなどによって、直交変調器５から出力された変調信号からカットされる。

従って、直交復調器７に入力される変調信号の周波数分布は、図３（ｂ）に示すようになる。すなわち、周波数f_LO＋f_BBの補正信号１０１、周波数f_LOのキャリアリークに起因する成分１０２に加え、周波数f_LO＋2f_BBと周波数f_LO−f_BBに３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）１０３ａ、１０３ｂが存在する。

図３（ｂ）に示す特性を有する変調信号を、直交復調器７でダウンコンバートすると、図３（ｃ）に示す周波数分布を有するＩ信号、及びＱ信号が生成される。すなわち、Ｉ信号、及びＱ信号には、それぞれ、周波数f_BBに補正信号１０１と３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）１０３ｂ、周波数2f_BBに３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）１０３ａ、周波数DCにキャリアリークに起因する成分１０２が存在する。

なお、送信部１００におけるＤＣオフセットと同様に、受信部２００においてもＤＣオフセットが生じる。受信部２００におけるＤＣオフセットに起因する成分１０４は、送信部１００のＤＣオフセットに起因するキャリアリーク成分１０２と同様に、周波数DCにあらわれる。

すなわち、キャリアリーク補正制御部１０には、図３（ｃ）に示す周波数分布を有するＩ信号、及び、Ｑ信号が入力される。キャリアリークを低減する直接的な方法としては、受信部２００におけるＤＣオフセットを予め測定しておき、周波数ＤＣにおける信号値から差し引くことで、キャリアリークに起因する成分１０２を検出し、この成分を極小にするように制御することが考えられる。しかし、この方法を用いた場合、回路を構成するトランジスタ素子から発生するフリッカー雑音（１／ｆ雑音）の影響によって、キャリアリーク成分１０２の検出精度が低下してしまうという問題がある。

そこで、本実施形態においては、周波数2f_BBにあらわれる３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）１０３ａの値が、補正信号１０１とキャリアリークに起因する成分１０２との積に比例する、すなわち、キャリアリーク成分１０２に比例することを利用し、周波数2f_BBにあらわれる３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）１０３ａの値を極小にするように、キャリアリーク補正回路２ａ、２ｂに対して制御を行う。

図４は、キャリアリーク補正制御部１０の構成の一例を示すブロック図である。キャリアリーク補正制御部１０は、相関演算器２２と探索制御部２１とを有する。

相関演算器２２は、入力信号から周波数2f_BBの成分の大きさを検出する。図５は、相関演算器２２の詳細な構成の一例を示すブロック図である。相関演算器２２は、ＮＣＯ(Numerically Controlled Oscillator)数値制御発信器２２２と、乗算器２２１と、積分器２２３と、絶対値演算器２２４とから構成される。

ＮＣＯ数値制御発信器２２２は、周波数2f_BBの正弦波を生成し、乗算器２２１に出力する。乗算器２２１は、受信用ＩＱミスマッチ補正回路９から出力されたＩ信号、及びＱ信号と、入力された周波数2f_BBの正弦波とを乗算し、積分器２２３に出力する。積分器２２３は、入力された信号を、2f_BBの周期の倍数で積分を行う。積分された値は、絶対値演算器２２４に入力され、周波数2f_BBの成分の大きさが算出され、出力される。

なお、相関演算器２２の構成は、図５に示す構成に限定されず、公知の他の構成でもよい。また、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）など、相関演算以外の他の手法を用いて、周波数2f_BBの成分の大きさを検出してもよい。

探索制御部２１は、相関演算器２２から入力された周波数2f_BBの成分の大きさをモニタし、同成分の大きさが極小になるように、送信部１００における１つ、あるいは複数のパラメータの値を調節し、キャリアリーク補正回路２ａ、２ｂに対して制御指示する。周波数2f_BBの成分が極小となるパラメータを決定する手法としては、例えば、二分探索法や、山登り法など、公知の手法を用いて行う。

次に、このように構成された無線通信器における、キャリアリーク補正方法について説明する。図６は、直交変調器におけるキャリアリーク補正手順の一例を説明するフローチャートである。

まず、テスト信号生成回路１において、周波数f_BBのテスト信号（ベースバンド信号）を生成し、送信部１００に入力する（Ｓ１）。入力されたテスト信号は、キャリアリーク補正回路２ａ、ＤＡＣ３、（キャリアリーク補正回路２ｂ、）ＬＰＦ４で所定の処理を施された後、直交変調器５に入力される。直交変調器５において、テスト信号は、周波数f_LOのローカル信号を用いてアップコンバートされる（Ｓ２）。

アップコンバートされたテスト信号は、直交復調器７に入力され、周波数f_LOのローカル信号を用いてダウンコンバートされる（Ｓ３）。ダウンコンバートされたテスト信号は、ＡＤＣ８、受信用ＩＱミスマッチ補正回路９で所定の処理を施された後、キャリアリーク補正制御部１０に入力される。そして、キャリアリーク補正制御部１０において、周波数2f_BBの成分の値がモニタされる（Ｓ４）。

キャリアリーク補正制御部１０は、モニタした周波数2f_BBの成分の値が極小になるように、送信部１００における１つ、あるいは複数のパラメータの値を調節し、キャリアリーク補正回路２ａ（、２ｂ）に対してフィードバック制御を行う（Ｓ５）。

キャリアリーク補正制御部１０において、周波数2f_BBの成分の値が極小であると判定されるまでの間、キャリアリーク補正回路２ａ（、２ｂ）は、制御指示に従って、送信部１００の各パラメータの値を逐次設定し、入力されるテスト信号の処理を行う。Ｓ５において、周波数2f_BBの成分の値が極小であると判定された時点で、送信部１００におけるパラメータの値を確定し、キャリアリーク補正の一連の手順を終了する。

このようにしてキャリアリーク補正が施された後、送信部１００へ入力するベースバンド信号の入力元を、テスト信号生成回路１からデジタル変調器１１に切り替えて、通常の無線通信を行う。

このように、本実施形態によれば、従来の無線通信器に対し、周波数2f_BBの成分を検出し、同成分が極小になるように送信部に対してパラメータ制御指示を行う、キャリアリーク補正制御部を付加するのみで、キャリアリーク補正を行っている。すなわち、アップコンバートされたテスト信号に３次歪を発生させる機構や、３次歪を生じさせたテスト信号をダウンコンバートする機構は、従来の無線通信器に搭載されている回路を流用しているので、回路規模や回路面積の増大を抑制し、装置の大型化を防ぐことができる。

また、周波数DCではなく、周波数2f_BBの成分でキャリアリーク成分の大きさを検出しているので、フリッカー雑音の影響を排除することができ、精度よくキャリアリーク補正を行うことができる。

なお、振幅誤差や位相誤差によるＩＱミスマッチが生じている場合、これに起因するイメージ成分は、変調信号の周波数f_LO−f_BBにあらわれる。この周波数は、３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）１０３ｂがあらわれる周波数と同じである。しかしながら、周波数f_LO＋2f_BBにあらわれる３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）１０３ａを用いてキャリアリーク補正を行うため、ＩＱミスマッチが生じていても補正精度にはなんら影響を及ぼさない。

一方、キャリアリーク補正を行うことで、周波数f_LO−f_BBにあらわれる３次の相互変調歪成分（ＩＭＤ３）１０３ｂを極小にすることができる。すなわち、キャリアリーク補正後に周波数f_LO−f_BBにあらわれる成分は、ＩＱミスマッチ起因の成分であるといえる。従って、キャリアリーク補正後に、周波数f_LO−f_BBにあらわれる成分をモニタしながらＩＱミスマッチを補正することで、ＩＱミスマッチも精度よく補正することができる。このため、上述のように、キャリアリーク補正回路２ａ、２ｂでは、キャリアリーク補正後に、送信ＩＱミスマッチ補正が行われる。

なお、上述では、既存の送信部１００における各回路の非線形性を用いて、自然に変調信号に生ずる歪を利用しているが、歪みを生じさせる機構を既存の回路に付加してもよい。図７は、本実施形態に係わる直交変調器を含む、無線通信器の別の構成の一例を示す概略ブロック図である、図７に示す無線通信器は、図１に示す構成要素に加え、ドライバアンプ１６と、切替スイッチ１７と、歪み発生器１８とを更に備える。

通常の無線通信時は、切替スイッチ１７はオフに設定され、直交変調器５から出力された変調信号は直交復調器７にフィードバックされない。キャリアリーク補正時のみ、切替スイッチ１７はオンに設定され、テスト信号生成回路１から出力されたテスト信号をアップコンバートして生成された変調信号が、歪み発生器１８を介して直交復調器７に入力される。

歪み発生器１８により、変調信号の歪成分を大きくすることができるので、キャリアリーク補正制御部１０で検出する周波数2f_BBの成分が大きくなり、補正精度を向上させることができる。なお、歪み発生器１８だけでなく、直交変調器５やドライバアンプ１６にて歪を増加させるように構成してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、一例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…テスト信号生成回路、２ａ、２ｂ…キャリアリーク補正回路、３…ＤＡＣ、４…ＬＰＦ、５…直交変調器、６…ローカル発信器、７…直交復調器、８…ＡＤＣ、９…ミスマッチ補正回路、１０…キャリアリーク補正制御部、１１…デジタル変調器、１２…パワーアンプ、１３…アンテナ、１４…ＬＮＡ、１５…受信デモジュレータ、１６…ドライバアンプ、１７…切替スイッチ、１８…歪み発生器、２１…探索制御部、２２…相関演算器、１００…送信部、１０１…補正信号、１０２…キャリアリーク成分、１０３ａ、１０３ｂ…ＩＭＤ成分、１０４…ＤＣ成分、２００…受信部、２０１…電流源、２２１…乗算器、２２２…ＮＣＯ数値制御発信器、２２３…積分器、２２４…絶対値演算器

Claims (4)

1. 第１の周波数のテスト信号を送信器に入力して第２の周波数でアップコンバートし、
   前記アップコンバートしたテスト信号を、前記第２の周波数でダウンコンバートし、
   前記ダウンコンバートしたテスト信号において、前記第１の周波数の２倍の周波数成分を検出し、
   前記テスト信号において、前記検出した第１の周波数の２倍の周波数成分の大きさを小さくするように、前記送信器の１つあるいは複数のパラメータを調節する、
   直交変調器におけるキャリアリーク補正方法。
2. 前記送信器を調整して、前記アップコンバートしたテスト信号の歪成分を大きくした後に、前記第２の周波数でダウンコンバートする、請求項１に記載の直交変調器におけるキャリアリーク補正方法。
3. 前記アップコンバートしたテスト信号を、歪発生器を用いて歪成分を大きくした後に、前記第２の周波数でダウンコンバートする、請求項１に記載の直交変調器におけるキャリアリーク補正方法。
4. 前記検出した第１の周波数の２倍の周波数成分の大きさを小さくするように、前記送信器の１つあるいは複数のパラメータを調節した後に、前記送信器におけるＩＱミスマッチの補正を行う、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の直交変調器におけるキャリアリーク補正方法。

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