JP3802546B2

JP3802546B2 - パワーアンプ歪み補正回路及び方法

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Publication number: JP3802546B2
Application number: JP2004324358A
Authority: JP
Inventors: 孝二土江
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2005051823A

Description

本発明は、マルチキャリア変調方式を用いた通信機器の受信装置に関し、特に、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing: 直交周波数分割多重）変調方式を用いた通信機器に使用される。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）は、周波数利用効率が高く、さらに、マルチパスに強いという特徴を持っており、地上波デジタルテレビジョン放送や無線LANの伝送方式として採用されるなど、近年、非常に注目を集めている。

ＯＦＤＭ方式は、互いに直交する複数キャリア（搬送波）にデータを割り当てて、変調及び復調を行うもので、送信側では、逆ＦＦＴ（Fast Fourier Transform: 高速フーリエ変換）処理を必要とし、受信側では、ＦＦＴ処理を必要とするなど、ＯＦＤＭ送受信機の構成は、大変複雑なものとなるが、昨今のＬＳＩ技術の発展により、その実現は、現実的なものとなっている。

図９は、マルチキャリア変調信号送信装置の一例を示している。

通信路符号化部１では、送信データに対して、通信路符号化処理が行われる。通信路符号化処理としては、例えば、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）符号を用いた誤り検出処理や、畳み込み符号を用いた誤り訂正処理などがある。

インターリーブ（Interleaving）部２では、バースト誤りを分散させ、誤り系列をランダムにして、誤り訂正の効果をより有効に発揮させるため、データの順番の変更処理が行われる。また、送信データは、直列／並列変換器により、複数のサブキャリアからなるシンボル列に変換された後、マッピング部３に入力される。

マッピング部３では、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）やＱＡＭ (Quadrature Amplitude Modulation) などの変調方式に応じて、入力データをI（実数）成分とＱ（虚数）成分に分け、搬送波の振幅や位相を決める。I成分は、周波数軸上の複素数の実部に相当し、Ｑ成分は、周波数軸上の複素数の虚部に相当する。

ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform: 逆フーリエ変換）部４では、I成分及びＱ成分の信号が周波数帯から時間帯に変換される。また、それら信号は、並列／直列変換器により、時系列データに変換される。ＧＩ（Guard Interval）付加部５では、遅延波による妨害を軽減させる目的で、送信データにガードインターバルが付加される。

ガードインターバルが付加された送信データは、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）部６においてフィルタ処理が行われる。また、ＩＱ変調部（直交変調）７では、送信データに対して直交変調が行われる。

乗算回路（ミキサ）８では、送信データは、ローカルオシレータ１２Ａで生成されるクロック信号により無線周波数帯に移される。パワーアンプ９は、乗算回路８の出力データに基づいて、アンテナ１０Ａを駆動する。アンテナ１０Ａからは、ＯＦＤＭ信号が送信される。

図１０は、従来のマルチキャリア変調信号受信装置の一例を示している。

アンテナ１０Ｂにおいて受信されたＯＦＤＭ信号は、低ノイズアンプ１１、乗算回路（ミキサ）１３及びＡＧＣ( Auto Gain Control )回路１４を経由して、ＩＱ検出部１５に入力される。受信データの周波数は、ローカルオシレータ１２Ｂで生成されるクロック信号により決定される。

ＩＱ検出部１５では、受信されたＯＦＤＭ信号からＩ（実数）成分とＱ（虚数）成分が検出される。また、ＩＱ検出部１５、ＡＦＣ( Auto Frequency control )回路１６及びオシレータ１７から構成されるループにより、Ｉ成分及びＱ成分の各々について、周波数の調整が行われる。

ＧＩ( Guard Interval )除去部１８では、送信側で付加されたガードインターバルが除去される。ＦＦＴ( Fast Fourier Transfer: フーリエ変換)部１９では、受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）が時間帯から周波数帯に変換される。ＦＦＴ部１９から出力される受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）は、ＯＦＤＭ信号の各サブキャリアの位相と振幅を表している。

ＦＦＴ部１９から出力される受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）は、等化・誤り処理部２０に入力される。等化・誤り処理部２０は、等化部２１及び誤り処理部２２から構成される。

等化部２１には、ＯＦＤＭ信号の各サブキャリアが入力される。等化部２１では、サブキャリアごとに等化処理が行われる。等化部２１は、図１１に示すように、伝送路補正部２３と位相回転補正部２４とから構成される。伝送路補正部２３では、伝送路特性の補正が行われ、位相回転補正部２４では、周波数オフセットや送信装置と受信装置との間のクロック誤差などによって生じる位相回転の補正が行われる。

等化処理が行われた各サブキャリアは、誤り処理部２２に入力される。誤り処理部２２では、送信側で行われた通信路符号化処理に応じて誤り訂正・検出処理が行われる。送信側で誤り訂正のための符号化及び誤り検出のための符号化が行われている場合は、誤り処理部２２は、図１２に示すように、誤り訂正部２５と誤り検出部２６とから構成される。

誤り訂正部２５では、訂正可能な誤りの訂正が行われる。誤り検出部２６では、誤り訂正部２５で訂正しきれなかった誤りの検出が行われる。誤り検出部２６は、誤りが検出されなかったときに、受信成功の判定を行ない、誤りが検出されたときに、受信失敗の判定を行う。

例えば、５ＧＨｚ帯無線ＬＡＮにおいては、誤り訂正部２５の誤り訂正処理として、ビタビ復号が使用され、誤り検出部２６の誤り検出処理として、ＣＲＣ( Cyclic Redundancy Check )符号を用いた誤り検出が行われる。

図１０及び図１１に示すように、従来のマルチキャリア変調信号受信装置では、等化部２１内の伝送路補正部２３において伝送路特性の補正が行われ、等化部２１内の位相回転補正部２４において位相回転の補正が行われる。

しかし、従来の等化部２１は、送信側パワーアンプ（図９の「９」）によって送信データに歪みが発生する場合、この歪み（パワーアンプ歪み）に対する補正を行うことができない。ＯＦＤＭ通信方式では、数多くのサブキャリアを重ね合わせた送信データが使用されるため、ピーク対平均電力比が大きく、送信側パワーアンプによりパワーアンプ歪みが発生する可能性が高い。

パワーアンプ歪みが存在する場合、サブキャリア間の干渉が生じ、受信装置における受信失敗の判定が多くなり、通信品質の劣化の原因となる。

一方、送信側パワーアンプの入力バックオフ量を大きくすることで、パワーアンプ歪みを小さくすることもできる。しかし、大きな入力バックオフ量を持つパワーアンプは、電力を大量に消費するという問題がある。この場合、送信装置の消費電力のうちの大半は、パワーアンプの消費電力となる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、その目的は、受信装置にパワーアンプ歪みを補正する機能を付加することにより、送信側パワーアンプの消費電力を大きくしなくても、受信成功の確率を高くでき、通信品質の向上を実現できる受信装置を提案することにある。

本発明の例に関わるパワーアンプ歪み補正回路は、受信データを硬判定して硬判定データを出力する硬判定部と、前記受信データと前記硬判定データとの差分を検出する減算部と、前記差分に基づいて、送信機内のパワーアンプで生じるパワーアンプ歪みを抽出する歪み抽出部と、前記パワーアンプ歪みを取り除く補正データを前記受信データに加算する加算部とを備える。

前記歪み抽出部は、前記差分を周波数軸上から時間軸上に移す逆フーリエ変換部と、前記時間軸上における前記差分に基づいて前記パワーアンプ歪みを抽出するフィルタ部と、前記パワーアンプ歪みを前記時間軸上から前記周波数軸上に移すフーリエ変換部とから構成される。

本発明の例に関わるパワーアンプ歪み補正方法は、受信データを硬判定して硬判定データを出力するステップと、前記受信データと前記硬判定データとの差分を検出するステップと、前記差分に基づいて、送信機内のパワーアンプで生じるパワーアンプ歪みを抽出するステップと、前記パワーアンプ歪みを取り除く補正データを前記受信データに加算するステップとを備える。

前記パワーアンプ歪みを抽出するステップは、前記差分を周波数軸上から時間軸上に移すステップと、前記時間軸上における前記差分に基づいてフィルタリングにより前記パワーアンプ歪みを抽出するステップと、前記パワーアンプ歪みを前記時間軸上から前記周波数軸上に移すステップとから構成される。

本発明の例によれば、受信装置にパワーアンプ歪みを補正する機能を付加することにより、送信側パワーアンプの消費電力を大きくしなくても、受信成功の確率を高くでき、通信品質の向上を実現できる受信装置を提案できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の例に関わるマルチキャリア変調信号受信装置の例について詳細に説明する。

図１は、本発明のマルチキャリア変調信号受信装置の一例を示している。

本発明の受信装置の特徴は、等化・誤り処理部２０にある。等化部２１は、伝送路補正と位相回転補正のみを行った受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）と、これらの補正に加えて、パワーアンプ歪みの補正を行った受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）とを出力する。

これら２つの受信データに関しては、誤り処理部２２Ａ，２２Ｂにおいて、それぞれ別個に、誤り訂正処理及び誤り検出処理が行われる。そして、誤り処理部２２Ａにおける判定結果と誤り処理部２２Ｂにおける判定結果とに基づいて、受信成功／失敗の判定を行う。

つまり、選択部２７は、両判定のいずれか一方が受信成功であるときは、最終的な判定を受信成功とみなし、その受信成功と判定された受信データを選択して、これを出力する。選択部２７は、両判定が共に受信成功であるときは、最終的な判定を受信成功とみなし、２つの受信データのいずれか一方を選択して、これを出力する。

また、選択部２７は、両判定が共に受信失敗であるときは、最終的な判定を受信失敗とみなし、受信データを出力しない。

このような構成にすることで、送信側パワーアンプの消費電力を大きくしなくても、受信成功の確率を高くでき、通信品質の向上を実現できる。

以下、本発明のマルチキャリア変調信号受信装置を具体的に説明する。

ＦＦＴ部１９から出力される受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）は、等化・誤り処理部２０に入力される。等化・誤り処理部２０は、等化部２１、誤り処理部２２Ａ，２２Ｂ及び選択部２７から構成される。

等化部２１には、ＯＦＤＭ信号の各サブキャリアが入力される。等化部２１では、サブキャリアごとに等化処理が行われる。

等化部２１は、図２に示すように、伝送路補正部２３、位相回転補正部２４及びパワーアンプ歪み補正部２８から構成される。

伝送路補正部２３では、伝送路特性の補正が行われ、位相回転補正部２４では、周波数オフセットや送信装置と受信装置との間のクロック誤差などによって生じる位相回転の補正が行われる。パワーアンプ歪み補正部２８では、送信側パワーアンプで生じる歪みの補正が行われる。

等化処理が行われた各サブキャリアは、誤り処理部２２Ａ，２２Ｂに入力される。誤り処理部２２Ａには、伝送路補正及び位相回転補正を行った受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）が入力される。誤り処理部２２Ｂには、伝送路補正、位相回転補正及びパワーアンプ歪み補正を行った受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）が入力される。

誤り処理部２２Ａは、図３に示すように、誤り訂正部２５Ａと誤り検出部２６Ａとから構成され、誤り処理部２２Ｂは、図３に示すように、誤り訂正部２５Ｂと誤り検出部２６Ｂとから構成される。

誤り訂正部２５Ａ，２５Ｂでは、訂正可能な誤りの訂正が行われる。誤り検出部２６Ａ，２６Ｂでは、誤り訂正部２５Ａ，２５Ｂで訂正しきれなかった誤りの検出が行われる。誤り検出部２６Ａ，２６Ｂは、誤り訂正部２５Ａ，２５Ｂで訂正しきれなかった誤りが存在しないときに、受信成功の判定を行い、誤り訂正部２５Ａ，２５Ｂで訂正しきれなかった誤りが存在するときに、受信失敗の判定を行う。５ＧＨｚ帯無線ＬＡＮにおいては、例えば、誤り訂正部２５Ａ，２５Ｂの誤り訂正処理として、ビタビ復号が使用され、誤り検出部２６Ａ，２６Ｂの誤り検出処理として、ＣＲＣ符号を用いた誤り検出が行われる。

選択部２７は、誤り処理部２２Ａにおける判定結果と誤り処理部２２Ｂにおける判定結果とに基づいて、最終的な受信成功／失敗の判定を行う。

図４は、パワーアンプ歪み補正部の具体例を示している。

パワーアンプ歪みの補正は、受信データからパワーアンプ歪みを抽出し、受信データに、このパワーアンプ歪みを加算することにより行う。

差分検出部４１は、硬判定( hard decision )部３１及び減算部３２から構成される。歪み抽出部４２は、ＩＦＦＴ( Invert Fast Fourier Transfer: 逆フーリエ変換 )部３３、フィルタ部３４及びＦＦＴ( Fast Fourier Transfer: フーリエ変換 )部３５から構成される。歪み抽出部４２は、データを時間帯でフィルタリング処理して、実際にパワーアンプ歪みを求める部分である。補正部４３は、加算部３６から構成される。

硬判定部３１は、受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）を硬判定し、硬判定データを出力する。減算部３２は、硬判定データと受信データとの差分を計算する。また、ＩＦＦＴ部３３は、減算部３２の出力データ（差分結果）を周波数帯から時間帯に変換する。

パワーアンプ歪みは、ＩＦＦＴ部３３の出力データをフィルタ部３４によりフィルタリングすることで抽出される。フィルタ部３４は、例えば、所定値よりも小さい値を零にする閾値判定回路から構成される。

フィルタ部３４において抽出されたパワーアンプ歪みは、ＦＦＴ部３５において時間帯から周波数帯に戻される。そして、加算部３６において、元の受信データ（Ｉ成分，Ｑ成分）に、パワーアンプ歪みを取り除くための補正データが加算される。

その結果、パワーアンプ歪み補正部２８からは、パワーアンプ歪みが取り除かれた受信データが出力される。

図５は、パワーアンプ歪み補正部におけるデータ処理の様子を具体的に示したものである。

前提条件として、送信側パワーアンプの入力波形は、図６に示すような波形であり、送信側パワーアンプの出力波形は、図７に示すような波形であるものとする。パワーアンプ歪みは、送信側パワーアンプの入力データが線形増幅領域を超えているときに発生する。この歪み（ノイズ）は、時間軸上で表すと、図８に示すようになる。

本発明では、このパワーアンプ歪みを、受信側のパワーアンプ歪み補正部において検出し、かつ、補正する。

まず、硬判定部３１においては、周波数軸上で、ＦＦＴ処理されたＯＦＤＭ信号（Ｉ成分，Ｑ成分）の各受信点と最近接するマッピング点を見つけ出す。そして、減算部３２において、受信点と最近接マッピング点との誤差を計算する。

その誤差は、周波数軸上（減算部３２の出力データ）では、「Ａ」に示すようになり、時間軸上（ＩＦＦＴ部３３の出力データ）では、「Ｂ」に示すようになる。フィルタ部３４では、上述したように、例えば、所定値よりも小さい値を有するデータを零にするフィルタリング処理が行われる。

その結果、フィルタ部３４の出力データは、時間軸上で、「Ｃ」に示すようになる。この時間軸上のデータを、ＦＦＴ部３５により周波数軸上に移すと、「Ｄ」に示すようなデータが得られる。

そして、加算部３６では、ＦＦＴ処理された元のＯＦＤＭ信号（Ｉ成分，Ｑ成分）に、「Ｄ］に示されるパワーアンプ歪みを取り除くための補正データが加算される。このため、加算部３６からは、パワーアンプ歪みが取り除かれた受信データが出力される。

このように、本発明のマルチキャリア変調信号受信装置では、パワーアンプ歪みを補正しない場合、即ち、伝送路補正と位相回転補正のみを行った場合の誤り判定と、これらの補正に加えて、パワーアンプ歪みの補正を行った場合の誤り判定とに基づいて、受信成功／失敗の判定を行っている。

つまり、両判定のいずれか一方が受信成功の判定であるときは、受信成功とみなし、両判定が共に受信失敗の判定であるときのみ、受信失敗とみなすため、従来のパワーアンプ歪みにより受信に失敗していた受信データを救済することができる。結果として、受信装置において、受信成功の確率を高くでき、通信品質の向上を実現できる。

また、本発明のマルチキャリア変調信号受信装置では、このような効果に付随して、さらに、送信装置における消費電力を小さくできる、という効果も得ることができる。

つまり、受信装置においてパワーアンプ歪みの補正を行っているため、受信失敗の確率を高くすることなしに、送信装置内のパワーアンプのバックオフ量を小さくすることができる。結果として、送信側パワーアンプの消費電力を削減でき、送信装置の低消費電力化に貢献できる。

なお、送信装置と受信装置の組み合わせからなる送受信システムとしてみた場合においても、送信側パワーアンプのバックオフ量の低下によって節約される電力量は、本発明で追加される構成要素、即ち、受信装置内のパワーアンプ歪み補正部２８、誤り処理部２２Ｂ及び選択部２７によって増加する電力量よりも十分に大きい。

従って、送受信システムとしてみた場合においても、低消費電力化を実現することができる。

なお、上述の実施の形態では、互いに異なる２つの補正処理により得られた２つの受信信号に対して、それぞれ別個に誤り処理を実行し、その結果に基づいて受信成功／失敗の判定を行う例について説明したが、補正処理の数、又は、受信成功／失敗を判定する誤り処理部の数は、２つに限られず、３つ以上であっても構わない。

さらに、上述のパワーアンプ歪みの補正処理は、通信路で加えられるインパルスノイズに対しても同様に適用できることは明らかである。本発明のマルチキャリア変調信号受信装置をインパルスノイズの存在する通信路で使用すれば、上述と同様な通信品質の向上及び送信装置の低消費電力化の効果を得ることができる。

以上、本発明のマルチキャリア変調信号受信装置では、パワーアンプ歪みを補正しない場合、即ち、伝送路補正と位相回転補正のみを行った場合の誤り判定と、これらの補正に加えて、パワーアンプ歪みの補正を行った場合の誤り判定とに基づいて、受信成功／失敗の判定を行っている。つまり、両判定のいずれか一方が受信成功の判定であるときは、受信成功とみなし、両判定が共に受信失敗の判定であるときのみ、受信失敗とみなすため、受信成功の確率を高くでき、通信品質の向上を実現できる。

本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開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し、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明のマルチキャリア変調信号受信装置の一例を示す図。図１の等化部の例を示す図。図１の誤り処理部の例を示す図。図２のパワーアンプ歪み補正部の例を示す図。図４のパワーアンプ歪み補正部のデータ処理の様子を示す図。送信側パワーアンプの入力波形の例を示す図。送信側パワーアンプの出力波形の例を示す図。パワーアンプ歪みの例を示す図。マルチキャリア変調信号送信装置の一例を示す図。従来のマルチキャリア変調信号受信装置の一例を示す図。図１０の等化部の例を示す図。図１０の誤り処理部の例を示す図。

符号の説明

１：通信路符号化部、２：インターリーブ部、３：マッピング部、４，３３：ＩＦＦＴ部、５：ＧＩ付加部、６：ＦＩＲ部、７：ＩＱ変調部、８，１３：乗算回路、９：パワーアンプ、１０Ａ，１０Ｂ：アンテナ、１１：低ノイズアンプ、１２Ａ，１２Ｂ，１７：オシレータ、１４：ＡＧＣアンプ、１５：ＩＱ検出部、１６：ＡＦＣ部、１８：ＧＩ除去部、１９，３５：ＦＦＴ部、２０：復調・誤り処理部、２１：等化部、２２，２２Ａ，２２Ｂ：誤り処理部、２３：伝送路補正部、２４：位相回転補正部、２５，２５Ａ，２５Ｂ：誤り訂正部、２６，２６Ａ，２６Ｂ：誤り検出部、２７：選択部、２８：パワーアンプ歪み補正部、３１：硬判定部、３２：減算部、３４：フィルタ部、３６：加算部、４１：差分検出部、４２：歪み抽出部、４３：補正部。

Claims

受信データを硬判定して硬判定データを出力する硬判定部と、前記受信データと前記硬判定データとの差分を検出する減算部と、前記差分に基づいて、送信機内のパワーアンプで生じるパワーアンプ歪みを抽出する歪み抽出部と、前記パワーアンプ歪みを取り除く補正データを前記受信データに加算する加算部とを具備し、
前記歪み抽出部は、前記差分を周波数軸上から時間軸上に移す逆フーリエ変換部と、前記時間軸上における前記差分に基づいて前記パワーアンプ歪みを抽出するフィルタ部と、前記パワーアンプ歪みを前記時間軸上から前記周波数軸上に移すフーリエ変換部とから構成されることを特徴とするパワーアンプ歪み補正回路。
受信データを硬判定して硬判定データを出力するステップと、前記受信データと前記硬判定データとの差分を検出するステップと、前記差分に基づいて、送信機内のパワーアンプで生じるパワーアンプ歪みを抽出するステップと、前記パワーアンプ歪みを取り除く補正データを前記受信データに加算するステップとを具備し、
前記パワーアンプ歪みを抽出するステップは、前記差分を周波数軸上から時間軸上に移すステップと、前記時間軸上における前記差分に基づいてフィルタリングにより前記パワーアンプ歪みを抽出するステップと、前記パワーアンプ歪みを前記時間軸上から前記周波数軸上に移すステップとから構成されることを特徴とするパワーアンプ歪み補正方法。