JP3979237B2 - 無線通信装置及びそれに使用する高周波集積回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯電話や無線ＬＡＮ等の無線通信システムにおいて送信を行う装置と、その装置で部品として使用される集積回路の構成に関する。特に出力電力のダイナミックレンジが広く、かつ送信装置の電力効率を高くする必要のある無線通信システムの無線通信装置に適する。
【０００２】
【従来の技術】
まず始めに図７を用いて、無線通信システム用送信装置の中でも消費電力が大きく、送信装置全体の電力効率を大きく左右するパワーアンプの入出力特性と電力効率の関係について説明する（図は模式図であり、個々のパワーアンプの電力効率特性とは必ずしも一致しない点もある）。入出力特性の曲線７０１から分かるように、バイアス電圧等回路の諸条件を一定にしたまま入力電力を上げると、パワーアンプの出力電力は飽和点７０２までは入力電力のログ（ｄＢ）に比例して増大するが、飽和点以降は入力電力に関わらずほぼ一定値となる。前者の出力が入力に比例する領域を線形領域７０３、後者の飽和して一定出力となる領域を飽和領域７０４と呼ぶ。アンプの線形性（送信信号の形を忠実に保ったまま増幅できる度合）は線形領域の方が高く、飽和領域では送信信号の形が大きく歪むため、変調精度や通信チャネル帯域外へのスプリアス放射特性が悪化する。一方電力効率７０５は飽和領域の方が高く、線形領域では入力電力が小さくなるにつれ急激に悪化する。飽和点７０２の位置及び入出力特性カーブは、バイアス電圧等周辺回路の条件を変えることにより変動させることが可能である。
【０００３】
送信信号の振幅は一定のまま、位相の変化によって情報を伝える変調方式（例えばＢＰＳＫ：Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）では信号の振幅方向の歪みは問題にならない。このためそのような変調方式を使用する無線通信システムにおいては、電力効率を重視してアンプの飽和領域を用いる（以下飽和アンプと呼ぶ）のが一般的である。一方振幅のみ、又は振幅と位相両方の変化によって情報を伝える変調方式（例えば１６ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）では送信信号が歪むと受信側でデータが正しく判別できなくなるため、高い線形性が要求される。このためそのような変調方式を使用する無線通信システムにおいては、線形性を重視してアンプの線形領域を用いる（以下線形アンプと呼ぶ）のが一般的であった。
【０００４】
ここで図２により、従来の線形アンプを用いた無線通信端末の送信系無線部及びインタフェース部の構成を説明する（端末全体構成については発明の実施の形態の項を参照）。ベースバンド部２０１からの送信ＩＱ信号は、インタフェース部２０２の中のＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ-ｔｏ-Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）２０３、２０４でアナログ信号に変換され、フィルタリングを受けた後、ＲＦ−ＩＣ２０５内部の直交変調器２０６で所望周波数帯域の周波数の信号となり、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）アンプ２０７で送信電力制御に合わせたゲイン調整を受け、パワーアンプ２０８で増幅された後フロントエンド部へ渡される。この構成では線形アンプを用いるため、線形性を満たすことは容易であるが、飽和アンプに比べ電力効率が悪い点が問題となっていた。
【０００５】
効率のよい飽和アンプを外部から制御して線形性を高める技術も以前から研究されている。原理的によく知られているのは、ＥＥＲ（Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）方式で、Ｆ.Ｈ.Ｒａａｂらにより無線送信機への適用例が検討されている（Ｆ.Ｈ.Ｒａａｂ ｅｔ ａｌ， “Ｌ-ｂａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｕｓｉｎｇ Ｋａｈｎ ＥＥＲ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＴｈｅｏｒｙＴｅｃｈ，ｖｏｌ．46，ｐｐ.２２２０-２２２５, Ｄｅｃ.１９９８。図３により、ＥＥＲ方式の原理とそれを用いた従来の送信系無線部及びインタフェース部の構成を説明する。ベースバンド部３０１からの送信ＩＱ信号３１０（図８の８０１と８０２)は、Ｒθ変換部３０５で振幅成分３１１と位相成分３１２（図８の８０３と８０４）に分離される。この処理は具体的には、ＩＱ成分をベクトル合成した結果を２分し、片方の成分については振幅にリミッタをかけて一定振幅の信号にし、位相情報のみとする。もう片方の成分については包絡線検波し、振幅情報のみとする。この例では変換処理をＤＡＣ３０３、３０４でアナログ信号に直した後に行っているが、同処理をデジタル送信信号に対して行った後、アナログ信号に直すことも可能である。位相成分３１２はＲＦ−ＩＣ３０６内のミキサ３０７で所望周波数帯域の周波数の信号に変換され、パワーアンプ３０８に入力される。この構成では飽和アンプを用いるため、出力は入力信号の振幅に関わらず一定振幅となる（図７７０４参照）。振幅成分３１１はＲＦ−ＩＣ３０６内の振幅変調回路３０９でパワーアンプ３０８の電源電圧変調信号に変換され、パワーアンプ３０８の電源電圧ピンに入力される。パワーアンプの電源電圧を変調することにより、出力波形の包絡線を変化させ、元の波形と同じ形状の高周波・高電力出力３１３を得る。
【０００６】
この方式では振幅変調を含む無線通信システムでも効率のよい飽和アンプが使用できるため、線形アンプを用いる従来方式に比べ高効率な送信系が実現できる。しかし図７からも明らかなように出力電力の低いレンジではアンプが飽和領域から外れてしまい、効率が悪化する。また電源電圧の可変範囲（出力電力の変化が電源電圧の変化に比例する範囲）によって出力電力のダイナミックレンジが決まるため、入力電力を調節することでダイナミックレンジを得る線形方式に比べてレンジ拡大が困難である。このため出力電力が広い範囲にわたって激しく変化するような、すなわち信号のＰＡＰＲ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）が大きい変調方式を用いたり、送信電力制御によって出力電力の平均レベルが広範囲にわたって変化する無線通信システムには不向きと考えられてきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）等の第２世代の携帯電話システムでは位相変調方式が主に用いられたため、無線端末の多くは飽和アンプを使用し、６０％近い電力効率を得てきた。しかし近年次々とサービスが始まっている第３世代の携帯電話システム及び無線ＬＡＮシステムでは、データレートの高速化とユーザー数増加に対応するために周波数利用効率を高める必要があることから、より多くの情報を一度に伝送できる多値変調方式が多く用いられている。多値変調方式では高い線形性が要求されるため、無線端末の多くは線形アンプを使用しているが、その電力効率は最大でも約４０％、出力電力の全レンジにわたって平均すると５−８％と非常に悪く、消費電力の増大が問題になっている。特にバッテリーで駆動される携帯端末においては連続動作時間に影響を与えるため、消費電力の低減（つまりは電力効率の向上）は大きな課題である。高い線形性によって変調精度や通信チャネル帯域外へのスプリアス放射規定を満たしながら、同時に消費電力を低減する新しい手法が必要となっていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記要求に答えるため、前述のＥＥＲ方式を出力ダイナミックレンジの広いシステム向け端末においても使用できるよう、従来の線形方式とＥＥＲ方式を組合せて使用する。ＥＥＲ方式の使用を出力電力が一定以上のときに限定し、低出力レンジでは従来通り線形方式を用いる構成によって、線形性の要求を満たしつつ端末消費電力を低減する。また２方式の切替制御方式や回路の一部共用化についても効果的な回路構成を提案する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず図１により、無線通信システムに使用される一般的な端末の構成について説明する。アンテナ１０７より受信された受信信号は、フロントエンド部１０１内のアンテナスイッチ（又はデュプレクサ）で送受分離され、フィルタリングを受けた後、無線部１０２において周波数変換を受けてベースバンド帯域に落とされる。更に信号はインタフェース部１０３においてデジタル信号に変換され、ベースバンド部１０４で復調され、ユーザインタフェース部１０５を介して出力され、その後の処理に供される。また、基地局へ送信する送信信号はユーザインタフェース部１０５を介してベースバンド部１０４に入力され、誤り訂正符号化等の変調処理を受ける。その後送信信号はインタフェース部１０３においてアナログ信号に変換され、無線部１０２で所望周波数帯域の周波数の信号となり、フロントエンド部１０１でフィルタリングされた後、アンテナ１０７から送信される。制御部１０６ではＣＰＵ又はＤＳＰを用いて各部へのパラメータ値の設定やタイミング管理等を行う。本発明はこの中で特に無線部１０２の主要部品の１つである高周波集積回路（ＲＦ−ＩＣ）１０８とパワーアンプ(１０９)、そしてインタフェース部１０３の回路構成手法に関するものである。
【００１０】
次に図４を用いて、本発明による送信系無線部及びインタフェース部構成の第１の実施例を説明する。本実施例では、インタフェース部４０１の包絡線検波部４０９においてＲθ変換ではなく包絡線検波（振幅情報の抽出）のみ行い、ＲＦ−ＩＣ４０２にはＩＱ分離された元のままの送信信号と、振幅情報とを出力する。ＲＦ−ＩＣ４０２は従来通りＩＱ分離された入力信号を直交変調器４０３で周波数変換し、ＡＧＣアンプ４０４で送信電力制御に合わせて増幅する。なお、ここでは直交変調器を用いているが、処理内容が等価であれば、回路構成は異なっても同じ効果が得られることは自明である。ＡＧＣアンプ４０４の後段に接続されたリミッタ４０５は、一定のしきい値電圧以上の入力信号をクリッピングする。リミッタでクリッピングが発生するとベース電流Ｉｂが増加するのでＩｂモニタブロック４０６ではリミッタのベース電流をモニタし、クリッピング発生を検出したら振幅変調回路４０５のイネーブル信号を有効に切替える。振幅変調回路４０５では入力された振幅情報をパワーアンプ４０８の電源電圧変調信号に変換し、制御部であるＩｂモニタ４０７からのイネーブル信号が有効なときにはパワーアンプ４０８の電源電圧ピンに向け出力する。またＩｂモニタブロック４０６は、クリッピング発生を検出した時には、パワーアンプ４０８のバイアス電圧設定を飽和点が下がるように変更して出力電力において飽和させ、クリッピングが発生しない時には、バイアス電圧設定を飽和点が上がるように変更して出力電力において飽和しないようにする。このように従来の線形方式とＥＥＲ方式を組合せ、ＥＥＲ方式の使用を電力が一定以上のときに限定することで、出力ダイナミックレンジの広い携帯電話等の規格においても、電力効率のよい飽和アンプの使用を可能にする。本実施例の特長は、線形方式/ＥＥＲ方式の切替をＲＦ−ＩＣ単独で行うためアルゴリズム検証が容易な点、及びリミッタのベース電流Ｉｂのモニタ情報を元に切替の判定を行う点である。
【００１１】
次に図５を用いて、本発明による送信系無線部及びインタフェース部構成の第２の実施例を説明する。本実施例では、インタフェース部５０２のＲθ変換部５０４をＤＡＣ５０５、５０６の手前におき、デジタル信号処理により機能を実現する。Ｒθ変換部５０４ではベースバンド部５０１からのＡＧＣ制御信号を元に線形方式/ＥＥＲ方式の切替を行い、線形方式のときは信号処理を行わずに信号をスルー出力し、ＥＥＲ方式のときは振幅情報及び位相情報の分離抽出を行う。振幅情報は先に説明したのと同様に包絡線検波により抽出する。位相情報は従来のＥＥＲ方式においては位相角θのみで表すが、直交する２成分ＩＱで表す方がＲＦ−ＩＣでの取扱いが容易になるため、本実施例では位相情報を単位円上のＩＱで表し、ＲＦ−ＩＣ５０３に出力する（図８の８０５と８０６）。ＲＦ−ＩＣ５０３は先に説明したのと同様に、単位円上のＩＱで表された入力信号を直交変調器５０７で周波数変換し、ＡＧＣアンプ５０８で送信電力制御に合わせて増幅する。なお、ここでは直交変調器を用いているが、処理内容が等価であれば、回路構成は異なっても同じ効果が得られることは自明である。出力が一定のしきい値以上のときはＡＧＣアンプ５０８の出力をパワーアンプ５１０に接続し、ＥＥＲ方式を用いて増幅する。出力が一定のしきい値以下のときもＡＧＣアンプ５０８の出力をパワーアンプ５１０に接続するが、バイアス電圧等のパラメータ設定を変更し、ＡＧＣアンプで出力レベルを調整することにより、パワーアンプの線形領域を用いて増幅する。更に出力が小さいときには、あまり信号を増幅する必要がなく、パワーアンプを経由するとアンプの歪みの影響を受けてかえって信号品質が悪くなる場合があるため、ＡＧＣアンプ５０８の出力をバッファ５０９に接続し、パワーアンプ５１０を経由せずにフロントエンド部に出力する。出力選択のスイッチ５１１は増幅後の信号を通すため、低損失なものを使用することが望ましい。また接続及び増幅方法の切替を行うにあたっては、線形方式からＥＥＲ方式に切替える際の判断基準となる送信出力電力の第一のしきい値と、ＥＥＲ方式から線形方式に切替える際の判断基準となる送信出力電力の第二のしきい値とを別々に設定することにより、送信出力電力が第一又は第二のしきい値をまたいで頻繁に変化する場合において、頻繁に切替が発生しないようヒステリシスを持たせるとよい。
【００１２】
本実施例の特長は、方式切替及びＲθ変換処理をデジタル信号処理で実現しており、切替のしきい値や変換の方式をソフトウェア修正により簡単に変更できる点、位相情報を単位円上のＩＱ成分で表現して処理するため、位相情報を位相角θで表現する方法に比べ、従来のＲＦ−ＩＣにおける周波数変換技術（直交変調器やフィルタ構成等）を活かしやすい点、ベースバンド部からのＡＧＣ制御情報をもとに切替の判定を行う点、切替の際しきい値にヒステリシスを持たせる点である。
【００１３】
更に図６を用いて、本発明による送信系無線部及びインタフェース部構成の第３の実施例を説明する。本実施例でも第２の実施例と同様、インタフェース部６０２のＲθ変換部６０４をデジタル信号処理により機能実現し、ベースバンド部６０１からのＡＧＣ制御信号を元に線形方式/ＥＥＲ方式の切替を行う。線形方式のときは信号処理を行わずに信号をスルー出力し、ＥＥＲ方式のときは振幅情報及び位相情報の分離抽出を行う。本実施例におけるＲθ変換処理は従来のＥＥＲ方式と同様、リミッタによる位相情報の抽出と包絡線検波による振幅情報の抽出を行う。以下出力が一定しきい値以下で線形方式を用いる場合を（１）、出力がしきい値以上でＥＥＲ方式を用いる場合を（２）とする。ＤＡＣ６０５には（１）の場合にはＩ成分、（２）の場合には位相情報が入力され、ＤＡＣ６０６には（１）の場合にはＱ成分、（２）の場合には振幅情報が入力される。スイッチ６０７は（１）の場合にはＤＡＣ６０６の出力をＲＦ−ＩＣのＱ成分用ベースバンドフィルタに接続し、（２）の場合には同出力を振幅変調回路に接続する。スイッチ６１０は（１）の場合にはＩＱ成分の和を、（２）の場合には位相成分のみをＡＧＣアンプ６１１に接続する。スイッチ６１２は（１）の場合にはＡＧＣアンプ出力をバッファ６１３に接続し、パワーアンプ６１４を経由せずにフロントエンド部に出力する。（２）の場合には同出力をパワーアンプ６１４に接続し、ＥＥＲ方式を用いて増幅する。本実施例の特長は、線形方式とＥＥＲ方式でＤＡＣを共用化し、回路規模増大を抑えている点である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明では、線形アンプに比べて効率のよい飽和アンプを用いるＥＥＲ方式を、出力ダイナミックレンジの広い携帯電話等の無線通信システム向け端末においても使用できるよう、従来の線形方式とＥＥＲ方式を組合せて使用する。ＥＥＲ方式の使用を出力電力が一定以上のときに限定し、低出力レンジでは従来通り線形方式を用いる構成によって、線形性の要求を満たしつつ端末消費電力を低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線通信システムに使用される一般的な端末の構成について説明する図。
【図２】従来の線形方式による送信系無線部・インタフェース部構成例を示す図。
【図３】従来のＥＥＲ方式による送信系無線部・インタフェース部構成例を示す図。
【図４】本発明の第１の実施例による送信系無線部・インタフェース部構成例を示す図。
【図５】本発明の第２の実施例による送信系無線部・インタフェース部構成例を示す図。
【図６】本発明の第３の実施例による送信系無線部・インタフェース部構成例を示す図。
【図７】パワーアンプの入出力特性と電力効率の関係を示す模式図。
【図８】ＩＱ→Ｒθ変換の概念図。
【符号の説明】
１０１・・・フロントエンド部、１０２…無線部、１０３、２０２、３０２、４０１、５０２、６０２…インタフェース部、１０４、２０１、３０１、５０１、６０１…ベースバンド部、１０５…制御部、１０６…ユーザーインタフェース部、１０７…アンテナ、１０８、２０５、３０６、４０２、５０３、６０３…ＲＦ−ＩＣ、１０９、２０８、３０８、４０８、５１０、６１４…パワーアンプ、２０３、２０４、３０３、３０４，５０５，５０６，６０５，６０６…ＤＡＣ、２０６、４０３、５０７…直交変調器、２０７、４０４、５０８、６１１…ＡＧＣアンプ、３０５、５０４、６０４…ＩＱ→Ｒθ変換部、３０７…ミキサ、３０９、４０５、６０９…振幅変調回路、３１０…入力波形、３１１、８０３…振幅成分、３１２、８０４…位相成分、３１３…出力波形、４０６…リミッタ、４０７…リミッタのベース電流モニタ部、４０９…包絡線検波部、５０９、６１３…出力バッファ、５１１、６０７、６１０、６１２…スイッチ、６０８…ベースバンドフィルタ、７０１…パワーアンプの入出力特性、７０２…提案方式のアンプ使用領域、７０３…線形領域、７０４…飽和領域、７０５…パワーアンプの電力効率、８０１…I成分、８０２…Q成分、８０５…単位円上のI成分、８０６…単位円上のQ成分。

Claims (2)

1. 無線通信装置であって、
   送信信号のベースバンド処理を行うペースバンド部と、
   該ベースバンド部から出力される送信信号を送信出力に応じて増幅してフロントエンド部へ出力する無線部と、
   該無線部から入力される送信信号をアンテナへ出力するフロントエンド部とを有し、
   上記無線部は、
   上記ベースバンド部から入力された送信信号を周波数変換する直交変調器と、
   上記周波数変換された信号を送信出力に応じて増幅するＡＧＣアンプと、
   上記ＡＧＣアンプにより増幅された送信信号を上記パワーアンプに入力するリミッタと、
   上記リミッタから入力された送信信号を増幅して上記フロントエンド部へ出力するパワーアンプと、
   上記ベースバンド部から入力される送信信号の振幅情報を抽出して出力する包絡線検波部と、
   上記包絡線検波部から出力される振幅情報に基づいて上記パワーアンプの電源電圧を制御する振幅変調回路とを有し、
   上記リミッタは、上記ＡＧＣアンプにより増幅された送信信号の振幅が第３の閾値よりも大きい場合に上記ＡＧＣアンプにより増幅された送信信号にクリッピングを施し、
   上記リミッタでクリッピングが施されない場合には、上記パワーアンプの線形領域を用いて上記ＡＧＣアンプにより増幅された送信信号を線形に増幅し、
   上記リミッタでクリッピングが施された場合には、上記振幅変調回路は、上記包絡線検波部から入力された振幅情報に対応する電源電圧制御信号を上記パワーアンプに入力し、上記パワーアンプの飽和領域を用いて上記ＡＧＣアンプにより増幅された送信信号を増幅することを特徴とする無線通信装置。
2. 請求項１記載の無線通信装置であって、
   上記リミッタでクリッピングが行われたか否かを、該リミッタのベース電流値をモニタすることにより判定することを特徴とする無線通信装置。

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