JP4282840B2 - マルチキャリア送信回路及び通信機器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として移動体通信基地局用としての、マルチキャリア送信回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、デジタル移動体通信は急激に普及しており、基地局を含めたインフラの設置が急務となっている。特に都市部ではビルの陰や地下街などの不感地帯に向けた小型の基地局が必要で、これまでの大規模な基地局装置も小型化開発が求められてきている。
【0003】
以下、図6を用いて従来のマルチキャリア送信回路を説明する。図6において、501は公衆電話網、502は交換機、503−1〜503−nはn個のベースバンド処理回路、504−1〜504−nはn個の変調器、505は加算回路、506は高周波増幅装置、507はアンテナである。
【0004】
501の公衆電話網で伝送されている各ユーザごとの信号は交換機502を介して必要な信号のみが取り出され、n個の各チャンネルに出力される。出力されたn個の信号はベースバンド処理回路503−1〜503−nで帯域制限フィルタリングなどの適当なベースバンド処理を施され、変調器504−1〜504−nで搬送波を変調したのち、加算回路505でアナログ的に加算される。この出力を高周波増幅器506で増幅し、アンテナ507から送信する。
【0005】
また、現在のデジタル携帯電話に続いて、さらに大きな通信容量を確保できるCDMA(Code Division Multiple Access)方式を採用した携帯電話の開発も進んでいる。CDMAについては「CDMA方式と次世代移動体通信システム」(トリケップス叢書;1章)に記載されているので詳細な説明は省略する。
【0006】
このようなデジタル携帯電話用基地局は線形変調を用いており、さらに複数搬送波(マルチキャリア)に信号を乗せて送信を行うため、送受信回路には厳しい線形性と広いダイナミックレンジが要求される。
【0007】
図7を用いて従来のCDMA方式マルチキャリア送信回路を説明する。図7において601−(1−1)〜601−(n−k)はk×n個のチャンネル入力端子、602−(1−1)〜602−(n−k)はk×n個の符号乗算器、603−1〜603−nはn個のデジタル加算回路、604−1〜604−nはn個の変調器、605−1〜605−nはn個の搬送波発生回路、606は加算回路、607は符号選択回路、608は出力端子である。
【0008】
交換機を介して取り出されたk×n個のチャンネル信号は、チャンネル入力端子601−(1−1)〜601−(n−k)に入力され、符号選択回路607で選択された符号を用いて、符号乗算器602−(1−1)〜602−(n−k)でそれぞれ乗算される。その出力のk個をデジタル加算回路603−1〜603−nを用いて1つに加算し、n個の出力を得る。そのn個の出力と搬送波発生器605−1〜605−nで発生したn個の搬送波とを変調器604−1〜604−nでそれぞれ変調し、そのn個の出力を加算回路606でアナログ加算し、マルチキャリア信号出力を得る。この信号を高周波電力増幅回路で増幅しアンテナより送信する。
【0009】
特に送信回路には電力増幅回路等の高電力を扱う回路があり、線形性を維持するために平均出力電力に対して瞬時最大出力(ピーク)電力まで飽和出力電力でカバーできるように設計されている。またさらに、大きな通信容量を得るために高い伝送レートが必要となるため送信信号のもつ帯域幅が数MHzから数十MHzにも及ぶ。このため送信回路には10分の1マイクロ秒の信号の変化に追従できる回路を用いる必要がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような瞬時最大出力電力と平均出力電力の比(ピークファクタ)が大きくなると使用する電力増幅回路のトランジスタのサイズが大きくなり、飽和出力電力から大きく出力レベルを下げて使用する必要がある。このようにレベルを下げていくと電力増幅器のDC供給電力と取り出される送信電力の比(電力変換効率)は低下してしまう。
【0011】
このマルチキャリア信号ではピークファクタが大きくなる理由を説明する。一般にマルチキャリア信号は、図2(a)に示すように、ある周波数間隔で複数の搬送波が同時に存在している。これらの各搬送波の位相関係は時間の経過とともに変化する。この変化の中で、図2(b)に示すように、複数の搬送波のうち2つ以上の搬送波が同相に近づいた場合、総電力は瞬間的に大きくなる。特に同相になる搬送波の個数が増えるに従い、図2(c)に示すように平均出力電力に比べて瞬間的に大きなピーク出力電力を示す。このような平均出力電力に対するピーク出力電力の比(ピークファクタ)が大きい信号に対しては使用する電力増幅回路のトランジスタのサイズが大きくなり、電力増幅器のDC供給電力と取り出される送信電力の比(電力変換効率)は低下してしまう。
【0012】
特にCDMA方式では従来のTDMA方式に比べてもピークファクタが2倍大きくなる。さらにCDMAの特徴である符号を多重化していくことでさらにピークファクタが大きくなり、最大多重数時では約13dBのピークファクタを有する。さらにこれをマルチキャリアに乗せてさらに多重化すればピークファクタは大きくなる。このため、電力増幅回路などの送信回路には従来に比べてかなり厳しい線形性が要求され、実使用電力に対して10倍以上の大きな電力を出力できる素子を用いる必要がある。結果として、送信回路の回路規模が大きくなり基地局装置の小型化が困難となる。
【0013】
ところで、ピークファクタを低減する対策として、特開平8−274734や特開平8−818249に示されるようなフィードバック制御を用いるマルチキャリア送信回路が提案されている。しかし、この回路では、フィードバック構成を採用しているため、狭帯域(数kHz〜数百kHz)の信号を送信する場合には信号の変動速度が数十マイクロ秒以上であり回路が追従可能であるが、数MHz〜数十MHzの広帯域信号に対しては回路がその変動速度に追従できず、適用が困難である。
【0014】
本発明は、上述したこのような従来のマルチキャリア送信回路が有する課題を考慮して、数MHz〜数十MHzの広帯域信号に対しても、瞬時極大出力電力を小さな値に抑えて、マルチキャリア送信信号のピークファクタを低減することによって、回路の小型化が図れるマルチキャリア送信回路を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、n個(nは2以上の整数)の入力信号でそれぞれに対応する搬送波を変調することによってn個の被変調信号を生成し、前記n個の被変調信号を合成して多重化信号を出力するマルチキャリア送信回路において、
前記各搬送波を発生するn個の搬送波発生手段と、
前記各搬送波を前記各入力信号で変調して前記被変調信号を出力するn個の変調手段と、
前記n個の被変調信号を合成して前記多重化信号を出力する合成手段と、
前記各被変調信号のレベルを直接または間接的に調整するレベル可変手段と、
前記各搬送波の位相を検出するn個の搬送波位相検出手段と、
前記各搬送波位相検出手段によって検出された前記各搬送波の位相にしたがって、前記レベル可変手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするマルチキャリア送信回路である。
【0016】
本発明によって、数MHz〜数十MHzの広帯域信号に対しても、瞬時極大出力電力を小さな値に抑えて、マルチキャリア送信信号のピークファクタを低減し、送信回路の小型化をはかることが可能となる。
【0017】
すなわち、本発明のマルチキャリア送信回路は、マルチキャリア送信信号の各被変調信号の位相をあらかじめ検出し、瞬間的に極大の電力を示す前記各被変調信号の位相関係を予測して、その位相関係に応じて、前記各被変調信号のレベルを直接または間接的に調整することによって、同相またはそれに近い関係にある前記各被変調信号のレベルを下げてマルチキャリア送信信号のピークファクタを低減する。これにより、電力増幅器の飽和出力電力が小さくできるため素子のサイズを小さくできる。結果として電力増幅器を含めた送信回路のサイズを縮小できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0019】
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態を図1〜図3を参照して説明する。
【0020】
図1は、本発明の第1の実施の形態におけるマルチキャリア送信回路を示すブロック図である。図1において、1−1〜1−nはn個の入力端子、2−1〜2−nはn個の可変減衰器(本発明のレベル可変手段に対応)、3−1〜3−nはn個の搬送波発生器(本発明の搬送波発生手段に対応)、4−1〜4−nはn個の位相検出器(本発明の搬送波位相検出手段に対応)、5−1〜5−nはn個の変調器(本発明の変調手段に対応)、6は加算回路(本発明の合成手段に対応)、7は制御回路(本発明の制御手段に対応)、8は出力端子である。
【0021】
図1において、各入力端子1−1〜1−nに等電力で入力されたn個の入力信号(本発明の入力信号に対応)は各可変減衰器2−1〜2−nを通して各々の減衰量で減衰され、各変調器5−1〜5−nに入力される。各変調器5−1〜5−nは搬送波発生器3−1〜3−nで発生された搬送波(本発明の搬送波に対応)をn個の入力信号で変調する。各変調器5−1〜5−nの出力(本発明の被変調信号に対応)は、加算回路6で加算されて出力端子8へ出力される(本発明の多重化信号に対応)。
【0022】
ここで、各可変減衰器2−1〜2−nが各入力信号を減衰させる手順を説明する。各位相検出器4−1〜4−nは、各搬送波発生器3−1〜3−nから出力された搬送波の位相を、例えば実送信の前の暖機期間を用いて、あらかじめ検出する。位相関係は位相検出を行った時点からの経過時間に応じて変化するが、各搬送波の周波数が既知であれば、その時間の位相関係を予測することが可能である。この検出した位相の情報を基に、制御回路7は、各搬送波の位相関係を予測し、それに応じて各可変減衰器2−1〜2−nの減衰量を制御する。
【0023】
減衰量の制御について図2、図3を用いて以下に詳細に説明する。図2は、従来の一般的なマルチキャリア送信信号を示す図であり、図2(a)は一般的なマルチキャリア送信信号の周波数スペクトラムを示す図、図2(b)は一般的なマルチキャリアの位相関係を示す図、図2(c)は一般的なマルチキャリア送信信号の総電力の時間変化を表す図である。
【0024】
図3は、本発明の第1の実施の形態におけるマルチキャリア送信信号を示す図であり、図3(a)は図2(b)と同じ条件下で可変減衰器の減衰量を制御した本実施の形態のマルチキャリア送信信号の位相関係を表す図、図3(b)は図2(b)と同じ条件下で可変減衰器の減衰量を制御した本実施の形態におけるマルチキャリア送信信号における総電力の時間変化を表す図である。なお、本実施の形態におけるマルチキャリア送信信号の周波数スペクトラムは、図2(a)と同じである。
【0025】
従来技術のところで説明したように、一般にマルチキャリア信号は、ある周波数間隔で複数の搬送波が同時に存在している。これらの各搬送波の位相関係は時間の経過とともに変化する。この変化の中で、複数の搬送波のうち2つ以上の搬送波が同相に近づいた場合、総電力は瞬間的に大きくなる。特に同相になる搬送波の個数が増えるに従い瞬間的に大きなピーク出力電力を示す。このようなピークファクタが大きい信号に対しては使用する電力増幅回路のトランジスタのサイズが大きくなり、電力増幅器のDC供給電力と取り出される送信電力の比(電力変換効率)は低下してしまう。
【0026】
そこで、図2(b)のような位相関係において、図3(a)のように位相関係は保持しながら、f1とf2の振幅を抑えてそれ以外の周波数の振幅を増やすことで、総電力のピークを図3(b)に示すように低く抑えることができる。なお、他の周波数の振幅を増す理由は、全体としてのバランスをとるためである。
【0027】
制御回路7は、図3(b)の各周波数の振幅に対応するように、各可変減衰器2−1〜2−nの減衰量を制御するものである。このように総電力のピーク出力電力を平均出力電力に対して低く抑えることで、電力増幅回路に使用するトランジスタのサイズを小さくでき、電力増幅器の電力変換効率を向上することができる。
【0028】
なお、本発明のレベル可変手段は、本実施の形態においては、可変減衰器として変調器の入力側に接続され、本発明の各入力信号のレベルを調整することによって、本発明の各被変調信号のレベルを間接的に調整するとして説明したが、これに限るものではなく、例えば、変調器の出力側に接続され、本発明の各被変調信号のレベルを直接調整するとしてもよいし、搬送波発生器の出力側に接続され、本発明の各搬送波のレベルを調整することによって、本発明の各被変調信号のレベルを間接的に調整するとしても同等の効果が得られる。
【0029】
要するに、本発明の各被変調信号のレベルを直接または間接的に調整するものであれば、同等の効果が得られる。また、可変利得増幅器との組み合わせでも同様の効果を得ることができる。
【0030】
また、本実施の形態において、各入力端子1−1〜1−nに、図7の各デジタル加算回路603−1〜603−nを一対一で接続する構成とすると、CDMA方式のマルチキャリア送信回路に適用されたものとなる。すなわち、図5にその例を示す。
【0031】
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態が上述した第1の実施の形態と異なるのは、本発明の符号変調手段、符号選択手段、前処理用合成手段等を備えることに関する点である。したがって、本実施の形態において、特に説明のないものについては、第1の実施の形態と同じとし、第1の実施の形態と同一符号を付与している構成部材については、特に説明のない限り、第1の実施の形態と同様の機能を持つものとする。
【0032】
図4は、本発明の第2の実施の形態におけるマルチキャリア送信回路を示すブロック図である。図4において、10−1〜10−mはm個のチャンネル入力端子、20−1〜20−mはm個の符号乗算回路(本発明の符号変調手段に対応)、9は各符号乗算回路に与える符号を制御回路の指定に応じて選択する符号選択回路(本発明の符号選択手段に対応)、A1〜Anは、制御回路の指定に応じて、所定の個数のチャンネル数の符号乗算回路出力をデジタル的に加算するn個のデジタル加算回路(本発明の前処理合成手段に対応)である。
【0033】
図4において、各チャンネル入力端子10−1〜10−mに等振幅で入力されたチャンネル信号(本発明の前処理用入力信号に対応)は各符号乗算回路20−1〜20−mで符号選択回路9が指定する符号を乗算される。符号を乗算された各チャンネル信号(本発明の前処理用符号化信号に対応)は、制御回路7が指定するデジタル加算回路A1〜Anに入力されて、デジタル加算され多重化される。多重化された各チャンネル信号(本発明の入力信号に対応)は、変調器5−1〜5−nへ入力される。変調器5−1〜5−n以降の動作は、第1の実施の形態に準ずる。
【0034】
ここで、制御回路7がデジタル加算回路A1〜An毎に入力されるチャンネル信号を指定する手順を説明する。各搬送波発生器3−1〜3−nから出力された搬送波の位相を各位相検出器4−1〜4−nで、例えば実送信の前の暖機期間を用いてあらかじめ検出する。位相関係は位相検出を行った時点からの経過時間に応じて変化するが、各搬送波の周波数が既知であれば、その時間の位相関係を予測することが可能である。この検出した位相の情報を基に制御回路7は各搬送波の位相関係を予測し、それに応じて符号選択回路9に各チャンネル信号に割り当てる符号を選択させ、その符号をそれぞれ各符号乗算回路20−1〜20−mに付与する。 さらに、制御回路7は、予測した各搬送波の位相関係に応じて、n個のデジタル加算回路A−1〜A−nに加算するチャンネル信号の個数を指定する。制御回路7は、第1の実施の形態で説明した図3(b)の各周波数の振幅に対応するように、この個数を決定するものである。これにより、多重化された各変調器5−1〜5−nの入力信号の振幅は多重化されたチャンネル信号の個数で決まり、この個数は搬送波の位相関係で決まるため、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0035】
なお、前記符号の選択は、同じディジタル加算回路Aに接続されるチャンネル入力同士では、符号が一致しないように選択される。
【0036】
また、被変調信号のレベルを調整する方法としては、上述した方法の他に、図4において、符号によって符号化された後の符号化信号のレベルを位相によって調整する方法も可能である。
【0037】
また、別の調整方法としては、コード選択回路9が選択する符号を調整することによって、被変調信号のレベルを調整する方法も可能である。
【0038】
また、本実施の形態において、mはnの倍数であり、初期状態において、各デジタル加算回路A−1〜A−nがm/n個のチャンネル信号を1個の多重化信号に合成するように回線の接続がされているとすれば、CDMA方式のマルチキャリア送信回路に適用されたものとなる。
【0039】
また、本発明の制御手段は、上述した第1および第2の実施の形態においては、2つ以上の搬送波の位相の関係が同相を含む所定の関係である場合に、レベル可変手段による調整が行われないとしたときよりも多重化信号のレベルが小さくなるように、各被変調信号のレベルを決定して、決定したレベルになるようにレベル可変手段を制御するとして説明したが、ピーク電力の許容最大値等が設定されている場合は、さらに、前記多重化信号のレベルが所定の値を超えないように、前記各被変調信号のレベルを決定するような制御をすればよい。また、逆に出力を一定レベル以下に落としたくないとの要求がある場合には、前記多重化信号のレベルが大きくなるように、各被変調信号のレベルを決定するような制御をすればよい。要するに、本発明の制御手段は、各搬送波位相検出手段によって検出された各搬送波の位相にしたがって、レベル可変手段を制御するものであればよい。
【0040】
なお、本発明は、CDMA方式に限らず、FDMA方式、TDMA方式など他のマルチキャリア方式についても、適用可能である。
【0041】
また、本発明の送信機器は、上述したマルチキャリア送信回路に加えて、図6に示されるような、マルチキャリア送信回路の出力を増幅する高周波増幅回路と、その増幅された信号を外部へ発信するアンテナとを備えたものである。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、数MHz〜数十MHzの広帯域信号に対しても、瞬時極大出力電力を小さな値に抑えて、マルチキャリア送信信号のピークファクタを低減することによって、回路の小型化が図れるマルチキャリア送信回路を提供することができる。
【0043】
すなわち、本発明のマルチキャリア送信回路は、マルチキャリア送信信号の各搬送波の位相をあらかじめ検出し、瞬時極大電力を示す位相関係のとき(2つ以上の搬送波の位相が同相)を予測して、各搬送波のレベルを制御する。これにより数MHz〜数十MHzの広帯域信号に対しても、瞬時極大出力電力を小さな値に抑えて、マルチキャリア送信信号のピークファクタを低減し、送信回路の小型化をはかることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態におけるマルチキャリア送信回路を示すブロック図である。
【図2】従来の一般的なマルチキャリア送信信号を示す図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態におけるマルチキャリア送信信号を示す図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態におけるマルチキャリア送信回路を示すブロック図である。
【図5】本発明の別の実施の形態におけるマルチキャリア送信回路を示すブロック図である。
【図6】従来のマルチキャリア送信回路の基本構成図である。
【図7】従来のマルチキャリア送信回路の構成図である。
【符号の説明】
1−1〜1−n 入力端子
2−1〜2−n 可変減衰器
3−1〜3−n 搬送波発生器
4−1〜4−n 位相検出器
5−1〜5−n 変調器
6 加算回路
7 制御回路
8 出力端子
9 符号選択回路
10−1〜10−m チャンネル入力端子
20−1〜20−m 符号乗算回路
A1〜An デジタル加算回路
Claims (10)
- n個(nは2以上の整数)の入力信号でそれぞれに対応する搬送波を変調することによってn個の被変調信号を生成し、前記n個の被変調信号を合成して多重化信号を出力するマルチキャリア送信回路において、
前記各搬送波を発生するn個の搬送波発生手段と、
前記各搬送波を前記各入力信号で変調して前記被変調信号を出力するn個の変調手段と、
前記n個の被変調信号を合成して前記多重化信号を出力する合成手段と、
前記各被変調信号のレベルを直接または間接的に調整するレベル可変手段と、
前記各搬送波の位相を検出するn個の搬送波位相検出手段と、
前記各搬送波位相検出手段によって検出された前記各搬送波の位相にしたがって、前記レベル可変手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするマルチキャリア送信回路。 - m個(mはn以上の整数)の前処理用入力信号をそれぞれに対応する符号によって符号化することによって、m個の前処理用符号化信号を生成するm個の符号変調手段と、
前記符号を前記前処理用入力信号毎に選択する符号選択手段と、
前記m個の前処理用符号化信号を合成してn個の前記入力信号を生成するn個の前処理用合成手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のマルチキャリア送信回路。 - 前記レベル可変手段は、前記各入力信号のレベルを調整することによって、または、前記各搬送波のレベルを調整することによって、前記各被変調信号のレベルを間接的に調整することを特徴とする請求項1または2に記載のマルチキャリア送信回路。
- 前記レベル可変手段は、前記各前処理用合成手段へ前記各前処理用符号化信号が入力される回線の接続を切り替えることによって、前記各被変調信号のレベルを間接的に調整し、
前記制御手段は、前記各搬送波位相検出手段によって検出された前記各搬送波の位相にしたがって前記各前処理用合成手段が合成する前記前処理用符号化信号の数を前記前処理用合成手段毎に決定して、前記レベル可変手段を制御し、
前記符号選択手段は、前記接続の切り替えに基づいて、前記符号の選択を行うことを特徴とする請求項2に記載のマルチキャリア送信回路。 - 前記レベル可変手段は、前記符号を調整することによって、前記各被変調信号のレベルを調整することを特徴とする請求項2記載のマルチキャリア送信回路。
- 前記mはnの倍数であり、初期状態において、前記各前処理用合成手段がm/n個の前記前処理用符号化信号を合成して1個の前記前処理用多重化信号を生成するように回線の接続がされていることを特徴とする請求項4に記載のマルチキャリア送信回路。
- 前記レベル可変手段は、前記各前処理用符号化信号のレベルを調整することによって、前記各被変調信号のレベルを間接的に調整することを特徴とする請求項2に記載のマルチキャリア送信回路。
- 前記制御手段は、2つ以上の前記搬送波の位相の関係が同相を含む所定の関係である場合に、前記レベル可変手段による調整が行われないとしたときよりも前記多重化信号のレベルが小さくなるように、前記各被変調信号のレベルを決定して、前記決定したレベルになるように前記レベル可変手段を制御することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のマルチキャリア送信回路。
- 前記制御手段は、前記多重化信号のレベルが所定の値を超えないように、前記各被変調信号のレベルを決定することを特徴とする請求項8に記載のマルチキャリア送信回路。
- 請求項1〜9のいずれかに記載のマルチキャリア送信回路と、そのマルチキャリア送信回路の出力を増幅する高周波増幅回路と、その高周波増幅回路の出力を送信するアンテナとを備え、通信を行うことを特徴とする通信機器。
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