JP4288458B2

JP4288458B2 - 振幅制限回路及びｃｄｍａ通信装置

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Publication number: JP4288458B2
Application number: JP2002241830A
Authority: JP
Inventors: 玄弥岩崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: CN1232064C; HK1064533A1; EP1391996A3; CN1487687A; EP1696577A3; US20040047317A1; EP1696577A2; US7369580B2; JP2004080696A; EP1391996A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振幅制限回路に関し、特にＣＤＭＡ通信装置が備える送信用電力増幅器の入力制限に用いて好適な振幅制限回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のディジタル移動通信システムにおいては、通信チャネル間の対干渉能力を高めるためにＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）通信装置が多く用いられる。
【０００３】
ＣＤＭＡ通信装置では、送信時の瞬時電力が平均電力に比べて大きくなるため、送信用電力増幅器の線型性を非常に高い出力レベルまで維持し、非線形歪みによる送信スペクトルの広がりを抑えて隣接チャネル漏洩電力を低減する必要がある。
【０００４】
しかしながら、非常に大きな振幅まで良好な線形性を有する電力増幅器は、回路規模が大きくなり、高価で消費電力も大きくなってしまう。そのため、ＣＤＭＡ通信装置の送信用電力増幅器には、小さな振幅成分においては良好な線形性を有し、大きな振幅成分においては非線形性を有する非線形補償型増幅器が用いられる。この非線形補償型増幅器は、図５に示すように増幅器の最大出力まで線形性が保たれ、入力振幅が最大出力に対応した値を越えたところで出力レベルが一定となる入出力特性を備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示したような入出力特性を有する送信用電力増幅器では、最大出力を越えるレベルに対応する信号が入力されると、送信出力が飽和して非線形歪みが増大し、図６の「クリップなし」のスペクトル波形で示すように送信スペクトルが広がって隣接チャネル漏洩電力が増えてしまう。
【０００６】
したがって、送信用電力増幅器の飽和電力（最大出力）をできるだけ大きくすることが望ましいが、その場合、上述したように回路規模が大きくなり、消費電力やコストが増大する。したがって、ＣＤＭＡ通信装置では送信用電力増幅器の飽和電力を越えないように入力信号の瞬時最大電力を制限することが重要になる。
【０００７】
送信用電力増幅器の入力振幅を制限するには、入力信号を所定値でクリップするのが最も簡単な方法である。しかしながら、入力信号を単純にクリップすると、信号波形の非線形歪みが増大して、図６の「単純なクリップ」のスペクトル波形で示すように送信スペクトルがさらに広がってしまう。そこで、図７に示すように、帯域制限するフィルタの手前に振幅制限回路を設ける構成が一般的である。
【０００８】
図７は従来の振幅制限回路の構成を示すブロック図である。
【０００９】
図７に示す振幅制限回路は、同相成分Ｉ及び直交成分Ｑから成る入力信号の振幅値を算出する振幅変換器２１と、振幅変換器２１で算出された振幅値と予め決められたしきい値とを比較し、しきい値を越えた入力信号の振幅を制限するための制御値を出力する判定器２２と、判定器２２から出力される制御値にしたがって出力振幅をしきい値以下に制限するクリップ回路２３とを有する構成であり、振幅制限回路の出力信号のうち、所定のベースバンド帯域成分のみがフィルタ２４から出力される構成である。このような構成では、出力信号の周波数成分がフィルタ２４によって所定の帯域内に制限されるため、送信スペクトルが広がることがない。
【００１０】
しかしながら、図７に示すような構成では、振幅制限回路とフィルタ２４とで信号処理のサンプリングレートが異なるため、サンプリング時のレベルにバラツキが生じ、フィルタ２４通過後の振幅が再び大きくなってしまう場合がある。
【００１１】
また、図７に示した振幅制限回路を、例えば、図８に示す複数のキャリア信号を合成する、いわゆるマルチキャリア増幅方式のＣＤＭＡ通信装置に適用した場合も振幅制限後の処理で振幅が再び大きくなってしまう。
【００１２】
図８は図７に示した振幅制限回路を有するＣＤＭＡ通信装置の構成を示すブロック図である。
【００１３】
図８に示すＣＤＭＡ通信装置は、入力信号を振幅制限する複数の振幅制限回路３１₁〜３１_N（Ｎは正の整数）と、所定の帯域成分のみ通過させる複数のフィルタ３２₁〜３２_Nと、ベースバンド信号である入力信号をチャネル毎に異なる周波数に変換する第１の周波数変換器３３₁〜３３_Nと、第１の周波数変換器３３₁〜３３_Nの出力信号を合成するキャリア合成器３４と、キャリア合成後の信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器３５と、Ｄ／Ａ変換器３５の出力信号をＲＦ信号に変換する第２の周波数変換器３６と、ＲＦ信号を送信に必要な電力まで増幅する送信用電力増幅器３７とを有し、振幅制限回路３１₁〜３１_N、フィルタ３２₁〜３２_N、及び第１の周波数変換器３３₁〜３３_Nを各々チャネル毎に備えた構成である。
【００１４】
このような構成では、複数チャネル分の信号が振幅制限後にキャリア合成器３４でベクトル合成されるため、振幅制限の効果が失われて瞬時最大電力が大きくなり、図９の「従来方式」のスペクトル波形で示すように送信スペクトルが広がってしまう。
【００１５】
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、ＣＤＭＡ通信装置が備える送信用電力増幅器の入力制限に用いて有効な振幅制限回路を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の振幅制限回路は、電力増幅器に入力する信号の振幅を制限するための振幅制限回路であって、
入力信号の振幅値を算出する振幅変換器と、
予め設定されたしきい値と前記入力信号の振幅値とを比較し、該振幅値が前記しきい値を越える区間を検出する判定器と、
前記入力信号の振幅値が前記しきい値を越える区間のうち、前記入力信号の振幅値が最大となるピーク時刻、及び該ピーク時刻における振幅値であるピーク値をそれぞれ検出するピーク検出器と、
前記ピーク値を用いて、前記入力信号の振幅値を前記しきい値以下に制限するための窓関数を生成する窓フィルタと、
前記ピーク時刻と前記窓関数が最小値となる時刻とが一致するように前記入力信号を遅延させる遅延回路と、
前記遅延回路の出力信号に前記窓関数を乗算する乗算器と、
を有する構成である。
【００１７】
このとき、前記窓フィルタは、
前記入力信号の振幅値が前記しきい値を越える区間よりも長くなるように予め設定された補正区間の前後で値が１となり、前記補正区間の中心が前記ピーク値の逆数に比例する値となる窓関数を出力し、
前記遅延回路は、
前記ピーク時刻と前記補正区間の中心とが一致するように前記入力信号を遅延させる構成が好ましい。
【００１８】
さらに、前記窓フィルタは、
前記ピーク時刻まで値が１であり、該ピーク時刻後に設ける前記補正区間の中心の値が（しきい値／ピーク値）以下となる窓関数を出力してもよく、
具体的には、前記しきい値／前記ピーク値＝Ａとし、ａ＝（１−Ａ）／２とし、τを予め設定された前記補正区間の１／２の値としたとき、
前記窓フィルタは、
前記窓関数ｗ（ｔ）として、
【００１９】
【数２】

を出力し、
前記遅延回路は、
前記入力信号を時間τだけ遅延させてもよい。
【００２０】
一方、本発明のＣＤＭＡ通信装置は、入力信号を含む所定の帯域成分を通過させる複数のフィルタと、
前記フィルタを通過した信号をチャネル毎に異なる周波数の信号に変換する複数の第１の周波数変換器と、
前記第１の周波数変換器の出力信号を合成するキャリア合成器と、
前記キャリア合成器の出力信号の振幅を制限する、請求項１乃至４のいずれか１項記載の振幅制限回路と、
前記振幅制限回路の出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、
前記アナログ信号をＲＦ信号に変換する第２の周波数変換器と、
前記ＲＦ信号を送信に必要な電力まで増幅する送信用電力増幅器と、
を有する構成である。
【００２１】
上記のように構成された振幅制限回路では、入力信号の振幅値を算出する振幅変換器と、予め設定されたしきい値と入力信号の振幅値とを比較し、該振幅値がしきい値を越える区間を検出する判定器と、入力信号の振幅値がしきい値を越える区間のうち、入力信号の振幅値が最大となるピーク時刻、及び該ピーク時刻における振幅値であるピーク値をそれぞれ検出するピーク検出器と、該ピーク値を用いて、入力信号の振幅値をしきい値以下に制限するための窓関数を生成する窓フィルタと、ピーク時刻と窓関数が最小値となる時刻とが一致するように入力信号を遅延させる遅延回路と、遅延回路の出力信号に前記窓関数を乗算する乗算器とを有することで、窓関数を用いて入力信号の振幅がしきい値以下に制限されるため、振幅制限処理による非線形歪みが発生しない。
【００２２】
また、本発明のＣＤＭＡ通信装置では、入力信号を含む所定の帯域成分を通過させる複数のフィルタと、フィルタを通過した信号をチャネル毎に異なる周波数の信号に変換する複数の第１の周波数変換器と、第１の周波数変換器の出力信号を合成するキャリア合成器と、キャリア合成器の出力信号の振幅を制限する、上記振幅制限回路と、振幅制限回路の出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、アナログ信号をＲＦ信号に変換する第２の周波数変換器と、ＲＦ信号を送信に必要な電力まで増幅する送信用電力増幅器とを有し、キャリア合成器の出力信号の振幅を上記記載の振幅制限回路で制限することで、ベースバンド用のフィルタを通過し、さらにキャリア合成された後の信号に対して振幅制限が行われるため、従来のように振幅制限後の処理によって信号振幅が再び大きくなることが無い。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に本発明について図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は本発明の振幅制限回路の一構成例を示すブロック図である。
【００２５】
図１に示すように、本発明の振幅制限回路は、同相成分Ｉ及び直交成分Ｑから成る入力信号の振幅値を算出する振幅変換器１と、予め設定されたしきい値と振幅変換器の出力値とを比較し、入力信号の振幅値がしきい値を越える区間を検出する判定器２と、入力信号の振幅値がしきい値を越える区間のうち、該振幅値が最大となる時刻（ピーク時刻）とそのときの値（ピーク値）を検出するピーク検出器３と、ピーク検出器３で検出された値を用いて所定の窓関数を生成する窓フィルタ４と、入力信号を所定の遅延量だけ遅延させる遅延回路５と、遅延回路５の出力信号に窓フィルタ４で生成された窓関数を乗算する乗算器６とを有する構成である。
【００２６】
図１に示した振幅制限回路の入力信号は、同相成分Ｉ及び直交成分Ｑからなる、フィルタリング処理やキャリア合成が終了した後の信号である。
【００２７】
振幅変換器１は、入力信号の同相成分Ｉ及び直交成分Ｑからその振幅値Ｐを算出する（Ｐ＝（Ｉ²＋Ｑ²）^1/2）。判定器２は、振幅変換器１で算出された振幅値としきい値とを比較し、振幅値がしきい値を越えているか否かを判定し、入力信号の振幅値がしきい値を越える区間を検出する。なお、しきい値は振幅制限回路の後段に配置される送信用電力増幅器の出力が飽和しない入力振幅と等しい値、あるいはそれ以下の値に予め設定される。
【００２８】
ピーク検出器３は、入力信号の振幅値がしきい値を越えていると判定された区間のうち、振幅値が最大となるピーク時刻とそのときのピーク値とを出力する。
【００２９】
窓フィルタ４は、予め設定された、入力信号の振幅値がしきい値を越えている区間よりも長い補正区間の前後で値が１となり、補正区間の中心がピーク値の逆数に比例する値となる窓関数を出力する。
【００３０】
遅延回路５は、ピーク時刻と補正区間の中心とが一致するように入力信号を遅延させる。遅延回路５から出力された信号は、窓フィルタ４から出力された窓関数と乗算される。
【００３１】
図２は図１に示した振幅制限回路を有するＣＤＭＡ通信装置の一構成例を示すブロック図である。
【００３２】
図２に示すように、本実施形態のＣＤＭＡ通信装置は、所定の帯域成分のみ通過させる複数のフィルタ１１₁〜１１_N（Ｎは正の整数）と、フィルタを通過したベースバンド信号をチャネル毎に異なる周波数の信号に変換する複数の第１の周波数変換器１２₁〜１２_Nと、第１の周波数変換器１２₁〜１２_Nの出力信号を合成するキャリア合成器１３と、キャリア合成後の信号を振幅制限する振幅制限回路１４と、振幅制限後の信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１５と、Ｄ／Ａ変換器１５の出力信号をＲＦ信号に変換する第２の周波数変換器１６と、ＲＦ信号を送信に必要な電力まで増幅する送信用電力増幅器１７とを有し、フィルタ１１、及び第１の周波数変換器１２をそれぞれチャネル毎に備えた構成である。
【００３３】
このような構成では、フィルタ１１₁〜１１_Nを通過し、さらにキャリア合成された後の信号に対して振幅制限が行われるため、従来のように振幅制限後の処理により信号振幅が再び大きくなることが無い。
【００３４】
次に図３及び図４を参照して本発明の振幅制限回路の動作について説明する。
【００３５】
図３は図１に示した振幅制限回路の動作を示す信号波形図であり、図４は図１に示した振幅制限回路で処理された信号の送信スペクトルを示す波形図である。
【００３６】
本実施形態の振幅制限回路では、入力信号が振幅変換器１で振幅値に変換され、判定器２において予め定められたしきい値と比較される。そして、振幅値がしきい値を越えている場合は、ピーク検出器３において振幅が最大となるピーク時刻とそのときのピーク値とが検出される。
【００３７】
窓フィルタ４は、例えば、ピーク時刻までは値が１であり、その後徐々に減少して時間τ後に値がＡ（＝しきい値／ピーク値）以下となり、その後徐々に増加して時間τ後に値が１に戻るような関数を生成する（図３の「窓関数」参照）。
【００３８】
ここで、τは、その２倍の値が、入力信号がしきい値を越える区間よりも長くなるような値に予め設定され、例えば、チップ周期の１０〜２０倍程度の値が用いられる。なお、チップ周期はＣＤＭＡ通信装置で用いる拡散周波数（＝チップレート）の逆数である。図３では、横軸の時刻の単位を［チップ］とし、チップレートの何倍の時刻に相当するかを示している。
【００３９】
一方、入力信号は、遅延回路５により時間τだけ遅延された後（図３の「遅延回路出力」参照）、窓フィルタ４で生成された窓関数と乗算されて出力される（図３の「出力信号」参照）。このとき、乗算器６からは、ピーク値がしきい値以下になるように波形整形された信号が出力される。
【００４０】
窓フィルタ４は、例えば、次式で示す窓関数ｗ（ｔ）を生成する。
【００４１】
【数３】

ここで、t＝τのとき、ｗ（ｔ）＝１−２ａ≦Ａであればよいため、例えば、ａ＝（１−Ａ）／２に設定する。
【００４２】
本実施形態のＣＤＭＡ通信装置では、図２に示すように、フィルタを通過し、さらにキャリア合成された後の信号に対して振幅制限を行うため、従来のように振幅制限後の処理によって信号振幅が再び大きくなることが無い。したがって、後段の送信用電力増幅器１７で送信出力が飽和することによる非線形歪みが生じないため、送信スペクトルの広がりが抑制されて隣接チャネル漏洩電力が抑制される。
【００４３】
また、本実施形態の振幅制限回路では、入力信号を単純にクリップするのではなく、窓関数を用いて滑らかに入力信号の振幅をしきい値以下に制限するため、振幅制限処理による非線形歪みが発生せず、図４の「本願方式」の波形で示すように、送信スペクトルの広がりが抑制される。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００４５】
本発明の振幅制限回路では、入力信号の振幅値を算出する振幅変換器と、予め設定されたしきい値と入力信号の振幅値とを比較し、該振幅値がしきい値を越える区間を検出する判定器と、入力信号の振幅値がしきい値を越える区間のうち、入力信号の振幅値が最大となるピーク時刻、及び該ピーク時刻における振幅値であるピーク値をそれぞれ検出するピーク検出器と、該ピーク値を用いて、入力信号の振幅値をしきい値以下に制限するための窓関数を生成する窓フィルタと、ピーク時刻と窓関数が最小値となる時刻とが一致するように入力信号を遅延させる遅延回路と、遅延回路の出力信号に前記窓関数を乗算する乗算器とを有することで、窓関数を用いて入力信号の振幅がしきい値以下に制限されるため、振幅制限処理による非線形歪みが発生せず、送信スペクトルの広がりが抑制される。
【００４６】
また、本発明のＣＤＭＡ通信装置では、入力信号を含む所定の帯域成分を通過させる複数のフィルタと、フィルタを通過した信号をチャネル毎に異なる周波数の信号に変換する複数の第１の周波数変換器と、第１の周波数変換器の出力信号を合成するキャリア合成器と、キャリア合成器の出力信号の振幅を制限する、上記振幅制限回路と、振幅制限回路の出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、アナログ信号をＲＦ信号に変換する第２の周波数変換器と、ＲＦ信号を送信に必要な電力まで増幅する送信用電力増幅器とを有し、キャリア合成器の出力信号の振幅を上記記載の振幅制限回路で制限することで、ベースバンド用のフィルタを通過し、さらにキャリア合成された後の信号に対して振幅制限が行われるため、従来のように振幅制限後の処理によって信号振幅が再び大きくなることが無い。
【００４７】
したがって、送信用電力増幅器で送信出力が飽和することによる非線形歪みが生じないため、送信スペクトルの広がりが抑制されて隣接チャネル漏洩電力が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振幅制限回路の一構成例を示すブロック図である。
【図２】図１に示した振幅制限回路を有するＣＤＭＡ通信装置の一構成例を示すブロック図である。
【図３】図１に示した振幅制限回路の動作を示す信号波形図である。
【図４】図１に示した振幅制限回路で処理された信号の送信スペクトルを示すグラフである。
【図５】ＣＤＭＡ通信装置が備える送信用電力増幅器の入出力特性を示すグラフである。
【図６】図５に示した入出力特性を備えた送信用電力増幅器の入力信号をクリップしない場合、及び単純にクリップした場合の送信スペクトルを示すグラフである。
【図７】従来の振幅制限回路の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示した振幅制限回路を有するＣＤＭＡ通信装置の構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示したＣＤＭＡ通信装置の送信スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
１振幅変換器
２判定器
３ピーク検出器
４窓フィルタ
５遅延回路
６乗算器
１１₁〜１１_N フィルタ
１２₁〜１２_N 第１の周波数変換器
１３キャリア合成器
１４振幅制限回路
１５Ｄ／Ａ変換器
１６第２の周波数変換器
１７送信用電力増幅器

Claims

電力増幅器に入力する信号の振幅を制限するための振幅制限回路であって、
入力信号の振幅値を算出する振幅変換器と、
予め設定されたしきい値と前記入力信号の振幅値とを比較し、該振幅値が前記しきい値を越える区間を検出する判定器と、
前記入力信号の振幅値が前記しきい値を越える区間のうち、前記入力信号の振幅値が最大となるピーク時刻、及び該ピーク時刻における振幅値であるピーク値をそれぞれ検出するピーク検出器と、
前記ピーク値を用いて、前記入力信号の振幅値を前記しきい値以下に制限するための窓関数を生成する窓フィルタと、
前記ピーク時刻と前記窓関数が最小値となる時刻とが一致するように前記入力信号を遅延させる遅延回路と、
前記遅延回路の出力信号に前記窓関数を乗算する乗算器と、
を有する振幅制限回路。
前記窓フィルタは、
前記入力信号の振幅値が前記しきい値を越える区間よりも長くなるように予め設定された補正区間の前後で値が１となり、前記補正区間の中心が前記ピーク値の逆数に比例する値となる窓関数を出力し、
前記遅延回路は、
前記ピーク時刻と前記補正区間の中心とが一致するように前記入力信号を遅延させる請求項１記載の振幅制限回路。
前記窓フィルタは、
前記ピーク時刻まで値が１であり、該ピーク時刻後に設ける前記補正区間の中心の値が（しきい値／ピーク値）以下となる窓関数を出力する請求項２記載の振幅制限回路。
前記しきい値／前記ピーク値＝Ａとし、ａ＝（１−Ａ）／２とし、τを予め設定された前記補正区間の１／２の値としたとき、
前記窓フィルタは、
前記窓関数ｗ（ｔ）として、

を出力し、
前記遅延回路は、
前記入力信号を時間τだけ遅延させる請求項３記載の振幅制限回路。
入力信号を含む所定の帯域成分を通過させる複数のフィルタと、
前記フィルタを通過した信号をチャネル毎に異なる周波数の信号に変換する複数の第１の周波数変換器と、
前記第１の周波数変換器の出力信号を合成するキャリア合成器と、
前記キャリア合成器の出力信号の振幅を制限する、請求項１乃至４のいずれか１項記載の振幅制限回路と、
前記振幅制限回路の出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、
前記アナログ信号をＲＦ信号に変換する第２の周波数変換器と、
前記ＲＦ信号を送信に必要な電力まで増幅する送信用電力増幅器と、
を有するＣＤＭＡ通信装置。