JP4302436B2

JP4302436B2 - 送信装置および受信装置

Info

Publication number: JP4302436B2
Application number: JP2003150669A
Authority: JP
Inventors: 道明松尾
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP2004356835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、データ通信を行う無線装置において、送信系に用いられる電力増幅器における歪を低減し電力効率を高める機能を提供する送信装置および受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の無線通信システムでは、周波数資源を有効活用して高速データ伝送を行うために、ＱＡＭなどの多値変調方式やＯＦＤＭ（直交周波数分割多重方式）といった高効率な伝送方式が利用されている。これらの伝送方式により無線伝送を行う場合には、無線装置の送信系に対して電力増幅器での非線型歪みを抑え、隣接チャネル漏洩電力を低減する必要が生じる。この対策として線型性の高いＡ級ないしＡＢ級の電力増幅器を使用する方法があるが、非線形増幅器と比べて電力効率が劣るという欠点がある。このため、線形性の劣る電力増幅器を使用しつつ、歪を抑圧し電力効率を向上させる技術として歪補償技術が利用されている。前記歪補償技術には、包絡線除去復元（ＥＥＲ）方式、ポーラループ方式、プリディストーション方式、フィードフォワード方式、ＬＩＮＣ方式等の多数の方式が提案されている。
【０００３】
ここで、無線装置における歪補償方式の例として包絡線除去復元（ＥＥＲ）方式による送信系の概略構成を示すブロック図を図６に示す。データ入力端１６０から入力されるディジタル化された伝送データは、ディジタル信号処理プロセッサＤＳＰなどにより実現される演算手段１００によって変調及び帯域制限が施されたディジタル変調信号に変換され、さらに前記ディジタル変調信号は複素平面上における位相成分と振幅成分という２つの極座標表現する信号に分離される。前記振幅成分の信号はＤＡ変換器１１０によってアナログに変換され、前記位相成分の信号はＤＡ変換器１１１によってアナログに変換され、各々のアナログ信号はフィルタ手段１２０及び１２１で平滑化される。振幅変調手段１４０では、フィルタ手段１２０から出力される振幅成分の信号に応じて電力増幅器１５０の利得を制御する。位相変調手段１３０では、フィルタ手段１２１から出力される位相成分の信号によって搬送波周波数の正弦波信号を位相変調して、包絡線が一定の位相変調信号を生成する。前記位相変調信号は電力増幅器１５０において電力増幅と利得制御による包絡線変化を受けてアンテナより出力する変調信号となる。（例えば、特許文献１参照。）
位相変調手段１３０が出力する位相変調信号は、位相成分の信号を直交座標における同相信号（Ｉ信号）と直交信号（Ｑ信号）に変換し、搬送波信号と直交変調することで生成できる。この場合、位相成分のＩＱ信号への変換はあらかじめ演算手段１００において処理しておけばよい。また前記位相変調信号は、搬送波周波数を発振するＶＣＯの制御電圧を位相成分の信号によって変化させることによっても生成することができる。振幅変調手段１４０が電力増幅器１５０の利得を制御する方法には、電源電圧を変化させる方法がある。この場合、電源電圧に対して利得はほぼ線形に変化するため制御は容易であるが、振幅成分の信号を電力増幅器が駆動できる信号に変換する回路が必要となる。また、電力増幅器においてトランジスタのゲート（ベース）等のバイアスを変化させることで利得制御または出力電力制御ができる場合には、駆動用の回路を設けなくても利得制御が可能である。ただし、この場合には制御電圧と利得は線形の関係でないことが多いため、あらかじめ振幅成分の信号から電力増幅器の制御信号への変換を演算手段１００において処理しておく。一般に、電力増幅器には振幅振幅変換（ＡＭ−ＡＭ変換）や振幅位相変換（ＡＭ−ＰＭ変換）といった非線形性が存在するが、あらかじめその特性を取得し、演算手段１００において信号に逆特性を加えておくことで非線形性の影響を低減することが可能である。以上説明した従来の方式では、電力増幅器に入力する信号の包絡線が一定であることから電力増幅器を飽和している領域で使用することができ、電力効率を高めることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−２５２６４７号公報（第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の包絡線除去復元方式を代表とする極座標信号による歪補償方式では、振幅成分の信号と位相成分の信号が電力増幅器において掛け合わされる構成であることから、電力増幅器における位相成分と振幅成分のタイミング精度が重要となり、タイミング誤差が生じると変調スペクトラムのサイドローブが拡がるなどの特性劣化が生じてしまう。一例として、セルラシステムとして普及しているＧＳＭ方式において８相ＰＳＫによる変調を行う場合には、１００ナノ秒より小さい誤差で振幅と位相の信号のタイミングを合わせる必要があることが知られている。このような要求に対して実際の装置では、演算手段において振幅成分と位相成分の信号のタイミングを合わせて送出した場合でも、２つの信号経路における配線長の違いや２つのフィルタ手段の遅延特性のばらつき等の影響でタイミング誤差を生じてしまい、変調スペクトラムや変調精度といった送信波の品質が劣化してしまう。このようなタイミング精度に対する要求は、伝送速度が速くなるほど厳しいものとなる。
【０００６】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、包絡線除去復元方式やポーラループ方式といった極座標信号による歪補償方式で動作する送信系において、位相成分と振幅成分のタイミング精度を高め、電力増幅器における歪を低減し電力効率を高めた無線装置の提供を目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、正弦波である搬送波信号を出力する搬送波信号源と、時間的に周波数が変化するチャープ信号を振幅成分と位相成分の両方の信号経路に出力するチャープ信号源と、前記搬送波信号と前記チャープ信号を混合する位相変調手段と、電力増幅器の出力信号と前記搬送波信号の差分となる差分信号に変換する周波数変換手段と、変調信号の包絡線成分の信号を前記電力増幅器に伝える経路に設けられ信号伝達時間を遅延させる信号遅延手段と、前記差分信号の周波数成分を検出し、検出された周波数成分が直流成分となるように前記信号遅延手段による遅延量を制御する周波数成分検出手段とを具備することを特徴とする送信装置であり、変調信号による歪量を検出するのではなく、チャープ信号を利用した周波数成分検出の方法によってもタイミング誤差を制御することが可能となる。
【００１４】
また、前記チャープ信号源は、第１のチャープ信号を振幅成分の信号経路に出力し、前記第１のチャープ信号と同時刻において一定の周波数差を有する第２のチャープ信号を位相成分の信号経路に出力し、前記周波数成分検出手段は、検出される周波数成分が前記周波数差となるように信号遅延手段による遅延量を制御することを特徴とする送信装置であり、周波数成分検出手段において特定の周波数成分を検出することによってタイミング誤差を制御することが可能となる。
【００１５】
また、無線信号を受信して復調する受信手段をさらに備え、前記周波数変換手段は、前記電力増幅器が出力する送信信号の一部または全部を前記受信手段にて復調した信号と前記搬送波信号の差分となる差分信号に変換することを特徴とする送信装置であり、周波数変換手段及び周波数成分検出手段の特別な回路を付加することなく本発明の周波数変換手段及び周波数成分検出手段の実現が可能となる。
【００１６】
また、前記周波数成分検出手段の代わりに、前記第１のチャープ信号と第２のチャープ信号の周波数差と同じ周波数を有する比較信号と前記周波数変換手段で変換された信号の位相差を比較して、前記位相差が一定となるように位相同期させることによって前記信号遅延手段による遅延量を制御する位相比較手段を具備することを特徴とする送信装置でああり、位相同期ループによるタイミング誤差の制御が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１から図５を用いて説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態について、図１乃至図３を参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施の形態における無線装置を示すブロック図である。図１は無線装置の送信系を示しており、基本的な動作は従来の技術で説明した包絡線除去復元（ＥＥＲ）方式による送信系の動作と同じである。図１において従来の技術を説明した図６と異なるのは、フィルタ手段１２０と振幅変調手段１４０の間に設けた信号遅延手段１０と、電力増幅器１５０の出力の一部を取り出す結合器３０と、結合器３０より得られた信号の歪量を検出する歪検出手段２０を具備した点である。
【００１９】
以下その動作を説明する。包絡線除去復元方式やポーラループ方式といった極座標変調方式は、一般に電力増幅器やその前段の増幅器において変調信号の振幅成分（包絡線成分）と位相成分を掛け合わせる方式であるが、振幅成分（包絡線成分）と位相成分のタイミング誤差により変調信号の特性が劣化する。図２に包絡線除去復元方式における振幅成分（包絡線成分）と位相成分のタイミング誤差による変調スペクトラムの変化の例を示す。タイミング誤差が無い場合の変調スペクトラムはスペクトラムマスク内に収まっているが、タイミング誤差が大きくなると両側の歪成分が持ち上がりスペクトラムマスクからはみ出してしまうことが分かる。このように、振幅成分と位相成分の信号タイミング誤差は、変調スペクトラムにおける歪として現れる。また、遅延時間が同一で位相信号が遅れた場合と振幅信号が遅れた場合を比較すると、両者における歪に対する影響はほとんど同じである。
【００２０】
本実施の形態では、電力増幅器１５０の出力側に、方向性結合器等によって構成される結合器３０を設けて送信信号の一部を取り出し、歪検出手段２０において歪量を検出する。歪検出手段２０では、復調した送信信号にディジタル信号処理を施して歪周波数成分のレベルを演算する手法や、アナログベースバンド信号に周波数変換した後に歪成分をフィルタリングしてレベル検波する手法等によって歪量を計算することができる。
【００２１】
信号遅延手段１０は振幅変調手段１４０の前段に挿入され、歪検出手段２０からの制御によって振幅成分信号の遅延量を変化させる。遅延量は、歪検出手段２０より得られる歪量が最小となるように設定される。歪検出手段２０において信号遅延手段１０の遅延量を定めるには、先ず遅延量を適当な範囲で変化させて遅延量と歪量の関係を蓄積し、蓄積データより最小歪を与える遅延量を選択するという手法がある。また、歪測定をしながら遅延量を順次変化させて、歪量が極小値を示す点を探索する手法を用いることもできる。
【００２２】
このように、歪検出手段２０において遅延量を制御するにはある程度の演算処理が必要となることから、歪検出手段２０の機能の一部乃至全部を演算手段１００によって実現する構成としてもよい。また、復調処理が伴うことから、無線装置が無線信号を受信して復調する受信手段を備える場合には、歪検出手段２０の機能の一部乃至全部を前記受信手段によって実現する構成としてもよい。
【００２３】
本実施の形態では振幅成分の信号が伝達する経路に信号遅延手段１０を設けた例を示したが、これは信号遅延手段１０が無い場合に振幅成分の信号が位相成分信号よりも先に電力増幅器１５０に到達するという条件において有効である。前記条件が成り立たない場合、すなわち位相成分の信号が先に電力増幅器１５０に達する場合には、信号遅延手段１０を位相変調手段１３０の前段に設ければよい。また、位相と振幅のどちらの信号が遅れるか不明である場合には、図３に示すように位相信号経路と振幅信号経路の両方に信号遅延手段を設けて、一方の信号遅延手段の遅延量を固定として他方の遅延量を変化させる、もしくは両方の信号遅延手段の遅延量を変化させればよい。図３では信号遅延手段１１の遅延量を固定し、信号遅延手段１０のみを制御する構成を示している。ここで信号遅延手段１０の遅延量調整幅の中央値に、信号遅延手段が無い場合に想定される位相及び振幅の両経路の遅延差を加減した値を信号遅延手段１１の遅延量とすれば、位相と振幅のどちらの信号が遅れる場合でも歪量最小となるようにタイミング調整することが可能となる。
【００２４】
また、本実施の形態では信号遅延手段１０をフィルタ手段１２０の後段に設けた例を示したが、フィルタ手段に信号遅延手段の機能をもたせることも可能である。フィルタ手段１２０乃至１２１はＤＡ変換器１１０乃至１１１の出力を平滑化する低域通過フィルタとして機能するが、この低域通過フィルタを構成する回路の素子値を変化させることで通過帯域内の信号の遅延量を変化させることが可能である。大きな遅延量変化を得ようとして素子値に大きな変化を与えると、フィルタの通過特性が大きく変化して変調特性を劣化させる要因となることから、位相信号経路と振幅信号経路の伝達遅延差が小さいことが想定され、微少なタイミング調整でも最小歪が得られる場合には有効な手法となる。
【００２５】
また、本実施の形態では変調信号を生成する演算手段１００に信号遅延手段の機能をもたせることも可能である。演算手段１００においてベースバンド変調信号を位相成分と振幅成分の信号に分離して出力する際に、各信号の出力タイミングを演算処理によって変化させることで等価的に遅延量が制御されることとなる。
【００２６】
以上説明した遅延量の最適設定の手順は、一時的な歪劣化を生じるためデータ送信時にリアルタイムに行うことはできない。しかしながら、位相振幅信号のタイミング誤差という劣化要因は常に大きく変動するものではないことから、無線装置製造時の初期調整、もしくは無線装置の電源投入時や送信時の初期段階で行えば十分であり、最適化調整後には信号遅延手段１０の遅延量を保持して歪検出手段２０の制御を切り離してもよい。
【００２７】
以上のように、本実施の形態によれば、送信出力の歪量が最小となるように変調信号の振幅成分もしくは位相成分の信号遅延量を変化させることにより、電力増幅器において位相成分と振幅成分が掛け合わされるタイミングを一致させ、電力増幅器における歪を低減し電力効率を高めた無線装置を実現することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態について、図４を参照しながら説明する。図４は本発明の第２の実施の形態における無線伝送システムを示すブロック図である。図４において図１と異なるのは、歪検出手段に換えて周波数変換手段４０と周波数成分検出手段６０を具備した点と、搬送波信号源５０及び周波数が時間変化する信号を発するチャープ信号源７０を示した点である。
【００２９】
以下その動作を説明する。基本動作は前記第１の実施の形態で説明した無線装置と同じである。本実施の形態では、タイミング調整時に、演算手段１００から変調信号のかわりに周波数が時間変化するチャープ信号を振幅及び位相成分の信号経路に同時に出力する。位相変調手段１３０では、フィルタ手段１２１より伝達される第１のチャープ信号と搬送波信号源５０より伝達される周波数一定の搬送波信号が混合され、混合された信号は電力増幅器５０の入力信号となる。振幅変調手段１４０はＤＡ変換器１１０、フィルタ手段１２０及び信号遅延手段１０を介して伝達された第２のチャープ信号により電力増幅器１５０を制御する。よって、結合器３０においては、増幅器の入力信号と振幅成分の経路より伝播した前記第２のチャープ信号が混合された出力信号が現れる。ここで、前記出力信号を周波数変換手段４０によって搬送波周波数との差分信号に変換すると、前記第１と第２のチャープ信号の差の周波数成分を有する信号を得ることができる。前記第１と第２のチャープ信号は電力増幅器１５０において混合されており、振幅成分と位相成分の経路に遅延差が無い場合には同じ周波数の信号が混合されることから、周波数変換手段４０出力の前記差分信号は直流成分のみとなる。よって、周波数成分検出手段６０によって前記差分信号の周波数成分を検出し、直流成分のみとなるように信号遅延手段１０の遅延量を変化させることによりタイミング制御を行うことが可能となる。周波数変換手段４０の出力には、第１と第２のチャープ信号の和の周波数成分も現れるが、この成分は考慮する必要が無いため無視するもしくは低域通過フィルタなどで抑圧しておけばよい。
【００３０】
なお、また、復調処理が伴うことから、無線装置が無線信号を受信して復調する受信手段を備える場合には、周波数変換手段が前記電力増幅器が出力する送信信号の一部または全部を復調した信号を搬送波周波数との差分を出力し、周波数成分検出手段が前記差分を出力した信号の周波数成分を検出するようにしてもよい。
【００３１】
以上のように、本実施の形態によれば、変調信号にかえてチャープ信号を利用し、電力増幅器の出力を搬送波周波数信号によってダウンコンバートした信号の周波数成分を検出し、前記周波数成分が直流成分のみとなるように変調信号の振幅成分もしくは位相成分の信号遅延量を変化させることにより、電力増幅器において位相成分と振幅成分が掛け合わされるタイミングを一致させ、電力増幅器における歪を低減し電力効率を高めた無線装置を実現することができる。
【００３２】
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態について、図５を参照しながら説明する。図５は本発明の第３の実施の形態における無線伝送システムを示すブロック図である。図５において図４と異なるのは、周波数成分検出手段にかえて位相比較手段８０及び制御信号フィルタ手段９０を具備した点と、チャープ信号源７０に加えて固定周波数信号源７２とチャープ信号変換手段７１を示した点である。
【００３３】
以下その動作を説明する。基本動作は前記第２の実施の形態で説明した無線装置と同じである。本実施の形態では、チャープ信号源７０より発生する第１のチャープ信号と、チャープ信号変換手段７１において時間的な周波数変化の無い固定周波数信号源７２の信号と前記第１のチャープ信号を混合して得られる第２のチャープ信号を利用する。前記第１のチャープ信号は振幅成分の信号経路を伝播させ、前記第２のチャープ信号は位相成分の信号経路を伝播させる。ここで、２つの信号経路の遅延差が無く、電力増幅器１５０において２つの信号が同じタイミングで混合される場合には、周波数変換手段４０より固定周波数信号源７２と同じ周波数の信号、すなわち入力した第１と第２のチャープ信号の周波数差と同じ周波数の信号を得ることができる。よって、位相比較手段８０において周波数変換手段４０と固定周波数信号源７２の出力信号の位相を比較して、位相差が一定となる、すなわち周波数が同じとなるように信号遅延手段１０の遅延量を調整することによってタイミングを最適化することができる。ここで、バラクタダイオード等の電圧によって素子値が変化する回路素子を用いて信号遅延手段１０の伝播遅延量を電圧制御可能となるように構成し、位相比較手段８０と前記信号遅延手段１０の間に位相同期動作を制御する制御信号フィルタ手段９０をループフィルタとして設けることにより、位相同期制御によるタイミング調整が可能となる。
【００３４】
本実施の形態では、周波数変換手段４０より出力される第１と第２のチャープ信号の周波数差が、振幅と位相成分の信号経路の遅延差によって固定周波数信号源７２の周波数と一致することも起こり得るが、想定される信号経路の遅延差に応じてチャープ信号の周波数変化を適切に設定することにより回避可能である。また、位相同期制御がロック状態となった場合には、信号遅延手段１０の状態を保持した後に、制御ループを切り離してもよい。
【００３５】
以上のように、本実施の形態によれば、変調信号にかえて周波数差が一定な２つのチャープ信号を利用し、電力増幅器の出力を搬送波周波数信号によってダウンコンバートした信号と前記周波数差が同じとなるように、変調信号の振幅成分もしくは位相成分の信号遅延量を位相同期制御することにより、電力増幅器において位相成分と振幅成分が掛け合わされるタイミングを一致させ、電力増幅器における歪を低減し電力効率を高めた無線装置を実現することができる。
【００３６】
なお、全ての実施の形態では信号遅延手段を設けて遅延量を調整する構成を示したが、演算手段１００を制御して、位相成分と振幅成分の信号出力タイミングをずらすことによって遅延量を調整することも可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の無線装置は、送信出力信号の歪量が最小となるように変調信号の振幅成分もしくは位相成分の信号遅延量を変化させる、もしくは、チャープ信号を入力した際の送信出力信号が特定の周波数成分を有するように変調信号の振幅成分もしくは位相成分の信号遅延量を変化させることによって、電力増幅器における位相成分と振幅成分のタイミングを一致させ、電力増幅器における歪を低減し電力効率を高めた無線装置を実現することができるという効果を有する。
【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無線装置を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施の形態における無線装置の動作を説明する図
【図３】本発明の第１の実施の形態における無線装置を示すブロック図
【図４】本発明の第２の実施の形態における無線装置を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施の形態における無線装置を示すブロック図
【図６】従来の技術における無線装置を示すブロック図
【符号の説明】
１０、１１信号遅延手段
２０歪検出手段
３０結合器
４０周波数変換手段
５０搬送波信号源
６０周波数成分検出手段
７０チャープ信号源
７１チャープ信号変換手段
７２固定周波数信号源
８０位相比較手段
９０制御信号フィルタ手段
１００演算手段
１１０、１１１ＤＡ変換器
１２０、１２１フィルタ手段
１３０位相変調手段
１４０振幅変調手段
１５０電力増幅器
１６０データ入力端

Claims

正弦波である搬送波信号を出力する搬送波信号源と、時間的に周波数が変化するチャープ信号を振幅成分と位相成分の両方の信号経路に出力するチャープ信号源と、前記搬送波信号と前記チャープ信号を混合する位相変調手段と、電力増幅器の出力信号と前記搬送波信号の差分となる差分信号に変換する周波数変換手段と、変調信号の包絡線成分の信号を前記電力増幅器に伝える経路に設けられ信号伝達時間を遅延させる信号遅延手段と、前記差分信号の周波数成分を検出し、検出された周波数成分が直流成分となるように前記信号遅延手段による遅延量を制御する周波数成分検出手段とを具備することを特徴とする送信装置。
前記チャープ信号源は、第１のチャープ信号を振幅成分の信号経路に出力し、前記第１のチャープ信号と同時刻において一定の周波数差を有する第２のチャープ信号を位相成分の信号経路に出力し、
前記周波数成分検出手段は、検出される周波数成分が前記周波数差となるように信号遅延手段による遅延量を制御することを特徴とする請求項１記載の送信装置。
前記周波数成分検出手段の代わりに、前記第１のチャープ信号と第２のチャープ信号の周波数差と同じ周波数を有する比較信号と前記周波数変換手段で変換された信号の位相差を比較して、前記位相差が一定となるように位相同期させることによって前記信号遅延手段による遅延量を制御する位相比較手段を具備することを特徴とする請求項２記載の送信装置。
前記第２のチャープ信号は、時間的な周波数変化の無い固定周波数信号と前記第１のチャープ信号を混合した信号であることを特徴とする請求項２又は３記載の送信装置。
無線信号を受信して復調する受信手段をさらに備え、
前記周波数変換手段は、前記電力増幅器が出力する送信信号の一部または全部を前記受信手段にて復調した信号と前記搬送波信号の差分となる差分信号に変換することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の送信装置。