JP5089600B2 - ピーク対平均電力の低減 - Google Patents

Description

この技術分野は無線通信に関するものである。ここで記載される技術は、マルチキャリア通信システムにおけるピーク対平均電力比の低減に関する。１つの非限定的な応用例は、例えば、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）が用いられる、セルラ無線ネットワークの基地局と移動局の無線周波数（ＲＦ）電力増幅器（ＰＡ）への応用である。

アナログデータを伝送する通信システムでも、デジタルデータを伝送する通信システムでも通常、信号送信機の一部として電力増幅器が用いられる。例えば、このような電力増幅器は、無線基地局の送信機の中に用いられる。不都合なことに、このような電力増幅器は、非線形の振幅伝達関数と位相伝達関数とを持つ。もし、電力増幅器の出力信号の振幅と位相を電力増幅器の入力振幅の関数としてプロットすれば、それは入力信号振幅の相当に広い領域で、非線形な曲線を示すであろう。振幅が変化する強い信号が電力増幅器を通過すると、非線形な振幅伝達関数と位相伝達関数によって歪が生ずる。これらの歪みは、送信信号に誤りベクトル振幅（ＥＶＭ）のより高い値を引き起こし、この高い誤りベクトル振幅値は伝送データの受信機においてビット誤り率を増加させるので、これらの歪みによって重大な問題が生ずる。

デジタル変調信号の伝送に対して、これらの非線形歪み効果を回避する１つの手段は、データを表現するのに位相だけを用いる、一定包絡線型の信号を用いることであるが、これは、データを表現するのに振幅の変化も用いるタイプの変調（例えば、直交振幅変調ＱＡＭ）と比較して、一般に低いビットレートしか得られないという欠点を持つ。従って、もし、高いビットレートに対して、振幅が一定でない変調方式を得ようとすれば、電力増幅器の非線形性が扱われなければならない。

直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）では、伝送される情報は、トーンとも呼ばれる数多くの等間隔に配置された副搬送波の上に変調される。図１は、副搬送波周波数ｆ₀……ｆ_N-1を持つＯＦＤＭ周波数スペクトラムを示す。ここに、Ｎは利用される周波数帯域幅にわたる全ての副搬送波の数である。等間隔に配置された副搬送波を使用することにより、異なる副搬送波によって伝送される情報の間の干渉が最小になる。ＯＦＤＭでは、異なる周波数と変化する位相角とを持つ多くの数の副搬送波が一緒に加えられて変調信号が得られるので、時間領域に振幅の変化が現れる。これらの副搬送波間の干渉は、変調方式にかかわらず、変調信号の時間領域における振幅にピークと谷を生じさせる。そして、上述したように、それらは、より高い誤りベクトル振幅値を引き起こし、結果として伝送データの受信機におけるビット誤り率を増加させるので、電力増幅器の非線形性が問題になる。

図２はＯＦＤＭ変調の原理を概念的に示す。ここに、それぞれのＯＦＤＭシンボルは、周波数領域において、副搬送波周波数のところに中心がある複素平面コンステレーションとして表現される。引き続くＯＦＤＭシンボルは、周波数間隔Δｆだけ離れている。この例では、４−ＱＡＭが用いられて、それぞれのシンボルは、４個の可能な値の組み合わせ００、０１、１０、および１１をもつ２ビットを表す。それぞれの変調シンボルは、複素シンボル平面において、実数成分（Ｉ）および虚数成分（Ｑ）とを持つ複素値ベクトルであると理解される。別の表現として、このようなベクトルは、その振幅と位相角の組み合わせによって表現することができる。

図２に示されるような周波数スペクトラム信号は、副搬送波の数だけの成分を持つ周波数ベクトルであるとみなすことができる。周波数ベクトルのそれぞれの成分は、対応する副搬送波の変調を表す複素値である。そして、周波数ベクトルに逆フーリェ変換を実行し、１つのシンボル時間の間の時間的な離散した点の数に等しい数の成分を含む、対応する時間ベクトルを生成する。時間ベクトルのそれぞれの成分は、複素値であり、時間領域の対応する点での信号値を表す。送信を行う前に、この時間不連続な、時間領域のデジタル信号は、時間的に連続な時間領域のアナログ信号に変換される。

図３は、マルチキャリア送信機の出力信号包絡線の例で、連続した時間領域の表現を示す。逆フーリェ変換は実効的に、全ての変調された副搬送波の時間ベクトルを作り出し、それらを加え合わせて１つの時間ベクトルにする。不都合なことに、変調信号を得るために、全てが異なる周波数を持つ多くの副搬送波が加えられると、これらの周波数の間での干渉によって、変調信号の中に、時間領域で望ましくない振幅ピークが生じ、電力増幅器の出力に望ましくない歪が生ずる。

このような歪の効果を低減する、１つの乱暴な手法は、増幅器の出力電力が相当程度飽和以下であるように、増幅器への駆動レベルを低減する（“バックオフを行う”）ことである。これにより、増幅器の出力電力が相当程度飽和以下になり、ＡＭ／ＡＭ歪、ＡＭ／ＰＭ歪、および、ＩＭ歪の大きさは許容できる程度になる。しかし、許容できる歪レベルを得るために増幅器に相当に大きなバックオフを行わなければならない場合には、この技術は選択肢とはならない。電力増幅器でバックオフを行うことは、電力増幅器の電力変換効率を低減させる傾向がある。さらに、要求される所与の送信機出力電力に対して、より低い効率で動作している電力増幅器は、ピーク効率で動作することができる電力増幅器と比べて大型になる（そして、より高価になる）に違いない。また、所与の出力電力に対して、より低い効率の電力増幅器は、電源や冷却機構もより高価になる。

別の歪補償の手法は線形化回路を用いることであり、例えば、プリディストーション、デカルトフィードバック、フィードフォワード、または、他の任意の線形化原理による線形化が可能である。例えば、プリディストーション回路は、電力増幅器の伝達関数の、計算された逆特性を用いて変調信号に歪を与えるように、増幅されるべき変調信号に作用する。振幅と位相の両方の伝達関数のプリディストーションが可能である。このように、理想的には、プリディストーションと電力増幅器の歪とは互いに打ち消しあうことにより、線形化ユニットの入力とＲＦ電力増幅器の出力との間に線形増幅特性が得られることが期待される。しかしながら、もし、処理されるべきピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）が低くできれば、線形化の費用は大幅に低減することが可能である。

ＯＦＤＭのようなマルチキャリア変調に対しては、ＯＦＤＭ信号の高いＰＡＰＲは、副搬送波または“トーン”留保（reservation）技術を用いることにより、低減することができる。ペイロードデータを搬送する代わりに選択された副搬送波が、ＰＡＰＲ低減のために留保される。ペイロードデータは留保されていない副搬送波の上にのみ変調される。希望するところは、ペイロード副搬送波によって生じた振幅ピークを低減するために、決定された振幅値と位相値を、選択した副搬送波に割り当てることである。しかし、副搬送波を低減するための適した振幅値と位相値を計算する実際的で安価な手法を得ることは困難である。時間領域でのピーク毎に低減を行うことは可能ではあるが、この手法では、満足のいくＰＡＰＲ低減を達成するには、複数回の繰り返し計算が必要である。

送信時間間隔の間に、低減されたピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）でペイロードデータを送信するためのマルチキャリア送信機と送信技術について説明する。マルチキャリア変調器は、送信すべきペイロードデータを用いて複数の副搬送波周波数を変調し、送信時間間隔の間に送信すべき変調信号を生成する。その変調信号において低減されるべきピークが抽出され、抽出されたピーク時間信号になる。抽出されたピーク時間信号は、周波数領域に変換され、抽出されたピークスペクトラムが生成される。抽出されたピークスペクトラムは、ＰＡＰＲを低減するために選択されたある副搬送波のスペクトラムを用いて処理され、ピーク補償スペクトラムを生成する。

１つの手法の例では、ピーク補償スペクトラムは、時間領域に変換され、時間領域において変調信号と合成されて、低減されたＰＡＰＲを持つ修正変調信号を得る。あるいは、ピーク補償スペクトラムは、変調器によって得られる変調スペクトラムと、周波数領域において合成されてもよい。その結果得られた、周波数領域において低減されたＰＡＰＲを持つ変調信号に対するスペクトラムは、時間領域に変換し戻され、低減されたＰＡＰＲを持つ修正変調信号を得る。いずれの手法においても、修正変調信号は、デジタル形式からアナログ信号に変換され、１つの選択としてより高い周波数帯に変換され、増幅されて無線伝送媒体または有線伝送媒体により送信される。

副搬送波は任意の適当な手法で選択することができる。副搬送波は、任意の適当なときに、適当であるとして再選択されてもよい。例えば、選択される副搬送波は、実質的なペイロード情報を現在搬送するようにスケジューリングされていない留保されている副搬送波であってもよい。ピークスペクトラムと選択された副搬送波だけのスペクトラムの乗算を副搬送波毎に行えば、ピーク補償スペクトラムを、選択された副搬送波の中だけに局限できるので、実質的なペイロードデータを搬送する副搬送波との干渉を回避することができる。あるいは、選択する副搬送波は、適宜な現在の閾値以下の信号品質条件を現在有する副搬送波であってもよい。

以下は、特定の実施例、手続き、技術等を、限定目的でなく、説明のために詳細を記載するものである。しかしながら、当業者には、これらの詳細とは別に、他の実施例も用いることができることが理解されるであろう。例えば、以下の説明は、非限定的な例としてＯＦＤＭ送信機を用いて行われているが、この技術は、無線伝送媒体および有線伝送媒体を通して伝送を行う任意のタイプの送信機においても用いることが可能である。いくつかの例では、不必要に詳細にして説明が蒙昧とならないように、公知の方法、インタフェース、回路、およびデバイスは省略されている。さらに、いくつかの図では、個々のブロックが示されている。しかし、複数の機能が１つまたは複数のエンティティにおいて実行されてもよい。これらのブロックの機能は、個々のハードウェアを用いるか、適切にプログラムされたデジタルマイクロプロセッサ或は汎用コンピュータとともにソフトウェアプログラムおよびデータを用いるか、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を用いるか、１つ以上のデジタル信号処理装置（ＤＰＳ）を用いるかの内、少なくともいずれかを用いて、実施することができることを、当業者は理解するであろう。

ＰＡＰＲ低減技術を用いた送信機１０の非限定的な例が図４に機能ブロックの形で示されている。データインタフェースアダプタ１２は、送信すべきデータを受信し、データをさらなる処理に適した形式に変換し、変換したデータをオプションで設けられるベースバンド処理ユニット１４に手渡す。ベースバンド処理ユニット１４は、例えば、データの暗号化、データのブロック符号化、データのインターリーブ等を行うことによりデータを送信する準備を行い、準備を行ったデータを、オプションで設けられるデータスケジューラ１６に転送する。スケジューラ１６は、ベースバンドデータを複数のブロックのデータにさらに分割することができ、それぞれのデータのブロックは、送信時間間隔の間に、特定の電力レベルで送信される。データスケジューラの非限定的な１つの例は、共通譲渡人による２００６年１１月８日出願で、出願番号が第１１／ 号（代理人整理番号２３８０−１００５）で、出願の名称を“周波数領域におけるＲＦ電力分配（RF Power Distribution in the Frequency Domain）”という特許出願で説明されている。

スケジュールされたデータは、ＯＦＤＭ変調器１８または他のマルチキャリア変調器で変調され、変調されたデータは、その後、ピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）低減ユニット２０の中で処理され、ＯＦＤＭ変調信号のピーク対平均電力比が低減される。次に、ＰＡＰＲ低減ユニットの出力は、デジタル／アナログ変換器２２の中でアナログ信号に変換される。オプションで設けられる周波数アップコンバータ２４は、ベースバンド信号を、例えば、無線周波数（ＲＦ）のようなより高い周波数に変換し、その高周波信号を電力増幅器２６に供給することができる。電力増幅器２６は、その信号を増幅し、それを、例えば、無線通信に対してはアンテナまたは変調された光源、有線通信に対しては同軸線、より対線、光ファイバ、または他のケーブル等の適切な伝送媒体を通して送信するための出力端子に供給する。

送信機１０は、任意の適当な送信応用分野で用いられる。１つの非限定的な応用例は、セルラ無線アクセスネットワークの中で用いる無線基地局と移動局との内の少なくともいずれかへの応用である。“移動局”という用語は、この場合は、一般的に用いられ、無線インタフェースを介して通信を行うことができる任意のタイプのユーザ装置を包含する。別の非限定的な例は、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）の中のアクセスポイントへの応用である。

図５は、ピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）低減ユニット２０の非限定的な例を示す機能ブロック図である。次の送信時間間隔に送信すべき、ＯＦＤＭ変調器１８からの出力信号は、ＯＦＤＭ変調されたデータを表す複素値のサンプルの時間系列を含むベクトルである。この変調された信号は、振幅閾値ゲート３０とバッファ３１の両方に供給される。バッファは補償信号が生成し終わるまでその変調信号を記憶または保持する。振幅閾値ゲート３０は、閾値を超える変調信号のピークを識別、抽出し、さらなる処理を行うために、さもなければゼロベクトルであったベクトルの対応する位置にそれらのピークをコピーする。振幅閾値ゲート３０はまさに非限定的な例であって、ＰＡＰＲの低減のためには、変調信号に対する、何らかの他の適当な抽出の操作が実行されるとよい。

抽出されたピーク信号は、高速フーリェ変換（ＦＦＴ）３２を用いて周波数領域に変換され、複素値の抽出ピークスペクトラムが得られる。留保トーン（reserved tone）メモリ３６は、選択されたトーンスペクトラムを記憶する。その１つの例が下記で説明する図１０に示されており、それはＰＡＰＲ低減に用いられるために選択された副搬送波を識別する。抽出されたピークスペクトラムの中の副搬送波のそれぞれは、次に、複素値乗算器３４を用いて、選択されたトーンスペクトラムの中の対応する副搬送波により、副搬送波毎乗算され、ピーク補償スペクトラムを取得する。副搬送波毎乗算とは、副搬送波毎に乗算を行うという意味である。例えば、抽出されたトーンスペクトラムの中の“ｘ”番目の副搬送波に関連する情報が、選択されたトーンスペクトラムの中の“ｘ”番目の副搬送波に関連する情報により乗算される。このようにして、選択されたトーンスペクトラムの中のゼロでない副搬送波に対応する抽出されたピークスペクトラムの中の副搬送波だけが、ゼロでない値を持ち、乗算器３４から出力されるであろう。しかしながら、抽出されたスペクトラムを選択されたトーンスペクトラムを用いて修正するためには、他の処理技術が用いられても良い。

乗算器３４はピーク補償スペクトラムを、そのスペクトラムを時間領域に変換してピーク補償信号を与える逆フーリェ変換（ＩＦＦＴ）３８に供給する。次に、減算器４０の中で、バッファ３１より取り出された変調信号から、そのピーク補償信号が差し引かれ、低減されたピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を持つ変調信号が生成される。減算器４０は単なる例であって、ＰＡＰＲ低減のためには、ピーク補償信号と変調信号とに関して、何らかの他の適当な合成操作が実行されてもよい。

図６は、図５に示されるＰＡＰＲ低減ユニット２０に従うＰＡＰＲ低減についての非限定的な例を示すフローチャートである。最初に、副搬送波周波数またはトーンのセットがＰＡＰＲ低減に用いるために選択される（ステップＳ１）。例えば、一定のパーセントの副搬送波を、留保されたトーンセットとしてＰＡＰＲ低減に用いるために留保しておくことが可能であろう。選択された副搬送波は、割り当てられた周波数帯域幅の中で等間隔に配置されていてもいなくてもよいが、等間隔に配置されていない方が好ましい。

トーンセットは一旦選択されると、それは固定されて複数のＰＡＰＲ低減操作に用いることができる。あるいは、選択されたトーンセットは、複雑さが増すことの代償の上で、変更可能または動的であってもよい。例えば、それぞれの副搬送波周波数の上の信号品質を受信端で監視することができて、現在の信号品質がよくなくて、従って実質的なペイロード情報を十分満足には搬送できない副搬送波周波数を、ＰＡＰＲ低減副搬送波として選択することも可能であろう。しかしながら、このことは良好なピーク対平均電力比低減の特性を持つ留保されたセットを生み出すことにならないかもしれない。チャネルの信号品質条件は、しばしば変化するので、（そして、無線通信の環境下では、条件はしばしば極めて急速に変化するので）、選択された副搬送波は、チャネル条件の変化に応じて更新される必要がある。必ずしも必要ではないが、ＰＡＰＲ低減に用いるために選択された副搬送波周波数を識別する情報を適当なメモリの中に記憶しておくことが望ましい。

次にステップＳ２で、留保されていない副搬送波の上に分布しているＯＦＤＭペイロード信号が解析され、閾値レベルを超える信号ピークのサンプルが識別され抽出される。抽出されたピーク信号サンプルは、高速フーリェ変換（ＦＦＴ）を用いて時間領域から周波数領域に変換される（ステップＳ３）。ステップＳ３の結果として得られた複素値は、例えば、副搬送波ごとに乗算される等、留保されたトーンセットの対応する複素値を用いて周波数領域で処理され、ピーク補償スペクトラムを生成する（ステップＳ４）。このようにして、ピーク補償スペクトラムの中で、選択されたトーンスペクトラムの中のゼロでない副搬送波に対応する抽出されたピークスペクトラムの中の副搬送波だけが、ゼロでない値を持つであろう。次に、ピーク補償スペクトラムに逆高速フーリェ変換（ＩＦＦＴ）が実行され、時間領域のピーク補償信号が生成される（ステップＳ５）。ＯＦＤＭペイロード信号からピーク補償信号が差し引かれ、低減されたピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を持つＯＦＤＭ信号が生成される（ステップＳ６）。

図７は、ＰＡＰＲ低減ユニット２０の非限定的な別の例の機能ブロック図を示す。図７におけるＰＡＰＲ低減ユニットは、図５に示されるＰＡＰＲ低減ユニットと類似しているが、周波数領域減算ユニット４０を用いて、周波数領域においてピーク補償を実行する。この場合には、ＯＦＤＭ変調器１８は、変調ペイロード信号ばかりでなく、例えば、通常はＯＦＤＭ変調器１８の変調信号出力のところに位置するＩＦＦＴ（不図示）の前に得られる、対応する変調ペイロードスペクトラムをも出力する。しかしこの例ばかりでなく、他の実施例も可能である。変調されたスペクトラムは、周波数領域減算器４０に供給される前に、複素乗算器３４によって生成されるピーク補償スペクトラムとの合成される適当な時間までバッファ３１に記憶される。補償された変調スペクトラムは、ＩＦＦＴ３８を通して周波数領域から時間領域へ変換され、低減されたピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を持つ変調ペイロード信号が得られる。振幅閾値ゲート３０、ＦＦＴ３２、および周波数領域乗算器３４において、ＯＦＤＭ変調器１８から得られる変調ペイロード信号出力に対して実行される残りの操作は、図５に関して説明したものと大体同様である。

図８は、図７に示されるＰＡＰＲ低減ユニット２０に従うＰＡＰＲ低減の手順の非限定的な例を示すフローチャートである。初めに、ＰＡＰＲ低減に用いるための副搬送波周波数またはトーンのセットが選択される（ステップＳ１１）。ＯＦＤＭペイロード信号は、留保されていない副搬送波に適合するように調整される。ステップＳ１２において、ＯＦＤＭペイロード信号は解析されて、閾値レベルを超える信号ピークが識別され抽出される。抽出されたピーク信号は、高速フーリェ変換（ＦＦＴ）を用いて時間領域から周波数領域に変換される（ステップ１３）。ステップＳ１３の結果得られた複素値に、留保されたトーンセットの対応する複素値が副搬送波ごとに乗算され、ピーク補償スペクトラムを生成する（ステップＳ１４）。ＯＦＤＭ変調器により供給されるＯＦＤＭペイロードスペクトラムから、そのピーク補償スペクトラムが差し引かれ、修正されたＯＦＤＭペイロードスペクトラムが生成される（ステップＳ１５）。つぎに、修正されたＯＦＤＭスペクトラムにＩＦＦＴ操作が実行され、低減されたＰＡＰＲを持つ時間領域での修正されたＯＦＤＭペイロード信号が生成される（ステップＳ１６）。

非限定的な例の環境においてＰＡＰＲ低減の技術についてさらに説明する。図９Ａは、信号のピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）を低減するためにいくつかの振幅ピークをオフセットする必要があるＯＦＤＭペイロード信号のグラフである。信号ピークのいくつかは、ピーク閾値を超え、それらは、例えば、振幅閾値ゲート処理を用いて抽出される。

図９Ａに示すＯＦＤＭペイロード信号の例は、１６−ＱＡＭを用いて変調される。図９Ｂは、１６−ＱＡＭシンボルのプロットで、その図では１６個の異なるシンボルコンステレーション点は“ｘ”で示されている。それぞれのシンボル点は、黒い点で示された中心の原点からの相対振幅とＩ軸からの相対位相角とを持つベクトルであると見ることができる。図示のように、異なる３つの可能なベクトル振幅、Ａ１、Ａ２、および、Ａ３が存在する。

図９Ｃは、図９ＡにおけるＯＦＤＭペイロード信号で、周波数領域のＯＦＤＭペイロードスペクトラムに変換されたもののグラフを示す。それぞれのスペクトラムピークは、３つの異なる振幅Ａ１、Ａ２、および、Ａ３の１つに対応している。ゼロ振幅を持つ副搬送波は丸印で識別される。これらのゼロ振幅の副搬送波は、ＰＡＰＲ低減に用いるために選択される副搬送波に対応している。それらはＰＡＰＲ低減のために留保され、従ってシンボル変調のためには利用することができない。

図１０は、留保されたトーンセットの周波数をプロットしたものであり、これらは図９Ｃに示されている留保されたトーンセットに対応している。言い換えれば、もとのＯＦＤＭペイロード信号は、周波数領域で見れば、留保されたトーンが存在する全ての副搬送波周波数においてゼロである。もちろん、留保されたトーンセットが変化をすれば（動的であれば）、ペイロードデータもやはりそれに応じて再構成されなければならない。

図１１は、図１０に示されている留保されたトーンセットのフーリェ変換からの結果得られた時間領域の“ステンシル”のグラフである。サンプル＃０における大きな振幅に注意されたい。ステンシルの残りの部分は、副搬送波のサブセットだけの寄与があるサンプル＃０における単一ピークを表現する際の不正確さの結果として生ずる“雑音”に対応する。この雑音は、留保されるトーンセットの品質に影響を与え、この品質は対応するステンシルのＰＡＰＲ値によって表現することができる。この場合、より高いステンシル値がよりよいことを示す。このステンシルＰＡＰＲ値は、いくつの、そして、どの留保トーンが選択されたかに依存する。

図１２は、閾値レベルを超えたピークだけがゼロでないとした抽出されたピーク信号とともに、図９Ａから得た時間領域のＯＦＤＭ変調されたペイロード信号の例の振幅を示すグラフである。そのピークは、時間領域のペイロード信号を振幅閾値ゲートに通すことにより抽出されてもよく、または、いくつかの他の技術が用いられてもよい。抽出されたピーク信号は次に、周波数領域に変換され、周波数領域で副搬送波ごとに留保されたトーンセットが乗算される。その結果得られたピーク補償スペクトラムは、時間領域に変換し戻され、ＯＦＤＭペイロード信号からそれを差し引くことにより、低減されたＰＡＰＲを持つ信号が提供される。

実際のピーク低減は図１３のグラフに示され、その図にはもとの信号と低減されたピーク信号が比較されている。実線は低減されたピーク信号を示す。それぞれのピークは振幅が大幅に低減され、殆ど全てのピークが閾値以下に低減されている。

提案されている技術がいかにしてＰＡＰＲを低減するかをより良く理解するために、任意の時間位置に、複素平面において任意の振幅と任意の位相角とを持つ単一ピークを含む時間領域の信号を考える。この目的のために、図１２に示されるＯＦＤＭ変調のペイロード信号の例で、時間サンプル＃１９における１つのピークが図１４に示される。この単一ピークの信号に複素フーリェ変換操作を適用すると、そのピークを正確に表現する単一のピークをもつ複素スペクトラムが周波数領域に生成される。その単一のピークをもつスペクトラムは、図１５に示されるように、周波数領域に一定振幅で拡散される。

しかしながら、図１６が示すように、その単一のピークをもつスペクトラムは、実は、複素ベクトルと関連していて、その複素ベクトルは、実数成分（太線）と虚数成分（細線）との両方を持ち、そのベクトルは、複素平面の中で周波数領域の周波数軸に沿って特定な一定の速度で回転をしている。その速度は、時間領域における単一ピークの特定な位置に直接に関連し、かつ、それを示している。この特定な場合では、図１６に示される実数正弦波と虚数正弦波の位相角回転速度は、時間位置＃１９におけるピークを符号化している。

その単一のピークをもつスペクトラムに複素逆フーリェ変換操作が適用されると、時間領域におけるもとの単一のピークをもつ信号が正確に再生される。そのピークは、もとの時間位置にあり、複素平面における振幅と位相角は正確に再生される。このＰＡＰＲ低減技術は、フーリェ変換と逆フーリェ変換のこれらの強力な特性を利用している。

さらに、任意の異なる位置に複数のピークを含む時間信号に複素フーリェ変換操作が適用されると、フーリェ変換とその逆変換の線形性ゆえに、対応した複素数の多数のピークをもつスペクトラムは、それらの複数のピークの全てを同時に正確に表現する。引き続いて、この多数のピークをもつスペクトラムに複素逆フーリェ変換操作が適用されると、時間領域における多数のピーク信号が再び正確に再生される。これらのピーク信号は正確にもとの位置にそのピークを持ち、複素平面における振幅と位相は正確に再生される。

もし、その再生抽出されたピーク信号が、さらなる処理を行わずにもとの信号から差し引かれるとすれば、もとのＯＦＤＭペイロード信号のピークは、閾値レベルまで低減される。しかし、問題は、補償信号のスペクトラムがもとのＯＦＤＭペイロード信号のスペクトラムと干渉を起こし、その結果ペイロードデータを壊してしまうという点である。

そのような干渉を回避するために、選択するトーンセットを、実質的なペイロードデータを搬送するように現在はスケジューリングされていない副搬送波に限るようにする。これを得るために、時間領域に変換し戻す前に、周波数領域において副搬送波ごとに、抽出されたピークスペクトラムに選択されたトーンセットスペクトラムが乗算される。選択された副搬送波スペクトラムは、選択された全ての副搬送波に対してゼロでない値を持ち、他の全ての副搬送波に対してはゼロの値を持つので、周波数領域における副搬送波ごとの乗算は、ゼロでない副搬送波だけが選択されたトーンセットと一致する副搬送波であるようなピーク補償スペクトラムを生成する。我々の扱っている単一のピークをもつ例に戻れば、図１７は、ピーク＃１９に対応する単一のピークをもつスペクトラムと留保されたトーンセットとを副搬送波ごとに乗算することから得られたピーク補償スペクトラムの振幅を示している。この場合は、留保された位置にある副搬送波だけがゼロでない値を持つ。もし、振幅スペクトラムだけを問題にするならば、留保されたトーンセット自身の振幅スペクトラムと同一に見える。しかしながら、もし、ゼロでない副搬送波の位相角を調べると、図１８に見るように、それらは周波数で変化していることを理解できる。この変化は、単一のピークの位置を位置＃１９であるとして符号化するものである。

図１９は、図１７で示したピーク補償スペクトラムに逆フーリェ変換を行って時間領域の信号に戻した結果を示している。しかしながら、再生された単一のピークをもつ信号は、もはや、図１４に示したような“清浄な（clean）”単一のピークをもつ信号と同一ではない。雑音が付加されたものである。しかしながら、全ての補償信号電力（雑音を含む）は選択された副搬送波に局限されているので、この雑音は選択肢としては許容できるものである。結果として、このピーク軽減は、もとのＯＦＤＭペイロードデータに対して不利な影響は与えない。図１９に示される波形は、図１１で示した“ステンシル”の波形と同じである。しかし、図１８に示される位相角コンステレーションのために、時間的にもとのピーク＃１９の位置へ移動している。

ＰＡＰＲ軽減の技術のさらに別の側面について説明する。抽出されたピークスペクトラムに選択された副搬送波スペクトラムを周波数領域において副搬送波ごとに乗算することは、時間領域においては、抽出されたピーク信号に留保されたトーンセットのステンシル関数をたたみ込み積分することに対応する。ステンシル関数は、留保されたトーンセットの逆フーリェ変換である。ステンシル関数の１つの例は図１１に示されている。ステンシルの主ピークはサンプル＃０のところにある。時間領域のステンシル関数全体を、抽出されたピーク信号にわたって周りを囲うように時間軸に沿ってスライドさせるステンシルまたはテンプレートとみなすことにより、たたみ込み積分を視覚化することができる。抽出されたピーク信号の内のピークがステンシルの主ピークに対応するそれぞれのスライド位置で、ステンシルの全体の時間関数のコピーがその位置で加えられ、ピーク補償信号ができあがる。抽出されたピーク信号の中のピークの振幅と位相角は、加えられるステンシル関数のコピーの振幅と位相角を決定する。このたたみ込み積分の操作を累積した結果がピーク補償信号であり、このピーク補償信号は、ＰＡＰＲを低減するためにもとのＯＦＤＭペイロード信号から差し引かれる。これは、上述のように、ピークごとの操作を基本にして行うことが可能であるが、フーリェ変換とその逆変換を用いて、一挙に全てを行う操作を基本にして実行することも可能である。

このＰＡＰＲ低減技術によって、より高い出力電力を得ることができるか、電力増幅器の歪によって生ずるＥＶＭ（誤りベクトル量：Error Vector Magnitude）を減少させることにより、より低いビット誤り率を得ることができることの内、少なくともいずれかを達成することができる。このＰＡＰＲ低減技術のさらに有利な点は、低減する必要がある全てのピークに対して、１“回”の操作で一挙に実行されるという点である。繰り返し操作も実行可能であろうが、それらは必要ではない。

これまで種々の実施例について示し詳しく説明してきたが、請求の範囲は、いずれの特定な実施例または例によって限定されるものではない。上記の説明は、いずれかの特定な構成要素、ステップ、範囲、または、機能が必須であり請求の範囲に含まれなければならないことを示唆するものとして読まれるべきではない。特許されるべき主題の範囲は請求の範囲によってのみ規定されるものである。法的保護の範囲は、許可された請求の範囲とその均等物の中で記述される文言によって規定される。いずれの請求項も“のための手段”という文言を用いないかぎり、米国特許法第１１２条第６段落の行使を意図するもではない。

マルチキャリア通信システムにおけるいくつかの信号の周波数領域でのプロットを示す図である。 ＯＦＤＭの原理を示す概念図である。 振幅閾値を超えるピークを持つ、時間領域におけるマルチキャリア信号の振幅のグラフである。 ＰＡＰＲ低減が用いられているＯＦＤＭ変調を用いた送信機の例を示す機能ブロック図である。 ＰＡＰＲ低減ユニットの非限定的な１例を示す機能ブロック図である。 図５に示されたＰＡＰＲ低減ユニットに従ったＰＡＰＲ低減に対する非限定的な処理の例を示すフローチャートである。 ＰＡＰＲ低減ユニットの、非限定的な別の１例を示す機能ブロック図である。 図７に示されたＰＡＰＲ低減ユニットに従ったＰＡＰＲ低減に対する非限定的な処理の例を示すフローチャートである。 ＰＡＰＲ低減が必要なＯＦＤＭ信号のグラフである。 １６−ＱＡＭタイプの変調に対するシンボルプロットを示す図である。 周波数領域に変換された対応するＯＦＤＭ信号のグラフを示す図である。 選択されたセットの副搬送波の非限定的な例である、留保されたトーンのセットの周波数に対する振幅のプロットを示す図である。 図１０における留保されたトーンセットのフーリェ変換から得られる“ステンシル”の時間に対する振幅を示す図である。 図９Ａに示す時間領域におけるＯＦＤＭ変調されたペイロード信号と、閾値を超えて抽出された信号ピークとのグラフを示す図である。 本出願で記載したＰＡＰＲ低減技術を用いてピークレベルの大幅な低減がなされたグラフを示す図である。 図１２のＯＦＤＭ変調信号のペイロードの例から抽出された、時間領域におけるピークの一例のグラフを示す図である。 図１４に示す１つのピークに対応する振幅一定スペクトラムのグラフを示す図である。 図１４に示す１つのピークに対応する図１５と同じ周波数スペクトラムの位相角変化のグラフを示す図である。 図１５の１つのピークがあるスペクトラムと、図１０に示される留保トーンセットとを副搬送波ごとに乗算した積スペクトラムの振幅を示す図である。 図１７と同じ積スペクトラムの位相角のグラフを示す図である。 低減されたピークとＰＡＰＲ低減処理によって加わった雑音とを示すグラフである。

Claims (24)

1. 一定の副搬送波がピーク対平均電力比の低減のために用いられるように選択され、マルチキャリア送信を用いて、送信時間間隔の間にペイロードデータを送信する送信機（１０）であって、
   送信されるペイロードデータで多数の副搬送波周波数を変調し、前記送信時間間隔の間に送信のため変調信号を提供するマルチキャリア変調器（１８）と、
   低減される前記変調信号において１つ以上のピークを検出し、抽出するピーク検出回路（３０）と、
   前記変調信号をアナログ信号に変換するデジタル／アナログ変換器（２２）と、
   前記アナログ信号を増幅して、送信される出力信号を提供する電力増幅器（２６）と、
   前記抽出された１つ以上のピークについてフーリエ変換操作を実行してピーク周波数スペクトラムを生成するフーリエ変換回路（３２）と、
   前記選択された副搬送波の周波数スペクトラムを用いて前記ピーク周波数スペクトラムを処理してピーク補償周波数スペクトラムを生成する処理回路（３４）と、
   前記ピーク補償周波数スペクトラムについて逆フーリエ変換操作を実行して、時間領域におけるピーク補償信号を生成する逆フーリエ変換回路（３８）と、
   前記ピーク補償信号を用いて前記変調信号を修正し、ピーク対平均電力比の低減した修正変調信号を取得する補償回路（４０）とを有し、
   前記選択された副搬送波は、現在のところ実質的なペイロード情報を搬送するようにスケジューリングされていない留保された副搬送波であり、
   前記処理回路は、副搬送波毎に前記ピーク周波数スペクトラムを前記留保された副搬送波の周波数スペクトラムで乗算して、前記ピーク補償信号を前記留保された副搬送波の周波数に制限して、実質的なペイロードデータを搬送する副搬送波との干渉を回避するよう構成されていることを特徴とする送信機。
2. 前記選択された副搬送波は、現在のところプリセットされた閾値未満の信号品質条件をもつ副搬送波であることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
3. 前記ピーク補償信号が前記変調信号と合成される準備が完了するまで前記変調信号を保持するバッファ（３１）をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の送信機。
4. 前記送信機は無線或は有線送信媒体により前記出力信号を送信するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
5. ピーク対平均電力比の低減のために用いられる前記選択された副搬送波を識別する情報を格納するメモリ（３６）をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の送信機。
6. 前記補償回路は、前記変調信号より前記ピーク補償信号を減算して、低減されたピーク対平均電力比をもつ前記修正変調信号を取得するように構成された減算回路（４０）であることを特徴とする請求項１に記載の送信機。
7. 一定の副搬送波がピーク対平均電力比の低減のために用いられるように選択され、マルチキャリア送信を用いて、送信時間間隔の間にペイロードデータを送信する送信機（１０）であって、
   送信されるペイロードデータで多数の副搬送波周波数を変調し、時間領域における変調信号と、周波数領域における対応する変調周波数スペクトラムとを提供するマルチキャリア変調器（１８）と、
   低減される前記変調信号において１つ以上のピークを検出し、抽出するピーク検出回路（３０）と、
   前記変調信号をアナログ信号に変換するデジタル／アナログ変換器（２２）と、
   前記アナログ信号を増幅して、送信される出力信号を提供する電力増幅器（２６）と、
   前記抽出された１つ以上のピークについてフーリエ変換操作を実行してピーク周波数スペクトラムを生成するフーリエ変換回路（３２）と、
   前記選択された副搬送波の周波数スペクトラムを用いて前記ピーク周波数スペクトラムを処理してピーク補償周波数スペクトラムを生成する処理回路（３４）と、
   前記ピーク補償周波数スペクトラムを用いて前記対応する変調信号を修正し、ピーク対平均電力比の低減した修正変調信号を取得する補償回路（４０）と、
   前記修正変調信号について逆フーリエ変換操作を実行して、ピーク対平均電力比の低減した前記時間領域における修正変調信号を生成する逆フーリエ変換回路（３８）とを有し、
   前記選択された副搬送波は、現在のところ実質的なペイロード情報を搬送するようにスケジューリングされていない留保された副搬送波であり、
   前記処理回路は、副搬送波毎に前記ピーク周波数スペクトラムを前記留保された副搬送波の周波数スペクトラムで乗算して、前記ピーク補償周波数スペクトラムを前記留保された副搬送波の周波数に制限して、実質的なペイロードデータを搬送する副搬送波との干渉を回避するよう構成されていることを特徴とする送信機。
8. 前記選択された副搬送波は、現在のところプリセットされた閾値未満の信号品質条件をもつ副搬送波であることを特徴とする請求項７に記載の送信機。
9. 前記ピーク補償周波数スペクトラムが前記変調周波数スペクトラムと合成される準備が完了するまで前記変調周波数スペクトラムを保持するバッファ（３１）をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の送信機。
10. 前記送信機は無線或は有線送信媒体により前記出力信号を送信するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の送信機。
11. ピーク対平均電力比の低減のために用いられる前記選択された副搬送波を識別する情報を格納するメモリ（３６）をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の送信機。
12. 前記補償回路は、前記対応する変調周波数スペクトラムより前記ピーク補償周波数スペクトラムを減算して、修正変調スペクトラムを取得するように構成された減算回路（４０）であることを特徴とする請求項７に記載の送信機。
13. 一定の副搬送波がピーク対平均電力比の低減のために用いられるように選択され、マルチキャリア送信を用いて、送信時間間隔の間にペイロードデータを送信する方法であって、
    送信されるペイロードデータで多数の副搬送波周波数を変調し、前記送信時間間隔の間に送信のため変調信号を提供する工程と、
    低減される前記変調信号において１つ以上のピークを検出し、抽出する工程と、
    前記抽出された１つ以上のピークについてフーリエ変換操作を実行してピーク周波数スペクトラムを生成する工程と、
    前記選択された副搬送波の周波数スペクトラムを用いて前記ピーク周波数スペクトラムを処理してピーク補償周波数スペクトラムを生成する工程と、
    前記ピーク補償周波数スペクトラムについて逆フーリエ変換操作を実行して、時間領域におけるピーク補償信号を生成する工程と、
    前記ピーク補償信号を用いて前記変調信号を修正し、ピーク対平均電力比の低減した修正変調信号を取得する工程と、
    低減されたピーク対平均電力比をもつ前記修正変調信号をデジタル形式からアナログ信号に変換し、前記アナログ信号を増幅して、送信される出力信号を提供する工程とを有し、
    前記選択された副搬送波は、現在のところ実質的なペイロード情報を搬送するようにスケジューリングされていない留保された副搬送波であり、
    前記処理は、副搬送波毎に前記ピーク周波数スペクトラムを前記留保された副搬送波の周波数スペクトラムで乗算して、前記ピーク補償信号を前記留保された副搬送波の周波数に制限して、実質的なペイロードデータを搬送する副搬送波との干渉を回避する処理を含むことを特徴とする方法。
14. 前記選択された副搬送波は、現在のところプリセットされた閾値未満の信号品質条件をもつ副搬送波であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記ピーク補償信号が前記変調信号と合成される準備が完了するまで前記変調信号をバッファリングする工程をさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 無線或は有線送信媒体により前記出力信号を送信する工程をさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. ピーク対平均電力比の低減のために用いられる前記選択された副搬送波を識別する情報を格納する工程をさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 前記修正は、前記変調信号より前記ピーク補償信号を減算して、低減されたピーク対平均電力比をもつ前記修正変調信号を取得することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
19. 一定の副搬送波がピーク対平均電力比の低減のために用いられるように選択され、マルチキャリア送信を用いて、送信時間間隔の間にペイロードデータを送信する方法であって、
    送信されるペイロードデータで多数の副搬送波周波数を変調し、時間領域における変調信号と、周波数領域における対応する変調周波数スペクトラムとを備える工程と、
    低減される前記変調信号において１つ以上のピークを検出し、抽出する工程と、
    修正変調信号をデジタル形式からアナログ信号に変換する工程と、
    前記アナログ信号を増幅して、送信される出力信号を提供する工程と、
    前記抽出された１つ以上のピークについてフーリエ変換操作を実行してピーク周波数スペクトラムを生成する工程と、
    前記選択された副搬送波の周波数スペクトラムを用いて前記ピーク周波数スペクトラムを処理してピーク補償周波数スペクトラムを生成する工程と、
    前記ピーク補償周波数スペクトラムを用いて前記対応する変調周波数スペクトラムを修正し、修正変調信号を取得する工程と、
    前記修正変調信号について逆フーリエ変換操作を実行して、ピーク対平均電力比の低減した前記時間領域における修正変調信号を生成する工程とを有し、
    前記選択された副搬送波は、現在のところ実質的なペイロード情報を搬送するようにスケジューリングされていない留保された副搬送波であり、
    前記処理は、副搬送波毎に前記ピーク周波数スペクトラムを前記留保された副搬送波の周波数スペクトラムで乗算して、前記ピーク補償周波数スペクトラムを前記留保された副搬送波の周波数に制限して、実質的なペイロードデータを搬送する副搬送波との干渉を回避する処理を含むことを特徴とする方法。
20. 前記選択された副搬送波は、現在のところプリセットされた閾値未満の信号品質条件をもつ副搬送波であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記ピーク補償周波数スペクトラムが前記変調周波数スペクトラムと合成される準備が完了するまで前記変調周波数スペクトラムをバッファリングする工程をさらに有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. 無線或は有線送信媒体により前記出力信号を送信する工程をさらに有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
23. ピーク対平均電力比の低減のために用いられる前記選択された副搬送波を識別する情報を格納する工程をさらに有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
24. 前記修正は、前記対応する変調周波数スペクトラムより前記ピーク補償周波数スペクトラムを減算して、修正変調スペクトラムを取得する処理を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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