JP5184665B2 - 送信装置及び送信方法 - Google Patents

Description

本発明は送信装置及び送信方法に関する。

送信装置では、変調により得られた変調信号の振幅の実効値の制御により、送信電力制御が行われる。送信電力制御によって実効値が所定値となった送信信号は、増幅器を含む増幅回路によって増幅され、送信される。

しかしながら、上記送信電力制御を行う送信装置では、増幅器の特性により送信信号の波形が歪んでしまうことがあった。以下、この点について説明する。

まず、増幅器は、入力される信号の電圧又は電流がその線形動作範囲を超えると、線形動作をすることができなくなって出力信号の波形が歪んでしまう、という特性を有している。一方、送信信号の振幅の実効値と最大値の関係は、その波形によって様々であり、上記送信電力制御では、送信信号の振幅の実効値が所定値になるようにしているため、送信電力制御により実効値が制御された後の送信信号の振幅の最大値も様々である。すなわち、送信電力制御では送信信号の振幅の最大値は制御しておらず、送信信号の振幅の最大値が上記線形動作範囲を超えてしまう場合があり、この場合、増幅器の出力信号の波形が歪んでしまうのである。

このような波形の歪みを避けるには、送信電力制御において、十分なマージンをとって送信信号の振幅の実効値を決定することにより、送信信号の振幅の最大値が所定値を超えないようにすることも考えられる。しかしこうすると、もともと送信信号の振幅の最大値が高くない場合にまで同様のマージンをとることになるため、必要以上に送信電力制御における電力の最大値が制限されてしまうという問題が生ずる。

また、増幅器は、出力側バイアス電圧（例えば、エミッタ接地のトランジスタではコレクタエミッタ間のバイアス電圧）が大きいほど、出力信号の波形を形成する出力側電流（例えば、エミッタ接地のトランジスタではコレクタ電流）の最大値が大きくなる、すなわち線形動作範囲が広くなるという性質を有している。このため、出力側バイアス電圧を十分大きくしておくことによって、増幅器の線形動作範囲に十分なマージンをとるようにすることも考えられる。しかし、送信装置の消費電力は、この出力側バイアス電圧が大きいほど大きくなる。つまり、増幅器の線形動作範囲を広く取りすぎると、送信装置の消費電力が必要以上に大きくなってしまうという問題が生ずる。

従って、本発明の課題の一つは、増幅器の出力信号の波形の歪みを防止するために送信信号の振幅を抑制する必要がなく、かつ消費電力が必要以上に大きくならないようにすることができる送信装置及び送信方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明に係る送信装置は、情報符号を変調し、変調信号を取得する変調信号取得手段と、前記変調信号の振幅の実効値が所定値になるよう送信電力制御を行って得られたときの振幅の最大値を示す最大値情報を取得する最大値情報取得手段と、前記最大値情報に応じて、増幅器の電圧を制御する電圧制御手段と、前記変調信号の振幅の実効値が所定値になるよう送信電力制御を行って得られたときの信号を前記増幅器に入力する入力手段と、前記増幅器の出力信号を送信する送信手段と、を含むことを特徴とする。

これによれば、送信装置は、送信信号の振幅の最大値に応じて増幅器の電圧を制御しているので、増幅器の出力信号の波形の歪みを防止するために送信信号の振幅を抑制する必要がなくなる。また、送信装置は、増幅器の電圧を適切に制御することができるので、送信装置の消費電力が必要以上に大きくならないようにすることができる。

また、上記送信装置において、前記電圧制御手段は、前記最大値情報に応じて前記増幅器の線形動作範囲を制御するとともに、前記増幅器は、前記電圧制御手段により制御された線形動作範囲にて、前記送信信号を増幅する、こととしてもよい。

また、上記各送信装置において、前記送信信号の振幅の最大値と実効値の差を示す差情報と、該送信信号の振幅の実効値を示す実効値情報と、を取得する取得手段、をさらに含み、前記最大値情報取得手段は、前記取得手段により取得した差情報及び実効値情報を、前記取得した送信信号の振幅の最大値情報として取得する、こととしてもよい。

本発明の実施の形態１に係る送信装置のシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態１又は２に係る中間信号の模式図であり、（ａ）はＰｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅが小さい場合、（ｂ）はＰｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅが大きい場合を示している。 本発明の実施の形態１又は２に係る増幅器の特性を説明するための説明図であり、（ａ）は入力電圧−出力電圧特性を示し、（ｂ）は出力側バイアス電圧−消費電力特性を示している。 本発明の実施の形態１に係る送信信号の振幅の最大値を取得する処理を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態１に係るＤＡＣ値記憶テーブルを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る送信装置のシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るＤＡＣ値記憶テーブルを示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る送信装置１ａのシステム構成を示す図である。送信装置１ａは、例えば移動体通信システムの構成要素である移動局装置や基地局装置として使用される通信装置である。

送信装置１ａは、情報符号を取得し、無線信号に変換して送信する。このとき送信装置１ａは、スーパーヘテロダイン方式により無線信号を生成する。すなわち、送信装置１ａは、まず送信すべき情報符号を変調し、中間信号を生成する。中間信号の周波数は中間周波数と呼ばれる。送信装置１ａは、この中間信号を増幅する。送信装置１ａは、中間信号の周波数を無線周波数に変換し、無線信号を生成する。無線信号の周波数は無線周波数と呼ばれる。送信装置１ａは、こうして生成した無線信号を増幅した後、無線区間に送信する。

送信装置１ａは、中間信号に対し、所定の送信電力制御を行う。この送信電力制御では、中間信号の振幅の実効値（ＲＭＳ）が所定値になるよう、中間信号の送信電力が制御される。すなわち、送信装置１ａは、送信する情報符号の内容に依らず、実効値が一定となるようにしている。

ところで、中間信号の実効値と最大値（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ）の関係は、変調方式や情報符号の内容によって異なる。このため、送信電力制御がなされた後、中間信号の実効値は所定値となるものの、その最大値は変調方式や情報符号の内容によって異なることとなる。

図２は、この例を示す図である。同図は、中間信号の模式図であり、図２（ａ）は最大値と実効値の差（Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅ）が小さい場合、図２（ｂ）は該差が大きい場合を示している。図２（ａ）では、実効値が１Ｖであるのに対し、最大値は１．５Ｖとなっており、Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅは０．２５Ｖである。一方、図２（ｂ）では、実効値が１Ｖと図２（ａ）と同じであるにも関わらず、最大値は３Ｖとなっており、Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅは１Ｖである。このように、中間信号の最大値は、実効値が同じであっても、変調方式や情報符号の内容によって異なっている。中間信号のこの性質は、無線信号に周波数変換された後も引き継がれる。

送信装置１ａは、上述のように、無線信号をトランジスタやＦＥＴなどの増幅器に入力して増幅した後、送信する。この増幅器には線形動作範囲が設定されている。以下では、増幅器の入力信号に対し、線形な出力信号が出力される入力信号の電圧範囲を線形動作範囲と称する。この線形動作範囲を超えた電圧の入力信号が増幅器に入力されると、クリッピングと呼ばれる飽和現象が発生する。

図３は、増幅器の特性を説明するための説明図である。図３（ａ）は、増幅器の入力電圧−出力電圧特性を示す図である。同図実線に示すように、入力電圧がある程度高くなると、出力電圧が線形増加しなくなる。出力電圧が線形増加する領域と、線形増加しない領域の境界点は一般に飽和点（Saturation Point）と呼ばれ、この飽和点より低い入力電圧範囲が、上記線形動作範囲となる。

無線信号の振幅の最大値（すなわち、中間信号の振幅の最大値）によっては、増幅器の入力信号の電圧が、該増幅器に設定されている線形動作範囲を超えてしまうことが考えられる。増幅器の入力信号の電圧が線形動作範囲を超えると、出力電圧が線形増加しなくなるので、出力信号の波形が歪んでしまう。そこで、送信装置１ａは、中間信号の最大値に応じて増幅器の線形動作範囲を制御するようにしている。

再度、図３（ａ）を参照しながらより詳細に説明する。増幅器は、バイアス(Bias)電圧の変化により、その上記線形動作範囲が変化する。このバイアス電圧には、出力側バイアス電圧（例えば、エミッタ接地のトランジスタではコレクタエミッタ間のバイアス電圧）と入力側バイアス電圧（例えば、エミッタ接地のトランジスタではベースエミッタ間のバイアス電圧）とがあるが、図３（ａ）には、出力側バイアス電圧のみを示している。

出力側バイアス電圧が大きいほど、増幅器の出力電流（例えば、エミッタ接地のトランジスタではコレクタ電流）の最大値は大きくなる。すなわち、出力電圧の上記飽和点が大きくなる。このため、図３に示すように、出力側バイアス電圧を大きくすると、上記線形動作範囲は拡大する。なお、図３では、出力側バイアス電圧Ｂ１が最も大きく、同Ｂ２、同Ｂ３と減少し、同Ｂｎが最も小さいものとしている。

また、入力電圧は、入力側バイアス電圧が加えられた後、増幅器に加えられている。つまり、出力電圧は、入力側バイアス電圧に入力電圧が加わって得られる電圧に応答する電圧となっている。このため、出力電圧の飽和点に対応する入力電圧は、入力側バイアス電圧が小さいほど大きいことになる。つまり、入力電圧の上記線形動作範囲は、入力側バイアス電圧が小さくなると、その分拡大する。

送信装置１ａは、出力側バイアス電圧を大きくすることや、入力側バイアス電圧を小さくすることによって、増幅器の上記線形動作範囲を変化させ、出力信号の波形が歪まないようにするとともに、消費電力が必要以上に大きくならないようにしている。より具体的には、送信装置１ａは、中間信号の最大値が大きいほど、増幅器の出力側バイアス電圧が大きくなるよう、前記増幅器のバイアス電圧を制御する。また、送信装置１ａは、中間信号の最大値が大きいほど、増幅器の入力側バイアス電圧が小さくなるよう、前記増幅器のバイアス電圧を制御する。以下、出力側バイアス電圧を大きくする場合を例にとって、送信装置１ａの詳細な構成及び機能について説明する。

図１に示すように、送信装置１ａは、信号処理装置１０ａ、変調器２０、実効値制御回路２１、バッファ２２、ＤＡ変換器２３、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２４、中間増幅器２５、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２６、ミキサ２７、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２８、電力増幅器２９、送受信切替ＳＷ３０、アンテナ３１、線形動作範囲制御回路３２ａを含んで構成される。

信号処理装置１０ａは、ＣＰＵ上で動作するソフトウェアにより構成される。このソフトウェアは、図示しないメモリに記憶される。信号処理装置１０ａは、機能的には、情報符号取得部１１を含んで構成される。

情報符号取得部１１は、送信対象の情報符号を取得し、変調器２０に出力する。

変調器２０は、別途の処理（例えば、リンクアダプテーションによる変調方式決定処理）で決定された変調方式にて、入力された情報符号を変調し、変調信号である中間信号を取得する。変調器２０における変調処理は、デジタル処理により行われる。また、ここで決定される変調方式には、例えばπ／４シフトＱＰＳＫ、１６ＱＡＭなどが挙げられる。これらの変調方式によって、上述のように、中間信号の実効値と最大値の関係が変化する。変調器２０は、取得した中間信号を実効値制御回路２１に出力する。

実効値制御回路２１は、入力された中間信号に対し、所定の送信電力制御を行うことにより、送信信号を取得する。実効値制御回路２１における送信電力制御も、デジタル処理により行われる。

信号処理装置１０ａは、送信信号の振幅の実効値を決定し、実効値制御回路２１に出力している。実効値制御回路２１は、上記送信電力制御において、送信信号の振幅の実効値が信号処理装置１０ａから入力された値になるよう、中間信号の送信電力を制御する。実効値制御回路２１は、送信信号をバッファ２２に出力する。

また、実効値制御回路２１は、最大値取得部１２を含んで構成される。最大値取得部１２は、送信信号の振幅の最大値を取得し、該最大値を示す最大値情報を、信号処理装置１０ａを介して線形動作範囲制御回路３２ａに出力する。以下、最大値取得部１２が送信信号の振幅の最大値を取得する処理（最大値取得処理）について、図４を参照しながら詳細に説明する。

図４は、最大値取得処理を説明するための説明図である。最大値取得部１２は、所定の測定期間における送信信号の振幅の最大値を取得する。具体的には、最大値取得部１２は、定期的に送信信号の振幅の極大値（ピーク値）を測定する。より具体的には、最大値取得部１２は、デジタル値により示される送信信号の振幅を所定時間にわたり監視し、最大のものを極大値として取得する。図４では、この極大値測定の時刻（測定時刻）をサンプリング(Sampling)時刻として表示している。最大値取得部１２は、所定の測定期間にわたり測定した上記極大値のうち最大の値を取得し、該測定期間における送信信号の振幅の最大値としている。なお図４では、最大値取得部１２は、５回の測定時刻をもってこの測定期間としている。

測定時刻ｎにおいて最大値取得部１２が測定する振幅のピーク値は、Ｐ（ｎ）＝１１００１００１である。最大値取得部１２は、他の測定時刻ｎ＋１，ｎ＋２，ｎ＋３，ｎ＋４においても同様に、Ｐ（ｎ＋１），Ｐ（ｎ＋２），Ｐ（ｎ＋３），Ｐ（ｎ＋４）を測定する。図４には、これらの具体的な値が示されている。測定時刻ｎが測定期間の開始時刻、すなわち上記５回の測定時刻のうちの１回目であるとすると、最大値取得部１２は、測定時刻ｎにおいて、まずＰ（ｎ）を最大値として保持する。次に、最大値取得部１２は、測定時刻ｎ＋１において、Ｐ（ｎ＋１）とＰ（ｎ）とを比較する。その結果、Ｐ（ｎ＋１）＞Ｐ（ｎ）であるので、保持する最大値をＰ（ｎ＋１）に変更する。以下、上記５回の測定時刻のうちの５回目である測定時刻ｎ＋４まで、各測定時刻に測定されたピーク値と保持している最大値とを比較し、大きいほうを最大値として保持する。測定時刻ｎ＋４まで以上の処理が終了すると、最大値取得部１２は、保持している最大値を、測定期間における送信信号の振幅の最大値として最終的に取得する。

信号処理装置１０ａは、最大値取得部１２から最大値情報の入力を受けると、リセット要求を最大値取得部１２に対し出力する。最大値取得部１２は、このリセット要求を受け、次の測定時刻ｎ＋５が上記５回の測定時刻のうちの１回目であると認識し、上記処理を繰り返す。最大値取得処理は、以上のようにして行われる。

信号処理装置１０ａは、上記リセット要求をバッファ２２に対しても出力する。バッファ２２は、リセット要求が入力されるまでの間、実効値制御回路２１から出力された送信信号を保持する。つまり、バッファ２２は送信信号を測定期間だけ保持しており、結果として送信信号はその分遅延することになる。バッファ２２は、リセット要求が入力されると、保持していた送信信号をＤＡ変換器２３に出力する。

ＤＡ変換器２３は、バッファ２２から入力された送信信号をアナログ信号に変換し、ＬＰＦ２４に出力する。ＬＰＦ２４は、アナログ信号に変換された送信信号の高周波を除去し、中間増幅器２５に出力する。

信号処理装置１０ａは、中間増幅器２５の増幅率を決定し、中間増幅器２５に出力する。中間増幅器２５は、信号処理装置１０ａから入力された増幅率でＬＰＦ２４から入力された送信信号を増幅し、ＢＰＦ２６に出力する。

ＢＰＦ２６は、入力された送信信号のうち中間周波数帯以外の成分をカットし、ミキサ２７に出力する。ミキサ２７は、図示しない局部発振器から入力される信号をＢＰＦ２６から入力された送信信号と混合することにより、送信信号を無線信号に変換し、ＢＰＦ２８に出力する。ＢＰＦ２８は、入力された無線信号のうち無線周波数帯以外の成分をカットし、電力増幅器２９に出力する。

電力増幅器２９は、トランジスタやＦＥＴなどの増幅回路を含んで構成される。この電力増幅器２９は、線形動作範囲制御回路３２ａによる線形動作範囲の制御を受け付ける。具体的には、電力増幅器２９は、線形動作範囲制御回路３２ａによるバイアス電圧の制御を受け付ける。線形動作範囲制御回路３２ａの処理の詳細については後述する。また、信号処理装置１０ａは電力増幅器２９の増幅率を決定して電力増幅器２９に出力しており、電力増幅器２９は信号処理装置１０ａから入力された増幅率を受け付ける。

電力増幅器２９は、受け付けた線形動作範囲及び増幅率で、ＢＰＦ２８から入力された無線信号を増幅し、送受信切替ＳＷ３０に出力する。具体的には、電力増幅器２９は、受け付けたバイアス電圧及び増幅率にて、ＢＰＦ２８から入力された無線信号を増幅し、送受信切替ＳＷ３０に出力する。

送受信切替ＳＷ３０は、送信装置１ａが時分割複信により通信を行うときには、送信時刻と受信時刻とで通信経路を切り替える。この場合、電力増幅器２９から出力される無線信号は、送信時刻に送受信切替ＳＷ３０を通過し、アンテナ３１から無線区間に送信される。

以下、線形動作範囲制御回路３２ａの処理について詳細に説明する。

上述のように、最大値取得部１２は最大値情報を線形動作範囲制御回路３２ａに入力している。線形動作範囲制御回路３２ａは、入力された最大値情報に応じて、電力増幅器２９のバイアス電圧を制御することにより、その線形動作範囲を制御する。具体的には、線形動作範囲制御回路３２ａはＤＡＣ値記憶テーブルを記憶している。図５は、このＤＡＣ値記憶テーブルの例を示す図である。同図に示すように、ＤＡＣ値記憶テーブルでは最大値情報とＤＡＣ値とが対応付けて記憶される。線形動作範囲制御回路３２ａは、最大値取得部１２から入力された最大値情報に対応付けて記憶されるＤＡＣ値を読み出し、電力増幅器２９に出力する。電力増幅器２９の出力側バイアス電圧は、このＤＡＣ値に応じて変化する。つまり、線形動作範囲制御回路３２ａは、入力された最大値に応じて、電力増幅器２９の出力側バイアス電圧を制御しており、結果として、入力された最大値情報に応じて、電力増幅器２９の線形動作範囲を制御している。

以上のように、送信装置１ａは、送信信号の振幅の最大値を示す最大値情報に応じて電力増幅器２９の線形動作範囲を制御しているので、電力増幅器２９の出力信号の波形の歪みを防止するために実効値制御回路２１において送信信号の振幅を抑制する必要がなくなる。

また、図３（ｂ）に示すように、出力側バイアス電圧が大きくなると、送信装置１ａの消費電力も大きくなる。出力側バイアス電圧が大きいほど、電力増幅器２９の出力信号の振幅を大きくすることができるからである。この点、線形動作範囲制御回路３２ａは、出力側バイアス電圧が大きくなりすぎないように制御することにもなるので、結果として送信装置１ａの消費電力が必要以上に大きくならないようにすることができる。

［実施形態２］
図６は、本発明の実施形態２に係る送信装置１ｂのシステム構成を示す図である。送信装置１ｂは、信号処理装置１０ａに代えて信号処理装置１０ｂを、線形動作範囲制御回路３２ａに代えて線形動作範囲制御回路３２ｂを、それぞれ設けた点が送信装置１ａと異なっている。なお、信号処理装置１０ｂは、差情報取得部１３と実効値取得部１４を設けた点が信号処理装置１０ａと異なっている。その他は実施形態１と同様であるので、相違点について以下説明する。

信号処理装置１０ｂは、信号処理装置１０ａと同様、送信信号の振幅の実効値を決定し、実効値制御回路２１に出力している。実効値取得部１４は、このようにして決定している実効値を取得し、取得した実効値を示す実効値情報を差情報取得部１３に入力する。

最大値取得部１２は、実施形態１と同様にして、送信信号の振幅の最大値を示す最大値情報を信号処理装置１０ｂに入力する。差情報取得部１３は、このようにして入力される最大値情報を取得する。さらに、差情報取得部１３は、実効値取得部１４から入力された実効値情報と、取得した最大値情報とに基づき、送信信号の振幅の最大値と実効値の差（Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅ）を取得する。具体的には、取得した最大値情報により示される最大値から実効値取得部１４から入力された実効値情報により示される実効値を減算することにより、上記差を取得する。差情報取得部１３は、このようにして取得した送信信号の振幅の最大値と実効値の差を示す差情報と、実効値取得部１４から入力された実効値情報と、を線形動作範囲制御回路３２ｂに入力する。

線形動作範囲制御回路３２ｂは、送信信号の振幅の実効値を示す実効値情報ごとにＤＡＣ値記憶テーブルを記憶している。図７は、ある実効値情報について記憶されるＤＡＣ値記憶テーブルの例を示す図である。同図に示すように、ＤＡＣ値記憶テーブルでは差情報とＤＡＣ値とが対応付けて記憶される。線形動作範囲制御回路３２ｂは、入力された実効値情報について記憶されるＤＡＣ値記憶テーブルから、入力された差情報に対応付けて記憶されるＤＡＣ値を読み出し、電力増幅器２９に出力する。このようにして、線形動作範囲制御回路３２ｂは、入力された実効値情報及び差情報に応じて電力増幅器２９の出力側バイアス電圧を制御しており、結果として、最大値取得部１２が取得した最大値を示す最大値情報に応じて、電力増幅器２９の線形動作範囲を制御している。

以上のようにしても、送信装置１ｂは、送信信号の振幅の最大値を示す最大値情報に応じて電力増幅器２９の線形動作範囲を制御することができる。

１ 送信装置、１０ 信号処理装置、１１ 情報符号取得部、１２ 最大値取得部、１３ 差情報取得部、１４ 実効値取得部、２０ 変調器、２１ 実効値制御回路、２２ バッファ、２３ ＤＡ変換器、２４ ＬＰＦ、２５ 中間増幅器、２６ ＢＰＦ、２７ ミキサ、２８ ＢＰＦ、２９ 電力増幅器、３０ 送受信切替ＳＷ、３１ アンテナ、３２ 線形動作範囲制御回路。

Claims (2)

1. 情報符号を変調し、変調信号を取得する変調信号取得手段と、
   前記変調信号の振幅の実効値が所定値になるよう送信電力制御を行って得られたときの振幅の最大値を示す最大値情報を取得する最大値情報取得手段と、
   前記最大値情報に応じて、増幅器の電圧の線形動作範囲を制御する電圧制御手段と、
   前記変調信号の振幅の実効値が所定値になるよう送信電力制御を行って得られたときの信号を前記増幅器に入力する入力手段と、
   前記増幅器の出力信号を送信する送信手段と、を含み、
   前記増幅器は、前記電圧制御手段により制御された前記線形動作範囲にて、送信信号を増幅する、ことを特徴とする送信装置。
2. 請求項１に記載の送信装置において、
   前記送信信号の振幅の最大値と実効値の差を示す差情報と、該送信信号の振幅の実効値を示す実効値情報と、を取得する取得手段、をさらに含み、
   前記最大値情報取得手段は、前記取得手段により取得した差情報及び実効値情報を、前記取得した送信信号の振幅の最大値情報として取得する、ことを特徴とする送信装置。

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