JP5439434B2 - 無線送信機 - Google Patents

Description

本発明は、包絡線追跡技術を用いた無線送信機に関し、特に電源を関数制御することによって高効率化する無線送信機に関する。

移動体通信基地局などで使われる高周波増幅器において、運用コストの削減を目的にその高効率化が課題となっており、近年注目されている高効率化技術の一つとして包絡線追跡技術（以下ＥＴ：Envelope Tracking）がある。

ＥＴについて説明する前にまず一般的な高周波増幅器に用いられるトランジスタの特性を説明する。図１を参照して、トランジスタの入力電力に対する出力電力および効率の特性を説明する。図１において、横軸はトランジスタの入力電力、縦軸は出力電力および効率である。入力電力が高くなっていくと出力電力は、飽和する。この飽和電力付近における効率が最も高い。

図２を参照して、トランジスタ電源電圧Ｖｄｄを５０Ｖ〜１０Ｖまで５Ｖずつ可変させた場合の出力特性および効率特性を説明する。図２Ａにおいて、電源電圧に応じてトランジスタの飽和電力は異なる。図２Ｂにおいて、効率は、各電源電圧でそれぞれ最大効率となる入力電力値が異なる。

次にＥＴについて説明する。ＥＴとは、高周波増幅器内にあるトランジスタの電源電圧を、入力信号の包絡線に合わせて可変させることで高効率化を実現する技術である。図３を参照して、ＥＴの原理を説明する。図３において、ＥＴに必要な構成は、包絡線検出手段、包絡線追跡電源（ＥＴ電源）、高周波増幅器である。

包絡線検出手段で検出された入力信号の包絡線情報は、ＥＴ電源へ送られる。ＥＴ電源は、この包絡線情報に沿う形の電圧を出力する。こうすることで高周波増幅器（トランジスタ）は、入力電力に対して常に飽和電力付近の最も効率の高い状態で動作するように電源電圧を可変させる。これによって、ＥＴは、高効率化を実現している。図３は、送信ＲＦ信号から包絡線を検出し、ＥＴ動作させる例を示している。しかし、他にもデジタル演算で求めた信号振幅を用いて離散電圧値で制御してもよい。

図４を参照して、トランジスタの電源電圧を固定した場合、ＥＴ動作させた場合の効率を比較する。図４において、横軸は入力電圧、縦軸は効率である。電源電圧を固定した場合の効率は、ＥＴ動作させた場合の効率に比べて低い。ＥＴは、トランジスタの特性を利用しており、入力電力に対してトランジスタが常に飽和電力付近の最も効率の高い状態で動作するように電源電圧を可変させているため広い入力電力範囲において電源電圧を固定した場合に比べて、高い効率である。

特に、近年の移動体通信で使われているＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）、ＷＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）、ＦＤＭ（Frequency Division Multiplexing）などを用いたデジタル変調波のように、平均電力に対してピーク電力が高い信号に対しては、広い入力電力範囲において高効率であるというＥＴの特長を生かすことができる。

一方、平均電力に対してピーク電力が高い信号に対してＥＴを適用する場合、広いダイナミックレンジを持ち且つ任意の電圧を正確に出力できるＥＴ電源が必要になる。
ＥＴ電源の公知例として、特許文献１、特許文献２がある。図５を参照して、公知例の説明をする。特許文献１、特許文献２では、共通して複数の電圧源を用いてＥＴ電源を構成する方法が開示されている。図５Ａにおいて、ＥＴ電源１３００は、高周波増幅器の定格電源電圧Ｖｄｄを等分割した複数の定電圧源を設け、包絡線検出手段からの包絡線信号に合わせて電圧を出力する。このように複数の電圧源をもつ構成とした場合の出力電圧は、図５Ｂで破線で示しように階段状となる。
特許文献３は、信号に含まれるピーク電力を抑えることで信号の平均電力とピーク電力の差を少なくするピークファクター低減（Peak Factor Reduction：以下ＰＦＲ）技術を開示する。高電力入力自体を制限するＰＦＲは、電源に要求される出力ダイナミックレンジを狭くし、より発生確率の高い入力範囲に対して細かく電源電圧を可変させ高効率化を実現する。ＰＦＲは、固定電圧で動作する高周波増幅器に対し、信号に含まれるピーク電力を抑えることで信号の平均電力とピーク電力の差を少なくし、高周波増幅器が効率の高い状態で動作することを可能とする技術で、現在も移動体通信用送信機の多くで採用されている。

特表２００８−５１１０６５号公報 特開昭６２−２７７８０６号公報 特開平１０−１３６３０９号公報

複数の電圧源を用意し、その中から高周波増幅器が入力信号に対して最大効率動作になるような電圧を選択し、出力する場合、いかに細かく電源電圧の選択が可能であるかが高効率化において重要な要素となる。これは、図２を参照して説明したように、高周波増幅器が最大効率で動作する電源電圧が、入力電力によって異なるためである。常に入力電力が変化するデジタル変調波を扱う場合において、入力信号の包絡線に対して滑らかに追従することが最大効率を得るための理想である。よって、複数の電圧源による離散的な電圧を出力するＥＴ電源において、入力信号の包絡線に対してより高精度に追従する、つまり選択可能な電圧が多いほどより高周波増幅器の最大効率となる電源電圧に近づき高効率化する。

ＣＤＭＡ、ＷＣＤＭＡ、ＦＤＭなどのデジタル変調波は、平均電力とピーク電力の差が大きいことは前述した通りである。しかし、電力差だけでなく出現確率にも大きな差がある。具体的には、出現確率は、図６に示すレイリー分布となる。図６から読み取れる通り、これらデジタル変調波において、平均電力付近の出現確率が最も高く、それ以外の出現確率が低い。

上述した課題は、包絡線追跡電源と、高周波増幅器と、電源制御部とから成る無線送信機において、包絡線追跡電源は、複数の可変電圧源を含み、電源制御部は、内部メモリに高周波増幅器の効率特性と、変調方式毎の信号電力分布情報とを保持し、送信ＲＦ信号の変調方式に関する情報を受け取り、それに基づいて内部メモリから該当する変調方式の信号電力分布情報と高周波増幅器の効率特性を読み出し、送信信号中発生確率の低い電力範囲においては電圧の固定や電圧の選択幅を広くするなどし、代わりに出現確率の高い電力範囲の選択可能電圧数を増やすような制御関数を生成し、包絡線追跡電源を制御する無線送信機により、達成できる。

ＥＴ電源に信号電力分布に応じた電圧を出力させるよう制御することで、より高効率なＥＴ動作をさせることができる。

トランジスタの入出力および効率特性を説明するグラフである。 電源電圧を変化させた時のトランジスタの入出特性を説明するグラフである。 電源電圧を変化させた時のトランジスタの効率特性を説明するグラフである。 ＥＴの原理を説明するブロック図である。 ＥＴと固定電圧の効率比較を説明するグラフである。 ＥＴを説明するブロック図である。 ＥＴの出力電圧を説明するグラフである。 デジタル変調波信号の電力分布を説明する図である。 送信機の構成を説明するブロック図である。 ＥＴ電源の構成を説明する回路図である。 制御関数を説明する図である。 従来技術のＥＴの出力電圧を説明するグラフである。 実施例１のＥＴの出力電圧を説明するグラフである。 実施例１と従来技術のＥＴ電源出力の差を説明するグラフである。 実施例２のデジタル変調波信号の電力分布を説明する図である。 実施例２のＥＴの出力電圧を説明するグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

図７を参照して、無線送信機の構成を説明する。なお、ＥＴ電源の動作原理については既に説明した通りであるので省略する。図７において、無線送信機１１０は、送信信号処理部１００と、電源制御部１０１と、ＥＴ電源１０３と、高周波増幅器１０４と、包絡線検出手段１０９とで構成される。送信信号処理部１００は、デジタル部１０５と、アナログ部１０６とを備える。また電源制御部１０１は、メモリ１０８および関数生成部１０７を備える。

デジタル部１０５は、上位装置から送られてくる送信ＢＢ（ベースバンド）信号を受信する。デジタル部１０５は、送信電力、送信周波数、送信キャリア数などを設定し、アナログ部１０６へ送る。アナログ部１０６は、デジタル部１０５から受け取ったＢＢ信号をアナログ高周波信号へと変換し、高周波増幅器１０４へ出力する。

メモリ１０８は、ＣＤＭＡ、ＷＣＤＭＡ、ＦＤＭなどの各種変調方式別の電力分布情報を予め記憶しておく。メモリ１０８は、加えて高周波増幅器１０４の効率特性を記憶しておく。具体的には、デジタル変調波の電力分布情報とは図６に示すようなレイリー分布である。この確率密度関数をメモリ１０８に記憶しておく。また高周波増幅器１０４の効率特性とは、図２Ｂに示すような電源電圧の違いによる入出力対効率特性のデータである。

関数生成部１０７は、上位装置より送信信号の変調方式などの情報を受け取る。関数生成部１０７は、その後、メモリ１０８内の情報を基に各入力電圧における最大効率点を通り且つ出現確率の高い入力範囲において細かく電源電圧が可変可能となる制御を行なう。

電源制御部１０１の具体的な動作について説明する。関数生成部１０７は、メモリ１０８から必要な情報を読み出す。関数生成部１０７は、まず高周波増幅器１０４の効率特性において高周波増幅器１０４が増幅器として動作する最低電圧を決定する。この電圧は、ＥＴ電源１０３の下限電圧となる。最低電圧をＶ０とする。最低電圧は、電源電圧が低すぎて高周波増幅器１０４が利得を持たず増幅器としての動作をしなくなってしまうことを防ぐ。次に、関数生成部１０７は、高周波増幅器１０４の効率特性から、各入力信号電圧において最大効率となる電源電圧を抽出する。関数生成部１０７は、これら全ての点を通る関数を生成する。

図８を参照して、ＥＴ電源の構成を説明する。なお、基本的な動作原理は、従来技術と同様のため詳細説明を省略する。従来技術と異なるのは、各電圧源は、固定電圧源ではなく、電源制御部１０１からの制御信号によって出力電圧を変える可変電圧源である点である。図８において、初段の可変電圧源の出力電圧は、Ｖ０である。可変電圧源の段数は、（ｎ＋１）段である。また、Ｖ０＋Ｖ１＋Ｖ２＋…＋Ｖｎ＝Ｖｄｄである。

図９を参照して、関数生成部が生成する関数を説明する。図９において、下段は、入力電圧に対する確率密度である。また、上段は入力電圧に対するＥＴ電源の出力電圧である。図９の下段は、図６と同一である。

図９において、初段の可変電圧源の出力は固定値Ｖ０であり、入力電圧も固定値である。関数生成部１０７は、入力電圧分布のピーク値Ｖｐと初段の入力電圧との差をｎ分割する。ここで、分割された入力電圧の縦線と、確率密度の分布と、ｙ＝０とで囲まれた面積がすべて等しくなるように、ｎ分割する。

このように分割した入力電圧と、ＥＴ電源の出力電圧との関係が、図９上段の折れた直線である。関数を生成した後、関数生成部１０７は、確率密度が最も高い点をＶｃとし、Ｖｃを中心に図９に示す初段を除く各電圧源の電圧Ｖ１〜Ｖｎを決定し、ＥＴ電源１０３の制御を行なう。

図１０を参照して、高周波増幅器１０４への入力信号と、ＥＴ電源１０３からの出力電圧を説明する。図１０の縦軸は電圧、横軸は時間である。また、実線は入力信号、離散的な破線は出力電圧である。縦軸の目盛から明らかなように、図１０Ａは、従来技術による固定電圧源のＥＴ電源の出力である。一方、図１０Ｂは、本実施例の可変電圧源のＥＴ電源の出力である。なお、図１０において、入力信号は、信号電圧の出現確率を図６の確率密度分布に従うように描いている。図１０Ａと比べると、図１０Ｂは、出現確率の高い電圧範囲においてより精度の高い追従が行なえていることがわかる。

図１１を参照して、図１０での対比をわかり易く説明する。図１１は、図１０Ａ、図１０Ｂの出力電圧を重ね書きした図である。図１１において、ハッチング部は、本実施例が従来技術に比べて追従精度が高くなっている個所である。追従精度が高くなることによって高周波増幅器１０４の効率が高くなるため、本実施例は、ＥＴ電源１０３を従来技術より高い効率で制御することができる。

実施例２では、ＰＦＲを組み合わせることでＥＴ電源に要求される出力ダイナミックレンジをより狭くし高効率化を図る。なお、実施例２においても図７および図８に示す構成を用いる。ただし、図示しないＰＦＲ処理部を送信信号処理部１００内のデジタル部１０５に実装する。その他の動作については実施例１と同様である。

図１２を参照して、ＰＦＲ処理を行なったときの確率密度分布を説明する。図１２において、縦軸は確率密度、横軸は信号電力である。ＰＦＲ処理の結果、信号電力の上限があらわれ、上限付近の確率密度が上昇している。ＰＦＲ処理を行なうことによって高周波増幅器１０４入力される信号の最大値が低下する。図９を用いて説明すると、入力信号電圧の最大値であるＶｐがＰＦＲ処理により下がる。よって、ＥＴ電源１０３が出力すべき最大電力値が低下するため、より多くの電圧源を発生確率の高い電力範囲へ使うことが可能となる。この結果、より精度の高い追従を行なうことができる。

図１３を参照して、高周波増幅器１０４への入力信号と、ＥＴ電源１０３からの出力電圧を説明する。図１３の縦軸は電圧、横軸は時間である。また、実線は入力信号、離散的な破線は出力電圧である。図１３によれば、縦軸の目盛から明らかなように、図１０Ｂに対比して、ピーク電圧が下がっている。
実施例２によれば、ＰＦＲを適用しない場合よりも高周波増幅器１０４の効率を高くすることができた。

１００…送信信号処理部、１０１…電源制御部、１０３…ＥＴ電源、１０４…高周波増幅器、１０５…デジタル部、１０６…アナログ部、１０７…関数生成部、１０８…メモリ、１０９…包絡線検出手段、１１０…無線送信機、１３００…ＥＴ電源。

Claims (2)

1. 包絡線追跡電源と、高周波増幅器と、電源制御部とから成る無線送信機において、
   前記包絡線追跡電源は、複数の可変電圧源を含み、
   前記電源制御部は、内部メモリに前記高周波増幅器の効率特性と、変調方式毎の信号電力分布情報とを保持し、送信ＲＦ信号の変調方式に関する情報を受け取り、それに基づいて内部メモリから該当する変調方式の信号電力分布情報と高周波増幅器の効率特性とを読み出し、前記効率特性に基づいて各各入力信号電圧において最大効率となる各電源電圧を抽出し、送信信号中発生確率の低い電力範囲においては電圧の固定または電圧の選択幅を広くし、代わりに出現確率の高い電力範囲の選択可能電圧数を増やし、前記各電源電圧を通る制御関数を生成し、前記包絡線追跡電源を制御することを特徴とする無線送信機。
2. 請求項１に記載の無線送信器であって、
   さらに送信信号処理部を備え、
   前記送信信号処理部は、前記高周波増幅回路への送信信号にピークファクター低減処理を実施することを特徴とする無線送信機。

Images