JP5583854B2 - 無線通信装置の電力を較正する方法、および電力較正のために無線通信装置により実行される方法 - Google Patents

Description

ブロードバンド無線通信装置等の無線通信装置では、無線通信装置のアンテナコネクタで正確な無線周波数（ＲＦ）の電力が送信されるよう保証するべく較正を行うことができる。較正は、アンテナコネクタのインピーダンス効果に影響される。このようなインピーダンスは、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）効果と呼ばれ、または、電圧定在波効果に起因しうる。

アンテナコネクタによって、特定のＲＦ電力が提供され、特に、無線装置のアンテナによって、特定のＲＦ電力が送信される。電力の送信では、目標とすべきは、正確な電力を送信することであるが、克服すべき制約が存在する。制約としては、送信電力の動作最小値および動作最大値に関する規制基準と、信号線形性を含む信号完全性に関する考慮とを挙げることができる。

ＶＳＷＲの変化によって送信される電力に重大な誤りが発生する可能性があり、較正誤り、たとえば、＋／−２ｄＢの較正誤りが発生する場合がある。このような較正誤りにより、より高出力かつ高額の電力増幅器を設ける必要性が生じるかもしれず、場合によっては、送信に関する規制の違反とならないように電力を引き下げなければならなくなる可能性もある。この場合、コストおよび設計に関して重大な課題が発生する。電力消費を抑えるべく、出力が低めの電力増幅器を使用し、無線通信装置のサイズを小さくするべく、余分な部品の組み込みを回避することが理想的であるかもしれない。

無線通信装置は、所望の信号および情報をアンテナで送信するが、ＶＳＷＲの変化が発生する可能性があり、ＲＦの観点からは、信号を提供する電力増幅器にアンテナを整合させるべきでる。整合されないと、問題が発生し、信号および情報が影響されうる。

通常の較正技術では、アンテナとアンテナまでの配線もしくは連結器との整合が明らかになっていないので、重大な誤り窓が存在する可能性がある。電力増幅器からアンテナまでのインターフェースを考えることができる。このインターフェースは、電力増幅器をアンテナに接続する連結器を含む配線により規定される。所定の場合、連結器は、配線を介して送信される信号を検出する検出器であってよい。連結器は、実際に送信された電力をサンプリングするサンプラであってもよい。

所定の場合、電力増幅器での測定値と、アンテナで送信される電力の測定値とが、一致しないことがある。既存の検出方法は、かなりの誤り（たとえば、＋／−２ｄＢ）を有し、所望の電力送信と実際の送信との間の誤り窓が大きくなりうる。これにより、電力送信規定に適合する十分な電力が確保されず、もしくは、電力送信規定に比べて電力が過大となる問題が発生しうる。いずれにせよ、電力消費および電力サイズの課題が発生しうる。一般的に、電力性能は、関心を持たれる課題である。したがって、無線装置での電力検出および較正を改善させる必要性がある。

添付の図面を参照して詳細な説明を記載する。図面では、参照番号の左端の桁によって、参照番号が最初に出現する図面を表す。図面を通して、類似の特性およびコンポーネントを参照するべく同一の番号を使用する。
いくつかの実施例に係る無線通信装置の例を示すブロック図である。 いくつかの実施例に係る較正アルゴリズムもしくは手順を用いて達成することができる性能を示すグラフの例を示す。 いくつかの実施例にしたがって選択することができるリップル補正係数を示すグラフの例を示す。 いくつかの実施例に係る検出器と出力との間の位相シフトを示すグラフである。 いくつかの実施例に係る周波数シフトの補正を示すグラフである。 いくつかの実施例に係る較正アルゴリズム手順を実行するフローチャートである。

［概観］
無線送信機モジュールを備える無線通信装置（つまり、無線通信システム）では、較正アルゴリズムもしくは手順を実行して、無線通信装置の出力もしくはアンテナと、無線送信機モジュールの検出器とにおける電力を測定することができる。電力測定は、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）インピーダンスおよびＶＳＷＲインピーダンスに関連する誤りを正確に追跡するべく、様々な周波数で（つまり、周波数掃引して）実行することができる。較正測定は、無線通信装置の製造工程の一環として実行することができ、無線通信装置のオンライン動作の間にも実行することができる。所定の実施例では、オンライン動作の間、測定は、検出器により様々な周波数で実行することができ、測定値は、無線通信インターフェース、たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１規格（ワイファイ）の多様な実施例のうちの一つを使用して送信される。

較正または手順の一部として、ＶＳＷＲに対する周波数の挙動が判別されると、検出器により測定された電力と出力もしくはアンテナで測定された電力との差を較正することにより補正を実行することができる。この補正は製造時に行うことができる。さらに、検出器の測定値は、リップル分解（ｒｉｐｐｌｅ ｆａｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ）および周波数シフトを実行することにより、出力測定値に変換することができる。

［無線通信装置の例］
図１は、無線通信装置１００の例を示す。無線通信装置１００は、電力を測定および調整して、正確な電力送信を保証するべく、較正アルゴリズム手順を用いる。

無線通信装置１００は、ラップトップ、ネットブック、携帯情報端末（ＰＤＡ）、電子書籍リーダ、スマートホン等のブロードバンド装置であってよい。無線通信装置１００は、携帯電話等の音声専用装置であってもよいことが考慮されている。

この実施例では、無線通信装置１００は、無線送信機モジュール１０２およびドライバ１０４を備える。所定の場合、無線送信機モジュール１０２は、ハードウェア、たとえば、シリコン集積回路の一部として実装することができる。所定の場合、ドライバ１０４は、ソフトウェアおよび／またはファームウェアで実装することができる。無線装置は、ＲＦ電力信号を送受信する１つ以上のアンテナ１０６を備える。コネクタ１０８として表される配線もしくはケーブルによって、無線送信機モジュール１０２はアンテナ１０６に接続される。無線通信装置１００の製造段階で、アンテナ１０６から電力出力の測定を行うことができる。

無線通信装置１００は、無線通信装置１００の記載したコンポーネントと通信してその手順を処理する１つ以上のプロセッサ（不図示）およびメモリ（不図示）を備えることができる。所定の場合、ドライバ１０４は、メモリの一部として実装することができる。メモリは、記載される方法を実行するためのコンピュータ可読記憶媒体を含んでよい。

無線送信機モジュールは、専用の内部コントローラおよびメモリ１１０、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１１２、ならびに無線周波数集積回路（ＲＦＩＣ）送受信機１１４を有することができる。コントローラおよびメモリ１１０は、コンピュータ可読記憶媒体を含むことができる。ＲＦＩＣ送受信機１１４は、電力増幅器１１６および検出器１１８を含む。電力増幅器１１６は、規制電力の信号を提供し、信号はアンテナ１０６に送信される。電力増幅器１１６により提供される規制電力は、多様な周波数もしくは掃引周波数で提供される電力であってよい。検出器１１８は、電力増幅器１１６の電力を読み取り、ルックバックチェーンまたは配線１２０上で信号を提供する。検出器１１８は、多様なＲＦ電力周波数において（つまり、周波数掃引して）信号を測定する。

デジタルシグナルプロセッサ１１２は、検出器１１８が提供する信号を読み出すモジュール１２２を含む。モジュール１２２は、読み出したデータをコントローラおよびメモリ１１０に出力する。内部コントローラおよびメモリ１１０は、モジュール１２２から受信したデータを処理する特定のモジュールを含むことができる。この例では、モジュール１２４は、電力誤りおよび較正を調整するべく、リップル補正係数および周波数のシフトを提供／実行する。別のモジュール１２６は、ＤＳＰ１１２およびＲＦＩＣ送受信機１１４のトランザクションおよびドライバ１０４とのデータ転送を制御する機能を提供する。

この例では、ドライバ１０４は、検出器１１８の出力データ（つまり、ルックバックチェーン配線１２０上の信号）をフィルタすることができるモジュール１２８を含む。モジュールは、さらに、検出器１１８の出力もしくは測定値を再整形することができる。別のモジュール１３０は、期待電力出力を算出することができる。検出器１１８は、様々なＲＦ周波数において（つまり、周波数掃引して）電力を測定するので、ＲＦ電力周波数ごとに、実行される計算が異なる。

検出器１１８は、ＰＡ１１６に示されるインピーダンスの変化、またはＶＳＷＲの変化を測定することができ、インピーダンスの変化によりチャネルが発生する。測定された変化を図１で１３２により示す。ＰＡ１１６の出力は、フィルタ１３４に送信して処理することができる。所定の実施例では、指向性連結器１３６を含めることができる。指向性連結器１３６は、ＶＳＷＲ変化に対して検出される電力の正確性を高めるべく実装することができる。

［較正アルゴリズム手順］
無線通信装置１００において、較正アルゴリズム手順は、様々な周波数に基づいて（つまり、周波数掃引して）実行することができる。電力出力は、出力もしくはアンテナ１０６において、検出器１１８により測定される。この測定は、製造時に実行することができ、無線通信装置１００のオンライン（動作）時にも実行することができる。

以下の等式（１）は、実際に送信された電力Ｐｄｅｔ＿ｎｅｗ＿ｃａｌ（ｆ）（「ｆ」は、特定の周波数を表す）を導出する較正アルゴリズムを定義する。
Ｐｄｅｔ＿ｎｅｗ＿ｃａｌ（ｆ）＝Ｐａｎｔ＿ｃａｌ＿ｒｅｆ（ｆ）−Ｐｄｅｔ＿ｒｅａｌ＿ｒｅｆ（ｆ）＋Ｐｄｅｔ＿ｒｅａｌ＿ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ（ｆ） （１）

Ｐａｎｔ＿ｃａｌ＿ｒｅｆ（ｆ）は、製造時における測定出力電力の周波数掃引を表し、第１レベル近似またはフィルタ済み応答で周波数帯域全体について平均されている。

Ｐｄｅｔ＿ｒｅａｌ＿ｒｅｆ（ｆ）は、オンライン動作時における測定された内部検出器電力（つまり、検出器１１８）の周波数掃引を表し、第１レベル近似またはフィルタ済み応答で帯域全体について平均されている。

Ｐｄｅｔ＿ｒｅａｌ＿ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ（ｆ）は、オンライン動作時における測定された内部検出器電力の周波数掃引を表し、ピーク−ピーク間（ＰＴＰ）リップルが抽出される。たとえば、ＰＴＰは、約２〜２．５の係数で低減され、そのデータが位相シフトされる。実際の低減係数およびシフト数は、無線通信装置１００の「エンジニアリングもしくは設計の段階」で規定することができる。したがって、Ｐｄｅｔ＿ｎｅｗ＿ｃａｌ（ｆ）は、実際の電力をより良く模倣することができる検出器電力（つまり、検出器１１８）を提供することができる。

図２は、較正アルゴリズムを用いて達成することができる性能を示すグラフ２００である。グラフ２００は、周波数２０２に対して電力（デシベル単位の相対電力）をプロットしたものである。線２０６は、多様な電力周波数における内部検出器（たとえば、検出器１１８）の測定値であるＰｄｅｔ＿ｒｅａｌを表す。検出器１１８は、アンテナコネクタ（つまり、コネクタ１０８）のＶＳＷＲが原因となって、その測定値に高リップルを含む場合がある。正確な測定値を取得するには、線２０８として示されるＰｄｅｔ＿ｒｅａｌ＿ｒｅｆで表される検出器１１８の平均測定値と、線２１０として示されるＰａｎｔ＿ｃａｌ＿ｒｅｆで表される製造時からの実際の電力の平均とを減算して、アンテナ１０６での実際の出力に対して検出器１１８の測定値から必要とされる電力補償を得る。検出器のリップルは、約２の係数で低減され、補正が平均から加えられる。Ｐｄｅｔ＿ｎｅｗ＿ｃａｌで表される実際に送信された電力は、線２１２として示される。比較すると、アンテナで測定される出力は、線２１４として示されるＰａｎｔ＿ｒｅａｌで表される。線２１２と線２１４との間には、大幅な違いが見られる。

まとめると、Ｐｄｅｔ＿ｒｅａｌは、検出器１１８での測定値であり、Ｐａｎｔ＿ｒｅａｌは、アンテナ１０６に実際に送達された電力であり、Ｐｄｅｔ＿ｒｅａｌ−Ｐａｎｔ＿ｒｅａｌは、電力送信における誤りを大まかに表し、Ｐｄｅｔ＿ｎｅｗ＿ｃａｌは、較正アルゴリズム手順から導出される実際の電力である。

製造から導出されたアンテナ１０６における出力であるＰｄｅｔ＿ｃａｌ＿ｒｅｆと、Ｐｄｅｔ＿ｒｅａｌの平均信号であるＰｄｅｔ＿ｒｅａｌ＿ｒｅｆと、の２つの測定値を取得する。これが、電力におけるリップルおよびシフトを判定もしくは検出につながるのは、アンテナ１０６で測定が行われるとき、全電力における不整合およびシフトが原因で大きなリップルが発生し得るからである。Ｐａｎｔ＿ｒｅｆおよびＰｄｅｔ＿ｒｅａｌは、アンテナ１０６および検出器１１８における平均電力と、電力シフトおよびリップルとを示す。さらに、検出器１１８とアンテナ１０６との間のインターフェースの違い（たとえば、値が異なるコネクタ１０８）、フィルタ（フィルタ１３４）の違い等が原因で、検出器１１８とアンテナ１０６での実際の送信とにおいてリップルが発生する別の要因が発生し得る。

２つの別個の計算を実行することができる。一方の計算は、検出器１１８の測定値から製造時の測定値の平均と平均誤りとを構成する。第２の計算は、検出器（ピークでの）から出力信号を取得して、無線通信装置１００の「エンジニアリング」もしくは「設計」段階から導出することができる係数により信号を低減する。たとえば、係数は、上記した約２〜２．５とすることができる。

較正アルゴリズム手順は、検出器１１８からリップルを取得し、係数（たとえば、２〜２．５に等しい係数）によりリップルを最小化する。係数は、製造時に決定される平均に基づき、様々な平均電力に対して使用することができる。結果は、平均を調整することができ、リップルを調整することができる。

したがって、検出器１１８の測定値と実際に送信された電力とに関して、マッピングを生成することができる。リップルの作用を把握するべく、較正アルゴリズム手順が、一点周波数（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）でなく複数の周波数で実行されるのは、一点周波数では、リップル不具合が存在する箇所が示されないからである。インピーダンスを調整および変更して、継続的な再較正を実行することができる。

図３は、選択することができるリップル補正係数の例を示すグラフ３００である。電力誤りに対する電力補正係数３０２がプロットされている。線３０６は、電力誤りに対する理想関数リップル補正係数の例を示す。整合しないアンテナポート（つまり、ＶＳＷＲの変化）に対する電力周波数掃引の結果、送信される電力にリップル応答が含まれることとなる場合があることが知られている。検出器１１８を用いて、実際の送信よりもリップル係数分だけ強度が高いリップルを示しうるアンテナ１０６での実際の電力をサンプリングすることができる。

この例では、約２〜２．５において、最適な補正係数が観察されることが分かる。検出器１１８での電力は、アンテナ１０６での出力電力に比較して、出力インピーダンスに対する感度が２倍となり得る。実際のシステムでは、検出器１１８とアンテナコネクタ１０８との間に追加的な要素が存在することが想定され、係数が若干変動する（つまり、線３０６のシフト）。

図４は、検出器１１８とアンテナ１０６での出力との間の位相シフトを示すグラフ４００である。デシベル単位での相対電力４０４に対する周波数４０２がプロットされている。線４０６は、Ｐｄｅｔ＿ｒｅａｌを表し、線４０８は、Ｐａｎｔ＿ｒｅａｌを表す。これは、最悪の場合のシナリオと見てよい。たとえば、５ＧＨｚでは、たとえばフィルタ１３４等のフィルタが示す整合が良好でない可能性がある場合、検出器１１８のリップルと、アンテナ１０６における出力との間に、周波数のシフトが若干観察されるかもしれない。観察される位相シフトは、実際に送信された電力と、検出器１１８でのサンプリング点との間の周波数におけるリップルのシフトである。正確な較正測定値を取得するには、このシフトは補正されなければならない。

図５は、周波数シフトの補正を示すグラフ５００である。電力誤りに対するシフトサンプル５０２がプロットされ、線５０６が導出されている。この例では、最終の補正誤り５０８は、ピーク誤りに対して約１．７ｄＢを示す。

無線通信装置１００が様々なコンポーネント、特に、コネクタ１０８までの様々なコンポーネントを備えうることを考慮すると、特定のリップル係数および周波数シフトは、検出器１１８とアンテナにおける実際の電力出力とを良好に一致させることができ、アンテナコネクタ１０８の様々なＶＳＷＲで算出される。許容可能な較正の平均を取得するには、インピーダンスの変動について、ピーク値を導出するべきである。たとえば、帯域限度が１００ＭＨｚである２．４ＧＨｚでは、全遅延として３ナノ秒を実施することができる。この遅延は、通常のフィルタおよびケーブル敷設の場合に適用してよい。

図６は、無線通信装置の模範的な電力較正処理を示すフローチャート図６００である。この方法を記載する順序は、限定と解釈されることを意図されておらず、記載する方法のブロックのうち任意の数を任意の順序で組み合わせて方法を実行してよく、または方法を交互に行ってよい。さらに、本明細書に記載される主題の趣旨および範囲から逸脱することなく、本方法から各ブロックを削除することができる。さらに、本方法は、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の適切なハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、もしくはそれらの組み合わせにより実施することができる。

ブロック６０２では、電力増幅器における電力の測定が行われる。この測定は、上記の内部検出器１１８により行うことができる。測定は、様々な周波数で、もしくは、周波数掃引により、行われる。測定は、無線通信装置の製造時に行うことができる。たとえば、測定されたデータは、上記のコントローラおよびメモリ１１０に記憶することができる。

ブロック６０４では、無線通信装置の出力もしくは無線通信装置のアンテナにおける電力が測定される。たとえば、測定は、様々な周波数で（つまり、周波数掃引して）行われ、外部の測定機器により、ポイント１０８のコネクタにおいて測定される。たとえば、測定されたデータは、上記のコントローラおよびメモリ１１０に記憶することができる。

ブロック６０６では、無線通信装置のオンライン動作時もしくは実際の動作時において、電力増幅器の電力測定が行われる。この測定は、内部検出器１１８によって行うことができる。所定の実施例では、多くの版を含むＩＥＥＥ８０２．１１規格に準拠したインターフェース等の無線インターフェースもしくは走査インターフェースにより、検出器１１８から測定値を受信してよい。特に、ＩＥＥＥ８０２．１１規格では、較正のために専用の時間を費やさない周波数掃引（つまり、走査）を実行可能にする所定の期間を有するプロトコルが規定されている。

ブロック６０８では、実際に送信された電力が導出される。この導出は、上記の較正アルゴリズムを用いて実行することができる。特に、実際に送信された電力は、以下により導出することができる。ブロック６０４で測定された製造時の測定出力電力を周波数帯域全体について平均し、ブロック６０６で測定された、周波数帯域全体について平均された電力増幅器のオンライン時の測定出力電力を減算し、ブロック６０６で測定された電力増幅器のオンライン時の測定出力電力を加算し、ピーク−ピーク間リップルを抽出する。このアルゴリズム処理は、測定されたデータをまずＤＳＰ１１２で処理し、コントローラおよびメモリ１１０によりドライバ１０４に転送した後、ドライバ１０４（つまり、モジュール１３０）で実行することができる。結果は、無線送信機モジュール１０２の送信電力を制御するべく、ＤＳＰ１１２にフィードバックされる。

［まとめ］
主題を、構造的特性および／または方法的動作に特定の文言で記載したが、添付の特許請求の範囲に規定される主題は、記載した特定の特性もしくは動作に必ずしも限定されないことは理解されよう。むしろ、特定の特性および動作は、特許請求の範囲を実施する模範的な形態として開示された。たとえば、記載したシステムは、通信装置、コンピューティング装置、およびその他の電子装置として構成することができる。

Claims (13)

1. 無線通信装置の電力を較正する方法であって、
   前記無線通信装置の製造時に、周波数掃引により前記無線通信装置の出力電力を測定する段階と、
   前記無線通信装置のオンライン動作時に、前記周波数掃引により前記無線通信装置の電力増幅器の出力電力を測定する段階と、
   （ｉ）前記周波数掃引における複数の周波数について前記無線通信装置の測定出力電力を平均し、（ｉｉ）前記複数の周波数について前記電力増幅器の測定出力電力を平均し、（ｉｉｉ）前記電力増幅器の平均された測定出力電力を、前記無線通信装置の平均された測定出力電力から減算し、（ｉｖ）前記複数の周波数について、ピーク−ピーク間リップルが抽出された前記電力増幅器の測定出力電力を、前記減算して得られた電力に加算することにより、実際に送信された電力を導出する段階と
   を備える方法。
2. 前記無線通信装置の出力電力を測定する前記段階は、前記無線通信装置の１つ以上のアンテナで実行される請求項１に記載の方法。
3. 前記無線通信装置の出力電力を測定する前記段階は、前記電力増幅器から前記無線通信装置の１つ以上のアンテナに直接的なリンクを設けて実行される請求項１または２に記載の方法。
4. 前記無線通信装置の出力電力を測定する前記段階は、前記無線通信装置の内部の閉ループ検出器により実行される請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. オンライン動作時に、前記周波数掃引により前記無線通信装置の前記電力増幅器の出力電力を測定する前記段階によって、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）インピーダンスが対処される請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. オンライン動作時に、前記周波数掃引により前記無線通信装置の前記電力増幅器の出力電力を測定する前記段階により、前記電力増幅器と１つ以上のアンテナとの間のインターフェースが構成される請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 導出する前記段階は、リップル補正係数を選択する段階を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 導出する前記段階では、前記電力増幅器の出力を測定する検出器からの位相と、前記無線通信装置の出力とが、考慮される請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 導出する前記段階では、前記無線通信装置の製造時およびオンライン動作時における前記周波数掃引についての電力の移動平均計算が用いられる請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 電力較正のために無線通信装置により実行される方法であって、
    製造時の前記無線通信装置の出力送信電力を、周波数掃引により決定する段階と、
    オンライン動作時における前記周波数掃引による電力増幅器の測定出力を前記出力送信電力から減算する段階と、
    前記周波数掃引による電力増幅器の測定出力を前記減算された電力に加算し、ピーク−ピーク間リップルを抽出して、前記無線通信装置の実際の送信電力を導出する段階と
    を備える方法。
11. 出力を判定する前記段階および測定出力を減算する前記段階は、第１レベル近似であり、または、フィルタ済み応答に基づいている請求項１０に記載の方法。
12. 抽出された前記ピーク−ピーク間リップルは、所定のリップル係数に基づいている請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記電力増幅器の出力は、閉ループ検出器により測定される請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。

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