JP6210648B2 - 無線装置及び増幅部への供給電圧制御方法 - Google Patents

無線装置及び増幅部への供給電圧制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、無線装置及び増幅部への供給電圧制御方法に係り、特に、アナログ変調方式においてET方式による増幅部への電圧制御を行う技術に関する。
無線装置のデジタル変調方式として、直交変調がアナログ方式かデジタル方式かに大別できる。アナログ方式では、比較的安価に実現でき、カーテシアン等のベースバンドフィードバックの歪補償技術と親和性がよく、ダイレクトに所望の周波数に変換できるという利点がある。一方、振幅バランス、直交度、DCを調整する必要があるという短所がある。デジタル方式では、デジタルで直交するため振幅バランス、直交度、DCは調整不要という利点がある。一方で、高速なDAC(Digital Analog Converter)が必要でコスト高になることから、デジタル方式においてダイレクトコンバージョンの採用は難しい。
一般に、狭帯域無線では、高効率・低歪・安価で増幅する技術、つまりカーテシアンを用いることができることから、アナログ方式の直行変調を採用することが多い。更に近年では、無線機の小型化、低消費化の為に、増幅部において高効率動作を実現する観点から、ET(Envelope Tracking)方式の電力増幅装置を用いた無線技術が利用されるようになっている。
ET方式の電力増幅装置を用いた無線送信技術として、各種の技術が提案されている。例えば、PA(Power Amplifier)増幅部の非線形歪を小さくし、且つ、電力効率の高いET電力増幅装置を提供する技術がある(例えば、特許文献1参照)。具体的には、入力信号の振幅を検出し、振幅−電源電圧特性に基づいた制御信号を出力するとともに、制御信号に応じた電源電圧をPA増幅部に供給するように構成されている。そして、振幅−電源電圧特性は、振幅に対して電源電圧を線形とし且つ当該電源電圧に下限を設定した振幅−電源電圧特性としている。
特開2013−55449号公報
ここで、無線装置の出力信号に含まれる不要波の一つとして挙げられるDC信号の除去が重要となる。アナログ方式の直行変調機能を装備した無線機では、DC除去の動作が、実際の変調信号の送信を行う前までに完了されることが必要である。図1に、トランシーバに適用した場合のシーケンスを示す。PTT(Push To Talk)ボタンが押下されると、DC除去処理がなされ、その後変調信号が送信される。
通常、ET方式は、DSP(Digital Signal Processor)等でIQ信号からエンベロープを計算し、増幅部へ必要な電圧を可変させながら印加する方式である。増幅部への電圧供給はD級アンプ等のスイッチングアンプによってなされる。
ここで、歪補償を装備しようとすると、例えばカーテシアンループの場合であると、フィードバック形の構成であるため、DC除去を行う際にもフィードバックループを構成した状態で実施する必要がある。言い換えると、無線送信部がアクティブ、つまり、増幅部がオンである必要がある。しかし、増幅部がオフであることから、また、DCキャリブレーション時等においてはIQ信号が無い状態であるので、エンベロープ出力はゼロである。したがって、DC除去のタイミングではフィードバックループがオープンでリニアライザ動作が働かない。つまり、適切なDC除去が出来ないという課題がある。
特許文献1に開示の技術にあっては、PA増幅部の非線形歪については効果的に対応できるが、上記に課題に対しては十分な考慮がなされておらず別の技術が必要とされていた。
本発明は、このような従来の事情に鑑みなされたもので、上記課題を解決することを目的とする。
本発明に係る装置は、ET制御により増幅部への供給電圧を供給する機能を備えた無線機であって、伝送方式または伝送データの切替時に、前記増幅部への前記供給電圧が一定になるように制御する制御部を有する。
また、前記制御部は、固定電圧出力用のPWM(Pulse Width Modulation)信号をスイッチングアンプに入力し、前記スイッチングアンプから前記増幅部へ固定電圧を供給することで、前記増幅部への前記供給電圧を一定にしてもよい
また、前記増幅部に入力する前記供給電圧を、前記ET制御によって電力を前記増幅部へ供給するためのスイッチングアンプからの出力または固定電圧からの出力に切り換えるスイッチを備えてもよい。
また、前記増幅部及びアナログ直交変調部とを含む無線部が、複数の通信方式で共用するように構成されており、前記無線部は、カーテシアンフィードバックが形成されてもよい。
本発明に係る方法は、ET制御により増幅部への供給電圧を供給する機能を備えた無線機における前記増幅部への供給電圧制御方法であって、伝送方式または伝送データの切替時に、前記増幅部への前記供給電圧が一定になるように、かつ前記増幅部がオン状態にあるように制御する制御工程を有する。
また、前記制御工程は、固定電圧出力用のPWM信号をスイッチングアンプに入力し、前記スイッチングアンプから前記増幅部へ固定電圧を供給することで、前記増幅部への前記供給電圧を一定にしてもよい。
また、前記制御工程は、前記ET制御によって前記増幅部へ供給電圧を供給する伝送方式の場合に、固定電圧出力用のPWM信号により動作するスイッチングアンプから前記増幅部へ前記供給電圧が供給されるように制御し、前記固定電圧で前記増幅部へ供給電圧を供給する伝送方式の場合に、直流電源の電圧を前記スイッチングアンプを介さずに前記増幅部へ供給してもよい。
また、前記ET制御がなされる伝送方式である第1通信方式と前記ET制御がなされない伝送方式である第2通信方式との無線方式の機能が搭載され、前記増幅部及びアナログ直交変調部とを含む無線部が、前記第1通信方式と前記第2通信方式の両方で共用するように構成されており、前記無線部は、カーテシアンフィードバックが形成されてもよい。
以上、本発明によると、ET制御により増幅部への供給電圧を供給する機能を備える無線機において、伝送方式または伝送データの切替時において、DC除去を効果的に実現することができる。
背景技術に係る、トランシーバにおいてPTTボタンが押下され、DC除去動作及び変調信号送信までのシーケンスを示す図である。 第1の実施形態に係る、無線装置の増幅器への電力供給部及び無線部を示した図である。 第1の実施形態に係る、増幅器への電圧供給動作を示すフローチャートである。 第2の実施形態に係る、無線装置の増幅器への電力供給部及び無線部を示した図である。 第3の実施形態に係る、無線装置の増幅器への電力供給部及び無線部を示した図である。 第4の実施形態に係る、無線装置の増幅器への電力供給部及び無線部を示した図である。 第4の実施形態に係る、増幅器への電圧供給動作を示すフローチャートである。
次に、本発明を実施するための形態(以下、単に「実施形態」という)を、図面を参照して具体的に説明する。以下に説明する実施形態では、TDMA(Time Division Multiple Access)方式とFDMA(Frequency Division Multiple Access)方式の一つであるSCPC(Single Channel Per Carrier)方式の二つのアナログ直交変調機能を備えたデュアルタイプのトランシーバ(無線装置)を想定する。連続送信タイプであるSCPC方式では増幅器(増幅部ともいう)をET制御する。一方、1/4スロット送信タイプのTDMA方式では、ET制御はなされない。以下では、主に無線装置の増幅器への電圧供給に着目して説明する。
<第1の実施形態> 図2は本実施形態に係る電力供給部10の概略構成を示すブロック図である。
電力供給部10は、DC電源30と、ET出力部40と、制御部50とを備え、無線部を構成する増幅器20に電力を供給する。無線部は、制御部50、DAC21、アナログ直交変調部22及び増幅器(PA:Power Amplifier)20を備えて構成されている。ここで、制御部50は、電力供給部10の一部として機能するとともに無線部の一部として機能する。
制御部50は、DSP及び/又はFPGA(Field Programmable Gate Array)を備えて構成されており、IQ信号を取得し、無線部として機能する場合には、I信号及びQ信号のそれぞれを所定のDAC21に出力する。SCPC方式及びTDMA方式のどちらの場合であっても、制御部50は共通に利用可能になっている。なお、制御部50を構成するDSPやFPGAをそれぞれの方式に応じて個別に構成してもよいし、共通に構成してもよい。
また、制御部50は、電力供給部10の一部として機能する場合には、ET出力部40を制御することで増幅器20への供給電圧を制御する。詳細動作等については後述するが、制御部50は、いわゆるパワー演算として、IQ信号からエンベロープを算出し、算出結果をET出力部40に出力する。
DAC21は、I信号及びQ信号をアナログ変換してアナログ直交変調部22に出力する。アナログ直交変調部22で変調された信号は、増幅器20で増幅されアンテナから送信される。また、増幅器20の出力はアナログ直交変調部22に帰還し、所定のカーテシアンフィードバックが構成される。なお、アナログ直交変調部22のLo信号を可変とすることで、各種の周波数に対応可能となっている。
ET出力部40は、PWM(Pulse Width Modulation)部41と、スイッチ部42と、スイッチングアンプ(例えばD級アンプ)43とを備える。PWM部41は、DAC44と、三角波発生回路45と、コンパレータ46とを備える。DAC44は、制御部50から取得したエンベロープの算出結果をアナログ信号に変換しコンパレータ46へ出力する。コンパレータ46は、DAC44からアナログ信号のエンベロープと、三角波発生回路45が出力する三角波とから、ET用のPWM信号をスイッチ部42を介してスイッチングアンプ43に出力する。
なお、ET制御による動作がなされない場合は、より具体的には、IQ信号が無い場合には、制御部50は固定電圧用のPWM信号をスイッチ部42を介して出力する。つまり、スイッチ部42は、ET制御による動作(以下、「ET動作」という)用のPWM信号及び固定電圧用のPWM信号を選択的にスイッチングアンプ43に供給する。スイッチングアンプ43の制御は制御部50からの所定の制御信号でなされる。
なお、IQ信号が無い状態は、伝送方式の切り替え時や、伝送データの切り替え時に生じる。伝送データの切り替え時とは、例えば、SCPC方式の1無線フレーム(40msec)の先頭に設定されているLP+G(リニアライザ用プリアンブル及びバースト過渡応答用ガードタイム)の期間である。このLP+G(リニアライザ用プリアンブル及びバースト過渡応答用ガードタイム)では、移動局及び基地局において、送信電力増幅器の直線性を改善するために使用するもので、その内容は規定されていない。この期間にDCキャリブレーションや位相トレーニングがなされる。
以上の構成による動作を図3のフローチャートをもとに説明する。ユーザがトランシーバのPTTボタンを押下してSCPC方式の通信が開始されると(S10)、送信前DCトレーニングが開始される(S12)。
送信前DCトレーニングが開始されると(S12)、制御部50は、固定電圧用のPWM信号を出力するとともに、出力先であるスイッチ部42を制御し、固定電圧用のPWM信号の経路をスイッチングアンプ43へ接続する(S14)。この後、実際のDCトレーニングが行われる(S16)。そして、DCキャリブレーションが適正と判定されるまで(S18のN)、このトレーニングが継続される(S16)。つまり、このトレーニング期間中は、増幅器20には一定電圧が供給されオン状態に制御される。
DCキャリブレーションが適正と判定されると(S18のY)、制御部50はスイッチ部42を切り換えて、PWM部41とスイッチングアンプ43とを接続する(S20)。同時に、制御部50は、ET制御のためのエンベロープの計算を開始しET出力部40に出力する(S22)。さらに制御部50は、SCPC送信を開始し、I信号及びQ信号をDAC21に出力する(S24)。その結果、SCPC送信中では、増幅器20はET動作によってアナログ直交変調部22から取得する送信信号の増幅処理を行いアンテナに出力する(S26)。ユーザがPTTボタン等の押下を止めるとSCPC送信は終了する(S28)。
なお、LP+GにおけるDCキャリブレーションや位相トレーニング自体は、SCPC方式に切り替わったタイミングに限らず、温度等の影響を受けることから無線装置の通信中においても行われる。ただし、この場合のLP+Gの期間では、制御部50は、オールゼロの信号を出力することでDAC44からサイン波を出力するように制御される。つまり、エンベロープは一定となる。
以上、本実施形態によると、アナログ直交変調方式においてフィードバックループ(カーテシアンフィードバック)が構成されている場合において、安定したDC除去が可能となり、高効率増幅、歪補償も両立できる。つまり、ET制御による高効率増幅を採用しながらも安定したDC除去とカーテシアンフィードバックによる歪補償を実現でき、高効率増幅により増幅器20の発熱量を抑えることで放熱機構が小型化できるので、無線機の構成としては省スペース設計及び低コスト設計が実現できる。特に、ET動作が求められるSCPC方式及びET動作が不要なTDMA方式を同一無線機に搭載し、制御部50等の構成を共通化する場合に、高価で高性能な部品を用いることなく、共通化した構成で適切なDC除去が可能となる。
近年では、災害等が発生した場合に、広域連携による相互救援が行われることがあり、業務用無線機においてデュアルタイプの無線機が求められるようになっている。消防組織において、所属地域によって、採用されている無線の通信タイプが異なる場合がある。また、消防組織と警察組織といったように組織が異なる場合には通信タイプが異なる場合も多い。このような場合に、従来であれば、多数の無線機を保持する必要があり、災害復旧現場においては、不便が生じていた。しかし、本実施技術を適用したデュアルタイプの無線機であれば、一つの無線機を所持することで、多数の組織間での通話が適切に可能となる。
また無線機の構成上アナログ直交変調部22のLo信号を可変させることで、各種の周波数に対応できることから、ソフトウエアラジオ化における、マルチバンド無線部のハードアーキテクチャに適用することができる。更に、近年注目されているホワイトスペース(2次利用)の無線部ハードアーキテクチャとしても適用できる。
<第2の実施形態>
図4は本実施形態に係る電力供給部110の構成を示す。本実施形態は第1の実施形態の変形例であり、主に異なる構成について説明する。この電力供給部110は、第1の実施形態の電力供給部10からスイッチ部42を省いた構成となっている。つまり、ET出力部140は、PWM部141とスイッチングアンプ143とから構成される。なお、PWM部141の構成は第1の実施形態と同一である。
制御部150は、アナログのエンベロープ信号と固定電圧用のPWM信号とを切り換えてET出力部140に出力する。つまり、伝送方式または伝送データの切替時にET制御を動作させずET出力部140の出力を一定とする場合は、制御部150はPWM部141へ信号出力せず、固定電圧用のPWM信号をスイッチングアンプ143に直接出力する。一方、制御部150は、ET制御を動作させる場合は固定電圧用のPWM信号をスイッチングアンプ143に直接出力することなく、エンベロープ信号をPWM部141に出力する。
本実施形態によると、第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、スイッチ部42を省くことで構成をより簡略化できる。
<第3の実施形態>
図5は本実施形態に係る電力供給部210の構成を示す。本実施形態は第2の実施形態の変形例であり、主に異なる構成について説明する。この電力供給部210は、第2の実施形態の電力供給部110からPWM部141を省いた構成となっている。つまり、ET出力部240は、スイッチングアンプ243から構成される。つまり、第1及び第2の実施形態のPWM部41、141の機能を制御部250が有する構成となっており、PWM信号が制御部250から直接スイッチングアンプ243に出力される。したがって、伝送方式または伝送データの切替時にET制御を動作させずET出力部40の出力を一定とする場合は、制御部250は電圧固定用PWM信号をスイッチングアンプ243に出力する。一方、ET制御を動作させる場合は、制御部250は、IQ信号に基づくエンベロープ信号を演算した後、上述したPWM部41、141にて行われるPWM信号の生成処理をエンベローブ信号に基づいて例えばDSPで演算し、ET用PWM信号を求める。そして、制御部250はET用PWM信号をスイッチングアンプ243に出力する。
本実施形態によると、第2の実施形態と同様の効果が得られる。また、PWM部41を省くことで構成を更に簡略化できる。
<第4の実施形態>
図6は本実施形態に係る電力供給部310を示す。本実施形態は第1の実施形態の変形例であって、ET動作をする場合には、制御部350は、ET動作をする場合にはET出力部40を動作させスイッチングアンプ343から増幅器20へ電圧を供給する。一方、ET動作をしない場合には、制御部350は、DC電源30からの電圧が直接増幅器20に供給されるように制御する。そのため、DC電源30とET出力部340との間にスイッチ部360を配置し、制御部50がスイッチ部360の動作を制御する。
これは、無線部である増幅器20、DAC21、アナログ直交変調部22はSCPC方式とTDMA方式の両タイプにおいて共用するように構成されている。ここで、例えば第1の実施形態のように、PWM部41の機能を両タイプにおいて使用する構成とすると、帯域が広いTDMA方式に適用する場合の部品を用いる必要がある。つまり、高速な部品が必要とされ、コスト高となってしまうという課題がある。
そこで、本実施形態では、上述の様に、帯域が広いTDMA方式で運用される場合の電圧供給経路と、SCPC方式で運用される場合の経路とを別に設けている。
図7は電力供給部310の動作を示すフローチャートである。制御部350は、通信モードがTDMA方式であるかSCPC方式であるかを監視する(S110)。
SCPC方式である場合(S112のN)、制御部350はスイッチ部360を制御してDC電源30とスイッチングアンプ43との経路を接続しET出力部340を動作させる(S114)。この場合、スイッチングアンプ43から増幅器20へ電圧が印加される(S116)。TDMA方式である場合、制御部350はET動作を行わず固定電圧を供給する旨を決定する(S118)。この場合、制御部50は、スイッチ部360を制御しDC電源30と増幅器20との経路を接続し、DC電源30から直接増幅器20に定電圧が印加される(S120)。
以上、本実施形態によると、第1の実施形態のスイッチ部42を伝送する信号と比較して、本実施形態のスイッチ部60を伝送する信号の電圧が高いため、効率の点で若干不利ではあるが、コストを低減できる。
なお、SCPC方式で運用する場合に、第1の実施形態と同様に、DCキャリブレーション時にET出力部340を動作させて一定電圧が増幅器20に印加されるようにしてもよい。その場合でも、ET出力部340が動作するのは帯域の狭いSCPC方式で運用時であるので、必要とされる部品自体の仕様はSCPC方式を運用させるために必要なレベルでよい。また、DCキャリブレーション時にDC電源30から直接電圧が印加されるようにしてもよい。
以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
また、本発明において、ET制御を動作させるか否かを切り替えるタイミングである伝送方式または伝送データの切替時として、無線通信方式の切り替えと、無線通信方式の切り替え時や通信開始時や通信中に発生するDCキャリブレーション時を例にあげて説明したが、本発明はこれら実施形態のタイミングに限定されるものではなく、各種条件や通信状況に応じてET制御をオン、オフ切り替える場合に適用できることは言うまでもない。
本発明は、無線装置及び増幅部への供給電圧制御方法に係り、特に、アナログ変調方式においてET方式による増幅部への電圧制御を行う無線機に広く適用できる。
10、110、210、310 電力供給部20 増幅器21 DAC22 アナログ直交変調部30 DC電源40、140、240、340 ET出力部41、141、341 PWM部42 スイッチ部43、143、243、343 スイッチングアンプ44 DAC45 三角波発生回路46 コンパレータ50、150、250、350、450 制御部

Claims (10)

  1. ET制御により増幅部への供給電圧を供給する機能を備えた無線機であって、
    無線フレームに設定された所定期間においてDCトレーニングが開始されると、前記増幅部への前記供給電圧が一定になるように制御し、前記DCトレーニングによるDCキャリブレーションが終了すると前記ET制御を実行する制御部を有することを特徴とする無線装置。
  2. 前記制御部は、固定電圧出力用のPWM信号をスイッチングアンプに入力し、前記スイッチングアンプから前記増幅部へ電圧をすることで、前記増幅部への前記供給電圧を一定にすることを特徴とする請求項1に記載の無線装置。
  3. 前記増幅部に入力する前記供給電圧を、前記ET制御によって電力を前記増幅部へ供給するためのスイッチングアンプからの出力または固定電圧からの出力に切り換えるスイッチを備えることを特徴とする請求項1に記載の無線装置。
  4. 前記増幅部及びアナログ直交変調部とを含む無線部が、複数の通信方式で共用するように構成されており、前記無線部は、カーテシアンフィードバックが形成されていることを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載の無線装置。
  5. 前記所定期間は、ユーザによりPTTが押下されSCPC(Single Channel Per Carrier)方式の通信開始時に設定されていることを特徴とする、請求項1から4までのいずれかに記載の無線装置。
  6. ET制御により増幅部への供給電圧を供給する機能を備えた無線機における前記増幅部への供給電圧制御方法であって、
    無線フレームに設定された所定期間においてDCトレーニングが開始されると、前記増幅部への前記供給電圧が一定になるように、かつ前記増幅部がオン状態にあるように制御し、前記DCトレーニングによるDCキャリブレーションが終了すると前記ET制御を実行する制御工程を有することを特徴とする増幅部への供給電圧制御方法。
  7. 前記制御工程は、固定電圧出力用のPWM信号をスイッチングアンプに入力し、前記スイッチングアンプから前記増幅部へ電圧をすることで、前記増幅部への前記供給電圧を一定にすることを特徴とする請求項に記載の増幅部への供給電圧制御方法。
  8. 前記制御工程は、前記ET制御によって前記増幅部へ供給電圧を供給する伝送方式の場合に、固定電圧出力用のPWM信号により動作するスイッチングアンプから前記増幅部へ前記供給電圧が供給されるように制御し、前記固定電圧で前記増幅部へ供給電圧を供給する伝送方式の場合に、直流電源の電圧を前記スイッチングアンプを介さずに前記増幅部へ供給することを特徴とする請求項6に記載の増幅部への供給電圧制御方法。
  9. 前記ET制御がなされる伝送方式である第1通信方式と前記ET制御がなされない伝送方式である第2通信方式との無線方式の機能が搭載され、前記増幅部及びアナログ直交変調部とを含む無線部が、前記第1通信方式と前記第2通信方式の両方で共用するように構成されており、前記無線部は、カーテシアンフィードバックが形成されていることを特徴とする請求項6から8までのいずれかに記載の増幅部への供給電圧制御方法。
  10. 前記所定期間は、ユーザによりPTTが押下されSCPC(Single Channel Per Carrier)方式の通信開始時に設定されていることを特徴とする、請求項6から9までのいずれかに記載の増幅部への供給電圧制御方法。
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