JP6258176B2 - マルチキャリア送信システム - Google Patents

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Description

本発明は、複数の搬送波によって情報を送信するマルチキャリア伝送システムに関する。
伝送帯域を拡大する方法としてマルチキャリア伝送がある。マルチキャリア伝送では、単一の広帯域信号を用いるのではなく、「サブキャリア」と呼ばれる複数の狭帯域信号を周波数多重化し、全ての狭帯域信号を同じ送信アンテナから送信する。サブキャリア数をMとすると、同じ無線リンク上でM個の信号が並列送信されるため、通信速度は1サブキャリアのM倍に増加する。
マルチキャリア伝送の代表的な技術にOFDM(orthogonal frequency-division multiplexing)がある。OFDMは、隣り合うサブキャリア同士の周波数間隔が1/Tuのサブキャリアを用いて伝送を行う。ここでTuはサブキャリアごとのシンボル長である。つまり、OFDMは、送信信号系列をブロック化し、これを直列並列変換した上で、複数のサブキャリアを変調し、変調されたサブキャリアを並列伝送する変調方式である。任意の二つのサブキャリアは直交しており、理想的な伝送では、受信側において復調後のサブキャリア間に干渉はない。一方、OFDM以外のマルチキャリア伝送では、受信側で干渉を回避するために任意の二つのサブキャリアのスペクトルが互いに重ならないように周波数領域でサブキャリアを分離して送信する必要がある。このため、OFDMと比較すると、OFDM以外のマルチキャリア伝送では周波数利用効率が低下する。
岡田実、"OFDMの基礎"、Microwave Workshop and Exhibition (MWE2003),基礎講座02,ディジタル変復調技術,2003年11月,[平成26年9月9日検索]、インターネット〈URL: http://www.apmc-mwe.org/mwe2004/ja_mwe2003_TL/TL02-02.pdf〉
マルチキャリア信号は複数のサブキャリア信号を周波数領域で多重化したものであるため、送信信号の全帯域を考えると広帯域となる。一般的に、マルチキャリア信号は各サブキャリアの周波数が異なり、信号スペクトルの位相が独立となることから、合成信号のベクトルの包絡線が大きく変動する。このため、増幅器等による非線形特性の影響を受けやすい。
包絡線変動の程度を示すパラメータの一つとして、信号の最大電力値と平均電力値との比を示すPAPR(Peak to Average Power Ratio)がある。例えば、64QAM(quadrature amplitude modulation)の変調波においてシングルキャリアではPAPRが5.9であるが、サブキャリア数が32のOFDMではPAPRは9.5となる。
PAPRの大きい信号を増幅する場合、平均送信電力は増幅器の最大出力より小さくせざるをえないが、電力利用効率の観点からは、できるだけ最大出力に近い動作点で増幅器を動作させることが望まれる。しかし、最大出力に近い動作点では、瞬時的な出力電力の増大に伴い、信号が抑圧されて非線形ひずみが発生し、変調精度が劣化する。従って、マルチキャリア信号の増幅に用いられる増幅器は出力バックオフを大きくとり電力利用効率の低い領域で使用せざるを得ない。このため、消費電力が大きく、放熱器を含めた増幅器回路規模は大きくなる。また、非線形歪補償技術の適用の観点からも、歪補償帯域が広帯域となるため補償量を十分に取ることが難しい。また、信号処理による歪補償技術を適用するためデジタル化する際にも、広帯域信号ゆえに、サンプリングレートなどAD/DA変換器に対する要求スペックが高くなるため、実質的な補償帯域幅を十分に拡大できない。また、フィルタやアンテナ等の他のコンポーネントについても、広帯域信号ゆえに、損失などが増大する。
一方、例えば、広帯域の1個のキャリアを複数のサブキャリアに分割し、各サブキャリアを増幅した後に合成することで、各増幅器へ入力する信号帯域を狭帯域化できる。また、他のコンポーネントについても損失を低減できる。しかし、合成器には合成損があるため、増幅器の出力電力を上げることが必要となる。さらに、OFDMのように各サブキャリアが独立でない変調方式の帯域を分割する場合には、合成後に分割前のサブキャリアの関係を維持する必要がある。
上述の観点から、本発明は、広帯域信号を狭帯域化して送信するマルチキャリア送信システムを提供することを目的とする。
本発明のマルチキャリア送信システムは、Nを予め定められた2以上の整数とし、nは1≦n≦Nを満たす各整数を表すとして、サブキャリア周波数がfnで帯域幅がbnである第nサブキャリア信号を発生させる発振器と、第nサブキャリア信号の位相が残余のサブキャリア信号の位相に対して一致する方向へ第nサブキャリア信号の位相を調整する第n位相調整器と、1個の変調信号をN個の変調信号B1,…,BNに分割する変調信号生成器と、第n位相調整器からの信号にn番目の変調信号Bnを乗算する第n1乗算器と、第n1乗算器からの信号を増幅する第n増幅器と、第n増幅器からの信号のうち、通過帯域中心周波数が第nサブキャリア信号と等しく帯域幅がbnの周波数帯域を通過させる第nフィルタと、第nフィルタからの信号の振幅と位相を調整する第n振幅位相調整器と、第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御する振幅位相制御器と、第n振幅位相調整器からの信号を送信する第n1アンテナとを含み、振幅位相制御器は、全ての振幅位相調整器からの信号が空間において同相合成されるように、第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御する。
上記のマルチキャリア送信システムが、第n振幅位相調整器からの信号の一部を取り出す第n結合器と、第n位相調整器からの信号に第n結合器からの信号を乗算する第n2乗算器と、上記の第n1アンテナに替えて、第n結合器からの信号を送信する第n2アンテナとを含み、振幅位相制御器が、第n2乗算器からの信号に基づいて第n結合器からの信号の位相または振幅の少なくともいずれかの変動を検出し、この変動をキャンセルし且つ全ての振幅位相調整器からの信号が空間において同相合成されるように、第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御するように構成してもよい。
あるいは、Nを予め定められた2以上の整数とし、nは1≦n≦Nを満たす各整数を表すとして、サブキャリア周波数がfnで帯域幅がbnである第nサブキャリア信号を発生させる発振器と、第nサブキャリア信号の位相が残余のサブキャリア信号の位相に対して一致する方向へ第nサブキャリア信号の位相を調整する第n位相調整器と、1個の変調信号をN個の変調信号B1,…,BNに分割する変調信号生成器と、n番目の変調信号Bnの歪を補償する第n歪補償器と、第n位相調整器からの信号に第n歪補償器からの信号を乗算する第n1乗算器と、第n1乗算器からの信号を増幅する第n増幅器と、第n増幅器からの信号のうち、通過帯域中心周波数がn番目のキャリア信号と等しく、帯域幅がbnの周波数帯域を通過させる第nフィルタと、第nフィルタからの信号の振幅と位相を調整する第n振幅位相調整器と、第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御する振幅位相制御器と、第n振幅位相調整器からの信号の一部を取り出す第n結合器と、第n結合器からの信号を送信する第n2アンテナと、第n位相調整器からの信号に第n結合器からの信号を乗算する第n2乗算器と、第n2乗算器からの信号に基づいてn番目の変調信号Bnに対する歪補償係数を決定する第n歪補償係数演算器とを含み、振幅位相制御器は、全ての振幅位相調整器からの信号が空間において同相合成されるように、第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御し、第n歪補償係数演算器は、第n結合器の出力の歪が最小となるように歪補償係数を決定する。
本発明によると、複数のサブキャリア信号のそれぞれが狭帯域信号となっており、送信電力の低減、小型増幅器の使用、送信系統ごとの独立したキャリブレーションの実施などの利点がある。
第1実施形態のマルチキャリア送信システム。 第2実施形態のマルチキャリア送信システム。 第3実施形態のマルチキャリア送信システム。
<第1実施形態>
この発明による第1実施形態のマルチキャリア送信システム100を図1に示す。このマルチキャリア送信システム100は、Nを予め定められた2以上の整数とし、nは1≦n≦Nを満たす各整数を表すとして、局部発振器30で生成した信号を用いて、サブキャリア中心周波数がfnで帯域幅がbnである無線周波数帯の第nサブキャリア信号を発生する発振器40と、第nサブキャリア信号の位相が残余のサブキャリア信号の位相に対して一致する方向へ第nサブキャリア信号の位相を調整する第n位相調整器42−nと、f0を中心周波数とする1個の変調信号をN個の変調信号B1,…,BNに分割する変調信号生成器10と、第n位相調整器42−nからの信号をn番目の変調信号Bnによって変調する第n1乗算器12−nと、第n1乗算器12−nからの信号を増幅する第n増幅器14−nと、第n増幅器14−nからの信号のうち、通過帯域中心周波数が第nサブキャリア信号と等しく帯域幅がbnの周波数帯域を通過させてスプリアス信号等を抑圧する第nフィルタ16−nと、第nフィルタ16−nからの信号の振幅と位相を調整する第n振幅位相調整器18−nと、第n振幅位相調整器18−nの振幅と位相の各調整量を制御する振幅位相制御器50と、第n振幅位相調整器18−nからの信号を送信する第n1アンテナ20−nと含む。なお、N個の第n位相調整器42−n(n=1,…,N)によって、N個の第nサブキャリア信号(n=1,…,N)の位相は互いに一致する。
この実施形態では、例えば、発振器40が生成するN個のサブキャリア信号のうち任意の隣り合うサブキャリア信号同士の周波数間隔をΔfとする。すなわち、1個の広帯域キャリア信号の中心周波数をfc(すなわちfc=(f1+fN)/2でありfc>>f0)とした場合、n番目のサブキャリア信号の中心周波数は式(1)で表される。
fn=fc+(2n-N-1)Δf/2 …(1)
第n振幅位相調整器18−nは、n番目の変調信号Bnに対して振幅と位相の各調整を行う。この際の各調整量は、各ブランチから中心周波数fcのキャリア信号が送信されたと仮定した場合に、受信点において各キャリア信号が同相合成されるように設定される。例えば、中心周波数fcにおいて、N個の第n1アンテナ20−n(n=1,…,N)で構成されるアレーアンテナの指向性利得が、アレーアンテナから見て受信点が存在する向きで最大となるように設定すればよい。具体的には、アレーアンテナの配置方向からθ度の角度で指向性が最大となるように調整する場合には、振幅位相制御器50は、第n振幅位相調整器18−nの調整量wnを式(2)に従って計算する。jは虚数単位、λcは周波数fcにおけるキャリア信号の波長、dは隣り合う第n1アンテナ20−nの間隔である。
wn=exp{-j(2π/λc)nd(sinθ)} @fc …(2)
この場合、アレーアンテナの配置方向からθ度の角度方向に在る受信点は、各第n1アンテナ20−n(n=1,…,N)から放射された信号が空間合成された信号を受信することになる。これは、各ブランチから中心周波数がfcで帯域幅がΔf・Nの広帯域キャリア信号を送信した場合の受信信号を受信したことと等価である。このため、受信側は通常のマルチキャリア送信信号を受信する機能を有していればよい。
特に、変調信号生成器10に入力された1個の変調信号が広帯域信号である場合には、n番目のブランチの信号に対して行う振幅位相調整における振幅と位相の各調整量は、各ブランチから周波数fnのキャリア信号が送信されたと仮定した場合に、受信点において各キャリア信号が同相合成されるように設定するのが好ましい。例えば、周波数fnにおいて、アレーアンテナの指向性利得が、アレ―アンテナから見て受信点が存在する向きで最大となるように設定すればよい。具体的には、アレーアンテナの配置方向からθ度の角度で指向性が最大となるように調整する場合には、振幅位相制御器50は、第n振幅位相調整器18−nの調整量wnを式(3)に従って計算する。jは虚数単位、λnは周波数fnにおけるキャリア信号の波長、dは隣り合う第n1アンテナ20−nの間隔である。なお、1個の変調信号が広帯域信号である場合の一例として、受信器において、1個の変調信号に相当する受信信号を復調した場合に、位相差によって一定の誤り率特性を満たせないような変調信号が挙げられる。
wn=exp{-j(2π/λn)nd(sinθ)} @fn …(3)
上述の調整量決定方法の他に、振幅と位相の各調整量の決定方法として、まず、各ブランチから周波数fcのキャリア信号が送信されたと仮定した場合に受信点において各キャリア信号が同相合成されるように各ブランチの調整量を設定した後、周波数fcのキャリア信号を送信するブランチおよび当該周波数fc近傍の周波数のキャリア信号を送信するブランチを除くブランチについて、n番目のブランチの振幅と位相の各調整量を、各ブランチから周波数fnのキャリア信号が送信されたと仮定した場合に受信点において各キャリア信号が同相合成されるように設定する方法を採用してもよい。ここで「周波数fc近傍の周波数」とは、マルチキャリア送信システムの仕様に応じて定められる条件であり、例えば、マルチキャリア送信システムの仕様に応じて予め定められた値R[Hz]を用いて「fc-R以上fc+R以下の帯域幅に含まれる周波数」とすることができる。
上述の例では、n番目のブランチのサブキャリア信号は帯域幅Δfの狭帯域信号となっており、通常のマルチキャリア伝送における帯域幅の1/Nでよい。帯域幅が1/Nとなることの利点としては、まず、ブランチあたりの送信電力も1/Nとなるため、出力電力の小さい増幅器を使用できることがある。出力電力の小さい増幅器は設計が容易となるため、高性能化、小型化や低消費電力化が達成しやすいという利点がある。また、増幅器の線形化についても、近年ではデジタル信号処理による高精度な方法が検討されているが、信号の狭帯域化によって十分なサンプリングが行えるAD/DA変換器等の採用が容易になることから、高い性能を獲得しやすいという利点がある。また、フィルタやアンテナなど他のコンポーネントについても、狭帯域化によって特性の改善が期待できる。また、通常、各ブランチは該当する周波数帯用の装置で構成されるため、例えば周波数fnの信号を用いてブランチごとに独立にキャリブレーションを実施できるという利点がある。
マルチキャリア伝送で周波数利用効率に優れるOFDM伝送に本発明を適用する場合、ガードバンドを挿入することなく効率的な伝送が可能となる。ただし、サブキャリア間の位相特性のずれが受信側での復調性能に影響する可能性がある。例えば、各ブランチから送信される信号がOFDMのサブキャリアの場合、サブキャリア間の位相誤差によって、復調性能が劣化する可能性がある。しかし、このような場合には、受信側で位相誤差を検出して、送信側へフィードバックすることで、送信側で予め対策を行うことができる。
<第2実施形態>
この発明による第2実施形態のマルチキャリア送信システム200を図2に示す。マルチキャリア送信システム200は、第1実施形態のマルチキャリア送信システム100の構成に、第n振幅位相調整器18−nからの信号の一部を取り出す第n結合器19−nと、第n位相調整器42−nからの信号に第n結合器19−nからの信号を乗算する第n2乗算器60−nを付加し、第n1アンテナ20−nの替わりに、第n結合器19−nからの信号を送信する第n2アンテナ21−nを含む構成を持つ。振幅位相制御器50は、第n2乗算器60−nからの信号に基づいて第n結合器19−nからの信号の位相または振幅の少なくともいずれかの変動を検出し、この変動をキャンセルし且つ全ての振幅位相調整器18−n(n=1,…,N)からの信号が空間において同相合成されるように、第n振幅位相調整器18−nの振幅と位相の各調整量を制御する。
第1実施形態で説明した式(2)で求められる調整量は、各ブランチにおける信号伝送特性が理想的な場合であり、実際には、振幅と位相のそれぞれに予期できない変動が生じる可能性がある。振幅と位相のそれぞれの変動は、例えば増幅器の経時変化や発振器の位相雑音などによって生じる可能性がある。このため、振幅位相制御器50は、各第n2乗算器60−n(n=1,…,N)からの出力に基づいて、n番目のブランチに生じた位相変動や振幅変動を検出し、位相変動や振幅変動を打ち消すように且つ全ての振幅位相調整器18−n(n=1,…,N)からの信号が空間において同相合成されるように、振幅位相調整器18−nの調整量wnを調整する。位相変動や振幅変動の検出は周知技術によって実施可能であるからその詳細な説明を省略する。
<第3実施形態>
この発明による第3実施形態のマルチキャリア送信システム300を図3に示す。マルチキャリア送信システム300は、第2実施形態のマルチキャリア送信システム200の構成に、n番目の変調信号Bnの歪を補償する第n歪補償器11−nと、第n2乗算器60−nからの信号に基づいてn番目の変調信号Bnに対する歪補償係数を決定する第n歪補償係数演算器70−nを付加した構成を持つ。第3実施形態では、第2実施形態と異なり、第n2乗算器60−nからの信号は、振幅位相制御器50ではなく、第n歪補償係数演算器70−nに入力される。
第3実施形態はマルチキャリア送信システムにおいて増幅器14−nの歪補償の実装を示している。本発明のマルチキャリア送信システムに適用可能な増幅器歪補償技術に限定はなく、例えば、周知のプレディストーション法、例えばべき級数型プレディストーションを採用できる。プレディストーション法は、増幅器14−nでのAM−AM変換やAM−PM変換を複素関数Gで表現できると仮定した場合に、複素関数Gの逆特性を持つ複素関数Fによって増幅器14−nの入力信号を変形することで、増幅器14−nの出力を入力信号に対して線形にする。第3実施形態では、ブランチごとに、複素関数Fに相当する情報(歪補償係数)を第n歪補償係数演算器70−nが計算し、第n歪補償器11−nが第n歪補償係数演算器70−nによって得られた情報に基づいてn番目の変調信号Bnに対してプレディストーションを行う。なお、実際の使用では、環境温度、経時変化、電源電圧変動などによって増幅器14−nのAM−AM変換やAM−PM変換の特性は変化する。したがって、このような特性変化に対して適応的制御を実施するため、結合器19−nの出力に基づいて第n歪補償係数演算器70−nが歪補償係数を更新する。この他、各ブランチの信号が狭帯域であることから、歪補償帯域が制限されるフィードフォワード型歪補償を本発明のマルチキャリア送信システムに適用することもできる。
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更が許容される。

Claims (5)

  1. Nを予め定められた2以上の整数とし、nは1≦n≦Nを満たす各整数を表すとして、
    サブキャリア周波数がfnで帯域幅がbnである第nサブキャリア信号を発生させる発振器と、
    第nサブキャリア信号の位相が残余のサブキャリア信号の位相に対して一致する方向へ第nサブキャリア信号の位相を調整する第n位相調整器と、
    1個の変調信号をN個の変調信号B1,…,BNに分割する変調信号生成器と、
    第n位相調整器からの信号にn番目の変調信号Bnを乗算する第n1乗算器と、
    第n1乗算器からの信号を増幅する第n増幅器と、
    第n増幅器からの信号のうち、通過帯域中心周波数が第nサブキャリア信号と等しく帯域幅がbnの周波数帯域を通過させる第nフィルタと、
    第nフィルタからの信号の振幅と位相を調整する第n振幅位相調整器と、
    第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御する振幅位相制御器と、
    第n振幅位相調整器からの信号を送信する第n1アンテナと
    を含み、
    振幅位相制御器は、全ての振幅位相調整器からの信号が空間において同相合成されるように、第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御する
    マルチキャリア送信システム。
  2. 請求項1に記載のマルチキャリア送信システムであって、
    第n振幅位相調整器からの信号の一部を取り出す第n結合器と、
    第n位相調整器からの信号に第n結合器からの信号を乗算する第n2乗算器と、
    第n1アンテナに替えて、第n結合器からの信号を送信する第n2アンテナと
    を含み、
    振幅位相制御器は、第n2乗算器からの信号に基づいて第n結合器からの信号の位相または振幅の少なくともいずれかの変動を検出し、この変動をキャンセルし且つ全ての振幅位相調整器からの信号が空間において同相合成されるように、第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御することを特徴とする
    マルチキャリア送信システム。
  3. Nを予め定められた2以上の整数とし、nは1≦n≦Nを満たす各整数を表すとして、
    サブキャリア周波数がfnで帯域幅がbnである第nサブキャリア信号を発生させる発振器と、
    第nサブキャリア信号の位相が残余のサブキャリア信号の位相に対して一致する方向へ第nサブキャリア信号の位相を調整する第n位相調整器と、
    1個の変調信号をN個の変調信号B1,…,BNに分割する変調信号生成器と、
    n番目の変調信号Bnの歪を補償する第n歪補償器と、
    第n位相調整器からの信号に第n歪補償器からの信号を乗算する第n1乗算器と、
    第n1乗算器からの信号を増幅する第n増幅器と、
    第n増幅器からの信号のうち、通過帯域中心周波数がn番目のキャリア信号と等しく、帯域幅がbnの周波数帯域を通過させる第nフィルタと、
    第nフィルタからの信号の振幅と位相を調整する第n振幅位相調整器と、
    第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御する振幅位相制御器と、
    第n振幅位相調整器からの信号の一部を取り出す第n結合器と、
    第n結合器からの信号を送信する第n2アンテナと、
    第n位相調整器からの信号に第n結合器からの信号を乗算する第n2乗算器と、
    第n2乗算器からの信号に基づいてn番目の変調信号Bnに対する歪補償係数を決定する第n歪補償係数演算器と
    を含み、
    振幅位相制御器は、全ての振幅位相調整器からの信号が空間において同相合成されるように、第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御し、
    第n歪補償係数演算器は、第n結合器の出力の歪が最小となるように歪補償係数を決定する
    マルチキャリア送信システム。
  4. 請求項1から請求項3のいずれかに記載のマルチキャリア送信システムであって、
    振幅位相制御器は、N個のサブキャリア信号全体の中心周波数での指向性が所望の方向で最大となるように第n振幅位相調整器の振幅と位相の各調整量を制御することを特徴とする
    マルチキャリア送信システム。
  5. 請求項1から請求項4のいずれかに記載のマルチキャリア送信システムであって、
    第n位相調整器は、第nサブキャリア信号の位相を残余のサブキャリア信号の位相と一致するように調整することを特徴とする
    マルチキャリア送信システム。
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