JP6444422B2 - トランスミッタ及び伝送の方法 - Google Patents

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Description

本願は、概して無線周波数(RF)電力増幅器に関し、特に、トランスミッタ、及び伝送の方法に関連する。
無線周波数(RF)トランスミッタには、高ピーク対平均比(PAR)で非効率的に動作するものがある。高PARでは、RF出力は、ほとんどの時間、比較的低いが、時折ピークレベルまで上昇する。典型的なRFパワーアンプは、高電力又は低PARで最も効率的に動作する。電力レベルが低減されるにつれて、効率は急激に低下し、平均効率は高PARでは最大限には達しない。
記載される例において、少なくとも一つのトーンが生成される。入力信号及び少なくとも一つのトーンに応答して出力信号が生成される。出力信号は変調される。入力信号及び少なくとも一つのトーンは、変調された出力信号で表される。少なくとも一つのトーンは、変調された出力信号で表されるように、入力信号の帯域幅外である。変調された出力信号は増幅される。増幅後、増幅された信号における少なくとも一つのトーンが減衰される。
トランスミッタの一実施例のブロック図である。
図1の変調器からの出力信号の例示のグラフである。
トランスミッタの別の実施例のブロック図である。
図3のプロセッサのオペレーションのフローチャートである。
本明細書に開示するトランスミッタ及び方法は、電力増幅器のPARを低減するために、入力信号の変調された帯域幅の外のトーン(側波帯など)を導入する。幾つかの実施例において、こういったトーンは、伝送前にフィルタリングによって取り除かれる。トーンを導入することにより、伝送される平均電力の、消費される平均電力に対する比が増大され、これはトランスミッタの効率を増大させる。
図1は、トランスミッタ100の一実施例のブロック図である。トランスミッタ100は、入力(ベースバンドなど)信号104を受信する加算器102を含む。加算器102は、シグマ−デルタ変調器(「SDM」)106の一部である。SDM106は、サンプリング周波数Fsで動作する。また、SDM106は、トーン生成器114に結合される加算器110を含む。第1の実施例において、SDM106及びトーン生成器114は互いに別個である。第2の実施例において、SDM106及びトーン生成器114は互いに一体である。SDM106は、入力信号104に応答してその出力信号を生成し、トーン生成器114は少なくとも一つのトーンを生成する。
SDM106は、伝送変調器120(RF変調器など)に結合され(例えば、接続され)、伝送変調器120は、SDM106からの出力信号を伝送のための信号に変調する(又はその他の方式で変換する)。幾つかの実施例において、変調器120は、このような変調を実施するために周波数Fsより高い周波数Fcでキャリアを生成する。
変調器120からの変調された出力信号は、パワーアンプ122により受信される。増幅器122の一例には、D級及びE級増幅器などのスイッチング電力増幅器が含まれる。増幅器122の別の例には、A級、B級、及びA級/B増幅器などの線形増幅器が含まれる。増幅器122は、トーン生成器114からのトーンを含む、変調器120からの変調された出力信号を増幅する。増幅された信号は、増幅器122からフィルタ124に出力される。幾つかの実施例において、フィルタ124は従来のアンテナに組み込まれる。フィルタ124は、トーン生成器114からの(増幅された信号における)トーンを減衰する。
第1の例において、入力信号104はオーディオ信号である。第2の例において、入力信号104は複素信号の成分である。一例において、入力信号104は直交信号のI成分である。SDM106は、加算器102からの出力信号を受信及びフィルタリングするループフィルタH(z)を含む。フィルタH(z)からの出力信号が加算器110により受信され、加算器110は、このような出力信号をトーン生成器114からのトーンに付加する。加算器110からの出力信号が、量子化器126により受信及び量子化される。加算器102は、量子化器126からの量子化された出力信号(これは、SDM106からの出力信号である)を受信し、このような量子化された出力信号を入力信号104から減算する。一実施例において、たとえ、加算器102、フィルタH(z)、加算器110、及び量子化器126からのそれぞれの信号が異なる信号として言及される場合でも、SDM106は、一つの工程でトーンを付加してその出力信号を生成する。
図2は、変調器120からの変調された出力信号の例示のグラフである。図2に示すように、変調器120は、周波数Fcで変調するためキャリア150を生成する。入力信号104及びトーン生成器114からのトーンは、変調器120からの変調された出力信号で表される。例えば、図2の変調された出力信号で表されるように、第1及び第2のトーン152及び154(トーン生成器114からなど)の周波数は、(a)入力信号104の帯域幅156(「変調された帯域幅」)の外であり、(b)増幅器122の周波数範囲内であり、そのため、それらのトーンは増幅器122により増幅される。例えば、第1のトーン152は周波数Fcを下回る周波数に位置し、第2のトーン154は周波数Fcを上回る周波数に位置する。幾つかの実施例において、トーン152及び154は、周波数Fc辺りで実質的に対称的であり、そのため、それらは周波数Fcからほぼ同じ距離にある。
本明細書に記載の実施例において、変調器120は、SDM106からの出力信号を変調するためにLINC変調又はAMOオペレーションを実施する。従って、変調器120の例には、LINC/AMO(非線形要素/非対称的マルチレベルアウトフェージングを用いる線形変調)アウトフェージングデジタル変調器及びRFアップコンバータが含まれる。他の実施例において、変調器120は従来の直交変調器を含む。
変調器120が、SDM106からの出力信号をキャリア周波数Fcで変調した後、変調器120からの変調された出力信号は、増幅器122により増幅される。トランスミッタ100は、(a)増幅器122の平均動作電力が、トーン152及び154がない場合より大きく、及び(b)ピーク対平均比(PAR)が一層低くなるように、トーン152及び154を増幅器122の周波数範囲内に保つ。そのようにして、増幅器122は、一層高い平均電力で動作し、そのため、一層効率的に動作する。
図1の実施例において、フィルタ124は、変調された帯域幅内の信号を通過させるバンドパスフィルタであり、トーン152及び154を減衰させる。幾つかの実施例において、フィルタ124は、アンテナの負荷に組み込まれ、また、アンテナのインピーダンスを他の回路に整合させるために、レジスタ及びインダクタなどの負荷構成要素を含む。そのような実施例において、アンテナの負荷が、トーン152及び154を更に減衰させる。その結果、増幅器122は、トーン152及び154を増幅することにより一層高効率で動作するが、トーン152及び154は減衰されるためそれらは伝送されない。
第1の実施例において、トーン生成器114は矩形波を生成し、これは、単一トーン152及び154を生成する。第2の実施例において、トーン生成器114は、三角波又は正弦波などの他の波形を生成する。幾つかの実施例において、トーン生成器114からのトーンの波形は、周期的であり、ディザリングを生成する。このような種々の波形は、種々の設計選択肢に対応するために適切な、異なるトーン又は高調波を生成することが可能である。
幾つかの実施例において、トーン生成器114は入力信号104に応答してトーンを生成する。そのような実施例において、入力信号104は、加算器110による加算のため側波帯周波数に混合される。一例において、それらのトーンは、そうでなければトーン生成器114によって生成され得るトーンよりも広い帯域幅を有する。そのような実施例の一つのバージョンにおいて、フィルタ124は、トーン生成器114からの(増幅された信号における)トーンを減衰する狭帯域通過フィルタである。幾つかの実施例において、トランスミッタ100は、このような減衰を実施するために付加的なフィルタを含む。
図3は、トランスミッタ200の別の実施例のブロック図である。トランスミッタ200は、トランスミッタ200が、I及びQ成分などの複素信号の2つの成分を処理することを除き、トランスミッタ100と同様の方式で動作する。トランスミッタ200は入力段202を有し、入力段202は複素信号を受信する。この例では、入力段202は、(a)複素信号のI成分を表す第1の信号204と、(b)複素信号のQ成分を表す第2の信号206とを受信する。第1の信号204は、トランスミッタ200の第1の部分(「Iプロセッサ」)210により受信され、Iプロセッサ210は複素信号のI成分を処理する。第2の信号206は、トランスミッタ200の第2の部分(「Qプロセッサ」)212により受信され、Qプロセッサ212は複素信号のQ成分を処理する。
Iプロセッサ210を参照すると、第1の信号204はサンプリング回路214により受信され、サンプリング回路214は第1の信号204をサンプリングする。幾つかの実施例において、サンプリング回路214は、パルス符号化又は量子化された信号を生成及び出力し、この信号はI成分を表す。
サンプリング回路214からの出力信号は、SDM216により受信される。幾つかの実施例において、SDM216は、ナイキストサンプリングレートより大きいサンプリングレートを有するオーバーサンプリング変調器と称される。幾つかの実施例において、サンプリングレートは、ナイキストサンプリングレートより大きい多くの因子である。従って、高周波数非線形性は典型的に、変調された帯域幅の外にある。トーン生成器220が、本明細書に上述したトーンを生成する。SDM216はループフィルタ222を含み、ループフィルタ222は、加算器223からの出力信号を受信及びフィルタリングする。フィルタ222からの出力信号が加算器224により受信され、加算器224はこのような出力信号をトーン生成器220からのトーンに付加する。加算器224からの出力信号が、量子化器226により受信及び量子化される。加算器223は、量子化器226からの量子化された出力信号(これは、SDM216からの出力信号である)を受信し、このような量子化された出力信号を、SDM216が回路214から受信する信号から減算する。
Qプロセッサ212は、Qプロセッサ212が(第1の信号204の代わりに)第2の信号206に応答して動作することを除き、Iプロセッサ210と同じタイプの成分を有し、同じタイプのオペレーションを実施する。従って、Qプロセッサ212は、サンプリング回路230及びSDM232を含む。図3の実施例において、SDM216からの出力信号は、サンプリングされ、フィルタリングされ、量子化された第1の信号204のI成分(「I信号」)であり、トーン生成器220からのトーンが付加されている。同様に、SDM232からの出力信号は、サンプリングされ、フィルタリングされ、量子化された第2の信号206のQ成分(「Q信号」)であり、SDM232に結合されるトーン生成器からのトーンが付加されている。一実施例において、SDM232は、SDM216と実質的に同じであり、トーン生成器は互いに実質的に同じである。
I及びQ信号は、伝送変調器238により受信される。幾つかの実施例において、変調器238は、図1の変調器120に実質的に類似する。従って、変調器238の例は、LINC(linear using non-linear components:非線形要素を用いる線形)及びAMO(asymmetrical multi-level out-phasing:非対称マルチレベルアウトフェージング)変調器を含む。
変調器238は、SDM216及び232に結合される信号成分セパレータ240を含む。図3の実施例において、セパレータ240は、(それぞれ、SDM216及び232からの)I及びQ信号を、I及びQ信号のS1及びS2位相を表す2つの位相信号(即ち、S1及びS2)に変換する。従って、セパレータ240は、S1位相を表す電圧としてS1位相信号を、及びS2位相を表す電圧としてS2位相信号を生成する。
S1位相信号は、第1の位相変調器242により受信及び変調される。同様に、S2位相信号は、第2の位相変調器244により受信及び変調される。従って、位相変調器242及び244は、それらの位相変調された信号を生成及び出力し、これらの信号はトーンを含む。例示の実施例において、SDM216及び232により出力された信号は量子化され、そのため、S1及びS2位相信号は、所定の数の位相に量子化される。
第1の位相変調器242からの変調された出力信号は第1の増幅器246により受信され、第2の位相変調器244からの変調された出力信号は第2の増幅器248により受信される。幾つかの実施例において、増幅器246及び248は、電力増幅器であり、それらの信号を無線周波数(RF)伝送のための電力レベルまで増幅する。変調器238からの変調された出力信号で表されるように、トーン生成器から(トーン生成器220からなど)のトーンの周波数は、(a)信号204及び206の変調された帯域幅の外であり、(b)増幅器246及び248の周波数範囲内にある。従って、増幅器246及び248の平均動作電力は、増幅されたトーンがない場合より大きくなり得、そのため、ピーク対平均比(PAR)が一層低い。例えば、伝送される平均電力の、消費される平均電力に対する比が増大する。このようにして、増幅器246及び248は一層高い平均電力で動作し、そのため、それらは一層効率的に動作する。
増幅器246及び248からの増幅された信号は、それらの増幅された信号を結合する電力コンバイナ250により受信される。幾つかの実施例において、電力コンバイナ250は、トーンをそれらが伝送されないように減衰させるためのバンドパスフィルタなどのフィルタを含む。電力コンバイナ250は、結合された信号を、負荷Rとマッチングされたアンテナ(図示せず)に出力する。負荷Rは、アンテナ又はその他の伝送デバイスのためのインピーダンスマッチングを提供する。幾つかの実施例において、負荷Rは(他のインピーダンスマッチングデバイスと共に)付加的なフィルタリングを提供する。
図4は、プロセッサ210及び212の一つを表すIプロセッサ210のオペレーションのフローチャート300である。工程302で、入力信号の第1の成分が受信される。工程304で、第1の成分を変調すること及びそこに少なくとも一つのトーンを付加することによって、第1の信号が生成される。工程306で、第1の信号を変調することによって第2の信号が生成される。工程308で、第2の信号は、増幅器により増幅され、この少なくとも一つのトーンが増幅器の平均電力を増大させる。工程310で、増幅の後、この少なくとも一つのトーンは、増幅された第2の信号からフィルタリングされる。
図1及び図2を参照し、パワーアンプ122においてトーン152及び154上で浪費されたエネルギーは、電力増幅器においてキャリア150を伝送する際に節約されたエネルギーに比べて無視し得ることが分かっている。幾つかの実施例において、伝送された総電力の1%未満がトーン152及び154上で浪費される。しかし、トーン152及び154は、パワーアンプ122が主に一層効率的な動作ポイントに対応する一層大きい振幅値で動作するように、全体的な信号分布を再整形する。幾つかの実施例において、パワーアンプ122の平均効率は、トーン152及び154を付加することにより10%から50%まで増大される。例えば、節約された電力が、平均電力の0.9倍マイナス平均電力の0.5倍に等しい場合、節約された電力は平均電力の0.4倍に等しい。トーン152及び154を生成するために用いられる余分電力が平均電力の1パーセントに等しい場合、余分電力は平均電力の0.01倍に等しい。従って、節約された総電力は平均電力の0.39倍に等しい。
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得、多くの他の実施例が可能である。

Claims (24)

  1. トランスミッタであって、
    少なくともつの第1のトーンを生成する第1のトーン生成器
    少なくとも1つの第2のトーンを生成する第2のトーン生成器と、
    複素信号の第1の成分と前記少なくともつの第1のトーンに応答して第1の出力信号を生成する第1のシグマ−デルタ変調器
    前記複素信号の第2の成分と前記少なくとも1つの第2のトーンとに応答して第2の出力信号を生成する第2のシグマ−デルタ変調器と、
    前記第1及び第2の出力信号を変調する伝送変調器であって、前記第1の成分と前記少なくともつの第1のトーンが、変調された第1の出力信号で表され、前記少なくともつの第1のトーンが、前記変調された第1の出力信号で表されるように前記第1の成分の帯域幅の外であ前記第2の成分と前記少なくとも1つの第2のトーンとが、変調された第2の出力信号で表され、前記少なくとも1つの第2のトーンが、前記変調された第2の出力信号で表されるように前記第2の成分の帯域幅の外であり、前記伝送変調器が、前記第1及び第2の出力信号をそれらの第1及び第2の位相を表す第1及び第2の位相信号に変換するためのセパレータを含む、前記伝送変調器
    前記変調された第1及び第2の出力信号を増幅する増幅器
    前記増幅の後前記増幅された信号における前記トーンを減衰させるため前記増幅器に結合されるフィルタ
    を含む、トランスミッタ。
  2. 請求項1に記載のトランスミッタであって、
    前記第1の出力信号を生成することが前記第1の成分のシグマ−デルタ変調を含み、前記第2の出力信号を生成することが前記第2の成分のシグマ−デルタ変調を含む、トランスミッタ。
  3. 請求項に記載のトランスミッタであって、
    前記伝送変調器が、前記第1の位相信号を変調する第1の位相変調器と、前記第2の位相信号を変調する第2の位相変調器とを含む、トランスミッタ。
  4. 請求項に記載のトランスミッタであって、
    前記増幅器が、前記変調された第1の位相信号を増幅する第1の増幅器と、前記変調された第2の位相信号を増幅する第2の増幅器とを含、トランスミッタ。
  5. 請求項1に記載のトランスミッタであって、
    前記第1のシグマ−デルタ変調器が、第1の周波数で前記第1の成分を受信するためであり、前記伝送変調器が、前記第1の周波数より高い第2の周波数で前記第1の出力信号を変調するためである、トランスミッタ。
  6. 請求項1に記載のトランスミッタであって、
    前記少なくともつの第1のトーンが、前記第1の成分の帯域幅を下回る低トーンと、前記第1の成分の帯域幅を上回る高トーンとを含む、トランスミッタ。
  7. 請求項に記載のトランスミッタであって、
    前記変調されたトーンが前記増幅器の周波数範囲内にある、トランスミッタ。
  8. 請求項1に記載のトランスミッタであって、
    前記トーンが前記増幅器の平均動作電力を増大させるためである、トランスミッタ。
  9. 方法であって、
    少なくともつの第1のトーンを生成すること
    少なくとも1つの第2のトーンを生成することと、
    複素信号の第1の成分と前記少なくともつの第1のトーンに応答して第1の出力信号を生成すること
    前記複素信号の第2の成分と前記少なくとも1つの第2のトーンとに応答して第2の出力信号を生成することと、
    前記第1及び第2の出力信号を変調することであって、前記第1の成分と前記少なくともつの第1のトーンが、前記変調された第1の出力信号で表され、前記少なくともつの第1のトーンが、前記変調された第1の出力信号で表されるように前記第1の成分の帯域幅外であり、前記第2の成分と前記少なくとも1つの第2のトーンとが、前記変調された第2の出力信号で表され、前記少なくとも1つの第2のトーンが、前記変調された第2の出力信号で表されるように前記第2の成分の帯域幅外であり、前記第1及び第2の出力信号を変調することが、それらをそれらの第1及び第2の位相を表す第1及び第2の位相信号に変換することを含む、前記変調すること
    前記変調された第1及び第2の出力信号を増幅すること
    前記増幅の後前記増幅された信号における前記トーンを減衰させること
    を含む、方法。
  10. 請求項に記載の方法であって、
    前記第1の出力信号を生成することが前記第1の成分のシグマ−デルタ変調を含み、前記第2の出力信号を生成することが前記第2の成分のシグマ−デルタ変調を含む、方法。
  11. 請求項に記載の方法であって、
    前記第1及び第2の出力信号を変調することが、前記第1の位相信号を第1の位相変調器で変調すること、前記第2の位相信号を第2の位相変調器で変調することを含む、方法。
  12. 請求項11に記載の方法であって、
    前記変調された第1及び第2の出力信号を増幅することが、前記変調された第1の位相信号を第1の増幅器で増幅すること、前記変調された第2の位相信号を第2の増幅器で増幅することとを含む、方法。
  13. 請求項に記載の方法であって、
    前記第1の出力信号を生成することが第1の周波数で前記第1の成分を受信することを含み、前記第1の出力信号を変調することが前記第1の周波数より高い第2の周波数で前記第1の出力信号を変調することを含む、方法。
  14. 請求項に記載の方法であって、
    前記少なくともつの第1のトーンが、前記第1の成分の帯域幅を下回る低トーンと、前記第1の成分の帯域幅を上回る高トーンとを含む、方法。
  15. 請求項14に記載の方法であって、
    前記変調された第1及び第2の位相信号を増幅することが、前記変調された第1及び第2の位相信号を増幅器で増幅することを含み、前記変調されたトーンが前記増幅器の周波数範囲内にある、方法。
  16. 請求項に記載の方法であって、
    前記変調された第1及び第2の位相信号を増幅することが、前記変調された第1及び第2の位相信号を増幅器で増幅することを含み、前記トーンが前記増幅器の平均動作電力を増大させるためである、方法。
  17. トランスミッタであって、
    少なくともつの第1のトーンと少なくともつの第2のトーンとを生成するためのトーン生成器
    複素信号の第1の成分と前記少なくともつの第1のトーンとに応答して第1の出力信号を生成するための第1のシグマ−デルタ変調器
    前記複素信号の第2の成分と前記少なくともつの第2のトーンとに応答して第2の出力信号を生成するための第2のシグマ−デルタ変調器
    前記第1及び第2の出力信号を変調するための位相変調器であって、前記第1の成分前記少なくともつの第1のトーンが、前記変調された第1の出力信号で表され、前記少なくともつの第1のトーンが、前記変調された第1の出力信号で表されるように前記第1の成分の帯域幅外であり、前記第2の成分前記少なくともつの第2のトーンが、前記変調された第2の出力信号で表され、前記少なくともつの第2のトーンが、前記変調された第2の出力信号で表されるように前記第2の成分の帯域幅の外であ前記位相変調器が、前記第1及び第2の出力信号をそれらの第1及び第2の位相を表す第1及び第2の位相信号に変換するためセパレータを含む、前記位相変調器
    前記変調された第1及び第2の出力信号を増幅するための増幅器
    前記増幅の後、前記増幅された信号における前記トーンを減衰させるため前記増幅器に結合されるフィルタ
    を含む、トランスミッタ。
  18. 請求項17に記載のトランスミッタであって、
    前記位相変調器が、前記第1の位相信号を変調するための第1の位相変調器と、前記第2の位相信号を変調するための第2の位相変調器とを含む、トランスミッタ。
  19. 請求項17に記載のトランスミッタであって、
    前記第1及び第2のシグマ−デルタ変調器が、第1の周波数で前記第1及び第2の成分を受信するためであり、前記位相変調器が、前記第1の周波数より高い第2の周波数で前記第1及び第2の出力信号を変調するためである、トランスミッタ。
  20. 請求項17に記載のトランスミッタであって、
    前記少なくともつの第1のトーンが、前記第1の成分の前記帯域幅を下回る低トーンと、前記第1の成分の前記帯域幅を上回る高トーンとを含む、トランスミッタ。
  21. 請求項17に記載のトランスミッタであって、
    前記変調されたトーンが前記増幅器の周波数範囲内にある、トランスミッタ。
  22. 請求項17に記載のトランスミッタであって、
    前記トーンが前記増幅器の平均動作電力を増大させるためである、トランスミッタ。
  23. 請求項17に記載のトランスミッタであって、
    前記トーン生成器が、前記少なくとも1つの第1のトーンを生成するための第1のトーン生成器と、前記少なくともつの第2のトーンを生成するための第2のトーン生成器とを含む、トランスミッタ。
  24. 請求項17に記載のトランスミッタであって、
    前記増幅器が、前記変調された第1の出力信号を増幅するための第1の増幅器と、前記変調された第2の出力信号を増幅するための第2の増幅器とを含む、トランスミッタ。
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