JPH0998038A - 線形化電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡素な構成で小型化、低コスト化に貢献する
線形化電力増幅装置を提供する。 【解決手段】 発振器（１）から発生した搬送波信号は
直交変調器（２）に入力される。直交変調器（２）には
Ｉ，Ｑベースバンド信号が入力される。この変調器
（２）の変調波はゲイン可変増幅器（５）を介して飽和
特性をもった電力増幅器（６）に入力される。電力増幅
器（６）の出力は信号分配器（７）に入力され、出力端
子（ＯＵＴ）から線形化された変調波が出力される。信
号分配器（７）の結合出力は検波器（９）を経て包絡線
信号（Ｓ２）として取り出され、比較器（１０）のー方
の入力端子に供給される。ベースバンド信号生成部（１
１）は、ベースバンド信号から基準包絡線信号（Ｓ２）
を生成して、比較器（１０）の他方の入力端子に出力す
る。比較器（１０）での比較結果（ΔＳ）は、ゲイン可
変増幅器（５）のゲイン可変端子に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、携帯無線機器等
に使用される包絡線帰還型の線形化電力増幅装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、セルラ方式の自動車電話等におい
ても、ディジタル化が進んでいる。このようなディジタ
ルセルラ電話システムにおいては、限られた周波数を有
効に利用するという観点から、狭帯域線形変調の無線方
式が採用されている。例えば、北米や日本で採用されて
いるディジタルセルラ電話システムは、λ／４シフトＤ
ＱＰＳΚ(Differentially Encoded Quadrature Phase S
hift Keying)変調方式となっている。この種の線形変調
においては、送信される変調波はその位相成分のみなら
ず振幅成分にも情報を含んでいる。従って、位相成分と
ともに振幅成分をも忠実に再現できる線形電力増幅装置
が必須の技術となるのである。

【０００３】図２は、λ／４シフトＤＱＰＳＫ変調方式
による変調波の包絡線が変動する状態を示す図である。
ここでは、変調波の包絡線信号は、例えばシンボル時間
間隔Ｔで約２０ｄＢ以上に渡って瞬時変動しており、平
均値に対して約３ｄＢのピークファクタを持っている。
尚、ディジタルセルラでは、送信信号の多重化の方法と
してＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）方式が採用されて
おり、同じく北米方式では図３に示すように１／３時間
だけバースト的に送信することで多重化が図られてい
る。

【０００４】このような線形変調波を、非線形の、例え
ば飽和特性を有するアンプを通過させると、その振幅成
分が消失するとともに、図４に示すように、スペクトラ
ムの拡がりが発生する。この送信電力スペクトラムの拡
がりは、隣接して使用されるチャンネルに対する妨害を
防止するため厳しく制限されており、この隣接チャンネ
ルへの漏洩電力レベルはできるだけ低く押さえる必要が
ある。

【０００５】一方、一般に無線装置の最終段の電力増幅
装置は、線形性が良いだけでなくて、無線周波数への電
力変換効率（以下、効率と略記する。）も良くなければ
ならない。無線機における大部分の消費電力は、この電
力増幅装置で消費され、この電力増幅装置の効率が無線
機の使用可能時間を左右することになるからである。本
来、効率と線形性は電力増幅装置にとっては相反する要
請なのであるが、近年このような要請を満たす、以下の
ような包絡線帰還型の線形化電力増幅装置の技術が開発
されつつある。

【０００６】図５は、従来の包絡線帰還型の線形化電力
増幅装置の構成を示すブロック図である。これは、図６
に示すような入力出力特性を持つ飽和した電力増幅器の
非線形性を改善する方法の１つである。すなわち、飽和
型の増幅器は一般に効率が良く、この効率の良い増幅器
を、以下に説明する線形化作用により理想特性に近づけ
ることにより、効率と線形性とを両立させようという技
術思想に基づくものである。

【０００７】以下、図５に基づいて、まず電力増幅装置
の構成について説明する。発振器１により発生した搬送
波信号は変調器、例えば直交変調器２に入力される。直
交変調器２には変調ベースバンド信号も入力される。変
調器に直交変調器２を用いた場合には、Ｉ, Ｑ信号が入
力される。この変調器出力、即ち変調波はドライバ増幅
器３で所定のレベルまで増幅され、その後、第１の信号
分配器４を経てゲイン可変増幅器５に入力され、さらに
飽和特性をもった電力増幅器（ＰＡ）６に入力される。
電力増幅器６の出力は第２の信号分配器７に入力され、
線形化された変調波が出力端子ＯＵＴに出力される。こ
こで、２つの信号分配器４、７の結合出力は、それぞれ
第１の検波器８と第２の検波器９を経て包絡線信号Ｓ
１、Ｓ２として取り出され、比較器１０の２つの入力端
子に入力される。比較器１０の出力はゲイン可変増幅器
５のゲイン可変端子に入力される。

【０００８】つぎに、この電力増幅装置の動作を説明す
る。この場合、直交変調器２から出力された変調波信号
は、先に説明したように瞬時振幅変動を有しており、こ
の振幅成分を忠実に増幅することが必要である。また上
記電力増幅器６は、図６のような非線形特性を持ってい
る飽和型アンプとする。

【０００９】第１の検波器８と第２の検波器９は、それ
ぞれ前述の変調波の振幅成分である包絡線信号を生成す
る。すなわち、第１の検波器８からは電力増幅器６によ
る振幅歪みが発生していない変調波の包絡線信号Ｓ１が
出力され、第２の検波器９からは、電力増幅器６によっ
て振幅歪みを受けた後の変調波の包絡線信号Ｓ２が出力
される。なお、ドライバ増幅器３は、第１の検波器８に
包絡線信号Ｓ１を出力するのに十分な電力レベルを得る
ために設置されている。また、電力増幅器６がその飽和
特性のために、包絡線信号Ｓ２は、例えばピーク成分が
詰まった信号波形（図４（ｂ）参照）となっている。

【００１０】この図５に示す従来のシステムでは、２つ
の包絡線信号Ｓ１とＳ２とを比較器１０で比較して、誤
差信号を出力するとともに、誤差信号をゲイン可変増幅
器５に帰還することにより、飽和型増幅器における歪み
成分を補償するように動作する。すなわち、包絡線信号
Ｓ１は図６の実線にて示す理想信号となっていても、包
絡線信号Ｓ２は図６の破線のような非線形性に基づく歪
み成分を有する。そこで、比較器１０に包絡線信号Ｓ１
を刻々と時間変化する基準信号として入力することによ
って、この基準信号Ｓ１に基づいて包絡線信号Ｓ２のフ
ィードバックループにおける線形化作用が実現される。
電力増幅器６の飽和特性によって、例えば包絡線信号Ｓ
２が目標信号レベル（Ｓ１）より小さくなった場合に
は、比較器１０の出力がゲイン可変増幅器５のゲインを
増加させ、電力増幅器６の出力を増加させて、包絡線信
号Ｓ２の信号レベルを大きくする。その結果として、電
力増幅器６の非線形特性が改善されて、線形化が行なわ
れる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ここでは上記包絡線信
号Ｓ２のフィードバックループが、変調波信号の振幅変
動帯域にて十分なループ利得を有していれば、変調波信
号の瞬時変動に追従した線形化が確実に実行される。し
かし、上記電力増幅装置の構成ではその回路が複雑、か
つ大規模になり、携帯電話機等に適用するうえで、回路
のコンパクトさ、及び製造コストの点で問題があった。

【００１２】具体的には、第１に図５に示した従来装置
は、必要な基本機能のみ記してあって、実際には更にフ
ィードバックループの特性を最適化するために、信号レ
ベルを合わせる回路が必要になる。第２の問題は、検波
器８によって振幅歪みの少ない包絡線信号Ｓ１を得るた
めには、信号分配器４でかなり高い信号レベル（例え
ば、＋１０ｄＢｍ）を確保する必要があり、送信系全体
の電力レベルを設定するレベルダイヤに無駄が生じる。
例えば、一旦信号分配器４の入力側で＋１０ｄＢｍのレ
ベルまで増幅した信号レベルを後段回路でのレベルダイ
ヤに適合させるためには、再び大幅に減衰させなければ
ならないという無駄が生じる。

【００１３】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、簡素な構成で小型化、低コスト
化に貢献する線形化電力増幅装置を提供することを目的
としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る線形化電
力増幅装置は、互いに直交するベースバンド信号によっ
て生成される時間変動する包絡線成分を含む変調信号
を、所定の電力レベルまで線形増幅する包絡線帰還型の
線形化電力増幅装置において、ゲイン可変機能を有する
電力増幅手段と、前記電力増幅手段の出力を検波して包
絡線信号を出力する検波手段と、前記ベースバンド信号
から基準包絡線信号を生成する信号生成手段と、前記検
波手段から出力される包絡線信号と前記基準包絡線信号
とを比較することによって前記電力増幅手段で生じる前
記変調信号の振幅歪みに応じた誤差信号を出力する比較
手段とを備えている。

【００１５】したがって、前記誤差信号に基づいて前記
電力増幅手段のゲイン設定を行ない、前記振幅歪みを補
償することができる。

【００１６】請求項２の線形化電力増幅装置は、前記信
号生成手段が、前記ベースバンド信号を演算処理するこ
とによって前記基準包絡線信号を生成するものである。

【００１７】請求項３の線形化電力増幅装置は、前記検
波手段から出力される包絡線信号及び前記基準包絡線信
号を対数変換して前記比較手段に出力する対数変換手段
を備えている。

【００１８】請求項４の線形化電力増幅装置は、前記基
準包絡線信号の生成、及びその対数変換を演算処理によ
って実行するものである。

【００１９】請求項５の線形化電力増幅装置は、前記信
号生成手段をディジタルシグナルプロセッサによって構
成した。したがって、前記請求項２または請求項４にお
ける演算処理をディジタルで実行することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して、
この発明の実施の形態を説明する。

【００２１】実施の形態１ 図１には、この発明の第１の実施の形態である線形化電
力増幅装置のブロック図を示す。ここでは、従来方式と
同じ機能部分は同じ符号を付して、重複する説明を省略
している。以下、図１の装置の構成について説明する。

【００２２】発振器１から発生した搬送波信号は直交変
調器２に入力される。直交変調器２にはＩ，Ｑベースバ
ンド信号が入力される。この変調器２の出力、即ち変調
波はゲイン可変増幅器５を介して飽和特性をもった電力
増幅器６に入力される。電力増幅器６の出力は信号分配
器７に入力され、出力端子ＯＵＴから線形化された変調
波が出力される。信号分配器７の結合出力は検波器９を
経て第２の包絡線信号Ｓ２として取り出され、比較器１
０のー方の入力端子に供給される。比較器１０での比較
結果ΔＳは、ゲイン可変増幅器５のゲイン可変端子に供
給される。

【００２３】次に、本発明の特徴であるベースバンド信
号生成部１１につき説明する。

【００２４】ベースバンド信号生成部１１は、ＡＤ変換
器１１ａ、ＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッシン
グ）の演算処理部１１ｂと、３組のＤＡ変換器１１ｃ、
１１ｅ、１１ｇ及び低域フィルタ（ＬＰＦ）１１ｄ、１
１ｆ、１１ｈとからなり、これらはＣＰＵ部１１ｉによ
り制御されている。ベースバンド信号生成部１１は、外
部からの音声信号やその他のアナログデータ信号が入力
されて、適切な符号化演算処理が施された後、変調のた
めにＩ，Ｑ信号が生成される。Ｉ，Ｑ信号は、ＤＡ変換
器１１ｃ、１１ｅでそれぞれアナログ信号に変換され、
変換ノイズがＬＰＦ１１ｄ、１１ｆによって除去された
後、直交変調器２に入力される。本発明ではさらに、こ
のベースバンド信号生成部１１に包絡線信号発生用のＤ
Ａ変換器１１ｇとＬＰＦ１１ｈをも備えていることに特
徴がある。ここから得られた包絡線信号Ｓ１は、比較器
１０のもうひとつの入力端子に供給される。比較器１０
の出力信号ΔＳはゲイン可変増幅器５のゲイン可変端子
に入力される。

【００２５】次に、図１の装置の動作について説明す
る。本発明においては、線形化の際に基準信号とされる
基準包絡線信号Ｓ１を、ベースバンド信号生成部１１に
おけるディジタル演算により生成していることに特徴が
ある。すなわち、ベースバンド信号生成部１１ではＤＳ
Ｐ演算処理部１１ｂの演算処理によりＩ，Ｑ信号を生成
するとともに、このＩ，Ｑ信号を演算処理することによ
って基準包絡線信号Ｓ１を生成し、ＤＡ変換器１１ｇか
ら出力する。したがって、基準包絡線信号Ｓ１を生成す
るために、信号取出し手段や、検波器なしに十分なレベ
ルで非常に正確な包絡線信号が簡単に得られる。また、
ＤＳＰ演算処理部１１ｂでの演算処理により基準包絡線
信号Ｓ１を得ることができるので、従来方式のものと違
って、送信信号系のレベルダイヤは単純で無駄のない設
計が可能となる。

【００２６】このようにして電力増幅器６で増幅された
変調波の包絡線成分である信号Ｓ２は、従来例と同じよ
うに、比較器１０において前述のベースバンド信号生成
部１１から得られた基準包絡線信号Ｓ１と比較され、誤
差信号ΔＳとしてゲイン可変増幅器５に帰還され、電力
増幅によって生じた包絡線信号の振幅歪みを確実に補償
できる。

【００２７】本発明によれば、ベースバンド信号生成部
１１のＤＳＰ演算処理部１１ｂにより基準包絡線信号Ｓ
１を生成することによって、極めて正確な包絡線信号が
得られるとともに、無線機器の送信信号系レベルダイヤ
の構成を単純化して、電力増幅装置の小型化、低消費電
力化が実現できる効果を奏する。

【００２８】実施の形態２ 図７には、さらに別の改善を施した本発明の第２の実施
の形態を示す。第１の実施の形態（図１）との比較にお
いて、この線形化電力増幅装置の改善点を説明する。こ
の装置の構成では、比較器１０の２つの入力端子にそれ
ぞれ第１の対数変換器１２、第２の対数変換器１３を付
加している点に特徴がある。

【００２９】このような構成の電力増幅装置は、２つの
包絡線信号Ｓ１、Ｓ２を比較する際のダイナミックレン
ジを大きくとれるところに特徴がある。すなわち、それ
ぞれ包絡線信号Ｓ１、Ｓ２の対数変換によって、その振
幅変化の大きな信号成分が圧縮されることにより、比較
器１０における線形化動作を精度良く実行できる。

【００３０】このように改善された線形化電力増幅装置
では、従来装置や、更には第１の実施の形態と比較して
も、取り扱い可能な包絡線信号のダイナミックレンジが
格段に大きくとれる。また、比較器（オペアンプ）の入
力信号オフセットや、温度変化による入出力バランスの
変動の影響を受けにくくなる。さらに、２つの対数変換
器１２、１３を単一ＩＣとして構成すれば、変換特性を
揃えることができるので、比較器１０における比較動作
はより正確になる。

【００３１】図８には、ベースバンド信号生成部１１の
機能ブロック構成を示している。Ｉ，Ｑ信号生成部１
４、包絡線信号生成部１５は、いずれもＤＳＰ演算処理
部１１ｂでの演算処理である。ベースバンド信号生成部
１１ではー般に、すべての処理がソフトウエアプログラ
ムに基づいた演算によって実行されるため、実際に図８
のような動作を行なう回路が必ずしも実態的に存在する
必要はなく、ここではそれらの機能を示していることに
注意する。

【００３２】なお、図７において、包絡線信号を一旦、
アナログ信号に変換してから、対数変換しているが、Ｄ
ＳＰ演算処理部１１ｂで対数変換処理を行ってから、Ｄ
Ａ変換を行うように構成できることは言うまでもない。
また、図１、図７において、ゲイン可変増幅器５を無く
して、電力増幅器６に誤差信号ΔＳが帰還される構成と
しても良い。

【００３３】

【発明の効果】この発明は、以上に説明したように構成
されているので、以下に示すような効果を奏する。

【００３４】請求項１の発明によれば、ベースバンド信
号から基準包絡線信号を生成する信号生成手段を設けた
ので、無線機器の送信信号系レベルダイヤの構成を単純
化して、電力増幅装置の小型化、低消費電力化が実現で
きる。

【００３５】請求項２の発明によれば、信号生成手段で
はベースバンド信号を演算処理することによって基準包
絡線信号を生成しているので、極めて正確な包絡線信号
が得られる。

【００３６】請求項３の発明によれば、検波手段から出
力される包絡線信号及び基準包絡線信号を対数変換して
比較手段に出力する対数変換手段を備えたので、取り扱
い可能な包絡線信号のダイナミックレンジを大きくとれ
る。また、比較器（オペアンプ）の入力信号オフセット
や、温度変化による入出力バランスの変動の影響を受け
にくくなる。

【００３７】請求項４の発明によれば、基準包絡線信号
の生成、及びその対数変換を演算処理によって実行する
ようにしたので、送信信号系のレベルダイヤは単純で無
駄のない設計が可能となる。

【００３８】請求項５の発明によれば、信号生成手段を
ディジタルシグナルプロセッサによって構成したので、
演算処理をディジタルで実行して、簡素な構成で小型
化、低コスト化に貢献する線形化電力増幅装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態を示すブロック図であ
る。

【図２】 λ／４シフトＤＱＰＳＫ変調方式における変
調波の包絡線を示す図である。

【図３】 １／３時間だけバースト的に送信している状
態を示す図である。

【図４】 飽和アンプを通過した線形変調波の振幅成分
の消失と、そのスペクトラムの拡がりを示す図である。

【図５】 従来の包絡線帰還型の線形化電力増幅装置を
示すブロック図である。

【図６】 飽和した電力増幅装置の非線形性の改善方法
を示す図である。

【図７】 別の改善を施した実施の形態を示すブロック
図である。

【図８】 図１、又は図７のベースバンド信号生成部の
機能ブロック図である。

【符号の説明】

１ 発振器、２ 直交変調器、３ ドライバ増幅器、４
第１の信号分配器、５ ゲイン可変増幅器、６ 電力
増幅器、７ 第２の信号分配器、８ 第１の検波器、９
第２の検波器、１０ 比較器、１１ ベースバンド信
号生成部、１２第１の対数変換器、１３ 第２の対数変
換器。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに直交するベースバンド信号によっ
   て生成される時間変動する包絡線成分を含む変調信号
   を、所定の電力レベルまで線形増幅する包絡線帰還型の
   線形化電力増幅装置において、 ゲイン可変機能を有する電力増幅手段と、 前記電力増幅手段の出力を検波して包絡線信号を出力す
   る検波手段と、 前記ベースバンド信号から基準包絡線信号を生成する信
   号生成手段と、 前記検波手段から出力される包絡線信号と前記基準包絡
   線信号とを比較することによって前記電力増幅手段で生
   じる前記変調信号の振幅歪みに応じた誤差信号を出力す
   る比較手段とを備え、 前記誤差信号に基づいて前記電力増幅手段のゲイン設定
   を行ない、前記振幅歪みを補償することを特徴とする線
   形化電力増幅装置。
2. 【請求項２】 前記信号生成手段は、前記ベースバンド
   信号を演算処理することによって前記基準包絡線信号を
   生成することを特徴とする請求項１に記載の線形化電力
   増幅装置。
3. 【請求項３】 前記検波手段から出力される包絡線信号
   及び前記基準包絡線信号を対数変換して前記比較手段に
   出力する対数変換手段を備えたことを特徴とする請求項
   １、又は請求項２のいずれかに記載の線形化電力増幅装
   置。
4. 【請求項４】 前記基準包絡線信号の生成、及びその対
   数変換を演算処理によって実行することを特徴とする請
   求項３に記載の線形化電力増幅装置。
5. 【請求項５】 前記信号生成手段をディジタルシグナル
   プロセッサによって構成し、前記請求項２または請求項
   ４における演算処理をディジタルで実行することを特徴
   とする線形化電力増幅装置。