JPWO2005046154A1 - クリッピング回路及びそれを用いた無線送信装置 - Google Patents

Abstract

比較的小規模な構成で、位相誤差の発生を抑制してＥＶＭを劣化させることのないクリッピング回路を実現する。直交ベースバンド信号の振幅制限をなすクリッピング回路として、ほぼ円形クリッピングと等化な１６角形クリップ回路を用いる。この１６角形クリップ回路として、方形クリップ回路と位相回転部との直列構成（１１と１２、１３と１４、１５と１６、１７と１８）を複数段（４段）従属接続して構成する。そして、これ等方形クリップ回路と位相回転部とによる信号振幅の変化分を、振幅調整部１９において補償するよう振幅スケーリングを行う。

Description

本発明はクリッピング回路及びそれを用いた無線送信装置に関し、特に無線送信装置における電力増幅器へ供給される直交ベースバンド信号の振幅制限をなすクリッピング方式に関するものである。

無線通信システムにおいて、無線送信装置側では、送信信号の全ての振幅値に亘って良好な線形性を有する電力増幅器を使用することが理想的である。しかしながら、送信可能な全ての振幅値に亘って良好な線形性を有する電力増幅器は、回路規模、価格、電力等の面から困難である。そのために、ある一定振幅までは線形性を有しているが、それ以上の振幅に対しては非線形特性を有する一般的な電力増幅器が用いられることが多い。

ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access ）方式やＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式のような複数の送信チャネルの多重化処理を行った送信信号を、電力増幅器により増幅する場合、１つのＲＦ（高周波）出力信号に多重するチャネル数が増加するに従って、増幅すべき信号の振幅値の幅が広がってしまうことになる。この様な信号を、上述した理想的ではない電力増幅器を用いて増幅した場合、電力増幅器の線形性を有する領域を超えた振幅値の信号が入力されると、ＲＦ出力信号に歪が生ずることになる。ＲＦ出力信号に歪が生ずると、隣接する通信チャネルの妨害波となり、かつ変調精度が劣化してしまい、その結果伝送路のＢＥＲ（Bit Error Rate）が劣化する。

この様なＲＦ出力信号の歪の発生を抑制するために種々の方式が提案されている。そのなかの一つに、送信データのベースバンド信号処理部でのＩ，Ｑ信号のクリッピング（クリップともいう）処理がある。このクリッピング処理にもいくつかの方式があり、その代表的なものとして、方形クリッピング（特許文献１参照）や円形クリッピングがある。
特開昭６３−１９８１７４号公報

方形クリッピングは小さな回路規模で実現できるという利点があるが、クリッピング処理後のデータに位相誤差が発生してしまうという欠点がある。方形クリッピングは、ベースバンド信号のＩ成分に対してはＩ軸方向に独立にクリッピングを行い、Ｑ成分に対してはＱ軸方向に独立にクリッピングを行う方式であることから、例えば、図１０（ａ）に示す如く、ベースバンド信号のＩ成分がクリップレベル（点線）を超えており、Ｑ成分はクリップレベルを超えていない場合には、Ｉ成分のみがクリップされることになるために、クリッピング後のベクトル成分は元のベクトル成分に対して位相誤差θを有することになる。位相誤差が生じると、変調波のＥＶＭ（Error Vector Magnitude）が劣化してしまう。

一方、円形クリッピングは、Ｉ成分及びＱ成分の両方を位相に沿ってクリップする方式であることから、方形クリッピングで発生する位相誤差に生じない（図１０（ｂ）参照）。しかしながら、円形クリッピングは、演算処理もしくはＲＯＭテーブルのデータ読出し処理により行われるために、Ｉ，Ｑ成分のビット数の増加に伴って回路規模が増大してしまうという欠点がある。また、想定される入力ダイナミックレンジによって回路規模が大きく左右されるなどの欠点もある。

本発明の目的は、比較的小さな回路規模で位相誤差の発生を抑止してＥＶＭを劣化させることのないクリッピング回路を提供することである。

本発明によれば、無線送信装置における電力増幅器へ供給される直交ベースバンド信号の振幅制限をなすクリッピング回路であって、方形クリップ手段と位相回転手段との直列構成を複数段従属接続して、多角形クリッピング手段を構成したことを特徴とするクリッピング回路が得られる。

更に、方形クリップ手段及び前記位相回転手段による信号振幅の変化を補償調整するための振幅調整手段を含むことを特徴とする。また、前記方形クリップ手段と前記位相回転手段との直列構成がｎ段（ｎは２以上の整数）従属接続されており、初段の方形クリップ手段のクリップレベルは予め定められた所定クリップレベルに設定されており、２段目以降の方形クリップ手段のクリップレベルは、前段の位相回転手段の位相回転量に応じた振幅変化量に対応した補正量を、前記所定クリップレベルに対して乗算した値に設定されていることを特徴とする。

更に、前記直交ベースバンド信号の振幅値が予め定められた所定クリップレベルより大なる場合に、前記直交ベースバンド信号が前記多角形クリッピンク手段による処理を受けるよう制御する制御手段を含むことを特徴とする。そして、前記制御手段は、前記直交ベースバンド信号の振幅値が前記所定クリップレベル以下の場合には、前記直交ベースバンド信号に対して、前記多角形クリッピンク手段の処理時間に相当する時間だけ調整して出力するようにしたことを特徴とする。そして、本発明による無線通信装置は、上記のクリッピング回路を含むことを特徴とする。

本発明の作用を述べる。構成の簡単な方形クリップ回路と位相回転回路との直列回路を複数段従属接続することにより、多角形クリッピングを実現して、原理的に位相誤差のない円形クリッピングに近ずけるよう構成する。

本発明によれば、多角形クリッピングを簡単な構成で実現することにより、円形クリッピングとほぼ同等の特性、すなわち位相誤差を極力抑制して変調波のＥＶＭの劣化を防止できるという効果がある。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態を示す機能ブロック図である。図１において、ベースバンド信号処理を行った後の直交成分であるＩ成分（ＲＩ）、Ｑ成分（ＲＱ）は、タイミング調整器６、１６角形クリップ回路１、絶対値化回路２へそれぞれ入力される。

絶対値化回路２において、Ｉ成分及びＱ成分はそれぞれ絶対値化処理され、加算器３へ入力されて加算処理される。そして、無線通信システムとして予め定められているクリッピングを行う必要がある信号レベル（クリップレベル＝ＲＬ）と、加算器３の出力である絶対値化したベースバンド信号の振幅値とが、比較器４により比較される。この比較の結果、ベースバンド信号の振幅値がクリップレベルＲＬ以上の場合には、アンドゲート８を介してセレクタ７を制御し、１６角形クリップ回路１を経たクリッピング処理後の信号を導出する。一方、ベースバンド信号の振幅値がクリップレベルＲＬより小の場合には、アンドゲート８を介してセレクタ７を制御し、タイミング調整器６を経たタイミング調整後の信号を導出する。

なお、タイミング調整器６は、１６角形クリップ回路１を経たクリッピング処理後の信号と、１６角形クリップ回路１を経ない信号との出力タイミングを調整するものである。このタイミングの調整器１６は、１６角形クリップ回路１のクリッピング処理に必要な時間分に相当する段数のバッファにより構成されている。アンドゲート８はクリッピング処理のオンオフを、外部指令により制御するためのものである。また、図中の信号線上の数字は並列ビット数を示しており、単に一例を示すに止まるものである。

図２は図１における１６角形クリップ回路１の機能ブロック図である。１６角形クリップ回路１は、入力段から順に、方形クリップ回路１１、＋π／４位相回転部１２、方形クリップ回路１３、−π／８位相回転部１４、方形クリップ回路１５、−π／４位相回転部１６、方形クリップ回路１７、＋π／８位相回転部部１８、振幅調整部（振幅スケーリング部）１９からなっている。

方形クリップ回路１１，１３，１５，１７は全て同一回路構成であり、周知の構成（例えば、特許文献１などの回路）が用いられ、クリップレベルを入力することにより、入力信号Ｉ，Ｑ成分（Ｉｃｈ，Ｑｃｈとして示す）を、互いに独立して、すなわち、Ｉ信号はＩ軸方向に、Ｑ信号はＱ軸方向に個別にクリップする機能を有している。位相回転部１２は入力信号の位相を＋π／４だけ回転させ、位相回転部１４は入力信号の位相を−π／８だけ回転させ、位相回転部１６は入力信号の位相を−π／４だけ回転させ、位相回転部１８は入力信号の位相を＋π／８だけ回転させるものである。

これ等各位相回転部１２，１４，１６，１８の具体例が、図３、図４、図５、図６にそれぞれ示されている。振幅調整部（振幅スケーリング部）１９は、方形クリップや位相回転によって実際の値より小さくなってしまった信号の振幅値を、元の入力信号の振幅値（レベル）に戻すため（補償調整するため）のものであり、その具体例が図７に示されている。

ベースバンド信号の直交成分であるＩ信号及びＱ信号が、図示せぬベースバンド信号処理部より、本クリッピング回路部へ入力されると、Ｉ，Ｑ信号は１６角形クリップ回路１へ供給されて１６角形クリッピング処理され、セレクタ７へ印加される。また、上記のＩ，Ｑ信号は絶対値化回路２へも入力されて絶対値化される。絶対値化された｜ＲＩ｜，｜ＲＱ｜はＩ／Ｑ加算器３へ入力されて｜ＲＩ｜＋｜ＲＱ｜となり、この加算出力は比較器４へ入力される。比較器４では、入力信号のレベルとクリップレベルＲＬとが比較され、その大小が判定されてセレクタ７の選択用信号に用いられる。

また、Ｉ，Ｑ信号はタイミング調整器６へも入力され、１６角形クリッピング処理に必要な時間に相当するタイミング調整が行われてセレクタ７へ入力される。セレクタ７では、入力信号がクリップレベルＲＬよりも大なる場合には、１６角形クリップ回路１を経た信号を出力し、逆の場合には、タイミング調整器６を経た信号を出力する。このセレクタ７による選択は、全ての信号に対して１６角形クリッピング処理を行うと、電力制限する必要のない信号に対してもクリッピング処理を行うことになるので、これを避けるために、クリッピング処理が必要な信号に対してのみ選択的にクリッピング処理を施すためのものである。なお、アンドゲート８により、クリッピング処理のマスク制御を外部指令により簡単に行うことができるようになっている。

１６角形クリップ回路１へ入力されたＩ，Ｑ信号は、先ず方形クリップ回路１１において方形クリップが行われる。このときクリップレベルＲＬ０は、
ＲＬ０＝ＲＬ
であり、外部設定される。方形クリップ回路１１にて方形クリップされた信号は、位相回転部１２で＋π／４だけ位相回転される。この位相回転部１２は図３に示す如く、加算器１２１，１２２及び符号反転器１２３よりなる周知の構成であり、Ｉ信号とＱ信号とが加算器１２２で加算されてＱ信号となり、Ｉ信号とＱ信号の符号反転信号とが加算器１２１で加算されてＩ信号となる。なお、この＋π／４位相回転により、信号振幅は√２倍に変化する。

この位相反転部１２の出力は方形クリップ回路１３へ入力されるが、このときのクリップレベルＲＬ１は、
ＲＬ１＝ＲＬ０×√２＝ＲＬ√２
であり、外部設定される。これは、位相回転部１２で信号位相を＋π／４回転させているために、振幅が√２倍に変化したために、クリップレベルもそれだけ大とする必要があるからである。なお、図８にはπ／４位相回転した場合に、√２だけレベル変化することを示しており、三平方の定理により求めることができる。

次に、位相回転部１４により信号位相が−π／８回転される。この位相回転部１４は、図４に示す如く、加算器１４１，１４２、乗算器１４３，１４４、符号反転器１４５よりなる周知の構成である。Ｉ信号と係数（ｎビット）とが乗算器１４３で乗算され、その乗算出力の下位ｎビットが切捨てられて符号反転され、加算器１４２にてＱ信号と加算され、Ｑ信号となる。また、Ｑ信号と係数とが乗算器１４４で乗算され、その乗算出力の下位ｎビットが切捨てられて、加算器１４でＩ信号と加算され、Ｉ信号となる。この−π／８位相回転により、信号振幅は√｛２×（２−√２）｝倍に変化する。

この位相回転部１４の出力は方形クリップ回路１５へ入力されるが、このときのクリップレベルＲＬ２は、位相回転部１４の上記振幅変化を考慮して、
ＲＬ２＝ＲＬ１×√｛２×（２−√２）｝
＝ＲＬ０×√２×√｛２×（２−√２）｝
＝ＲＬ×２×√（２−√２）
となり、外部設定される。なお、図９には、π／８位相回転した場合に、√２×√（２−√２）、すなわち√｛２×（２−√２）｝だけレベル変化することを示している。

次に、位相回転部１６により信号位相が−π／４回転される。この位相回転部１６は、図５に示す如く、加算器１６１，１６２及び符号反転器１６３からなる周知の構成である。Ｉ信号とＱ信号とは加算器１６１で加算されてＩ信号となり、Ｉ信号の符号反転信号とＱ信号とが加算器１６２で加算されてＱ信号となる。この−π／４位相回転により、信号振幅は√２倍に変化することは、先の位相回転部１２と同様である。

この位相回転部１６の出力は方形クリップ回路１７へ入力されるが、このときのクリップレベルＲＬ３は、位相回転部１６の振幅変化を考慮して、
ＲＬ３＝ＲＬ２×√２
＝ＲＬ×２√２×√（２−√２）
となり、外部設定される。

この方形クリップ回路１７の出力は位相回転部１８へ入力されて＋π／８だけ位相回転される。この位相回転部１８は、図６に示す如く、加算器１８１，１８２、乗算器１８３，１８４、符号反転器１８５によりなる周知の構成である。Ｉ信号は乗算器１８３により係数（ｎビット）を乗算され、その乗算出力の下位ｎビットが切捨てられて、加算器１８２でＱ信号と加算されＱ信号となる。また、Ｑ信号は乗算器１８４により係数と乗算されその乗算出力の下位ｎビットが切捨てられて符号反転され、加算器１８１にてＩ信号と加算されＩ信号となる。

この−π／４πに位相回転により振幅は、√｛２×（２−√２）｝倍に変化する。なお、この図６及び先の図４における係数ｎの値を制御することにより、位相回転量の制御が可能であるが、本例では、±π／８であるので、それに対応する固定の係数値が入力される。

最後に、振幅調整部１９において、方形クリッピングや位相回転により、実際の振幅値より小となった振幅値が元の入力信号レベルに戻される。図７はこの振幅調整部１９の構成例であり、乗算器１９１，１９２よりなっている。Ｉ信号は係数（ｎビット）と乗算器１９１で乗算されＩ信号となり、Ｑ信号は係数と乗算器１９２で乗算されＱ信号となる。このときの振幅調整は、（２＋√２）／８倍となる。

以上が本発明による１６角形クリッピング回路であり、図９は、Ｉ／Ｑ座標上における本クリッピング回路のクリップレベルＲＬとクリップ処理との関係を示す図である。最も内側に描かれている正方形１０は、対角線がクリップレベルＲＬに等しく、その一辺が｜ＲＩ｜＋｜ＲＱ｜＝ＲＬとなっており、この正方形の内側部分がクリップ処理を通らない部分、すなわち図１におけるタイミング調整器６を経た信号レベルである。その外側の１６角形２０が、本発明による図１の１６角形クリップ回路１のクリップレベルの境界を示し、その外側の３０で示す領域が振幅制限を受ける部分であり、正方形１０と１６角形２０との間の領域は、クリップ処理回路は通るが振幅制限されない部分である。

この様に、図２に示した一連の処理回路を通すことにより、１６角形クリッピングが可能となり、円形クリッピングとほぼ同等の特性、すなわち位相誤差を極力抑制して変調波のＥＶＭの劣化を防止できることになる。なお、図２の方形クリップ回路の段数及び位相回転部の段数を増減させて、最終段の振幅調整部（振幅スケーリング部）の調整値をそれに応じて変更することにより、多角形クリッピングを実現することができる。

例えば、クリッピング後のベースバンド信号の位相誤差を極力小さくしたい場合には、方形クリップ回路の段数を、例えば倍にし、それに伴って位相回転角度及び振幅調整値を変更制御することにより、３２角形クリッピング回路が実現でき、より円形クリッピングに近づけることが可能となるのである。

また、図１においては、セレクタ７を回路の出力に設けて、比較器４の出力に応じて、タイミング調整器６の出力か１６角形クリップ回路１の出力かを選択しているが、セレクタ７を入力段に設けて、比較器４の出力に応じて、タイミング調整器６へ入力するか１６角形クリッピング回路１へ入力するかを選択するようにしても良いことは明らかである。

本発明の実施の形態を示すブロック図である。 図１の１６角形クリップ回路１の機能ブロック図である。 図２の位相回転部１２の回転図である。 図２の位相回転部１４の回路図である。 図２の位相回転部１６の回路図である。 図２の位相回転部１８の回路図である。 図２の振幅調整部１９の回路図である。 位相回転時におけるクリップレベル（ＲＬ）の変化を説明する図であり、（１）はπ／４位相回転の場合、（２）はπ／８位相回転の場合である。 本発明による１６角形クリッピングのＩＱ座標上でのクリップレベルを示す図である。 （ａ）は方形クリッピングの場合の位相誤差の発生を示し、（ｂ）は円形クリッピングの場合の例を示す図である。

符号の説明

１ １６角形クリップ回路
２ 絶対値化回路
３ Ｉ／Ｑ加算器
４ 比較器
６ タイミング調整器
７ セレクタ
８ アンドゲート
１１，１３，１５，１７ 方形クリップ回路
１２，１４，１６，１８ 位相回転部
１９ 振幅調整（スケーリング）部

Claims (6)

1. 無線送信装置における電力増幅器へ供給される直交ベースバンド信号の振幅制限をなすクリッピング回路であって、方形クリップ手段と位相回転手段との直列構成を複数段従属接続して、多角形クリッピング手段を構成したことを特徴とするクリッピング回路。
2. 方形クリップ手段及び前記位相回転手段による信号振幅の変化を補償調整するための振幅調整手段を更に含むことを特徴とする請求項１記載のクリッピング回路。
3. 前記方形クリップ手段と前記位相回転手段との直列構成がｎ段（ｎは２以上の整数）従属接続されており、初段の方形クリップ手段のクリップレベルは予め定められた所定クリップレベルに設定されており、２段目以降の方形クリップ手段のクリップレベルは、前段の位相回転手段の位相回転量に応じた振幅変化量に対応した補正量を、前記所定クリップレベルに対して乗算した値に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載のクリッピング回路。
4. 前記直交ベースバンド信号の振幅値が予め定められた所定クリップレベルより大なる場合に、前記直交ベースバンド信号が前記多角形クリッピンク手段による処理を受けるよう制御する制御手段を、更に含むことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のクリッピング回路。
5. 前記制御手段は、前記直交ベースバンド信号の振幅値が前記所定クリップレベル以下の場合には、前記直交ベースバンド信号に対して、前記多角形クリッピンク手段の処理時間に相当する時間だけ調整して出力するようにしたことを特徴とする請求項４記載のクリッピング回路。
6. 請求項１〜５いずれか記載のクリッピング回路を含むことを特徴とする無線送信装置。

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