JP2007318359A

JP2007318359A - 無線信号送信機

Info

Publication number: JP2007318359A
Application number: JP2006144694A
Authority: JP
Inventors: Hitomaro Togo; 仁麿東郷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】信号帯域が広帯域となっても高効率な電力増幅が可能なポーラ変調による無線信号送信機を提供する。
【解決手段】振幅変調信号増幅器１０３の内部において、オペアンプ１１２とトランジスタ１１３からなるリニアレギュレータによって低周波成分の振幅変調信号のみが増幅されて信号Ｓ１０３が出力される。一方、高周波成分の振幅変調信号は、リニアレギュレータをバイパスして、ハイパスフィルタ１１４と高周波信号増幅器１１５を通って、信号Ｓ１０６として出力される。そして、低周波成分の振幅変調信号Ｓ１０３と高周波成分の振幅変調信号Ｓ１０６が重畳された重畳信号（Ｓ１０３＋Ｓ１０６）が電力増幅器１０５の電源端子に入力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体通信や無線ＬＡＮなどの無線信号伝送システムに用いられる無線信号送信機に関し、特に、振幅変調信号と位相変調信号とによってポーラ変調を行ってベクトル変調波を生成する無線信号送信機に関する。

今後、移動体（セルラー）通信や無線ＬＡＮなどにおける無線信号の伝送帯域は、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚへと益々拡大しつつある。これにより、携帯端末の電力増幅器（ＰＡ：Power-Amplifier）の消費電力が増大するので、結果的に、携帯端末のバッテリ寿命が低下したり放熱が大きくなったりする。したがって、携帯端末に用いられる電力増幅器は、高速・広帯域信号を低歪かつ高効率で増幅できることが求められている。

そこで、携帯端末の送信信号を高効率化して変調及び増幅を行う技術としてポーラ変調が注目されている。このようなポーラ変調はＥＥＲ(Envelope-Elimination-Restoration)とも呼ばれ、入力信号を位相成分と振幅成分とに分離して振幅成分の信号波を位相変調増幅器（電力増幅器）の電源とし、位相変調信号と振幅変調信号とを変調合成してベクトル変調波を生成する技術である。

図３は一般的なポーラ変調回路の基本構成図である。このようなポーラ変調回路の基本構成は、例えば特許文献１などに開示されている。図３において、ベースバンド信号生成器１からベースバンド信号Ｉ（ｔ）、Ｑ（ｔ）が出力されると、極座標変換器２がベースバンド信号Ｉ（ｔ）、Ｑ（ｔ）を振幅成分ｒ（ｔ）の信号と位相成分φ（ｔ）の信号に分解する。そして、振幅成分ｒ（ｔ）の信号は、振幅変調信号増幅器３を通過した後に、最終段の電力増幅器５の電源供給端子に入力されることで電源電圧変調を行う。一方、位相成分φ（ｔ）の信号は、位相変調器４によってキャリア（搬送波）の中心周波数ｆ_ＣであるＲＦ位相変調信号（ｃｏｓ（２πｆ_Ｃｔ＋φ（t）））を生成した後、このＲＦ位相変調信号（ｃｏｓ（２πｆ_Ｃｔ＋φ（t）））を最終段の電力増幅器５に入力することによって、振幅成分ｒ（ｔ）の信号とＲＦ位相変調信号（ｃｏｓ（２πｆ_Ｃｔ＋φ（t）））とが乗算される。これによって、電力増幅器５は高出力な無線信号（ｒ・ｃｏｓ（２πｆ_Ｃｔ＋φ（t）））を生成して出力することができる。

このようなポーラ変調は、電力増幅器５を非線形の領域でスイッチング動作させることができるため、非常に高効率な電力増幅を行うことが可能となる。また、位相変調器４として電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage-Controlled-Oscillator）を用いることにより、信号帯域外の余分な雑音を低減させることができる。そのため、ポーラ変調回路は、従来の直交変調方式などでは必要とした中間周波フィルタであるＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：弾性表面波）フィルタなどが不要となる。このようなＳＡＷフィルタは、数ｍｍ角の大きさを有しているため、携帯電話機の小型化のためにはできるだけ除去したい部品の一つである。以上のように、携帯端末における送信信号を高効率に変調する増幅方法の一つとしてポーラ変調が注目されている。
特開２００５−２４４９５０号公報

しかしながら、上記の特許文献１のようなポーラ変調方式は、高効率な増幅方法としては有効な方法であるが、広帯域な信号においては増幅特性が劣化してしまう。この原因は、振幅変調信号増幅器３や位相変調器４を構成する部品の周波数特性に依存されるため、振幅変調信号増幅器３の広帯域化や位相変調器４の広帯域化は困難であることに起因する。つまり、上記の特許文献１に開示されているポーラ変調方式による振幅変調の広帯域化の方法は、振幅変調信号を低周波成分と高周波成分に分離し、それぞれスイッチングレギュレータやリニアレギュレータを用いて、低周波成分と高周波成分の帯域信号を効率的に振幅変調するというものである。そのため、スイッチングレギュレータやリニアレギュレータの構成部品の周波数特性に依存されて、高周波領域の振幅変調信号では高効率な増幅を維持することができなくなる。

また、振幅変調信号増幅器３にリニアレギュレータを用いる方法は、電源変調方式として高速化に適した方法ではあるが、リニアレギュレータの構成部品の高速応答特性によって広帯域特性が決まってしまう。以下、その理由について説明する。図４は、図３の振幅変調信号増幅器３をリニアレギュレータで構成した回路図である。つまり、図４に示すように、振幅変調信号増幅器３はオペアンプ３ａとトランジスタ３ｂによって構成されている。振幅変調信号端子をオペアンプ３ａの正入力端子に接続し、オペアンプ３ａの出力はトランジスタ３ｂのベース（ＦＥＴの場合はゲート）に入力し、かつトランジスタ３ｂのコレクタ（ＦＥＴの場合はドレイン）はオペアンプ３ａの負入力端子にフィードバック入力すると共に電力増幅器５の電源端子への出力信号としている。このようなリニアレギュレータ方式の広帯域特性は、オペアンプ３ａやトランジスタ３ｂの高速応答特性で決定されてしまう。したがって、今後、伝送信号帯域がさらに増大した場合は、オペアンプ３ａやトランジスタ３ｂの高速応答特性に限界があるので、上記のリニアレギュレータ方式では更なる広帯域化に対応することができなくなると予想される。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、信号帯域が広帯域となっても高効率な電力増幅が可能なポーラ変調による無線信号送信機を提供することを目的とする。

本発明の無線信号送信機は、振幅変調信号増幅器で生成された振幅変調信号と、電力増幅器に入力される位相変調信号とによってポーラ変調を行い、電力増幅器がベクトル変調波を生成する無線信号送信機であって、振幅変調信号増幅器は、高周波信号系統の第１の振幅変調信号と低周波信号系統の第２の振幅変調信号を重畳した重畳振幅変調信号を電力増幅器にバイアスするように構成されている。

本発明の無線信号送信機によれば、振幅変調信号の低周波成分のみをリニアレギュレータで増幅し、振幅変調信号の高周波成分はリニアレギュレータをバイパスして、振幅変調信号の低周波成分に重畳している。そして、重畳された振幅変調信号を電力増幅器の電源端子に入力している。これによって、ポーラ変調における振幅変調信号増幅器の広帯域化が可能となり、結果的に広帯域に亘って高効率な電力増幅特性を維持することができる。

〈発明の概要〉
本発明の無線信号送信機は、振幅変調信号増幅器の内部に存在するハイパスフィルタを用いて、振幅変調信号を低周波成分と高周波成分とに分離する。そして、オペアンプとトランジスタからなるリニアレギュレータによって低周波成分の振幅変調信号のみを増幅する。一方、分離された高周波成分の振幅変調信号は高周波信号増幅器で別途に増幅を行う。次に、オペアンプとトランジスタからなるリニアレギュレータで増幅された低周波成分の振幅変調信号に対して、高周波信号増幅器で増幅された高周波成分の振幅変調信号を重畳する。そして、重畳信号である振幅変調信号を電力増幅器の電源端子に入力することにより、振幅変調信号と位相変調信号のポーラ変調を行う。これにより、高周波成分の振幅変調信号はリニアレギュレータ内の構成部品（つまり、オペアンプとトランジスタ）を通過することがない。したがって、高周波成分の振幅変調信号は、オペアンプとトランジスタの周波数特性に依存されることがなくなり、結果的に、振幅変調信号の広帯域化を図ることができ、広帯域に亘って高効率な電力増幅特性を維持することができる。

〈好適な実施の形態〉
以下、本発明における一実施の形態の無線信号送信機について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態における無線信号送信機の構成を示すブロック図である。まず、図１に示す無線信号送信機の構成について説明する。図１の無線信号送信機は、伝送データ信号Ｓ１００を入力してベースバンド信号を生成するベースバンド信号生成器１０１、ベースバンド信号を入力してポーラ変調信号を生成する極座標変換器１０２、分離された振幅変調信号を増幅する振幅変調信号増幅器１０３、分離された位相信号を無線（ＲＦ：Radio Frequency）周波数帯の位相変調信号にする位相変調器（ＶＣＯ）１０４、及び振幅変調信号を電源として位相変調信号の電力増幅を行う電力増幅器（ＰＡ：Power-Amplifier）１０５によって構成されている。

また、振幅変調信号増幅器１０３は、極座標変換器１０２から入力された振幅変調信号を増幅する増幅器１１１、増幅器１１１で分岐された低周波成分の振幅変調信号を増幅するオペアンプ１１２、オペアンプ１１２から出力された低周波成分の振幅変調信号を電力増幅するトランジスタ１１３、高周波成分の振幅変調信号のみを通過させるハイパスフィルタ１１４、及び高周波成分の振幅変調信号を増幅する高周波増幅器１１５によって構成されている。なお、ハイパスフィルタ１１４と高周波増幅器１１５によって高周波信号系統が形成され、オペアンプ１１２とトランジスタ１１３によって低周波信号系統が形成される。

次に、図１に示す無線信号送信機の動作について説明する。ベースバンド信号生成器１０１が伝送データ信号Ｓ１００を入力してベースバンド信号の出力信号Ｉ（ｔ）及びＱ（ｔ）を出力すると、極座標変換器１０２は、この出力信号Ｉ（ｔ）及びＱ（ｔ）から振幅信号成分ｒ（ｔ）と位相信号成分φ（ｔ）のポーラ変調信号を生成する。そして、振幅信号成分ｒ（ｔ）の信号は、振幅変調信号増幅器１０３によって増幅された後に、電力増幅器（ＰＡ：Power-Amplifier）１０５の電源入力端子に入力される。なお、電源入力端子とは、ＦＥＴまたはトランジスタにおけるドレイン端子またはエミッタ端子を指す。

一方、位相信号成分φ（ｔ）の信号は位相変調器（ＶＣＯ）１０４に入力され、キャリア（搬送波）の中心周波数ｆ_Ｃである無線信号周波数帯（ＲＦ帯）の位相変調信号（ｃｏｓ（２πｆ_Ｃｔ＋φ（t）））を生成した後、この位相変調信号は電力増幅器１０５に入力される。そして、この無線信号周波数帯の位相変調信号（ｃｏｓ（２πｆ_Ｃｔ＋φ（t）））は、最終段の電力増幅器１０５に入力されることにより、振幅信号成分ｒ（ｔ）の信号と位相変調信号（ｃｏｓ（２πｆ_Ｃｔ＋φ（t）））とが乗算される。これによって、電力増幅器１０５は、所望の高出力な無線信号（ｒ・ｃｏｓ（２πｆ_Ｃｔ＋φ（t）））を生成して出力することができる。

次に、本発明の特徴である振幅変調信号増幅器１０３の詳細な構成及び動作について説明する。極座標変換器１０２から出力された振幅信号成分ｒ（ｔ）の信号は増幅器１１１で増幅された後に二系統に分岐される。そして、一方の系統（低周波信号系統）の振幅変調信号Ｓ１０１はオペアンプ１１２の正入力端子に入力される。また、オペアンプ１１２の出力信号Ｓ１０２はトランジスタ１１３のベース（ＦＥＴの場合はゲート）に入力され、トランジスタ１１３のコレクタ（ＦＥＴの場合はドレイン）からの信号Ｓ１０３は、オペアンプ１１２の負入力端子にフィードバック入力されると共に、電力増幅器１０５の電源端子へ入力される。

一般的には、以上のような構成によって振幅変調信号増幅器１０３の機能としては十分であるが、本実施の形態では、さらにハイパスフィルタ１１４と高周波増幅器１１５を追加している。そして、増幅器１１１の出力信号を分岐したもう一方の系統（高周波信号系統）の信号Ｓ１０４をハイパスフィルタ１１４へ入力させる。そして、ハイパスフィルタ１１４を通過した信号Ｓ１０５（つまり、高周波成分の振幅変調信号）を高周波増幅器１１５へ入力して増幅を行う。そして、高周波増幅器１１５で増幅された信号Ｓ１０６（高周波成分の振幅変調信号）は、オペアンプ１１２の負入力端子に入力されると共に、トランジスタ１１３のコレクタからの信号Ｓ１０３（低周波成分の振幅変調信号）と重畳されて、電力増幅器１０５の電源端子へ入力される。

つまり、電力増幅器１０５の電源端子には、オペアンプ１１２とトランジスタ１１３から成る低周波信号系統を通過した低周波成分の振幅変調信号（つまり、信号Ｓ１０３）と、ハイパスフィルタ１１４と高周波増幅器１１５から成る高周波信号系統を通過した高周波成分の振幅変調信号（つまり、信号Ｓ１０６）が重畳されて（つまり、信号Ｓ１０３＋信号Ｓ１０６）が入力されることになる。

振幅変調信号増幅器１０３をこのような回路構成にすることにより、振幅変調信号の高周波成分（つまり、信号Ｓ１０６）は、オペアンプ１１２及びトランジスタ１１３を介さずに、直接、電力増幅器１０５の電源端子に入力されるため、オペアンプ１１２やトランジスタ１１３が応答できないような高速な振幅変調信号の成分を電力増幅器１０５の電源端子に加えることができる。その結果、広帯域な振幅変調信号を電力増幅器１０５の電源端子にバイアスすることができるので、広帯域に亘って安定した電力増幅特性を実現することができる。

図２は、従来の振幅変調信号増幅器による周波数応答特性と本実施の形態の振幅変調信号増幅器による周波数応答特性を示す特性図である。図２においては、横軸に周波数、縦軸に信号の出力レベルをそれぞれ表わしている。また、特性Ａは従来の振幅変調信号増幅器による周波数応答特性であり、特性Ｂはハイパスフィルタ１１４から高周波増幅器１１５までの周波数応答特性であり、特性Ｃは本実施の形態の振幅変調信号増幅器による周波数応答特性である。

すなわち、ハイパスフィルタ１１４から高周波増幅器１１５までの周波数応答特性を特性Ｂに示すように高周波成分の利得を持つようにすると、本実施の形態の振幅変調信号増幅器による周波数応答特性Ｃは、従来の振幅変調信号増幅器による周波数応答特性Ａと、ハイパスフィルタ１１４から高周波増幅器１１５までの周波数応答特性Ｂとの和（つまり、Ｃ＝Ａ＋Ｂ）となり、振幅変調信号の広帯域化が可能となる。以上のような構成により振幅変調信号増幅器１０３の広帯域化を実現することができる。なお、ＡとＢとの和Ｃが広帯域にわたって平坦になるように、高周波増幅器１１５の利得が最適になるように調整することが必要である。

なお、上記の実施形態では、リニアレギュレータの構成における振幅変調信号の広帯域化の例に述べたが、これに限定されることなく、スイッチングレギュレータの構成においても同様に振幅変調信号の広帯域化を実現することができる。なお、スイッチングレギュレータの場合は、オペアンプとトランジスタの間にスイッチング動作を行う回路を含むが、それ以外は上記のリニアレギュレータの構成と同じである。

今後、無線伝送システムの上り信号の伝送容量が増えるにつれ、移動体端末の電力増幅器の効率が低下してバッテリの消費量が増えることが予想される。そこで、高効率な変調方式としてポーラ変調方式が注目されているが、現状では広帯域化がネックとなっている。したがって、本発明に係る無線信号送信機が実現すれは、上記の不具合を解決して、広帯域な振幅変調信号の増幅が可能となるので、次世代の移動体端末などに有効に利用することができる。

本発明の一実施の形態における無線信号送信機の構成を示すブロック図従来の振幅変調信号増幅器による周波数応答特性と本実施の形態の振幅変調信号増幅器による周波数応答特性を示す特性図一般的なポーラ変調回路の基本構成図図３の振幅変調信号増幅器をリニアレギュレータで構成した回路図

符号の説明

１０１ベースバンド信号生成器
１０２極座標変換器
１０３振幅変調信号増幅器
１０４位相変調器（ＶＣＯ）
１０５電力増幅器（ＰＡ）
１１１増幅器
１１２オペアンプ
１１３トランジスタ
１１４ハイパスフィルタ
１１５高周波増幅器

Claims

振幅変調信号増幅器で生成された振幅変調信号と、電力増幅器に入力される位相変調信号とによってポーラ変調を行い、該電力増幅器がベクトル変調波を生成する無線信号送信機であって、
前記振幅変調信号増幅器は、高周波信号系統の第１の振幅変調信号と低周波信号系統の第２の振幅変調信号を重畳した重畳振幅変調信号を前記電力増幅器にバイアスすることを特徴とする無線信号送信機。
前記高周波信号系統は、ハイパスフィルタと高周波増幅器との構成によって前記第１の振幅変調信号を生成し、
前記低周波信号系統は、トランジスタ及びオペアンプから成り、フィードバックループを有するリニアレギュレータの構成によって第２の振幅変調信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の無線信号送信機。
前記高周波信号系統は、ハイパスフィルタと高周波増幅器との構成によって前記第１の振幅変調信号を生成し、
前記低周波信号系統は、トランジスタ、オペアンプ、及びスイッチング回路から成り、フィードバックループを有するスイッチングレギュレータの構成によって第２の振幅変調信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の無線信号送信機。