JP4671379B2 - 送信信号の精密化方法及びそれを実行するための増幅セルを有する送信機 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、単一の出力として送信信号を供給するための、複数の増幅セルより得られた電力値の総和を求める方法に関するものである。
【０００２】
送信機の総合的な効率は、増幅セルそのものの効率のみならず、これらのセルによる基本的電力値の再合成に要する各過程において失われる電力にも依存する。この２つの点に着目して送信機の総合的な性能特性を改善することができる。しかし、振幅及び位相の線形性の条件や、作動中のモジュールの交換性やその標準化等、送信機に必要な機能に対応できる必要がある。
【０００３】
Ａ級増幅器、即ちトランジスタ又はそれ以外の増幅器の構成要素が常に導電性を保つ増幅器は、出力信号が最も線形性を有するが、効率はあまり良好ではない。この効率を改善するために、プッシュ−プル型構造でＡＢ級モードで作動させることが可能である。この構造は準線形的ではあるが、効率は未だ低い。このような構造では、変調信号が増幅される。
【０００４】
Ｃ級モード、又はより好ましくは選択切換モードで作動する増幅器は、理想的な効率は１に近い。よって、全体的に高い効率を得るためには、この種の構造を用いることが大切である。送信すべき一連のディジタル信号を得るために振幅変調及び位相変調された出力信号を特定の離散レベルで供給するために全て又は一部の増幅セルの動作を制御する送信機も存在する。この種の構造では、連続した出力信号が得られず、再合成の効率が最適ではないことが多い。
【０００５】
基本電力値が異なる増幅セルを使用する送信機もある。これによって、任意の電力値を利用可能な電力値に基づいてより細かく分割することができる。このような構造は、異なる種類のセルを多数必要とし、高価になる。又、この場合でも再合成効率が最適ではない。
【０００６】
全てＣ級モードで作動する同種の増幅セルを有する無線放送増幅器も存在する。各セルの基本電圧を加算することで変調が得られる。そのため、各セルは、遊動結合によってバーに沿って電圧を供給することも、供給しないことも可能である。この種の装置では、セルが相互依存性を有する。よって、故障したセルが存在すれば、送信機の作動中にそれを交換することができない。
【０００７】
本発明の目的は、上記の欠点を解消又は少なくとも軽減することである。
【０００８】
それは、各々が２つ以上の出力レベルを提供可能な増幅セルの振幅及び位相制御によって実現する。
【０００９】
そのために、本発明は、ｎを２以上の整数とし、ｎ個の増幅セルによって瞬間振幅Ａと瞬間位相φ₀の送信信号を作成するための方法であって、各増幅セルが２以上の整数のレベルゼロを含む出力離散レベルを有し、絶対値Ａと偏角φ₀を有する１次ベクトルを対象とした場合、ベクトルの総和が１次ベクトルに等しく、ｎ個のセルと１対１の対応関係で選択され、各々が対応するセルの離散レベルの内の１つに対応する値の絶対値及び偏角を有するｎ個の２次ベクトルを求める過程と、ｎ個のセルの各々を、瞬間振幅及び位相がそのセルに対応する２次ベクトルの絶対値及び偏角の値にそれぞれ対応する信号を供給するように制御する過程と、ｎ個のセルから供給される信号をエネルギー結合装置によって総和する過程を含むことを特徴とする方法を提案するものである。
【００１０】
更に、本発明は、無線周波数の発振器（２２）、ｎを２以上の整数とし、何れも２以上の有限整数のゼロレベルを含む出力レベルを供給するｎ個の増幅セル（３₁乃至３_n）、送信アンテナ（７）及びアンテナセルを結合するためのエネルギー結合装置（４₁乃至４_n、ｔ₁乃至５₂、６）を含み、瞬間振幅Ａ及び瞬間位相φ₀を有する信号を送信するための送信機であって、更に総和が絶対値Ａ及び偏角φ₀を有するベクトルに等しく、各々の絶対値が対応するセルの離散レベルの内の１つの値に等しく、ｎ個のセルに対して１対１の対応関係を有するｎ個のベクトルを求めるための演算手段（２０）と、各セルに対してそのセルに対応するベクトルの絶対値によって決定される離散レベルを強制するための増幅制御手段（３０）と、各セルに対して発振器の位相によってそのセルに対応するベクトルの偏角に等しい位相を強制するための位相制御手段（２１、２３₁乃至２３_n、２４₁乃至２４_n）を有することを特徴とする送信機を提案するものである。
【００１１】
図１は、絶対値がＡであり、偏角がφ₀である第１のベクトルを符号ａで示すベクトル図である。ｂにおいて、ベクトルの総和が第１ベクトル（Ａ、φ₀）となるように選択された異なる絶対値及び偏角を有する７つのベクトルの集合を示す。ｃに示す7つのベクトルは、それぞれのベクトルの絶対値は互いに等しく、偏角はφに等しいが、これらのベクトルの総和の偏角はφ₀に等しく、絶対値はＡよりも各ベクトルの絶対値より小さい値だけ大きい。ｃ’において、７つのベクトルからなる集合を示し、この内５つはｃに示した７つのベクトルと等しいが、残りの２つは、７つのベクトルの総和が第１ベクトルとなるように、Δφ₁＝−Δφ₂として、位相がφ₀＋Δφ₁及びφ₀＋Δφ₂である。
【００１２】
ここで使用されるベクトルによって発明の第１の説明が得られる。増幅セルを設けた送信機の出力に、瞬間値（Ａ、φ₀）の信号を供給したいと仮定する。この結果を得るための第１の方法は、非常に漠然としているが改善可能であり、図１の符号ｂで示すものである。この方法は、増幅セルの一部、この例においては７つが、振幅及び位相が７つのベクトルの絶対値及び偏角にそれぞれ一致する瞬間信号を供給するようにすることで実現できる。この第１の方法は、図１のｃ’で示すように改善することができる。その目的で、全て同等であり、ゼロ値を含めて２つの値しか提供することができないセルの内、ｃ’で示す７つのベクトルの絶対値及び偏角に対応する振幅及び位相を有する瞬間信号を供給するに足りる数、図に示す例では７つのセルを選択する。
【００１３】
信号（Ａ、φ₀）を作成するために様々な実施形態が考えられる。特に、図１のｃ’に示す例において有用な変形として、同一のセルを使用するが、２つ以上の個別のレベルを出力できるセルを選択するものがある。残りの説明における例として挙げる送信機はこの種のものである。この送信機において、同一である各増幅セルは、ゼロレベルを含む３つの個別のレベルを有する。これにより、図１のｃ’を参照して説明した位相差分Δφ₀、Δφ₂の値を縮小し、これらの値は、瞬間位相φ₀＋Δφ₁とφ₀＋Δφ₂を提供するように制御される２つのセルが同一レベルを出力するように制御された場合以外は同一とはならない。
【００１４】
それぞれが２つのセルに加えられたこれらの更なる位相差分Δφ₁、Δφ₂を使用して、信号（Ａ、φ₀）を正確に作成する。又、信号（Ａ、φ₀）を得るための位相を選択された複数のセルに配分することができる。この方法は、図１のｄに示す。ここで、図１のｂとは違って、追加の位相は最適化され、即ち信号（Ａ、φ₀）を作成するために必要な最小限に低減される。ここで、ｄに示すセルは、少なくともこの例における瞬間には、同一の振幅を有する。又、ここでも２つ以上の個別のレベルを使用することができる。
【００１５】
送信信号（Ａ、φ₀）を作成中に起こり得る２つの特例がある。一つ目は、選択されたセルの振幅の総和が丁度望む振幅Ａに相当する場合である。この場合、勿論上記の位相差分Δφ₁、Δφ₂のような更なる位相を加える必要がない。しかし、これは瞬間値（Ａ、φ₀）が更なる位相を必要とする送信信号を作成するための一段階に過ぎない。二つ目は、増幅セルのゼロでない最低のレベルが所望の瞬間振幅Ａより大きい場合である。この場合、図２に示すように、選択は単一のセルではなく、２つのセルに及ぶ必要がある。この図２は、同一レベルを有するが位相にずれがある２つのセルによる信号（Ａ、φ₀）の作成に相当する。
【００１６】
図３に、送信すべき信号の振幅特性Ａ’及び位相特性φ₀を生成するためのディジタル回路１と、アンテナ７を他の部分とともに含む送信機を示す。送信機の本発明に対応する部分は回路１とアンテナ７との間の部分である。これは、無線周波数への変換と制御用の回路２、ｎ個の増幅セル３₁乃至３_n、及び直角３ｄＢハイブリッド回路４₁乃至４_n及び６と、２つの配電器５₁、５₂と２つの平衡抵抗Ｒ１乃至Ｒｎ、Ｒからなるエネルギー結合装置を含む。
【００１７】
このエネルギー結合装置は、１９８７年１２月１８日に出願されたフランス国特許第２６３５０５３号や、米国特許第５１９４８３５号を含むその対応特許に記載されている。この説明における例として挙げる送信機にこの装置を用いる。この装置の利点は、広範囲の周波数において各ポート間で完全なデカップリングを保持することができることである。但し、対象の周波数範囲や望む帯域幅によって、フェライト循環器を用いた配電箱、カスケード構造のハイブリッド結合器、ウィルキンソン型の構造等、他のエネルギーデカップリング装置も適用可能である。
【００１８】
図３における回路２は、作成すべき信号の瞬間値Ａ’、φ1₀を回路１から受信する。振幅セル３₁乃至３_nから、そのセルの状態、つまり操作が適正であるか不良であるかを示す信号Ｅも受信する。値Ａ’に基づき、操作が適正であるセルから特定数のセルを選択し、各々に供給すべき信号のレベルα及び位相βを指示する。
【００１９】
この説明において例として挙げる送信機において、増幅セルの数ｎは１６であり、これらのセルは何れも同一であり、ゼロレベルを含み３つの個別のレベルを提供することができる。
【００２０】
図４は図３の回路２における演算アルゴリズムを示すものである。
【００２１】
信号Ｅによる各増幅セルの状態に関する情報によって、不良のセルがあればそれも考慮して、最大利用可能な電力Ｐ_maxを算出する。更に、Ａ’が達成し得る最大値Ａ’ｍａｘに関する情報と、それによるＡ’ｍａｘに対応する望ましい出力電力Ｐ’ｍａｘに関する情報に基づいて、送信機の最大出力を調整する。この調整は、比率係数Ｐを設けることによって行う。その積Ｐ・Ａ’が、上記の値Ａとなる。この絶対値ρの値は、Ａ’ｍａｘに対応する電力ρ’ｍａｘが最大でも最大利用可能電力Ｐｍａｘに等しい限り、１である。Ｐ’ｍａｘがＰｍａｘを超えると、絶対値ρは比率Ｐｍａｘ／Ｐ’ｍａｘの平方根に等しい１未満の値となる。
【００２２】
Ｐ及びＡ’を知ることによってＡも判明するので、望む電力に等しいか若干高い電力値に対応する各セルの離散レベルを求める。これは図１のｃに対応するが、この例では、セルが同一であればその出力に２つではなく３つの離散レベルを提供するため、非ゼロベクトルは等しいとは限らない。但し、各増幅セルに対して３つのレベルが選択可能であるにも係らず、この例では、レベルを決定するために更なる条件が追加される。即ち、選択肢を２つの個別の連続したレベル、つまり例えばレベルが昇順に０、１、２である場合、レベル０及び１のみ、又はレベル１及び２のみに制限する。この追加条件によって、エネルギー結合装置の入力端に供給される電力値の配分により良いバランスを図る。図２に示す例は、演算アルゴリズムのこの段階で処理する。選択肢を２つの個別のレベルに制限する追加条件は、同一であるが３つ以上の個別のレベルを有する増幅セルにも適用可能である。
【００２３】
ゼロ及び非ゼロのものを含む離散レベルを制御するためにｎ個のセルにディジタル信号α₁乃至α_nを送信する。
【００２４】
同時に、図１のｃ’で示すように位相によって調整を行うため、選択されたセルの内２つのセルの角度Δφ₁及びΔφ₂を求める。
【００２５】
φ₀は既知であるので、この値をディジタル制御信号β₃乃至β_nとしてｎ−２個のセルに与える。位相による調整に用いる２つのセルは、それぞれ位相φ₀＋Δφ₁とφ₀＋Δφ₂のディジタル制御信号β₁とβ₂を受信する。ここで、そして図３におけるアルゴリズム内においても同様に、最初の２つのセルを使用して対象となる瞬間信号Ａ、φ₀の位相調整を行うものとする。しかし、当然それ以外に得るべき瞬間信号に対して、他のセルを使用して位相による調整を行うこともでき、特にこの最初の２つのセルの内何れかが不良であればそうすることが好ましい。
【００２６】
図５は図３における回路２の詳細を示す図である。送信すべき瞬間信号の特徴Ａ’、φ₀とともに、増幅セルの状態を示す信号Ｅを受信するマイクロコンピュータからなる論理ユニット２０が描かれている。
【００２７】
特に図４のアルゴリズムで示すとおり、論理ユニット２０は図３に示す増幅セル３₁乃至３_nの作動状態を制御するためのディジタル信号α₁乃至α_nを求める。
【００２８】
増幅セルの位相制御信号β₁乃至β_nを作成するために、本発明による回路２は位相回路２３₁乃至２３_nとそれらに続く周波数変換回路２４₁乃至２４_nとを含む。
【００２９】
位相は、位相回路２３₁乃至２３_nによって中間周波数で作成され、変換回路によって無線周波数に変換される。その目的を果すため、位相回路は局部発振器２１から中間周波数信号ｆ₁を得てから、論理ユニット２０によってディジタル制御されて位相を受ける。次いで、位相回路による信号は、周波数変換回路において周波数ｆ₀−ｆ₁の信号と合成されて、無線周波数に変換される。ここで、ｆ₀は図３による送信機から送信すべき信号の搬送周波数である。この周波数ｆ₀−ｆ₁の信号は局部発振器２２によって得られる。
【００３０】
図６は増幅セル３の概略図である。これは図３による全て同一であるセル３₁乃至３_nの内何れか１つのセルである。図中、理解を容易にするため、選択切換モードで作動するトランジスタをスイッチとして示し、スイッチの制御を破線で示す。
【００３１】
増幅セルは、変圧器Ｔ_rの１次巻線の同じ中間点に接続された異なる値の２つのＤＣ電源Ｅ１、Ｅ２を有し、電源電流Ｅ１はスイッチｔ１とそれに続く順方向に配置されたダイオードｄ１を介して、電源電流Ｅ２はスイッチｔ２とそれに続く順方向に配置されたダイオードｄ２を介して接続される。この例において、スイッチｔ１、ｔ２は低周波数トランジスタである。これらは、その入力端にセルの操作における３つの離散レベルの内何れかを選択するためのディジタル信号α₁を受信する制御回路３０によって制御される。
【００３２】
変圧器Ｔ_rの端部は２つのスイッチｔ３、ｔ４によってそれぞれ接地される。これらのスイッチはディジタル制御信号β₁によって制御される。この例におけるスイッチｔ３、ｔ４はプッシュ−プル構造で選択切換モードで作動する２つの無線周波数トランジスタである。
【００３３】
変圧器Ｔ_rの２次巻線は端部がインピーダンス整合フィルタ回路３１の２つの入力端に接続される。回路３１の出力は方向性結合器３２の入力に接続される。この結合器の主出力は増幅セルの出力となり、副出力は比較回路３３の入力に接続される。回路３３の出力は、増幅セルの作動状態を示すディジタル信号Ｅの内、対象となる増幅セル３_iに関する信号ｅ_iを提供する。
【００３４】
図６に示す増幅セルは次の動作を行う。
【００３５】
ディジタル信号α_iの値によって、セルの３つの離散した作動状態の内何れか１つを選択するために、制御回路３０は：
−スイッチｔ１及びｔ２を開いたままにするか、
−スイッチｔ１を閉めるか、
−スイッチｔ２を閉める。
【００３６】
変圧器Ｔ_rの１次巻線の側からして、その結果はスイッチｔ１及びｔ２の状態によって値が変わる電流として現れ、その値はそれぞれ：
−０、
−Ｉ₁、
−Ｉ₂（Ｉ₂はＩ₁より大きい）となる。
【００３７】
これらの３つの異なる電流値によって上記の３つの離散レベルが決定する。
【００３８】
このようにして、２つのスイッチｔ３、ｔ４と変圧器Ｔ_rを含むプッシュ−プル構造は、無線周波数信号β_iによる制御に基づいて増幅無線周波数信号を供給することができる。この信号は、回路３１とそれに引き続き結合器３２を通過することで、方向性結合器３２の主出力において望む無線周波数信号を提供することができる。結合器３２は回路３１の出力信号の僅か一部を比較回路３３に供給するための測定結合器である。基準値と比較してたら、回路３３は対象の増幅セル３ｉの状態を示し、より具体的には、セルがその離散レベルの内の１つ又は複数を供給することができないかを示すディジタル信号ｅｉを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 得られるべき送信信号とそれを得るための方法を示すベクトル図である。
【図２】 得られるべき送信信号とそれを得るための方法を示すベクトル図である。
【図３】 本発明による送信機の部分概略図である
【図４】 図２における送信機の一要素に関連する演算アルゴリズムを示すずである。
【図５】 図２における送信機の一要素を示す図である。
【図６】 図２における送信機の一要素を示す図である。

Claims (5)

1. ｎを３以上の整数とし、ｎ個の増幅セルによって瞬間振幅Ａと瞬間位相φ₀を有する送信信号を作成するための方法であって、各増幅セルが２以上の整数のレベルゼロを含む出力離散レベルを有し、絶対値Ａと偏角φ₀を有する１次ベクトルを対象とした場合、ベクトルの総和が１次ベクトルに等しく、ｎ個のセルと１対１の対応関係で選択され、各々が対応するセルの離散レベルの内の１つに対応する値の絶対値及び偏角を有するｎ個の２次ベクトルを求める過程と、ｎ個のセルの各々を、瞬間振幅及び位相がそのセルに対応する２次ベクトルの絶対値及び偏角の値にそれぞれ対応する信号を供給するように制御する過程と、ｎ個のセルから供給される信号をエネルギー結合装置によって総和する過程を含むことを特徴とする方法。
2. ｎ個のベクトルを求める過程が、２つ以上のセルがゼロ以外のレベルを供給するように選択する過程と、ｎ個のセルについてその値の総和（以下中間総和と称す）が少なくともＡに等しくなるｎ個のレベルを選択し、中間総和が丁度Ａに等しい場合、ｎ個のベクトルの何れに対しても偏角φ₀を選択し、中間総和がＡより大きい場合、ｎ個のベクトルの内ｎ−２個に対してφ₀を選択し、ゼロ以外のレベルを供給するように選択された２つのセルに対応する２つのベクトルに対して、ｎ個の２次ベクトルの総和が１次ベクトルと等しくなるような偏角φ₀＋Δφ₁とφ₀＋Δφ₂を供給するように選択する過程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 全て同種の増幅セルを使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 出力レベルを３つ以上有する増幅セルを使用し、ｎ個の２次ベクトルのモジュールを２つの連続した出力レベルに対応する２つの値に制限することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 無線周波数の発振器（２２）、ｎを３以上の整数とし、何れも２以上の有限整数のゼロレベルを含む出力レベルを供給するｎ個の増幅セル（３₁乃至３_n）、送信アンテナ（７）及びアンテナセルを結合するためのエネルギー結合装置（４₁乃至４_n、ｔ₁乃至５₂、６）を含み、瞬間振幅Ａ及び瞬間位相φ₀を有する信号を送信するための送信機であって、更に総和が絶対値Ａ及び偏角φ₀のベクトルに等しく、各々の絶対値が対応するセルの離散レベルの内の１つの値に等しく、ｎ個のセルに対して１対１の対応関係を有するｎ個のベクトルを求めるための演算手段（２０）と、各セルに対してそのセルに対応するベクトルの絶対値によって決定される離散レベルを強制するための増幅制御手段（３０）と、各セルに対して発振器の位相によってそのセルに対応するベクトルの偏角に等しい位相を強制するための位相制御手段（２１、２３₁乃至２３_n、２４₁乃至２４_n）を有することを特徴とする送信機。

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