JP5958336B2 - 送信信号電力制御装置及び通信装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、電力増幅器を用いて送信信号電力を増幅する送信信号電力制御装置、及びそのような送信信号電力制御装置を有する通信装置に関する。
無線通信システムでは、そのシステムにおいて使用される通信装置が小型であること、及び通信装置のエネルギー消費量が少ないことが好ましい。この点について、通信装置が有する、送信信号電力を増幅するために用いられる電力増幅器の電力消費量は大きいので、電力増幅器のエネルギー効率を向上することが有効である。そのため、電力増幅器は、一般的に、入力される送信信号電力に対してエネルギー効率が高い領域で使用される。エネルギー効率が高い電力増幅器として、例えば、ドハティ増幅器、アウトフェージング技術を利用したLinear Amplification using Nonlinear Components(LINC)増幅器またはEnvelope Elimination and Restoration(EER)増幅器などが用いられる。このような電力増幅器のエネルギー効率は、入力される信号電力のダイナミックレンジに強く依存し、ダイナミックレンジが広いほど、エネルギー効率は低下する。しかし、近年利用されている、Wideband Code Division Multiple Access(W-CDMA)、Long Term Evolution(LTE)またはWorldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX)といった無線通信規格では、無線信号のダイナミックレンジが広い。そのため、無線信号のピーク電力対平均電力比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)は高く、その結果として電力増幅器のエネルギー効率が低下する問題がある。
このような問題に対して、送信信号のピーク電力を減衰させることでPAPRを低下させることにより、電力増幅器のエネルギー効率の低下を抑制する技術が提案されている(例えば、特許文献1及び2を参照)。
特開2007−274075号公報 米国特許第7679433号明細書
一般に、送信信号電力がその平均値に比べて非常に小さくなることもある。上記のような電力増幅器では、送信信号電力がその平均値に比べて非常に大きい場合だけでなく、非常に小さい場合も、例えば、電力増幅器を飽和動作させることが困難になるので、エネルギー効率が低下する。
そこで、本明細書は、送信信号電力が低い場合における、電力増幅器のエネルギー効率の低下を抑制することが可能な送信信号電力制御装置を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、送信信号電力制御装置が提供される。この送信信号電力制御装置は、入力された送信信号の振幅の絶対値が所定のクリッピング閾値以下の場合にその送信信号の振幅を減衰させる少なくとも一つの低電力減衰器と、その少なくとも一つの低電力減衰器から出力された送信信号を増幅する電力増幅器と、その少なくとも一つの低電力減衰器から出力された送信信号の振幅の絶対値がクリッピング閾値以下の所定値以下の場合に電力増幅器を停止し、その送信信号の振幅の絶対値が所定値よりも大きい場合に電力増幅器を動作させる制御部とを有する。
本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
本明細書に開示された送信信号電力制御装置は、送信信号電力が低い場合における、電力増幅器のエネルギー効率の低下を抑制できる。
一つの実施形態による送信信号電力制御装置の概略構成図である。 クリッピング部に入力される送信信号の振幅と、クリッピング部から出力される送信信号の振幅の関係の一例を示す図である。 クリッピング閾値と電力増幅器のエネルギー効率の向上率との関係の一例を示す図である。 クリッピング閾値とエラーベクトル振幅との関係の一例を示す図である。 変形例による送信信号電力制御装置の概略構成図である。 直列に接続される低電力減衰器の数と送信信号の歪みとの関係の一例を示す図である。 送信信号電力制御装置が組み込まれた基地局装置の概略構成図である。 送信信号電力制御装置が組み込まれた移動局装置の概略構成図である。
以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による送信信号電力制御装置について説明する。この送信信号電力制御装置は、送信信号の振幅の絶対値が所定のクリッピング閾値以下の場合にその振幅がゼロとなるように送信信号をクリッピングするとともに、振幅がゼロのときに電力増幅器を停止することで、電力増幅器のエネルギー効率の低下を抑制する。さらにこの送信信号電力制御装置は、送信信号をクリッピングすることにより生じる高周波成分を、ローパスフィルタにより減衰させることで、送信信号の歪みを抑制する。
なお、送信信号電力制御装置は、送信信号を電力増幅器を用いて増幅し、増幅された送信信号を出力する様々な通信装置に搭載できる。例えば、送信信号電力制御装置は、所定の通信規格に従った移動体通信システムにおける基地局装置または移動局装置に搭載できる。なお、所定の通信規格は、例えば、LTE、またはモバイルWiMAXである。
また、送信信号電力制御装置に入力される送信信号は、所定の多重化方式によって多重化され、かつ所定の変調方式に従って変調されたデジタル信号である。例えば、送信信号は、直交周波数分割多重方式に従って、信号値に応じて変調された各サブキャリアを逆高速フーリエ変換することにより得られた信号を、パラレル/シリアル変換して得られた信号である。低電力減衰器11は、送信信号をベースバンド処理部(図示せず)から受け取る。
図1は、一つの実施形態による送信信号電力制御装置の概略構成図である。送信信号電力制御装置1は、低電力減衰器11と、デジタル/アナログコンバータ12と、無線周波数アップコンバータ13と、電力増幅器14と、制御部15とを有する。
送信信号電力制御装置1が有するこれらの各部は、例えば、それぞれ、別個の回路として送信信号電力制御装置1に実装される。
低電力減衰器11は、送信信号の振幅の絶対値が所定のクリッピング閾値以下の場合に、その振幅をゼロにする。そのために、低電力減衰器11は、クリッピング部21と、ローパスフィルタ22とを有する。クリッピング部21及びローパスフィルタ22は、例えば、デジタル信号プロセッサ上で動作するプログラムにより実現される。
クリッピング部21は、送信信号の振幅の絶対値を所定のクリッピング閾値αと比較する。そしてクリッピング部21は、送信信号の振幅の絶対値がそのクリッピング閾値α以下である場合、送信信号の振幅を減衰させ、好ましくは、振幅をゼロにする。本実施形態では、クリッピング部21により行われるクリッピング処理は、次式により表される。
Figure 0005958336
ここでr(t)は、時刻tにおける送信信号の振幅を表す。y(t)は、時刻tにおける、クリッピング部21から出力される送信信号の振幅を表す。
図2は、クリッピング部21に入力される送信信号の振幅と、クリッピング部21から出力される送信信号の振幅の関係の一例を示す図である。図2において、横軸はクリッピング部21に入力される送信信号の振幅を表し、縦軸は、クリッピング部21から出力される送信信号の振幅を表す。そしてグラフ200は、クリッピング部21の入出力特性を表す。図2に示されるように、入力される送信信号の振幅の絶対値がクリッピング閾値α以下では、出力される送信信号の振幅はゼロになる。一方、入力される送信信号の振幅の絶対値がクリッピング閾値αよりも大きい場合には、出力される送信信号の振幅は入力される送信信号の振幅と等しい。
図3は、クリッピング閾値αと電力増幅器のエネルギー効率の向上率との関係の一例を示す図である。図3において、横軸はクリッピング閾値α(単位dB)を表し、縦軸は、送信信号のクリッピングを行わない場合の電力増幅器14のエネルギー効率に対する、エネルギー効率の向上率η(単位%)を表す。そしてグラフ300は、クリッピング閾値αとエネルギー効率の向上率との関係を表す。グラフ300に示されるように、クリッピング閾値αが大きいほど、エネルギー効率ηも向上する。
しかしながら、クリッピング閾値αを高くするほど、送信信号の波形が歪むので、エラーベクトル振幅(Error Vector Magnitude, EVM)も増大する。そのため、クリッピング閾値αは、送信信号電力制御装置1が実装される通信装置について許容されるEVMの最大値に対応する値に設定されることが好ましい。
図4は、クリッピング閾値αとEVMの関係の一例を示す図である。図4において、横軸はクリッピング閾値(単位dB)を表し、縦軸はEVM(単位dB)を表す。そしてグラフ400は、クリッピング閾値αとEVMとの関係を表す。例えば、許容されるEVMの最大値が-30dBである場合、グラフ400より、対応するクリッピング閾値αは-16dBとなる。ここで再度図3を参照すると、クリッピング閾値αが-16dBのとき、電力増幅器14のエネルギー効率の向上率ηは、グラフ300より、2%超となる。
クリッピング部21は、送信信号をローパスフィルタ22へ出力する。
送信信号をクリッピングすることによって、送信信号が歪むので、元の送信信号が持つ周波数の最大値よりも高い周波数を持つアウトバンド周波数成分が生じる。このようなアウトバンド周波数成分が増加すると、隣接チャネル間で信号電力が漏洩するおそれがあるので好ましくない。そこで、ローパスフィルタ22は、クリッピング部21から受け取った、低電力部分がクリッピングされた送信信号について、元の送信信号が持つ周波数の最大値よりも高い周波数成分、すなわち、クリッピングにより生じたアウトバンド周波数成分を減衰させる。これにより、クリッピングによる送信信号の歪みが補正される。そしてローパスフィルタ22は、送信信号をデジタル/アナログコンバータ12及び制御部15へ出力する。
デジタル/アナログコンバータ12は、低電力減衰器11から受け取った、低電力部分がクリッピングされた送信信号を、電力増幅器14に入力するためにアナログ化する。そしてデジタル/アナログコンバータ12は、アナログ化された送信信号を無線周波数アップコンバータ13へ出力する。
無線周波数アップコンバータ13(以下、RFアップコンバータと呼ぶ)は、局部発振周波数を持つ周期信号である局部発振信号を発信する発振器と乗算器を有する。そしてRFアップコンバータ13は、アナログ化された送信信号に局部発振信号を乗じることにより、アナログ化された送信信号を無線周波数を持つ搬送波に重畳する。そしてRFアップコンバータ13は、搬送波に重畳された送信信号を電力増幅器14へ出力する。
電力増幅器14は、搬送波に重畳された送信信号を増幅する。そのために、電力増幅器14は、無線周波数を持つ信号を増幅できる電力増幅器、例えば、LINC増幅器とすることができる。電力増幅器14は、制御部15により動作させられている間、送信信号を増幅し、一方、制御部15により停止されている間は送信信号を増幅しない。電力増幅器14からの出力信号は、例えば、デュプレクサ(図示せず)を介してアンテナ(図示せず)へ伝達され、そしてその出力信号は無線信号としてアンテナから放射される。
制御部15は、例えば、比較器またはデジタル信号プロセッサを有し、低電力減衰器11から受け取った送信信号の振幅を所定の閾値と比較する。所定の閾値は、例えば、クリッピング部21により使用されるクリッピング閾値以下の値、例えばゼロに設定される。そして制御部15は、送信信号の振幅の絶対値が所定の閾値よりも大きければ、電力増幅器14を動作させる。一方、制御部15は、送信信号の振幅の絶対値が所定の閾値以下であれば、電力増幅器14を停止する。
なお、電力増幅器14を停止するために、例えば、制御部15は、電力増幅器14に駆動用の電力を供給する駆動回路(図示せず)に対して、電力増幅器14への電力供給を停止させる制御信号を出力する。あるいは、制御部15は、バイアス制御により電力増幅器14をカットオフモードに設定することで、電力増幅器14を停止してもよい。何れの方法によっても、電力増幅器14が停止している間、電力増幅器14を流れるドレイン電流はゼロになるので、電力増幅器14におけるエネルギーのロスを避けることができる。
以上に説明してきたように、この送信信号電力制御装置は、元の送信信号の振幅が低電力減衰器によりクリッピングされるほど低いときには、電力増幅器を動作させないようにする。その結果として、電力増幅器のエネルギー効率が向上する。
変形例によれば、送信信号電力制御装置は、直列に接続された複数の低電力減衰器を有していてもよい。
図5は、変形例による送信信号電力制御装置の概略構成図である。変形例による送信信号電力制御装置2は、直列に接続された4個の低電力減衰器11−1〜11−4と、デジタル/アナログコンバータ12と、RFアップコンバータ13と、電力増幅器14と、制御部15とを有する。
なお、図5において、送信信号電力制御装置2の各構成要素には、図1に示された送信信号電力制御装置1の対応する構成要素の参照符号と同じ参照符号を付した。送信信号電力制御装置2は、送信信号電力制御装置1と比較して、直列に接続された複数の低電力減衰器を有する点で異なる。
低電力減衰器11−1〜11−4は、それぞれ、上記の実施形態における送信信号電力制御装置1の低電力減衰器11と同様に、クリッピング部と、クリッピング部に後続するローパスフィルタとを有する。そして低電力減衰器11−1のクリッピング部は、入力された送信信号の振幅の絶対値がクリッピング閾値以下の場合、その振幅をゼロにする。そしてクリッピング部から出力された送信信号は、ローパスフィルタによって元の送信信号電力の周波数の最大値よりも高い周波数成分が減衰される。
低電力減衰器11−1のローパスフィルタから出力された送信信号は、低電力減衰器11−2、低電力減衰器11−3、低電力減衰器11−4の順番に経由した後、デジタル/アナログコンバータ12及び制御部15へ入力される。そして低電力減衰器11−2〜11−4も、入力された送信信号に対して低電力減衰器11−1の処理と同様の処理を実行する。このように、送信信号電力制御装置2は、低電力のクリッピングとクリッピングにより生じる高周波成分の減衰を繰り返すことにより、送信信号の歪みを抑制できる。
図6は、直列に接続される低電力減衰器の数と送信信号の歪みとの関係の一例を示す図である。図6において、横軸は時間を表し、縦軸は送信信号の振幅を表す。グラフ601は、低電力減衰器が一つだけ使用される場合における、低電力減衰器から出力された送信信号の波形を表す。またグラフ602〜604は、それぞれ、直列に接続された低電力減衰器が2個〜4個の場合における、最終段の低電力減衰器から出力された送信信号の波形を表す。
グラフ601〜604に示されるように、送信信号が経由する低電力減衰器の数が多いほど、送信信号の振幅の絶対値がクリッピング閾値α以下となったときの送信信号の波形の歪みが低下する。すなわち、送信信号が経由する低電力減衰器の数が多いほど、送信信号の振幅の絶対値がクリッピング閾値α以下となっている期間のうち、その振幅が実際にゼロとなる期間が長くなる。
このように、送信信号電力制御装置は、直列に接続される複数の低電力減衰器を有することにより、クリッピングによる送信信号の歪みをより小さくできる。
図7は、上述した実施形態またはその変形例による送信信号電力制御装置が組み込まれた通信装置の一例である、基地局装置の概略構成図である。基地局装置100は、回線終端部101と、ベースバンド処理部102と、送信信号電力制御部103と、デュプレクサ104と、アンテナ105と、受信用増幅器106と、受信部107とを有する。
また、ベースバンド処理部102、送信信号電力制御部103及び受信部107は、それぞれ、別個の回路であってもよく、あるいは、これらの各部は、それら回路が集積された集積回路であってもよい。
回線終端部101は、基地局装置100をコアネットワークと接続するための通信インターフェースを有する。そして回線終端部101は、移動局装置へ送信されるダウンリンク信号をコアネットワークから受信し、そのダウンリンク信号をベースバンド処理部102に出力する。一方、回線終端部101は、移動局装置から受信したアップリンク信号をベースバンド処理部102から受信し、そのアップリンク信号をコアネットワークへ出力する。
ベースバンド処理部102は、ダウンリンク信号に対して畳込み符号化あるいはターボ符号化などの誤り訂正用符号化処理などの送信処理を実行する。さらにベースバンド処理部102は、符号化されたダウンリンク信号に対して直交周波数分割多重(OFDMA)などの直交変調処理を行い、ダウンリンク信号を多重化する。ベースバンド処理部102は、直交変調されたダウンリンク信号を送信信号電力制御部103へ出力する。
またベースバンド処理部102は、受信部107から受信したベースバンド周波数を持つアップリンク信号を復調する。そしてベースバンド処理部102は、復調されたアップリンク信号に対して誤り訂正復号処理などの受信処理を実行する。そしてベースバンド処理部102は、復号されたアップリンク信号を回線終端部101へ出力する。
送信信号電力制御部103は、上記の実施形態またはその変形例による送信信号電力制御装置である。送信信号電力制御部103は、ダウンリンク信号の振幅の絶対値がクリッピング閾値以下となるとき、ダウンリンク信号の振幅を減衰させた後、そのダウンリンク信号をアナログ化して、無線周波数を持つ搬送波に重畳する。そして送信信号電力制御部103は、ダウンリンク信号の振幅が減衰させられていない場合に搬送波に重畳されたダウンリンク信号を電力増幅器によって増幅し、その信号をデュプレクサ104を介してアンテナ105へ伝達する。そしてアンテナ105は、送信信号電力制御部103から伝達されたダウンリンク信号を放射する。
またアンテナ105は、移動局装置から送信されたアップリンク信号を受信し、そのアップリンク信号をデュプレクサ104を介して受信用増幅器106に伝達する。
受信用増幅器106は、低ノイズアンプを有する。そして受信用増幅器106は、受信したアップリンク信号を増幅し、その増幅されたアップリンク信号を受信部107へ出力する。
受信部107は、アップリンク信号に局部発信周波数を持つ周期信号を重畳することにより、アップリンク信号の周波数を無線周波数からベースバンド周波数に変換する。そして受信部107は、ベースバンド周波数を持つアップリンク信号をアナログ/デジタル変換した後、ベースバンド処理部102に渡す。
図8は、上述した実施形態またはその変形例による送信信号電力制御装置が組み込まれた通信装置の他の一例である、移動局装置の概略構成図である。移動局装置200は、制御部201と、ベースバンド処理部202と、送信信号電力制御部203と、デュプレクサ204と、アンテナ205と、受信用増幅器206と、受信部207とを有する。
制御部201、ベースバンド処理部202、送信信号電力制御部203及び受信部207は、それぞれ、別個の回路であってもよく、あるいは、これらの各部は、それら回路が集積された一つの集積回路であってもよい。
制御部201は、移動局装置200全体を制御する。そして制御部201は、移動局装置200で動作する各種のアプリケーションプログラムを実行する。そのために、制御部201は、プロセッサと不揮発性メモリ及び揮発性メモリを有する。制御部201は、移動局装置200が有するキーパッドなどの操作部(図示せず)を介したユーザの操作により、電話、データ通信などの通信を行うアプリケーションが起動されると、そのアプリケーションにしたがって呼制御を実行する。そして制御部201は、そのアプリケーションにより送信することが要求されたデータあるいは移動局装置200が有するマイクロホン(図示せず)から取得した音声信号に対して情報源符号化処理を実行する。そして制御部201は、それらの処理の結果得られた信号をアップリンク信号としてベースバンド処理部202に渡す。また制御部201は、ベースバンド処理部202からダウンリンク信号を受け取ると、情報源符号の復号処理などを実行することにより、音声信号あるいはデータを取得する。そして制御部201は、移動局装置200が有するスピーカ(図示せず)へ音声信号を渡す。また制御部201は、取得したデータを移動局装置200が有するディスプレイ(図示せず)に表示させる。
ベースバンド処理部202は、アップリンク信号に対して畳込み符号化あるいはターボ符号化などの誤り訂正用符号化処理などの送信処理を実行する。さらにベースバンド処理部202は、符号化されたアップリンク信号に対して直交変調処理を行い、アップリンク信号を多重化する。ベースバンド処理部202は、直交変調されたアップリンク信号を送信信号電力制御部203へ出力する。
またベースバンド処理部202は、受信部207から受信したベースバンド周波数を持つダウンリンク信号を復調する。そしてベースバンド処理部202は、復調されたダウンリンク信号に対して誤り訂正復号処理などの受信処理を実行する。そしてベースバンド処理部202は、復号されたダウンリンク信号を制御部201へ出力する。
送信信号電力制御部203は、上記の実施形態またはその変形例による送信信号電力制御装置である。送信信号電力制御部203は、アップリンク信号の振幅の絶対値がクリッピング閾値以下となるとき、アップリンク信号の振幅を減衰させた後、そのアップリンク信号をアナログ化して、無線周波数を持つ搬送波に重畳する。そして送信信号電力制御部203は、アップリンク信号の振幅が減衰させられていない場合に搬送波に重畳されたアップリンク信号を電力増幅器によって増幅し、その信号をデュプレクサ204を介してアンテナ205へ伝達する。そしてアンテナ205は、送信信号電力制御部203から伝達されたアップリンク信号を放射する。
またアンテナ205は、基地局装置から送信されたダウンリンク信号を受信し、そのダウンリンク信号をデュプレクサ204を介して受信用増幅器206に伝達する。
受信用増幅器206は、低ノイズアンプを有する。そして受信用増幅器206は、受信したダウンリンク信号を増幅し、その増幅されたダウンリンク信号を受信部207へ出力する。
受信部207は、ダウンリンク信号に局部発信周波数を持つ周期信号を重畳することにより、ダウンリンク信号の周波数を無線周波数からベースバンド周波数に変換する。そして受信部207は、ベースバンド周波数を持つダウンリンク信号をアナログ/デジタル変換した後、ベースバンド処理部202に渡す。
ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。
1、2 送信信号電力制御装置
11、11−1〜11−4 低電力減衰器
12 デジタル/アナログコンバータ
13 RFアップコンバータ
14 電力増幅器
15 制御部
21 クリッピング部
22 ローパスフィルタ
100 基地局装置
200 移動局装置
101 回線終端部
201 制御部
102、202 ベースバンド処理部
103、203 送信信号電力制御部
104、204 デュプレクサ
105、205 アンテナ
106、206 受信用増幅器
107、207 受信部

Claims (6)

  1. 入力された送信信号の振幅の絶対値が所定のクリッピング閾値以下の場合に前記送信信号の振幅を減衰させる少なくとも一つの低電力減衰器と、
    前記少なくとも一つの低電力減衰器から出力された送信信号を増幅する電力増幅器と、
    前記少なくとも一つの低電力減衰器から出力された送信信号の振幅の絶対値が、前記クリッピング閾値以下の所定値以下の場合に前記電力増幅器の動作を停止し、前記少なくとも一つの低電力減衰器から出力された送信信号の振幅の絶対値が前記所定値よりも大きい場合に前記電力増幅器を動作させる制御部と、
    を有する送信信号電力制御装置。
  2. 前記少なくとも一つの低電力減衰器は、
    入力された前記送信信号の振幅の絶対値が前記クリッピング閾値以下の場合に前記送信信号の振幅を減衰させるクリッピング部と、
    前記クリッピング部から出力された送信信号に含まれる、前記クリッピング部により生じる高周波成分を減衰させるローパスフィルタとを有する、請求項1に記載の送信信号電力制御装置。
  3. 前記少なくとも一つの低電力減衰器は、直列に接続された複数の前記低電力減衰器を有する、請求項2に記載の送信信号電力制御装置。
  4. 前記クリッピング閾値は、前記送信信号電力制御装置について許容されるエラーベクトル振幅の最大値に対応する値である、請求項1〜3の何れか一項に記載の送信信号電力制御装置。
  5. 送信信号を生成するベースバンド処理部と、
    前記送信信号を増幅する送信信号電力制御部と、
    前記増幅された送信信号を放射するアンテナとを有し、
    前記送信信号電力制御部は、
    入力された前記送信信号の振幅の絶対値が所定のクリッピング閾値以下の場合に前記送信信号の振幅を減衰させる少なくとも一つの低電力減衰器と、
    前記少なくとも一つの低電力減衰器から出力された送信信号を増幅する電力増幅器と、
    前記少なくとも一つの低電力減衰器から出力された送信信号の振幅の絶対値が、前記クリッピング閾値以下の所定値以下の場合に前記電力増幅器の動作を停止し、前記少なくとも一つの低電力減衰器から出力された送信信号の振幅の絶対値が前記所定値よりも大きい場合に前記電力増幅器を動作させる制御部と、
    を有する通信装置。
  6. コアネットワークからダウンリンク信号を受信する回線終端部をさらに有し、
    前記ベースバンド処理部は、前記ダウンリンク信号を符号化することにより前記送信信号を生成する、
    基地局装置である請求項5に記載の通信装置。
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