(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を増幅して出力信号を生成する送信アンプと、
前記送信アンプの電源電圧を制御する電圧制御アンプと、を備える送信機であって、
前記入力信号の包絡線信号であって、前記入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号を計算する包絡線計算部と、を備え、
前記電圧制御アンプは、前記入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号に基づき前記送信アンプの電源電圧を制御する、ことを特徴とする送信機。
【請求項２】
前記入力信号と前記近似包絡線信号との位相が合うように前記入力信号の遅延補正を行い、遅延補正後の前記入力信号を前記送信アンプに供給する遅延補正部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の送信機。
【請求項３】
前記送信アンプの出力信号の出力包絡線信号を検出する包絡線検出部と、
前記出力包絡線信号と、前記近似包絡線信号との振幅及び位相を比較する遅延振幅比較部と、
前記送信アンプにおいて前記入力信号と前記電源電圧の位相が合うように、前記振幅及び位相に基づき前記近似包絡線信号の振幅と位相を補正し、かつ、前記遅延を前記遅延補正部に供給する振幅位相補正部と、を備え、
前記遅延補正部は、前記振幅位相補正部から供給された前記遅延により、前記入力信号の遅延補正を行う、ことを特徴とする請求項２に記載の送信機。
【請求項４】
送信機の信号処理方法であって、
送信アンプが、入力信号を増幅して出力信号を生成するステップと、
電圧制御アンプが、前記送信アンプの電源電圧を制御するステップと、
包絡線計算部が、前記入力信号の包絡線信号であって、前記入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号を計算するステップと、
遅延補正部が、前記入力信号と前記近似包絡線信号との位相が合うように前記入力信号の遅延補正を行い、遅延補正後の前記入力信号を前記送信アンプに供給するステップとを含み、
前記電圧制御アンプが、前記入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号に基づき前記送信アンプの電源電圧を制御するステップを含むことを特徴とする信号処理方法。
【請求項５】
包絡線検出部が、前記送信アンプの出力信号の出力包絡線信号を検出するステップと、
遅延振幅比較部が、前記出力包絡線信号と、前記近似包絡線信号との振幅及び位相を比較するステップと、
比較した位相から遅延を求めるステップと、
振幅位相補正部が、前記送信アンプにおいて前記入力信号と前記電源電圧の位相が合うように、前記遅延に基づき前記近似包絡線信号の振幅及び位相を補正し、かつ、前記遅延を前記遅延補正部に供給するステップと、
前記遅延補正部が、前記振幅位相補正部から供給された前記遅延により、前記入力信号の遅延補正を行うステップと、を含むことを特徴とする請求項４に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願へのクロスリファレンス】
【０００１】
本出願は、日本国特許出願２０１１−１２５１６４号（２０１１年６月３日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
【技術分野】
【０００２】
この発明は、送信機および信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
携帯電話等の無線通信端末や移動体通信基地局装置等の無線送信機においては、省電性に優れ、かつ歪みの少ない増幅器が求められる。一般に、送信機における送信ＲＦパワーアンプは、歪性能を満足するため、飽和出力から十分にバックオフを取った線形性の良好な出力レベルで使用されている。しかし、これは送信ＲＦパワーアンプを電力効率の悪い状態で使用することになり、消費電力を増加させ、送信機の大型化の原因となっていた。そこで、これまでに、送信ＲＦパワーアンプの高効率化に向け、ドハティ（Doherty）増幅器やＥＴ(Envelope Tracking）方式の増幅器など様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３及び非特許文献１、２参照）。【０００４】
図７は、アナログ方式のＥＴ方式の増幅器の回路構成を示す図であり、図８は、デジタル方式のＥＴ方式の増幅器の回路構成を示す図である。ＥＴ方式では、入力信号は２つに分岐され、一方の入力信号は検波回路へ入力することで振幅信号成分（包絡線信号）のみが取り出される。送信ＲＦパワーアンプの電源電圧を制御するアンプ（以下、「エンベロープアンプ」という。）は、当該包絡線信号に比例する電圧により、送信ＲＦパワーアンプの電源電圧を制御する。他方の入力信号はリミッタ回路によって位相信号成分のみの高周波信号となり、送信ＲＦパワーアンプは、エンベロープアンプから供給される電源電圧で高周波信号を増幅することにより、本来の包絡線を含む送信ＲＦ信号を出力することができる。【０００５】
送信ＲＦパワーアンプの効率の定義は、一般的に式（１）の通りである。ここで、Ｖｏｕｔは出力電圧、Ｉｏｕｔは出力電流、Ｖｄｄは供給電圧（電源電圧）、Ｉｄｄは供給電流を表す。【０００６】
効率  ＝  Ｖｏｕｔ×Ｉｏｕｔ／Ｖｄｄ×Ｉｄｄ      （１）【０００７】
上記式（１）より、電源電圧であるＶｄｄを固定電源電圧に比べて低くなるように変動させれば、固定電源電圧である場合に比べて効率を改善できることがわかる。特に、ＥＴ方式の増幅器は、上記の通り、エンベロープアンプから送信ＲＦパワーアンプに供給される電源電圧が包絡線信号に応じて変化するため、増幅器の効率を改善することができる。【０００８】
図９は、ＥＴ方式のエンベロープアンプの回路構成を示す図である。なお、図９において、送信ＲＦパワーアンプを等価的な負荷Ｒｌｏａｄで示している。エンベロープアンプへの入力信号はまずボルテージホロアアンプに加えられ、負荷Ｒｓｅｎｓｅを通じて負荷Ｒｌｏａｄに電流が流れ込む。一方、負荷Ｒｓｅｎｓｅの両端に発生する電圧によりコンパレータ（ヒステリシス幅ｈ）が動作し、ＭＯＳ−ＦＥＴがＯＮになるとコイルＬから負荷Ｒｌｏａｄに電流が流れ込む。これにより、負荷Ｒｓｅｎｓｅの負荷Ｒｌｏａｄ側の電圧が上がり、コンパレータが反転してＭＯＳ−ＦＥＴはＯＦＦとなる。このように回路は自ら発信し、ＰＷＭ信号を生成する。【０００９】
ＥＴ方式におけるエンベロープアンプでは、上述の通りＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体素子をスイッチとして用いている。例えば、非特許文献１によると、２０ＭＨｚのＯＦＤＭ信号を想定した場合、詳細な包絡線を再現するためのスイッチング周波数は１００ＭＨｚ必要といわれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１１７３１５号公報
【特許文献２】特開２００４−２８９８１２号公報
【特許文献３】特開２００６−１４８８３５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】宮崎慎也他、「移動体通信基地局用送信電力増幅器の高効率化に向けた基本技術開発」、島田理化技報、No.20、pp30-33、2008
【非特許文献２】神戸章宏他、「基地局パワーアンプ用包絡線追跡電源の新アーキテクチャ」、第２１回  回路とシステムワークショップ、2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
スイッチング周波数が送信ＲＦ信号の数倍程度と高い場合、スイッチング信号の立ち上り／立ち下がり時間にかかる制約も厳しくなり、スイッチング素子に汎用素子を活用することが難しくなる。また、スイッチング周波数が送信ＲＦ信号と同程度である場合でも、依然として、半導体素子のゲートドライバの消費電力が大きくなるという問題がある。【００１３】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、送信ＲＦパワーアンプの効率を高めると共に、エンベロープアンプにおけるスイッチング周波数を送信ＲＦ信号より低くすることが可能な送信機及び信号処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る送信機は、
入力信号を増幅して出力信号を生成する送信アンプと、
前記送信アンプの電源電圧を制御する電圧制御アンプと、を備える送信機であって、
前記入力信号の包絡線信号であって、前記入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号を計算する包絡線計算部と、を備え、
前記電圧制御アンプは、前記入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号に基づき前記送信アンプの電源電圧を制御する、ことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明に係る送信機は、
前記入力信号と前記近似包絡線信号との位相が合うように前記入力信号の遅延補正を行い、遅延補正後の前記入力信号を前記送信アンプに供給する遅延補正部を備えることが好ましい。【００１６】
また、本発明に係る送信機は、
前記送信アンプの出力信号の出力包絡線信号を検出する包絡線検出部と、
前記出力包絡線信号と、前記近似包絡線信号との振幅及び位相を比較する遅延振幅比較部と、
前記送信アンプにおいて前記入力信号と前記電源電圧の位相が合うように、前記振幅及び位相に基づき前記近似包絡線信号の振幅と位相を補正し、かつ、前記遅延を前記遅延補正部に供給する振幅位相補正部と、を備え、
前記遅延補正部は、前記位相振幅補正部から供給された前記遅延により、前記入力信号の遅延補正を行う、ことが好ましい。【００１７】
また、上述した諸課題を解決すべく、本発明に係る信号処理方法は、
送信機の信号処理方法であって、
送信アンプが、入力信号を増幅して出力信号を生成するステップと、
電圧制御アンプが、前記送信アンプの電源電圧を制御するステップと、
包絡線計算部が、前記入力信号の包絡線信号であって、前記入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号を計算するステップと、
遅延補正部が、前記入力信号と前記近似包絡線信号との位相が合うように前記入力信号の遅延補正を行い、遅延補正後の前記入力信号を前記送信アンプに供給するステップとを含み、
前記電圧制御アンプが、前記入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号に基づき前記送信アンプの電源電圧を制御するステップを含むことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係る信号処理方法は、
包絡線検出部が、前記送信アンプの出力信号の出力包絡線信号を検出するステップと、
遅延振幅比較部が、前記出力包絡線信号と、前記近似包絡線信号との振幅及び位相を比較するステップと、
比較した位相から遅延を求めるステップと、
振幅位相補正部が、前記送信アンプにおいて前記入力信号と前記電源電圧の位相が合うように、前記遅延に基づき前記近似包絡線信号の振幅及び位相を補正し、かつ、前記遅延を前記遅延補正部に供給するステップと、
前記遅延補正部が、前記位相振幅補正部から供給された前記遅延により、前記入力信号の遅延補正を行うステップと、を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による送信機及び信号処理方法によれば、送信ＲＦパワーアンプの効率を高めるとともに、エンベロープアンプにおけるスイッチング周波数を送信ＲＦ信号より低くすることができ、スイッチング素子の選択の幅を広げ、かつ、スイッチングに関する消費電力を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る送信機の概略回路構成を示す図である。
【図２】近似包絡線信号の概要を示す図である。
【図３】近似包絡線信号の遅延補正の概要を示す図である。
【図４】図１に示すエンベロープアンプの概略回路構成を示す図である。
【図５】エンベロープアンプが出力する電源電圧の概要を示す図である。
【図６】エンベロープアンプが出力する電源電圧のクランプの一例を示す図である。
【図７】従来のＥＴ方式のアナログ増幅回路の概略回路構成を示す図である。
【図８】従来のＥＴ方式のデジタル増幅回路の概略回路構成を示す図である。
【図９】従来のエンベロープアンプの概略回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る送信機の回路構成を示す図である。本実施形態に係る送信機は、特にＯＦＤＭ信号を出力するものであり、例えば、携帯電話等の無線通信端末や、移動体通信基地局装置である。送信機は、遅延補正部１と、ＩＱ変調部２と、送信ＲＦパワーアンプ３（送信アンプ）と、包絡線計算部４と、振幅位相補正部５と、エンベロープアンプ６（電圧制御アンプ）と、ＩＱ復調部７と、包絡線検出部８と、遅延振幅比較部９とを備える。
【００２３】
入力信号であるベースバンドＯＦＤＭ信号は、遅延補正部１により遅延補正（詳細は後述）が行われた後、ＩＱ変調部２によりＩＱ変調され、送信ＲＦパワーアンプ３よりパスバンドＯＦＤＭ信号として出力される。
【００２４】
包絡線計算部４は、入力信号であるベースバンドＯＦＤＭ信号から振幅信号（入力信号の包絡線信号）を取得する。包絡線計算部４は、ベースバンドＯＦＤＭ信号の詳細な包絡線信号（以下、「入力包絡線信号」という）と、ベースバンドＯＦＤＭ信号よりサンプリング周期の低い近似的な包絡線信号（以下、「近似包絡線信号」）を取得する。図２は、ベースバンドＯＦＤＭ信号と近似包絡線信号との関係を示す図である。図の通り、近似包絡線信号は、ベースバンドＯＦＤＭ信号に比べ緩やかな波形の信号である。なお、入力包絡線信号は、ベースバンドＯＦＤＭ信号の１サンプル毎の包絡線としている。包絡線計算部４は、入力包絡線信号及び近似包絡線信号の位相を合わせ、入力包絡線信号を遅延振幅比較部９に供給し、近似包絡線信号を振幅位相補正部５に供給する。
【００２５】
ここで、包絡線計算部４は、例えば１０サンプル程度のベースバンドＯＦＤＭ信号を読み込んでから包絡線信号を作成するため、ベースバンドＯＦＤＭ信号と包絡線信号との間には計算処理による遅延が発生する。図３は、ベースバンドＯＦＤＭ信号と近似包絡線信号との遅延を示す図である。ベースバンドＯＦＤＭ信号と包絡線信号（特に近似包絡線信号）との間に遅延がある場合、当該遅延を解消しない限り、送信ＲＦパワーアンプ３における入力信号と電源電圧との間に同様の遅延が生じるため、送信ＲＦパワーアンプ３の効率が低下してしまう。以下、送信ＲＦパワーアンプ３において、入力信号と電源電圧との位相を合わせる処理について詳述する。
【００２６】
ＩＱ復調部７は、送信ＲＦパワーアンプ３が出力するパスバンドＯＦＤＭ信号をＩＱ復調し、復調したＩＱ信号を包絡線検出部８に供給する。包絡線検出部８は、ＩＱ復調部７から供給されたＩＱ信号の包絡線信号（出力包絡線信号）を検出する。包絡線検出部８は、検出した出力包絡線信号を遅延振幅比較部９に供給する。
【００２７】
遅延振幅比較部９は、包絡線計算部４からの入力包絡線信号と、包絡線検出部８からの出力包絡線信号との振幅と位相を比較し、両包絡線信号間の振幅比と遅延を求める。なお、上述の通り、包絡線計算部４は、入力包絡線信号と近似包絡線信号とを同期させているため、遅延振幅比較部９は、実質的に近似包絡線信号と出力包絡線信号との遅延を求めることになる。遅延振幅比較部９は、求めた振幅及び遅延情報を振幅位相補正部５に供給する。振幅位相補正部５は、送信ＲＦパワーアンプ３において、電源電圧振幅の制御と、入力信号との位相を合わせるための処理を行うものである。まず、振幅位相補正部５は、遅延振幅比較部９からの振幅及び遅延情報により近似包絡線信号の振幅及び遅延（位相）を補正してエンベロープアンプ６に供給する。また、振幅位相補正部５は、遅延補正部１が入力信号を近似包絡線信号と同期させるように、遅延補正部１に対して遅延情報を供給する。遅延補正部１は、振幅位相補正部５からの振幅及び遅延情報に基づき、入力されたベースバンドＯＦＤＭ信号を遅延させてＩＱ変調部２に出力するため、送信ＲＦパワーアンプ３において、電源電圧と入力信号との位相を同期させることができる。
【００２８】
エンベロープアンプ６は、送信ＲＦパワーアンプ３が飽和領域で動作するように、振幅位相補正部５からの近似包絡線信号に基づき、送信ＲＦパワーアンプ３に印加する電源電圧を制御する。図４は、エンベロープアンプ６の構成を示す図である。エンベロープアンプ６は、コンパレータ６１と、ゲートドライバ６２と、ＭＯＳ−ＦＥＴと、インダクタンスＬと、コンデンサＣと、整流素子Ｄとを備える。コンパレータ６１は、エンベロープ信号である近似包絡線信号と三角波信号とを比較してＰＷＭ信号を作成する。ゲートドライバ６２は、ＰＷＭ信号に基づきＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングを行う。スイッチングされたＶｄｄ電圧は、インダクタンスＬ、コンデンサＣ及び整流素子Ｄにより平滑化されて送信ＲＦパワーアンプ３に出力される電源電圧となる。近似包絡線信号の波形をＰＷＭ信号で再現するために、三角波信号の周波数は、概ね近似包絡線信号の周波数成分の１０倍としている。尚、インダクタンスＬ、コンデンサＣの値に関しては、ＰＷＭ信号の周波数において、近似包絡線信号の波形が再現できるような適切な値を設定する。
【００２９】
図５は、エンベロープアンプ６が出力する電源電圧の概要を示す図である。エンベロープアンプ６が出力する電源電圧は、近似包絡線信号に基づき、送信ＲＦパワーアンプ３の出力信号と同期して動的に変化する。このため、式（１）で示すとおり、固定電源電圧に比べ、送信ＲＦパワーアンプ３の効率を向上させることができる。
【００３０】
図６は、図５の特殊な状態を示す図であり、エンベロープアンプ６が出力する電源電圧がクランプされる場合の図である。この場合、エンベロープアンプ６は、出力する電源電圧が固定電源電圧以下となるように制御する。この場合、包絡線計算部４は、クランプを考慮した近似包絡線信号を作成することができる。例えば、包絡線計算部４は、ピーク付近の近似包絡線信号を広げることが望ましい。これにより、エンベロープアンプ６は、近似包絡線信号をＰＷＭ信号に変換して電源電圧を出力するとき、近似包絡線信号のピークを適切に変換することが可能となる。この場合、図６に示すとおり、エンベロープアンプ６が出力する電源電圧は、図５に比べピーク付近が広くなだらかな波形となる。
【００３１】
このように、本実施形態によれば、包絡線計算部４は、入力信号の包絡線信号であって、入力信号より低い周波数でサンプリングした近似包絡線信号を計算し、遅延補正部１は、入力信号と近似包絡線信号との位相が合うように入力信号の遅延補正を行い、遅延補正後の入力信号を送信ＲＦパワーアンプ３に供給し、エンベロープアンプ６は、近似包絡線信号に基づき送信ＲＦパワーアンプ３の電源電圧を制御する。これにより、送信ＲＦパワーアンプ３の効率を向上させるとともに、エンベロープアンプ６におけるスイッチング周波数を送信ＲＦ信号より低くすることができ、スイッチング素子の選択の幅を広げ、かつ、スイッチングに関する消費電力を低減させることができる。
【００３２】
また、遅延振幅比較部９は、出力包絡線信号と、入力近似包絡線信号との振幅比及び遅延を求め、振幅位相補正部５は、振幅比及び遅延に基づき近似包絡線信号の振幅比及び位相を補正し、遅延補正部１は、当該遅延により、入力信号の遅延補正を行う。これにより、入力信号の包絡線（入力包絡線信号）と出力信号の包絡線（出力包絡線信号）との比較から精度の高い振幅比及び遅延を求め、送信ＲＦパワーアンプ３において電源電圧の制御と入力信号と電源電圧の位相を同期させることができ、送信ＲＦパワーアンプ３の効率を向上させることができる。
【００３３】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【００３４】
例えば、上記実施形態においては、遅延補正部１がベースバンドＯＦＤＭ信号の遅延補正を行うための遅延情報を、入力信号の包絡線（入力包絡線信号）と出力信号の包絡線（出力包絡線信号）との比較により求めていた。例えば、このようなフィードバック的な遅延情報の取得の他に、予め包絡線計算部４でかかる計算時間に基づいて算出した遅延情報を遅延補正部に設定しておくことも考えられる。また、包絡線計算部４が動的に計算処理による遅延を計測し、遅延補正部１に随時遅延情報を送信する構成も考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１  遅延補正部
２  ＩＱ変調部
３  送信ＲＦパワーアンプ（送信アンプ）
４  包絡線計算部
５  振幅位相補正部
６  エンベロープアンプ（電圧制御アンプ）
６１  コンパレータ
６２  ゲートドライバ
７  ＩＱ復調部
８  包絡線検出部
９  遅延振幅比較部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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