(57)【要約】【解決手段】信号処理装置はさらなる電力増幅をするかしないで送信に適する無線周波数信号を生成するため無線送信機に使用する入力端子と出力端子を有する。信号処理装置は入力信号をデジタル化包絡線信号であるパルス列信号を生成する第１経路及び一定包絡線位相信号を生成するように動作する位相処理手段を構成する第２処理経路に分離する。ＲＦスイッチはパルス列信号によって位相信号を切り換えるよう動作する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
更なる電力増幅の有無にかかわらず送信に適した無線周波数信号を生成するために無線送信機に使用される信号処理装置であって、入力信号を、入力信号デジタル包絡線信号であるパルス列信号を生成する信号包絡線処理手段を含む第１処理経路及び一定包絡線位相信号を生成する位相処理手段を含む第２処理経路に分離する信号分離手段と、前記パルス列信号によって前記位相信号を切り換えるＲＦスイッチと、を具備する信号処理装置。
【請求項２】
前記信号分離手段は入力端子及び少なくとも第１出力端子及び第２出力端子を具備する請求項１記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記第１及び第２出力端子は前記第１及び第２処理経路にそれぞれ接続される請求項１又は２記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記包絡線処理手段は入力端子及び出力端子を具備する請求項１記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記包絡線処理手段の前記入力端子は前記信号分離手段の前記第１出力端子に接続される請求項４記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記信号包絡線処理手段は包絡線信号を生成する包絡線検出手段と前記パルス列信号を生成する包絡線デジタル手段を更に具備する請求項１乃至５のいずれか１記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記包絡線検出手段は入力端子及び出力端子を具備し、前記包絡線検出手段の前記入力端子は前記包絡線処理手段の入力端子である請求項６記載の信号処理装置。
【請求項８】
前記包絡線デジタル手段は入力端子及び出力端子を具備し、前記包絡線検出手段の前記出力端子は前記包絡線処理手段の前記出力端子である請求項６記載の信号処理装置。
【請求項９】
前記包絡線検出手段の前記出力端子は前記包絡線デジタル手段の前記入力端子に接続される請求項１乃至８のいずれか１記載の信号処理装置。
【請求項１０】
前記ＲＦスイッチは入力端子、出力端子及び制御端末を具備する請求項１乃至９のいずれか１記載の信号処理装置。
【請求項１１】
前記ＲＦスイッチの前記出力端子は前記信号処理装置の前記出力端子である請求項１０記載の信号処理装置。
【請求項１２】
前記包絡線処理手段の前記出力端子は前記ＲＦスイッチの前記制御端末に接続される請求項１乃至１１のいずれか１記載の信号処理装置。
【請求項１３】
前記位相処理手段は入力端子及び出力端子を具備する請求項１乃至１２のいずれか１記載の信号処理装置。
【請求項１４】
前記位相処理手段の前記入力端子は前記信号分離手段の前記第２出力端子に接続され、前記位相処理手段の前記出力端子は前記ＲＦスイッチの前記入力端子に接続される、請求項２に従属する請求項１３記載の信号処理装置。
【請求項１５】
前記包絡線処理手段、前記位相処理手段及び前記ＲＦスイッチを実行するデジタル信号処理装置を具備する、請求項１乃至１４のいずれか１記載の信号処理装置。
【請求項１６】
送信に適する無線周波数信号を生成するため入力信号を処理する方法であって、
前記入力信号からデジタル包絡線信号であるパルス列信号を生成するステップと、
前記入力信号から一定の包絡線位相信号を生成するステップと、
前記パルス列信号によって前記一定包絡線位相信号をＲＦ切換するステップと、
を含む入力信号処理方法。
【請求項１７】
前記包絡線信号生成ステップは前記入力信号の前記包絡線を検出し、前記検出入力包絡線信号をデジタル化するステップを更に含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常、無線回路の電力増幅器と共に使用する信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
送信機の信号は実際に送信される前に多数の段階、例えば、変調、アップコンバーション及び増幅を受ける。無線回路の送信機は、通常、各種回路素子、例えば、周波数ミキサ、局部発信機、電力増幅器、フィルタ及びアンテナにより構成される。
【０００３】
図１を参照すると、通常送信機１０のブロック回路図が示されている。図１の通常送信機はベースバンドソース１２、（局部発信機１４及びミキサ１６で構成される）アップコンバータ、電力増幅器列１８及びアンテナ２０により構成される。送信機回路１０では、ベースバンドソース１２は中間周波数（ＩＦ）信号を生成する。ＩＦ信号はアップコンバータに供給される。このアップコンバータはＩＦ信号を無線周波数（ＲＦ）信号に変換する。ＲＦ信号は信号を増幅する電力増幅器列１８に供給され、最終的に信号はアンテナ２０を介して送信される。電力増幅器列１８は通常前置増幅器と電力増幅器を含む。
【０００４】
無線通信システムが発達するに従って、長バッテリ寿命を有する軽量無線端末の要求が増している。一般的には電力増幅器がこれら端末の電力消費を占めている。故に、端末の送信系列において実行されるべき低歪及び高効率ＲＦ電力増幅器の要求も増している。
【０００５】
電力効率を高めるためには、増幅器が非線形の傾向があり、大きなレベルの歪が存在する可能性がある場合、増幅器はその飽和領域近くで動作する必要がある。増幅器を飽和しなくすることによって歪を減少できるが、これは電力効率を低下する。線形と効率との間に固有のトレードオフがある。
【０００６】
増幅器列の各段が最小歪で適正な線形を有することが重要である。故に、電力増幅器は通常、低効率を示すＡ級又はＡＢ級で動作する。他の級の電力増幅器、例えばＢ級電力増幅器が高効率を示すが、線形用途には適さない場合がある。故に、線形増幅を達成するため効率的電力増幅器でカーン包絡線除去及び回復（Kahn Envelope Elimination and Restoration(EER)）技術を採用することが一般的である。カーン包絡線除去技術は高効率であるが非線形のＲＦ電力増幅器を高効率であるが非線形であるＲＦ電力増幅器と組み合わせることに基づいている。ＥＥＲ送信機の詳細説明を以下に示す。
【０００７】
図２は通常ＥＥＲ送信機３０の構成を示している。変調ＲＦ信号はＥＥＲ送信機の入力端子に与えられる。ＲＦ信号はスプリッタ３２によって２つの分離順方向経路に分けられる。図示するように上位経路では、包絡線検出器３４は入力信号を検出し、包絡線情報E(t)を生成する。このとき、シグマデルタ／パルス幅変調器３６は包絡線情報E(t)をデジタル化し、出力をデジタル化包絡線を増幅するＳ級増幅器３８に供給する。Ｓ級増幅器３８からのデジタル出力はデジタル包絡線信号をアナログに逆変換する低域フィルタ４２によってフィルタ処理される。アナログ包絡線信号は電力増幅器４４に対して電源電圧として使用される。下位経路では、リミッタ４０は入力信号の位相を検出する。リミッタ４０は一定の包絡線出力信号を生成する。この信号は電力効率的であるが高非線形切換増幅器となるように選択される上述した電力増幅器によって増幅される。切換電力増幅器４４の出力電力は直流電源電圧、即ちPout ∝ V2DDに比例する。電力増幅器４４の電源電圧VDDは包絡線信号から得られるので、これは電力増幅段で入力信号の元の包絡線を回復する。
【０００８】
しかしながら、ＥＥＲ送信機を実施する主要な不利点の１つは狭帯域用途に対してしか実施できないことである。これは一般的にS級増幅器の制限された帯域及び低周波動作に起因する。ＥＥＲ送信機を実施する他の不利点は無線ローカルエリアネットワーク（WLAN）のような高ピーク／平均率（PMR）に対しては実施できないことである。これは高PMR信号が非線形性を導く大ダイナミックレンジに亘り変調されるように電力増幅器の電源電圧を必要とするためである。
【０００９】
線形及び効率的増幅を達成する他の周知の方法は主電力増幅器としてS級増幅器を使用している。図３に示されるように、ΣΔ／パルス幅変調器５２が入力RF信号をデジタル化する。デジタル化出力波形はS級増幅器５４を駆動するために使用される。最後にオリジナルRF信号はバンドパスフィルタ(BPF)５６の出力で復元される。しかしながら、この方法は、現在の技術ではRF信号をデジタル化することが困難であると言う欠点がある。
【００１０】
送信機アーキテクチャはYuanxun Wangにより“An improved Kahn transmitter architecture based on delta-sigma modulation”, IEEE International Microwave Symposium Digest, Volume 2, June 2003, Page1327 to 1330において提案されていた。この送信機アーキテクチャは先のパラグラフで記述したＥＥＲ概念及びデジタル変調概念を組み合わせることに基づいている。図４を参照すると、入力RF信号の包絡線及び搬送波が２つの分離経路に分けられる。包絡線信号はΔΣ変調器６６を用いてデジタル化され、デジタル化包絡線はRFミキサ７２を用いて搬送波に直接変調される。最終RF出力は変調信号がS級電力増幅器７４及びバンドパスフィルタ７６を通過して得られる。
【００１１】
同様の送信機アーチテクチャがAlexandre Dupuy及びYuanxun Ethan Wangによって“High efficiency power transmitter based on Envelope Delta-Sigma Modulation (EDSM)”, Vehicular Technology Conference, Volume 3, September 2004, Page2092 to 2095でも提案されていた。この送信機回路では、E級増幅器がS級電力増幅器の代わりに採用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は無線回路の電力増幅器と共に使用する信号処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態は無線回路に電力増幅器と共に使用するための信号処理装置及び方法を含む。
【００１４】
本発明の第１形態では、更なる電力増幅の有無にかかわらず送信に適した無線周波数信号を生成するために無線送信機に使用される信号処理装置であって、入力信号を、入力信号デジタル包絡線信号であるパルス列信号を生成する信号包絡線処理手段を含む第１処理経路及び一定包絡線移送信号を生成する位相処理手段を含む第２処理経路に分離する信号分離手段と、パルス列信号によって位相信号を切り換えるＲＦスイッチと、を具備する信号処理装置が提供される。
【００１５】
本発明の実施形態では、信号分離手段は入力端子及び少なくとも第１出力端子及び第２出力端子を具備し、より好ましくは、２つの出力端子が設けられ、第１及び第２出力端子はそれぞれ第１及び第２処理経路に接続される。
【００１６】
好ましくは、包絡線処理手段は入力端子と出力端子で構成される。
【００１７】
好ましくは、包絡線処理手段の入力端子は信号分離手段の第１出力端子に接続される。
【００１８】
本発明の他の実施形態では、信号包絡線処理手段は包絡線信号を生成する包絡線検出手段及びパルス列信号を生成する包絡線デジタル化手段を更に含む。
【００１９】
好ましくは、包絡線デジタル化手段は入力端子及び出力端子により構成され、包絡線検出手段の入力端子は包絡線処理手段の入力端子となる。
【００２０】
好ましくは、包絡線デジタル化手段は入力端子及び出力端子により構成され、包絡線検出手段の出力端子は包絡線処理手段の出力端子となる。
【００２１】
好ましくは、包絡線検出手段の出力端子は包絡線デジタル化手段の入力端子に接続される。
【００２２】
本発明の他の実施形態では、RFスイッチが入力端子、出力端子及び制御端末により構成される。
【００２３】
ＲＦスイッチの前記出力端子は信号処理装置の出力端子であってもよい。
【００２４】
好ましくは、包絡線処理手段の前記出力端子は前記ＲＦスイッチの制御端末に接続される。
【００２５】
本発明の他の実施形態では、位相処理手段は入力端子及び出力端子により構成される。
【００２６】
好ましくは、位相処理手段の入力端子は信号分離手段の第２出力端子に接続され、位相処理手段の出力端子はＲＦスイッチの入力端子に接続される。
【００２７】
上記形態の一構成において、包絡線処理手段、位相処理手段及びＲＦスイッチはデジタル信号処理装置(DSP)内で用いることができる。
【００２８】
本発明の他の実施形態では、送信に適する無線周波数信号を生成するため入力信号を処理する方法であって、
入力信号からデジタル包絡線信号であるパルス列信号を生成するステップと、
入力信号から一定の包絡線位相信号を生成するステップと、
パルス列信号によって一定包絡線位相信号をＲＦ切換するステップと、
を含む。
【００２９】
好ましくは、包絡線信号生成ステップは入力信号の包絡線を検出し、検出入力包絡線信号をデジタル化するステップを更に含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００３１】
増幅する前に信号を処理する方法及び装置が示される。以下の説明では、本発明の実施形態の十分な理解を与えるために多くの特定の詳細が示されている。これら特定の詳細は本発明を実施するために採用する必要がないことは当業者には明らかである。
【００３２】
図５は本発明の実施形態に従った信号処理装置８０により構成されるＲＦ増幅器１００の回路図を示す。図５を参照すると、信号処理装置８０はスプリッタ８２、包絡線検出器８４、ΣΔ／パルス幅変調器８６、リミッタ８８及びＲＦスイッチ９０により構成される。スプリッタ８２の出力端子は包絡線検出器８４及びリミッタ８８に接続される。包絡線検出器８４は次にはΣΔ／パルス幅変調器８６に接続される。ΣΔ／パルス幅変調器８６の出力端子はＲＦスイッチ９０の動作を制御するためＲＦスイッチ９０の制御端子に接続される。リミッタ８８の出力はＲＦスイッチ９０の入力端子に接続される。装置５０の出力端子は電力増幅器６２に接続される。
【００３３】
信号処理装置８０の動作を説明する。変調RF信号がカプラの入力端子に与えられる。カプラはRF信号を、ここでは、図に示すように「第１」及び「第２」経路と称する２つの分離経路に分割する。第１経路では、包絡線検出器８４は包絡線信号E(t)を生成する。包絡線信号E(t)はその後ΣΔ／パルス幅変調器８６によってデジタル化される。ΣΔ／パルス幅変調器８６はパルス列信号を生成する。パルス列信号はＲＦスイッチ９０の動作を制御する。即ち、ＲＦスイッチ９０はパルス列に従って開閉する。第２経路では、リミッタ８８が位相信号φ(t)を生成する。リミッタ８８はＲＦスイッチ９０の入力端子につながる一定の包絡線出力信号を生成する。第１経路のデジタル化信号は第２経路の一定のRF信号を二値信号に変換し、この二値信号はその後電力増幅器９２により増幅される。
【００３４】
最終的に、RF信号は増幅信号がバンドパスフィルタ９４を通過することによって得られる。ある環境では、出力が接続されることになるアンテナの共振品質を用い、バンドパスフィルタ９４が省けることができる程度まで出力と整合することができることは言うまでもない。
【００３５】
本実施形態では、デジタル化包絡線信号は電力増幅器９２を提供するよりもＲＦスイッチ９０の動作を制御するために使用される。従って、包絡線信号を増幅する必要がなく、通常EERアーキテクチャに使用されたS級増幅段を省くことができる。S級増幅段を省くことによって通常ＥＥＲ送信機に比べて多くの利点がある。
【００３６】
i．電力増幅器が一定の直流電源で供給される。これは最大電力付加効率(PAE)が送信信号の包絡線レベルに依存しないで常に達成できることを意味する。
【００３７】
ii．電力増幅器が歪を増やすことなく高ピーク／平均率(PMR)信号を増幅することができる。
【００３８】
iii．狭帯域S級増幅器を省くことによって送信機は広帯域に亘って動作できる。
【００３９】
図６及び７は通常ＥＥＲ送信機及び本発明の信号処理装置の擬似出力スペクトルをそれぞれ示している。これら図に示すように、本発明の信号処理装置が採用されるとき通常ＥＥＲ送信機に比べて3.95dBの三次混変調レベルが改善されている。
【００４０】
図８及び９はＲＦミキサを変調機として用いる従来の送信機とＲＦスイッチを用いる本発明の信号処理装置の擬似出力スペクトルをそれぞれ示している。これらの図から、ＲＦスイッチが変調器として使用されたとき三次混変調レベルが4.94dBだけ改善している。
【００４１】
図５では、ＲＦスイッチが単極単投(Single-Pole Single Throw：SPST)スイッチとして示されている。図８及び９に示されるように、ＳＰＳＴスイッチを実行する信号処理装置は従来のＲＦミキサを使用する送信機よりも良い性能を示している。ＲＦミキサを変調機として使用する不利益の１つはそれがPAEを減少し、歪を増加し、ＲＦミキサを駆動するために必要とする高信号レベルにより増幅すべき包絡線情報を必要とすることである。これに対して、SPSTは次のような利点を提供する。
【００４２】
i．ＳＰＳＴスイッチがＲＦミキサに比べて低い給電レベルで動作でき、増幅の省略、故にS級増幅段の省略を可能にする。
【００４３】
ii．S級増幅段の省略により一般的構成に比べて送信機の帯域幅を増加する。
【００４４】
iii．ＲＦミキサに対してＳＰＳＴスイッチは高分離性、低混入ロス及び高線形性を与える。これは前述の検討から分かるように送信機の線形性及び電力効率を改善する。
【００４５】
現在、市販のＳＰＳＴスイッチはガリウムヒ素で構成された装置を含む。そのようなスイッチの例は以下の表１に示される特性を持つものを有する。
【表１】
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【００４６】
必然的に、ＳＰＤＴ装置がＳＰＳＴ装置として使用できることは言うまでもない。更に、上記に示されたデータから、表において（切換速度の観点から）認識される最高性能装置はM/A-Com, of Tyco International of Lowell, Massachusetts, U.S.A.によって提供されるMASW6010G装置である。
【００４７】
この装置は２ナノ秒（立上り時間）の切換速度を有し、故に立上り立下り合計時間は４ナノ秒である。これは250MHzの最大授受可能周波数（maximum deliverable frequency）に相当する。この周波数は１０のオーバサンプリング率を考慮すると25MHz帯域幅の機会を与える。そのようなスイッチを使用することによって、そのような高周波数を駆動するS級増幅器の必要性がなくなる。
【００４８】
技術の進歩によって、ますます速くなる固体スイッチが利用できるようになることは言うまでもない。更に、他の技術が導入でき、切換速度を更に向上することを可能にし、それにより帯域幅を更に増加することを可能にする。本明細書はこのタイプの固体スイッチの使用に限定されなく、この特定の実施形態の説明によって課せられている帯域幅に関するどんな人工的制限もない。
【００４９】
また、具体的構成要素が記載されているが、前の又は次の構成要素と同じ集積回路に切換構成要素を使用することは除外されない。
【００５０】
図１０，１１及び１２は本発明の特定の実施形態に従ってさらなるＲＦ僧服器を示している。適切な場合には、図５に示される信号処理装置８０の上記説明と共通である追加実施形態の要素は同じ参照番号を付している。
【００５１】
最初に、図１０は図５に示す送信機増幅器１００の変形例を示す。送信機増幅器２００は図５に示す増幅器８０の実質的変形バージョンである切換増幅器８０’を有する。増幅器８０’は（ここではカプラとして示されている）ＲＦスプリッタ８２’を有する状態で、このＲＦスプリッタ８２'は上述したように包絡線検出器８４への第１フィード、そしてリミッタ８８への第２フィードに入力する。
【００５２】
この実施形態では、包絡線検出器８４の出力はさらなる包絡線検出器８４’の出力に加算される。包絡線検出器８４’の入力はバンドパスフィルタ９４の出力に供給されるカプラ９７からのフィーダにより構成される。この加算値はE(t)となる。この変形例は“L-band transmitter using Kahn EER technique” (F. H. Raab, E. B. Sigmon, G. R. Myers and M. R. Jackson, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Dec 1998, Vol: 46, no: 12 pt 2, pp.2220-2225)に記載された技術を使用する。
【００５３】
図１１は位相修正フィードバックが設けられる本発明の他の実施形態３００を示している。これは“Phase-correcting feedback system for class E power amplifier” (T. Sowlati, Y. M. Greshishchev, C. A. T. Salama, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Volume: 32, Issue: 4, April 1997, pp.544 - 549)に開示された技術を使用する。
【００５４】
図１１では、再度、変形信号処理装置８０’’が設けられる。これはリミッタ８８とＲＦスイッチ９０との間にカプラ８９を有する。カプラ８９の出力は９０°位相シフトによってシフトされる。その後、これは、位相検出器として作用する乗算器１０２によってカプラ９７からの出力フィードバック信号と合成される。結果の位相検出信号はローパスフィルタ１０４を通過し、その出力は位相シフトユニット１０６を制御する。この位相シフトユニット１０６はカプラ８９から出力する信号の位相シフトを制御し、ＲＦスイッチに送る。これは更に出力信号の位相の耐性を有する。
【００５５】
上述から簡単に分かるように、図１２は図５に示す送信機増幅器１００のさらなる変形例４００を示し、図１０及び１１に示される変形例の特徴を組み合わせて含んでいる。この場合、利点は先の例で述べた包絡線フィードバック及び位相フィードバックの組み合わせた利点がある。
【００５６】
特定の実施形態及び幾つかの変形例を上述したが、本発明はこれら実施形態に限定されるべきであることを意図していない。各種変形例は当業者には明らかである。上述した構成の特徴は代替構成の同様な利点を与える各種方法で組み合わされても良い。
【００５７】
信号処理装置及び上述したようにそれらを使用するよう動作する無線送信機は次の利点の少なくとも１つ以上を有する。
【００５８】
i．送信信号レベルに関係なく常に最大PAEを送る。
【００５９】
ii．バッテリ寿命を延ばす。
【００６０】
iii．通常ＥＥＲ送信機で必要とする電力増幅器の電源電圧変調を省き、故に高PMRの波形が歪を発生しないで増幅できる。
【００６１】
iv．通常ＥＥＲ送信機で使用される狭帯域S級包絡線増幅器を省き、故に広帯域は送信できる。
【００６２】
v．回路の複雑さ及びコストを低減する。
【００６３】
vi．RF駆動信号がＲＦスイッチによって二値に変換されるので高サンプリングレートＡＤ変換器の必要性を省く。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】通常アーチテクチャに従った送信機を示す。
【図２】通常包絡線除去及び回復(EER)送信機を示す。
【図３】通常ΔΣ／パルス幅変調S級電力増幅器を示す。
【図４】従来技術に従った信号処理装置を示す。
【図５】本発明の実施形態に従った信号処理装置を含む送信機を示す。
【図６】通常ＥＥＲ送信機の模擬出力スペクトルを示す。
【図７】発明の実施形態に従った電力増幅器と共に採用される信号処理装置の擬似出力スペクトルを示す。
【図８】ＲＦミキサを変調機として用いる従来技術の擬似出力スペクトルを示す。
【図９】一極単投(SPST)スイッチを変調器として使用して電力増幅器と共に使用される特定実施形態に従った信号処理装置の擬似出力スペクトルを示す。
【図１０】本発明の第２実施形態に従った増幅器の回路図を示す。
【図１１】本発明の第３実施形態に従った増幅器の回路図を示す。
【図１２】本発明の第４実施形態に従った増幅器の回路図を示す。
【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】
2009517912.tif 000010
【図８】
2009517912.tif 000011
【図９】
2009517912.tif 000012
【図１０】
2009517912.tif 000013
【図１１】
2009517912.tif 000014
【図１２】
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【国際調査報告】
2009517912.tif 000016
2009517912.tif 000017