(57)【要約】  【課題】  リミタとダイナミックバイアス制御を併用して低消費電力化が得られるようにした送信装置を提供すること。  【解決手段】  変調部１０１と、ベースバンドの変調信号(若しくはデジタルＩＦ信号)をアツプコンバートする周波数変換部１０３、それに無線周波数帯の送信信号を所望の信号レベルまで増幅する増幅器１０４を備えた送信装置において、レベル判定部１０５Ａとバイアス設定部１０Ｂを含む制御部１０５にリミタ設定部２０１を設け、レベル判定部１０５Ａとバイアス設定部１０Ｂによる増幅器１０４のダイナミックバイアス制御を行うと共に、リミタ設定部２０１により、リミタ部１０２の閾値Ｖth も入力信号の平均レベルに応じて設定を変更するようにしたもの。  【選択図】  図１
2005354378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の平均レベルに応じて増幅部の入出力特性を制御するダイナミックバイアス制御が適用された送信装置において、
前記増幅部の入力に現われるピークを制限するリミタと、
前記入力信号の平均レベルに応じて前記リミタの閾値を設定するリミタ設定部と、
前記ダイナミックバイアス制御と前記リミタの動作の少なくとも一方の動作の可否を決める手段と、
前記増幅部の最大出力の近傍のレベルにおいて、前記ダイナミックバイアス制御とリミタの動作を停止させる手段とが設けられていることを特徴とする送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線伝送システムに使用される送信装置に係り、特に、インフラ設備として消費電力の低減が重要視される伝送システムに好適な送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アナログ領域で動作する電子デバイスの場合、非線形特性の存在がほとんど不可避で、入出力特性に線形領域と非線形領域を持っている。そして、このことは、無線通信用送信装置の主増幅器(ＲＦ信号の最終段の電力増幅器のこと)の場合、特に問題となる。
【０００３】
このような装置の場合、その主増幅器の出力はアンテナに供給され、無線伝送されるので、ここに非線形領域が存在していると、非線形歪による高調波が発生し、隣接する周波数帯の伝送系にスプリアスとなって影響を与え、他の伝送システムに妨害の虞れが生じてしまうからで、このため非線形歪には厳しい規制が科せられている。
【０００４】
ところで、この非線形歪を抑えるには、主増幅器などの電子デバイスを線形領域だけで使用すれば良い。しかし、この線形領域は、一般に入力レベルが小さい範囲にとどまっているので、線形領域だけで動作させたのでは、増幅器の電力効率(出力電力／消費電力)が低下してしまい、主増幅器の場合、省エネ化が得られなくなってしまう。
【０００５】
従って、非線形歪を抑えながら、いかにして電力効率の向上を図るかが、送信装置の大きな命題であるが、この命題の達成をもたらすであろう技術としては、まず、リミタの適用がある(例えば、特許文献１又は特許文献２参照)。ここで、このリミタとは、振幅制限回路のことで、リミッタともいうが、ここではリミタに統一して説明する。
【０００６】
図３(a)は、リミタ部を備えた従来技術による送信装置の一例で、図示のように、変調部１０１と、変調信号のピーク電力を抑圧するリミタ部１０２、ベースバンドの変調信号(若しくはデジタルＩＦ信号)を無線周波数帯域にアツプコンバート(高い周波数に変換)する周波数変換部１０３、それに無線周波数帯の送信信号を所望の信号レベルまで増幅し、アンテナに供給する増幅器１０４で構成されている。従って、この増幅器１０４が上記した主増幅器に相当する。
【０００７】
この場合、リミタ部１０２は、変調部１０１から出力される変調信号の振幅をある所定の電圧(閾値Ｖthという)に制限し、図４に示すように、増幅器１０４の入力に現われる瞬間的な高レベル領域(ピークレベル)を抑圧する働きをする。
【０００８】
そして、この図４に示したリミタの効果を別の形で確認できるのが、図５に示す出現確率特性であり、ここで横軸はピーク電力対平均電力比(ＰＡＰＲ：Peak to Average Power Ratio)で、縦軸は出現確率であり、この図５の特性において、リミタ部通過前後の特性を比較すれば明らかなように、リミタによってピーク電力が抑圧されていることが良く判る。
【０００９】
また、このような増幅器の非線形性とリミタの関係を更に良く表わしているのが図６で、ここで、この図６の(a)はリミタをかけなかった場合で、同図(b)はリミタ有りの場合である。そして、まず、図６(a)の場合、信号入力電力がピークになったとき、増幅器の入出力特性の非線形領域に動作がかかってしまい、非線形歪が発生してしまう。
【００１０】
一方、図６(b)のリミタ有りの場合は、信号入力電力のピーク部分がリミタにより抑圧されてしまうので、主増幅器の入出力特性の線形領域でだけ動作させることができ、この結果、非線形歪が減少されるので、その分、入出力特性の動作点を深くすることができ、上記したように、増幅器の電力効率を向上させることができるのである。
【００１１】
次に、増幅器の電力効率の向上に寄与する技術には、他にもダイナミックバイアス技術の適用がある(例えば、特許文献３又は特許文献４参照)。
【００１２】
ここで、図３(b)は、このダイナミックバイアス技術が適用された従来技術による送信装置の一例で、図示のように、変調部１０１と、ベースバンドの変調信号(若しくはデジタルＩＦ信号)をアツプコンバートする周波数変換部１０３、それに無線周波数帯の送信信号を所望の信号レベルまで増幅する増幅器１０４を備えている点は、図３(a)の従来技術の場合と同じである。
【００１３】
しかして、この図３(b)の場合は、更に制御部１０５が設けてあり、他方、図３(a)にあるリミタ部１０２は省かれている。
【００１４】
そして、制御部１０５は、図示のように、レベル判定部１０５Ａとバイアス設定部１０５Ｂを備え、変調部１０１から出力される変調信号の平均レベルをレベル判定部１０５Ａにより判定(検出)し、この判定(検出)結果に応じて、バイアス設定部１０５Ｂにより、増幅器１０４のバイアスを設定し、ダイナミックバイアス技術による制御、つまりダイナミックバイアス制御が得られるようにする。
【００１５】
ここで、このダイナミックバイアス制御とは、判り易く言えば、本来の最大出力が例えば１００Ｗの増幅器を、最大出力５０Ｗの増幅器として動作させたり、最大出力１０Ｗの増幅器として動作させたりする制御のことである。
【００１６】
いま、図７の(a)に示すような入出力特性を持った増幅器があり、この場合、入力信号平均レベルを入出力特性の飽和領域まで大きくしたとき、つまりダイナミックレンジ一杯に励振したときの最大出力、つまり本来の最大出力が例えば１００Ｗであったとする。
【００１７】
この場合、図示のように、入力信号の平均レベルが低くて、動作範囲が飽和点に達しなかったとすると、折角のダイナミックレンジが活かせず、無駄であるばかりか、消費電力の点でも無駄で、電力効率の向上に反してしまう。
【００１８】
そこで、このような場合には、変調部１０１から出力される変調信号の平均レベルに応じて増幅器の電源電圧(若しくは電源電流)を制限し、図７の(b)に示すように、入出力特性の飽和点を下げ、最大出力が例えば５０Ｗになるようにしてやれば、消費電力が抑えられ、電力効率を向上させることができる。
【００１９】
これがダイナミックバイアス制御であり、端的に言えば、増幅器の電源電圧(若しくは電源電流)を入力レベルに応じて制御し、増幅器の最大出力が入力の平均レベルに応じて制限されるようにする制御のことである。
【００２０】
このダイナミックバイアス制御は、移動通信などにおいて、入力信号の平均レベルが大きく変化する場合に活用されるのが一般的で、この場合、深夜から早朝などでは、伝送量(トラフィック)が少なく、このときの信号の平均レベルは、予め想定してある増幅器の飽和電力(＝これ以上は出力不能な最大出力)に遠く及ばないのが通例だからである。
【００２１】
これも判り易く言えば、例えば昼間は伝送量が多いので、入力の平均レベルも高く、このため例えば５０Ｗの出力が必要だが、深夜では平均レベルが低下して１Ｗの出力でも充分な場合、１００Ｗの増幅器をそのまま使用したのでは無駄である。
【００２２】
そこで、この場合、ダイナミックバイアス制御により増幅器の電源電圧若しくは電源電流を制限し、例えば５０Ｗ所要時は１００Ｗの増幅器として動作させているが、１Ｗ所要時は１０Ｗの増幅器として動作させる、といった具合に制御してやれば、消費電力が低減されるので、電力効率が向上し、省エネに寄与することができるからである。
【特許文献１】特開２００３−４６４８０号公報
【特許文献２】特開２００３−２５８６９３号公報
【特許文献３】特開２００２−１７６３６８号公報
【特許文献４】特表２００４−５００７８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
ところで、省エネ化には限度が無いので、更なる消費電力の低減を狙って、図３(c)に示すように、上記したリミタ部とダイナミックバイアス制御を併用した送信装置が従来技術として想定されるが、これは、図３(b)の送信装置に、図３(a)の送信装置におけるリミタ部１０２を設けたものであり、その他の構成には変わりはない。
【００２４】
しかし、このようにリミタ部とダイナミックバイアス制御を併用した図３(c)の送信装置の場合、以下に説明する問題がある。
【００２５】
既に説明したように、リミタ部は、扱う電力(若しくは電圧)が閾値を超えた場合、超えた部分の電力(若しくは電圧)を制限するものであるから、本質的には非線形デバイスそのもので、電力(若しくは電圧)を大きく制限した場合、電力(若しくは電圧)レベルが大きくなったとき、信号の歪率が増加し、規定されている信号品質が保持できなくなってしまう。
【００２６】
つまり、従来技術では、リミタ部１０２の閾値を小さくすると歪率が増加してしまうので、増幅器の効率を上げるためとはいえ、この閾値の低下には限度があり、従って、図３(c)の送信装置の場合、ある程度以上、大きな値の閾値にせざるを得ない。
【００２７】
そこで、このように、リミタ部の閾値がある程度以上になっている状態で、言い替えればリミタによる制限がそれほど効いていないない状態でダイナミックバイアス制御を併用すると、図８に示すように、タイナミツクバイアス制御により低下された入出力特性の飽和点にまで信号振幅が入力し、大きな非線形歪が発生してしまうという問題が生じてしまうのである。
【００２８】
本発明の目的は、リミタとダイナミックバイアス制御を併用して低消費電力化が得られるようにした送信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記目的は、入力信号の平均レベルに応じて増幅部の入出力特性を制御するダイナミックバイアス制御が適用された送信装置において、前記増幅部の入力に現われるピークを制限するリミタと、前記入力信号の平均レベルに応じて前記リミタの閾値を設定するリミタ設定部と、前記ダイナミックバイアス制御と前記リミタの動作の少なくとも一方の動作の可否を決める手段と、前記増幅部の最大出力の近傍のレベルにおいて、前記ダイナミックバイアス制御とリミタの動作を停止させる手段とを設けることにより達成される。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、歪率の増加を伴うことなく、リミタとダイナミックバイアス制御を併用したことによる低消費電力化を得ることができ、省エネ化を充分に図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明による送信装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３２】
ここで、図１は本発明の一実施形態であり、この図において、２０１はリミタ設定部であり、その他、変調部１０１とリミタ部１０２、周波数変換部１０３、増幅器１０４、それに制御部１０５に含まれているレベル判定部１０５Ａ、同じくバイアス設定部１０５Ｂは、図３(c)に示した送信装置と同じである。
【００３３】
このとき、この実施形態では、制御部１０５をＣＰＵ(Central Processing Unit：中央処理装置)で構成し、レベル判定部１０５Ａとバイアス設定部１０５Ｂ、それにリミタ設定部２０１をソフトで構築する。そして、この実施形態でも、レベル判定部１０５Ａは、変調部１０１から出力される変調信号の平均レベルを判定するようになっている。
【００３４】
そこで、リミタ設定部２０１は、図示のように、このレベル判定部１０５Ａから平均レベルの判定(検出)結果を入力し、これに応じて所定の電圧を発生し、これをリミタ部１０２の閾値Ｖth として設定する働きをする。
【００３５】
このとき、レベル判定部１０５Ａの出力は、バイアス設定部１０５Ｂにも供給されていて、これにより、上記したように、ダイナミックバイアス制御による制御、つまり、変調部１０１から出力される変調信号の平均レベルに応じて、増幅器１０４の入出力特性の飽和点が制御され、最大出力を変更させる制御が実行されている。
【００３６】
この結果、この図１の実施形態においても、変調部１０１に入力されている送信信号のレベルが変わり、変調部１０１から出力される変調信号の平均レベルが変わると、これに応じて増幅器１０４の入出力特性の飽和点が制御され、最大出力が変更される制御が実行されるが、更に、この実施形態では、これと共に、リミタ部１０２の閾値Ｖth が変更される制御も実行されることになる。
【００３７】
既に説明したように、ダイナミックバイアス制御は、増幅器１０４の飽和点に比較して入力信号の平均レベルが低い場合、つまり変調部１０１から出力される変調信号の平均レベルが低い場合に適用され、最大出力が入力信号の平均レベルに応じて低下される。
【００３８】
そこで、このとき、リミタ部１０２の閾値Ｖth が変調信号の平均レベルに比較して高いと、この閾値Ｖth まで変調信号のピークレベルが達しないうちに増幅器１０４の蝕和領域に動作点が入ってしまう場合がある。
【００３９】
また、反対に、リミタ部１０２の閾値Ｖth が変調信号の平均レベルに比較して低いと、ダイナミックバイアス制御により確保された線形領域に対しても、不要なリミタが働いてしまう場合がある。
【００４０】
しかし、この図１の実施形態では、このとき、リミタ設定部２０１によりリミタ部１０２の閾値Ｖth が制御され、変調信号の平均レベルが低下した場合には、変調信号をより抑圧する方向に、つまり閾値Ｖth を変調信号の平均レベルの低下に応じて同じく低下させる方向に変化させる。
【００４１】
また、反対に、変調信号の平均レベルが増加した場合には、変調信号の抑圧レベルを挙げる方向に、つまり閾値Ｖth を変調信号の平均レベルの増加に応じて同じく増加させる方向に変化させる。
【００４２】
このときの動作を、図２により説明すると、ここで、まず、図２の(a)は、信号入力電力の平均レベルが比較的大きく、そのピークのときのレベルで増幅器１０４本来の入出力特性の飽和点に達する状態になっていた場合であり、次に、図２の(b)は、信号入力電力の平均レベルが比較的小さく、そのピークのときのレベルは増幅器１０４本来の入出力特性の飽和点には達しない状態になっていた場合である。
【００４３】
そして、図２(a)の場合、信号入力電力の平均レベルが比較的大きいことから、ダイナミックバイアス制御による増幅器１０５の入出力特性の変更は働かず、本来の特性のままになっている。
【００４４】
そこで、このときリミタ設定部２０１は、このときの増幅器１０４本来の入出力特性の飽和点に対応した信号入力電力のピークレベルでリミタ部１０２による制限を掛けるのに必要な閾値Ｖth１に設定する。
【００４５】
一方、図２(b)の場合は、信号入力電力の平均レベルが比較的小さいので、ダイナミックバイアス制御による増幅器１０５の入出力特性の変更が働き、このときの信号入力電力の平均レベルに応じて、図示のように、本来の特性から飽和点が下げられた入出力特性にされている。
【００４６】
そこで、今度は、リミタ設定部２０１は、このときの飽和点が下げられた増幅器１０４の入出力特性の飽和点に対応した信号入力電力のピークレベルでリミタ部１０２による制限を掛けるのに必要な閾値Ｖth２に設定する。このため、これら閾値Ｖth１と閾値Ｖth２については、(Ｖth１＞Ｖth２)の関係になることはいうまでもない。
【００４７】
ここで、このときのダイナミックバイアス制御における信号入力電力の平均レベルに対する増幅器１０５の入出力特性の関係と、同じくリミタ部１０２における信号入力電力の平均レベルに対する閾値Ｖth の関係については、この送信装置に要求されている信号品質や、この送信装置で扱う信号入力電力の平均レベルに対するピークレベルの割合などを考慮して予め決定しテーブル化しておき、これを制御部１０５のＣＰＵに備えられているメモリに格納しておく。
【００４８】
そして、バイアス設定部１０５Ｂとリミタ設定部２０１は、レベル判定部１０５Ａから平均レベルが供給される毎に、そのときの平均レベルにより各々のテーブルを検索する。そして、バイアス設定部１０５Ｂは、このテーブルの検索結果として与えられる増幅器１０５の入出力特性に従ってバイアス制御を実行し、リミタ設定部２０１は、検索結果として与えられる電圧を閾値Ｖth としてリミタ部１０２に設定するのである。
【００４９】
従って、この実施形態によれば、ダイナミックバイアス制御により増幅器１０４の入出力特性の飽和点が制御されたときには、それに応じてリミタ部１０２の閾値Ｖth も制御されることになるので、送信信号の平均レベルが変動したことによる非線形歪の発生を抑え、要求されている信号品質を保持したままでダイナミックバイアス制御の適用による省エネと、リミタの適用による省エネのの両立を図ることができる。
【００５０】
このとき、この実施形態では、上記したように、制御部１０５がＣＰＵで構成してあるので、リミタ設定部２０１を付加したことによるハードウエアの増加はほとんど無く、従ってコストの上昇は僅かで済むという利点がある。
【００５１】
ところで、この実施形態では、図１に矢印で示されているように、制御部１０５に制御許可信号が入力できるようになっている。そして、この制御許可信号が入力されたときだけ、制御部１０５がイネーブルされ、ダイナミックバイアス制御とリミタの適用が任意に停止できるように構成してある。
【００５２】
このときの制御許可信号の好ましい形態は、ダイナミックバイアス制御の実行に対する可／不可制御である。この制御信号の発行元は、本送信装置を制御する上位制御部であっても良いし、本送信装置機に搭載されているタイマーでも構わない。
【００５３】
ここで、いま、この制御許可信号の入力が無い場合を想定してみると、この場合、入力信号のレベルに応じて、常にダイナミックバイアス制御が実行されていことになる。このとき、ダイナミックバイアス制御は本質的には非線形制御であり、このため電力効率の向上は見込めるものの、問題を内包している。
【００５４】
一般に、非線形増幅器は、バイアス制御により、その非線形特性は固定化されている。このときアナログデバイスであるため、温度、周波数に応じてその非線形特性が変化してしまうが、ここでバイアス電流を多めにしておくと、その非線形特性が安定化する傾向がある。但し、電力効率は当然低下する。
【００５５】
従って、バイアス設定を、ダイナミックバイアス制御など、状況に応じて変化させたとすると、非線形特性がダイナミックに変動し、それまで無線特性規格に適合していた装置に規格割れを生じさせることがままある。そこで、入力電力レベルにこまめに追随させたとすると問題が発生し易くなるたため、想定入力電力と実際の入力電力との差異があまり大きくないときはダイナミックバイアス制御を動作させないほうが良い。なお、これが、今までダイナミックバイアス制御があまり評価されなかった理由である。
【００５６】
しかし、この実施形態によれば、必要に応じてダイナミックバイアス制御の可／不可制御が行えるので、ダイナミックバイアス制御による利点を活かしながら、要求されている信号品質を保持したままでダイナミックバイアス制御の適用による省エネと、リミタの適用による省エネの両立を図ることができる。
【００５７】
ここで、上記制御許可信号の発行元が、基地局など、上記実施形態に係る送信装置の上位制御部であった場合、当然のことながらシステムでのトラフイック(traffic)の推移は判明している。そこで、このトラフイックの推移(＝入力信号の変化よりも低速の変化)に合わせて制御許可信号を発行することは当然可能であり、上記のタイマーによる制御の場合は、これも先に述べた通り、深夜・早朝の時間帯にのみ制御許可信号を発行し、バイアス制御を行うようにすることも可能である。
【００５８】
また、このとき、制御許可信号に代えて、制御信号そのものを制御部１０５に入力するようにしてもよい。ここで、この制御信号とは、上記したテーブルの検索結果としてバイアス設定部１０５Ｂに与えられる増幅器１０５の入出力特性と、同じくテーブルの検索結果としてリミタ設定部２０１に与えられる閾値Ｖth のことである。
【００５９】
ところで、この実施形態の場合、ダイナミックバイアス制御の可否制御だけではなく、リミタの適用の可否制御も重要である。例えば、従来技術により既に説明したように、ダイナミックバイアスにより飽和点が低下された入出力特性のもとで、問題無い程度にピーク電力を抑圧していたとしても、それは、ピーク電力の削減の点ではともかく、リミタ動作によって信号品質の低下がもたらされてしまうことには変わりない。つまり、この場合は、いたずらに信号品質を変化させていることになる。
【００６０】
そこで、この実施形態では、制御許可信号によりリミタの適用の可否も行えるように構成する。そうすると、この実施形態によれば、リミタの閾値を最大に固定できるので、上記した、する必要の無いリミタ動作については、任意に抑制できることになり、従って、この実施形態によれば、以上の簡易な変更によって、比較的不安定な要素となりうるダイナミックバイアス環境下でも、安定した無線特性を得ることができる。
【００６１】
ところで、これまで説明したように、ダイナミックバイアス制御は、消責電力の削減にその効果を発揮するものの、歪特性が不安定になる場合がある。このときの歪量は、当然のことながら、最大出力で増幅器を動作させる場合に一番大きくなるため、最大出力の近傍でもダイナミックバイアス制御を実施したとすると、場合によっては無線特性規格を割ってしまう虞れがある。
【００６２】
そこで、このような事態の発生を回避するため、本発明の一実施形態では、ダイナミックバイアス制御並びにリミタの適用を、最大出力の近傍においては停止させるように構成する。具体的には、制御部１０５のＣＰＵに、ダイナミックバイアス制御とリミタの適用を停止させるときの最大出力の近傍のレベルを予め停止レベルとして設定しておき、バイアス設定部１０５Ｂにより増幅器１０４に設定された入出力特性の最大レベルが、この停止レベルを越えたときにはリミタ設定部２０１により設定されるリミタ部１０２の閾値Ｖth を最大値にするのである。
【００６３】
このときの停止レベルとしては、例えば増幅器１０４の最大許容電力(飽和出力)から決めてやれば良いが、ここで、この実施形態に係る送信装置の場合、複数のキャリヤを用いたデジタル伝送システムで使用されることがあり、この場合、この送信装置がどれくらいのキャリア数を有するかに依存して決めてやれば良い。
【００６４】
例えば、２キャリア方式のデジタル伝送システムであれば、増幅器１０４の最大許容電力の半分以下にならないとダイナミックバイアスおよびリミタ閥値変更制御を行わないように、停止レベルを設定し、４キャリア方式であれば、最大許容電力の１／４以下にならないと、上記制御を行わないように設定するなどである。
【００６５】
ところで、本発明が対象としている送信装置は、セルラー移動通信環境において、特に、その基地局装置に用いて効果が絶大となる。そこで、上記実施形態に係る送信装置を基地局装置の送信部に適用することにより、運用コストの削減が可能になる。
【００６６】
これは、移動通信環境の場合、インフラコストは、最終的にはユーザー負担となるからで、従って、この場合には特に効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による送信装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の動作を説明するための特性図である。
【図３】従来技術による送信装置の説明図である。
【図４】従来技術の送信装置によるリミタの動作を説明するための特性図である。
【図５】同じく従来技術の送信装置によるリミタの動作を説明するための特性図である。
【図６】増幅器の非線形性とリミタの関係を示す説明図である。
【図７】ダイナミックバイアス制御の説明図である。
【図８】リミタとダイナミックバイアス制御を併用した従来技術における問題点の説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０１：変調部
１０２：リニタ部(リミッタ部)
１０３：周波数変換部(アップコンバート用)
１０４：増幅器(主増幅器)
１０５：制御部(ＣＰＵ)
１０５Ａ：レベル判定部
１０５Ｂ：バイアス設定部
２０１：リミタ設定部
【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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