2016 Fiscal Year Research-status Report
直交変調型包絡線パルス幅変調方式送信機における電力効率および変調精度の改善
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15K06086
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
楳田 洋太郎 東京理科大学, 理工学部電気電子情報工学科, 教授 (80439918)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 直交変調 / 包絡線パルス幅変調 / EPWM / 送信機 / スイッチング / D級 / 電力増幅器 / 量子化雑音 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．ディジタル的に量子化雑音成分のキャンセリングを行う構成：アナログ的にキャンセリングを行う構成では、信号処理部の全ディジタル化が行えない問題があった。今年度は、前段の量子化誤差を後段にてキャンセルすることにより量子化誤差を低減するMASH方式ΔΣ変調器をQM-EPWM送信機に適用する構成を提案し、計算機シミュレーションにより量子化雑音の低減効果を示した。
２．DE級PAを信号伝送に用いる構成：D級PAは、マイクロ波帯においては、トランジスタ出力側の寄生容量がDE級PAの装荷容量と同様に働き、DE級動作によるメリットが得られることがわかった。このため、本研究ではD級PAを用いることとした。
３．量子化雑音およびスイッチング損失の低減による送信機電力効率と変調精度改善のための追加検討（シミュレーション）：(1) QM-EPWM送信機において、直交する2つの信号をPAで増幅したのち信号合成することにより、電力効率を向上させることのできる送・受信機構成の提案を行なった。 (2) 送信機出力の量子化雑音を大幅に低減できるPA挿入トランスバーサルフィルタ(TF)にOFDM変調方式を組み合わせて使用することにより、TFを狭帯域化しても変調精度を高く保てることを示した。(3) 2値QM-EPWM送信機の非線形符号間干渉による変調精度の劣化を定量的に評価するとともに、メモリレス・プリディストーションにより大幅な変調精度の改善ができることを示した。
４．高周波動作特性評価実験：FPGA内蔵の並直列変換器を使用することにより、マイクロ波帯である400MHzにおいて初めて2値QM-EPWM信号を生成した。FPGAのみでマイクロ波帯のEPWM信号発生が可能となったため、CMOS ICの試作は取りやめた。また、変調精度の改善のために、前段駆動回路をもつD級PAをマイクロ波帯において試作し、特性を評価中。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
１．当初計画の量子化雑音低減構成が十分な性能を発揮できないため追加実施した他の量子化雑音低減法の提案と検討：
前年度において、当初案のディジタル的に量子化雑音成分のキャンセリングを行う構成は、抽出した量子化雑音をパルス振幅変調する際に生じる量子化雑音が大きいため、量子化雑音が低減されないことが判明したため、アナログ的な量子化雑音キャンセリング方式を提案し、送信機出力における量子化雑音を低減できることを示した。しかし、この構成では信号処理部の全ディジタル化が行えないこと、および雑音を含む信号用と抽出雑音用に別のPAを用いるため、電力効率が低下する欠点がある。このため、研究実績の概要の１．に示したMASH方式ΔΣ変調器を用いた量子化雑音低減構成を提案し、その効果を計算機シミュレーションにより示した。しかし、この構成は、多値出力D級PAが必要なため、今後その開発が必要である。
２．マイクロ波帯における高効率・高精度なQM-EPWM部およびD級増幅器実装の技術的難しさ：
FPGA内蔵の並直列変換器を利用することにより400MHzまでの無線周波数信号の発生が可能となったが、クロックジッタが大きいため変調精度が十分でない問題があり、改善が必要である。500MHz帯においてD級電力増幅器の設計・試作を行なったが、設計した効率および変調精度に比べ、実現した特性が大きく劣化した。これは、マイクロ波帯において顕著となる浮遊容量等の寄生効果の影響と推察される。今後、劣化原因を特定し、特性の改善を図る必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．ディジタル的に量子化雑音成分のキャンセリングを行う構成： MASH方式ΔΣ変調器をQM-EPWM送信機に適用する構成は、量子化雑音低減には有効であるが、多値出力D級電力増幅器を必要とする。このため、多値出力D級電力増幅器の設計および試作の検討を行なう。
２．DE級PAを信号伝送に用いる構成：D級PAのDE級動作設計の最適化を図る。具体的には、電圧波形と電流波形のオーバーラップを少なくするゼロ電流スイッチング条件、およびトランジスタ出力電圧がゼロとなるタイミングでトランジスタをオンにするゼロ電圧スイッチング条件を同時に満足させることにより高い電力効率を実現する設計法のマイクロ波帯への適用方法を明かにする。
３．量子化雑音およびスイッチング損失の低減による送信機電力効率と変調精度改善のための追加検討：(1)については、偏波間干渉による特性劣化の定量化と特性の改善を行なう。 (2)については、TFによる変調精度劣化を低減できる構成の検討を行なう。
４．高周波動作特性評価実験：FPGAにより発生する400MHz帯QM-EPWM信号のFPGAクロックジッタによる変調精度の低下の問題に対しては、クロックのFPGAボード外部からの供給または波形整形回路の外付けにより改善を図る。D級PAの効率および変調精度の低下の問題に対しては、原因を究明し、特性の改善を図る。
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| Causes of Carryover |
残額が約5万円と少額であるため、価格で40万円以上する高速でジッタの少ないFPGAボードを購入するには大幅に金額が不足し、購入することができなかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は、FPGAによるマイクロ波帯無線周波数信号の発生を実現したが、FPGA内蔵のクロックのジッタが大きいため、変調精度が不十分となる問題がある。このため、平成29年度はさらにジッタが低くマイクロ波帯における変調精度の向上が期待できる並直列変換機能に優れたFPGA、またはジッタの少ない外付け用の波形整形回路を購入する予定である。また、現状では特性の十分でないD級PAの再試作にも予算を使用する予定である。
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