変調波のピーク電力を考える

変調波のピーク電力とは
高周波信号を増幅するアンプにとって、最大電力を考慮してゲインや段数などを設計しますが、変調波を増幅する場合変調波が出来るだけ歪まないように、変調波のピーク電力を考慮して通常の出力電力に比べてピーク電力をどれくらい余裕も持たせるかという「バックオフ」が重要になってきます。
　あまりピークを多く見積もると1０Wのアンプなのに1kWのアンプを使うなんてことになりますが、実験装置なら良いですが、コストにひびく量産品では重要な問題です。
ハード的には
　それでは信号にはどのくらいのピーク成分があるのでしょう？右図上は変調がかかっていないCW波形です。この波形の電圧をVとすると電力Pは VxV/R でこれを基本電力とすると、AM(振幅変調）で100%変調した場合を考えると、変調波のピークは2倍の 2V となります。電力は Pm = (2V)x(2V)/R = 4(VxV)/R となり4倍の電力となり、 6dB のピークと言えます。
　また、FM変調や BPSK変調では基本的に信号レベルが変わりませんので、ピークレベルは変わらないことになります。しかしながら QPSKなど変調の遷移時に信号が０レベルになることがある信号や、64QAMなどのAM成分がある信号はピーク成分を持っています。例をあげますと携帯電話で一般的な W-CDMAは9〜10dB 、64QAM -52 キャリア OFDM の無線 LAN(IEEE 802.11a/g)は,12〜15 dB　確保するのが普通のようです。WiMAX信号や地上波デジタル信号のようなOFDMマルチキャリア信号は、それぞれのキャリア信号の変調によるピークが確率的にはキャリアの数だけ重なって大きくなる場合がありますので、単純に考えるととてつもなく大きなピーク値になってしまいます。実際は送信側のデジタル信号からマルチキャリアのアナログ変換する際にピーククリッパーなるピークを下げる処理が行われているのが一般的で、信号の符号化にも多少の伝送エラーがあっても訂正できるしくみがあるので、ピークが多少削られても問題なく通信できることになっています。ピーク電力がきちんと増幅できないと歪みが発生し、通信品質が悪化するだけでなく、隣のチャンネルまで妨害を与えてしまいます。
ソフト的には
　地デジやWi-MAXでは約15dB程度バックオフが必要でしたが、アンプのリニアリティを改善するAPD(アナログプリディストーター）やDPD(デジタルプリディストーター）などで、さらにバックオフを下げ、小さな出力デバイスで高効率なアンプが多く開発されました。今後はLTEなど高速な携帯の普及にとっては基地局の効率向上だけでなく、携帯の出力パワーアンプも高ピーク出力のものが求められています。通信速度が上がってもバッテリーがあっという間に無くなってしまっては使い物になりません。各社バッテリーの高容量化と携帯の省電力化に頭を悩ましているところでしょう。