JP2007506366A - パワーアンプに対するデジタル・プレディストーション - Google Patents

Abstract

高電力でアンプのひずみを補償するために無線周波数（ＲＦ）パワーアンプに適用された入力信号を前置補償する装置と、それに対応する方法である。ＲＦアンプ入力信号と出力信号は、連続してモニタリングされ、差信号がＲＦ位相弁別器において生成される。差信号はデジタル形式に変換され、観測されたＲＦ入力電力の各値に対し、ＲＦアンプのゲイン圧縮の値とＲＦ出力位相の値の移動平均の形でルックアップテーブルに格納される。プレディストータ・モジュールは、これらの値を回復し、補償するために、ＲＦアンプの入力を前置補償する。

Description

本発明は、一般にアンプと、更に詳しくは、通信システム、例えば双方向通信システムの基地局で用いられる、パワーアンプに関する。

（本発明の背景）
典型的な無線周波数（ＲＦ）送信機の電力増幅ステージは、ピーク容量周辺で動作する場合、非線形に挙動することがよく知られている。アンプは、低電力では線形の動作領域を有する。すなわち、低電力の入力と出力では、出力信号の電力は入力信号の電力に対して線形性を有する。アンプがより高い電力レベルで動作する場合、出力電力と入力電力に関係したグラフは「ドロップオフ」（ｄｒｏｐ ｏｆｆ）特性を示し、出力電力は入力電力に対して線形性を有さなくなる。

この問題に対する単純な解決策は、飽和点（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）より下の線形領域においてのみ動作するパワーアンプを要求することである。この様式のパワーアンプを断念すると、所与の出力電力を達成するには、より大きく、より高電力かつ高価な装置が必要となる。また、アンプを線形領域で動作させることを断念したとしても、ある程度位相変調に依存した変調スキームがいつ用いられるかに関係した位相のひずみに関する問題が、依然として存在し得る。

このため、アンプの設計者は、非線形領域での動作を特徴付けるひずみを補償する様々な技術について考案してきた。既知の技術の一つは、技術的にはアンプ入力のプレディストーションを用いる。Ｌｅｙｅｎｄｅｃｋｅｒに対して公布された米国特許第５，８６７，０６５号は、ページャで用いられる線形送信アンプに対する、プレディストーション技術について公開している。Ｌｅｙｅｎｄｅｃｋｅｒ送信機でのプレディストーションは、デジタルに変調され、ベースバンド周波数にある入力信号に実行される。前置補償された信号は中間周波数にアップコンバートされ、パワーアンプの入力となるＲＦキャリアを変調させるために用いられる。アンプ出力の一部は、プレディストーション工程で使用するためキャリアから復調され、再びベースバンドにダウンコンバートされる。このプレディストーション技術は、少なくとも一つの局部発振器を必要とし、アップコンバートと、ダウンコンバートと、変調および復調を維持するために、フェーズ・ロックド・ループ（ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）のような制御回路を必要とする。このため、ベースバンド内にある信号のデジタル・プレディストーションを補助するのに必要な回路は、比較的複雑になる。更に、特定のデジタル・プレディストーション工程は、使用されているデジタル変調のタイプに依存する。

本発明の目的は、局部発信器やタイミング回路のような複雑な補助コンポーネントを必要としないパワーアンプのプレディストーションに関する、遥かに単純な技術を提供することである。関連した目的は、使用されているデジタル変調の特定のタイプに依存しないプレディストーション技術を提供することである。

（発明の概要）
本発明は、ベースバンドよりも搬送周波数で前置補償を適用するパワーアンプの直接的なプレディストーションに係る、方法と装置に関する。手短かつ概略的に述べると、本発明の方法は、送信信号を増幅するためにアンプが用いられている搬送周波数（ＲＦ）において、パワーアンプの入力電力と出力電力とを比較する。

更に具体的には、本発明の装置は、２つの入力信号の間の位相と振幅の差を示す出力信号を生成するＲＦ位相弁別器と、ＲＦアンプ入力の一部を第１の入力信号として上記ＲＦ位相弁別器に接続する手段と、ＲＦアンプ出力の一部を第２の入力信号として上記ＲＦ位相弁別器に接続し、ＲＦアンプ出力のうち上記接続された部分を上記ＲＦアンプ入力と比較するためにスケール（ｓｃａｌｅ）する手段と、上記ＲＦ位相弁別器によって生成された差信号をデジタル形式に変換するアナログ−デジタル変換器とを備える。上記の装置はまた、上記差信号からゲイン圧縮とＲＦアンプ出力位相の対応値を導き出す計算モジュールと、ＲＦアンプ入力の一部をアナログ−デジタル変換器に接続し、ＲＦアンプ入力値をデジタル形式で導き出す手段と、ＲＦアンプ入力の値をゲイン圧縮とＲＦアンプ出力位相の各々に関連して格納するデジタルメモリと、上記格納されたゲイン圧縮とＲＦアンプ出力の位相の値に基づいて上記ＲＦアンプ入力の振幅と位相を調整し、ＲＦアンプのひずみを補償するアンプ・プレディストータ（ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｅｒ）とを備える。

新しい方法という観点で述べると、本発明は、ＲＦアンプ入力の一部を第１の入力信号としてＲＦ位相弁別器に接続するステップと、ＲＦアンプ出力の一部を第２の入力信号として上記ＲＦ位相弁別器に接続し、上記ＲＦアンプ入力と比較できるように上記ＲＦアンプ出力をスケールすることを含むステップと、上記第１および第２の入力信号の間の位相と振幅の差を示す情報を含む出力信号を上記ＲＦ位相弁別器内に生成するステップとを含む。上記の方法は、更に、上記ＲＦ位相弁別器の出力差信号をアナログ−デジタル形式に変換することと、デジタル差信号からＲＦアンプ・ゲイン圧縮とＲＦアンプ出力位相の対応値を計算することとと、ＲＦアンプ入力の値をアンプ・ゲイン圧縮とアンプ出力位相の各々に関連してルックアップテーブルに格納することと、上記格納されたゲイン圧縮の値と所望のＲＦアンプ入力の値に関連したアンプ出力位相とに基づいて上記ＲＦアンプ入力を同じ振幅と位相に前置補償すること（ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｎｇ）とを含む。好ましくは、これらの格納された値は移動平均（ｒｕｎｎｉｎｇ ａｖｅｒａｇｅ）であり、したがって、選択された期間に測定されたひずみを表す。したがって、例えばコンポーネントの使用年数または環境に関する状況を背景として上記アンプに適用されるプレディストーションの度合いは、アンプ変更に適合する。

上述から、従来用いられていたアンプのプレディストーション技術に対し、本発明が顕著な進歩を示すことが認識され得る。特に、本発明は、ＲＦアンプ入力信号と出力信号の測定結果に基づいてプレディストーション・パラメータを計算することにより、アンプのひずみを補償する。このため、本技術は実装することが比較的容易であり、用いられる変調の形式に依存しない。添付の図面と合わせることで、以下に続く詳細な記述から、本発明に関するその他の局面と利点を明白に理解し得る。

（好ましい実施形態に関する記述）
説明のための図面に示されているように、本発明は、無線周波数（ＲＦ）送信機に対するパワーアンプに使用されるプレディストーション技術に関する。パワーアンプは、入出力電力が比較的低い場合の動作を規定する一般線形特性の外で動作するとき、出力の位相と振幅の両方において所望しないひずみを受ける。入力信号のプレディストーションは、線形領域内でのアンプの動作を拡張した解決策として提唱されてきた。米国特許第５，８６７，０６５号は、ベースバンド周波数での入力デジタル信号と出力デジタル信号を比較する、プレディストーション技術について公開している。このアプローチは、局部発振器と、ダウンコンバータと、入力信号と比較するためにＲＦ出力信号をもとのベースバンドに変換するための復調器とを含む複雑な補助回路とを必要とする。

本発明に従えば、ＲＦパワーアンプは、アンプの動作周波数において、プレディストーションを直接的に受ける。アンプ出力を異なる周波数に変換することが避けられるため、結果として、回路は比較的単純になる。追加的な利点は、上記プレディストーションがＲＦ（キャリア）レベルで実行されるため、入力信号がアンプに到達するまでに用いられる変調のタイプに本技術が全く依存しないと言うことである。更に別の利点は、例えばコンポーネントの使用年数や環境に関する状況の変化によって発生する可変性のアンプ・パラメータに、本プレディストーション技術が自動的に適合すると言うことである。

図面に示されているように、本発明の回路は、図中左の矢印１２に示されているＲＦ入力とＲＦ出力１４とを有する、ＲＦパワーアンプ１０につながれている。上記ＲＦ入力は、一般的にボックス１６で示されるように、あるタイプの変調を受ける。用いられる変調の具体的なタイプは、本発明とは完全に無関係である。変調器１６から出る直線１８の信号は、増幅後に上記信号をリモート位置に送信するために使用され得るキャリア周波数内にある、ＲＦ信号である。直線１８のＲＦ信号は、アンプ１０に入力する前に、ＲＦ信号の振幅と位相を変化させるプレディストータ２０による処理の対象になる。その後、直線２２の前置補償された信号は、パワーアンプ１０への入力となる。

直線１４のＲＦ出力信号は、方向性結合器２４によってサンプリングされ、直線２６を介して位相弁別器３０に送信される。直線２２に示されるパワーアンプ１０への入力信号は、第２の方向性結合器３２によってサンプリングされ、直線３４を介して入力サンプルを再び分裂させる別の方向性結合器３６に送信される。入力された電力信号のサンプリングされた部分は、直線３８を介して第３の方向性結合器３６から位相弁別器３０に送信される。その後、上記位相弁別器３０は、振幅と位相を比較されることになる２つの入力信号を直線３８と２６において受信する。いくつかの位相弁別器では、これらの入力は各々参照入力ないしはテスト入力と呼称される。

方向性結合器２４は、ＲＦ出力を表す直線１４上でＲＦ出力信号を弱め、アンプ１０のゲインをリバース（ｒｅｖｅｒｓｅ）するように設計される。言い換えると、サンプリングされたＲＦ入力信号と出力信号は、アンプのひずみがない場合、振幅と位相に関して完全に一致する。位相弁別器３０は、直線３８と２６にそれぞれ提供された、アンプＲＦ入力信号と出力信号を比較し、出力を表す直線５０と５２にＩ出力信号とＱ出力信号をそれぞれ生成する。上記Ｉ出力信号とＱ出力信号は、任意の瞬間でのＲＦ入力信号と出力信号との間の差を表すベクトルである。

位相弁別器３０は、同じ周波数を有する２つの入力信号を比較し、振幅と位相の差に関する情報を含む出力を生成する、従来の任意のコンポーネントであってよい。例えば、Ａｎａｒｅｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ， Ｉｎｃ．， Ｅａｓｔ Ｓｙｒａｃｕｓｅ， ＮｅｗＹｏｒｋによって製造されている、２０７５０シリーズの位相コンパレータが適切であり得る。上記２０７５０シリーズの位相コンパレータは、入力信号の大きさと２つの入力信号の位相角の差の正弦との積、および、入力信号の大きさと２つの入力信号の位相角の差の余弦との積にそれぞれ比例する、Ｉ出力とＱ出力とを生成する。このため、本発明の装置からの上記Ｉ出力とＱ出力は、振幅の大きさの差に関する情報をただ間接的に含む。一方、上記振幅の大きさの差は、入力信号の一つが単独に知られている場合に計算され得、このことは以下で議論される。

直線５０と５２のＩ出力信号とＱ出力信号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器６０に対してパラレルに適用される。また、変換器６０への第３のパラレル入力として、直線６２の第３の方向性結合器３６から得られたＲＦ入力信号のサンプルが適用される。このため、上記Ａ／Ｄコンバータ６０は、３つのデジタル化された出力を周期的に生成する。位相弁別器３０から導かれたＩ出力信号とＱ出力信号は直線６４と６６に、ＲＦアンプ出力信号は直線６８に変換される。

ブロック７０に示される計算モジュールは、これら３つの量からゲイン圧縮と出力位相に関する値を導き出す。ゲイン圧縮、または圧縮されたゲインとは、ひずみによって引き起こされたアンプ・ゲインの低下のことである。これは通常、小さな信号をアンプの線形領域に増幅させたときに得られるゲインに対する、信号に起因する大きなひずみが存在する場合の実際のゲインの比として表される。測定された出力信号Ｐ_ＯＵＴは、入力信号Ｐ_ＩＮと比較できるように規格化（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）またはスケールされるため、比Ｐ_ＯＵＴ／Ｐ_ＩＮは圧縮の尺度を提供することになる。比が１になる場合、ゲイン圧縮は存在せず、アンプは線形領域内で動作する。勿論、スカラー値のＰ_ＯＵＴは、Ｐ_ＩＮの値とＰ_ＩＮおよびＰ_ＯＵＴの間の差のＩ，Ｑ成分の値とから決定され得る。これにより、上記圧縮は容易に決定される。同様に、ＲＦ出力信号Ｐ_ＯＵＴの位相角は、Ｐ_ＩＮの値とＰ_ＩＮおよびＰ_ＯＵＴの間の差のＩ，Ｑ成分とから決定され得る。

位相弁別器３０からのＩ出力とＱ出力がＰ_ＩＮとＰ_ＯＵＴとの差よりもＰ_ＩＮとＰ_ＯＵＴの積に比例する場合、Ｐ_ＯＵＴのスカラー値は、まずはＩ成分とＱ成分、およびＰ_ＩＮの値から計算される。このことは、計算ブロック７０への直線６８の入力からは、独立に知られることである。このようにして、比Ｐ_ＯＵＴ／Ｐ_ＩＮは、上記で議論されたように、圧縮の尺度を提供する。

直線７２と７４で示される圧縮と位相出力の値は、直線７６で示されるＰ_ＩＮの対応値と共に、選択されたルックアップテーブル７８に格納される。更に詳しくは、中に入ったＰ_ＩＮに対する圧縮と位相出力は、移動平均として格納される。圧縮と位相出力に対する移動平均は、記録されたＰ_ＩＮの全特定値の例に対して計算され得、または、更に好ましくは、先のｎ個の例に対して上記平均が計算され得る。ここに、ｎは前もって選択された数である。これにより、上記ルックアップテーブル７８は、各Ｐ_ＩＮ値の多数の例の各々に対するゲイン圧縮と出力位相角とに関する評価を含む。更に、これら格納された移動平均は、回路パラメータが時間または気温に伴って変化する場合には、自動的に調整される。

ルックアップテーブル７８は、そのようなテーブルのセットのうちの一つであり得、セット内の各テーブルはアンプ１０の異なる動作周波数に対して用いられる。例えば、上記アンプが異なるキャリア周波数で動作している多重の通信チャンネルと協働するために異なるキャリア周波数に切り替えられる場合、ルックアップテーブルへの格納経路とルックアップテーブルからの回復経路は、ルックアップテーブルのセット７８の異なるパラレルなテーブルにアクセスするために調整される。

プレディストータ２０の機能とは、Ｐ_ＩＮの各値に対するゲイン圧縮と出力位相に関する蓄積されたヒストリに従って、ＲＦ入力信号の振幅と位相を調整することである。プレディストータ２０は、Ｐ_ＩＮの実際の値を用いて適切なルックアップテーブル７８をアドレス指定し、圧縮と出力位相に対応する移動平均を回復する。これらの値は、否定的な意味で入力信号に適用される。圧縮が比Ｐ_ＯＵＴ／Ｐ_ＩＮの形で格納される場合、Ｐ_ＩＮは、これに逆比Ｐ_ＯＵＴ／Ｐ_ＩＮを乗じ、ルックアップテーブル７８から回復された出力位相角の量だけ位相シフトすることによって、前置補償される。

上述から、プレディストータ２０が線形領域の外でアンプ１０を動作させたことに起因するいかなるひずみをも効率的に補償することが理解される。ルックアップテーブル７８は、入力電力の各値に対して過去に得られたディストーション・パラメータ（ｄｉｓｔｏｒｓｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）に関する、統計的な平均値を蓄積する。ルックアップテーブル７８に格納されたルックアップ・パラメータは、上記アンプ１０のひずみの挙動を反映するため、気温または使用年数による影響によってアンプの特性がゆっくりと変化するのに伴い、上記パラメータは自動的に調整される。説明のため、本発明の特定の実施形態が詳細に記述されてきたが、様々な変更が本発明の精神と目的から逸れずに構成され得ることが理解される。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲による限定を除いて制限され得ない。

図は、本発明に関連したプレディストーションを用いたパワーアンプ回路のスキーム図である。

Claims (14)

1. 無線周波数（ＲＦ）パワーアンプに適用された入力信号を前置補償する装置であって、
   ２つの入力信号の間の位相と振幅の差を示す出力信号を生成するＲＦ位相弁別器と、
   ＲＦアンプ入力の一部を第１の入力信号として該ＲＦ位相弁別器に接続する手段と、
   ＲＦアンプ出力の一部を第２の入力信号として該ＲＦ位相弁別器に接続し、該ＲＦアンプ出力のうち接続された部分を該ＲＦアンプ入力と比較するためにスケールする手段と、
   該ＲＦコンパレータから生成された差信号をデジタル形式に変換するアナログ−デジタル変換機と、
   ゲイン圧縮とＲＦアンプ出力位相に対応する値を差信号から導き出す計算モジュールと、
   該ＲＦアンプ入力の一部をアナログ−デジタル変換機に接続し、ＲＦアンプ入力値をデジタル形式で導き出す手段と、
   ＲＦアンプ入力の値をゲイン圧縮とＲＦアンプ出力位相の各々に関連して格納するデジタルメモリと、
   該格納されたゲイン圧縮とＲＦアンプ出力の位相の値に基づいてＲＦアンプ入力の振幅と位相を調整し、ＲＦアンプのひずみを補償するアンプ・プレディストータと
   を備える、装置。
2. 前記ＲＦ位相弁別器が、
   前記アンプ入力信号と前記アンプ出力信号の各々から引き出された第１と第２の入力を受信する第１と第２の入力端子と、
   位相差と振幅差に関する情報を含む同位相（Ｉ）の出力信号と直交信号（Ｑ）の出力信号を出力する第１と第２の出力端子と
   を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記アナログ−デジタル変換器がパラレル入力としてＩコンポーネントとＱ出力信号を受信し、これら差信号のデジタル形式での対応物を生成する、請求項２に記載の装置。
4. 前記ＲＦアンプ入力の一部をＲＦアンプ入力のデジタル形式での対応値を生成するアナログ−デジタル変換器の第３のパラレル入力に接続する手段を更に備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記デジタルメモリが、ＲＦアンプ入力値と、アンプ・ゲイン圧縮およびアンプ出力位相に対応する値とを格納するデータフィールドを有する、ルックアップテーブルと、
   ＲＦアンプ入力の実際の値に基づいて該ルックアップテーブルにアクセスし、アンプ・ゲイン圧縮およびアンプ出力位相の対応値を補償する手段を含むアンプ・プレディストータと
   を備える、請求項４に記載の装置。
6. 前記アンプ・ゲイン圧縮とアンプ出力位相の値が移動平均として前記ルックアップテーブルに格納され、これにより、振幅のひずみ特性のいかなる変化も該ルックアップテーブルに自動的に反映され、前記プレディストーションに適用される、請求項５に記載の装置。
7. 前記デジタルメモリが、各々が異なるＲＦアンプ動作周波数に対応している追加的なルックアップテーブルを備える、請求項５に記載の装置。
8. 無線周波数（ＲＦ）パワーアンプに適用された入力信号を前置補償し、アンプのひずみを補償する方法であって、
   ＲＦアンプ入力の一部を第１の入力信号としてＲＦ位相弁別器に接続するステップと、
   ＲＦアンプ出力の一部を第２の入力信号として該ＲＦ位相弁別器に接続し、該ＲＦアンプ入力と比較できるように該ＲＦアンプ出力をスケールすることを含むステップと、
   該第１および該第２の入力信号の間の位相と振幅の差を示す出力信号を該ＲＦ位相弁別器内に生成するステップと、
   ＲＦコンパレータ出力差信号をアナログ−デジタル変換器内でアナログ形式からデジタル形式に変換するステップと、
   デジタル差信号からＲＦアンプ・ゲイン圧縮とＲＦアンプ出力位相の対応値を計算するステップと、
   ＲＦアンプ入力の値をアンプ・ゲイン圧縮とアンプ出力位相の各々に関連してルックアップテーブルに格納するステップと、
   該格納されたゲイン圧縮の値と所望のＲＦアンプ入力の値とに関連したアンプ出力位相に基づいて、該ＲＦアンプ入力を同じ振幅と位相に前置補償するステップ
   とを含む方法。
9. 前記差信号をデジタル形式に変換するステップが、アナログ−デジタル変換器へのパラレル入力信号としてＲＦ位相弁別器からの同位相（Ｉ）の差信号と直交信号（Ｑ）の差信号を受信することと、該差信号のデジタル形式での対応物を生成することを含む、請求項８に記載の方法。
10. ＲＦアンプ入力の一部を前記アナログ−デジタル変換器の第３のパラレル入力に関連付けることと、
    該ＲＦアンプ入力のデジタル形式での対応物を生成すること
    とを更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記格納するステップが、前記ＲＦアンプ入力に対するデータ値と、前記アンプ・ゲイン圧縮および前記アンプ出力位相の対応値を前記ルックアップテーブルに格納することを含み、
    前記前置補償するステップが、ＲＦアンプ入力の実際の値に基づいて該ルックアップテーブルにアクセスすることと、アンプ・ゲイン圧縮およびアンプ出力位相の対応値を補償することとを含む、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記格納するステップが、前記アンプ・ゲイン圧縮および前記アンプ出力位相の移動平均を格納することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記デジタルメモリが、各々が異なるＲＦアンプ動作周波数に対応している追加的なルックアップテーブルを備え、前記格納するステップが、ＲＦアンプ周波数に基づいてルックアップテーブルを選択することと、前記ＲＦアンプ入力と前記アンプ・ゲイン圧縮と前記アンプ出力位相に対して選択したルックアップテーブルを格納することとを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記の前置補償するステップが、アンプのひずみにおいて対応する変化を引き起こす、アンプ特性の変化を、自動的に補償することを含む、請求項８に記載の方法。

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