JP2007511187A - 可変供給電圧増幅器システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電力増幅器に適切な可変電圧供給を決定し、提供するシステムと方法を提供する。電力増幅器は、入力信号を増幅するために、動作する。デジタルバッファは、事前に決定された時間インターバルを示す入力信号のコピーを格納する。エンベローブプロファイラは、入力信号のバッファされたインターバルを分析し、事前に決定された時間インターバルにわたって、増幅器に適切な供給信号プロファイルを決定する。供給プロファイルは、決定されたプロファイルに従って、供給信号を提供する。

Description

本発明は、一般的に電子デバイスに関する。特に可変供給電圧増幅器アンプシステムに関する。

（発明の背景）
携帯、個人用、衛星通信などに適用される現代の送信機は、直交位相シフトキーイング（ＱＰＳＫ）のようなデジタル変調技術を、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）通信と一緒に、用いている。データパルスの形成は、帯域外放出が隣接するチャネルに起こりにくくするが、時間依存エンベロープを発生する。さらに、時間依存エンベロープを有する個々の波形を増幅させることに加え、多くの送信機（特に基地局にある）は、多数（マルチ）のキャリアを増幅するように設計されている。マルチキャリア信号は、電力レベルで幅広い分布を有し、その結果、ピーク−平均比（ＰＡＲ）は大きくなる。この種の信号の場合、増幅器（例えば、リニア増幅器）の動作は、非常に効率が悪い。なぜなら、実質的に大部分の時間は、高ピーク電圧時よりも、かなり小さな電圧であっても、高ピーク電圧を扱えるように、その供給電圧は十分大きくなっており、増幅器もそれに見合ったサイズとなっているからである。さらに、電力増幅器のサイズとコストは、その増幅器に必要とされるピーク出力電力に、一般的に比例している。

広帯域符号分割多元接続（ＷＣＤＭＡ）、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）、および、移動通信用世界標準（ＧＳＭ）と符号分割多元接続２０００（ＣＤＭＡ２０００）のマルチキャリアバージョンは、無線標準であって、その適用はますます増えている。それぞれにおいて、場合によっては、１０ｄＢを超える高ＰＡＲレベルの波形の増幅を必要とする。地上無線通信に割り当てられたスペクトルは、点在する量であるため、送信が帯域外（ＯＯＢ）放出を最小限として、干渉環境を最小とすることが必要である。１０ｄＢ以上のＰＡＲを有する波形を増幅するために使われるリニア増幅器は、ＤＣ−ＲＦ効率は、５〜１０％を提供するのみである。増幅器のピーク出力は、ピーク波形によって、サイズが決められる。増幅器のコストは、そのピーク出力に対応して、それに見合ったものとなる。ヒートシンクやＤＣ−ＤＣ電源を含むその他の回路コストの幾つかは、ピーク出力と放出熱（電気効率が悪いことに起因する）と、逆の関係になる。ＡＣ−ＤＣ電源、バックアップ電池、冷却と回路ブレーカの関連する基地局のコストも、電気動作コストと同様に、効率と逆の関係になる。ＤＣ−ＲＦ効率を改善することが、製造面からも動作面からもコストを節約する大きな要因となることは明らかである。

電力増幅器の効率を改善する技術の一つは、エンベローブ追跡あるいはエンベローブ追随として知られている。エンベローブ追跡システムにおいて、電力増幅器への供給電圧は、入力信号の増幅変調エンベローブの増幅に応じて、増減する。電力増幅器への供給電圧は、電力増幅器に供給される入力信号のエンベローブに追随する。供給電圧は、増幅器が動作時に飽和しないことを保証するレベルで、維持される。例えば、エンベローブ増幅がピークのとき、電源電圧は増加して、ピーク時の所望の増幅器出力電圧より大きくなる。エンベローブ増幅がその最小のとき、電源電圧は減少し、ピーク電圧より小さくなる。このため、定電圧リニア増幅器より、効率良い増幅を提供する。

正確に追跡することで確保されるのは、増幅器の供給電圧が概ね一定のボルト値あるいは出力電力を超える「ヘッドルーム（ｈｅａｄｒｏｏｍ）」を供給することである。この一定量を増やすと、効率は下がるが、直線性は改善される。逆に、供給電圧と出力電圧の差を減らすと、効率は改善されるが、それと引き換えに、歪みと帯域外（ＯＯＢ）放出が増加する。入力信号エンベローブに追跡するためには、増幅器の供給電圧で、周波数変化が急激であること、または、高いことが必要となり得る。このような急激な変化を提供することは、増幅器に適切に供給し、増幅器出力の歪みを避けるための大きな帯域幅を有する電圧供給構成要素を必要とし得る。所望の帯域幅を有する構成要素は、他にも望ましからぬ属性を有することが多い。例えば、低帯域幅を有する構成要素よりも低効率であるなどである。これら構成要素起因の効率ロスによって、可変増幅器供給によって得られた効率の一部または全部が打ち消され得る。

（発明の概要）
本発明の電力増幅器の一つの局面に従うと、可変供給電圧増幅器システムが提供される。電力増幅器は、入力信号を増幅する機能がある。本システムは、予定の時間インターバルを表す入力信号のコピーを遅らせ、（例えば、デジタルバッファに）格納する。エンベローブプロファイラが、入力信号のバッファされたインターバルを分析し、予定の時間インターバルにわたり、電力増幅器に、適切な供給信号プロファイルを決定する。
供給制御は、決定されたプロファイルに従って、供給信号を提供する。このように、供給信号は最適化され、帯域幅は最小に、増幅構成要素は高効率にできる。さらに、本システムは、入力信号レベルの関数として、ヘッドルームの特定の量を確保するようにプログラムされ得て、直線性と主増幅器の効率を最適化する。

本発明のもう一つの局面に従うと、入力信号を増幅する方法が提供される。入力信号の少なくとも一部分が、バッファ（時間のインターバルに対応する部分）に、格納される。バッファされた信号の部分は、その時間のインターバルにわたって、電力増幅器に適切な供給信号を決定するために、分析される。入力信号は、決定された供給信号を用いて、電力増幅器で増幅され、増幅出力信号を発生する。

（発明の詳細な説明）
本発明は、可変供給電圧増幅器システムに関する。本システムは、可変供給電圧ループの効率的な動作を維持するために、スルーレートを抑える。信号に追跡する本増幅器システムは、バッファ内に、入力信号のコピーを格納し、その信号を評価して、バッファされた信号部分にわたり、必要な増幅器供給電圧を決定する。増幅器供給プロファイルは、このように、所望のスルーレートを維持している間に、出力増幅器が効率的に動作できるように決定される。このため、供給経路で、より効率的な低帯域幅の構成要素の利用ができ、システムの全体効率が向上する。

図１は、本発明の一局面に従う増幅システムまたは増幅構造１０である。増幅システム１０は、入力信号のバッファされたインターバルの増幅レベルをモニタし、バッファされたインターバルの間にわたり、関連電力増幅器１２に、適切な電圧プロファイルを決定する。電力増幅器１２は、入力端子と供給端子を含む。こうして、増幅システム１０は、徐々に供給電圧を増減（例えば、緩やかなスルーレートで）できるので、電力増幅器１２の供給経路と関連する供給アセンブリ１４の効率的な動作を維持する。

増幅システム１０は、デジタルアセンブリ１６を含む。デジタルアセンブリ１６は、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、現場でプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、あるいは、デジタルハードウェアおよび／またはデジタルソフトウェアの組合せを備え得る。デジタルアセンブリ１２は、供給経路に沿って、供給アセンブリ１４と結び付いている。供給アセンブリ１４は、電力増幅器１２の供給および／またはバイアスに、供給電圧をある電圧レベルで提供する。供給アセンブリ１４は、電力増幅器１２に、供給電圧を提供する適切な構成要素を備え得る。例えば、ＤＣ−ＤＣ変換器、あるいは、第二の増幅器、および、デジタルアナログ変換器などである。

供給アセンブリ１４が速度制限に関連する帯域幅を有し得ること、そして、その速度において、供給アセンブリによって提供される電圧量は変化され得ることは、認識されるべきである。供給アセンブリ構成要素が、この帯域幅の制限を克服するような設計もされ得るが、帯域幅を増加すると、一般的に、供給アセンブリの全体効率など所望の特性を損ねる。したがって、供給電圧の変化速度やスルーレートを最大値未満に維持したまま、所望の低帯域幅を有する供給アセンブリ１４が使用され得ることが、望ましい。

デジタル入力信号は、時間インターバルの間にわたり、その入力信号を格納するバッファ２０にあるデジタルアセンブリ１６に、受け入れられる。次いで、信号は遅延構成要素２０に通される。バッファ２２は、エンベローブプロファイラ２４に動作的に接続されている。エンベローブプロファイラ２４は、バッファに格納された信号インターバルを分析し、バッファされたインターバルのために、適切な供給プロファイルを決定する。エンベローブプロファイラ２４は、遅延信号の来るべき（ｕｐｃｏｍｉｎｇ）値を分析し、適切なプロファイルを生成するので、分析は信号エンベローブの「ルックアヘッド（ｌｏｏｋ−ａｈｅａｄ）」プロファイリングとして参照され得る。

エンベローブプロファイラ２４は、バッファされた入力信号および関連する１つ以上のパラメータから決定された振幅変化に基づいて、供給電圧プロファイルを構築する。例示的な実施形態においては、３つのパラメータが使われ得る。第一のパラメータは、電圧の最大スルーレートであり得る。これは、供給アセンブリ１４の帯域幅のファクタである。最大スルーレートの場合、エンベローブプロファイラ２４は、信号振幅（例えば、ピーク）における急速な変化領域のバッファされた信号を見直し、所望の速度に従う変化にある程度の時間先立って、電圧を上げ、もしくは、下げ始める。第二のパラメータは、電力増幅器１２と関連する最低供給電圧であり得る。一般的に、電力増幅器１２は、この最低供給電圧未満の電圧が供給されたとき、大きな信号の歪みを発生する。それは、エンベローブプロファイラ２４が、供給電圧に最低供給電圧かそれ以上に維持するように指示され得るためである。

第三のパラメータは、最小の量であり、これは、供給電圧が増幅入力信号の所望の電圧を超えなくてはならないだけの最小電圧（これは、供給の「ヘッドルーム」と呼ばれる）である。電力増幅器１２は、この最小ヘッドルームがないと、歪んだ信号を発生するので、供給プロファイルは、少なくともこのヘッドルーム値によって望まれる増幅器出力よりも大きな値を維持するように拘束される。これらパラメータ内であれば、エンベローブプロファイラ２４は、幾つかの基本的な構造に従う供給プロファイルを決定し得る。例えば、エンベローブプロファイラ２４は、所望のスルーレートにある２つのレベル間を移動する供給電圧を決定し得る。このようなプロファイルでは、平均入力信号に近い信号に対して、第一の電圧にとどまり、ピークがバッファされた信号から検出されたとき、所望のスルーレートで、第二の電圧まで上げることもできる。代替的に、エンベローブプロファイラ２４は、２つを超える関連電圧レベルを有する電圧プロファイル、あるいは、少なくとも最小ヘッドルームと最大のスルーレートとを維持している間に入力信号を追随しようとする追跡波形を決定することができる。例示的な実施形態において、エンベローブプロファイルは、与えられたパラメータによって提供された制約内で、１つ以上の値を最適化しようと試みる。例えば、エンベローブプロファイラ２４は、電力増幅器１２および供給アセンブリ１４と関連する直線化あるいは効率化対策を最適化できる。

決定された供給プロファイルは、決定されたプロファイルを供給信号に変換するデジタルアセンブリにある供給制御装置２６に提供される。この供給信号は、供給アセンブリ１４に提供され、これが電力増幅器の供給端子に、適切な供給電圧を提供する供給信号を発生する。遅延回路２０は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）３０を通して、電力増幅器１２の入力端子に結合される。これは、入力経路に沿って、電力増幅器に、遅延入力信号を提供するためである。遅延回路２０は、電力増幅器１２に入力信号および供給信号との到着が、同期するように調整され得る。

本発明の一局面において、ＤＡＣ３０は、デルタシグマ変調ＤＡＣである。デルタシグマ変調は、少数の量子化レベルと非常に高いサンプリング速度を用いて、大雑把な推定をする技術である。少数（例えば、１ビット量子化器に対し２つ）の量子化レベルがシステムに量子化ノイズを導入する。過剰サンプリングの影響と、デルタシグマ変調におけるフィードバックループの使用は、量子化ノイズを帯域外周波数にシフトするのに、効果的である。デルタシグマ変調器のノイズシフトの性質は、引き続き起こるフィルタリング段階を効率的に利用することで、量子化ノイズを除去し、所望の周波数において、より厳密な表現を生成することが可能となる。例示的な実施形態では、デルタシグマＤＡＣは、受け取った信号を無線送信周波数に直接アップミックスするために使われ得る。この際、従来型のアナログミキサを介した更なる信号のアップミクスは必要ない。無線送信周波数は、無線周波数（ＲＦ）範囲（例えば、メガヘルツ範囲）あるいはマイクロ波周波数（例えば、ギガヘルツ範囲）でもあり得る。

電力増幅器１２は、供給アセンブリ１４によって提供される供給電圧を用いて、入力信号を増幅する。例示的な実施形態において、電力増幅器１２は、リニア増幅器（例えば、Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級）を備え得る。また、（主）電力増幅器１２には、望ましい帯域幅および許容可能な歪み限界に基づく増幅器で、より効率的な他のタイプも含み得ることも、理解される。

図２に、本発明の一局面に従う例示的な可変供給電圧増幅器によって提供された所望の増幅器出力信号４２、一定のヘッドルームエンベローブ追跡システムを表す供給信号４４、および、供給信号４６について、増幅対時間のグラフ４０を示す。所望の増幅器出力信号４２は、例示的な増幅器システムに導入された入力信号（図示せず）の増幅コピーである。エンベローブ追跡信号４４は、入力信号への追跡、所望の増幅決定、および、所望の増幅への一定のヘッドルームの加算によって生成した信号を示す。最小ヘッドルームは、入力信号の増幅時の歪みを小さくし易くするために必要である。エンベローブ追跡信号４４は、このようにして、所望の出力信号４２に、形は類似するが、事前に設定された量、上方にシフトしている。伝統的なシステムにおいては、入力信号のエンベローブは、アナログ構成要素を用いて検出され、一定信号（ヘッドルーム）が加算され、その総和は、増幅機器に送信され、主増幅器に可変供給電圧を提供している。

それに対し、発生した可変供給電圧信号４６は、本発明の一局面に従って、所望の出力信号４２の形に、ゆったりと追随する。本発明の増幅システムは、事前に設定した期限までに、入力信号を分析する。このため、本発明は、入力信号がいかなるピークを有しても、本発明の一局面に従った低い関連スルーレートを維持しながら、徐々に応答することを可能とする。例えば、エンベローブ追跡信号４４は、所望の出力信号４２のピークに追随するため、約５単位時間で、即座に上がる。追跡信号４４が急勾配で上昇する場合には、電圧供給アセンブリが低効率であるか、その設計に他の望ましからぬ妥協点を有することが、必要である。可変供給電圧信号４６は、入力信号が増幅器に提供される前（例えば、約３単位時間に）に、ピークを検出し、信号ピークに見合うように供給電圧を上げ始める。これによって、より低い関連帯域幅を有し、より効率的な供給アセンブリ構成要素を使用できる。

多くのアプリケーションにおいて、所望の出力信号は、グラフ４０に示される以上に、かなり大きなピーク−平均の比を有することは、認識されるべきである。典型的な信号は、非常に長期にわたり、かなり大きな信号ピークをごくわずか有するのみであり得る。本増幅器の可変供給電圧増幅器は、大きなピーク−平均を有する入力信号を、非常に効率的に追跡できる。なぜなら、供給電圧は、比較的頻度の少ないピーク間において、安定な低い電圧で維持され得るからである。頻度の少ないピークまで上昇するとき、余分なヘッドルーム（ピークでない信号）の提供で失われた効率は、供給アセンブリにとって、比較的低い帯域幅で、高効率の構成要素を用いることで得られた効率より小さい。

図３は、本発明の一局面に従う事前歪み（ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）線形化技術を用いる増幅器システム１００を示す。事前歪みは、入力信号を変更し、増幅器チェーンおよび複合出力信号で、予測される歪みを減らす。所望の事前歪みは、典型的にはオフラインで決定される。事前歪みは、デジタルドメインにある増幅器の入力信号と増幅器の供給信号の一方または双方で形成される。これは、デジタル入力信号と供給信号とが、デジタルアナログ変換の前に、変更されるようにするためである。

増幅器システム１００は、入力信号の予測される特性に従う関連電力増幅器１０４のために、適切な供給電圧を決定するデジタルアセンブリ１０２を含む。デジタルアセンブリ１０２は、変調構成要素とデジタルフィルタのように、入力信号をデジタルに生成するためのデジタルハードウェアとソフトウェア構成要素（図示せず）を備え得る。例示的な実施形態において、デジタルアセンブリ１０２は、デジタル信号プロセッサである。一度、入力信号がデジタルアセンブリによって生成されると、その入力信号はデジタル事前歪み発生器１０６を通される。入力信号の事前に設定された時間インターバルを示す信号のコピーが、バッファ１０８に保持される。

エンベローブプロファイラ１１０は、バッファされた信号を分析し、電力増幅器のために、適切な供給信号プロファイルを生成する。エンベローブプロファイラ１１０は、所望の出力信号を超える最小ヘッドルーム距離を維持し、レベルを最大スルーレート以下に変化し、最低供給電圧を少なくとも維持するために、拘束される。これらの拘束の中で、エンベローブプロファイラ１１０は、非常にバラエティに富んだ供給信号プロファイルを生成し得る。

例示的な実施形態において、エンベローブプロファイラ１１０は、２つのレベルの信号プロファイルを、信号変化を伴う拡張ランピング期間とともに、生成する。例えば、この２つのレベルは、平均入力信号レベルと、ピーク入力信号レベルを示し得る。ピークがバッファで検出されたとき、信号は所望のスルーレート以下で、電圧の増加が始まり得る。これは、信号ピークが増幅器に到達する前に、ピークレベルに到達するためである。一度、ピークを過ぎれば、信号は、同様の方法で、平均レベルまで減少し得る。代替的に、エンベローブプロファイラ１１０は、所望の出力信号を超える供給電圧のヘッドルームを最小限とする任意の拘束条件の中で、信号プロファイルを最適化し得る。これによって、増幅器システム１００の効率を上げることができるが、エンベローブプロファイラ１１０の複雑さを増すことになる。

供給信号プロファイルは、決定された供給プロファイルに従う供給信号を提供する供給制御１１２に提供される。供給信号は、入力信号と一緒にデジタル事前歪み発生器１０６を通される。デジタル事前歪み発生器１０６は、所望の事前歪みを決定する。これは、増幅器の入力信号と供給信号の一方または双方に加える、もしくは、その一方または双方から減ずるためである。この事前歪み発生器１０６は、電力増幅器１０４および／または１つ以上の関連フィルタ（例えば、１３０と１３２）によって導入されたエラーをオフセットするために、信号を調整する。デジタル事前歪み発生器１０６が、１つ以上のデジタルハードウェア構成要素および／またはソフトウェアアルゴリズムを備え得ることは、認識されるべきである。デジタル事前歪み発生器１０６は、供給経路に沿って、供給信号をアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１１４と結び付いた第一の出力を有する。帯域通過フィルタ１１６は、アナログ供給信号からのノイズをフィルタし、供給増幅器１１８と関連した最大周波数を超える周波数を減衰させる。供給増幅器１１８は、供給信号用のバッファを提供し、ゲインを加える。供給増幅器１１８の出力は、電力増幅器１０４の供給端子と結合されている。

事前歪み構成要素１０６は、入力経路に沿って、遅延構成要素１２４を介して、デルタシグマＤＡＣ１２２と結合された第二の出力を有する。遅延構成要素１２４は、電力増幅器の入力信号と供給信号の同期化を容易にするデジタルロジックと一緒に、簡単に実行される。デルタシグマＤＡＣ１２２は、ＤＡＣ１２８と結合されたデルタシグマ変調器１２６を含む。ＤＡＣ１２８は、マルチビットＤＡＣでもあり得るし、シングルビットＤＡＣでもあり得る。デルタシグマＤＡＣ１２２の出力は、帯域通過フィルタ１３０と結合されている。デルタシグマ変調器１２６は、より高い周波数で、低分解能の信号を提供するために、デジタルデジタル変換または入力信号の量子化を行う。次いで、ＤＡＣ１２８は、量子化された信号をデジタルドメインからアナログドメインに変換する。帯域通過フィルタ１３０は、入力信号の量子化と関連するノイズをフィルタ除去する。

デルタシグマＤＡＣ１２２は、信号を無線送信周波数に変換するのに用いられ得る。この際、アナログまたはデジタルミキサーに頼ることは要求されない。帯域通過フィルタ１３０の出力は、増幅のために、電力増幅器１０４の入力端子に提供される。電力増幅器１０４は、所望の性能、許容可能な効率、および、許容可能なＯＯＢ放出に基づくリニア増幅器（例えば、Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級）であり得る。次いで、電力増幅器１０４の出力は、選択的な帯域通過フィルタ１３２によって、フィルタされる。これは、この増幅されフィルタされた出力信号が、通信回線を通して、無線または有線で発信されるようにするためである。

増幅器システム１００は、システム内の変化を補償するため、出力信号から事前歪み構成要素１０６への選択的なフィードバック（ＦＢ）経路を含む。選択的なフィードバック経路は、選択的なミキサ１３４、および、選択的な局部発振器１３６を含む。出力信号は、高いダイナミックレンジの高リニアＡＤＣ１３８を用いて、下方変換され、デジタル化される。デジタル値は、期待される信号パラメータと比較される。測定値と期待値の差は、事前歪み構成要素１０６で使われた値に適応するために、用いられる。例示的な実施形態において、値の適応は、信号より実質的に遅い速度で実行され、システム１００において、主に、温度変化と経時変化の量を考慮に入れるために、使われる。

選択的なタップ（ｔａｐ）（図示せず）が、電力増幅器１０４のゲート入力とドレイン入力で、その相対的遅延を校正し、同期化するために、提供され得ることは、認識されるべきである。さらに、増幅器１０４の出力に選択的なフィードバック経路（図示せず）が、供給経路のために、提供され得る。選択的なフィードバック経路において、電力増幅器の出力は、アナログエンベローブ検出器を介して通され、供給信号にあるエラーを除去するため、供給経路にあるＤＡＣ１１４の後に、小さなエラー増幅器に送られる。

図４は、本発明の一局面に従う代替的な直線化技術を用いた増幅器システム１５０を示す。代替的な技術は、デジタルクロスキャンセル（ＤＣＣ）と呼ばれ、単独でも、図３で示された事前歪み技術との組み合わせでも実行され得る。デジタルクロスキャンセル技術は、「クリーン」なバージョンあるいは無歪みバージョンを生成する個々のＤＡＣに、必要とされる信号のデジタル基準を提供する。必要な信号のクリーンなバージョンは、位相反転され、電力増幅器１５２からの出力信号の一部と組み合わされる。これは、出力信号のエラーまたは不要な部分を決定するためである。入力信号の不要な部分は、歪みおよび望まれぬＯＯＢ放出である。入力信号の不要な部分は、反転され、出力信号と組み合わされる。これは、出力信号から不要な部分をキャンセルするためである。

本発明のデジタルクロスキャンセル技術は、増幅器システム１５０の所望の操作を達成するため、入力信号から故意に除去および／または加算された信号の事後修正および信号キャンセルを提供する。例えば、全体のピークレベルを減らすために、必要とされる信号はクリップされること、あるいは、追加信号が加えられることもあり得る。デジタルクロスキャンセル技術は、出力信号の通信前に、これらの加えられた信号を除去し得る。したがって、大型で低効率な増幅器システムと、同等性能で、増幅器システム効率改善を達成するために、より小型（より小さいピーク電力）で低コストな電力増幅器が用いられ得る。

デジタルアセンブリ１５４は、例えば、増幅や位相変調を有する入力信号を受け取る。デジタルアセンブリ１５４は、任意の所望の様々な処理タスク（例えば、信号変調）を実行し、入力信号をピーク−平均リダクション（ＰＡＲ）構成要素１６２と、デジタルクロスキャンセル構成要素１６４に分配する。信号の所望の時間インターバルを表す信号のコピーがバッファ１５６で保持される。エンベローブプロファイラ１５８は、電力増幅器１５２に適合する供給信号プロファイルを決定するために、バッファされた信号を分析する。エンベローププロファイラ１５８は、供給信号プロファイルの提供に拘束される。このプロファイルは、所望の出力信号の最小ヘッドルーム距離を維持し、最大スルーレート以下にレベルを変化し、少なくとも最低供給電圧を維持するするものである。決定されたプロファイルは供給制御１６０に提供され、この供給制御１６０は決定されたプロファイルに対応する供給信号を提供する。

供給信号は、入力信号と一緒にＰＡＲリダクション構成要素１６２に提供される。ＰＡＲリダクション構成要素１６２は、受信信号のクリッピングあるいは信号の追加を介し、入力信号と関連したピーク信号レベルを減少し得る。また、ＰＡＲリダクション構成要素１６２は、供給信号プロファイル、または、入力信号の増幅と位相を事前に歪ませ得る。これは、電力増幅器、または、１つ以上の関連フィルタでの期待される歪みを打ち消すためである。次いで、ＰＡＲリダクション構成要素１６２は、選ばれた信号をデジタルクロスキャンセル構成要素１６４に渡す。

デジタルクロスキャンセル構成要素１６４は、第一のデジタル出力信号を入力経路に沿って、第二のデジタル出力信号を供給経路に沿って、生成する。第一のデジタル出力は、ＰＡＲリダクション構成要素１６２によって提供された任意のＰＡＲリダクションと事前歪みとを含んだ入力信号である。第二のデジタル出力は、ＰＡＲリダクションを考慮して、エンベローブプロファイラ１５８によって決定された供給電圧プロファイルに対応する供給信号である。デジタルクロスキャンセル構成要素１６４は、増幅器システム１５０の性能を向上するために、入力信号と供給信号を加算あるいは除去し得る。また、デジタルクロスキャンセル構成要素１６４は、元々の入力信号の追加の「クリーン」なコピーを受け取る。このコピーは、いかなるＰＡＲリダクションも事前歪みも含まない。これが、第三のデジタル出力信号を提供する。これは、第一のデジタル出力信号と第二のデジタル出力信号が任意の変更を受ける前における所望の出力に比例するクリーンな基準信号である。クリーンな基準信号は、所望の出力信号の表現か、所望の出力信号の反転表現かであり得ることは、理解されるべきである。

ＰＡＲの減少した信号は、遅延構成要素１６８を介して、デルタシグマ変調器１６６に送信される。遅延構成要素１６８は、増幅時において、入力信号と供給信号の同期化を容易にするとともに、最終出力信号のクロスキャンセルを容易にする。デルタシグマ変調器１６６は、１ビットＤＡＣ１７０と帯域通過フィルタ１７２とに結合されている。デルタシグマ変調器１６６、１ビットＤＡＣ１７０、および、帯域通過フィルタ１７２は、無線送信周波数に直接、デジタルアナログ変換を実行するために、協働する。帯域通過フィルタ１７２の出力は、増幅のため、電力増幅器１５２の入力端子に提供される。電力増幅器１５２は、所望の性能、許容可能な効率、および、許容可能なＯＯＢ放出を有するリニア増幅器（例えば、Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級）であり得る。ＤＡＣの直線性が、エラー信号を生成して、それのために、十分に低い歪みにできるのであれば、デルタシグマＤＡＣは、マルチビットのデルタシグマＤＡＣ、あるいは、従来型のマルチビットＤＡＣによって、置換され得る。

供給信号は、第二のデルタシグマ変調器１７６に送信される。第二のデルタシグマ変調器１７６は、第二の１ビットＤＡＣ１７８と第二の帯域通過フィルタ１８０とに結合されている。デルタシグマ変調器１７６、１ビットＤＡＣ１７８、および、帯域通過フィルタ１８０は、無線送信周波数に直接、デジタルアナログ変換を実行するために、協働する。次いで、帯域通過フィルタの出力は、供給増幅器１８２（例えば、Ｓ級、Ｇ級）に提供される。供給増幅器１８２の出力は、電力増幅器１５２の供給端子と結合され、エンベローブプロファイラ１５８によって決定された供給信号プロファイルに対応する供給電圧を提供する。

デジタルクロスキャンセル構成要素１６４は、ＤＣＣ経路に沿って、デジタルインバータ１８６に、クリーンな基準信号（ＲＥＦ）を提供する。クリーンな基準信号は、任意の変更前における所望の増幅出力信号に対応する。代替的に、デジタルインバータ１８６が取り除かれて、クリーンな基準信号を反転されたバージョンも、デジタルクロスキャンセル１６４によって、提供され得る。反転されたクリーンな基準信号は、第三のデルタシグマ変調器１８８に送信される。第三のデルタシグマ変調器１８８は、第三の１ビットＤＡＣ１９０と第三の帯域通過フィルタ１９２とに結合されている。デルタシグマ変調器１８８、１ビットＤＡＣ１９０、および、帯域通過フィルタ１９２は、クリーンな基準信号の反転されたバージョンの無線送信周波数に直接、デジタルアナログ変換を実行するために、協働する。より高い周波数が必要な場合、周波数変換を行うために、ミキサと局部発振器が選択的に挿入され得る。

電力増幅器出力の小さな一部が、結合器１９５によって分かれ、減衰器１９６へ向かい、加算器１９８を介して、反転されたクリーンな基準信号と一緒になる。加算器１９８の出力は、電力増幅器１５２の出力と関連した信号歪みとＯＯＢ放出を含む。加算器１９８の出力は、エラー増幅器２０２によって、増幅され、エラー信号を生成する。エラー信号は、インバータ２０４を介して反転され、反転されたエラー信号を提供する。主増幅器の出力は、遅延要素２０６（例えば、送信線であり得る）を介して、遅れる。反転されたエラー信号は、ＯＯＢ放出を除去し、歪みレベルを減らすために、加算器２０８を介して、電力増幅器１５２の出力の遅延バージョンと一緒に、再結合される。次いで、加算器２０８の出力は、最終の帯域通過フィルタ２１０に提供され、このフィルタ２１０は所望の伝送帯域外にある任意の不要な残留信号をフィルタ除去する。

本発明の一局面に従うデジタルクロスキャンセル技術は、増幅器の歪みに対して、適切に遅延修正を供給することも、増幅器サイズを縮小するために実行された必要な信号の意図的なクリッピング（例えば、入力経路と供給経路にある増幅器は、ピーク信号に従ってサイズが決まる）によって生じるスペクトル漏れ（ＯＯＢ放出の形式）を修正することもあり得る。さらに、クリッピングされていないデジタル基準信号は、出力における所望の修正を決定するために用いられるので、信号にどのような変更があっても、最終の出力段階で、増幅プロセス中に更なる修正情報を必要とせずに、修正され得る。ＤＣＣ技術が非常に望ましいのは、この技術が増幅器歪みの発生源や詳細などの事前情報に、一切依存しないからである。本発明で用いられる可変供給電圧レベルは、このような事前情報を一般的に必要とするデジタル事前歪み技術を補償する。

本発明による増幅器システムは、様々なアプリケーションに用いられ得る。本増幅器システムは、基地局（例えば、衛星、セル方式）、携帯電話、他の移動通信デバイスにおける無線送信機に適用され得る。図５は、基地局２５２を有する通信システム２５０を示す。この通信システム２５０は、本発明の一局面に従う低いスルーレートで供給電圧を生成するエンベローブプロファイラを有する可変供給電圧増幅器システム２６４を用いた送信機２６２を備えている。増幅器システム２６４は、信号のバッファされたインターバルにおいて実行される「ルックアヘッド」分析に従って、関連電力増幅器への供給を変化する。

中央処理装置（ＣＰＵ）２５６は、増幅器２６４のデジタル部分に結合される。ＣＰＵ２５６は、増幅器システム２６４の制御と閾値選択を容易にする。例えば、ＣＰＵ２５６は、送信されるべき信号のタイプ（例えば、ＷＣＤＭＡ、ＧＳＭ、ＯＦＤＭ）を生成し、供給電圧プロファイルを形成するために必要なパラメータを選択する。基地局２５２は、移動通信装置（ＭＣＵ）２７０と２７２とを備えるＭＣＵのグループと通信する。ＭＣＵ２７０と２７２は、図に示すのが目的であって、ＭＣＵのグループが、出力信号にあるキャリアの数に基づく多数のＭＣＵを含み得ることも、理解されるべきである。

基地局２５２は、さらに、冷却デバイス２５４と電力デバイス２５８とを含む。電源デバイス２５８は、ＡＣ−ＤＣ変換構成要素と、基地局２５２の電力損失障害防止用の電池バックアップデバイスとを含み得る。基地局２５２は、送信機２６２を１つだけ有するように描かれているが、基地局２５２は、複数の送信機を有し得る。これは、同じ通信信号標準、あるいは、異なる通信信号標準において、異なるそれぞれのＭＣＵのグループに通信するためである。さらに、ＭＣＵ２７０および２７２も、また、送信機２６２に関して記載したのと同様な様式で動作する可変供給電圧増幅器システムを有する送信機を含み得る。

前述の構造的特徴と機能的特徴を考えると、本発明の様々な局面に従う方法論は、図６を参照しながら、よく理解される。説明を簡単にするために、図６の方法論は、連続的に行われるように示し描かれているが、本発明は図に示された順番に限定されず、幾つかの局面は、本図に示し描かれたのとは異なった順番で、および／または、他の局面と同時に行われ得ることは、理解され、認識されるべきである。さらに、本発明の一局面に従う方法論を実行するために、ここに描かれた全ての特徴を必要とされ得ない。

図６は、本発明の一局面に従う増幅器システムを動作するための方法論３００を示す。本システムは、供給端子と入力端子を有する電力増幅器を有する。本方法論は、入力信号が増幅器システムで受け取られるとき、３０２で始まる。入力信号は、情報を運ぶように変調された位相と振幅であり得る。３０４で、入力信号のインターバルが、バッファに格納される。インターバルは、数ミリ秒から数秒以上の範囲の妥当な時間インターバルであり得る。数ミリ秒未満の時間インターバルも、これに付随する技術が進歩すれば、妥当になり得ることは、理解されるべきである。

３０６で、バッファされた信号インターバルの信号エンベローブが、適切な供給信号プロファイルを構築するために、分析される。構築されたプロファイルは、少なくとも最大のスルーレートパラメータに従い、信号振幅供給電圧プロファイルのピークと谷間（ｔｒｏｕｇｈ）とを追跡する。供給信号のスルーレートを制限することで、より効率的な構成要素を使うことも可能である。したがって、バッファされた信号は、信号振幅が急激に変化する領域（例えば、ピーク）でレビューされ、入力信号が合致するのに許されたスルーレートに基づく変化の少し前から、供給信号は、徐々に大きくなったり、小さくなったりする。最小ヘッドルームパラメータあるいは最小供給パラメータなどの他のパラメータも、考慮に入れることができる。

３０８において、供給信号は、供給信号プロファイルに従って、生成させられる。３１０において、入力信号は、入力信号を供給信号と同期化するために、遅延される。遅延継続時間は、適切な供給電圧が入力信号の各ポイントで提供されることを確保するように、選択される。３１２で、電力増幅器供給信号と電力増幅器入力信号は、入力信号と関連するピーク信号レベルを減らすように、処理させる。これは、受け取った入力信号のクリッピングまたは信号の追加で、達成され得る。

３１４で、遅延入力信号、および、決定された供給信号プロファイルから生成された供給信号は、入力信号を増幅するために、電力増幅器に提供される。入力信号と供給信号は、デジタル形式で提供され、それぞれのＤＡＣ（例えば、デルタシグマ変調器ＤＡＣ）経由でアナログドメインに変換され得る。このように増幅器供給信号は、増幅される。これは電力増幅器の供給端子に提供される前に、例えば、Ｓ級またはＧ級増幅器／変調器を用いてである。

３１６において、デジタルクロスキャンセルが、電力増幅器の出力で実行される。デジタルクロスキャンセル技術は、必要とされる信号の「クリーン」なバージョンを生成する個別のＤＡＣに、必要とされる信号のデジタル基準を提供する。必要とされる信号のクリーンなバージョンは、反転され、電力増幅器からの実際の出力信号と組み合わされ、出力信号の不要な部分を決定する。次いで、入力信号の不要な部分が反転され、電力増幅器の出力の遅延バージョンと組み合わされ、出力信号から不要な部分をキャンセルする。３１８で、事前に歪ませ、デジタルクロスキャンセルされて再度組み合わされた信号は、１つ以上の目的地の受信機に送信される。

上述してきたことは、本発明の例示的な実施を含む。当然、本発明を記載する目的の構成要素や方法論の考えられる組合せを全て述べることは可能ではない。しかし、本発明の更なる組合せや順番も多々あり可能であることは、本技術の当業者なら認識される。したがって、本発明は、添付した請求項の精神と範囲に収まる全てのこのような改変、変更、バリエーションを含むことを意図している。

図１は、本発明の一局面に従う増幅器システムの模式的なブロック図を示す。 図２は、本発明の一局面に従う例示的な可変供給電圧増幅器システムで提供される、所望の増幅器出力信号、一定のヘッドルームを有する供給信号、および、供給信号の増幅対時間のグラフを示す。 図３は、本発明の一局面に従う事前歪み線形化技術を用いる増幅器システムの機能ブロック図を示す。 図４は、本発明の一局面に従う代替的な直線化技術を用いた増幅器システムを示す。 図５は、本発明の一局面に従う可変供給電圧増幅器システムを組み込んだ基地局を有する通信システムを示す。 図６は、本発明の一局面に従う供給端子と入力端子されたの電力増幅器を有する増幅器システムを動作させる方法論を示す。

Claims (26)

1. 入力信号を増幅するように動作する電力増幅器と、
   事前に決定された時間インターバルを表す該入力信号のコピーを格納するデジタルバッファと、
   該事前に決定された時間インターバルにわたって、該電力増幅器のために、該入力信号の該バッファされたインターバルを分析し、適切な供給信号プロファイルを決定するエンベローブプロファイラと、
   該決定されたプロファイルに従う供給信号を提供する供給制御装置と
   を備える、可変供給電圧増幅器システム。
2. 前記電力増幅器に供給電圧を提供するために、前記供給信号を生成する供給アセンブリを、さらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記エンベローブプロファイラは、前記適切な供給プロファイルを決定し、前記電力増幅器と関連供給アセンブリとのうちの１つに関連する効率パラメータと直線化パラメータとのうちの１つを最適化する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記エンベローブプロファイラは前記適切な供給プロファイルを決定し、該プロファイルは前記供給アセンブリと関連する最大帯域幅と対応するスルーレートを有する、請求項２に記載のシステム。
5. 前記エンベローブプロファイラは、前記最大帯域幅に従う適切な供給プロファイルと、ヘッドルームパラメータとを決定し、該ヘッドルームパラメータは、前記供給信号が前記電力増幅器と関連する所望の出力信号を超えなくてはならないだけの最小電圧を定義する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記供給アセンブリは、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）および増幅器を備える、請求項２に記載のシステム。
7. 前記ＤＡＣは、前記入力信号と前記供給信号のうちの少なくとも１つのデジタル表現が所望の無線通信周波数で、直接、アナログドメインに変換されるような、デルタシグマＤＡＣを備える、請求項６に記載のシステム。
8. 前記電力増幅器の出力歪みを緩和するため、前記デジタルドメインにある前記入力信号と前記供給信号のうちの少なくとも１つを変更する事前歪み構成要素をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記増幅器システムの所望の出力信号に対応する基準信号を生成するデジタルクロスキャンセル構成要素をさらに備え、該基準信号は、エラー信号を決定する電力増幅器からの出力信号の一部分と組み合わされ、該エラー信号は最終出力信号を生成するため、反転され、該電力増幅器の出力信号の遅延バージョンと組み合わされる、請求項１に記載のシステム。
10. 前記電力増幅器の出力歪みを緩和するために、前記供給信号と前記入力信号の少なくとも１つを変更する事前歪み構成要素と、前記増幅器システムの所望の出力信号に対応する基準信号を生成するデジタルクロスキャンセル構成要素とをさらに備え、
    該基準信号は、エラー信号を決定するために、電力増幅器からの出力信号の一部分と組み合わされ、該エラー信号は、最終出力信号を生成するために、反転され、該電力増幅器の出力信号の遅延バージョンと組み合わされる、請求項１に記載のシステム。
11. 前記基準信号を前記デジタルドメインから前記アナログドメインへ、直接、所望の無線通信周波数に変換するために、該基準信号はデルタシグマデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）に提供される、請求項１０に記載のシステム。
12. 入力信号からピーク信号をクリップおよび／または除去するピーク−平均リダクション（ＰＡＲ）構成要素と、最終入力信号に修正信号を提供するデジタルクロスキャンセル構成要素とをさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記増幅器システムの経時変化と温度変化を補償するフィードバック経路を、さらに備える、請求項１に記載のシステム。
14. 請求項１に記載の増幅器システムを備える、送信機。
15. 請求項１４に記載の通信機を備える、基地局。
16. 前記入力信号を前記供給信号と同期化するため、前記入力信号を遅らせる遅延構成要素をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
17. 入力信号を増幅する方法であって、
    時間インターバルに対応する入力信号の少なくとも一部分をバッファすることと、
    該時間インターバルにわたって、電力増幅器のために適切な供給信号を決定するために、該バッファされた信号部分を分析することと、
    増幅出力信号を生成するために、該決定された供給信号を使って該電力増幅器において該入力信号を増幅することと
    を包含する、方法。
18. 前記電力増幅器で、前記入力信号を前記決定された供給信号と同期化するために、前記入力信号を遅らせることを、さらに包含する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記電力増幅器によって導入された増幅出力信号の歪みを緩和するために、前記デジタルドメインの前記入力信号と前記供給信号のうちの少なくとも１つを変更することを、さらに包含する、請求項１７に記載の方法。
20. 前記増幅器システムの所望の出力信号に対応する基準信号を生成することと、
    エラー信号を決定するために、該基準信号を前記増幅出力信号の一部分と組み合わせることと、
    該エラー信号を反転することと、
    最終出力信号を生成するために、該エラー信号を前記電力増幅器の増幅出力信号の遅延バージョンと組み合わせることと
    をさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
21. 前記電力増幅器によって導入された増幅出力信号の歪みを緩和するために、前記デジタルドメインの前記入力信号と前記供給信号のうちの少なくとも１つを変更することと、
    前記増幅器システムの所望の出力信号に対応する基準信号を生成することと、
    エラー信号を決定するために、該基準信号を前記増幅出力信号の一部分と組み合わせることと、
    該エラー信号を反転することと、
    最終出力信号を生成するために、該エラー信号を前記電力増幅器の増幅出力信号の遅延バージョンと組み合わせることと
    をさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
22. 一期間にわたって、入力信号に対応する信号エンベローブを分析することによって、供給プロファイルを構築する手段と、
    該供給プロファイルに対応する該期間にわたり、増幅器供給信号を生成する手段と、
    該入力信号を増幅する手段であって、該増幅器供給信号を該供給プロファイルに基づく供給電圧として受け取る、増幅する手段と
    を備える、可変供給電圧増幅器システム。
23. 前記入力信号を前記供給信号と同期化する手段をさらに備える、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記入力信号の少なくとも一部分を前記デジタルドメインから前記アナログドメインへ、直接、所望の無線通信周波数に変化させる手段をさらに備える、請求項２２に記載のシステム。
25. 増幅器システム効率を向上させ、帯域外放出を減らすために、前記入力信号を変更する手段と、前記出力信号を変更する手段とをさらに備える、請求項２２に記載のシステム。
26. 前記変更する手段にフィードバックを提供する手段をさらに備える、請求項２５に記載のシステム。

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