JP2009290283A

JP2009290283A - 増幅回路

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Publication number: JP2009290283A
Application number: JP2008137930A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Onishi; 政彦大西; Tatsuhiro Shimura; 竜宏志村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: JP5056586B2

Abstract

【課題】逆歪特性による歪補償と高効率増幅技術とを併用した場合にも、歪を抑制することができる増幅回路を提供する。
【解決手段】増幅器２２への入力信号に基づいて変調された電源電圧を増幅器２２に付与し、かつ、ＤＰＤ３０において増幅器２２の歪特性を打ち消す逆歪特性を増幅器２２の入力信号に付加することにより歪補償を実行する他、増幅器２２の入出力特性に現れる形状を確認し、その形状にくびれがある場合には、増幅器２２に付与される入力信号及び電源電圧の相互のタイミングを調整することによりくびれを平坦化させ、歪を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、増幅回路に関する。

高出力増幅器（ＨＰＡ: High Power Amplifier）を用いて電力を増幅するとき、入出力特性の歪により、所望の出力が得られない場合がある。そこで、このような歪を補償するための歪補償方式として、増幅器の入力信号（ゲート信号）に対して、増幅器の歪特性とは逆の、逆歪特性をデジタル信号処理により生成して増幅器の入力に付加するＤＰＤ（Digital Pre-Distortion）処理を施すことにより、所望の増幅器出力を得る手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。

また、同時に増幅器の電力効率を高めたい場合、増幅器の入力信号を用いて増幅器の電源電圧（ドレイン信号）を変調し、入力信号の大小に合わせて増幅器の消費電力をダイナミックに変動させる方式（電源変調方式、又は、エンベロープトラッキング方式とよばれている。）が提案されている（例えば、非特許文献２，３参照。）。このような電源変調方式では、入力信号の電圧が小さいときには増幅器の消費電力が抑えられ、電力効率が向上する。このようにして、高効率増幅技術を提供することができる。

Lei Ding, "Digital predistortion of power amplifiers for wireless application", Thesis, Georgia institute of Technology, 2004 Donald F. Kimball, et al., "High-Efficiency Envelope-Tracking W-CDMA Base-Station Amplifier Using GaN HFETs", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, No. 11, November 2006. Feipeng Wang, et. al., "Design of Wide-Band Envelope-Tracking Power Amplifiers for OFDM Applications", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.53, No.4, April 2005.

上記のように増幅器の入力信号に基づいて電源電圧を制御する場合、ＤＰＤ処理のみでは歪を取り除けない場合があることが判明した。しかしながら、かかる場合に如何にして歪を取り除くかについては未だ提案がなされていない。
そこで、本発明は、逆歪特性による歪補償と高効率増幅技術とを併用した場合にも、歪を抑制することができる増幅回路を提供することを目的とする。

本発明の増幅回路は、増幅器と、前記増幅器への入力信号に基づいて変調された電源電圧を、前記増幅器に付与する電源変調部と、前記増幅器の入出力信号に基づいて歪特性を推定し、当該歪特性を打ち消す逆歪特性を推定する推定部と、前記逆歪特性を前記増幅器への入力信号に付加する歪補償部と、前記増幅器の入出力特性を取得し、当該入出力特性に基づいて、前記増幅器に付与される入力信号及び電源電圧の相互のタイミングを調整するタイミング調整部とを備えたものである。
上記のように構成された増幅回路では、歪補償部により増幅器の歪補償を行う他、タイミング調整部により、入力信号及び電源電圧の相互のタイミングを、入出力特性に基づいて調整することができる。これにより、タイミングのずれに起因する歪を抑制することができる。

また、上記の増幅回路において、タイミング調整部は、入出力特性に現れる形状のくびれを抑制するようにタイミングを調整するものであってもよい。
この場合、くびれを抑制することで入出力特性が平坦化され、歪が抑制される。

また、上記の増幅回路において、くびれは、ゲイン特性又は位相特性における特性カーブの変曲点を含んで構成されるもの、とすることができる。
この場合、変曲点を求める演算によってくびれを検出することができる。

本発明の増幅回路によれば、逆歪特性による歪補償と高効率増幅技術とを併用した場合に生じ得る歪を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、無線通信装置としての無線基地局１ａと、同じく無線通信装置としての端末装置１ｂ，１ｃ，１ｄとを有する無線通信システムの構成図である。
無線通信装置１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄはそれぞれ、無線信号を受信するための受信機１１、無線信号を送信するための送信機１２、及び、送受信信号の処理を行う処理部１３を備えている。

受信機１１は、線形変調信号を受信するものであり、線形変調信号を受信して増幅するために低雑音増幅回路１１ａを有している。
また、送信機１２は、線形変調信号を送信するものであり、線形変調信号を増幅する電力増幅回路１２ａを有している。
前記低雑音増幅回路１１ａ及び電力増幅回路１２ａの基本的構成は、ともに同様であるので、以下では、電力増幅回路１２ａを増幅回路の一例として説明する。

図２は、（電力）増幅回路１２ａのハードウェア構成を示す回路図である。この増幅回路１２ａは、デジタル信号処理部（ＤＳＰ）２１、ＲＦ電力増幅器（以下、単に増幅器という。）２２、エンベロープ（包絡線）増幅器２３等を備えている。
増幅器２２は、線形変調信号を増幅するためのものであるが、非線形特性を有する動作領域を有しており、後述の図３の歪補償部３０が必要とされる。また、この増幅器２２においては、入力信号の変化や増幅器特性のばらつきによって電力効率や歪特性が変化することがある。

デジタル信号処理部２１は、増幅器２２への入力となる信号（ベースバンド信号）を出力するとともに、増幅器２２の出力（ベースバンド信号）を取得することができる。
なお、デジタル信号処理部２１から増幅器２２の信号入力端子までの間には、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５、アップコンバータ２６、バンドパスフィルタ２７、及び、ドライバ２８が設けられている。また、デジタル信号処理部２１から増幅器２２の電源電圧入力端子までの間には、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２４、ローパスフィルタ２９ｄ、及び、エンベロープ増幅器２３が設けられている。

エンベロープ増幅器２３の入力信号（アナログ）の基になるデジタル信号は、デジタル信号処理部２１内において、増幅器２２への入力信号（デジタル）に基づく信号として与えられる。従って、デジタル信号処理部２１からＤＡコンバータ２４、ローパスフィルタ２９ｄ、エンベロープ増幅器２３を経て、増幅器２２に電源電圧を付与する回路部分は、増幅器２２への入力信号に基づいて変調された電源電圧を当該増幅器２２に付与する電源変調部２０を構成している。一方、増幅器２２の出力端からデジタル信号処理部２１までの間には、方向性結合器２９ｅ、ダウンコンバータ２９ａ、ローパスフィルタ２９ｂ、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２９ｃが設けられている。

図３は、デジタル信号処理部２１の内部機能のうち、増幅器２２に関する機能を示すブロック図である。
同図に示すように、デジタル信号処理部２１は、増幅器２２に与えられる信号の歪補償を行うＤＰＤ（Digital Pre-Distorter）３０（歪補償部）、ＤＰＤ３０の入出力信号が入力される制御器３１、二点鎖線で囲まれたタイミング調整部３２、及び、推定器３７を備えている。

上記タイミング調整部３２は、ＤＰＤ３０から増幅器２２の信号入力端子に至る途中に設けられたタイミング調整回路３３と、制御器３１から増幅器２２の電源電圧入力端子に至る途中に設けられたタイミング調整回路３４と、調整器３５と、調整部判定回路３６とを備えている。タイミング調整回路３３，３４はそれぞれ、調整器３５の指示を受けて入出力間の位相調整をすることにより出力のタイミングを調整することができる。また、調整部判定回路３６は推定器３７と共に、推定部３８を構成する。

ＤＰＤ３０は、信号（歪補償前ベースバンド信号）ｘに増幅器２２の歪特性に応じた歪補償処理を施して信号（歪補償後ベースバンド信号）ｕを得る。調整部判定回路３６は、ＤＰＤ３０の出力ｕと増幅器２２の出力ｚとに基づいて、増幅器２２の入出力特性を把握することができ、推定器３７は、歪特性を推定するとともに、この歪特性を打ち消す逆歪特性を推定する。すなわち、推定部３８（調整部判定回路３６，推定器３７）は、増幅器２２の入出力信号に基づいて歪特性（Ａ）を推定し、当該歪特性を打ち消す逆歪特性（Ａ^-1）を推定する。ＤＰＤ３０は、この逆歪特性（Ａ^-1）を入力信号ｘに付加することによって、歪補償を行う。予め歪補償が施されたＤＰＤ３０の出力信号ｕを増幅器２２に与えることで、増幅器２２からは、歪みの無い（若しくは少ない）出力ｚが得られる。

一方、前述のように電源変調部２０（図２）は、ＤＰＤ３０の出力信号ｕのエンベロープ（包絡線）に応じて、増幅器２２に与える電源電圧ｖを変化させる。すなわち、入力信号ｕ（のエンベロープ）が小さければ、電源電圧ｖが小さくなり、入力信号ｕ（のエンベロープ）が大きければ、電源電圧ｖが大きくなることによって、入力信号ｕで変調された電源電圧ｖが決定される。これにより、増幅器２２の電力効率を高めることができる。

以上のようにして、増幅器２２の電源変調特性と歪補償特性とをそれぞれ制御することができる。従って、増幅器２２の電源変調特性と歪補償特性の両方の適応制御を行って「効率最大、歪最小」となる最適な増幅器特性を得ることが可能である。
また、効率と歪のいずれか一方を犠牲にして、他方の性能を向上させるといった制御も可能である。

次に、ＤＳＰ２１内の処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。
まず、ＤＳＰ２１は、内蔵するカウンタＫのリセットを行う（ステップＳ１）。続いて、ＤＳＰ２１は、調整部判定回路３６から推定器３７を介して指示される逆歪特性を付加しつつ、ＤＰＤ３０による歪補償を実行し（ステップＳ２）、カウンタを１加算する（ステップＳ３）。ここでＤＳＰ２１は、カウンタが所定のカウント数に達したかどうか判断し（ステップＳ４）、達していない場合にはＤＰＤ３０による歪補償（ステップＳ２）と、カウンタの加算（ステップＳ３）とを繰り返す。これにより、所定回数、ＤＰＤによる歪補償が実行される。

図５は、増幅器２２の入出力特性を示すグラフであり、（ａ）は入力の絶対値│Ｐin│に対する入出力比（出力の絶対値│Ｐout│を入力の絶対値│Ｐin│で除したもの）、すなわち、ゲイン（ＡＭ−ＡＭ）特性を示し、（ｂ）は入力の絶対値│Ｐin│に対する入出力間の角度ａｒｇ（Ｐout／Ｐin）、すなわち、位相特性を示している。増幅器２２が線形性を維持しているときは、理想的な歪補償が行われると（ａ）におけるゲインは１となり、（ｂ）における位相のずれは０となるが、実際には若干の拡がりがあり、各特性を示すグラフの形状は、図示のような横に長く、細い棒状のものとなる。一方、歪補償が不適切な場合には、例えば図６の（ａ）、（ｂ）に示すように、縦軸方向の拡がりが拡大する。ＤＰＤによる歪補償は、図６のグラフの形状を、図５のグラフの形状に近づけるべく行われる。

図４に戻り、ステップＳ４でカウンタＫが所定のカウント数に達した場合、ＤＳＰ２１は、調整部判定回路３６において増幅器２２の入出力特性（ゲイン特性及び位相特性）についての計算を行い（ステップＳ５）、入出力特性に現れる形状の確認を行う（ステップＳ６）。この形状とは、グラフにした場合に、グラフとして表される形状である。この形状が図５や図６に示すものであれば、後述の「くびれ」が無いとして、ステップＳ１に戻る処理が行われ、ＤＰＤによる歪補償が再び最初から実行される。

一方、増幅器２２に与えられる入力信号と電源電圧との間にタイミングのずれがあると、ゲイン特性及び位相特性はそれぞれ、例えば図７の（ａ）及び（ｂ）に示すような中間に「くびれ」がある形状となる。そこで、調整部判定回路３６は、入出力特性に現れる形状をチェックして「くびれ」があるか否かの判断を行う（ステップＳ７）。なお、この「くびれ」の有無は、例えば縦軸の値の勾配（微分値）が、上側の輪郭形状では負の勾配から０を経て正の勾配に転じ、かつ、下側の輪郭形状では正の勾配から０を経て負の勾配に転じる、という事象を捉えることによって検出することが可能である。また、勾配の大きさから、くびれの大小（急峻なくびれか又はなだらかなくびれ）を検出することができる。

例えば、図７の（ａ）又は（ｂ）における横軸をｘ、縦軸における上半分の輪郭に現れる特性カーブをｘの関数ｆ（ｘ）として、ｍ個のｘの値を順に、ｘ₁，ｘ₂，．．．，ｘ_m-1，ｘ_mとしたとき、以下のようにｅの値を逐次演算すると、
ｅ₁＝ｆ（ｘ₁）−ｆ（ｘ₂）ｅ₁の符号は＋（減少）
ｅ₂＝ｆ（ｘ₂）−ｆ（ｘ₃）ｅ₂の符号は＋（減少）
（途中省略）
ｅ_m-1＝ｆ（ｘ_m-1）−ｆ（ｘ_m）ｅ_m-1の符号は＋（減少）
ｅ_m＝ｆ（ｘ_m）−ｆ（ｘ_m+1）ｅ_mの符号は−（増大）
となる。従って、ｅの符号が＋から−へ反転したことにより、特性カーブの変曲点を検出することができ、この変曲点を含んで構成されるくびれ（の候補）を検出することができる。

調整部判定回路３６は、くびれと見るか否かの、予め定められた閾値を基に、くびれがあるか否かの判断を行う（ステップＳ７）。ここで、くびれがある場合、調整部判定回路３６は、既にタイミング調整を行ったか否かをチェックする（ステップＳ８）。最初はまだタイミング調整を行っていないので「ＮＯ」であり、タイミング調整部３２は所定の、かつ、小量のタイミング調整を行う（ステップＳ１１）。

次に、ＤＳＰ２１は、内蔵するカウンタＪのリセットを行う（ステップＳ１２）。続いてＤＳＰ２１は、ＤＰＤ３０による歪補償を実行し（ステップＳ１３）、カウンタＪを１加算する（ステップＳ１４）。ここでＤＳＰ２１は、カウンタＪが所定のカウント数に達したかどうか判断し（ステップＳ１５）、達していない場合にはＤＰＤ３０による歪補償（ステップＳ１３）と、カウンタの加算（ステップＳ１４）とを繰り返す。これにより、所定回数、ＤＰＤによる歪補償が実行される。なお、これらの処理は、タイミング調整後に再び入出力特性を計算するまでの過渡的な歪補償として行われる。従って、ステップＳ１５における所定のカウント数とは、ステップＳ４における所定のカウント数と比べて、かなり小さい数である。ステップＳ１５においてカウンタＪが所定のカウント数に達したときは、ＤＳＰ２１は、ステップＳ５〜Ｓ７を再度実行する。

ここで、くびれが閾値未満の小さな値になり、入出力特性に現れる形状が平坦化された場合は、ステップＳ７からステップＳ１に戻る処理が行われるが、まだくびれが閾値以上にある場合には、次のステップＳ８で今度は「ＹＥＳ」と判断して、先のタイミング調整の結果くびれが小さくなったかどうか、の判断が行われる（ステップＳ９）。そして、くびれが小さくなっていた場合にはそのままタイミング調整Ｓ１１及びステップＳ１２〜１５の処理が継続され、ステップＳ７で、くびれがないと判断されるまで同じ処理が繰り返される。一方、先のタイミング調整によってくびれが小さくならなかった場合には、タイミング調整が逆方向に行われていると解されるので、タイミング調整部３２は、逆調整（調整の方向性を逆にすること）を指示した後（ステップＳ１０）、タイミング調整（ステップＳ１１）及びステップＳ１２〜１５の処理を行う。

以上のようにして、くびれを抑制するようにタイミング調整が行われ、その結果くびれが閾値未満となり入出力特性に現れる形状が平坦化されると、ＤＰＤによる歪補償で入出力特性の線形性を確保できる状態となるので、再びＤＰＤによる歪補償（ステップＳ２）を実行する状態に戻る。すなわち、このフローチャートの処理によれば、ＤＰＤによる歪補償を実行しつつ、一定回数（又は一定時間）歪補償を実行すると、くびれの有無のチェックを行い、くびれがあればタイミング調整を行ってくびれを抑制できるようにした。なお、実際にはタイミングのずれが発生する頻度は少ないので、所定カウント数（ステップＳ４）を大きな値に設定して長い周期で、くびれ検出を行うようにすればよい。

上記のような増幅回路１２ａによれば、ＤＰＤによる歪補償と高効率増幅技術とを併用した場合にも効果的に歪を抑制する増幅回路を提供することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

無線通信装置としての無線基地局と、無線通信装置としての端末装置とを有する無線通信システムの構成図である。増幅回路のハードウェア構成を示す回路図であるデジタル信号処理部の内部機能のうち、増幅器に関する機能を示すブロック図である。ＤＳＰによって行われる処理を示すフローチャートである。歪補償がほぼ理想的に行われた場合の増幅器の入出力特性を示すグラフであり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を、それぞれ示している。歪補償が不十分な場合における増幅器の入出力特性の一例を示すグラフであり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を、それぞれ示している。増幅器に与えられる入力信号と電源電圧との間にタイミングのずれがある場合における増幅器の入出力特性の一例を示すグラフであり、（ａ）はゲイン特性を、（ｂ）は位相特性を、それぞれ示している。

符号の説明

１ａ：無線基地局、１ｂ，１ｃ，１ｄ：端末装置、１１：受信器、１１ａ：増幅回路、１２送信機、１２ａ：増幅回路、１３：処理部、２０：電源変調部、２１：デジタル信号処理部、２２：増幅器、２３：エンベロープ増幅器、２４：ＤＡコンバータ、２５：ローパスフィルタ、２６：アップコンバータ、２７：バンドパスフィルタ、２８：ドライバ、２９ａ：ダウンコンバータ、２９ｂ：ローパスフィルタ、２９ｃ：ＡＤコンバータ、２９ｄ：ローパスフィルタ、２９ｅ：方向性結合器、３０：ＤＰＤ（歪補償部）、３１：制御器、３２：タイミング調整部、３３，３４：タイミング調整回路、３５：調整器、３６：調整部判定回路、３７：推定器、３８：推定部

Claims

増幅器と、
前記増幅器への入力信号に基づいて変調された電源電圧を、前記増幅器に付与する電源変調部と、
前記増幅器の入出力信号に基づいて歪特性を推定し、当該歪特性を打ち消す逆歪特性を推定する推定部と、
前記逆歪特性を前記増幅器への入力信号に付加する歪補償部と、
前記増幅器の入出力特性を取得し、当該入出力特性に基づいて、前記増幅器に付与される入力信号及び電源電圧の相互のタイミングを調整するタイミング調整部と
を備えたことを特徴とする増幅回路。
前記タイミング調整部は、前記入出力特性に現れる形状のくびれを抑制するようにタイミングを調整する請求項１記載の増幅回路。
前記くびれは、ゲイン特性又は位相特性における特性カーブの変曲点を含んで構成される請求項２記載の増幅回路。