JP2010166454A - 歪補償装置及び無線基地局 - Google Patents

Abstract

【課題】飽和点を超える入力信号が増幅器に入力されることを回避することが可能な歪補償装置を得る。
【解決手段】ＤＰＤ処理部２は、ＨＰＡ６への入力信号とＨＰＡ６からの出力信号とに基づいてＨＰＡ６の入出力特性を表すモデルに対する逆モデルを推定する逆モデル推定部２２と、逆モデルに基づいて入力信号を補正することにより、入出力特性の歪補償を行う歪補償部２６と、入出力特性に基づいて、ＨＰＡ６の動作の飽和点Ｈを検出する飽和点判定部２１と、飽和点Ｈを超えるレベルの入力信号Ｓ１のピークＸ１，Ｘ２を、飽和点Ｈ以下のレベルに低減するＣＦＲ処理部２５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、歪補償装置及びそれを備えた無線基地局に関する。

携帯電話等を用いた通信システムが備える無線基地局においては、送信信号を増幅して出力するための高出力増幅器（ＨＰＡ：High Power Amplifier）が、送信処理部内に実装される。一般的にＨＰＡは、増幅効率を優先するが故に、入出力特性の線形性が低い。つまりＨＰＡにおいては、その入力信号と出力信号との間の入出力特性が、非線形の歪特性を呈する。従って、このような入出力特性を有するＨＰＡを用いて入力信号を増幅すると、その歪に起因して、所望の出力信号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の一つとして、増幅器の入出力特性を表すモデルを推定し、そのモデルとは逆の特性を呈する逆モデルをディジタル信号処理によって生成し、増幅器への入力信号（アナログ信号に変換する前のディジタル信号）に対してその逆モデルを付加することにより、増幅器の入出力特性における歪を補償する手法（いわゆるＤＰＤ：Digital Pre-Distortion）が、下記非特許文献１において提案されている。また、下記非特許文献２，３においては、ＨＰＡの高効率増幅技術が提案されている。

Lei Ding, "Digital predistortion of Power Amplifiers for Wireless Applications", Georgia Institute of Technology, March 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-Bandwidth Envelope-Tracking Power Amplifiers for OFDM Applications", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.53, NO.4, April 2005.

増幅器には正常な増幅動作が困難となる飽和領域が存在するが、増幅器において高い効率を得るためには、増幅器を飽和点（飽和領域の開始点）に近い領域まで動作させる必要がある。ところが、飽和点は動作温度や経年劣化等の要因によって変動するため、それらの要因に起因して飽和点が低下した場合には、飽和点を超える信号レベルの入力信号が増幅器に入力される事態が生じ得る。その結果、増幅器の増幅動作が不正常となったり、場合によっては増幅器の故障の原因ともなり得る。

本発明はかかる事情に鑑みて成されたものであり、飽和点を超える入力信号が増幅器に入力されることを回避することが可能な歪補償装置、及びそれを備えた無線基地局を得ることを目的とするものである。

本発明の第１の態様に係る歪補償装置は、増幅器への入力信号と前記増幅器からの出力信号とに基づいて前記増幅器の入出力特性を表すモデルに対する逆モデルを推定する推定部と、前記逆モデルに基づいて前記入力信号を補正することにより、前記入出力特性の歪補償を行う歪補償部と、前記入出力特性に基づいて、前記増幅器の動作の飽和点を検出する検出部と、前記飽和点を超えるレベルの前記入力信号のピークを、前記飽和点以下のレ
ベルに低減するピーク低減処理部とを備えることを特徴とするものである。

第１の態様に係る歪補償装置によれば、検出部は、増幅器の入出力特性に基づいて、増幅器の動作の飽和点を検出する。そして、ピーク低減処理部は、飽和点を超えるレベルの入力信号のピークを、飽和点以下のレベルに低減する。このように、飽和点を検出して、その飽和点を超えないように入力信号のピークのレベルを調整することにより、飽和点を超える入力信号が増幅器に入力される事態を回避することが可能となる。

本発明の第２の態様に係る歪補償装置は、第１の態様に係る歪補償装置において特に、前記調整部は、前記歪補償部よりも前に配置されていることを特徴とするものである。

第２の態様に係る歪補償装置によれば、調整部が歪補償部よりも前に配置されていることにより、調整部による入力信号のレベルの調整処理は、歪補償部による歪補償処理よりも前に実行される。換言すれば、調整部によって調整処理が行われた後に、歪補償部によって歪補償処理が行われる。従って、歪補償処理の後に調整処理は行われないため、歪補償部による歪補償によって理想特性に調整された信号が、その後の調整処理によって理想特性からずれてしまうことを回避できる。その結果、歪補償の効果を損なうことなく調整処理を行うことが可能となる。

本発明の第３の態様に係る無線基地局は、増幅器と、第１又は第２の態様に係る歪補償装置とを備えることを特徴とするものである。

第３の態様に係る無線基地局によれば、増幅器の入出力特性の歪が歪補償装置によって適切に補償されることにより、所望の送信信号を無線基地局から送信することが可能となる。

本発明によれば、飽和点を超える入力信号が増幅器に入力されることを回避することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る無線基地局の構成の一部を示すブロック図である。 ＤＰＤ処理部の構成例を示すブロック図である。 入出力特性測定部によって測定されたＡＭ−ＡＭ特性の一例を模式的に示す図である。 入出力特性測定部によって測定されたＡＭ−ＰＭ特性の一例を模式的に示す図である。 ＣＦＲ処理部による入力信号のピーク低減処理を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。

図１は、本発明の実施の形態に係る無線基地局１の構成の一部を示すブロック図である。図１の接続関係で示すように、無線基地局１は、ＤＰＤ（Digital Pre-Distortion）処理部２、ＤＡＣ（Digital-to-Analog Converter）３、ＬＰＦ（Low Pass Filter）４、周波数変換部５、ＨＰＡ（High Power Amplifier）６、カプラ７、アンテナ８、周波数変換部９、ＬＰＦ１０、及びＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）１１を備えて構成されている。

ＤＰＤ処理部２は、ディジタル信号である入力信号Ｓ１を補正することにより、信号Ｓ２を出力する。ＤＰＤ処理部２による補正の内容については後述する。ＤＡＣ３は、ディジタル信号である信号Ｓ２をアナログ信号である信号Ｓ３に変換して出力する。ＬＰＦ４は、信号Ｓ３に対してローパスフィルタ処理を施して、信号Ｓ４を出力する。周波数変換部５は、ベースバンドの信号Ｓ４を高周波の信号Ｓ５に周波数変換して出力する。ＨＰＡ６は、信号Ｓ５を増幅することにより、信号Ｓ６を出力する。信号Ｓ６は、アンテナ８から送信される。

ＨＰＡ６からアンテナ８に向かう信号Ｓ６の一部は、カプラ７によって信号Ｓ７として取り出される。周波数変換部９は、高周波の信号Ｓ７をベースバンドの信号Ｓ８に周波数変換して出力する。ＬＰＦ１０は、信号Ｓ８に対してローパスフィルタ処理を施して、信号Ｓ９を出力する。ＡＤＣ１１は、アナログ信号である信号Ｓ９をディジタル信号である信号Ｓ１０に変換して出力する。信号Ｓ１０はＤＰＤ処理部２に入力される。

図２は、ＤＰＤ処理部２の構成例を示すブロック図である。図２の接続関係で示すように、ＤＰＤ処理部２は、入出力特性測定部２０、飽和点判定部２１、逆モデル推定部２２、係数記憶部２３、報知部２４、ＣＦＲ（Crest Factor Reduction）処理部２５、及び歪補償部２６を備えて構成されている。ＣＦＲ処理部２５は、歪補償部２６の入力に接続されている。

入出力特性測定部２０には、歪補償部２６から信号Ｓ２が入力されるとともに、ＡＤＣ１１から信号Ｓ１０が入力される。入出力特性測定部２０は、信号Ｓ２，Ｓ１０に基づいて、ＨＰＡ６の入出力特性を測定する。図３は、入出力特性測定部２０によって測定されたＡＭ（振幅）−ＡＭ特性の一例を模式的に示す図であり、図４は、同じく入出力特性測定部２０によって測定されたＡＭ−ＰＭ（位相）特性の一例を模式的に示す図である。これらの入出力特性に関するデータＳ２０は、入出力特性測定部２０から飽和点判定部２１に入力される。

飽和点判定部２１は、データＳ２０で与えられる入出力特性に基づいて、ＨＰＡ６の動作の飽和点を検出する。ＡＭ−ＡＭ特性に関しては、特性の傾きが所定値（例えば０．１ｄＢ／ｄＢ）未満となる点を飽和点として検出する。図３に示した例では、電力値がＰ１である飽和点Ｈが、飽和点判定部２１によって検出される。電力値Ｐ１以上かつ最大電力値Ｐ２以下の領域は、ＨＰＡ６の正常な増幅動作が困難となる飽和領域Ｒ０となる。つまり、飽和点Ｈは飽和領域Ｒ０の最小値として規定される。ＡＭ−ＰＭ特性に関しては、特性の傾きが負から正に変化する点（つまり微分係数の極性が負から正に反転する変曲点）を飽和点として検出する。図４に示した例では、図３と同様に、電力値がＰ１である飽和点Ｈが、飽和点判定部２１によって検出される。

入出力特性測定部２０はＨＰＡ６の入出力特性を定期的に測定し、それに伴って飽和点判定部２１は、ＨＰＡ６の飽和点を定期的に検出する。これにより、動作温度や経年劣化等に起因してＨＰＡ６の飽和点が変動（上昇又は低下）した場合であっても、現時点での飽和点を適切に求めることができる。また、飽和点の電力値に下限閾値が設定されており、飽和点判定部２１によって検出された飽和点の電力値がその下限閾値以下であった場合には、その旨の信号Ｓ２４が飽和点判定部２１から報知部２４に入力され、報知部２４は異常を報知するためのアラームを発する。なお、報知部２４によって異常を報知するとともに、無線基地局１からの送信信号の出力を停止する処理を行っても良い。

飽和点判定部２１によって検出された飽和点Ｈの電力値Ｐ１は、データＳ２６として飽和点判定部２１からＣＦＲ処理部２５に入力される。ＣＦＲ処理部２５は、データＳ２６に基づいて、入力信号Ｓ１のピークのレベル（例えば電力値）が飽和点Ｈの電力値Ｐ１を
超えないように、飽和点Ｈを超えるレベルのピークを飽和点Ｈ以下のレベルに低減する。ＣＦＲの方式としては、ハード・クリッピング方式や窓関数方式等が知られているが、本実施の形態に係るＣＦＲ処理部２５においては任意の方式を採用することができる。

図５は、ＣＦＲ処理部２５による入力信号Ｓ１のピーク低減処理を示す図である。図５の（Ａ）にはピーク低減処理前の入力信号Ｓ１に関する電力波形を示しており、図５の（Ｂ）にはピーク低減処理後の入力信号Ｓ１Ａに関する電力波形を示している。図５の（Ａ）に示すように、入力信号Ｓ１には、飽和点Ｈの電力値Ｐ１を超えるピークＸ１，Ｘ２が生じている。ＣＦＲ処理部２５は、ピークＸ１，Ｘ２の電力値を電力値Ｐ１（又はそれ未満）に低減することにより、図５の（Ｂ）に示すように、ピークＸ１，Ｘ２をピークＸ１Ａ，Ｘ２Ａに変更する。図３，４に示したように電力値Ｐ１は飽和点Ｈの電力値に等しいため、入力信号Ｓ１Ａの最大電力値（電力値Ｐ１）は飽和点Ｈを超えない。ＣＦＲ処理部２５によって調整された入力信号Ｓ１Ａは、歪補償部２６に入力される。

一方、逆モデル推定部２２には、歪補償部２６から信号Ｓ２が入力されるとともに、ＡＤＣ１１から信号Ｓ１０が入力される。また、逆モデル推定部２２には、飽和点Ｈの電力値Ｐ１に関するデータＳ２１が、飽和点判定部２１から入力される。逆モデル推定部２２は、データＳ２１と信号Ｓ２，Ｓ１０とに基づいて、最大電力値を電力値Ｐ１とする範囲内で、ＨＰＡ６の入出力特性を表すモデルに対する逆モデルを推定する。

具体的に逆モデル推定部２２は、モデルに対応する逆モデルをｎ次べき級数（ｎは自然数）の多項式の形で表現するための各次の係数（つまり逆モデルの係数セット）を、演算によって求める。ここで、逆モデルとは、モデルにおける非線形の歪を補償するための、モデルの歪特性とは逆の特性を呈するモデルである。

逆モデルの係数セットに関するデータＳ２３は、逆モデル推定部２２から係数記憶部２３に入力され、係数記憶部２３内に記憶される。換言すれば、係数記憶部２３内に逆モデルが記憶される。歪補償部２６には、ＣＦＲ処理部２５から入力信号Ｓ１Ａが入力されるとともに、係数記憶部２３から係数セットに関するデータＳ２３が入力される。歪補償部２６は、データＳ２３で与えられる係数セット（逆モデル）に基づいて入力信号Ｓ１Ａを補正する。これにより、入力信号Ｓ１Ａに対して適切な歪補償がなされた信号Ｓ２が、歪補償部２６から出力される。

なお、以上の説明では、ＨＰＡ６による正常な増幅動作が困難となる飽和領域の下限値を飽和点として設定したが、他の観点より飽和点を設定することもできる。例えば、ＨＰＡ６を高効率に動作させた場合には、入力信号の電力値が大きくなって所定のレベルを超え始めると、デバイス内の寄生容量や相互コンダクタンスが急激に変化し、その結果、ＡＭ−ＰＭ特性において図４の点Ｈと同様に特性の傾きが負から正に変化する変曲点が発生する。この変曲点を飽和点として設定することにより、その変曲点以下の領域に限定してモデリングを行うことができる。その変曲点以上の領域を含んでモデリングを行う場合には、ＡＭ−ＰＭ特性の形状が複雑であるために、逆モデルにおいて高次の関数が必要となる。これに対して、その変曲点以下の領域に限定してモデリングを行うことにより、ＡＭ−ＰＭ特性の形状が簡略化されるため、逆モデルの次数を削減することが可能となる。その結果、メモリ容量の削減や処理時間の短縮化を図ることができる。

このように本実施の形態に係るＤＰＤ処理部２（歪補償装置）によれば、飽和点判定部（検出部）２１は、ＨＰＡ６の入出力特性（データＳ２０）に基づいて、ＨＰＡ６の動作の飽和点Ｈを検出する。そして、ＣＦＲ処理部２５（ピーク低減処理部）は、飽和点Ｈを超えるレベルの入力信号Ｓ１のピークＸ１，Ｘ２を、飽和点Ｈ以下のレベルに低減する。このように、飽和点Ｈを検出して、その飽和点Ｈを超えないように入力信号Ｓ１のピーク
レベルを調整することにより、飽和点Ｈを超える入力信号Ｓ１がＨＰＡ６に入力される事態を回避することが可能となる。

また、本実施の形態に係るＤＰＤ処理部２によれば、ＣＦＲ処理部２５が歪補償部２６よりも前に配置されていることにより、ＣＦＲ処理部２５による入力信号Ｓ１のピークレベルの調整処理は、歪補償部２６による歪補償処理よりも前に実行される。換言すれば、ＣＦＲ処理部２５によって調整処理が行われた後に、歪補償部２６によって歪補償処理が行われる。従って、歪補償処理の後に調整処理は行われないため、歪補償部２６による歪補償によって理想特性に調整された信号Ｓ２が、その後の調整処理によって理想特性からずれてしまうことを回避できる。その結果、歪補償の効果を損なうことなく調整処理を行うことが可能となる。

また、本実施の形態に係る無線基地局１によれば、ＨＰＡ６の入出力特性の歪がＤＰＤ処理部２によって適切に補償されることにより、所望の送信信号を無線基地局１から送信することが可能となる。

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。

１ 無線基地局
２ ＤＰＤ処理部
６ ＨＰＡ
２０ 入出力特性測定部
２１ 飽和点判定部
２２ 逆モデル推定部
２３ 係数記憶部
２５ ＣＦＲ処理部
２６ 歪補償部
Ｈ 飽和点

Claims (3)

1. 増幅器への入力信号と前記増幅器からの出力信号とに基づいて、前記増幅器の入出力特性を表すモデルに対する逆モデルを推定する推定部と、
   前記逆モデルに基づいて前記入力信号を補正することにより、前記入出力特性の歪補償を行う歪補償部と、
   前記入出力特性に基づいて、前記増幅器の動作の飽和点を検出する検出部と、
   前記飽和点を超えるレベルの前記入力信号のピークを、前記飽和点以下のレベルに低減するピーク低減処理部と
   を備える、歪補償装置。
2. 前記ピーク低減処理部は、前記歪補償部よりも前に配置されている、請求項１に記載の歪補償装置。
3. 増幅器と、
   請求項１又は２に記載の歪補償装置と
   を備える、無線基地局。