JP2011228999A - 増幅回路及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な非線形性を示す歪特性の増幅器に対しても十分な歪補償能力を発揮する増幅回路を提供する。
【解決手段】増幅器１００に対して前置され、自己と増幅器１００とを互いに一体的に見た歪特性を、低次な関数で表されるものとする予備補正回路１Ｃと、この予備補正回路１Ｃに対して前置され、予備補正回路１Ｃと増幅器１００とを互いに一体的に見た歪特性を打ち消す逆歪特性を生成して自己への入力信号に付加する歪補償回路１Ｂとを備えた増幅回路１とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として無線通信装置において、信号電力を増幅するために使用される増幅回路に関する。

例えば携帯電話の基地局に設置される無線通信装置には、高出力増幅器（ＨＰＡ: High Power Amplifier）が使用される。このような増幅器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１，２参照。）。

Lei Ding, "Digital predistortion of power amplifiers for wireless application", Thesis, Georgia institute of Technology, 2004 "Open-Loop Digital Predistorter for RF Power Amplifiers Using Dynamic Deviation Reduction-Based Volterra Series", IEEE TRNSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 56, No.7, July 2008

上記のようなＤＰＤ処理では、一般的に、歪のある非線形性な特性を、べき級数多項式モデルで表している。非線形性が比較的軽度の場合は、当該モデルで十分に対応可能である。しかしながら、例えば、増幅器の電力効率を高めるために、増幅すべきＲＦ信号の包絡線を用いて電源電圧（ドレイン電圧）を変調するＥＴ（Envelope Tracking）方式やＥＥＲ（Envelope Elimination and Restoration）方式で増幅器を動作させる場合には、複雑な非線形性を示しやすくなる。特に、２以上の非線形特性が畳み込まれたような複雑な非線形性を示す歪特性に対しては、これを、べき級数多項式モデルで十分に表現することができない。すなわち、十分な歪補償ができない、ということになる。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、複雑な非線形性を示す歪特性の増幅器に対しても十分な歪補償能力を発揮する増幅回路を提供することを目的とする。

（１）本発明の増幅器は、増幅器と、前記増幅器に対して前置され、自己と前記増幅器とを互いに一体的に見た歪特性を、低次の関数で表されるものに補正する予備補正回路と、前記予備補正回路に対して前置され、前記予備補正回路と前記増幅器とを互いに一体的に見た歪特性を打ち消す逆歪特性を生成して自己への入力信号に付加する歪補償回路とを備えたものである。

上記のような増幅回路では、予備補正回路により、予備補正回路と増幅器とを互いに一体的に見た歪特性が、低次な関数で表される。歪補償回路にとっては、（予備補正回路＋増幅器）が歪補償の対象となり、その歪特性は低次な関数であるので、歪補償し易い特性となる。

（２）また、上記（１）の増幅回路において、予備補正回路は、増幅器固有の歪特性を補正する歪を生成するものであってもよい。
この場合、予備補正回路のいわば意図的な歪により増幅器固有の歪特性を整形して、歪補償回路により補償し易い目標特性を得ることができる。

（３）また、上記（１）又は（２）の増幅回路において、予備補正回路は、プリエンファシス回路を含み、増幅器の出力信号に基づいて補正後の目標特性を得るための逆モデルを推定し、当該逆モデルに基づいてプリエンファシス回路を動作させるようにしてもよい。
この場合、増幅器の出力信号に基づいて適応的（アダプティブ）に、プリエンファシス回路のための逆モデルを推定するので、例えば温度変化によって増幅器の特性が変化しても、常に、目標特性に合致するよう予備補正を施すことができる。

（４）また、上記（１）又は（２）の増幅回路において、予備補正回路はアナログ回路であってもよい。
この場合、アナログ回路であることにより、高速な処理速度を確保し易い。また、同じアナログ回路である増幅器との関係において、予備補正回路を増幅器の調整によって実現することも可能である。

（５）また、上記（１）〜（４）のいずれかの増幅回路において、低次の関数で表されるべき目標特性は、任意の目標特性を持つ仮想増幅器モデルに対して歪補償回路による歪補償後の隣接チャネル漏洩電力若しくは隣接チャネル漏洩電力比を計算して、所定値以下の漏洩電力若しくは漏洩電力比となることが満たされるまで、目標特性を変更しながら計算を繰り返すことにより決定されることが好ましい。
この場合、確実に、歪補償回路による歪補償後の隣接チャネル漏洩電力若しくは隣接チャネル漏洩電力比が所定値となるような目標特性を設定することができる。

（６）一方、他の視点から見た本発明は、増幅回路を搭載した無線通信装置であって、当該増幅回路は、増幅器と、前記増幅器に対して前置され、自己と前記増幅器とを互いに一体的に見た歪特性を、低次の関数で表されるものに補正する予備補正回路と、前記予備補正回路に対して前置され、前記予備補正回路と前記増幅器とを互いに一体的に見た歪特性を打ち消す逆歪特性を生成して自己への入力信号に付加する歪補償回路とを備えたものである。
このような無線通信装置の送信機等に搭載された増幅回路は、複雑な非線形性を示す歪特性の増幅器に対しても十分な歪補償能力を発揮する。

本発明の増幅回路又はこれを搭載した無線通信装置では、複雑な非線形性を示す歪特性の増幅器に対しても十分な歪補償能力を発揮する。

本発明の第１実施形態に係る増幅回路を示すブロック回路図である。 図１におけるプリエンファシス係数推定部の機能をさらに詳しく記載したブロック回路図である。 （ａ）は、出力電力とゲインとの特性（ＡＭ−ＡＭ特性）を示すグラフである。（ｂ）は、（ａ）から目標特性のみを抜き出して示すグラフである。 第２実施形態に係る増幅回路のブロック回路図である。 無線基地局の無線通信装置と、端末装置としての無線通信装置とを有する無線通信システムの構成図の一例である。

《無線通信装置》
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図５は、無線基地局の無線通信装置ＳＴと、端末装置としての無線通信装置Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３とを有する無線通信システムの構成図の一例である。無線通信装置ＳＴは、無線信号を送信するための送信機Ｓ、無線信号を受信するための受信機Ｒ、及び、送受信信号の処理を行う処理部Ｐを備えている。無線通信装置Ｔ１〜Ｔ３も基本的に同様の内部構成を備えている。

上記送信機Ｓ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増幅回路１を有している。また、上記受信機Ｒ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の増幅回路１を有している。増幅回路１の基本的構成は、送信機Ｓ及び受信機Ｒ共に同様であるので、以下、送信機Ｓの増幅回路１を代表例として説明する。

《増幅回路／第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係る増幅回路１を示すブロック回路図である。この増幅回路１は、ＥＴ方式で増幅器１００を動作させるものであり、増幅器（ＨＰＡ）１００には、電源変調部１Ａにより、入力信号に基づいて変調された電源電圧（以下、ドレイン電圧という。）が付与される。具体的には、電源変調部１Ａは、入力信号（ベースバンド信号で、Ｉ信号及びＱ信号）に対して（Ｉ^２＋Ｑ^２）の演算を行って得られた値を振幅とするエンベロープ信号を生成するＩ^２＋Ｑ^２検出部１０１と、エンベロープ信号に対して電力−電圧変換を行う電力−電圧（電圧−電流）変換部１０２と、電力−電圧変換部１０２の出力する電圧に応じたドレイン電圧を増幅器１００に付与する可変電源１０３とを備えている。

一方、入力信号を、増幅器１００のゲート信号として導く回路部には、歪補償回路１Ｂ、予備補正回路１Ｃ、Ｄ／Ａコンバータ１０８、及び、周波数変換部１０９が設けられている。ここで、予備補正回路１Ｃは増幅器１００に対して前置され、歪補償回路１Ｂは予備補正回路１Ｃに対して前置されている、という関係にある。歪補償回路１Ｂ及び予備補正回路１Ｃを通過した入力信号（ベースバンド信号）は、Ｄ／Ａコンバータ１０８によってアナログ信号に変換された後、周波数変換部１０９においてベースバンド周波数よりも高周波な搬送波周波数に変換され、増幅器１００に入力される。

歪補償回路１Ｂは、予備補正回路１Ｃ及び増幅器１００の歪特性の補償を行うための歪補償部（ＤＰＤ：Digital Pre-Distorter）１０４と、逆モデル推定部１０５とを備えている。逆モデル推定部１０５には、予備補正回路１Ｃへの入力信号と、方向性結合器１１０から得られる増幅器１００の出力信号とが入力されている。なお、逆モデル推定部１０５はデジタル回路であり、方向性結合器１１０からの入力に対してＡ／Ｄ変換機能を備えている。これらに基づいて、逆モデル推定部１０５は、（予備補正回路１Ｃ＋増幅器１００）の入出力特性に表れる歪特性を把握し、その逆モデルすなわち逆歪特性を推定する。そして、歪補償部１０４は、逆歪特性を入力信号に付加することで、（予備補正回路１Ｃ＋増幅器１００）の出力の歪を打ち消すことができる。

予備補正回路１Ｃは、後段の増幅器１００の歪特性を補正する歪（いわば意図的な歪）を生成することが可能なプリエンファシス回路１０６と、プリエンファシス回路１０６に付与するプリエンファシス係数を推定するプリエンファシス係数推定部１０７とを備えている。プリエンファシス係数推定部１０７には、方向性結合器１１１から得られる増幅器１００の出力信号が入力される。なお、予備補正回路１Ｃはデジタル回路であり、方向性結合器１１１からの入力に対してプリエンファシス係数推定部１０７はＡ／Ｄ変換機能を備えている。

図２は、プリエンファシス係数推定部１０７の機能をさらに詳しく記載したブロック回路図である。図において、プリエンファシス係数推定部１０７は、目標特性関数設定部１０７ａと、逆モデル推定部１０７ｂとを備えている。

図３は、出力電力とゲインとの特性（ＡＭ−ＡＭ特性）を示すグラフである。（ａ）において、実線は増幅器１００単体の特性である。この特性は、高出力側でゲインの増加が減少に転じる非線形で複雑な歪を生じており、また、低出力側でもゲインの変化に非線形な歪みを生じている。そこで、予備補正回路１Ｃを設けることにより、増幅器１００と予備補正回路１Ｃとを互いに一体的に見た特性が、破線で示すプリエンファシス後目標特性になるよう補正し、当該目標特性を歪補償回路１Ｂにより太い実線で示す０ｄＢの直線になるよう補償することを考える。

図３の（ｂ）は、（ａ）から目標特性のみを抜き出して示すグラフである。すなわち、この目標特性は、高出力側及び低出力側のそれぞれの勾配を持つ２直線と、その中間にある単一曲率の円弧曲線によって構成されている。この目標特性（歪特性）は、（ａ）の増幅器１００の特性と比べれば明らかに、曲率が緩和され、直線に近づいている。但し、この目標特性は一例に過ぎず、他にも種々あり得る。要するに、目標特性は、低次の関数で表されるものであればよい。低次の関数とは例えば、勾配を持つ直線、折れ線、円弧等の、線形若しくは単純な曲線である。このような目標特性を得ることにより、歪補償回路１Ｂによる歪補償を、容易に実現することができる。

実際には、（１）まず、任意の目標特性を作成する。（２）次に、このような目標特性を持つ仮想増幅器モデルに対して歪補償回路１Ｂによる歪補償が可能かどうかを、予めシミュレーションにより検証する。（３）そして、歪補償後の隣接チャネル漏洩電力若しくは隣接チャネル漏洩電力比を計算し、所定値以下の漏洩電力若しくは漏洩電力比となっているかを検査する。（３）が満たされない場合は、上記（１）〜（３）を繰り返して、目標特性を決定する。

図２に戻り、目標特性関数設定部１０７ａには、決定された目標特性の関数が設定されている。逆モデル推定部１０７ｂは、増幅器１００の出力信号と目標特性との差を無くすような逆モデルを推定し、これを、プリエンファシス回路１０６に与える。その結果として、増幅器１００単体の特性は変わらないが、（予備補正回路１Ｃ＋増幅器１００）の特性（出力特性であり、歪特性でもある。）が目標特性となる。
図１に戻り、歪補償回路１Ｂは、目標特性となった（予備補正回路１Ｃ＋増幅器１００）の特性に対して歪補償の処理（ＤＰＤ処理）を行い、歪みを除去する。

以上のように、増幅器１００単体には複雑な非線形性を示す歪特性があっても、予備補正回路１Ｃと増幅器１００とを互いに一体的に見た歪特性が低次な関数となるようにすれば、歪補償回路１Ｂにとっては、（予備補正回路＋増幅器）が歪補償の対象となり、その歪特性は曲率が緩和され、歪補償し易い特性となる。従って、複雑な非線形性を示す歪特性の増幅器１００に対しても十分な歪補償能力を発揮する増幅回路１を提供することができる。

また、増幅器１００の出力信号に基づいて適応的（アダプティブ）に、プリエンファシス回路１０６のための逆モデルを推定するので、例えば温度変化によって増幅器１００の特性が変化しても、常に、目標特性に合致するよう予備補正（プリエンファシス）を施すことができる。

《増幅回路／第２実施形態》
図４は、第２実施形態に係る増幅回路１のブロック回路図である。この増幅回路１は、予備補正回路１Ｃが増幅器１００に対して前置され、歪補償回路１Ｂが予備補正回路１Ｃに対して前置されている点は図１と変わらないが、予備補正回路１Ｃ（プリエンファシス回路１０６，プリエンファシス係数推定部１０７）が、デジタル回路としてではなく、アナログ回路として設けられている点で異なっている。すなわち、Ｄ／Ａコンバータ１０８及び周波数変換部１０９と、増幅器１００との間に、予備補正回路１Ｃが設けられている。

図４の構成による増幅回路１の動作は、図１の構成と基本的に同様であるので、ここでは説明を省略するが、予備補正回路１Ｃはアナログ回路であることにより、高速な処理速度を確保し易い。また、図４の場合、同じアナログ回路である増幅器１００との関係において、予備補正回路１Ｃを増幅器１００の調整によって実現すること、すなわち、あたかも別に予備補正回路１Ｃの機能があるかのように、増幅器１００を設計することも可能である。

《その他》
なお、上記第１実施形態では、予備補正回路１Ｃにおいて、ＤＰＤ処理と同様に逆モデル推定を行うとしたが、予め記憶したルックアップテーブルを参照してプリエンファシスを行うことも可能である。
また、上記各実施形態では予備補正回路１Ｃを１段のみ設けたが、必要に応じて、多段に構成することも可能である。

なお、前述の、低次の単純な曲線には、べき級数で表される曲線も含まれる。
例えば、増幅器の非線形特性は、ベクトルＡとベクトルｆとを用いて、次の式（１）で表すことができる（特開２００９−１９４４３２号参照。）。式（１）において、ベクトルｆは、ｘ(t)の複素べき級数と、その１階微分及びその２階微分とを並べたものであり、ベクトルＡは、その複素べき級数の複素係数ベクトルである。

なお、上記式（１）のベクトルｆは、ｘ(t)の複素べき級数と、その１階微分及びその２階微分とを並べたものであるとして定義したが、このベクトルｆは、より広義には、次の式（２）のように定義することができる。

上記式（２）から明らかな通り、この場合のベクトルｆは、ｘ（ｔ）の複素べき級数で表現される直交多項式を基底とした級数と、その１階微分及び２階微分とを並べたものとして定義されている。

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 増幅回路
１Ｂ 歪補償回路
１Ｃ 予備補正回路
１００ 増幅器
１０６ プリエンファシス回路
１０７ｂ 逆モデル推定部

Claims (6)

1. 増幅器と、
   前記増幅器に対して前置され、自己と前記増幅器とを互いに一体的に見た歪特性を、低次の関数で表されるものに補正する予備補正回路と、
   前記予備補正回路に対して前置され、前記予備補正回路と前記増幅器とを互いに一体的に見た歪特性を打ち消す逆歪特性を生成して自己への入力信号に付加する歪補償回路と
   を備えたことを特徴とする増幅回路。
2. 前記予備補正回路は、前記増幅器固有の歪特性を補正する歪を生成する請求項１記載の増幅回路。
3. 前記予備補正回路は、プリエンファシス回路を含み、前記増幅器の出力信号に基づいて補正後の目標特性を得るための逆モデルを推定し、当該逆モデルに基づいて前記プリエンファシス回路を動作させる請求項１又は２に記載の増幅回路。
4. 前記予備補正回路はアナログ回路である請求項１又は２に記載の増幅回路。
5. 前記低次の関数で表されるべき目標特性は、任意の目標特性を持つ仮想増幅器モデルに対して前記歪補償回路による歪補償後の隣接チャネル漏洩電力若しくは隣接チャネル漏洩電力比を計算して、所定値以下の漏洩電力若しくは漏洩電力比となることが満たされるまで、目標特性を変更しながら計算を繰り返すことにより決定される請求項１〜４のいずれか１項に記載の増幅回路。
6. 増幅回路を搭載した無線通信装置であって、当該増幅回路は、
   増幅器と、
   前記増幅器に対して前置され、自己と前記増幅器とを互いに一体的に見た歪特性を、低次の関数で表されるものに補正する予備補正回路と、
   前記予備補正回路に対して前置され、前記予備補正回路と前記増幅器とを互いに一体的に見た歪特性を打ち消す逆歪特性を生成して自己への入力信号に付加する歪補償回路と
   を備えたことを特徴とする無線通信装置。

Images