JP2013005354A

JP2013005354A - 電力増幅器および増幅制御方法

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Publication number: JP2013005354A
Application number: JP2011136784A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Doi; 敏則土井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】バックオフが最小化されＣ／Ｎの良い電力増幅器とその信号ピークレベル調整方法を提供する。
【解決手段】。ＣＦＲ部１の入出力と、ＤＰＤ部２の出力とアンテナへ出力される信号のループバック信号とのＣＣＤＦをＣＣＤＦモニタ部１１、１３、２２、２４でそれぞれ測定し、ＣＣＤＦモニタ部２４で測定したＣＣＤＦのＰＡＰＲがＣＣＤＦモニタ部１３のそれよりも狭くならないようにピーク設定部１４と、ピーク調整部１２を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、移動通信等の無線送信局の電力増幅器および増幅制御方法に関する。

近年、ＬＴＥなどの携帯電話システムやＷｉＭＡＸに代表される移動通信の無線ブロードバンドで採用されているＯＦＤＭ変調方式は、干渉に強い特性を持つので受信端末でのキャパシティ向上に大きく貢献する。一方で、複数のサブキャリアを併せ持つことによる平均信号レベルに対するピーク信号レベル（ＰＡＰＲ：Peak to Average Power Ratio）の増大により、基地局送信機の電力増幅器に高いリニアリティが要求され、基地局送信機の消費電力を増大させている。

電力増幅器の大出力時非線形領域においては、信号レベルが低下、もしくはクリップされ、リニアリティが低下する。そのため電力増幅器へ入力されるピーク信号レベルを事前に抑圧する機能（ＣＦＲ：Crest Factor Reduction）を搭載し、ＤＰＤ（Digital Pre-distortion：デジタル予歪）処理と組合せて電力増幅器の歪みを補償する高効率化およびリニアリティの確保を図る技術が生まれている（例えば、特許文献１。）。

また、ＤＰＤ処理においては、電力増幅器で生じる非線形特性を推定し、その逆特性を出力するため、入力信号よりも高いピークを持つデジタル信号にして補正入力するのが一般的である。

このためＤＰＤ処理回路が出力するピークレベルは電力増幅器の非線形特性が強いほどに高くなるので出力信号が飽和しない最大値（以下、０ｄＢＦＳと呼ぶ。）を超えないようにバックオフ量が設定される。

このバックオフ量はＰＡＰＲと電力増幅器のリニアリティ・利得変動、および量産時のばらつきや環境変動要因などを考慮した設計マージンを含めて決められ、０ｄＢＦＳに対して過剰なマージンとなっていることも多かった。

マージンが増えると、デジタル回路部においては低信号レベルでそのマージン相当分の信号ダイナミックレンジに相当するビット数が消費される結果、Ｃ／Ｎが劣化し、基地局送信機の品質を計るバロメータであるＥＶＭ（Error Vector Magnitude）特性などを低下させる問題が有った。

特開２０１０―１６６４５４号公報

従来の電力増幅器では、ピーク出力に対するバックオフを設けることにより生じるマージンからデジタル処理の有効ビット数が消費されＣ／Ｎが劣化する問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、バックオフを最小化するＣ／Ｎの良い電力増幅器とその信号ピークレベル調整方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本実施形態の電力増幅器は、高速デジタル変調信号の入力信号のピークレベルを制限して出力するＣＦＲ手段と、前記レベル制限されて出力された信号にＤＰＤを施して電力増幅するＤＰＤ信号手段とを備えて前記入力信号を電力増幅する電力増幅器において、入力される制御情報に従って前記入力信号のピークレベルを制限するＣＦＲ手段と、前記ＣＦＲ手段の出力におけるＣＣＤＦと、前記電力増幅された出力信号のＣＣＤＦとをそれぞれＰＡＰＲをパラメータとしてプロット測定したプロットデータにして出力するＣＣＤＦモニタ手段と、前記二つのプロットデータを受信し、その両者を比較し、前記電力増幅された出力信号のＣＣＤＦのＰＡＰＲの広がりが、前記ＣＦＲ手段の出力における広がりよりも狭い場合、それが前記ＣＦＲ手段の出力における広がりよりも広くなるように、前記ＣＦＲ手段に向けて前記入力信号のピークレベルを低く下げて制限する制御信号を出力する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の電力増幅器の増幅制御方法は、高速デジタル変調信号が入力されるＣＦＲ手段と、ＣＣＤＦモニタ手段と、前記ＣＦＲ手段から出力された信号にＤＰＤを施して電力増幅するＤＰＤ信号手段と、制御手段とを備え、前記高速デジタル変調信号を電力増幅する電力増幅器の増幅制御方法において、前記ＣＦＲ手段は、前記高速デジタル変調信号のピークレベルを入力される制御情報に従って制限して出力し、前記ＣＣＤＦ手段は、前記ＣＦＲ手段の出力と、前記電力増幅された出力信号のＣＣＤＦとをそれぞれＰＡＰＲをパラメータとしてプロット測定したプロットデータにして出力し、前記制御手段は、前記二つのプロットデータを受信して両者を比較し、前記電力増幅された出力信号のＣＣＤＦのＰＡＰＲの広がりが前記ＣＦＲ手段の出力における広がりよりも狭い場合、それが前記ＣＦＲ手段の出力における広がりよりも広くなるように、前記ＣＦＲ手段に前記入力信号のピークレベルを低く下げて制限する制御信号を出力することを特徴とする。

本実施形態に係わる電力増幅器の動作を説明する機能ブロック図。出力信号のマージンとデジタルビット数との関係を示す概念図。本実施形態に係わる電力増幅器のＣＣＤＦ測定例。本実施形態に係わる電力増幅器のピークレベル調整の処理手順を説明するフローチャート。

以下実施形態の電力増幅器を図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係わる電力増幅器の動作を説明する機能ブロック図である。
図１において、電力増幅器ＰＡは、高速デジタル変調信号が入力され、そのピークレベルを所定の値に調整する（以下、ピーク処理と呼ぶ。）ＣＦＲ部１、ＣＦＲ部１でピーク処理された信号を入力してＤＰＤ処理を施すＤＰＤ部２、ＤＰＤ処理されたデジタル信号をＩＦ帯のアナログ信号に変換するＤ／Ａ（デジタル／アナログ変換部）３、ＩＦ帯信号を送信電波のＲＦ信号に変換するミキサ４、終段増幅部５、アンテナ６、ＲＦ信号の一部をループバック信号として取り出すカプラ６１、ループバック信号をＩＦ帯の信号に変換するミキサ４１、ＩＦ帯の信号を更にＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル変換部）３１とを備える。

ＣＦＲ部１は、入力されるＯＦＤＭ変調信号の様な高速デジタル変調信号のＣＣＤＦ（Complementary Cumulative Distribution Function）をモニタするＣＣＤＦモニタ部１１と、ループバック信号から生成されるピーク設定部１４からのピーク設定情報に従ってデジタル変調信号のピーク値を所定のレベルに調整するピーク調整部１２と、ピーク調整された信号のＣＣＤＦをモニタするＣＣＤＦモニタ部１３とを備えている。

また、ＤＰＤ部２は、ＣＦＲ部１から出力されたデジタル変調信号に所定の手順に従ってＤＰＤを施すＤＰＤ補正部２１、ＤＰＤが施された信号のＣＣＤＦをモニタするＣＣＤＦモニタ部２２、またＩＦ帯のループバック信号のＣＣＤＦをモニタするＣＣＤＦモニタ部２４と、ループバック信号から必要なＤＰＤを推定し、ＤＰＤ補正でデータをＤＰＤ補正部２１へ出力するＤＰＤ信号推定部２３とを備えている。

これらのＣＦＲ部１とＤＰＤ部２とは、一つ、または複数のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）または、ＬＳＩなどによるデジタル処理回路で構成される。そして、機能的には前に示されるような機能ブロック構成で動作し、更にこれらの機能ブロックを全体的に監視制御するＣＰＵ（または、プロセッサ部）７が存在しても良い。

まず、本実施形態の電力増幅器ＰＡの基本動作を説明する。ＣＦＲ部１からＤＰＤ補正部２１に、はじめは、ピーク処理されていないデジタル変調信号が入力される。ＤＰＤ推定部２３は、この入力信号に対して図示されていない内部のＬＵＴ（Look Up Table）を参照し所要のＤＰＤ歪補正を行いつつ、また終段増幅部５からのループバック信号を取り込み、入出力差を最小化するよう更に補償を加えるＤＰＤを実施する。

ループバック信号は、ＣＣＤＦモニタ２４とピーク設定部１４とへ入力される。ピーク設定部１４は、予め設定されたレベル以上のループバック信号が入力すると、そのレベルを抑えて終段増幅部５の出力が飽和しないようにＣＦＲ処理によりピークカットを行っている。ピーク設定部１４は、このループバック信号を監視して飽和しそうになった場合入力信号のレベルを制限する信号をピーク調整部１２へ出力する。これにより、出力マージンが最小化出来るのでデジタル処理でのビットを無駄なく、すべて使用出来るので、低レベルまでデジタル信号処理をしてＣ／Ｎの改善が図れる。

図２は、出力信号のマージンとデジタル信号処理のビット処理数との関係を示す概念図である。
電力増幅器では、出力飽和を防ぐためバックオフをとっている場合、図２（ａ１）の様な、マージンとして最大振幅に対してｍビットが消費される。その結果有効ビットは、例えば１６ｂｉｔ処理をしている場合は有効ビット数が１６−ｍビットしかなくなる。信号波形で見ると、図２（ｂ１）の様に、等価的にはｍビット分低い信号レベルでのノイズレベルが上昇したのと同じ事になり、Ｃ／Ｎが劣化する。

そこで、本実施形態のようにＣＦＲを用いてピークレベル、すなわち最大振幅を制限し、かつ制限された最大振幅値をデジタル処理のＭＳＢ（Most Significant Bit）に合わせる様にすれば、デジタル処理をしているビット数は１６ｂｉｔフルスケールが使用できるので低信号レベルのＬＳＢ(Least Significant Bit)までノイズレベルを下げることになる。言い換えれば、ＣＦＲを用いることによって、ピーク飽和を抑えるのみならず、低い信号レベルまで処理可能なのでＣ／Ｎを向上することが出来る（図２（ａ２）図２（ｂ２）参照。）。

次にＣＣＤＦを監視して更にＣ／Ｎを改善する動作を説明する。
図３は、本実施形態における電力増幅器のＣＣＤＦ測定例でＣＣＤＦとＰＡＰＲとの関係を説明する図、図４は、ＣＣＤＦ測定を行いピークレベル調整をする処理手順を説明するフローチャートである。
以下、図３、図４を参照してＣＦＲを制御する手順を説明する。
一般に平均信号電力に対するピーク信号レベルの分布を示すものとしてＣＣＤＦ特性を描くことが多い。図１に示される電力増幅器ＰＡは、ピーク調整部１２の入力と出力、ＤＰＤ補正部２１の出力、およびＡ／Ｄ４でデジタル変換された終段増幅部５からのループバック信号それぞれをＣＣＤＦモニタ部１１、１３、２２、２４により監視する（ステップｓ１）。

各ＣＣＤＦモニタが測定するＣＣＤＦ（パワー相補累積分布関数）曲線は、デジタル変調信号の高レベル・パワー統計の測定曲線である。測定曲線は、波形が所定のパワー・レベル以上にある時間で定義され、信号が所定のレベル以上になっている時間の割合を、特定のパワー・レベルの確率とする。ＣＣＤＦパワーを統計測定する信号処理は、ＦＰＧＡ等を使用したデジタル信号処理によってチャネル帯域幅内の入力信号をサンプリングし、演算処理してＣＣＤＦ測定データを図３の様に曲線データとしてプロットする。データのプロット結果は図示されないデータバス等により各ＣＣＤＦモニタからＣＰＵ７へ伝送される。ＣＰＵ７は、図１のピーク設定部１４、およびＤＰＤ推定部２３が実行する動作の制御を行う。

図３では、ＣＦＲの入力部のＣＣＤＦモニタ１１での測定は曲線ｃｉ、ＣＦＲの出力部のＣＣＤＦモニタ１３では曲線ｃｏの様になる。曲線ｃｏは、ＣＦＲ処理によってピークカットによって曲線ｃｉよりも内側（左）に収まる。ＣＰＵ７が内部メモリに参照データとしてこの両曲線を記憶する（ステップｓ２）。

ＣＣＤＦモニタ２２、２４でＤＰＤ補正後、および送信電波としてのデジタル変調信号のＣＣＤＦが同様に測定され、ＤＰＤ２の出力部と、ループバック信号の測定結果をＣＰＵ７がこれらの測定結果を曲線ｃｉ、曲線ｃｏのデータと比較する（ステップｓ３）。

そして、曲線ｃｏと比較して例えば、ループバック信号の測定曲線が図３（ｂ）の曲線ＣＸの様に更に内側にカーブしていなければ、（ステップｓ４がＮｏ。）（ここでは、ＣＣＤＦのＰＡＰＲがＣＦＲ処理時よりも狭くなると称する。）適正なＣＦＲ、ＤＰＤが掛けられ、適正なデジタル処理部出力になっている状況である。

なお、曲線ＣＸが曲線ｃｉと曲線ｃｏとの間に有れば理想的状態である。例えば、ＣＣＤＦモニタ部２２での測定曲線は、ＣＦＲ部１でピークがクリップされた影響や飽和に対してＤＰＤ処理により曲線ｃｉに近づく様になることもある。

ＣＣＤＦモニタ部２４での測定曲線が図３（ｃ）の曲線ＣＺの様に内側に有れば（ステップｓ４がＹｅｓ。）、ＣＰＵ７はデジタル信号処理部の出力レベルが高く、ピークが設定最大値の０ｄＢＦＳを超えている可能性があると判定して、ＣＰＵ７、すなわちピーク設定部１４は、ピーク調整部１２に対してピーク制限レベルをさげるＣＦＲの指示を行う（ステップｓ５）信号を出力する。また、ＤＰＤ推定部２３としてＤＰＤ補正部２１対して補正利得量を下げるか、または、変調信号の基準出力レベルを変更する等の平均出力レベルを低下させる指示を行う。

また、ＣＣＤＦモニタ部２４での測定曲線が曲線ｃｉよりも外側（右）に有る場合（ステップｓ４がＮｏ。ステップｓ６がＹｅｓ。）、ＣＰＵ７は、マージンが生じているか、またはＤＰＤが過剰に行われるか、それとも終段増幅器５の利得が過剰になっているいずれかの可能性があると判定する。そして、ＣＰＵ７は、ＣＣＤＦモニタ部２４での測定曲線が曲線ｃｉの内側に来るようにＣＦＲのピークカットレベルを上げるか、または、ＤＰＤの補正、または、終段増幅器５の利得調整を行い平均出力レベルを上げる（ステップｓ５）制御をする。

実際には、ＣＰＵ７に、例えば、ピーク設定部１４、およびＤＰＤ推定部２３として複数レベルの平均電力にそれぞれ対応して制御処理をする動作プログラムを準備し、各ＣＣＤＦモニタ部が、ＣＣＤＦ曲線データに加えて平均電力や、ピーク値情報をＣＰＵ７に通知することによりその組合せから基本動作プログラムを切替ることによってアダプティブな補償が実施される。

さらに、曲線ｃｉと曲線ｃｏとの間に有る場合でも、ＣＣＤＦの曲線の傾斜等に条件（例えば、曲線ｃｉに近づく閾値）を設定し、これに近づくようピーク設定部１４とピーク調整部１２とに対しピークレベル制御を掛けることによってＣＦＲの制御をアダプティブ（補償的）に実施する。そして、ピーク信号レベルを精確に設定することによってデジタルビットを有効に使い、Ｃ／Ｎを改善することができる。

また、上記の説明ではＣＣＤＦをモニタすることによりＣＦＲ、ＤＰＤについての補償を行ってＣ／Ｎを向上しているが、図１の構成にループバック信号をモニタするＡＣＬＲ（Adjacent Channel Leakage Ratio：隣接チャネル漏洩電力比）モニタ２５を設ける。そしてＡＣＬＲを監視したデータをピーク設定部１４へ入力してサブキャリアの発生を許容値内に抑える制御をしてピークレベルを変化させる様にすれば一層の改善が行われる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の電力増幅器によれば、マージンを最小限に抑えるピークレベル制御手段を持つことにより、電力増幅器が出力する信号のＣ／Ｎを改善することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ＣＦＲ部
１１、１３、２２、２４ＣＣＤＦモニタ部
１２ピーク調整部
１４ピーク設定部
２ＤＰＤ部
２１ＤＰＤ補正部
２３ＤＰＤ推定部
２５ＡＣＬＲモニタ部
３Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ変換部）
３１Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル変換部）
４、４１ミキサ
５終段増幅部
６アンテナ
６１カプラ
７ＣＰＵ

Claims

高速デジタル変調信号の入力信号のピークレベルを制限して出力するＣＦＲ手段と、前記レベル制限されて出力された信号にＤＰＤを施して電力増幅するＤＰＤ手段とを備えて、前記入力信号を電力増幅する電力増幅器において、
入力される制御情報に従って前記入力信号のピークレベルを制限するＣＦＲ手段と、
前記ＣＦＲ手段の出力におけるＣＣＤＦと前記電力増幅された出力信号のＣＣＤＦとをそれぞれＰＡＰＲをパラメータとして測定し、それぞれのプロットをしたデータにして出力するＣＣＤＦモニタ手段と、
前記二つのプロットしたデータを受信し、その両者を比較し、前記電力増幅された出力信号のＣＣＤＦのＰＡＰＲの広がりが、前記ＣＦＲ手段の出力における広がりよりも狭い場合、それが前記ＣＦＲ手段の出力における広がりよりも広くなるように、前記入力信号のピークレベルを低く下げて制限する制御信号を前記ＣＦＲ手段に向けて出力する制御手段とを
備えることを特徴とする電力増幅器。
高速デジタル変調信号が入力されるＣＦＲ手段と、ＣＣＤＦモニタ手段と、前記ＣＦＲ手段から出力された信号にＤＰＤを施して電力増幅するＤＰＤ手段と、制御手段とを備え、前記高速デジタル変調信号を電力増幅する電力増幅器の増幅制御方法において、
前記ＣＦＲ手段は、
入力される制御情報に従って前記高速デジタル変調信号のピークレベルを制限して出力し、
前記ＣＣＤＦ手段は、
前記ＣＦＲ手段の出力におけるＣＣＤＦと前記電力増幅された出力信号のＣＣＤＦとをそれぞれＰＡＰＲをパラメータとして測定し、それぞれをプロットしたデータにして出力し、
前記制御手段は、
前記二つのプロットしたデータを受信して両者を比較し、前記電力増幅された出力信号のＣＣＤＦのＰＡＰＲの広がりが前記ＣＦＲ手段の出力における広がりよりも狭い場合、それが前記ＣＦＲ手段の出力における広がりよりも広くなるように、前記ＣＦＲ手段に前記入力信号のピークレベルを低く下げて制限する制御信号を出力する
ことを特徴とする電力増幅器の増幅制御方法。