JP2017527196A - 包絡線追跡のためのタイミングアライメント感度 - Google Patents

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Abstract

一実施形態では送信機が開示される。送信機は、包絡線追跡増幅器回路であって、電力増幅器、入力信号の無線周波数成分を電力増幅器の入力に結合するように構成された無線周波数経路、電力増幅器の供給電圧を包絡線信号で変調するように構成された包絡線経路であって、包絡線信号を得るために包絡線整形関数を使用して入力信号の包絡線を整形するように構成された包絡線整形モジュールを備える包絡線経路、および、無線周波数経路および包絡線経路の相対タイミングアライメントを変化させるように構成された遅延ブロック、を備える包絡線追跡増幅器回路と、包絡線整形モジュールによって使用される包絡線整形関数の指示のための記憶装置と、プロセッサであって、包絡線追跡増幅器回路に試験信号を印加し、無線周波数経路と包絡線経路の間の相対タイミングアライメントの掃引にわたって遅延ブロックを制御することと、相対タイミングアライメントの掃引に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度を決定することと、包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度を、先行する反復に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度と比較することと、包絡線整形関数のために、先行する反復に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度が、決定された包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度未満である場合、先行する反復から第1のパラメータの値を選択することと、第1のパラメータに対して選択された値を有する包絡線整形関数の指示を記憶装置に記憶することとによって、汎用包絡線整形関数の第1のパラメータの値を反復して探索するように動作することができるプロセッサと、を備える。

Description

本明細書において説明される実施形態は、一般に無線周波数電力増幅器における包絡線整形(envelope shaping)および包絡線追跡(envelope tracking)に関する。
包絡線追跡(ET:Envelope tracking)は、次の世代の高効率無線周波数(RF)電力増幅器(PA)のための実行可能なコンテンダ(viable contender)である。ETが抱えている1つの主要な課題は、RFと包絡線経路の間のタイミングアライメント(timing alignment)である。不正確なアライメントは、隣接チャネル電力比(ACPR:adjacent channel power ratio)およびエラー・ベクトル・マグニチュード(EVM:error vector magnitude)の劣化として出現するひずみを生成する。
複雑な較正ルーチンおよびハードウェアがこれを克服するために提案されている。これは、大電力送信機では許容可能であるが、低電力アプリケーションに対しては、過剰な電力消費およびコストが重大なオーバーヘッドである。
実施形態は、添付の図面を参照して、限定されない例として説明される。
図1aは一実施形態による包絡線追跡送信機を示す図であり、図1bは一実施形態による包絡線追跡送信機の出力信号および包絡線信号を示す図。 図2a−cはタイミングアライメントの影響を示すグラフ。 一実施形態において適用される包絡線整形の形態を示すグラフ。 包絡線整形の異なるレベルを示すグラフ。 包絡線整形がない場合の包絡線経路と無線周波数経路の間の相対遅延に対する信号電力および隣接チャネル電力比(ACPR)を示すグラフ。 包絡線整形を有する一実施形態における、包絡線経路と無線周波数経路の間の相対遅延に対する信号電力および隣接チャネル電力比(ACPR)を示すグラフ。 一実施形態による送信機において使用される変調器の周波数応答を示すグラフ。 図7に示されている周波数応答を考慮した包絡線整形を有する一実施形態における、包絡線経路と無線周波数経路の間の相対遅延に対する信号電力および隣接チャネル電力比(ACPR)を示すグラフ。 一実施形態による送信機を示す図。 一実施形態による、包絡線整形関数を決定する方法を示すフローチャート。
詳細な説明
一実施形態では、送信機が開示される。送信機は、包絡線追跡増幅器回路(envelope tracking amplifier circuit)であって、電力増幅器、入力信号の無線周波数成分を電力増幅器の入力に結合するように構成された無線周波数経路、電力増幅器の供給電圧を包絡線信号で変調するように構成された包絡線経路であって、包絡線信号を得るために包絡線整形関数を使用して入力信号の包絡線を整形する(shape)ように構成された包絡線整形モジュールを備える包絡線経路、および、無線周波数経路および包絡線経路の相対タイミングアライメントを変化させるように構成された遅延ブロック、を備える包絡線追跡増幅器回路と、包絡線整形モジュールによって使用される包絡線整形関数の指示のための記憶装置と、プロセッサであって、包絡線追跡増幅器回路に試験信号を印加し、無線周波数経路と包絡線経路の間の相対タイミングアライメントの掃引にわたって(over a sweep)遅延ブロックを制御することと、相対タイミングアライメントの掃引に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度(average measure)を決定することと、包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度を、先行する反復(previous iteration)に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度と比較することと、包絡線整形関数のために、先行する反復に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度が、決定された包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度未満である場合、先行する反復から第1のパラメータの値を選択することと、第1のパラメータに対して選択された値を有する包絡線整形関数の指示を記憶装置に記憶することとによって、汎用包絡線整形関数(generic envelope shaping function)の第1のパラメータの値を反復して探索するように動作することができるプロセッサと、を備える。
一実施形態では、プロセッサは、無線周波数経路と包絡線経路の間の最適タイミングアライメントを決定し、また、最適タイミングアライメントをメモリに記憶するようにさらに動作することができる。
一実施形態では、ひずみの測度は隣接チャネル電力比である。
一実施形態では、プロセッサは、第2のパラメータの値を最適化するようにさらに動作することができる。
一実施形態では、プロセッサは、効率および/または直線性に基づいて包絡線整形関数を選択するようにさらに動作することができる。
一実施形態では、包絡線追跡増幅器回路のための包絡線整形関数を最適化する方法が開示される。包絡線追跡増幅器回路は、電力増幅器と、入力信号の無線周波数成分を電力増幅器の入力に結合するように構成された無線周波数経路と、包絡線整形関数に従って入力信号の包絡線信号を整形するように構成された包絡線整形モジュールを備える包絡線経路と、この包絡線経路は、整形された包絡線信号に応じて電力増幅器の供給電圧を修正するように構成される、および、無線周波数経路および包絡線経路の相対タイミングアライメントを変化させるように構成された遅延ブロックと、を備える。方法は、包絡線追跡増幅器回路に試験信号を印加し、無線周波数経路と包絡線経路の間の相対タイミングアライメントの掃引にわたって遅延ブロックを制御することと、相対タイミングアライメントの掃引に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度を決定することと、包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度を、先行する反復に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度と比較することと、包絡線整形関数のために、先行する反復に対する包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度が、包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの決定された平均測度未満である場合、先行する反復から第1のパラメータの値を選択することとによって、汎用包絡線整形関数の第1のパラメータの値を反復して探索することを備える。
一実施形態では、方法は、無線周波数経路と包絡線経路の間の最適タイミングアライメントを決定し、また、最適タイミングアライメントをメモリに記憶することをさらに備える。
一実施形態では、ひずみの測度は隣接チャネル電力比である。
一実施形態では、方法は、第2のパラメータの値を最適化することをさらに備える。
一実施形態では、方法は、効率および/または直線性に基づいて包絡線整形関数を選択することをさらに備える。
図1aは、一実施形態による包絡線追跡送信機を示したものである。図1aに示されている回路は、同相成分I(in-phase component I)および直角成分Q(quadrature component Q)を有するベースバンド入力信号を増幅する。回路は電力増幅器10を備えている。回路は、無線周波数(RF)経路20および包絡線経路30を備えている。RF経路20は、遅延ブロック22およびアップコンバータ24を備えている。入力信号の無線周波数成分VRFは、RF経路20によって電力増幅器10の入力に結合されている。包絡線経路30は、包絡線発生器および整形モジュール32、ならびに包絡線変調器34を備えている。包絡線発生器および整形モジュール32は、包絡線整形関数を使用して包絡線信号を発生する。包絡線変調器34は、電力増幅器10の供給電圧を包絡線信号Venvで変調する。閉ループアーキテクチャが使用されており、それにより出力RF信号(Vout)の一部がサンプルされ、ベースバンドにフィードバックされる。
図1bは、ちょうどよい時に整列した場合の出力信号Voutおよび包絡線信号Venvを示したものである。ET送信機におけるタイミングミスアライメントは大きな問題である。RF経路と包絡線経路の間のタイミングアライメントは、出力がフィードバック信号を介してモニタされている間にデジタルベースバンド内で調整される。最大忠実度(maximum fidelity)(すなわち最小ひずみ)は、RF(VRF)信号と包絡線(Venv)信号の間の最適タイミングアライメントにおいて達成される。
タイミングアライメントの影響は、図2aから2cに示されている。図2aは、RF(VRF)信号および包絡線(Venv)信号がちょうどよい時に整列される場合の出力信号Voutおよび包絡線信号Venvを示したものである。図2aに示されているように、RF信号および包絡線信号がちょうどよい時に整列されると、出力信号のひずみは存在しない。図2bは、包絡線信号がRF信号より立ち遅れる(lags behind)場合の出力信号および包絡線信号を示したものである。図2bに示されているように、電力増幅器への供給電圧が最大出力電圧を、図2bに点線で示されている特定のポイントにおける必要な出力より小さい値に制限しているため、出力信号がゆがめられている。図2cは、包絡線信号がRF信号に先行する場合の出力信号および包絡線信号を示したものである。図2cに示されているように、電力増幅器への供給電圧が必要な出力電圧を与えるだけの十分な高さにない場合、出力信号がゆがめられる。
実施形態では、包絡線整形(ES)関数は、RF増幅器のドレインに供給される包絡線電圧を整形するために使用される。これはタイミングアライメント感度を低下させ、延いてはひずみを低減させる。隣接チャネル電力比(ACPR)はひずみの測度である。ESはまた、実施形態では、効率を改善するために使用される。
タイミングアライメントに対する感度は、ES関数を選択する場合に考慮される。経路間の遅延オフセットは、周波数、温度および構成要素許容誤差(component tolerance)と共に変化し得るため、タイミングアライメント感度は重要である。本明細書において説明される実施形態は、複雑な問題に対する単純な解決法を提供する。したがって改善された信頼性と共にコスト節約が可能である。
図3は、一実施形態において適用される包絡線整形の形態を示したものである。図3に示されている形態の包絡線整形はVenvに適用される。入力は、ベースバンド入力信号|I+Q|のマグニチュード(magnitude)である。これは数学的に操作され、したがってVenvは|I+Q|のピーク値と同じピーク値を有しているが、図3に示されているようにより大きい最小値を有する。タイミングアライメントに対する鈍化(senility)の低減に加えて、ES関数はまた、直線性および効率を最大化するために最適化され得る。
図4は、包絡線整形の異なるレベルを示したものである。図4では、整形がより多く適用されるにつれて、VenvはVoutをヌルへ持ち込(track Vout into the nulls)まないことが分かる。ヌルにおいて遭遇するいかなるミスアライメントも、図2に示されているひずみをもたらす。したがって包絡線整形を増加させることは、ひずみの量を低減させる。
高いタイミングアライメント精度がナノ秒ベースで要求される場合、デジタルベースバンドと、また包絡線追跡に使用されるデジタル−アナログ変換器との両方に対して高いサンプリングレートが要求される。電力消費はサンプルレートとともにスケールする(scales with sample rates)ため、これは問題である。通常、タイミングアライメントは、ひずみを最小にするために調整される。しかしながらこれは、単純な低電力ET実施態様に対しては適していない。実施形態で提案される手法は、低コストとコンパクトの両方である折衷解決法を提供する。
図5は、包絡線整形がない場合の包絡線経路と無線周波数経路の間の相対遅延に対する信号電力および隣接チャネル電力比(ACPR)を示したものである。図5に示されているように、信号電力は、遅延がない場合の47dBmから80nsの遅延がある場合の45dBmまで、ほぼ一直線で低下する。ACPRは、遅延に伴って0nsから40nsまで急激に大きくなる。包絡線整形がない場合、ACPRは、VenvおよびVRFを整列させることによって低減され得るが、アライメント許容誤差は、図5に示されているように極めて小さい。例えばACPR限界が−35dBcである場合、許容誤差は4nsである。
図6は、包絡線整形を有する一実施形態における、包絡線経路と無線周波数経路の間の相対遅延に対する信号電力および隣接チャネル電力比(ACPR)を示したものである。図5と図6を比較すると、信号電力は、遅延に対してはより低いレートで低下し、また、20ns未満の遅延に対してはACPRの少しの増加があることが分かる。図6に示されているように、ESが適用されると、許容誤差が14nsまで大きくなる。また、図5および図6から、経路間の遅延が増加すると、信号電力(すなわち送信される信号)が低下することに留意されたい。ESは信号電力の維持を促進する。これは、サンプルレートを250MSpsから70MSpsまで落とすことに対応する。
図7は、一実施形態による送信機において使用される変調器の周波数応答を示したものである。図7は、典型的な包絡線変調器の測定された応答を示したものである。図7に示されているように、利得は、2MHzを超える周波数に対して、周波数とともに小さくなる。変調器のグループ遅延は、包絡線信号の帯域幅にわたって平らではないようである。変調器は、有限周波数応答のため、それの通過帯域においてグループ遅延リプル(group delay ripple)に遭遇する。グループ遅延リプルは、包絡線信号の異なる周波数成分に対して、異なる最適タイムアライメントをもたらすことになる。
したがって、実施形態の追加の利点は、送信機が包絡線変調器周波数応答に対してそれほどには敏感ではない(less sensitive to)ことである。
図8は、図7に示されている周波数応答を考慮した包絡線整形を有する一実施形態における、包絡線経路と無線周波数経路の間の相対遅延に対する信号電力および隣接チャネル電力比(ACPR)を示したものである。図8に示されているように、変調器が有限帯域幅および平らではないグループ遅延を有している場合であってもACPRは影響されない。これは、ESが使用されると、図7に存在している20nsグループ遅延リプルがACPRを悪化させないことを立証している。
実施形態では、ES関数は、ESが生成されるデジタルベースバンド内で適用される。
図9は、一実施形態による送信機を示したものである。送信機900は、例えばハンドセット、基地局、テレビジョン送信機、またはWi−Fi(例えばIEEE801.11ax)アクセスポイントあるいはルータであってもよい。送信機900は、図1に示されている実施形態などの包絡線追跡増幅器回路910、プロセッサ920、および包絡線整形関数932の指示を記憶するメモリ930を備えている。メモリ930は、包絡線整形関数をルックアップテーブルとして記憶することができる。別法としては、メモリ930は、包絡線整形関数をリアルタイムで計算するためにプロセッサ920によって使用されるパラメータの指示を記憶することも可能である。送信機は、包絡線追跡増幅器回路910の出力に結合されるアンテナ912をさらに備えている。包絡線追跡増幅器回路910は、アンテナ912からの伝送のために入力信号を増幅する際に包絡線信号を整形するために、メモリに記憶されている指示932によって指示される包絡線整形関数を使用する。プロセッサ920は、包絡線追跡増幅器回路910のRF経路と包絡線経路の間のタイミングミスアライメントに対する送信機900の感度を低減させるために、包絡線整形関数932を選択する方法を実行するように動作することができる。
図10は、一実施形態による、包絡線整形関数を決定する方法を示すフローチャートである。図10に示されているアルゴリズムでは、ES関数は、PAの静的測定に基づいていないが、一組の規則に基づいて任意に選択され、次に、経路間の遅延が掃引されると反復される。
ステップS1002で、汎用包絡線整形関数が生成される。汎用包絡線整形関数は、変更され得る少なくとも1つのパラメータを有している。ステップS1004で、包絡線整形関数が、可変パラメータのための初期値を使用して適用される。包絡線追跡増幅器回路に試験信号が印加される。ステップS1006で、時間遅延が異なる値を介して掃引される。時間遅延の掃引は離散的操作である。時間遅延は離散的ステップを介して掃引される。例えばサンプリングレートが125MSpsである場合、時間遅延は8ns(1/125MSps)ステップで調整される。ステップS1007で、タイミングアライメントの掃引にわたってACPRの平均値が計算される。
ステップS1008で、掃引されたACPTが先行する反復からのACPRに対して記憶された値と比較される。最初にACPRに対して記憶された値がゼロに設定され、したがって第1の反復では、計算された値は記憶された値より良好になる。ACPRが先行する値より良好である場合、新しい値が記憶され、方法は、パラメータの値が増分されるステップS1010へと継続する。例えばES関数は、Venv=a.|I+Q|b+cであり得、ここで、aおよびbが設計によって定義され、次にbが0から最適値が見出されるまで増分される。多数の掃引(sweeps)を比較することにより、図6に示されている低いACPR領域が延長され得る。
上記の例では、アルゴリズムはbを増分する。例えばbを減分し、ランダムにbを選択し、または先行する値(previous value)から開始する他のアルゴリズムが使用され得る。
この説明では、低い値のACPRがより良好な値であると見なされている。
ACPRが先行する値より良好ではない場合、方法は、先行するES関数が使用されるステップS1012へ移動し、また、方法はステップS1014へ移動する。ステップS1014で最適タイミングアライメントが選択される。次に最適タイミングアライメントおよび最適化された包絡線整形関数がメモリに記憶される。ES関数の選択はタイミングアライメントに頑丈性を与えるため、最適タイミングアライメントの選択は、低下した精度を有し得ることに留意されたい。
実施形態では、試験信号は、実際に送信される信号の特性と同様の特性を有している。例えばアプリケーションがLTEである場合、LTE試験信号が使用される。これは仮定された事例ではあるが、他の試験信号も利用可能である。試験信号は、LTEと同様の特性を有し得るが、実際のLTE信号よりも生成およびモニタがより単純である。
上記の例では、包絡線整形関数は、Venv=a.|I+Q|b+cである。他の可能な関数が想定されている。例えばVenv=a.|I+Q|b+d.|I+Q|e+c。代替は、IF(|I+Q|>c)、then Venv=|I+Q|、else Venv=cである。
図10に示されている方法は、製造において実行され、次に、恐らくは不定期に、例えば月に一回実行される較正ルーチンとして実現され得る。反復されたESは、次にメモリに記憶され、伝送が実施される毎に適用される。
ESを適用することは効率を低下させ得ることに留意されたい。図4に示されているように、より大きな程度の整形は、VenvとVoutの間の適合(fit)を減じることになる。ESが大まかな経路アライメントを許容する場合、悪化した増幅器効率は、低下したサンプルレートのベースバンドの電力節約によって相殺され(offset by)得る。
図1に示されている実施形態では、遅延モジュールは無線周波数経路に存在し、他の実施形態では、遅延モジュールは、包絡線経路または両方の経路に置かれ得る。
実施形態は、タイミングミスアライメントに対する包絡線追跡送信機の感度を低減するため、また、事によるとシステム全体の電力消費を低減することになるベースバンドサンプリングレートを低下させるため、の低コスト解決法を提供する。さらに、実施形態は、既存のハードウェアの中に実現され得る。
特定の実施形態が説明されたが、これらの実施形態は、単なる一例として提供されたものにすぎず、本発明の範囲を制限することは意図されていない。実際、本明細書において説明されている新規な回路は、様々な他の形態で具体化されることが可能であり、さらに、本発明の精神から逸脱することなく、本明細書において説明されている方法および装置の形態の様々な省略、置換および変更が加えられ得る。添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物には、本発明の範囲および精神の範疇であるこのような形態の修正を包含することが意図されている。

Claims (10)

  1. 包絡線追跡増幅器回路と、前記包絡線追跡増幅器回路が、
    電力増幅器、
    入力信号の無線周波数成分を前記電力増幅器の入力に結合するように構成された無線周波数経路、
    前記電力増幅器の供給電圧を包絡線信号で変調するように構成された包絡線経路、前記包絡線経路が、前記包絡線信号を得るために包絡線整形関数を使用して前記入力信号の包絡線を整形するように構成された包絡線整形モジュールを備える、および、
    前記無線周波数経路および前記包絡線経路の相対タイミングアライメントを変化させるように構成された遅延ブロック
    を備える、
    前記包絡線整形モジュールによって使用される前記包絡線整形関数の指示のための記憶装置と、
    プロセッサと、前記プロセッサが、
    前記包絡線追跡増幅器回路に試験信号を印加し、前記無線周波数経路と前記包絡線経路の間の前記相対タイミングアライメントの掃引にわたって前記遅延ブロックを制御することと、
    相対タイミングアライメントの前記掃引に対する前記包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度を決定することと、
    前記包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの前記平均測度を、先行する反復に対する前記包絡線追跡増幅器回路の前記出力のひずみの平均測度と比較することと、
    前記包絡線整形関数のために、前記先行する反復に対する前記包絡線追跡増幅器回路の前記出力のひずみの前記平均測度が、決定された前記包絡線追跡増幅器回路の前記出力のひずみの前記平均測度未満である場合、前記先行する反復から第1のパラメータの値を選択することと、
    前記第1のパラメータに対して選択された値を有する前記包絡線整形関数の指示を前記記憶装置に記憶することと
    によって、汎用包絡線整形関数の前記第1のパラメータの値を反復して探索するように動作することができる、
    を備える、送信機。
  2. 前記プロセッサが、前記無線周波数経路と前記包絡線経路の間の最適タイミングアライメントを決定し、また、前記最適タイミングアライメントをメモリに記憶するようにさらに動作することができる、請求項1に記載の送信機。
  3. ひずみの前記測度が隣接チャネル電力比である、請求項1に記載の送信機。
  4. 前記プロセッサが、第2のパラメータの値を最適化するようにさらに動作することができる、請求項1に記載の送信機。
  5. 前記プロセッサが、効率および/または直線性に基づいて前記包絡線整形関数を選択するようにさらに動作することができる、請求項1に記載の送信機。
  6. 包絡線追跡増幅器回路のための包絡線整形関数を最適化する方法であって、前記包絡線追跡増幅器回路が、電力増幅器と、入力信号の無線周波数成分を前記電力増幅器の入力に結合するように構成された無線周波数経路と、前記包絡線整形関数に従って前記入力信号の包絡線信号を整形するように構成された包絡線整形モジュールを備える包絡線経路と、前記包絡線経路が、前記整形された包絡線信号に応じて前記電力増幅器の供給電圧を修正するように構成される、および、前記無線周波数経路および前記包絡線経路の相対タイミングアライメントを変化させるように構成された遅延ブロックと、を備え、
    前記方法が、
    前記包絡線追跡増幅器回路に試験信号を印加し、前記無線周波数経路と前記包絡線経路の間の前記相対タイミングアライメントの掃引にわたって前記遅延ブロックを制御することと、
    前記相対タイミングアライメントの前記掃引に対する前記包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの平均測度を決定することと、
    前記包絡線追跡増幅器回路の出力のひずみの前記平均測度を、先行する反復に対する前記包絡線追跡増幅器回路の前記出力のひずみの平均測度と比較することと、
    前記包絡線整形関数のために、前記先行する反復に対する前記包絡線追跡増幅器回路の前記出力のひずみの前記平均測度が、前記包絡線追跡増幅器回路の前記出力のひずみの決定された平均測度未満である場合、前記先行する反復から第1のパラメータの値を選択することと
    によって、汎用包絡線整形関数の前記第1のパラメータの値を反復して探索することを備える、方法。
  7. 前記無線周波数経路と前記包絡線経路の間の最適タイミングアライメントを決定し、また、前記最適タイミングアライメントをメモリに記憶することをさらに備える、請求項6に記載の方法。
  8. ひずみの前記測度が隣接チャネル電力比である、請求項6に記載の方法。
  9. 第2のパラメータの値を最適化することをさらに備える、請求項6に記載の方法。
  10. 効率および/または直線性に基づいて前記包絡線整形関数を選択することをさらに備える、請求項6に記載の方法。
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