JP3707549B2 - 送信装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてディジタル無線通信システムにおいて用いられる送信装置に関し、さらに詳細には、無線周波数(Radio Frequency:以下「RF」と称す)帯の信号を増幅する際に生じる非線形歪みを補償する非線形歪み補償機能を備える送信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディジタル無線通信システムにおける復調器においては、従来からRF帯の信号を増幅する際に生じる非線形歪みの補償が行われている。図9は、従来の非線形歪みを補償するためのシステムの構成を示すブロック図である。図9に示すように、このシステムは、非線形歪み補償処理部11と、直交変調器13と、高出力増幅器14と、直交復調器15と、非線形歪み補償係数演算部17とを備えている。なお、この装置は、多値直交変調(QAM)を対象としており、ディジタル復調方式として一般的なベースバンド準同期方式が適用されるものとし、同相と直交の各成分(チャネル)に対して、一般的な表記Ich、Qchが用いられるものとする。
【0003】
非線形歪み補償処理部11は、端子1、2にそれぞれ入力されたIch用、Qch用のベースバンド信号に対して非線形歪み補償を実行して出力する。直交変調器13は、非線形歪み補償が行われたIch用、Qch用のベースバンド信号を直交変調して直交変調信号を出力する。高出力増幅器14は、直交変調信号を増幅し変調信号として出力する。その変調信号は、端子3から外部に出力される。
【0004】
直交復調器15は、高出力増幅器14から出力された直交変調信号を直交復調することによって生成した直交復調信号I’ch、Q’chを出力する。非線形歪み補償係数演算部17は、ベースバンド信号Ich、Qchと直交復調信号I’ch、Q’chとを入力し、ベースバンド信号の振幅に応じた非線形特性の逆特性に基づいて非線形歪み補償係数を演算して出力する。非線形歪み補償処理部11は、ベースバンド信号Ich、Qchに非線形歪み補償係数を乗算して、プリディストーション(非線形歪み特性の逆特性を付加)を行う。
【0005】
ここで、RF(Radio Frequency)帯の高出力増幅器14で生じる非線形歪みと、その非線形歪みが送信信号に与える影響について簡単に説明する。なお、高出力増幅器14に関する特性は、デシベル(dB)で表すものとする。高出力増幅器14の入力レベルをPi、出力レベルをPo、増幅利得をG、飽和出力レベルをPsatと定義する。高出力増幅器14が理想的な特性を有しているとすると、出力レベルPoが飽和出力レベルPsat以上とならない限り、入力レベルPiに増幅利得Gを足した値が出力される。そのため、高出力増幅器14の入出力特性は以下の式(1)で表される。
【0006】
【数1】
【0007】
ところが、実際の電気回路で高出力増幅器14を構成した場合には、出力レベルPoが飽和出力レベルPsatに近づくにしたがって、出力レベルPoが徐々に圧縮され、実際の増幅器と理想の増幅器との特性差が大きくなる。なお、文献[Behavioral Modeling Of Nonlinear RF and Microwave Devices (Thomas r. Turlington),Artech House]によれば、この圧縮効果をふまえた増幅器の入出力特性は、以下の式(2)で近似することができる。
【0008】
【数2】
【0009】
ここで、Kは正の数であり、増幅器の特性を示す振幅圧縮係数である。Kが大きいほど増幅器の特性は悪化し、逆に、Kが0に近づくほど、その増幅器の特性は、先の理想増幅器の特性に近づく。
【0010】
さらに、式(2)に対して、飽和出力レベルPsatを基準点(0dB)とし、Pi+Gを増幅器の動作点をPopと定義すると、高出力増幅器14の動作点と出力レベルの関係は以下の式(3)で表される。
【0011】
【数3】
【0012】
さらに、縦軸を出力レベルとし、K→0、K=3、5、7とした場合の増幅器の動作点の対出力特性を図10に示す。ここで、横軸は増幅器の動作点を示し、縦軸は出力レベルを示す。図10に示すように、理想的な増幅器(K→0)の場合には、動作点が飽和出力になるまでは線形に動作し、飽和出力に達すると直ちに出力が飽和点にクリップされることがわかる。また、振幅圧縮係数Kが大きくなるにつれて、理想的な増幅器との特性差は大きくなり、動作点レベルが飽和点(0dB)を越える以前に、線形動作を行わなくなる度合いが大きくなることがわかる。
【0013】
図9の復調装置が対象とする変調信号は、多値直交(QAM)変調信号であり、信号点が複数の振幅を有しているため、上述の非線形動作が発生した場合には、各信号点において、信号振幅に応じて異なる圧縮率の非線形歪みの影響が表れる。
【0014】
図11は、図9の復調装置が対象とする多値直交変調信号における信号点配置を例示したものである。図11(a)には、16値の多値直交変調信号であるQAM信号の正規の信号点配置が示され、図11(b)には、第1象限のみを取り出した信号点配置が示されている。ただし、図11では、黒丸が信号点を示し、+印が信号点の正規位置を示すものとする。
【0015】
図11(a)に示すように、16値直交変調信号の正規信号点配置は、横軸Ich、縦軸Qchで規定される第1〜第4象限上において、同様に4点ずつ同じ振幅で存在しているのがわかる。以降、信号点配置に関しては、第1象限のみで説明する。これは、第2〜第4象限も振幅は同じであり、同様な動作であるためである。また、第1象限の信号点配置における4点を、図11(b)に示すように、便宜上それぞれA点、B点、C点、D点と名付ける。
【0016】
図12は、16値直交変調信号の非線形歪みの影響を受けた場合の第1象限上における信号点配置を示したものである。ただし、ここでも黒丸が信号点を示し、+印が信号点の正規位置を示すものとする。
【0017】
図12に示すように、振幅が小さい内側の信号(C点)と比較して、振幅の大きい外側の信号(A、B、D点)は、非線形歪みの影響を強く受け、+印の正規信号点位置からのずれ量が大きいことがわかる。特に、B点のように、振幅の大きい最も外側の信号点ではそのずれが顕著となる。
【0018】
このような信号を復調した場合には、復調信号点と判定領域とのマージンが小さくなるため、外側の信号ほど、雑音の影響が大きくなって誤り率が劣化する。なお、図12の破線で示した境線が信号判定領域の区切りである。
【0019】
式(3)について、動作点電力を変数x、出力電力を一般関数F(x)で表現すると、以下の式(4)となる。
【0020】
【数4】
【0021】
F(x)の逆関数を用いれば、逆に入力が出力電力で、出力が動作点電力となる式(5)が求められる。
【0022】
【数5】
【0023】
式(5)で用いた逆関数を数式表現することは困難であるが、式(4)のPopとPoとの関係は1対1であるので、パラメータKを代入すれば数値計算によって式(5)の関係を図13に表現することができる。図13では、RF帯の増幅器で生じる非線形歪みが、出力レベル[dB]に対する動作点レベル[dB]の特性で示されている。横軸の出力レベルは非線形歪み補償処理部51への入力電力に対応し、縦軸である動作点レベルはプリディスト−ション実行後の出力電力に対応する。
【0024】
さらに、出力電力と動作点電力との振幅比を振幅補償率Reとして定義し、出力電力の振幅を直交復調器15の入力振幅とした場合、直交復調器11の入力振幅に対する振幅補償率特性を図14のように表すことができる。
【0025】
図14の横軸では、飽和電力の振幅との比がデジベル表示されているので、高出力増幅器の出力信号の動作点を推定することができれば、非線形歪み補償処理部11の入力振幅をデシベル表現に変換することによって振幅補償率が求まる。以降、平均信号電力の動作点を平均動作点と定義するが、適応動作によって平均動作点を追随させ、検出した平均信号電力の動作点と非線形歪み補償処理部の入力振幅より振幅補償率を導出し、入力信号に振幅補償率を乗じることによって振幅歪みの影響を補償することができる。
【0026】
図15は、非線形歪み補償係数演算部17の構成を示すブロック図である。図15に示すように、非線形歪み補償係数演算部17は、2乗和根計算回路23と、振幅補償率演算表処理回路24と、平均動作点推定回路25と、補償極性検出回路26と、判定回路27と、端子56〜59と、端子60とを備えている。端子56、57には、ベースバンド信号Ich、Qchがそれぞれ入力される。2乗和根計算回路23は、ベースバンド信号Ich、Qchのそれぞれの振幅における2乗和根を計算した結果を入力振幅として出力する。
【0027】
端子58、59には、直交復調信号Ich’、Qch’がそれぞれ入力される。判定回路27は、直交復調信号Ich’、Qch’に基づいて送信シンボルを判定し、データ信号と誤差信号とを生成して出力する。補償極性検出回路28は、入力された誤差信号のベクトルがデータ信号のベクトルと直角となる境界線で規定される補償極性領域に基づいて振幅歪み補償の適正度を判定した結果に応じて振幅歪み補償における補償量を調整するための制御信号を生成して出力する。
【0028】
図16は、信号点配置より歪みの影響を検出するための補償極性検出領域の一例を示す図である。補償極性検出回路28では、判定回路27の出力のデータ信号からデータが存在する領域を推定し、信号が存在する領域に合わせて変化する判定基準と、誤差信号とから歪みの影響を検出する。補償極性検出回路28では、信号点配置の原点Oと正規の信号点位置とを直線で結び、その直線と直角に交わる直線を境界線とし、境界線の内側(原点O側、塗りつぶし無)を正の非線形歪みの影響を受けた領域と判定し、境界線の外側(灰色塗りつぶし)を負の非線形歪みの影響を受けた領域と判定し、両判定領域が等確率で発生するような適応動作が行われる。
【0029】
平均動作点推定回路25は、補償極性検出回路28から出力された制御信号に応じて平均動作点推定値を適応変化した上で生成して出力する。振幅補償率演算表処理回路24は、平均動作点推定値と入力振幅とを代入することによって振幅補償率を導出可能な振幅補償率演算表テーブルを有しており、そのテーブルより導出された振幅補償率を出力する。端子60からその振幅補償率が外部に出力される。
【0030】
図17は、非線形歪み補償処理部11の構成を示すブロック図である。図17に示すように、非線形歪み補償処理部11は、端子51〜55と、2つの乗算器21とから構成される。端子51、52には、ベースバンド信号Ich、Qchがそれぞれ入力される。端子55には、振幅補償率信号が入力される。各乗算器21は、ベースバンド信号Ich、Qchと振幅補償率信号とをそれぞれ乗算して出力する。各乗算器21から出力された信号はそれぞれ端子53、54から出力される。
【0031】
ところで、以上述べた非線形歪み補償動作は、高出力増幅器14の期待特性に基づいて数値計算で求めた結果を利用しているため、直交変調器13や高出力増幅器14が有する振幅遅延特性の不完全性や固有偏差の影響を受けた場合、期待した非線形歪み補償特性を発揮することができないという問題があった。
【0032】
つまり、従来の復調器では、送信装置側で非線形補償のみを実施しているため、アナログ回路の振幅遅延特性の不完全性や固有偏差に起因した線形歪みが軽減されず、その線形歪みの影響によって、非線形歪み補償特性の効果を十分に発揮することができないという問題があった。
【0033】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の送信装置では、非線形補償のみを実施しているため、アナログ回路の振幅遅延特性の不完全性や固有偏差に起因した線形歪みの影響により、非線形歪み補償特性の効果を十分に発揮することができないという問題があった。
【0034】
本発明は、増幅器が有する振幅遅延特性の不完全性や固有偏差の影響を排除して、理想的な非線形歪み補償を実行することができる送信装置を提供することを目的とする。
【0035】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の送信装置は、ベースバンド信号を無線周波数帯に変調して得られる変調信号を増幅する際に生じる非線形歪みを補償する非線形歪み補償機能を備える送信装置において、
前記非線形歪み補償を行うとともに、増幅された変調信号が有する線形歪み特性の逆特性を付加することによって線形歪み補償も行うことを特徴とする。
【0036】
本発明の送信装置は、変調信号を増幅する際に生じる非線形歪みを補償するとともに、線形歪み補償も行う。このようにすれば、線形歪み補償によってアナログ回路が有する振幅遅延特性の不完全性や固有偏差の影響が排除されるため、高出力増幅器の非線形歪み補償のためのプリディストーションの精度を高め、理想的な非線形歪み補償を実現することができる。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態の送信装置について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態の送信装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施形態の送信装置は、図9の送信装置の構成に加え、線形歪み補償処理部12と、位相不確定除去回路16と、線形歪み補償係数演算部18とを備えている。
【0038】
本実施形態の送信装置では、従来と同様に、RF帯の高出力増幅器14で発生する非線形歪みを非線形歪み補償処理部11で補償している。また、本実施形態の送信装置では、上述の非線形歪み補償の効果を十分に発揮させるため、直交変調器13や高出力増幅器14が有する振幅遅延特性の不完全性や固有偏差を補償する。
【0039】
非線形歪み補償係数演算部18は、直交復調信号I’ch、Q’chに基づいて、主に、直交変調器13や高出力増幅器14などのアナログ回路の不完全性に起因し発生する線形歪み特性を推定し、線形歪みを補償するための線形歪み補償係数を計算して出力する。線形歪み補償処理部12は、その線形歪み補償係数をベースバンド信号Ich、Qchに加算することによってプリディストーション(線形歪み特性の逆特性を付加)を行う。
【0040】
以上の線形歪み補償動作を行うことによって、本実施形態の送信装置では、端子1、2から入力された送信シンボルは、非線形歪み補償処理部11や線形歪み補償処理部12においてそれぞれプリディストーション処理され、直交変調器13によってRF帯の信号に変調され、高出力増幅器14において増幅され、端子3より出力される。
【0041】
なお、本実施形態の送信装置では、線形歪み補償処理部18を、ベースバンド信号I’ch、Q’chを独立に、すなわち2次元のままフィードバック入力して動作させるため、位相不確定除去回路16において、直交復調した帰還信号の位相不確定を除去している。
【0042】
図2は、位相不確定除去回路16の構成の一例を示すブロック図である。図2に示すように、位相不確定除去回路14は、端子75〜80と、選択回路39と、遅延調整回路40と、比較回路41と、位相回転付加回路42〜45とから構成されている。端子75、76には、直交復調信号I’ch、Q’chが入力され、端子77、78には、送信シンボルが入力される。直交復調信号I’ch、Q’chと送信シンボルとのタイミングが一致するように 遅延調整回路40によって調整された後、データを比較回路41でそれらを比較することによって、両信号の位相差が0、π/2、π、3π/2のいずれであるかが判定される。選択回路39は、その判定結果に応じた位相回転付加回路42、43、44、45の出力(0、π/2、π、3π/2)のいずれかを選択して出力する。選択回路39の出力は、端子79、80から外部へ出力される。
【0043】
<線形歪み補償係数演算部18>
図3は、線形歪み補償係数演算部18の構成の一例を示すブロック図である。図3に示すように、線形歪み補償係数演算部18は、端子66〜68と、2つの判定回路34と、4つの線形歪み補償係数演算回路35とから構成される。
【0044】
端子66、67には、直交復調信号I’ch、Q’chがそれぞれ入力される。各判定回路34は、端子66、67から入力される信号から送信シンボルを判定し、各チャネルのデータ信号(送信信号の再生)IDと誤差信号IEとをそれぞれ再生し出力する。
【0045】
各チャネルのデータ信号と誤差信号は、Ich同相、Ich直交、Qch同相、Qch直交の4系統の線形歪み補償係数演算回路35に入力され、その演算結果である線形歪み補償係数(CII、CQI、CIQ、CQQ )は、端子68から出力される。
【0046】
図4は、線形歪み補償係数演算回路35の構成の一例を示すブロック図である。図4に示すように、線形歪み補償係数演算回路35は、端子72〜74と、3つの遅延素子36と、3つの相関器37と、3つの積分回路38から構成されており、これは、3タップのトランスバーサルフィルタのタップ係数演算回路である。この線形歪み補償係数演算回路35では、タップ係数(C+1、C0、C-1)の演算については、一般によく知られている線形等化器の動作と同じであるため、詳細な説明を省略する。
【0047】
<線形歪み補償処理部12>
図5は、線形歪み補償処理部12の構成の一例を示すブロック図である。図5に示すように、線形歪み補償処理部12は、端子61〜64と、4つのトランスバーサルフィルタ29と、2つの加算器30とから構成される。
【0048】
端子61、62には、ベースバンド信号Ich、Qchがそれぞれ入力される。4つのトランスバーサルフィルタ29は、それぞれIch同相、Ich直交、Qch同相、Qch直交の4系統のトランスバーサルフィルタである。各トランスバーサルフィルタ29は、線形歪補償係数演算部17より端子65を介して入力する線形歪み補償係数(CII、CQI、CIQ、CQQ)に基づいて線形歪み補償を行う。一方の加算器30は、Ichの同相、直交成分を加算して出力し、もう一方の加算器30は、Qchの同相、直交成分を加算して出力する。各加算器30の出力は、端子63、64より外部にそれぞれ出力される。
【0049】
図6は、トランスバーサルフィルタ29の構成の一例を示すブロック図である。図6に示すように、トランスバーサルフィルタ29は、遅延素子31、乗算器32、加算器33から構成される3タップの線形等化器である。
【0050】
トランスバーサルフィルタ29のタップ数に制限はなく、図6に示すクロック速度で動作するトランスバーサルフィルタでなく、クロックのてい倍の速度で動作するフラクショナル形のトランスバーサルフィルタを適用することもできる。トランスバーサルフィルタの各タップ係数は、線形歪み補償係数演算部17において演算され、供給される。なお、トランスバーサルフィルタ29の動作については、一般に知られている線形等化器の動作と同じであるため、詳細な説明を省略する。
【0051】
以上述べたように、本実施形態の送信装置は、変調信号を増幅する際に生じる非線形歪みを補償するとともに、線形歪み補償も行う。このようにすれば、線形歪み補償によってアナログ回路が有する振幅遅延特性の不完全性や固有偏差の影響が排除されるため、理想的な非線形歪み補償を実行することができる。
【0052】
なお、本実施形態の送信装置では、プリディストーションの精度を高めるために位相不確定除去回路において位相確定を実行しているが、位相確定を実行することなく、線形歪み補償および非線形歪み補償を実行することもできる。図7に、位相不確定除去回路を除いた場合の送信装置の構成を示す。
【0053】
また、本実施形態の送信装置では、非線形歪み補償処理部を線形歪み補償処理部よりも、前段に設け、非線形歪み補償を実行した後に、線形歪み補償を実行したが、先に線形歪み補償を実行するようにしてもよい。その場合の送信装置の構成を図8に示す。
【0054】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の送信装置では、アナログ回路の不完全さに起因する線形歪みを補償するためのプリディストーションを行うことによって、高出力増幅器の非線形歪み補償のためのプリディストーションの精度を高め、理想的な非線形歪み補償を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の送信装置の構成を示すブロック図である。
【図2】位相不確定除去回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図3】線形歪み補償係数演算部の構成の一例を示すブロック図である。
【図4】線形歪み補償係数演算回路の構成の一例を示すブロック図である。
【図5】線形歪み補償処理部の構成の一例を示すブロック図である。
【図6】トランスバーサルフィルタの構成の一例を示すブロック図である。
【図7】位相不確定除去回路を除いた場合の送信装置の構成を示す図である。
【図8】送信装置の構成の変形例を示すブロック図である。
【図9】従来の非線形歪みを補償するためのシステムの構成を示すブロック図である。
【図10】増幅器の動作点の対出力特性を示すグラフである。
【図11】本実施形態の復調装置が対象とする多値直交変調信号における信号点配置図である。
【図12】16値直交変調信号の非線形歪みの影響を受けた場合の第1象限上における信号点配置を示す図である。
【図13】出力レベルに対する動作点レベルの特性を示す図である。
【図14】直交復調器の入力振幅に対する振幅補償率特性を示す図である。
【図15】非線形歪み補償係数演算部の構成を示すブロック図である。
【図16】信号点配置より歪みの影響を検出するための補償極性検出領域の一例を示す図である。
【図17】非線形歪み補償処理部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1〜3 端子
11 非線形歪み補償処理部
12 線形歪み補償処理部
13 直交変調器
14 高出力増幅器
15 直交復調器
16 位相不確定除去回路
17 非線形歪み補償係数演算部
18 線形歪み補償係数演算部
21 乗算器
23 2乗和根計算回路
24 振幅補償率演算表処理回路
25 平均動作点推定回路
26 補償極性検出回路
27 判定回路
29 トランスバーサルフィルタ
30 加算器
31 遅延素子
32 乗算器
33 加算器
34 判定回路
35 線形歪み補償係数演算回路
36 遅延素子
37 相関器
38 積分回路
39 選択回路
40 遅延調整回路
41 比較回路
42〜45 位相回転付加回路
51〜80 端子
Claims (6)
- ベースバンド信号を無線周波数帯に変調して得られる変調信号を増幅する際に生じる非線形歪みを補償する非線形歪み補償機能を備える送信装置において、
前記変調信号を復調することによって得られる直交復調信号を出力する直交復調器と、
前記直交復調信号に含まれる線形歪みを補償するための線形歪み補償係数を演算して出力する線形歪み補償係数演算部と、
前記線形歪み補償係数を前記ベースバンド信号に乗算して出力する線形歪み補償処理部とを備え、
前記線形歪み補償係数演算部は、
前記直交復調信号から送信シンボルを判定し、各チャネルのデータ信号と誤差信号とを再生し出力する判定回路と、
前記各チャネルのデータ信号と誤差信号を入力し、各チャネル毎の同相、直交の線形歪み補償係数をそれぞれ演算して出力するトランスバーサルフィルタとを有し、
前記非線形歪み補償を行うとともに、増幅された変調信号が有する線形歪み特性の逆特性を付加することによって線形歪み補償も行うことを特徴とする送信装置。 - 前記トランスバーサルフィルタは、クロックのてい倍の速度で動作するフラクショナル形のトランスバーサルフィルタである請求項1記載の送信装置。
- 前記直交復調信号の位相不確定性を除去する位相不確定除去回路をさらに備える請求項1または請求項2に記載の送信装置。
- 前記位相不確定除去回路は、
前記送信シンボルと前記直交復調信号とのタイミングを調整する調整回路と、
前記送信シンボルと前記直交復調信号とを比較し、それらの位相差を判定する比較回路と、
該比較回路の判定結果に応じて調整された前記直交復調信号を出力する選択回路とを備える請求項3記載の送信装置。 - 非線形歪み補償を実行する前に線形歪み補償が実行される請求項1から4のいずれか1項記載の送信装置。
- 線形歪み補償機能を実行する前に非線形歪み補償機能が実行される請求項1から4のいずれか1項記載の送信装置。
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