JP3960240B2

JP3960240B2 - フィードフォワード回路

Info

Publication number: JP3960240B2
Application number: JP2003063113A
Authority: JP
Inventors: 悟井川; 一幸戸谷; 博史山崎; 文秀佐藤; 恵治森下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-03-10
Also published as: JP2004274439A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歪補償機能を備えたフィードフォワード回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信システムでは、音声データだけでなく静止画や動画などの大容量データの送受信が求められている。このような通信システムで用いられる増幅器は、多数のキャリアを同時に増幅するマルチキャリア増幅器が用いられる。マルチキャリア増幅器には、隣接チャネル漏洩電力を押さえる必要があり、低歪な性能が要求される。この低歪な性能を実現する増幅器において、従来から利用されているフィードフォワード歪補償制御では、歪抽出回路と歪除去回路から得られた信号に基づく制御電圧によりベクトル調整器内の減衰器や位相器の振幅と位相を制御することで、出力信号の歪補償を行ってきた。
【０００３】
例えば特開平８−５６１２４号公報図１には従来のフィードフォワード回路のブロック図が記載されている。１は方向性結合器、２はベクトル調整器、３は主増幅器、４は方向性結合器、５，６は遅延線、７はベクトル調整器、８は補助増幅器、９は方向性結合器、１０は増幅器、１１はパイロット信号発生器、１２は検波器、１３は受信器、１４は制御回路、１５，１６はＡ／Ｄ変換器、１７，１８はＤ／Ａ変換器、である。
【０００４】
次に動作について説明する。上記フィードフォワード回路では主増幅器３で増幅した時に生じる出力信号の歪成分を除去するため、入力信号をベクトル調整器２を介して主増幅器３で増幅した歪成分を含む信号と入力信号を遅延線５に通した逆位相の信号とを合成することで歪成分を検出する歪検出ループを有する。また歪検出ループから得られた歪成分のみの信号をベクトル調整器７と補助増幅器８で得た信号を主増幅器３で増幅し遅延線６を通して逆位相で合成し歪を除去する歪除去ループを有する。そして検波器１２で得られた検波出力や受信機１３でパイロット信号を制御回路１４に入力し、ベクトル調整器２を自動調整し歪を補償する。また、特開平８−５６１２４号公報図２には歪補償の最適点を決定するための時間短縮方法として検出値の検出順序が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−５６１２４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平８−５６１２４号公報に記載のフィードフォワード制御で行われている具体的制御を図６に示すフローチャートで説明する。図において歪抽出回路（歪検出ループ）と歪除去回路（歪除去ループ）で得られた検波電圧の情報でベクトル調整器内の位相器調整、減衰器の調整を行う。まず、掃引中心とステップを設定し、制御電圧を設定し、検波電圧を取得する。検波電圧の最適点に対して別の掃引中心とステップを決め収束判定する（検波電圧の最小点を知る）。
【０００７】
しかし、この回路では検波電圧を最小にする制御電圧を設定するが制御電圧が収束状態になった後も常にフィードフォワード自動制御を行っている。すなわち制御電圧は検波電圧の最小となる最適点で同一制御電圧で維持しているにも係わらず駆動を継続している。これは入力電力量や、マルチキャリアによる周波数の変動、また温度などの環境条件の変化による最適点の変化に追従するためであるが、常に制御電圧を変化させて検波電圧の最小点を探索する動作のため、制御電圧が最適値にあってもさらに最適点を探索する。特に最適点が複数個あった場合には、その間で制御電圧は往復動作を行う場合もある。これは例えば多数のキャリアがあった場合には本来各周波数に対して最適な検波電圧は異なるものであり、入力電力量や無入力期間の相違、また搭載機器の周囲温度環境によっても生じる。
【０００８】
図７は通常の多重通信による各チャンネル間のスプリアス強度に基づく歪の抑圧量を示したものである。図では抑圧量の下限値は複数にまたがっている。また下限値は同程度の抑圧量となっている。これはフィードフォワード回路の主増幅器や補助増幅器の増幅量の非直線性の影響による要因もあるが、遅延線（遅延器）やベクトル調整器などの中心周波数の設計に係わる要因が大きい。すなわち遅延器やベクトル調整器はマイクロストリップラインの半波長もしくは１／４波長設計ラインなどがあり設計周波数は一義的であり、性能としては狭帯域によるためである。
【０００９】
上記で述べた現象はベクトル調整器で調整する検波電圧と制御電圧との関係にも当てはまる。図８はベクトル調整器に入力すべき制御電圧と検波電圧との関係を示すものである。図８ではフィードフォワード回路で得られた検波電圧は検波電圧の最小点と判断できる点は複数個あることがわかる。従って任意の一点を最適点と判断して最適制御電圧とするとこの制御電圧は各々のベクトル調整器の最適制御電圧とは限らない。このような場合には例えばフィードフォワード回路に搭載している主増幅器の出力の周波数特性を観測した場合、図９に示すように正規の多重波形と歪によるそれらのスプリアス波形とが交互に観測される場合がある。これを歪のゆらぎと呼び、このような波形があるとフィードフォワード回路の性能を維持できなくなる。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点を解消することを目的とする。
【００１１】
この発明に係るフィードフォワード回路は、入力信号の位相と振幅を調整する第１ベクトル調整器と、前記第１ベクトル調整器の出力を増幅する主増幅器と、前記主増幅器の出力と前記入力信号とを逆位相で合成することで入力信号の歪成分を抽出する歪抽出回路と、前記歪抽出回路の出力の位相と振幅を調整する第２ベクトル調整器と、前記第２ベクトル調整器の出力を増幅する補助増幅器と、前記補助増幅器の出力と前記主増幅器の出力とを逆位相で合成することで前記主増幅器の出力に含まれる歪成分を除去する歪除去回路と、前記歪抽出回路で抽出した歪成分の検波レべルに基づいて前記第１ベクトル調整器を調整するための制御電圧を供給する歪抽出ループ制御手段と、前記歪除去回路の出力信号を用いて前記出力信号の検波レベルに基づいて前記第２ベクトル調整器を調整するための制御電圧を供給する歪除去ループ制御手段を有し、各制御手段は、各検波レベルが最小となる方向へ収束するよう各制御電圧を変化させ、任意のベクトル調整器の位相器と減衰器の制御電圧が収束した場合、他のベクトル調整器の位相器と減衰器の収束状態を判別し、すべてのベクトル調整器の位相器と減衰器が収束状態の時、各々の前記ベクトル調整器の位相器と減衰器の前記制御電圧の変化を停止し維持することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明におけるフィードフォーワード制御の実施形態を図１に示す。
図１において１０１は基地局送信機の高周波入力信号の入力端子、１０２は入力端子１０１からの高周波入力信号の電力を調整する入力レベル調整器、１０３は第１分配器、１０４は高周波入力信号の位相と電力を調整する第１ベクトル調整器、１０５は遅延器、１０７は高周波入力信号に重畳されるかもしくは帯域外に設定されたパイロット信号の入力端子、１０８は結合器、１０９は第１の結合器、１１０は高周波入力信号を増幅する主増幅器、１１１は第３分配器、１１２は高周波入力信号の歪成分の位相と電力を調整する第２ベクトル調整器、１１３は第２分配器、１１４は遅延器、１１５は歪成分を増幅する補助増幅器、１１７は第２の結合器、１１８は第４分配器、１１９はパイロット信号抽出端子、１２０は歪成分が除去された高周波信号を出力する出力端子、１３０は第５分配器、１４０は高周波入力信号を実効値に変換する入力信号検波器である。
【００１６】
１６０はＣＰＵ、演算処理回路、揮発性メモリ（ＲＡＭ）および不揮発性メモリ（ＲＯＭ）を含む歪抽出ループ制御手段であり、検波器、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器とそれらの入出力端子も含まれる。１７０はＣＰＵ、演算処理回路、揮発性メモリ（ＲＡＭ）および不揮発性メモリ（ＲＯＭ）を含む歪除去ループ制御手段であり、受信・検波器、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器とそれらの入出力端子も含まれる。
【００１７】
次に動作について説明する。図１において入力端子１０１から入力された信号は、入力レベル調整器１０２を介して第１分配器１０３で分配され第１ベクトル調整器１０４で位相と振幅を調整した後、主増幅器１１０にて信号が増幅される。分配器１０３で分配されたもう一方の信号は、遅延器１０５でタイミング遅延させた後、主増幅器１１０で増幅された信号と逆位相で第１の結合器１０９で結合される。これにより抽出された増幅器出力信号の歪成分を分配器１１１で分配し、一方は歪抽出ループ制御手段１６０で検波レベルとして利用し他方は第２ベクトル調整器１１２に入力する。
【００１８】
そして第２ベクトル調整器１１２で位相と振幅を調整した後、補助増幅器１１５で増幅し、この信号と、主増幅器１１０にて増幅した信号を遅延器１１４でタイミング遅延させた信号とを第２の結合器１１７で結合し入力信号から歪成分を除去する。歪除去ループ制御手段１７０では、パイロット信号抽出端子１１９の信号を歪除去ループ制御手段１７０に設けられた受信機と検波器で検波レベルが最小になるように第２ベクトル調整器１１２を調整する。検波器としては高周波用パワーレベル検出ＩＣなどが適当である。また、ダイオードとＲＣ積分回路を組込んだバッファ回路を介してアナログ検波信号として取り出しても良い。その後、最終的に増幅された低歪信号を出力端子１２０より得る。
【００１９】
なお上記フィードフォワード制御においては第１ベクトル調整器１０４および第２ベクトル調整器１１２を自動で制御を行う場合、図２に示すようにパイロット信号抽出端子１１９からの出力電圧を歪除去ループ制御手段１７０で検波後ＡＤ変換し、ディジタル信号に変換しＣＰＵに入力する。ＣＰＵでの演算結果をＤＡ変換しアナログ信号に変換し制御電圧として第２ベクトル調整器１１２に出力する。
【００２０】
また入力信号のうち第１分配器１０３で分岐された一部の入力信号をさらに第５分配器１３０で分岐し入力信号検波器１４０を介して歪抽出ループ制御手段１６０と歪除去ループ制御手段１７０の両方に入力信号の検波電圧を入力し、歪抽出ループ制御手段１６０と歪除去ループ制御手段１７０のそれぞれでＡＤ変換し、パイロット信号入力端子１１９からの検波電圧を処理したのと同等の手段で第１ベクトル調整器１０４および第２ベクトル調整器１１２への制御電圧をそれぞれ決定する。なお検波電圧の情報はＲＡＭを介して検波電圧モニタ手段に送られ、検波電圧やその変化量、また制御電圧やその変化量を計算し、検波電圧の変動に対する履歴情報としてＣＰＵの演算処理に活用される。
【００２１】
次に制御電圧が収束した時点で制御電圧を収束後の制御電圧を固定し、維持する。収束が解除された場合にはフィードフォワード自動制御を再開する。
【００２２】
図３に本実施の形態に係るフィードフォワード自動制御のフローチャートを示す。図において入力信号に応じて歪抽出回路と歪除去回路における自動制御にて第１ベクトル調整器１０４および第２ベクトル調整器１１２の位相量調整、減衰量調整を行う。第１ベクトル調整器１０４の位相量調整に関しては初期の制御電圧を設定しそれを複数の制御電圧に対して決められたステップ数で掃引（変化）させてその時の各々の検波電圧を取得する。そしてこの動作を繰り返す。
【００２３】
検波電圧はその電圧が最小となる制御電圧を求めるのでさらに最小となった検波電圧の制御電圧を掃引中心として制御電圧を変化させて継続して検波電圧の取得を行う動作を繰り返す。掃引中心が端点でない場合はさらに掃引ステップを小さくしていく。掃引ステップが規定値以下のとき収束した、すなわち最小検波電圧と判定する。次に制御電圧が収束した時点で検波電圧の変化量（ｐＭ−ｎＭ）の測定に入る。これは歪抽出ループ制御手段１６０や歪除去ループ制御手段１７０に入力される検波電圧を毎時モニタし、ＣＰＵで過去の検波電圧の精測値（ｐＭ）と比較し、比較値が規定値以下の時はその時の制御電圧を継続させ、次回のフィードフォワード自動制御の再開まで維持する。
【００２４】
なお、検波電圧の初期値設定は大きな値とし、複数回フィードフォワード自動制御を行ってから検波電圧の変化量（ｐＭ−ｎＭ）の判定に入る。図３で掃引中心とステップの設定の前段階に収束判定を行っているのは、フィードフォワード回路の電源投入直後のフィードフォワード自動制御の初回制御ループの不安定動作時は収束されないことを前提にしている。また、フィードフォワード自動制御の再開時の動作開始時の状況下でも適用される。以上から収束後の検波電圧の変化量が規定値以下の場合には次回から収束が継続される限り掃引ステップや制御電圧の設定は行われず、制御電圧は固定状態で継続される。
【００２５】
通常、フィードフォワード自動制御では、１回の歪抽出ループと歪除去ループの処理時間の合計は約２００ｍＳ程度の高速処理である。そして、フィードフォワード自動制御での収束状態が始まると以後も収束状態は継続することが予期される。検波電圧の最適点の変化は周波数の変更や、高周波における無期間入力の変更や、環境条件例えば温度環境などの外部要因によって生じる場合が多い。従って一端収束した状態で維持続けた制御電圧の次回の再開は数秒程度とすることで再開までの間は高速処理を必要としないので安定した制御電圧の供給が可能となる。本実施例では３〜５秒程度の制御電圧の固定時間をＣＰＵのプログラムソフトに組み込むことで結果、出力の歪のゆらぎは大きく改善される。特に類似の検波電圧の最適点が複数個存在する場合には検波電圧の探索動作を行わないので大きな効果を奏する。
【００２６】
なお、本実施例では制御電圧は第１ベクトル調整器１０４の位相器および減衰器の制御値、第２ベクトル調整器１１２の位相器および減衰器の制御値の合計４値が存在する。第１ベクトル調整器１０４の位相器、減衰器の制御電圧をそれぞれＸ１Ｐ、Ｘ１Ａとし第２ベクトル調整器１１２の位相器、減衰器の制御電圧をそれぞれＸ２Ｐ、Ｘ２ＡとするとＸ１Ｐ、Ｘ１Ａ、Ｘ２ＰおよびＸ２Ａの制御電圧が独立して存在する。また、Ｘ１ＰおよびＸ１Ａを決定する検波情報は歪抽出回路の歪成分の検波電圧であり、入力の検波電圧である。またＸ２ＰおよびＸ２Ａを決定する検波情報はパイロット信号の検波電圧と入力の検波電圧である。
【００２７】
これらの検波電圧は図２に示すように歪抽出ループ制御手段１６０及び歪除去ループ制御手段１７０のＣＰＵの演算処理部分のＲＡＭにそれらの情報が収納され、フィードフォワード自動制御中の検波電圧のＲｅａｌ情報として検波電圧モニタ手段に送られる。また、任意のベクトル調整器が制御電圧の収束状態であっても継続される。検波電圧モニタ手段ではこれらの検波電圧値の変化量を毎時、履歴として検波電圧の変動を監視し、フィードフォワード自動制御の再開を指示する。これはプログラムソフトで決めた制御電圧の固定時間（３〜５秒に設定）以内に大きな検波電圧の変動が有った場合にはフィードフォワード自動制御は再開されるが、加えて強制的に再開させるためである。この場合はＣＰＵはフィードフォワード自動制御の初期状態の設定を指示する。
【００２８】
また、本実施例では一端収束した状態で維持続けた制御電圧の次回の再開は数秒後としたが、帯域周波数の制限された入力信号や連続波だけの通信方式などの限られた用途では維持続けた制御電圧の再開を設定する必要性は少ない。すなわち各々のベクトル調整器が収束状態であると言うことは安定した状態でもあるため、この動作をプログラムタイマやハード的に設けたタイマ回路などでリセットさせ強制的にフィードフォワードの自動制御を再開させる必要性は無い。その場合でも検波電圧モニタ手段は常時、検波電圧の変動量を監視しているので大きな検波電圧の変動があればフィードフォワード自動制御を強制的に再開させることができる。この場合の検波電圧モニタ手段は、検波電圧の変動量と制御電圧の収束状態に不整合があった場合などを想定して強制的に再開する役目となり、フィードフォワード自動制御の系全体としての安定動作を確保するための効果がある。
【００２９】
実施の形態２．
実施例１ではＸ１Ｐ、Ｘ１Ａ、Ｘ２Ｐ、Ｘ２Ａの任意の１個のベクトル調整器(調整器)の位相器と減衰器に対して説明したが本実施の形態２では上記４個の調整器の関係とそれらの制御について説明する。個々の調整器の検波情報は図２に示すようにＣＰＵの演算処理回路のＲＡＭに格納され、各々の調整器の検波情報履歴は一連のフィードフォワード回路の高速処理動作中に蓄積されていく。この場合、高速処理により、検波電圧の探索が行われるが検波電圧の最適値が複数個ある場合には制御電圧はその間の異なる電圧を往復するように動作する。このような場合はどちらも最適値であるから無駄な動作になる場合が多い。また、このような場合には前述のように歪のゆらぎが発生する場合がある。
【００３０】
そこで安定したフィードフォワード自動制御がほぼ確立された時点で本実施例では４個の調整器のうち１個の調整器が収束状態の時、他のすべての調整器の収束状態を判別し他のすべての調整器が収束状態の場合には、収束後の制御電圧と同一の固定電圧を継続して送り続ける。
【００３１】
図４は他のベクトル調整器と当該ベクトル調整器との関係を示したもので例えば、当該ベクトル調整器の制御電圧が収束状態になった時に他のベクトル調整器の制御電圧の収束状態を判別し、他のすべてのベクトル調整器の位相器および減衰器の制御電圧が収束状態になっている場合、安定状態と見なして当該ベクトル調整器の制御電圧を固定する。安定状態に入ると順次、各々のベクトル調整器の位相器と減衰器にはそれぞれの収束後の固定された制御電圧を継続させる。
【００３２】
なお、本実施例ではすべての調整器が収束した時点ですべての調整器の収束後の制御電圧を固定したが、帯域周波数の制限された入力信号や連続波だけの通信方式などの限られた用途では不安定なベクトル調整器に限り、制御電圧の収束条件を適用しても良い。すなわち、前もって安定したベクトル調整器に対しては収束判定から除外しておき、不安定なベクトル調整器同士が収束した時点で安定しているベクトル調整器の制御電圧を強制的に固定しても良い。または、そのままフィードフォワード自動制御を継続させても良い。
【００３３】
以上から各々のベクトル調整器の位相器と減衰器の収束状態の情報管理を行うことにより出力の歪のゆらぎは改善される。特に類似の検波電圧の最適点が複数個存在する場合には検波電圧の探索動作を行わないので大きな効果を奏する。
【００３４】
実施の形態３．
実施例１及び実施例２が検波電圧の変化量や他のベクトル調整器の制御電圧の収束状態を基準に制御電圧の固定を図ったのに対して、図５は各々のベクトル調整器に対してプログラムによる停止タイマを設け、制御電圧が収束した時点から収束カウンタで収束回数をカウントさせる。カウント数が規定値以上の調整器に対して停止タイマを作動させ、固定電圧をベクトル調整器に供給するものである。通常、タイマの設定は数秒であり、その後強制的にリセットされて、初期状態からの計数が始まる。制御電圧が収束されていない状態では収束カウンタは常に零を維持する。
【００３５】
具体的に説明すると図５において、当初タイマは未起動状態から始まり、掃引中心とステップの設定を行い、制御電圧を設定していく一連のフィードフォワード自動制御を行うが制御電圧が収束した時点でＣＰＵのプログラムソフトの収束カウンタを順次加算して行く。そして収束カウンタが規定値、すなわち本実施例では３０回になった時に停止タイマを起動させる。停止タイマが起動すると制御電圧は最新の収束後の制御電圧を発生させ、その電圧を維持する。以後、停止タイマ起動中は制御電圧は停止タイマにあらかじめ設定された時間（タイムアウト時間）が経過するまで保持続ける。本実施例ではこの時間は約３〜５秒程度に設定しておく。すなわち停止タイマにＣＰＵからタイマ割り込み信号を送出し、タイマを停止させる。また、同時に収束カウンタをクリア（零クリア）する。
【００３６】
なお本実施例では停止タイマはプログラムによるものとしたがハード的構成でも良く、この場合にはタイマの設定時間を固定設定しておくことができるのでプログラム処理の一連の処理とは関係なく独立したタイマの設定が可能なのでプログラム処理ソフトの変更を伴わない利点がある。
【００３７】
実施の形態４．
実施の形態２および実施の形態３では制御電圧の収束後の検波電圧を取得し、検波電圧の変化量の規定以下に対する収束後の制御電圧の固定を実施しなかったがさらに高精度のフィードフォワード自動制御を実施する場合には、制御電圧の収束後に実施例１同様、検波電圧の変化量を測定し、制御電圧の収束後の制御電圧を固定しても良い。
【００３８】
実施の形態５．
実施の形態１から４において歪抽出ループ制御手段１６０および歪除去ループ制御手段１７０はそれぞれ独立させたが両方を一体化させた制御手段であっても良い。
【００３９】
【効果の説明】
本発明においては、フィードフォワード自動制御における検波電圧の最小点が複数個ある場合、最小点付近での制御電圧を最適制御電圧として固定化することにより、制御電圧の探索動作を停止させたので歪のゆらぎなどの問題を解消し、出力の歪を安定且つ最小にする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係わるフィードフォワード増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１に係わる歪抽出ループ制御手段や歪除去ループ制御手段の説明図である。
【図３】本発明の実施形態１に係わるフィードフォワード自動制御のフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態２に係わるフィードフォワード増幅器のフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態３に係わるフィードフォワード自動制御のフローチャートである。
【図６】従来のフィードフォワード自動制御のフローを説明するフローチャートである。
【図７】高周波における抑圧量を説明する図である。
【図８】検波電圧と制御電圧との最適点の関係を説明する図である。
【図９】正常時と異常時の高周波の出力波形を示す図である。
【符号の説明】
１０１入力端子、１０２入力調整器、１０３第１分配器、１０４第１ベクトル調整器、１０５遅延器、１０７パイロット信号入力端子、１０８結合器、１０９第1の結合器、１１０主増幅器、１１１第３分配器、１１２第２ベクトル調整器、１１３第２分配器、１１４遅延器、１１５補助増幅器、１１７第２の結合器、１１８第４分配器、１１９パイロット信号抽出端子、１２０出力端子、１３０第５分配器、１４０入力信号検波器、１６０歪抽出ループ制御手段、１７０歪除去ループ制御手段。

Claims

入力信号の位相と振幅を調整する第１ベクトル調整器と、前記第１ベクトル調整器の出力を増幅する主増幅器と、前記主増幅器の出力と前記入力信号とを逆位相で合成することで入力信号の歪成分を抽出する歪抽出回路と、前記歪抽出回路の出力の位相と振幅を調整する第２ベクトル調整器と、前記第２ベクトル調整器の出力を増幅する補助増幅器と、前記補助増幅器の出力と前記主増幅器の出力とを逆位相で合成することで前記主増幅器の出力に含まれる歪成分を除去する歪除去回路と、前記歪抽出回路で抽出した歪成分の検波レべルに基づいて前記第１ベクトル調整器を調整するための制御電圧を供給する歪抽出ループ制御手段と、前記歪除去回路の出力信号を用いて前記出力信号の検波レベルに基づいて前記第２ベクトル調整器を調整するための制御電圧を供給する歪除去ループ制御手段を有し、各制御手段は、各検波レベルが最小となる方向へ収束するよう各制御電圧を変化させ、任意のベクトル調整器の位相器と減衰器の制御電圧が収束した場合、他のベクトル調整器の位相器と減衰器の収束状態を判別し、すべてのベクトル調整器の位相器と減衰器が収束状態の時、各々の前記ベクトル調整器の位相器と減衰器の前記制御電圧の変化を停止し維持することを特徴とするフィードフォワード回路。