JP3998630B2 - 電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、主信号を増幅するメイン増幅部と、主信号の歪み補償および信号劣化補償を行うエラー増幅器とを備えた電力増幅器に関する。

近年の移動体通信システムでは、周波数を有効利用して、伝送レートの向上を図るために、16QAMに代表される多値変調方式が利用されている。この多値変調方式により変調された信号は、振幅と位相に情報を含んでいるため、多値変調方式を採用する無線通信装置では線形特性の優れた電力増幅器が必要になる。

線形電力増幅器の構成としては、バックオフ動作させる方式と線形補償回路を付加する方式があり、動作効率の観点から、後者の線形補償回路を付加する方式が一般に用いられている。その代表的な回路として、プレディストーション型電力増幅器とフィードフォワード型電力増幅器が広く知られている。（特許文献１、２参照）これらを使用することで、隣接周波数帯域あるいは次隣接周波数帯域へ漏洩する電力レベルを規定値以下に抑圧することが可能である。

プレディストーション型電力増幅器は、例えば歪み補償回路と電力増幅器とを備えている。歪み補償回路では、増幅器が持つAM-AM特性やAM-PM特性よりあらかじめ予想される逆歪みを計算して出力し、入力信号と合成して電力増幅を行う。こうすることで、歪みがキャンセルされる。この方法では、逆歪みを計算する回路にデジタルICを利用できるので、回路構成を簡素化および小型化できるという特徴がある。ただし、歪みの改善量は、フィードフォワード方式に比べて若干劣る上、増幅器の非線形性による信号劣化を補償できないという問題がある。

フィードフォワード型増幅器は、例えばメイン増幅部と、エラー増幅器と、フィードフォワード回路とを備える。フィードフォワード回路では、メイン増幅部から出力される無線信号に含まれる歪み成分を検出し、この歪み成分をもとにメイン増幅部から出力される無線信号と同振幅でかつ逆位相の歪み成分のみのキャンセル信号を生成する。そして、この生成されたキャンセル信号をエラー増幅器で増幅したのち、メイン増幅部から出力される無線信号に足し合わせて、当該無線信号に含まれる歪み成分をキャンセルする。この方法では、増幅素子が出した歪みから歪みキャンセル信号を作り出し、逆位相で足し合わせるため、増幅素子の後段に大きな遅延回路が必要となる。
特開2001-196866公報 特開2002-33628公報

プレディストーション型電力増幅器では、予め逆歪みを計算した信号を増幅器の入力信号と合成して増幅するため、メイン増幅部のAM-AM特性によるピーク電力の劣化分の補正を行うことができない。このため、256QAMのようにIQ平面に多値の値をとるような変調信号では復調できない、もしくは復調が困難なぐらい歪んでしまう状況が発生してしまう。

また、フィードフォワード型電力増幅器では遅延回路が大きくなるため、携帯端末に使用可能なサイズでは実現できないという問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は、低歪みかつ高効率で、小型軽量の電力増幅器を提供することにある。

本発明の一態様によれば、主信号を増幅するメイン増幅部と、前記メイン増幅部の非線形領域の存在により生じる前記主信号の歪み補償および前記メイン増幅部のピーク電力のクリッピングによる信号劣化補償のために用いるエラー信号を増幅するエラー増幅部と、前記メイン増幅部の出力信号と前記エラー増幅部の出力信号とを合成する第１信号合成手段と、を備え、前記エラー増幅部は、前記メイン増幅部で発生される歪み成分を算出して、前記メイン増幅器の出力信号の位相に対して逆位相に調整された信号を生成する第１逆歪み算出手段と、前記メイン増幅部で劣化する主信号の劣化量を算出して、前記メイン増幅器の出力信号の位相に対して同位相に調整された信号を出力する信号劣化量算出手段と、を有し、前記第１信号合成手段は、前記メイン増幅部の出力信号と、前記第１逆歪み算出手段の出力と前記信号劣化量算出手段の出力とが加味された前記エラー増幅部の出力信号とを合成することを特徴とする電力増幅器が適用される。

本発明によれば、メイン増幅部で発生された歪みとメイン増幅部で劣化した信号成分を補償するため、低歪みかつ高効率で、小型軽量の電力増幅器を実現できる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る電力増幅器の一実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明に係る電力増幅器の第１の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図１の電力増幅器は、Ｉ信号とＱ信号を合成して主信号を生成する合成器２０と、合成器２０の出力を２方向に分岐させる分配手段として例えば方向性結合器１と、方向性結合器１を通過した主信号を増幅するメイン増幅部２と、主信号の歪み補償および信号劣化補償を行うエラー増幅部３と、メイン増幅部２の出力信号とエラー増幅部３の出力信号とを合成する方向性結合器４とを備えている。合成器２０の前段には、Ｉ信号とＱ信号それぞれにローカル信号Ｌｏ１をミキシングするミキサ２１，２２が設けられている。

メイン増幅部２は、方向性結合器１を通過した主信号を高周波信号（RF信号）に変換する周波数変換器５と、このRF信号を増幅するメイン増幅器６とを有する。周波数変換器５にはローカル信号Ｌｏ２が入力されている。

エラー増幅部３は、メイン増幅部２で発生される歪み成分を計算して逆位相に調整された信号を生成する逆歪み発生回路７および位相調整回路８と、メイン増幅部２にて劣化する主信号の劣化量を計算して同位相に調整された信号を出力する信号劣化補償回路９および位相調整回路１０と、位相調整回路８，１０の出力信号を合成する合成器１１と、合成器１１で合成された信号を高周波信号（RF信号）に変換する周波数変換器１２と、このRF信号を増幅する複数段の電力増幅器１３とを有する。周波数変換器５にはローカル信号Ｌｏ２が入力されている。

まず、図１の電力増幅器の動作原理を説明する。バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタの入出力特性は非線形性を有する。トランジスタの静特性上の動作点は限界値Idssを有するため、主信号のピークファクタが動作点の限界値以上あるような大信号が入力されると、限界値以上の電圧でクリッピング現象が起こり、出力電力は入力電力を超えたところで飽和してしまう。また、クリッピング現象が起こるような大信号入力時は位相回転も起こってしまう。

このように、図１の電力増幅器は、非線形の入出力特性を有する。入力電力に対する利得をプロットした図をAM-AM特性図と呼び、位相回転量をプロットした図をAM-PM特性図と呼ぶ。これらの特性図からある程度の歪み量を計算することができる。

一般に、電力増幅器１３は、飽和電力付近で最も効率が高くなる。このため、限られた電力での動作を要求されるが、特に、移動体通信端末などでは、電池を用いた長時間動作のため高効率動作が必要である。ところが、飽和電力付近は非線形領域のため出力信号が歪んでしまうという欠点がある。

例えば、図２はQAMにおけるIQ平面上のデータポイントを示す図である。例えば16QAMにおいて、IQ平面上の点２１（ベクトル２２で表される）という情報を送信するとする。このとき、メイン増幅部２の非線形性のため出力信号は歪んでしまい、ベクトル２３で表される点２４という情報に置き換わってしまう。このため、この情報は点２１の情報か、点２５の情報かを区別することが困難となる。そこで、本実施形態では、メイン増幅器６のAM-AM特性およびAM-PM特性からベクトル２６を算出し、メイン増幅部２の出力信号に付加することで元の情報に戻すという処理を行う。 図３は図１のメイン増幅器６のAM-AM特性とAM-PM特性の一例を表した図である。AM-AM特性からは、振幅歪みの特性、AM-PM特性からは位相歪みの特性が推定できるので、逆歪み発生回路７は図３の特性に基づいて歪み量を計算し、位相調整回路８は主信号から位相を180°ずらした歪み量を表す信号を出力する。同様に、信号劣化補償回路９は図３の特性に基づいて信号劣化量を計算し、位相調整回路１０は主信号と同相の信号劣化量を表す信号を出力する。

周波数変換器１２は、合成器１１で合成された歪み量を表す信号と信号劣化量を表す信号を、主信号と同じ周波数までアップコンバージョンしたRF信号を生成する。電力増幅器１３は、このRF信号を適当な電力レベルまで増幅し、方向性結合器４にて主信号と合成する。

図１には、発明の理解を助けるため、各部の信号のスペクトラム図も示している。方向性結合器１の出力信号のスペクトラムａには歪み成分は含まれていないが、メイン増幅器６を通過することにより、歪み成分を含んだスペクトラムｂになる。逆歪み発生回路７および位相調整回路８では、逆歪み成分を抽出するため、位相調整回路８の出力信号のスペクトラムはｃになる。信号劣化補償回路９および位相調整回路１０では、信号劣化分を抽出するため、位相調整回路１０の出力信号のスペクトラムはｄになる。これら位相調整回路８，１０の出力信号を合成して、エラー増幅部３で増幅した信号のスペクトラムはｅになる。方向性結合器４を通過した最終的な信号のスペクトラムはｆになり、信号劣化分と信号歪みが補償される。

このように、第１の実施形態では、逆歪み発生回路７と位相調整回路８でメイン増幅器６の歪み量を検出し、信号劣化補償回路９と位相調整回路１０でメイン増幅部２の信号劣化量を検出し、これらの検出結果とメイン増幅部２の出力信号とを合成するため、メイン増幅部２により生じた主信号の信号歪みと信号劣化を補償でき、高効率の線形動作が可能となる。

本発明のもっとも大きな特徴は、信号劣化補償用信号を、メイン増幅部２の出力信号の後で直接合成することにある。このように後から信号劣化補償用信号を合成する形態をとることにより、従来のプレディストーション方式ではなし得なかったメイン増幅部２による信号劣化を補償できるようになる。またフィードフォワード方式のように出力信号から歪みや信号劣化を計算しないので、メイン増幅部２の後段に配置される遅延線路が必要なくなり、従来問題となっていた遅延線路による出力信号の電力損失を防ぐことが可能となる。

なお、図１の例では、逆歪み発生回路７と信号劣化補償回路９に入力される信号は、方向性結合器１から分岐された信号が入力される例を示したが、図４のpass 1として示すように、合成器２０の前段のベースバンド回路から出力されるIおよびQチャンネルをそのまま入力してもよい。このとき、入力されたIおよびQチャンネルの信号から前述のAM−AM特性およびAM-PM特性を用いて補償用信号を計算する。同様に、RF信号のパス（pass 3で示す）からの信号を使用することもできる。IF信号を使用しないダイレクトコンバージョン方式では周波数変換器５およびpass 3は必要ない。前述の実施形態では、IF（中間周波数）のパス（pass 2で示す）からの信号入力における例を示している。以後の実施形態でも同様なことが言える。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、図１のエラー増幅部３内の接続関係を一部変更したものである。

図５は本発明に係る電力増幅器の第２の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図５では、図１と同じ構成部分には同一符号を付しており、以下では、相違点を中心に説明する。図５の電力増幅器は、位相調整回路８の出力信号をRF信号に変換する周波数変換器３１と、このRF信号の出力レベルを調整するための電力増幅器３２と、方向性結合器１の出力信号と電力増幅器１３の出力信号とを合成して周波数変換器５に入力する方向性結合器３３とを備えている。位相調整回路１０の出力信号は、周波数変換器１２に入力されている。

逆歪み成分を表す信号と主信号とを合成した信号をメイン増幅部２に入力するため、メイン増幅部２の出力には歪み成分が含まれていない。また、方向性結合器４は、メイン増幅部２の出力信号と信号劣化量を表す信号とを合成するため、メイン増幅部２で生じた信号劣化量を補償できる。

このように、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、メイン増幅器６により生じた主信号の信号歪みと信号劣化を補償でき、高効率の線形動作が可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、エラー増幅部３内の電力増幅器１３の信号歪みを補償するものである。

図６は本発明に係る電力増幅器の第３の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図６の電力増幅器１３は、図１の電力増幅器１３の構成に加えて、電力増幅器１３で発生される歪み成分を計算して逆位相に調整された信号を生成する逆歪み発生回路３５および位相調整回路３６と、位相調整回路３６の出力信号を主信号の周波数までアップコンバージョンしたRF信号を生成する周波数変換器３７と、周波数変換器１２，３７の出力信号同士を合成して電力増幅器１３に入力する合成器３８とを有する。

合成器３８の出力信号には、メイン増幅器６で生じた信号歪みを補償するための信号と、メイン増幅器６で生じた信号劣化を補償するための信号と、エラー増幅部３内の電力増幅器１３で生じた信号歪みを補償するための信号とが含まれている。このため、方向性結合器４でメイン増幅部２の出力信号とエラー増幅部３の出力信号とを合成することにより、メイン増幅部２の信号歪みおよび信号劣化を補償できるとともに、エラー増幅部３内の電力増幅器１３の信号歪みを補償した信号が得られる。

このように、第３の実施形態では、電力増幅器１３の歪み補償を行うための逆歪み発生回路３５と位相調整回路３６を設けることにより、メイン増幅器６の信号歪みと信号劣化を補償できるだけでなく、エラー増幅部３内の電力増幅器１３の信号歪みも補償することができる。

なお、第3の実施形態では、メイン増幅部２の信号歪み量と信号劣化量を発生させる回路１０と位相調整回路８からの出力とを合成器１１で合成した後に周波数変換器12でRF信号に周波数変換したものと、エラー増幅部用補償用歪み発生回路からの出力をRF信号に周波数変換したものを合成する手法になっているが、図７のように各発生回路７，９，３５からの出力を、周波数変換器６３，６４，６５でRF信号に周波数変換した後に、合成器６６で合成してもよい。周波数変換器などの周波数変換手段は能動素子であるため、あるピークを超えた信号に対しては歪が発生してしまう。各補償回路からの出力を周波数変換する前に合成してしまうと、ミキサのピーク値を超える信号が発生してしまう可能性がある。したがって図７に示したような形態をとることで合成信号の周波数変換器とミキサによる歪発生を防ぐことができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、第３の実施形態とはエラー増幅部３内の接続関係が異なるものである。

図８は本発明に係る電力増幅器１３の第４の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図８の電力増幅器１３は、位相調整回路８の出力信号をアップコンバージョンする周波数変換器４１と、周波数変換器４１の出力信号を増幅する電力増幅器４２と、電力増幅器４２の出力信号と主信号とを合成して周波数変換器５に入力する方向性結合器４３と、電力増幅器１３の歪み補償信号と信号劣化補償信号とを合成する合成器１１と、合成器１１の出力信号をアップコンバージョンして電力増幅器１３に入力する周波数変換器１２とを備えている。

メイン増幅器６には、主信号と歪み補償信号とが入力されるため、メイン増幅器６の出力信号に歪みはなくなる。電力増幅器１３には、電力増幅器１３の歪み補償信号とメイン増幅器６の信号劣化補償信号が入力されるため、方向性結合器４からは、メイン増幅部２の歪み補償と信号劣化補償がなされた信号で、かつ電力増幅器１３の歪み補償がなされた信号が出力される。

このように、第４の実施形態では、第３の実施形態と同様に、メイン増幅器６の信号歪みと信号劣化を補償できるだけでなく、エラー増幅部３内の電力増幅器１３の信号歪みと信号劣化も補償することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、メイン増幅部２の後段に遅延回路を設けなくてすむようにしたものである。

図９は本発明に係る電力増幅器１３の第５の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図９の電力増幅器１３は、図６の電力増幅器１３の構成に加えて、メイン増幅器６の前段に配置される遅延線路５１，５２を備えている。

図９には、方向性結合器１と周波数変換器５の間に配置される遅延線路５１と、周波数変換器５とメイン増幅器６の間に配置される遅延線路５２とが図示されているが、いずれか一方だけでもよい。

メイン増幅器６の後段に遅延線路を配置するような従来の形態では、遅延線路による電力損失を補償することはできない。本実施形態では、補償できない電力損失が発生する後段の遅延線路を必要とせず、また必要ならば前段に配置される遅延線路における電力損失はメイン増幅器で補償できるというメリットがある。

（第６の実施形態） 第６の実施形態は、主信号以外にパイロット信号をメイン増幅器６に入力するものである。

図１０は本発明に係る電力増幅器１３の第６の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図１０の電力増幅器１３は、図６の電力増幅器１３の構成に加えて、パイロット信号を生成するパイロット信号発生装置５３と、パイロット信号と主信号とを合成して周波数変換器に入力する合成器５４と、方向性結合器４の出力信号を２方向に分岐させる方向性結合器５５と、方向性結合器５５の出力信号に含まれるパイロット信号成分を検波するパイロット信号検波回路５６と、を備えている。

パイロット信号は、主信号とは異なる周波数で、主信号よりも振幅レベルが小さい信号である。

パイロット信号検波回路５６で検波した検波信号は、逆歪み発生回路７，３５と信号劣化補償回路９に入力される。逆歪み発生回路７，３５は、パイロット信号の歪みが最小になるように、歪み成分を計算する。信号劣化補償回路９は、パイロット信号の信号劣化が最小になるように信号劣化補償量を計算する。

このように、第６の実施形態では、主信号の他にパイロット信号をメイン増幅器６に入力し、メイン増幅器６の出力に含まれるパイロット信号の信号歪みと信号劣化が最小になるように、逆歪み発生回路７と信号劣化補償回路９を制御するため、電力増幅器１３の信号歪み補償と信号劣化補償を最大にすることができる。

本発明に係る電力増幅器の第１の実施形態の概略構成を示すブロック図。 QAMにおけるIQ平面上のコンスタレーション配置を示す図。 図１のメイン増幅器６のAM-AM特性とAM-PM特性を表した図。 エラー増幅部への入力信号のパスに関する変形例を示す図。 本発明に係る電力増幅器１３の第２の実施形態の概略構成を示すブロック図。 本発明に係る電力増幅器１３の第３の実施形態の概略構成を示すブロック図。 第４の実施形態のエラー増幅部の構成の変形例を示す図。 本発明に係る電力増幅器１３の第４の実施形態の概略構成を示すブロック図。 本発明に係る電力増幅器１３の第５の実施形態の概略構成を示すブロック図。 本発明に係る電力増幅器１３の第６の実施形態の概略構成を示すブロック図。

符号の説明

１，４ 方向性結合器
２ メイン増幅部
３ エラー増幅部
５ 周波数変換器
６ メイン増幅器
７ 逆歪み発生回路
８，１０ 位相調整回路
９ 信号劣化補償回路
１１ 合成器
１２ 周波数変換器
１３ 電力増幅器

Claims (7)

1. 主信号を増幅するメイン増幅部と、
   前記メイン増幅部の非線形領域の存在により生じる前記主信号の歪み補償および前記メイン増幅部のピーク電力のクリッピングによる信号劣化補償のために用いるエラー信号を増幅するエラー増幅部と、
   前記メイン増幅部の出力信号と前記エラー増幅部の出力信号とを合成する第１信号合成手段と、を備え、
   前記エラー増幅部は、
   前記メイン増幅部で発生される歪み成分を算出して、前記メイン増幅器の出力信号の位相に対して逆位相に調整された信号を生成する第１逆歪み算出手段と、
   前記メイン増幅部で劣化する主信号の劣化量を算出して、前記メイン増幅器の出力信号の位相に対して同位相に調整された信号を出力する信号劣化量算出手段と、を有し、
   前記第１信号合成手段は、前記メイン増幅部の出力信号と、前記第１逆歪み算出手段の出力と前記信号劣化量算出手段の出力とが加味された前記エラー増幅部の出力信号とを合成することを特徴とする電力増幅器。
2. 前記エラー増幅部は、
   前記第１逆歪み算出手段の出力と前記信号劣化量算出手段の出力とを合成する第２信号合成手段と、
   前記第２信号合成手段の出力信号を高周波信号に変換する周波数変換手段と、
   前記周波数変換手段の出力信号を増幅する電力増幅器と、を有し、
   前記第１信号合成手段は、前記メイン増幅部の出力信号と前記電力増幅器の出力信号とを合成することを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記エラー増幅部は、
   前記第１逆歪み算出手段の出力信号を増幅する第１電力増幅器と、
   前記第１電力増幅器の出力信号と主信号とを合成する第２信号合成手段と、
   前記第２信号合成手段の出力信号を高周波信号に変換して前記メイン増幅部に入力する第１周波数変換手段と、
   前記信号劣化量算出手段の出力信号を高周波信号に変換する第２周波数変換手段と、
   前記第２周波数変換手段の出力信号を増幅する第２電力増幅器と、を有し、
   前記第１信号合成手段は、前記メイン増幅部の出力信号と前記第２電力増幅器の出力信号とを合成することを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
4. 前記エラー増幅部は、前記電力増幅器で発生される歪み成分に対応する歪み信号を生成する第２逆歪み算出手段を有し、
   前記電力増幅器は、前記第２逆歪み検出手段の出力信号を加味して、前記周波数変換手段の出力信号を増幅することを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
5. 前記エラー増幅部は、前記第２電力増幅器で発生される歪み成分に対応する歪み信号を生成する第２逆歪み算出手段を有し、
   前記第２電力増幅器は、前記第２逆歪み算出手段の出力信号を加味して、前記第２周波数変換手段の出力信号を増幅することを特徴とする請求項３に記載の電力増幅器。
6. 主信号の位相調整を行う位相調整手段を備え、
   前記メイン増幅部は、前記位相調整手段で位相調整された主信号を増幅することを特徴とする請求項１及至５のいずれかに記載の電力増幅器。
7. 主信号とは異なる周波数の制御信号を生成する制御信号生成手段と、
   前記制御信号および主信号を合成して前記メイン増幅部に入力する入力合成手段と、
   前記第１信号合成手段の出力信号に含まれる前記制御信号の信号成分を検波する制御信号検波手段と、を備え、
   前記エラー増幅部は、前記制御信号検波手段で検波出力信号の歪みおよび信号劣化がゼロになるように前記第１逆歪み検出手段および前記信号劣化量算出手段を制御することを特徴とする請求項１及至６のいずれかに記載の電力増幅器。

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