JP4030319B2

JP4030319B2 - フィードフォワード非線形歪補償増幅器

Info

Publication number: JP4030319B2
Application number: JP2002046762A
Authority: JP
Inventors: 敬一酒巻; 浩太郎竹永
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2003249823A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力信号を増幅する主増幅器と、この主増幅器で発生する歪、例えば、該入力信号をマルチキャリア信号とした場合などでの相互変調歪を補償するフィードフォワード（Feed Forward：以下、ＦＦという）ループを備えた非線形歪補償増幅器に係り、特に、そのＦＦループを最適化するための制御方法や主増幅器で発生する歪の補償方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信用の基地局・中継局では、所定の周波数間隔で夫々適宜変調された複数の搬送波からなるマルチキャリア信号を、高周波増幅した後、無線送信するが、この高周波増幅に用いる増幅器の線形性が充分良好でないと、例えば、相互変調歪などの各種の歪が発生する。このため、マルチキャリア信号などの異なる周波数の複数搬送波からなる信号を増幅する増幅器に対しては、かかる信号の周波数帯域全体に亘って良好な線形性が要求される。
【０００３】
いま、マルチキャリア信号を例として、マルチキャリア信号の増幅に適する超低歪増幅器を実現する手法の１つに、従来、ＦＦ増幅方式が知られている。これは、入力したマルチキャリア信号を主増幅器で増幅して出力する本線と、この主増幅器で増幅されたマルチキャリア信号からこの主増幅器で発生した歪成分を検出するＦＦループの歪検出ループと、この歪検出ループで検出された歪成分を用いて主増幅器で増幅されたマルチキャリア信号から歪を除去するＦＦループの歪補償ループとから構成されるものである。
【０００４】
かかるＦＦ増幅方式による非線形歪補償増幅器の従来例が、例えば、特開平７ー３０３０５０号公報や特開平８ー３０７１６１号公報に開示されているが、まず、図３により、かかるＦＦ増幅方式による非線形歪補償増幅器の基本的な構成及びその動作について説明する。なお、１は入力端子、２は分配器、３は可変減衰器、４は可変移相器、５は主増幅器、６は同軸遅延線、７は分配器、８は同軸遅延線、９は可変減衰器、１０は可変移相器、１１は補助増幅器、１２は分配器、１３は出力端子、１４は制御回路、１５は制御信号発生回路である。
【０００５】
同図において、入力端子１から分配器２，主増幅器５，分配器７，同軸遅延線８，分配器１２を通って出力端子１３に至る信号経路が本線を形成するものである。この本線では、入力端子１からの入力信号（ここでは、マルチキャリア信号とする）は、分配器２で一部分配された後、可変減衰器３及び可変移相器４を経由して主増幅器５に供給される。主増幅器５で高周波増幅されたマルチキャリア信号は、分配器７で一部分配された後、同軸遅延線８で所定の遅延量だけ遅延され、分配器１２を通って出力端子１３から出力される。
【０００６】
かかる本線において、主増幅器５で良好な線形性が得られない場合、マルチキャリア信号で、例えば、相互変調が生じ、これによる歪（相互変調歪）などといった各種の歪が発生してマルチキャリア信号に混入する。かかる歪を除去するために、かかる非線形歪補償増幅器では、いずれもＦＦループの歪検出ループＬ１と歪補償ループＬ２とが設けられ、歪検出ループＬ１により、主増幅器５で発生してマルチキャリア信号に混入した歪成分を検出し、歪補償ループＬ２により、検出したかかる歪成分を用いて、マルチキャリア信号に混入している歪成分を除去するようにしている。
【０００７】
歪検出ループＬ１は、本線での可変減衰器３，可変移相器４及び主増幅器５と、同軸遅延線６と、分配器２，７とから構成される。かかる構成の歪検出ループＬ１では、入力端子１から入力されたマルチキャリア信号が分配器２に供給され、その一部が分配されて残りが本線に供給される。この分配された信号は、同軸遅延線６で所定の遅延量だけ遅延された後、分配信号Ｂとして分配器７に供給される。
【０００８】
この分配器７は、主増幅器５の出力信号Ａを、その一部を分配して残りを本線の同軸遅延線８に供給する分配機能とともに、この主増幅器５の出力信号Ａの分配信号から同軸遅延線６からの分配信号Ｂを減算する減算機能をも有している。そこで、分配器７では、主増幅器５の出力信号Ａから分配されて信号（図示しないが、これを、以下、分配信号Ｃという）から同軸遅延線６からの分配信号Ｂが減算される。この減算処理によって得られる差信号Ｄは歪補償ループＬ２の可変減衰器９に供給される。
【０００９】
ここで、同軸遅延線６の遅延量は、本線での可変減衰器３，可変移相器４及び主増幅器５の遅延量の合計に等しく設定される。可変減衰器３の減衰量は、主増幅器５の出力信号Ａからの分配器７による分配信号Ｃと同軸遅延線６からの分配信号とが等しい振幅となるように設定され、また、可変移相器４の位相量は、同じく分配信号Ｂ，Ｃの位相が一致するように設定されている。従って、分配器７から出力される差信号Ｄは、主増幅器５で発生する相互変調歪などの歪成分である。可変減衰器３の減衰量や可変移相器４の位相量は、かかる差信号Ｄが歪成分として精度良く得られるようにするように、制御回路１４の制御信号発生回路１５で発生される制御信号Ｇ１，θ１によって制御される。
【００１０】
歪補償ループＬ２は、本線での同軸遅延線８と、可変減衰器９，可変移相器１０及び補助増幅器１１と、分配器７，１２とから構成される。かかる構成の歪補償ループＬ２では、分配器７で主増幅器５の出力信号Ａのうちの分配信号Ｃ以外の信号、即ち、マルチスキャン信号Ｅが、同軸遅延線８で所定の遅延量だけ遅延された後、分配器１２に供給される。また、分配器７で得られた歪成分Ｄは、可変減衰器９及び可変移相器１０を経由して補助増幅器１１に供給される。補助増幅器１１で増幅された歪成分Ｆは分配器１２に供給される。この分配器１２は減算機能を有しており、同軸遅延線８からのマルチスキャン信号Ｅから補助増幅器１１からの歪成分Ｆを減算する。これにより、主増幅器５で生じた歪を除去されたマルチスキャン信号Ｇが得られ、出力端子１３から出力される。
【００１１】
ここで、同軸遅延線８の遅延量は、可変減衰器９，可変移相器１０及び補助増幅器１１の遅延量の合計に等しく設定される。可変減衰器９の減衰量は、分配器７から出力されるマルチスキャン信号Ｅに混入している歪成分と補助増幅器１１からの歪成分Ｆとが等しい振幅となるように設定され、また、可変移相器１０の位相量は、これら歪成分の位相が一致するように設定されている。従って、このように精度良く設定されると、分配器１２からは歪成分が精度良く除かれたマルチスキャン信号Ｇが得られる。可変減衰器３の減衰量や可変移相器４の位相量は、かかる歪成分の除去が精度良くなされるようにするように、制御回路１４の制御信号発生回路１５で発生される制御信号Ｇ２，θ２によって制御される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、移動体通信用基地局・中継局などでの図３に示すような従来のＦＦ増幅器では、その運用中であっても、状況によっては、高出力を必要とせず、その出力を低下させたい場合がある。移動体通信などのマルチキャリア通信の場合、キャリア数が多いほど高出力を必要とするが、例えば、夜間などのように、システムを利用する移動体が少なく、従って、キャリア数が少なくて通信状態が混んでいない場合には、ＦＦ増幅器では、高出力を必要としない。
【００１３】
ＦＦ増幅器の出力を低下させる方法としては、このように出力を低下させる場合も、分配器７から出力される差信号Ｄが高精度に歪成分であるようにする必要があることから、ループＬ１，Ｌ２以外の部分で利得を制御することが必要であり、例えば、入力端子１と分配器２との間に可変減衰器を設け、その減衰量を制御することにより、ＦＦ増幅器の出力を低下させることが考えられる。
【００１４】
しかしながら、かかる方法は、出力電力の低下とともに消費電力も減少するが、ＦＦ増幅器が有する本来の能力をそのまま維持しつつ単にその出力を低下させるだけのものであって、出力電力と消費電力との比率からみると、低出力の場合の効率は良好なものではなく、消費電力のさらなる低減が望ましい。
【００１５】
本発明は、以上の点に鑑みとなされたものであって、その目的は、低出力時の消費電力を低減し、効率良く動作させることができるようにしたフィードフォワード非線形歪補償増幅器を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、入力信号を第１の分配信号と第２の分配信号とに分配する第１の分配器と、該第１の分配信号のレベルを調整する第１の可変減衰器と、パラレルに接続された複数の増幅素子からなり、該第１の可変減衰器でレベル調整された該第１の分配信号をこれら増幅素子夫々でを増幅する主増幅器と、第２の分配信号のレベルを調整する可変減衰器と、主増幅器の出力信号を第３の分配信号と第４の分配信号とに分配し、第４の分配信号と第２の可変減衰器でレベル調整された第２の分配信号とから主増幅器で発生して第４の分配信号に混入している歪成分を検出する第２の分配器とを有する歪検出ループと、
第２の分配器で検出された歪成分を増幅する補助増幅器と、第２の分配器で分配された第３の分配信号から補助増幅器で増幅された歪成分を減算し、第３の分配信号に混入している主増幅器で発生した歪成分を除去し、増幅された信号として出力する第３の分配器とを有する歪補償ループと、
第３の分配器からの増幅された信号の高出力時と低出力時とで主増幅器での複数の増幅素子のうちの動作する増幅素子数を可変制御し、該主増幅器での動作する増幅素子数に応じて該第２の可変減衰器の減衰量を制御して該第２の分配信号のレベルを増減するとともに、第２の分配器における第２の分配信号と第４の分配信号とのレベルを監視して、該第１の可変減衰器の減衰量を制御し、第２の分配器における第２の分配信号と第４の分配信号とのレベルを等しくする制御部とから構成されるものである。
【００１７】
また、本発明は、歪補償ループでの第３の分配器の出力信号のレベルを検出する出力検出部を設け、制御部は、出力検出部の検出レベルに応じて、主増幅器での動作する増幅素子数と可変減衰器の減衰量を制御するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明によるフィードフォワード非線形歪補償増幅器の一実施形態を示すブロック図であって、１６は可変減衰器、１７は出力検出部、１８は出力検出回路、１９は外部インタフェース、２０は外部装置であり、図３に対応する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略する。
【００２０】
同図において、主増幅器５はパラレルに接続される複数の増幅素子を有しており、これら増幅素子で増幅された信号が合成される。これら複数の増幅素子がパラレルに接続されている部分を、以下、合成部ということにするが、主増幅器５の利得はかかる合成部や他の増幅素子の利得の総合利得となる。この合成部の１以上の増幅素子は、制御回路１４の制御信号発生回路１５からの制御信号Ｈにより、その電源がオン，オフ制御されてその動作がオン，オフ制御される。このようにして合成部での以上の増幅素子の動作が停止すると、主増幅器５の利得が低下するが、これとともに、この主増幅器５の消費電力も低減する。
【００２１】
この実施形態では、このように構成されており、運行中に高出力が必要でない場合には、制御信号発生回路１５からの制御信号Ｈにより、主増幅器５内の合成部の１以上の増幅素子が動作を停止し、主増幅器５の利得が低減されて分配器１２からの出力Ｇが低下する。この場合、動作が停止した増幅素子での消費電力がなくなり、この分消費電力が低減することになる。
【００２２】
以上のように、主増幅器５の合成部での増幅素子の動作を停止させ、この主増幅器５の出力信号Ａを低下させると、その分分配器７での分配信号Ｃのレベルが低下し、同軸遅延線６からの分配信号Ｂと振幅が異なるようになり、歪成分のみからなる差信号が得られなくなる。
【００２３】
これを防止するために、この実施形態では、歪検出ループＬ１において、分配器２と同軸遅延線６との間に可変減衰器１６が設けられており、この可変減衰器１６の減衰量を制御信号Ｇ３で制御することができるようにしている。
【００２４】
入力端子１から入力されたマルチスキャン信号から分配器２で分配された分配信号Ｂ’は、可変減衰器１６で減衰された後、図３に示した従来例と同様、同軸遅延線６で遅延され、分配信号Ｂとして分配器７に供給される。これ以降の処理は、図３に示した従来例と同様である。
【００２５】
高出力時では、この可変減衰器１６では、制御回路１４からの制御信号Ｇ３により、その減衰量として、それを増加できるように、所定の初期値（例えば、最小減衰量）が設定されており、かかる状態で、分配器７による主増幅器５の出力信号Ａからの分配信号Ｃと同軸遅延線６からの分配信号Ｂとの振幅が一致するように、制御回路１４が、制御信号Ｇ１，θ１により、可変減衰器３の減衰量と可変移相器４の位相量とを制御する。
【００２６】
制御回路１４は、例えば、分配器７から分配信号Ｂ，Ｃを取り込み、これらを振幅比較することにより、これらの振幅を監視しており、これらが不一致となると、制御信号Ｇ１により、可変減衰器３の減衰量を制御して、これら分配信号Ｂ，Ｃの振幅が一致するようにしている。
【００２７】
高出力を必要としない状態となって出力を低下させる場合には、制御信号発生回路１５からこのための制御信号Ｈが出力され、主増幅器５の合成部での１以上の増幅素子の動作を停止させる。これにより、主増幅器５の利得が低下し、その出力信号Ａの振幅が低下する。これにより、低出力状態が設定される。これとともに、制御信号発生回路１５は制御信号Ｇ３を可変減衰器１６に供給し、この可変減衰器１６の減衰量を主増幅器５の利得が低下した分増加させる。即ち、主増幅器５の利得の低下によって小さくなった分配信号Ｃの振幅に分配信号Ｂの振幅が等しくなるように、可変減衰器１６の減衰量が設定される。
【００２８】
主増幅器５の利得がその合成部の利得でほぼ決まるものとして、例えば、主増幅器５の合成部が２つの増幅素子からなる場合、低出力時では、そのうちの１つの増幅素子の動作を停止させる。これにより、主増幅器５の出力電力は、これら２つの増幅素子が動作している状態に比べ、１／２倍となり、これとともに、同軸遅延線６を経由する分配信号の振幅が同様に１／２倍となるように、可変減衰器は、その減衰量が約３ｄＢ増加するように、制御されることになる。そして、主増幅器５では、動作を停止させた増幅素子の分だけ消費電力が減少するから、図２で示したような従来例で分配器２への入力信号の振幅を低減させるようにした場合に比べ、低出力時の消費電力を少なくすることができる。
【００２９】
主増幅器５の合成部が３個の増幅素子からなる場合には、そのうちの１個の増幅素子の動作を停止させて出力を２／３とする低出力状態と、そのうちの２個の増幅素子を停止させて出力を１／３とする低出力状態とを選択的に設定することができ、同様に、主増幅器５の合成部が４個の増幅素子からなる場合には、そのうちの１個の増幅素子の動作を停止させて出力を３／４とする低出力状態と、そのうちの２個の増幅素子を停止させて出力を１／２とする低出力状態と、そのうちの３個の増幅素子を停止させて出力を１／４とする低出力状態とを選択的に設定することができる。一般に、合成部がｎ個（但し、ｎは２以上の整数）の増幅素子からなる場合、全ての増幅素子を動作状態とした場合の（ｎ−１）／ｎ，（ｎ−２）／ｎ，……，２／ｎ，１／ｎの出力のいずれかの低出力状態を選択的に設定することができ、かかる低出力状態に応じて、分配信号Ｂ，Ｃの振幅が一致するように、可変減衰器の減衰量を設定することにより、かかる低出力状態のいずれにおいても、主増幅器５で生ずる歪が効果的に低減された出力が得られることになる。
【００３０】
図２はこの実施形態と上記従来例での主増幅器５の合成部の全ての増幅素子を動作状態にしたときとの出力に対する消費電力の関係を比較して示す図であって、横軸が出力電力（Ｗ）を、縦軸が消費電力（Ｗ）を夫々表わしている。
【００３１】
同図において、破線で示す特性αは、主増幅器５の合成部での全ての増幅素子を動作状態として出力電力を変化させた場合の消費電力の変化を示し、実線で示す特性βは、この実施形態である主増幅器５の合成部での１つの増幅素子の動作を停止させたときの出力電力を変化させた場合の消費電力の変化を示すものである。
【００３２】
いま、出力Ｐ₀の高出力状態での消費電力が点ａの値としたとき、主増幅器５の合成部での２つの増幅素子を全て動作状態にしたままで出力Ｐ₁の低出力状態とすると（これは、上記のように、分配器２の入力信号を減衰させることによって設定される）、このときの消費電力は、特性α上での点ｂの値となる。これに対し、出力Ｐ₀の高出力状態での消費電力が点ａの値として、主増幅器５の合成部での１つの増幅素子の動作を停止させ、同様の出力Ｐ₁の低出力状態にすると、この動作を停止させて増幅素子での消費電力分少ない特性β上の点ｃの値の消費電力となる。このように、点ｂと点ｃとの差分だけ消費電力を低減することができる。
【００３３】
一般に、主増幅器５の合成部の全ての増幅素子を動作状態にして低出力状態に設定したときには、そのときの消費電力は特性α上の一点の値となるが、上記のように、この合成部の増幅素子の動作を停止させて低出力状態としたときには、図２において、特性α上の一点から下ろした特性β上の点となる。
【００３４】
以上のようにして、この実施形態では、主増幅器５で発生する歪が効果的に抑圧された信号が出力される低出力状態を設定することができる。
【００３５】
図１に戻って、分配器１２の出力側に設けられた出力検出部１７と制御回路１４における出力検出回路１８とは、高出力を必要とするか否かを判定するための手段の一具体例をなすものである。
【００３６】
即ち、出力検出部１７は分配器１２の出力信号Ｇからその一部を分配するものであって、制御回路１４は、常時この出力検出部１７の出力信号を取り込んで、出力検出回路１８でそのレベルを検出することにより、分配器１２の出力信号Ｇのレベルを監視しており、この出力信号のレベルに基づいて高出力を必要とするか否かを判定する。マルチキャリア通信の場合、処理するキャリア数に応じてＦＦ増幅器の出力電力、従って、出力レベルが変化し、例えば、夜間などのように、通信状態が混んでいない状況では、分配器１２の出力信号Ｇのレベルが低下する。従って、この出力信号Ｇのレベルの変化から、高出力を必要としているか否かを判定することができる。
【００３７】
出力検出回路１８の判定結果から高出力を必要としない場合には、上記のように、制御信号発生部１５で制御信号Ｈ，Ｇ３を発生させて低出力状態を設定し、高出力を必要とする場合には、制御信号発生部１５で制御信号Ｈ，Ｇ３を発生させて主増幅器５の合成部の全ての増幅素子を動作状態とし、また、これに応じて可変減衰器１６の減衰量を最小値に戻して高出力状態にする。
【００３８】
そこで、主増幅器５の最大出力能力が、例えば、４０Ｗとすると、キャリア数が多い場合には、分配器１２の出力信号Ｇのレベルが高いので、このＦＦ増幅器をその最大出力能力で動作させるのであるが、キャリア数が、例えば、最大時の１／２となった場合には、ＦＦ増幅器が必要とする出力能力としては、最大出力能力の１／２の２０Ｗで良いことになり、この実施形態では、主増幅器５の利得を低下させることにより、ＦＦ増幅器の出力能力を最大２０Ｗとなるようにするものである。
【００３９】
また、外部インタフェース１９と外部装置２０とは、外部からＦＦ増幅器の出力能力を切り替え制御できるようにするための手段の一具体例を構成するものである。
【００４０】
即ち、制御回路１４には、外部装置２０との通信を可能に外部インタフェース１９が設けられており、外部装置２０からは高出力状態にするか、低出力状態にするかの指令信号が制御回路１４に送信される。そこで、外部装置２０からの高出力状態への指令信号が外部インタフェース１９で受信されると、制御回路１４は、この指令信号に基づいて制御信号発生回路を動作させ、主増幅器５と可変減衰器１６とを制御して高出力状態に設定し、外部装置２０からの低出力状態への指令信号が外部インタフェース１９で受信されると、制御回路１４は、この指令信号に基づいて制御信号発生回路を動作させ、主増幅器５と可変減衰器１６とを制御して低出力状態に設定する。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高出力を必要としない場合には、主増幅器の利得を低下させることにより、消費電力を低減した低出力状態に設定することができ、高効率の低出力動作を行なわせることができるし、また、低出力状態においても、主増幅器で発生する歪を効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフィードフォワード非線形歪補償増幅器の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示す実施例と主増幅器の合成部での増幅素子を全て動作状態にしたときとでの低出力時の消費電力を比較して示す図である。
【図３】フィードフォワード非線形歪補償増幅器の一従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１入力端子
２分配器
３可変減衰器
４可変移相器
５主増幅器
６同軸遅延線
７分配器
８同軸遅延線
９可変減衰器
１０可変移相器
１１補助増幅器
１２分配器
１３出力端子
１４制御回路
１５制御信号発生回路
１６可変減衰器
１７出力検出部
１８出力検出回路
１９外部インタフェース
２０外部装置

Claims

入力信号を第１の分配信号と第２の分配信号とに分配する第１の分配器と、
該第１の分配信号のレベルを調整する第１の可変減衰器と、
パラレルに接続された複数の増幅素子からなり、該第１の可変減衰器でレベル調整された該第１の分配信号を該増幅素子夫々で増幅する主増幅器と、
該第２の分配信号のレベルを調整する第２の可変減衰器と、
該主増幅器の出力信号を第３の分配信号と第４の分配信号とに分配し、該第４の分配信号と該第２の可変減衰器でレベル調整された該第２の分配信号とから該主増幅器で発生して該第４の分配信号に混入している歪成分を検出する第２の分配器と
を有する歪検出ループと、
該第２の分配器で検出された該歪成分を増幅する補助増幅器と、
該第２の分配器で分配された該第３の分配信号から該補助増幅器で増幅された該歪成分を減算し、該第３の分配信号に混入している該主増幅器で発生した歪成分を除去し、増幅された信号として出力する第３の分配器と
を有する歪補償ループと、
該第３の分配器からの該増幅された信号の高出力時と低出力時とで該主増幅器での該複数の増幅素子のうちの動作する増幅素子数を可変制御し、該主増幅器での動作する増幅素子数に応じて該第２の可変減衰器の減衰量を制御して該第２の分配信号のレベルを増減するとともに、該第２の分配器における該第２の分配信号と該第４の分配信号とのレベルを監視して、該第１の可変減衰器の減衰量を制御し、該第２の分配器における該第２の分配信号と該第４の分配信号とのレベルを等しくする制御部と
から構成されてなることを特徴とするフィードフォワード非線形歪補償増幅器。
請求項１において、
前記歪補償ループでの前記第３の分配器の出力信号のレベルを検出する出力検出部を設け、
前記制御部は、該出力検出部の検出レベルに応じて、前記主増幅器での動作する増幅素子数と前記可変減衰器の減衰量を制御することを特徴とするフィードフォワード非線形歪補償増幅器。