JP4087180B2 - 入力信号に予め歪みを加える方法および予歪みシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信技術に関し、特に予歪み技術を用いて歪みを低減するシステムと方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
理想的なパワー増幅器は波形を変形させることなく入力信号を増幅する。それ故に理想的なパワー増幅器は、不連続性を有さない入力対出力が線形の伝達関数を有するものとして特徴づけることが出来る。しかし実際には、パワー増幅器の伝達関数は、非線形領域と線形領域を具備する。パワー増幅器が線形領域かあるいは非線形領域で動作するかは入力信号の大きさに一部依存する。線形動作を行うパワー増幅器は、可能な入力信号の振幅の範囲内で線形に動作するよう設計されている。入力信号の大きさがパワー増幅器の線形領域外で動作させる程度である場合には、パワー増幅器は非線形成分即ち歪みを信号に導入してしまう。
【０００３】
入力信号がピーク振幅値を有し、このピーク振幅値が増幅器を圧縮させたり飽和（入力の振幅値の増幅に伴って出力信号の振幅の顕著な増幅がない現象）させたり、あるいは ショットオフ（入力信号の振幅が減少しても出力信号の振幅が目立って減少しない現象）を起こさせると、出力信号は非線形の方法でクリップしたり歪ませたりする。一般的に増幅器はクリッピングしきい値を有するために、このクリッピングしきい値を越える大きさ（振幅）を有する入力信号は、増幅器の出力点でクリップされる。入力信号のクリッピング即ち非線形の歪みは、信号を歪ませるだけでなくスペクトラムの再成長を引き起こす、即ち隣接する周波数と干渉する隣接チャネルパワー（ＡＣＰ）を生成してしまう。
【０００４】
無線通信システムにおいては、送信するために信号を高パワーで増幅することは、大きなピークパワー対平均的パワーとの比率 （very large peak to average power ration ＰＡＲ）に直面することになる。例えば時分割多重アクセスＴＤＭＡシステム例えば Global System for Mobile Communications（ＧＳＭ）とNorth American （ＴＤＭＡ）においては、複数のキャリア信号がパワー増幅器でもって増幅するために組み合わされると、その結果得られたＰＡＲは大多数のキャリア信号に対しては約９−１０ｄＢとなる。符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）システムにおいては、単一負荷の１．２５Ｍｈｚワイドのキャリア信号は、通常１１．３ｄＢのＰＡＲを有する。直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおいては、マルチキャリア信号は、最大２０ｄＢのＰＡＲを有する。これらの信号は、ＡＣＰを生成するのを回避するために正確な直線性でもって増幅しなければならない。
【０００５】
ところが基地局の増幅器の効率はその線形性に反比例する。高レベルの線形性を達成するために、増幅器にバイアスをかけて、Ａ級にあるいは若干ＡＢ級で動作させている（ここでＡＢ級とはＢ級よりもＡ級に近い状態を意味する）。Ａ級動作で達成可能なＡＣからＤＣへの最大効率は５０％である。一方ＡＢ級の増幅器のそれは５０％と７８．５％の間にある。（後者はＢ級増幅器の最大効率を表す。）ＡＢ級の動作がＡ級の動作に近づくと最大効率が低下することになる。
【０００６】
一般的に現代の無線通信システムで厳密な線形性を要求すると、比較的非効率的なＡ級モード、あるいは若干ＡＢ級モードの利用が必要となってくる。その結果、大きなＤＣパワーが増幅器で消費され、この発熱を抑えて、増幅器の性能と信頼性の低下を回避しなければならない。そのため精巧なヒートシンクあるいはファンの利用が、高い線形性のシステムの副産物として必要となる。当然のことながらこれらの措置は、基地局設備のコストと大きさ及び重量を増やすことになる。無線通信システムのユーザの数が増えるにつれて基地局の数も増え、それらを小型軽量安価にする必要がある。かくして研究／開発の最終目標は、これらの通信システムあるいは他の通信システムにおいて、増幅器の効率を改善することに集中している。
【０００７】
様々な線形化方法を用いて線形性の許容可能なレベルを維持しながら、よりコスト的に安くかつパワー効率の良い増幅器の利用を可能にしているフィードフォーワド修正／補正が現代の増幅器で採用され、様々な入力パターンに対しメイン増幅器の非線形性を改善している。フィードフォーワド修正の要点は、フィードフォーワドパス上のメイン増幅器により生成された歪みを分離することである。歪みがフィードフォーワドパス上の修正増幅器に与えられ、この修正増幅器が歪みを更に増幅する。フィードフォーワドパス上の歪みは、メイン信号パス上の歪みと組み合わされて、メイン信号パス上の歪みをキャンセル（打ち消す）する。予歪み技術で増幅器の伝達関数特性を考慮に入れながら、増幅する前に入力信号を予め歪ませる。かくして必要な増幅された信号が、増幅器に入力する前に信号を意図的に歪ませることにより、予め歪んだ入力信号から得られ、その結果増幅器の非線形性が補償／改善される。
【０００８】
図１は、適応型パワー増幅器の予歪みシステム１０の機能ブロック図である。メイン信号パス１２上のベースバンドデジタル入力信号unが予歪み関数１４(A(.))に入力され、予め歪んだ出力xnを生成する。ｎはタイムインデックスである。Ｄ／Ａコンバータ１６によりデジタルからアナログへの変換後、その結果得られたアナログ信号を上方（高周波）変換回路１８で無線周波数ＲＦに高周波変換する。アナログＲＦ信号をパワー増幅器２０で増幅して、アンテナ２２を介して無線送信する。増幅されたアナログＲＦ信号のレプリカが、メイン信号パス１２から切り離されて予歪みフィードバックパス２４に加えられる。予歪みフィードバックパス２４上の増幅されたアナログＲＦ信号は、下方（低周波）変換回路２６により下方（低周波方向に）変換される。
【０００９】
下方変換されたアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ２８に与えられ、そこでデジタル領域に変換される。その結果得られたデジタル信号は、パワー増幅器２０の出力を表し、これが増幅器特性予測回路３０にデジタルベースバンド信号xnと共に与えられる。xnはパワー増幅器２０への対応する入力を表す。増幅する前のデジタル信号xnと、デジタル信号xnのアナログ形式で周波数変換されたバージョンの増幅された後得られたデジタル信号yuが与えられると、増幅器特性予測回路３０は、パワー増幅器２０の特性即ちモデル関数を決定する。パワー増幅器２０のモデル関数即ち特性関数が予測されると、予歪み計算回路３４は、予歪み関数を増幅器特性関数の逆数関数として決定し、入力信号unに与え加えられる予歪み関数１４(A(.))が予歪み計算回路３４に基づいて更新される。
【００１０】
図２は適応型デジタル予歪みシステムのブロック図である。パワー増幅器４０は、複素入力と複素出力を有するベースバンド関数B(.)で特徴づけられる。上記したように一般的に２つのステップに分割される適応型デジタル予歪みの多くの方法が存在する。第１のステップとして増幅器特性予測回路４２がパワー増幅器４０の特性即ちモデル関数B(.)を決定する。ここで適宜のモデル化とパラメータの予測の基づいたデル関数が必要である。入力サンプルxnと対応する増幅された出力サンプルynを用いて予歪み計算回路４４はパワー増幅器４０のモデルを時間に渡って決定する。第２のステップとして、予歪み計算回路４４は、予測予歪み関数をモデル関数B(.)の逆関数として決定し、デジタル入力信号unに加えられる予歪み関数４６を更新する。
【００１１】
一般にパワー増幅器４０の出力ynは、入力サンプル｛xn,xn-1,xn-2 …｝と、前の出力サンプル｛yn-1,yn-2,…｝の関数である。bをB(.)に対する計数ベクトルとすると、増幅器の特性の予測値は次式からｂを得る。
b=arg min E［|B(xn,xn-1,xn-2,yn-1,yn-2,…)-yn|2］
【００１２】
ここでE［.］は予測値でありｍarg min f(.)は、関数f(.)を最小にする関数f(.)の引数(arguments)を意味する。言い換えると、B(.)は、予測エラーB(.)-ynのパワーを最小にする計数ベクトルである。予歪み関数A(.)は、B(.)の逆関数を決定することにより得られる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
無線通信システムにおいて、潜在的に高いピークパワーがあるために、ＣＤＭＡ，ＴＤＭＡ，ＦＤＭＡの基地局は、通常ＡＢ級モードで動作し、これらのピークパワーを処理できる高電流でもってバイアスされる無線周波数増幅器を使用する。これらの増幅器の効率は通常１０％未満である。効率が低いために電力消費が増加し、全体的な信頼性が下がり動作温度が上がることになる。従って潜在的に高いピークパワーを有する信号を線形に増幅するより効率的なパワー増幅器が必要とされている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、歪み生成回路に入力される信号を調整するために、内側予歪み関数と、この内側予歪み関数に入力される信号を調整するための少なくとも１つの外側予歪み関数を用いる多段即ちネスティッド予歪みシステムと方法である。かくして内側予歪み関数は、歪み生成回路からの歪みを減らし、残った歪みは外側予歪み関数により減らすことが出来る。例えば歪み生成回路が増幅器であるような適応型予歪みシステムにおいては、内側予歪みループは内側予歪み関数を有し、この関数で増幅する前にメイン信号パス上の信号を歪ませる。内側予歪み関数は、内側予歪み関数の出力と、増幅器の出力等を用いて生成することが出来る。外側予歪みループは、外側予歪み関数を有し、この関数が内側予歪み関数に入る前に入力信号を歪ませる。外側予歪み関数は外側予歪み関数への出力と、内側予歪みループへの出力を用いて決定できる。かくして信号パス上の信号は、増幅する前に多段で予め歪みが与えられ、信号を増幅することにより生成される歪みを補償し、その結果得れた増幅信号の出力は歪みが減少した状態で生成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による適応型予歪みシステムと方法の実施例をネスティッド予歪みループを用いた例を用いて説明する。図３は、信号vnを歪ませて歪み生成回路(B(.))、例えば増幅器６４に入る予め歪んだ信号xnを生成するために、内側予歪み関数ループ６３内で実行される内側予歪み関数(Ain(.))を含む内側予歪みループ６２を用いたネスティッド予歪みシステム６０を示す。この実施例の内側予歪みループ６２内では、増幅器６４の出力ynと内側予歪み関数ループ６３の出力xnを内側予歪み予測回路６６が用いて、内側予歪み関数(Ain(.))を生成する。これは、例えば内側予歪み関数(Ain(.))を予測し決定し校正し更新することにより行われる。
【００１６】
ネスティッド予歪みシステム６０は、少なくとも１つの外側予歪み関数Aout(.)を含む少なくとも１個の外側予歪みループ６８を含む。図３に示した実施例においては、外側予歪みループ６８は、内側予歪みループ６２へ入力される予歪み信号vnを生成するために、内側予歪み関数ループ６３に入る前の入力信号unを歪ませるために、外側予歪み関数ループ７０内で実行される外側予歪み関数を含む。この実施例の外側予歪みループ６８内では、内側予歪みループ６２の出力ynと、外側予歪み関数ループ７０の出力vnを、外側予歪み予測回路７２が用いて外側予歪み関数Aout(.)を生成する。これは、例えば外側予歪み関数Aout(.)を予測し決定し校正し更新することにより行われる。かくして内側予歪みループ６２が増幅器６４の非線形性を減少させ、残った非線形性は外側予歪みループ６８が更に減少させる。
【００１７】
実施例によっては、内側と／外側の予歪み関数は、別の方法で生成することも出来る。例えば内側予歪み関数ループ６３は、上記に説明したように内側予歪み予測回路６６により生成されるが、これは増幅器６４の特性あるいはモデル関数B(.)を最初に決定することにより行われる。入力サンプルxnと対応する増幅された出力サンプルynを用いて、増幅器の特性決定関数を時間ごとに適応させることが出来る。次に予測関数をモデル関数B(.)の逆数として生成することができ、そして信号vnに適応される内側予歪み関数ループ６３を更新する。上記したように増幅器６４の出力ynは入力サンプル｛xn,xn-1,xn-2…｝と、前の出力サンプル｛yn-1,yn-2,…｝の関数である。bがB(.)の計数ベクトルとすると増幅器の特性の予測値は次式から得られる。
b=arg min E[|B(xn,xn-1,xn-2,…yn-1,yn-2,…)-yn|2],
【００１８】
ここでE[.]は予測値を表し、arg min f(.)は、関数f(.)を最小にするような関数f(.)の引数(arguments)を意味する。言い換えるとbは、予測値のパワーエラーB(.)-ynを最小にする計数ベクトルである。内側予歪み関数Ain(.)は、B(.)の逆関数を決定することにより得られる。
【００１９】
外側予歪み関数ループ７０は、上記したように外側予歪み予測回路７２により内側予歪みループ６２の特性、あるいはモデル関数(C(.))を最初に決定することにより生成される。入力サンプルvnと、対応する増幅出力サンプルynを用いて、内側予歪みループ６２の特性関数が時間ごとに決定される。次に予歪み関数は、内側予歪みループ６２に対するモデル関数の逆関数を用いて生成され、vnに加えられる外側予歪み関数ループ７０を更新する。内側予歪みループ６２の出力ynは入力サンプル{vn,vn-1,vn-2…}と、前の出力サンプル｛yn-1,yn-2,…｝の関数である。ｃが内側予歪みループ６２の特性関数の計数ベクトルとすると、内側予歪みループ特性の予測値は次式からｃが得られる。
c=arg min E[|c(vn,vn-1,vn-2,…yn-1,yn-2,…)-yn|2],
【００２０】
ここでE[.]は予測値を表し、arg min f(.)は、関数f(.)を最小にするような関数f(.)の引数(arguments)を意味する。言い換えるとcは、予測値のパワーエラーc(.)-ynを最小にする計数ベクトルである。外側予歪み関数Aout(.)は、c(.)の逆関数を決定することにより得られる。
【００２１】
本発明の他の実施例においては、内側予歪みループ６２，外側予歪みループ６８を含む追加された外側予歪みループはその含まれている予歪みループの特性を明らかにするために、更にまた追加された予歪み関数を生成するために、増幅器として処理することが出来る。このことは当業者に明らかなことである。
【００２２】
本発明の他の実施例においては、内側予歪み関数ループ６３と／外側予歪み関数ループ７０内で実行される内側／または外側予歪み関数は、増幅器（または含まれる予歪みループ）への入力と出力を用いて予歪み関数を直接予測することにより決定され、これは増幅器（または含まれる予歪みループ内）の特性関数とその逆関数を計算することなく行われる。例えば入力信号のシーケンス｛vn｝がブロック内側予歪み関数ループ６３内で実行される内側予歪み関数(Ain(.))に与えられ、予め歪んだ信号、即ち予歪み関数出力xn=AOin(vn)+Al(vn-1)+A2in(vn-2)…を得る。予め歪んだ信号シーケンス{xn}が増幅するために増幅器６４に与えられる。増幅された信号は入力信号{vn}と同一波形を有する信号シーケンス{yn}として生成されるが、その理由はAin(.)とB(.)は逆関数だからである。Ain(.)とB(.)が逆関数であるために信号シーケンス{yn}と{xn}はそれぞれ予歪み関数Ain(.)の入力と出力と見なすことが出来る。増幅器６４に対するモデルB(.)を決定し増幅器モデルB(.)からの逆関数Ain(.)を計算せずに、内側予歪み関数Ain(.)を、内側予歪み関数ループ６３の実際の出力xnと、増幅器６４の出力ynを用いて決定された内側予歪み関数ループ６３の予測出力を用いて、内側予歪み予測回路６６で直接予測できる。この実施例において予歪み関数Ain(.)は、次式に記載したように予測することが出来る。aをAin(.)の計数ベクトルとした場合に予歪み関数の予測値は次式からaを得ることである。
a=arg min E[|Ain(yn,yn-1,yn-2,…xn-1,xn-2,…)xn|2]
【００２３】
ブロック外側予歪み関数ループ７０内で実行される外側予歪み関数Aout(.)を直接決定するために、内側ループ内側予歪みループ６２は、特性関数C(.)を有する増幅器として処理することが出来る。例えば入力信号シーケンス｛un｝はブロック外側予歪み関数ループ７０内で実行される外側予歪み関数Aout(.)に加えられて予め歪んだ信号を生成する、あるいは予歪み関数の出力vn=A0out(un)+Alout(un-1)+A2out(un-2)…を出力する。信号の予め歪んだシーケンス｛vn｝は増幅するために内側ループ内側予歪みループ６２に与えられる。増幅された信号は信号シーケンス｛yn｝として生成され、その波形は入力信号｛un｝と同一であるが、その理由はAout(.)とC(.)は逆関数だからである。Aout(.)とC(.)が逆関数であるために、信号シーケンス{yn}と{un}はそれぞれ予歪み関数Aout(.)の入力と出力と見なすことが出来る。内側予歪みループ６２に対するモデルC(.)を決定し、モデルC(.)からの逆関数Aout(.)を計算せずに、外側予歪み関数Aout(.)を、外側予歪み回路７０の実際の出力vnと、内側予歪みループ６２の出力ynを用いて決定された外側予歪み回路７０の予測出力とを用いて、外側予歪み予測回路７２で直接予測される。この実施例において予歪み関数Aout(.)は次式に記載したように予測することが出来る。aをAout(.)の計数ベクトルとした場合に、予歪み関数の予測値は次式からaを得ることである。
a=arg min E[|Aout(yn,yn-1,yn-2,…un-1,un-2,…)un|2]
【００２４】
パワー増幅器は、信号周波数に依存するメモリー特性を有し、増幅器の出力は現在の入力の関数のみならず過去の入力と出力の関数である。かくしてこの実施例においては予歪みモデルは、現在のサンプルと少なくとも１つの過去のサンプルを用いて生成される。かくしてネスティッド予歪みシステム６０は、異なる信号の連続して時間的に離れたサンプルを保持する回路を含み、この回路は、遅延回路とシフトレジスターとバッファトアレイと連続する時間サンプルを保持／記憶するアレイまたは他の形態を含む。本発明の他の実施例においては予歪み関数は現在の入力信号に依存するが、入力信号にのみ依存するようにすることが出来るが、これによりメモリーのいらない予歪み回路を提供できる。
【００２５】
当業者に明らかなように、例えば異なる形式の多項予測式を用いて予歪み関数のモデルを選択することが出来る。予測とその実現は単に予歪みモデルを選択することにより容易となる。しかし予歪みモデルが一般的すぎると、予測回路とそれを実行する回路は複雑となる。予歪みモデル、あるいは関数によってはネスティッド予歪みシステム６０は別の方法で実現することが出来る。例えば内側予歪み予測回路６６と／または外側予歪み予測回路７２と／または内側予歪み関数ループ６３と／または外側予歪み関数ループ７０は予歪み関数を生成し、この予歪み関数を入力信号に加える処理回路を用いて位相と／または増幅を調整した信号を振幅と／位相調整器に加えて入力信号を歪ませることにより実行することが出来る。別の方法として内側予歪み予測回路６６と／または外側予歪み予測回路７２は予歪み関数を生成し、予歪み関数を入力信号に加える内側予歪み関数ループ６３と／または外側予歪み予測回路７２を更新する処理回路を用いて実現することが出来る。内側予歪み関数ループ６３と／または外側予歪み予測回路７２は、ルックアップテーブル例えばフィールドプログラマブルゲートアレイルックアップテーブル（処理回路により更新される）用いて位相と／または振幅と／または位相の調整器に加えて信号サンプルに基づいて入力信号を歪ませることも出来る。別の構成要素例えば混合機／加算機／ルックアップテーブル等を組み合わせて予歪み関数を予め歪ませるべき信号に加えることも出来る。
【００２６】
上記の実施例に加えて本発明による予歪みシステムの別の構成も素子を追加したり省いたり、あるいは上記の一部を変更したりすることにより可能である。例えば３個以上の予歪み関数、ステージ、ループを用いて予歪み生成回路に加える前に信号に予め歪みを加えることも出来る。更にまた予歪み回路またはその一部を、アナログ領域、またはデジタル領域、あるいは他の増幅器、あるいは電気回路内でベースバンド中間周波数（ＩＦ）、無線周波数（ＲＦ）で実現することも出来る。
【００２７】
本発明の予歪みシステムの実施例は、増幅器の出力点で生成される歪みを減らすために適応型の予歪み構成を例に説明したが、本発明の予歪みシステムは、１個あるいは複数の固定の予歪み関数を用いて信号に対し動作する歪み生成回路により生成された歪みを低減するために信号に予め歪みを加えるような多段の予歪みシステムで用いることが出来る。アプリケーションによっては予歪み回路はフィードフォーワド、あるいは他の線形、あるいは効率を改善した技術と共に、あるいはそれに加えて配置することも出来る。更にまた内側と外側の予歪み関数は別々のモデル、あるいは別々の予歪み関数予測、あるいは実行スキームを用いることも出来る。更にまた外側予歪みスキームは性能を改善するために既存の予歪みスキームの周囲で実行することも出来る。本発明の予歪みシステムは個々の機能ブロックの特定の構成を用いて説明したが本発明の予歪みシステム及びその１部は特定アプリケーション用の集積回路ソフトウエア駆動による処理回路ファームウエア、ハードウエア、ディスクリート部品、あるいはそれらの組み合わせを用いて実現することも出来る。
【００２８】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。尚、特許請求の範囲に記載した参照番号は発明の容易な理解のためで、その技術的範囲を制限するよう解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な適応型パワー増幅器の予歪みシステムの機能的ブロック図。
【図２】適応型パワー増幅器の予歪みシステムの一般的なモデルを表す図。
【図３】本発明によるネスティッド(nested)予歪み回路の機能ブロック図。
【符号の説明】
１０ 適応型パワー増幅器の予歪みシステム
１２ メイン信号パス
１４，４６ 予歪み関数
１６ Ｄ／Ａコンバータ
１８ 上方変換回路
２０，４０ パワー増幅器
２２ アンテナ
２４ 予歪みフィードバックパス
２６ 下方変換回路
２８ Ａ／Ｄコンバータ
３０，４２ 増幅器特性予測回路
３４，４４ 予歪み計算回路
６０ ネスティッド予歪みシステム
６２ 内側予歪みループ
６８ 外側予歪みループ
６３ 内側予歪み関数ループ
７０ 外側予歪み関数ループ
６４ 増幅器
６６ 内側予歪み予測回路
７２ 外側予歪み予測回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信技術に関し、特に予歪み技術を用いて歪みを低減するシステムと方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
理想的なパワー増幅器は波形を変形させることなく入力信号を増幅する。それ故に理想的なパワー増幅器は、不連続性を有さない入力対出力が線形の伝達関数を有するものとして特徴づけることが出来る。しかし実際には、パワー増幅器の伝達関数は、非線形領域と線形領域を具備する。パワー増幅器が線形領域かあるいは非線形領域で動作するかは入力信号の大きさに一部依存する。線形動作を行うパワー増幅器は、可能な入力信号の振幅の範囲内で線形に動作するよう設計されている。入力信号の大きさがパワー増幅器の線形領域外で動作させる程度である場合には、パワー増幅器は非線形成分即ち歪みを信号に導入してしまう。
【０００３】
入力信号がピーク振幅値を有し、このピーク振幅値が増幅器を圧縮させたり飽和（入力の振幅値の増幅に伴って出力信号の振幅の顕著な増幅がない現象）させたり、あるいは ショットオフ（入力信号の振幅が減少しても出力信号の振幅が目立って減少しない現象）を起こさせると、出力信号は非線形の方法でクリップしたり歪ませたりする。一般的に増幅器はクリッピングしきい値を有するために、このクリッピングしきい値を越える大きさ（振幅）を有する入力信号は、増幅器の出力点でクリップされる。入力信号のクリッピング即ち非線形の歪みは、信号を歪ませるだけでなくスペクトラムの再成長を引き起こす、即ち隣接する周波数と干渉する隣接チャネルパワー（ＡＣＰ）を生成してしまう。
【０００４】
無線通信システムにおいては、送信するために信号を高パワーで増幅することは、大きなピークパワー対平均的パワーとの比率 （very large peak to average power ration ＰＡＲ）に直面することになる。例えば時分割多重アクセスＴＤＭＡシステム例えば Global System for Mobile Communications（ＧＳＭ）とNorth American （ＴＤＭＡ）においては、複数のキャリア信号がパワー増幅器でもって増幅するために組み合わされると、その結果得られたＰＡＲは大多数のキャリア信号に対しては約９−１０ｄＢとなる。符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）システムにおいては、単一負荷の１．２５Ｍｈｚワイドのキャリア信号は、通常１１．３ｄＢのＰＡＲを有する。直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムにおいては、マルチキャリア信号は、最大２０ｄＢのＰＡＲを有する。これらの信号は、ＡＣＰを生成するのを回避するために正確な直線性でもって増幅しなければならない。
【０００５】
ところが基地局の増幅器の効率はその線形性に反比例する。高レベルの線形性を達成するために、増幅器にバイアスをかけて、Ａ級にあるいは若干ＡＢ級で動作させている（ここでＡＢ級とはＢ級よりもＡ級に近い状態を意味する）。Ａ級動作で達成可能なＡＣからＤＣへの最大効率は５０％である。一方ＡＢ級の増幅器のそれは５０％と７８．５％の間にある。（後者はＢ級増幅器の最大効率を表す。）ＡＢ級の動作がＡ級の動作に近づくと最大効率が低下することになる。
【０００６】
一般的に現代の無線通信システムで厳密な線形性を要求すると、比較的非効率的なＡ級モード、あるいは若干ＡＢ級モードの利用が必要となってくる。その結果、大きなＤＣパワーが増幅器で消費され、この発熱を抑えて、増幅器の性能と信頼性の低下を回避しなければならない。そのため精巧なヒートシンクあるいはファンの利用が、高い線形性のシステムの副産物として必要となる。当然のことながらこれらの措置は、基地局設備のコストと大きさ及び重量を増やすことになる。無線通信システムのユーザの数が増えるにつれて基地局の数も増え、それらを小型軽量安価にする必要がある。かくして研究／開発の最終目標は、これらの通信システムあるいは他の通信システムにおいて、増幅器の効率を改善することに集中している。
【０００７】
様々な線形化方法を用いて線形性の許容可能なレベルを維持しながら、よりコスト的に安くかつパワー効率の良い増幅器の利用を可能にしているフィードフォーワド修正／補正が現代の増幅器で採用され、様々な入力パターンに対しメイン増幅器の非線形性を改善している。フィードフォーワド修正の要点は、フィードフォーワドパス上のメイン増幅器により生成された歪みを分離することである。歪みがフィードフォーワドパス上の修正増幅器に与えられ、この修正増幅器が歪みを更に増幅する。フィードフォーワドパス上の歪みは、メイン信号パス上の歪みと組み合わされて、メイン信号パス上の歪みをキャンセル（打ち消す）する。予歪み技術で増幅器の伝達関数特性を考慮に入れながら、増幅する前に入力信号を予め歪ませる。かくして必要な増幅された信号が、増幅器に入力する前に信号を意図的に歪ませることにより、予め歪んだ入力信号から得られ、その結果増幅器の非線形性が補償／改善される。
【０００８】
図１は、適応型パワー増幅器の予歪みシステム１０の機能ブロック図である。メイン信号パス１２上のベースバンドデジタル入力信号unが予歪み関数１４(A(.))に入力され、予め歪んだ出力xnを生成する。ｎはタイムインデックスである。Ｄ／Ａコンバータ１６によりデジタルからアナログへの変換後、その結果得られたアナログ信号を上方（高周波）変換回路１８で無線周波数ＲＦに高周波変換する。アナログＲＦ信号をパワー増幅器２０で増幅して、アンテナ２２を介して無線送信する。増幅されたアナログＲＦ信号のレプリカが、メイン信号パス１２から切り離されて予歪みフィードバックパス２４に加えられる。予歪みフィードバックパス２４上の増幅されたアナログＲＦ信号は、下方（低周波）変換回路２６により下方（低周波方向に）変換される。
【０００９】
下方変換されたアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ２８に与えられ、そこでデジタル領域に変換される。その結果得られたデジタル信号は、パワー増幅器２０の出力を表し、これが増幅器特性予測回路３０にデジタルベースバンド信号xnと共に与えられる。xnはパワー増幅器２０への対応する入力を表す。増幅する前のデジタル信号xnと、デジタル信号xnのアナログ形式で周波数変換されたバージョンの増幅された後得られたデジタル信号yuが与えられると、増幅器特性予測回路３０は、パワー増幅器２０の特性即ちモデル関数を決定する。パワー増幅器２０のモデル関数即ち特性関数が予測されると、予歪み計算回路３４は、予歪み関数を増幅器特性関数の逆数関数として決定し、入力信号unに与え加えられる予歪み関数１４(A(.))が予歪み計算回路３４に基づいて更新される。
【００１０】
図２は適応型デジタル予歪みシステムのブロック図である。パワー増幅器４０は、複素入力と複素出力を有するベースバンド関数B(.)で特徴づけられる。上記したように一般的に２つのステップに分割される適応型デジタル予歪みの多くの方法が存在する。第１のステップとして増幅器特性予測回路４２がパワー増幅器４０の特性即ちモデル関数B(.)を決定する。ここで適宜のモデル化とパラメータの予測の基づいたデル関数が必要である。入力サンプルxnと対応する増幅された出力サンプルynを用いて予歪み計算回路４４はパワー増幅器４０のモデルを時間に渡って決定する。第２のステップとして、予歪み計算回路４４は、予測予歪み関数をモデル関数B(.)の逆関数として決定し、デジタル入力信号unに加えられる予歪み関数４６を更新する。
【００１１】
一般にパワー増幅器４０の出力ynは、入力サンプル｛xn,xn-1,xn-2 …｝と、前の出力サンプル｛yn-1,yn-2,…｝の関数である。bをB(.)に対する計数ベクトルとすると、増幅器の特性の予測値は次式からｂを得る。
b=arg min E［|B(xn,xn-1,xn-2,yn-1,yn-2,…)-yn|2］
【００１２】
ここでE［.］は予測値でありｍarg min f(.)は、関数f(.)を最小にする関数f(.)の引数(arguments)を意味する。言い換えると、B(.)は、予測エラーB(.)-ynのパワーを最小にする計数ベクトルである。予歪み関数A(.)は、B(.)の逆関数を決定することにより得られる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
無線通信システムにおいて、潜在的に高いピークパワーがあるために、ＣＤＭＡ，ＴＤＭＡ，ＦＤＭＡの基地局は、通常ＡＢ級モードで動作し、これらのピークパワーを処理できる高電流でもってバイアスされる無線周波数増幅器を使用する。これらの増幅器の効率は通常１０％未満である。効率が低いために電力消費が増加し、全体的な信頼性が下がり動作温度が上がることになる。従って潜在的に高いピークパワーを有する信号を線形に増幅するより効率的なパワー増幅器が必要とされている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、歪み生成回路に入力される信号を調整するために、内側予歪み関数と、この内側予歪み関数に入力される信号を調整するための少なくとも１つの外側予歪み関数を用いる多段即ちネスティッド予歪みシステムと方法である。かくして内側予歪み関数は、歪み生成回路からの歪みを減らし、残った歪みは外側予歪み関数により減らすことが出来る。例えば歪み生成回路が増幅器であるような適応型予歪みシステムにおいては、内側予歪みループは内側予歪み関数を有し、この関数で増幅する前にメイン信号パス上の信号を歪ませる。内側予歪み関数は、内側予歪み関数の出力と、増幅器の出力等を用いて生成することが出来る。外側予歪みループは、外側予歪み関数を有し、この関数が内側予歪み関数に入る前に入力信号を歪ませる。外側予歪み関数は外側予歪み関数への出力と、内側予歪みループへの出力を用いて決定できる。かくして信号パス上の信号は、増幅する前に多段で予め歪みが与えられ、信号を増幅することにより生成される歪みを補償し、その結果得れた増幅信号の出力は歪みが減少した状態で生成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による適応型予歪みシステムと方法の実施例をネスティッド予歪みループを用いた例を用いて説明する。図３は、信号vnを歪ませて歪み生成回路(B(.))、例えば増幅器６４に入る予め歪んだ信号xnを生成するために、内側予歪み関数ループ６３内で実行される内側予歪み関数(Ain(.))を含む内側予歪みループ６２を用いたネスティッド予歪みシステム６０を示す。この実施例の内側予歪みループ６２内では、増幅器６４の出力ynと内側予歪み関数ループ６３の出力xnを内側予歪み予測回路６６が用いて、内側予歪み関数(Ain(.))を生成する。これは、例えば内側予歪み関数(Ain(.))を予測し決定し校正し更新することにより行われる。
【００１６】
ネスティッド予歪みシステム６０は、少なくとも１つの外側予歪み関数Aout(.)を含む少なくとも１個の外側予歪みループ６８を含む。図３に示した実施例においては、外側予歪みループ６８は、内側予歪みループ６２へ入力される予歪み信号vnを生成するために、内側予歪み関数ループ６３に入る前の入力信号unを歪ませるために、外側予歪み関数ループ７０内で実行される外側予歪み関数を含む。この実施例の外側予歪みループ６８内では、内側予歪みループ６２の出力ynと、外側予歪み関数ループ７０の出力vnを、外側予歪み予測回路７２が用いて外側予歪み関数Aout(.)を生成する。これは、例えば外側予歪み関数Aout(.)を予測し決定し校正し更新することにより行われる。かくして内側予歪みループ６２が増幅器６４の非線形性を減少させ、残った非線形性は外側予歪みループ６８が更に減少させる。
【００１７】
実施例によっては、内側と／外側の予歪み関数は、別の方法で生成することも出来る。例えば内側予歪み関数ループ６３は、上記に説明したように内側予歪み予測回路６６により生成されるが、これは増幅器６４の特性あるいはモデル関数B(.)を最初に決定することにより行われる。入力サンプルxnと対応する増幅された出力サンプルynを用いて、増幅器の特性決定関数を時間ごとに適応させることが出来る。次に予測関数をモデル関数B(.)の逆数として生成することができ、そして信号vnに適応される内側予歪み関数ループ６３を更新する。上記したように増幅器６４の出力ynは入力サンプル｛xn,xn-1,xn-2…｝と、前の出力サンプル｛yn-1,yn-2,…｝の関数である。bがB(.)の計数ベクトルとすると増幅器の特性の予測値は次式から得られる。
b=arg min E[|B(xn,xn-1,xn-2,…yn-1,yn-2,…)-yn|2],
【００１８】
ここでE[.]は予測値を表し、arg min f(.)は、関数f(.)を最小にするような関数f(.)の引数(arguments)を意味する。言い換えるとbは、予測値のパワーエラーB(.)-ynを最小にする計数ベクトルである。内側予歪み関数Ain(.)は、B(.)の逆関数を決定することにより得られる。
【００１９】
外側予歪み関数ループ７０は、上記したように外側予歪み予測回路７２により内側予歪みループ６２の特性、あるいはモデル関数(C(.))を最初に決定することにより生成される。入力サンプルvnと、対応する増幅出力サンプルynを用いて、内側予歪みループ６２の特性関数が時間ごとに決定される。次に予歪み関数は、内側予歪みループ６２に対するモデル関数の逆関数を用いて生成され、vnに加えられる外側予歪み関数ループ７０を更新する。内側予歪みループ６２の出力ynは入力サンプル{vn,vn-1,vn-2…}と、前の出力サンプル｛yn-1,yn-2,…｝の関数である。ｃが内側予歪みループ６２の特性関数の計数ベクトルとすると、内側予歪みループ特性の予測値は次式からｃが得られる。
c=arg min E[|c(vn,vn-1,vn-2,…yn-1,yn-2,…)-yn|2],
【００２０】
ここでE[.]は予測値を表し、arg min f(.)は、関数f(.)を最小にするような関数f(.)の引数(arguments)を意味する。言い換えるとcは、予測値のパワーエラーc(.)-ynを最小にする計数ベクトルである。外側予歪み関数Aout(.)は、c(.)の逆関数を決定することにより得られる。
【００２１】
本発明の他の実施例においては、内側予歪みループ６２，外側予歪みループ６８を含む追加された外側予歪みループはその含まれている予歪みループの特性を明らかにするために、更にまた追加された予歪み関数を生成するために、増幅器として処理することが出来る。このことは当業者に明らかなことである。
【００２２】
本発明の他の実施例においては、内側予歪み関数ループ６３と／外側予歪み関数ループ７０内で実行される内側／または外側予歪み関数は、増幅器（または含まれる予歪みループ）への入力と出力を用いて予歪み関数を直接予測することにより決定され、これは増幅器（または含まれる予歪みループ内）の特性関数とその逆関数を計算することなく行われる。例えば入力信号のシーケンス｛vn｝がブロック内側予歪み関数ループ６３内で実行される内側予歪み関数(Ain(.))に与えられ、予め歪んだ信号、即ち予歪み関数出力xn=AOin(vn)+Al(vn-1)+A2in(vn-2)…を得る。予め歪んだ信号シーケンス{xn}が増幅するために増幅器６４に与えられる。増幅された信号は入力信号{vn}と同一波形を有する信号シーケンス{yn}として生成されるが、その理由はAin(.)とB(.)は逆関数だからである。Ain(.)とB(.)が逆関数であるために信号シーケンス{yn}と{xn}はそれぞれ予歪み関数Ain(.)の入力と出力と見なすことが出来る。増幅器６４に対するモデルB(.)を決定し増幅器モデルB(.)からの逆関数Ain(.)を計算せずに、内側予歪み関数Ain(.)を、内側予歪み関数ループ６３の実際の出力xnと、増幅器６４の出力ynを用いて決定された内側予歪み関数ループ６３の予測出力を用いて、内側予歪み予測回路６６で直接予測できる。この実施例において予歪み関数Ain(.)は、次式に記載したように予測することが出来る。aをAin(.)の計数ベクトルとした場合に予歪み関数の予測値は次式からaを得ることである。
a=arg min E[|Ain(yn,yn-1,yn-2,…xn-1,xn-2,…)xn|2]
【００２３】
ブロック外側予歪み関数ループ７０内で実行される外側予歪み関数Aout(.)を直接決定するために、内側ループ内側予歪みループ６２は、特性関数C(.)を有する増幅器として処理することが出来る。例えば入力信号シーケンス｛un｝はブロック外側予歪み関数ループ７０内で実行される外側予歪み関数Aout(.)に加えられて予め歪んだ信号を生成する、あるいは予歪み関数の出力vn=A0out(un)+Alout(un-1)+A2out(un-2)…を出力する。信号の予め歪んだシーケンス｛vn｝は増幅するために内側ループ内側予歪みループ６２に与えられる。増幅された信号は信号シーケンス｛yn｝として生成され、その波形は入力信号｛un｝と同一であるが、その理由はAout(.)とC(.)は逆関数だからである。Aout(.)とC(.)が逆関数であるために、信号シーケンス{yn}と{un}はそれぞれ予歪み関数Aout(.)の入力と出力と見なすことが出来る。内側予歪みループ６２に対するモデルC(.)を決定し、モデルC(.)からの逆関数Aout(.)を計算せずに、外側予歪み関数Aout(.)を、外側予歪み回路７０の実際の出力vnと、内側予歪みループ６２の出力ynを用いて決定された外側予歪み回路７０の予測出力とを用いて、外側予歪み予測回路７２で直接予測される。この実施例において予歪み関数Aout(.)は次式に記載したように予測することが出来る。aをAout(.)の計数ベクトルとした場合に、予歪み関数の予測値は次式からaを得ることである。
a=arg min E[|Aout(yn,yn-1,yn-2,…un-1,un-2,…)un|2]
【００２４】
パワー増幅器は、信号周波数に依存するメモリー特性を有し、増幅器の出力は現在の入力の関数のみならず過去の入力と出力の関数である。かくしてこの実施例においては予歪みモデルは、現在のサンプルと少なくとも１つの過去のサンプルを用いて生成される。かくしてネスティッド予歪みシステム６０は、異なる信号の連続して時間的に離れたサンプルを保持する回路を含み、この回路は、遅延回路とシフトレジスターとバッファトアレイと連続する時間サンプルを保持／記憶するアレイまたは他の形態を含む。本発明の他の実施例においては予歪み関数は現在の入力信号に依存するが、入力信号にのみ依存するようにすることが出来るが、これによりメモリーのいらない予歪み回路を提供できる。
【００２５】
当業者に明らかなように、例えば異なる形式の多項予測式を用いて予歪み関数のモデルを選択することが出来る。予測とその実現は単に予歪みモデルを選択することにより容易となる。しかし予歪みモデルが一般的すぎると、予測回路とそれを実行する回路は複雑となる。予歪みモデル、あるいは関数によってはネスティッド予歪みシステム６０は別の方法で実現することが出来る。例えば内側予歪み予測回路６６と／または外側予歪み予測回路７２と／または内側予歪み関数ループ６３と／または外側予歪み関数ループ７０は予歪み関数を生成し、この予歪み関数を入力信号に加える処理回路を用いて位相と／または増幅を調整した信号を振幅と／位相調整器に加えて入力信号を歪ませることにより実行することが出来る。別の方法として内側予歪み予測回路６６と／または外側予歪み予測回路７２は予歪み関数を生成し、予歪み関数を入力信号に加える内側予歪み関数ループ６３と／または外側予歪み予測回路７２を更新する処理回路を用いて実現することが出来る。内側予歪み関数ループ６３と／または外側予歪み予測回路７２は、ルックアップテーブル例えばフィールドプログラマブルゲートアレイルックアップテーブル（処理回路により更新される）用いて位相と／または振幅と／または位相の調整器に加えて信号サンプルに基づいて入力信号を歪ませることも出来る。別の構成要素例えば混合機／加算機／ルックアップテーブル等を組み合わせて予歪み関数を予め歪ませるべき信号に加えることも出来る。
【００２６】
上記の実施例に加えて本発明による予歪みシステムの別の構成も素子を追加したり省いたり、あるいは上記の一部を変更したりすることにより可能である。例えば３個以上の予歪み関数、ステージ、ループを用いて予歪み生成回路に加える前に信号に予め歪みを加えることも出来る。更にまた予歪み回路またはその一部を、アナログ領域、またはデジタル領域、あるいは他の増幅器、あるいは電気回路内でベースバンド中間周波数（ＩＦ）、無線周波数（ＲＦ）で実現することも出来る。
【００２７】
本発明の予歪みシステムの実施例は、増幅器の出力点で生成される歪みを減らすために適応型の予歪み構成を例に説明したが、本発明の予歪みシステムは、１個あるいは複数の固定の予歪み関数を用いて信号に対し動作する歪み生成回路により生成された歪みを低減するために信号に予め歪みを加えるような多段の予歪みシステムで用いることが出来る。アプリケーションによっては予歪み回路はフィードフォーワド、あるいは他の線形、あるいは効率を改善した技術と共に、あるいはそれに加えて配置することも出来る。更にまた内側と外側の予歪み関数は別々のモデル、あるいは別々の予歪み関数予測、あるいは実行スキームを用いることも出来る。更にまた外側予歪みスキームは性能を改善するために既存の予歪みスキームの周囲で実行することも出来る。本発明の予歪みシステムは個々の機能ブロックの特定の構成を用いて説明したが本発明の予歪みシステム及びその１部は特定アプリケーション用の集積回路ソフトウエア駆動による処理回路ファームウエア、ハードウエア、ディスクリート部品、あるいはそれらの組み合わせを用いて実現することも出来る。
【００２８】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。尚、特許請求の範囲に記載した参照番号は発明の容易な理解のためで、その技術的範囲を制限するよう解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な適応型パワー増幅器の予歪みシステムの機能的ブロック図。
【図２】適応型パワー増幅器の予歪みシステムの一般的なモデルを表す図。
【図３】本発明によるネスティッド(nested)予歪み回路の機能ブロック図。
【符号の説明】
１０ 適応型パワー増幅器の予歪みシステム
１２ メイン信号パス
１４，４６ 予歪み関数
１６ Ｄ／Ａコンバータ
１８ 上方変換回路
２０，４０ パワー増幅器
２２ アンテナ
２４ 予歪みフィードバックパス
２６ 下方変換回路
２８ Ａ／Ｄコンバータ
３０，４２ 増幅器特性予測回路
３４，４４ 予歪み計算回路
６０ ネスティッド予歪みシステム
６２ 内側予歪みループ
６８ 外側予歪みループ
６３ 内側予歪み関数ループ
７０ 外側予歪み関数ループ
６４ 増幅器
６６ 内側予歪み予測回路
７２ 外側予歪み予測回路
Claims (4)
- （Ａ） 内側予歪み関数に与えるべき外側予歪み信号を生成するため、少なくとも１個の外側予歪み関数を用いて入力信号を調整するステップと、
（Ｂ） 歪み生成回路に与えるべき内側予歪み信号を生成するため、前記内側予歪み関数を用いて、前記外側予歪み信号を調整するステップと、
（Ｃ） 前記外側予歪み信号と前記歪み生成回路の出力とを用いて、前記外側予歪み関数を生成するステップと、
（Ｄ） 前記内側予歪み信号と前記歪み生成回路の出力とを用いて、前記内側予歪み関数を生成するステップと
を有することを特徴とする入力信号に予め歪みを加える方法。 - （Ｅ） 増幅器を前記歪み生成回路として用いるステップ
を有することを特徴とする請求項１記載の方法。 - （Ａ） 歪み生成回路と、
（Ｂ） 内側予歪み関数に与えるべき外側予歪み信号を生成するため少なくとも１個の外側予歪み関数を用いて入力信号を調整し、そして、歪み生成回路に与えるべき内側予歪み信号を生成するため、前記内側予歪み関数を用いて前記外側予歪み信号を調整するよう構成された予歪み回路網と
を有し、
前記予歪み回路網は、前記外側予歪み信号と前記歪み生成回路の出力とを用いて前記外側予歪み関数を生成し、そして、前記内側予歪み信号と前記歪み生成回路の出力とを用いて前記内側予歪み関数を生成するよう構成されている
ことを特徴とする予歪みシステム。 - 前記歪み生成回路は、増幅器である
ことを特徴とする請求項３記載のシステム。
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