JP4312626B2 - フィードフォワード型歪補償増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、増幅器で発生する歪を定量的に検出し、増幅器の出力信号と検出した歪を合成し、出力信号から歪成分を相殺して送信するフィードフォワード型歪補償増幅器に関する。

無線通信システムの送信機は、送信する信号を電気的に増幅した後にアンテナから空中へ電波を送出するために、増幅器が不可欠になっている。一般に、増幅器の出力電力および出力位相特性は、入力電力が比較的高いときに非線形になる場合が多く、これらの発生により無線通信の品質が劣化し、これらが顕著になると結果として通信ができなくなる場合がある。

ここで、増幅器の入力電力に対する出力電力特性をＡＭ−ＡＭ特性といい、入力電力に対する出力位相特性をＡＭ−ＰＭ特性という。図８は、増幅器の非線形な入出力特性の例を示す。図において、横軸は入力電力（ＡＭ）、左縦軸は出力電力（ＡＭ）、右縦軸は出力位相（ＰＭ）を示し、実線はＡＭ−ＡＭ特性、破線はＡＭ−ＰＭ特性を表す。図に示すように、ＡＭ−ＡＭ特性およびＡＭ−ＰＭ特性は、ともに入力電力が小さい領域ではほぼ線形となっているが、入力電力が比較的大きい領域では非線形になっていることがわかる。

また、周波数が異なる複数の信号を同時に単一の増幅器で増幅する場合、前述の増幅器の非線形特性により相互変調歪（ＩＭ）が発生する。この場合の増幅器への入力信号と出力信号の各スペクトルの例を図９に示す。図９(a) は増幅器への入力信号スペクトルであり、f₁，f₂は入力信号周波数である。図９(b) は増幅器の出力信号スペクトルであり、増幅された入力信号 (f₁，f₂) の他に、３次相互変調歪（２f₁−f₂，２f₂−f₁）や５次相互変調歪（３f₁−２f₂，３f₂−２f₁）、さらに高次の奇数次相互変調歪（図示せず）が発生する。これらの奇数次相互変調歪は、信号周波数と同一または近傍の周波数に発生するため、通信品質に悪影響を与えるおそれがある。

ここでは簡単のために、入力信号を等振幅２波による線スペクトルで示したが、３波以上の複数スペクトルや変調信号等による帯域をもったスペクトルであっても同様であり、入力信号スペクトル数が多い場合にはさらに多くの組み合わせの相互変調歪が発生する。以下、相互変調歪を単に「歪」といい、増幅後の信号のうち歪を含まない信号を「希望信号」という。

歪を補償する方法としては、複数のスペクトルを有する信号を一括して補償可能なフィードフォワード型歪補償増幅器が提案されている。このフィードフォワード型歪補償増幅器は、次の２つのループにより構成される。第１のループは、歪を含む増幅器の出力信号から入力信号成分を除去して歪を検出する歪検出ループである。第２のループは、歪を含む増幅器の出力信号から歪検出ループで検出した歪を除去する歪除去ループである。

図１０は、従来のフィードフォワード型歪補償増幅器の構成例を示す（特許文献１）。図において、歪検出ループは、分配器１０１、主増幅器１０２、分配器１０３、遅延部１０４、位相・振幅制御部１０５、結合器１０６、分配器１０７、電力検出器１０８、電力最小化制御部１０９により構成され、主増幅器１０２の出力で発生する歪を定量的に検出する。歪除去ループは、遅延部２０１、結合器２０２、補助増幅器２０３、位相・振幅制御部２０４、分配器２０５、電力検出器２０６、電力最小化制御部２０７により構成され、歪検出ループで検出した歪を用いて主増幅器１０２で発生した歪を除去する。

以下、図１０の各部の信号ａ〜ｈの周波数スペクトル例を示す図１１を参照し、各ループの動作について説明する。ここでは、各構成要素の信号帯域に周波数特性がなく、歪が理想的に除去できるものとする。図１１におけるＳは希望信号、ＩＭは歪であり、上向きスペクトルと下向きスペクトルは互いに逆位相であることを示す。

＜歪検出ループ＞
入力信号ａは、分配器１０１で２つの経路に分配される。一方の経路の信号は主増幅器１０２で増幅され、希望信号と歪を含む信号ｂとなる。信号ｂは分配器１０３を介して歪除去ループへ出力されるとともに、その一部の信号ｃ（減衰した希望信号と歪）が結合器１０６へ入力される。分配器１０１で分配された他方の経路の信号は、遅延部１０４、位相・振幅制御部１０５を介して信号ｄとなり、結合器１０６へ入力される。遅延部１０４は、分配器１０１で２つの経路に別れて結合器１０６へ入力する信号ｃと信号ｄの時間差が等しくなるように調整する。結合器１０６で信号ｃと信号ｄを結合した信号ｅは、分配器１０７を介して歪除去ループへ出力されるとともに、その一部の信号が電力検出器１０８に入力され、ある周波数の信号電力が検出される。

電力最小化制御部１０９は、この信号電力が最小になるように位相・振幅制御部１０５を制御する。すなわち、結合器１０６で信号ｃと信号ｄが等振幅逆位相合成されるように信号ｄの振幅と位相を調整する。これにより、結合器１０６の出力は、増幅後に分配器１０３の分配によって減衰した希望信号と歪からなる信号ｃから、入力信号の振幅と位相を制御した信号ｄ（希望信号）が相殺されて歪のみの信号ｅとなり、分配器１０７から歪除去ループへ出力される。

＜歪除去ループ＞
主増幅器１０２で発生する歪のみの信号ｅは分配器１０７を介して補助増幅器２０３に入力され、増幅されて信号ｆとなる。信号ｆは、位相・振幅制御部２０４を介して信号ｇとなり、結合器２０２へ入力される。信号ｇは、歪検出ループで検出された歪のみの信号ｅを増幅し、振幅と位相が調整されたものである。一方、主増幅器１０２の出力信号ｂ（希望信号と歪）は分配器１０３を介して遅延部２０１に入力され、さらに結合器２０２へ入力される。遅延部２０１は、結合器２０２へ遅延部２０１を介して入力する信号と信号ｇの時間差が等しくなるように調整する。結合器２０２から出力される信号は分配器２０５に入力され、その一部の信号が電力検出器２０６に入力され、入力信号の帯域外で出力信号の歪成分のみが観測されるある周波数の電力が検出される。この電力を「帯域外歪電力」という。

電力最小化制御部２０７は、この帯域外歪電力が最小になるように位相・振幅制御部２０４を制御する。すなわち、結合器２０２で結合される歪成分が等振幅逆位相合成されるように、補助増幅器２０３で増幅された信号ｆの振幅と位相を調整する。これにより、結合器２０２の出力は、増幅された希望信号と歪からなる信号ｂから、増幅された歪のみの信号ｆの振幅と位相を制御した信号ｇが相殺されて歪を含まない希望信号のみとなり、分配器２０５から出力信号ｈとして出力される。

ところで、歪検出ループおよび歪除去ループの構成要素が信号帯域で周波数特性をもたない場合には、以上のようにして歪検出ループで歪のみを検出し、歪除去ループで主増幅器の歪を補償することができる。しかし、各ループの構成要素が信号帯域で周波数特性をもつ場合には、歪検出ループで希望信号成分が残留し、さらに歪除去ループで歪成分が残留することになる。ここで、歪検出ループおよび歪除去ループの構成要素が信号帯域で周波数特性をもつ場合に、図１０の各部の信号ａ〜ｈの周波数スペクトル例を示す図１２を参照して説明する。

従来の歪検出ループは、電力検出器１０８で信号帯域中の所定の参照周波数における信号電力を検出し、その信号電力が最小になるように制御する構成である。したがって、この参照した信号周波数の近傍では、図１２(e) に示すように、希望信号と歪から希望信号が除去されて歪のみが得られる。しかし、歪検出ループの各構成要素が信号帯域で周波数特性をもつ場合には、経路間に位相偏差および振幅偏差が発生することによって希望信号成分の等振幅逆位相が崩れ、図１２(e) に示すように、参照した信号周波数以外の信号帯域で希望信号成分が十分に抑圧されず、結合器１０６の出力に希望信号成分が残留する。

また、従来の歪除去ループは、電力検出器２０６で信号帯域外の所定の参照周波数における歪電力（帯域外歪電力）を検出し、その歪電力が最小になるように制御する構成である。したがって、この参照した帯域外周波数の近傍では、図１２(h) に示すように、希望信号と歪から歪が除去されて希望信号のみが得られる。しかし、歪除去ループの各構成要素が信号帯域で周波数特性をもつ場合には、経路間に位相偏差および振幅偏差が発生することによって歪成分の等振幅逆位相が崩れ、図１２(h) に示すように、信号帯域で歪成分が十分に抑圧されず、結合器２０５の出力に歪成分が残留する。なお、図１２に示す信号ｆ，ｇでは、簡単のために歪検出ループで残留した希望信号成分を省略しているが、その影響も無視できない。

また、特許文献２に記載のフィードフォワード型歪補償増幅器は、信号帯域の両端の周波数および帯域外周波数を参照し、補償可能な周波数の広帯域化を図る構成になっている。しかし、信号帯域内の周波数特性に十分に対応することができないので、場合によっては信号帯域内で十分な歪抑圧量を得ることができなかった。
特開平１−１９８８０９号公報 特開平５−３３５８４１号公報

従来のフィードフォワード型歪補償増幅器は、主増幅器の出力信号中の歪と、出力信号から検出した歪が等振幅逆位相の満たす範囲（参照した信号周波数近傍および帯域外周波数近傍）では高い歪抑圧効果があるが、信号の広帯域化に伴う信号帯域内の周波数特性が考慮されていなので、位相偏差および振幅偏差により歪抑圧量が低下する問題があった。

また、特許文献２に記載のように参照点を増やしても、帯域外歪成分を検出する歪除去ループでは信号帯域内で参照することはできないので、信号帯域内の周波数特性によっては信号帯域内で十分な歪抑圧量を得ることが困難であった。

本発明は、信号帯域内に周波数特性がある場合でも、信号帯域全体にわたって歪を抑圧し、信号電力対歪電力比の高い出力信号を得ることができるフィードフォワード型歪補償増幅器を提供することを目的とする。

請求項１，３に記載のフィードフォワード型歪補償増幅器は、所定の周波数の信号成分または信号帯域外のパイロット信号を相殺する歪検出ループを調整する機能と、このときの位相・振幅制御値と構成要素の周波数特性を基に信号帯域内の信号成分を低減する制御値を算出して歪検出ループを調整する機能を、交互または同時に行う構成である。

請求項２，４に記載のフィードフォワード型歪補償増幅器は、所定の周波数の帯域外歪成分または信号帯域外のパイロット信号を相殺する歪除去ループを調整する機能と、このときの位相・振幅制御値と構成要素の周波数特性を基に信号帯域内の歪成分を低減する制御値を算出して歪除去ループを調整する機能を、交互または同時に行う構成である。

請求項１，３に記載のフィードフォワード型歪補償増幅器は、歪検出ループにおいて、所定の周波数の信号電力または信号帯域外のパイロット信号の最小化処理と、信号帯域全体の信号成分の低減処理を交互または同時に行う構成により、信号帯域内で周波数特性がある場合でも広帯域に渡って信号成分を抑圧し、歪成分のみを検出することができる。

請求項２，４に記載のフィードフォワード型歪補償増幅器は、歪除去ループにおいて、所定の周波数の帯域外歪電力または信号帯域外のパイロット信号の最小化処理と、信号帯域全体の歪成分の低減処理を交互または同時に行う構成により、信号帯域内で周波数特性がある場合でも広帯域に渡って歪成分を抑圧し、信号成分のみを出力することができる。

また、本発明による歪検出ループと歪除去ループを組み合わせることにより、広帯域にわたって歪を抑圧し、信号電力対歪電力比の高い出力信号を得ることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明のフィードフォワード型歪補償増幅器の第１の実施形態を示す。図において、歪検出ループを構成する分配器１０１、主増幅器１０２、分配器１０３、遅延部１０４、位相・振幅制御部１０５、結合器１０６、分配器１０７、電力検出器１０８、電力最小化制御部１０９は、従来と同様に主増幅器１０２の出力で発生する歪を検出する。なお、位相・振幅制御部１０５は、分配器１０１から主増幅器１０２を経由して結合器１０６までの経路、あるいは分配器１０１から遅延部１０４を経由して結合器１０６までの経路のいずれにあってもよい。

歪除去ループを構成する遅延部２０１、結合器２０２、補助増幅器２０３、位相・振幅制御部２０４、分配器２０５、電力検出器２０６、電力最小化制御部２０７は、従来と同様に歪検出ループで検出した歪を用いて主増幅器１０２で発生した歪を除去する。なお、位相・振幅制御部２０４は、分配器１０３から遅延部２０１を経由して結合器２０２までの経路、あるいは分配器１０７から補助増幅器２０３を経由して結合器２０２までの経路のいずれにあってもよい。

歪検出ループにおいて本実施形態の特徴は、電力最小化制御部１０９で得られる位相・振幅制御部１０５の制御値に対して、周波数特性を考慮した補償データを生成する広帯域補償データ算出部１１０および周波数特性記憶部１１１と、位相・振幅制御部１０５に接続する電力最小化制御部１０９または広帯域補償データ算出部１１０を切り替える切替器１１２と、切替器１１２の切替動作に連動して電力最小化制御部１０９と広帯域補償データ算出部１１０との接続をオンオフするスイッチ１１３とを配置するところにある。

また、歪除去ループにおいて本実施形態の特徴は、電力最小化制御部２０７で得られる位相・振幅制御部２０４の制御値に対して、周波数特性を考慮した補償データを生成する広帯域補償データ算出部２０８および周波数特性記憶部２０９と、位相・振幅制御部２０４に接続する電力最小化制御部２０７または広帯域補償データ算出部２０８を切り替える切替器２１０と、切替器２１０の切替動作に連動して電力最小化制御部２０７と広帯域補償データ算出部２０８との接続をオンオフするスイッチ２１１とを配置するところにある。

以下、図１の各部の信号ａ〜ｊの周波数スペクトル例を示す図６を参照し、各ループの動作について説明する。図６におけるＳは希望信号、ＩＭは歪であり、上向きスペクトルと下向きスペクトルは互いに逆位相であることを示す。ここでは、各構成要素が信号帯域で周波数特性をもち、その情報が図７に示すような形態で、周波数特性記憶部１１１，２０９に保持されているものとする（詳しくは後述する）。

＜歪検出ループ＞
入力信号ａは、分配器１０１で２つの経路に分配される。一方の経路の信号は主増幅器１０２で増幅され、希望信号と歪を含む信号ｂとなる。信号ｂは分配器１０３を介して歪除去ループへ出力されるとともに、その一部の信号ｃ（減衰した希望信号と歪）が結合器１０６へ入力される。分配器１０１で分配された他方の経路の信号は、遅延部１０４、位相・振幅制御部１０５を介して信号ｄとなり、結合器１０６へ入力される。遅延部１０４は、分配器１０１で２つの経路に別れて結合器１０６へ入力する信号ｃと信号ｄの時間差が等しくなるように調整する。結合器１０６で信号ｃと信号ｄを結合した信号ｅは、分配器１０７を介して歪除去ループへ出力されるとともに、その一部の信号が電力検出器１０８に入力され、信号帯域内の所定の周波数の信号電力が検出される。

電力最小化制御部１０９は、この所定の周波数の信号電力が最小になるように切替器１１２を介して位相・振幅制御部１０５を制御することにより、希望信号と歪から参照した信号周波数近傍の希望信号が相殺された信号ｅが結合器１０６から出力される。ここまでの動作は、従来の歪検出ループと同様である。

電力最小化制御部１０９が位相・振幅制御部１０５に与える制御値は信号帯域内の所定の周波数の信号電力に対応したものであり、その制御値がスイッチ１１３を介して広帯域補償データ算出部１１０に入力される。広帯域補償データ算出部１１０は、周波数特性記憶部１１１に記憶されているその制御値に対応する周波数特性の値から、信号帯域全体の希望信号成分を低減する補償データを算出する。ここで、切替器１１２を切り替え、広帯域補償データ算出部１１０で算出された補償データを位相・振幅制御部１０５に設定する。これにより、結合器１０６の出力は信号ｉとなり、信号帯域全体において残留する希望信号成分が信号ｅに比べて減少する。

この信号ｉについて、電力検出器１０８が検出する信号帯域内の所定の周波数の信号電力は必ずしも最小にならない場合があり、電力最小化制御部１０９はこれを最小にする新たな制御値を出力しようとする。そこで、位相・振幅制御部１０５が広帯域補償データ算出部１１０の補償データにより制御されるときは、スイッチ１１３をオフにして電力最小化制御部１０９と広帯域補償データ算出部１１０との間を切断する。そのため、位相・振幅制御部１０５の補償データが固定になるので、適当なタイミングで切替器１１２を切り替え、スイッチ１１３をオンにする。

このように、(1) 電力最小化制御部１０９による信号帯域内の所定の周波数の信号電力の最小化処理と、(2) 広帯域補償データ算出部１１０による信号帯域全体の希望信号成分の低減処理について、切替器１１２およびスイッチ１１３により交互に繰り返すことにより、環境変化や経年変化等に追従して希望信号成分を低減することができる。

＜広帯域補償データ算出部１１０の動作＞
広帯域補償データ算出部１１０の動作と、周波数特性記憶部１１１が保有するデータについて説明する。

周波数特性記憶部１１１は、図７に示すように、環境変化や経年変化等に応じた各種変化の想定範囲内で、信号帯域内の所定の周波数の希望信号成分を最小化するために位相・振幅制御部１０５に設定する制御値Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，…と、各制御値ごとに各構成要素の周波数特性を保有している。Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，…は、振幅と位相情報を含んだ複素数の値である。ｆ₁ ，ｆ₂ ，…は信号帯域内の各周波数であり、電力検出器１０８はその中の１つの周波数における信号電力を検出している。Ａは各構成要素の振幅の周波数特性、θは各構成要素の位相の周波数特性であり、それぞれ構成要素ごとに制御値Ｓと周波数ｆの関数になっている。

広帯域補償データ算出部１１０は、電力最小化制御部１０９から所定の周波数（ここではｆ₁ とする）の信号電力が最小となるときの位相・振幅制御部１０５の制御値を読み込み、これに最も近い制御値（ここではＳ₁ とする）を周波数特性記憶部１１１から探索してその値における周波数特性を読み込み、経路間の信号帯域内の振幅偏差および位相偏差を以下のように算出する。ここでは、主増幅器１０２のみに周波数特性があるものとして説明する。

ｆ₁ における振幅偏差および位相偏差はともに０であるが、ｆ₂ におけるｆ₁ を基準とした振幅偏差はＡa(S₁,f₂)−Ａa(S₁,f₁)［dB］、位相偏差はθa(S₁,f₂)−θa(S₁,f₁)［deg]であり、同様にｆ_m まで算出し、振幅偏差の最大値をＡ、位相偏差の最大値をθとする。すなわち、経路間の振幅偏差が０〜Ａ［dB］、位相偏差が０〜θ［deg]の範囲にあると算出されたときに、振幅偏差が最大値をとる周波数と位相偏差が最大値をとる周波数が同一とすれば、この周波数における希望信号抑圧量Ｋ［dB］は、
Ｋ＝20 log｜１−Ｐexp(jθ)｜、Ｐ＝10^A/20
と表される（参考文献：野島，楢崎、「移動通信用超低歪多周波共通増幅器−自己調整型フィードフォワード増幅器−」、RCS90-4 、pp.21-28) 。

広帯域補償データ算出部１１０は、信号帯域全体の希望信号成分を低減する、すなわち希望信号抑圧量Ｋを最小化するには、信号帯域内に発生する振幅偏差の真数と位相偏差が正負に均等となる値に、位相・振幅制御部１０５の制御値を補正する必要がある。そこで、広帯域補償データ算出部１１０は、電力最小化制御部１０９で求まった位相・振幅制御部１０５の制御値Ｓ₁ の振幅に対して−20log(2／(Ｐ＋１))［dB］を加算し、位相に対してθ／２［deg]を加算し、位相・振幅制御部１０５に設定する補償データとする。

これにより、振幅偏差が
20log(２／(Ｐ＋１))〜Ａ＋20log(２／(Ｐ＋１))［dB］
の範囲となり、位相偏差が
−θ／２〜θ／２［deg]
の範囲となり、希望信号抑圧量Ｋ［dB］の最大値は、
Ｋ＝20 log｜１−Ｐ×10^{20log(2/(P+1))}exp(jθ／２)｜
＜20 log｜１−Ｐexp(jθ)｜
となり、電力最小化制御部１０９で求まった位相・振幅制御部１０５の制御値Ｓ₁ よりも希望信号成分が低減される。

図５は、振幅偏差および位相偏差に対する信号抑圧量の関係を示す（前記参考文献）。図中の(1) は、所定の周波数の信号電力を最小化した際の信号抑圧量の変化を示す例である。所定の周波数において、振幅偏差および位相偏差がともに０になるように制御され、その結果として信号抑圧量も０に収束する。図中の(2) は、所定の周波数における制御値に対して信号帯域全体の信号電力を低減する際の信号抑圧量の変化を示す例である。信号帯域全体の信号抑圧量は必ずしも０に収束しないが、信号帯域全体における信号抑圧量の最悪値が改善し、(1) に比べて信号帯域全体の信号抑圧量を高い範囲に収めることができる。

＜歪除去ループ＞
主増幅器１０２で発生する歪に対応する信号ｅ，ｉは分配器１０７を介して補助増幅器２０３に入力され、増幅されて信号ｆとなる。信号ｆは、位相・振幅制御部２０４を介して信号ｇとなり、結合器２０２へ入力される。信号ｇは、歪検出ループで検出された歪に対応する信号ｅ，ｉを増幅し、振幅と位相が調整されたものである。一方、主増幅器１０２の出力信号ｂ（希望信号と歪）は分配器１０３を介して遅延部２０１に入力され、さらに結合器２０２へ入力される。遅延部２０１は、結合器２０２へ遅延部２０１を介して入力する信号と信号ｇの時間差が等しくなるように調整する。結合器２０２から出力される信号は分配器２０５に入力され、その一部の信号が電力検出器２０６に入力され、信号帯域外の所定の周波数における帯域外歪電力が検出される。

電力最小化制御部２０７は、この帯域外歪電力が最小になるように切替器２１０を介して位相・振幅制御部２０４を制御することにより、希望信号と歪から参照した帯域外周波数近傍の歪が相殺された信号ｈが結合器２０２から出力される。ここまでの動作は、従来の歪除去ループと同様である。

電力最小化制御部２０７が位相・振幅制御部２０４に与える制御値は所定の周波数の帯域外歪電力に対応したものであり、その制御値がスイッチ２１１を介して広帯域補償データ算出部２０８に入力される。広帯域補償データ算出部２０８は、周波数特性記憶部２０９に記憶されているその制御値に対応する周波数特性の値から、信号帯域全体の歪電力を低減する補償データを算出する。ここで、切替器２１０を切り替え、広帯域補償データ算出部２０８で算出された補償データを位相・振幅制御部２０４に設定する。これにより、結合器２０２の出力は信号ｊとなり、信号帯域全体において残留する歪成分が信号ｈに比べて減少する。

この信号ｊについて、電力検出器２０６が検出する所定の周波数の帯域外歪電力は必ずしも最小にならない場合があり、電力最小化制御部２０７はこれを最小にする新たな制御値を出力しようとする。そこで、位相・振幅制御部２０４が広帯域補償データ算出部２０８の補償データにより制御されるときは、スイッチ２１１をオフにして電力最小化制御部２０７と広帯域補償データ算出部２０８との間を切断する。そのため、位相・振幅制御部２０４の補償データが固定になるので、適当なタイミングで切替器２１０を切り替え、スイッチ２１１をオンにする。

このように、(1) 電力最小化制御部２０７による帯域外歪電力の最小化処理と、(2) 広帯域補償データ算出部２０８による信号帯域全体の歪電力の低減処理について、切替器２１０およびスイッチ２１１により交互に繰り返すことにより、環境変化や経年変化等に追従して歪成分を低減することができる。

なお、周波数特性記憶部２０９が保有するデータに基づいて広帯域補償データ算出部２０８が補償データを算出する動作については、歪検出ループの広帯域補償データ算出部１１０と同様である。

また、本実施形態では、歪検出ループと歪除去ループを組み合わせた構成として説明したが、それぞれの動作は互いに独立であり、その一方のループが従来構成のままでもよいし、また別な手段により広帯域化を図る構成であってもよい。例えば、歪検出ループでは、信号帯域内のサンプリング点を増やし、その平均電力値に応じて位相・振幅制御部１０５を制御してもよい。以下に示す実施形態においても同様である。

（第２の実施形態）
図２は、本発明のフィードフォワード型歪補償増幅器の第２の実施形態を示す。図において、歪検出ループを構成する分配器１０１、主増幅器１０２、分配器１０３、遅延部１０４、位相・振幅制御部１０５、結合器１０６は、従来と同様に主増幅器１０２の出力で発生する歪を検出する。歪除去ループを構成する遅延部２０１、結合器２０２、補助増幅器２０３、位相・振幅制御部２０４は、従来と同様に歪検出ループで検出した歪を用いて主増幅器１０２で発生した歪を除去する。

本実施形態では、さらに歪検出ループの遅延部１０４、位相・振幅制御部１０５、結合器１０６に対応する遅延部１１４、位相・振幅制御部１１５、結合器１１６と、電力検出器１０８および電力最小化制御部１０９で構成される補助歪検出ループを構成し、主増幅器１０２の出力を分配器１１７で分配して結合器１１６に入力し、分配器１０１から遅延部１０４に分配された入力信号を分配器１１８で分配して遅延部１１４に入力する。なお、位相・振幅制御部１１５は、分配器１１７から結合器１１６までの経路、あるいは分配器１１８から遅延部１１４を経由して結合器１１６までの経路のいずれにあってもよい。

また、本実施形態では、さらに歪除去ループの遅延部２０１、結合器２０２、位相・振幅制御部２０４に対応する遅延部２１２、結合器２１３、位相・振幅制御部２１４と、電力検出器２０６および電力最小化制御部２０７で構成される補助歪除去ループを構成し、分配器１０３から遅延部２０１に分配された信号を分配器２１５で分配して遅延部２１２に入力し、補助増幅器２０３の出力を分配器２１６で分配して位相・振幅制御部２１４に入力する。なお、位相・振幅制御部２１４は、分配器２１５から遅延部２１２を経由して結合器２１３までの経路、あるいは分配器２１６から結合器２１３までの経路のいずれにあってもよい。

本実施形態の特徴は、補助歪検出ループの電力最小化制御部１０９で得られる位相・振幅制御部１１５の制御値に対して、周波数特性を考慮した補償データを生成する広帯域補償データ算出部１１０および周波数特性記憶部１１１を備え、その補償データによって歪検出ループの位相・振幅制御部１０５を制御するところにある。これにより、補助歪検出ループで得られる所定の周波数の信号電力を最小にする制御値を用いて、信号帯域全体の信号電力を低減する補償データを逐次更新し、歪検出ループの位相・振幅制御部１０５に設定することができる。すなわち、第１の実施形態において切り替えていた (1)電力最小化制御部１０９による所定の周波数の信号電力の最小化処理と、(2) 広帯域補償データ算出部１１０による信号帯域全体の信号電力の低減処理を同時に実行することができ、環境変化や経年変化等に追従して信号帯域全体の信号電力を抑圧し、歪成分のみを出力することができる。

なお、周波数特性記憶部１１１が保有するデータに基づいて広帯域補償データ算出部１１０が補償データを算出する動作については、第１の実施形態の歪検出ループの広帯域補償データ算出部１１０と同様である。

また、本実施形態の特徴は、補助歪除去ループの電力最小化制御部２０７で得られる位相・振幅制御部２１４の制御値に対して、周波数特性を考慮した補償データを生成する広帯域補償データ算出部２０８および周波数特性記憶部２０９を備え、その補償データによって歪除去ループの位相・振幅制御部２０４を制御するところにある。これにより、補助歪除去ループで得られる帯域外歪電力を最小にする制御値を用いて、信号帯域全体の歪電力を低減する補償データを逐次更新し、歪除去ループの位相・振幅制御部２０４に設定することができる。すなわち、第１の実施形態において切り替えていた (1)電力最小化制御部２０７による帯域外歪電力の最小化処理と、(2) 広帯域補償データ算出部２０８による信号帯域全体の歪電力の低減処理を同時に実行することができ、環境変化や経年変化等に追従して信号帯域全体の歪電力を抑圧し、信号成分のみを出力することができる。

なお、周波数特性記憶部２０９が保有するデータに基づいて広帯域補償データ算出部２０８が補償データを算出する動作については、第１の実施形態の歪除去ループの広帯域補償データ算出部２０８と同様である。

（第３の実施形態）
第１の実施形態の歪検出ループの電力最小化制御部１０９および歪除去ループの電力最小化制御部２０７は、検出される信号電力および帯域外歪電力が最小になるように制御することで歪成分を抑圧する構成であった。そのため、電力最小化制御部１０９，２０７の調整には、信号が必ず入力されることが前提であった。第３の実施形態では、入力信号が断続する、あるいは断の場合でも調整が可能なように、等振幅逆位相合成の対象として信号帯域外のパイロット信号を用いる構成を特徴とする。

図３は、本発明のフィードフォワード型歪補償増幅器の第３の実施形態を示す。図において、信号帯域外のパイロット信号を発生する発振器３０１を備え、このパイロット信号を結合器３０２を介して分配器１０１の手前から歪検出ループに入力する。歪検出ループの構成および動作は第１の実施形態と同様である。すなわち、電力検出器１０８は信号帯域外のパイロット信号の電力を検出し、電力最小化制御部１０９はこの信号電力が最小になるように位相・振幅制御部１０５を制御する。次に、切替器１１２により広帯域補償データ算出部１１０と位相・振幅制御部１０５を接続し、第１の実施形態と同様に信号帯域全体の信号成分を低減する補償データを算出して位相・振幅制御部１０５に設定する。

また、信号帯域外のパイロット信号を発生する発振器３０３を備え、このパイロット信号を結合器３０４を介して分配器１０３の手前から歪除去ループに入力する。歪除去ループの構成および動作は第１の実施形態と同様である。すなわち、電力検出器２０６は信号帯域外のパイロット信号の電力を検出し、電力最小化制御部２０７はこの信号電力が最小になるように位相・振幅制御部２０４を制御する。次に、切替器２１０により広帯域補償データ算出部２０８と位相・振幅制御部２０４を接続し、第１の実施形態と同様に信号帯域全体の歪成分を低減する補償データを算出して位相・振幅制御部２０４に設定する。

このように、歪検出ループにおいて参照する信号が信号帯域内の信号から信号帯域外のパイロット信号に変わった点と、歪除去ループにおいて参照する信号が帯域外歪電力から信号帯域外のパイロット信号に変わった点を除いて、基本的な動作は第１の実施形態と同様である。

（第４の実施形態）
第２の実施形態の補助歪検出ループの電力最小化制御部１０９および補助歪除去ループの電力最小化制御部２０７は、検出される信号電力および帯域外歪電力が最小になるように制御することで歪成分を抑圧する構成であった。そのため、電力最小化制御部１０９，２０７の調整には、信号が必ず入力されることが前提であった。第４の実施形態では、入力信号が断続する、あるいは断の場合でも調整が可能なように、等振幅逆位相合成の対象として信号帯域外のパイロット信号を用いる構成を特徴とする。

図４は、本発明のフィードフォワード型歪補償増幅器の第４の実施形態を示す。図において、信号帯域外のパイロット信号を発生する発振器３０１を備え、このパイロット信号を結合器３０２を介して分配器１０１の手前から歪検出ループに入力する。歪検出ループおよび補助歪検出ループの構成および動作は第２の実施形態と同様である。すなわち、電力検出器１０８は信号帯域外のパイロット信号の電力を検出し、電力最小化制御部１０９はこの信号電力が最小になるように位相・振幅制御部１１５を制御するとともに、広帯域補償データ算出部１１０は、第２の実施形態と同様に信号帯域全体の信号成分を低減する補償データを算出して位相・振幅制御部１０５に設定する。

また、信号帯域外のパイロット信号を発生する発振器３０３を備え、このパイロット信号を結合器３０４を介して分配器１０３の手前から歪除去ループに入力する。歪除去ループおよび補助歪除去ループの構成および動作は第２の実施形態と同様である。すなわち、電力検出器２０６は信号帯域外のパイロット信号の電力を検出し、電力最小化制御部２０７はこの信号電力が最小になるように位相・振幅制御部２１４を制御するとともに、広帯域補償データ算出部２０８は、第２の実施形態と同様に信号帯域全体の歪成分を低減する補償データを算出して位相・振幅制御部２０４に設定する。

このように、歪検出ループおよび補助歪検出ループにおいて参照する信号が信号帯域内の信号から信号帯域外のパイロット信号に変わった点と、歪除去ループおよび補助歪除去ループにおいて参照する信号が帯域外歪電力から信号帯域外のパイロット信号に変わった点を除いて、基本的な動作は第２の実施形態と同様である。

本発明のフィードフォワード型歪補償増幅器の第１の実施形態を示す図。 本発明のフィードフォワード型歪補償増幅器の第２の実施形態を示す図。 本発明のフィードフォワード型歪補償増幅器の第３の実施形態を示す図。 本発明のフィードフォワード型歪補償増幅器の第４の実施形態を示す図。 振幅偏差および位相偏差と抑圧量の関係を示す図。 第１および第２の実施形態の各部の周波数スペクトルの例を示す図。 周波数特性記憶部の例を示す図。 増幅器の非線形特性の例を示す図。 増幅器の入力信号と出力信号のスペクトルの例を示す図。 従来のフィードフォワード型歪補償増幅器の構成例を示す図。 各構成要素が周波数特性をもたない場合の従来構成の各部の周波数スペクトルの例を示す図。 各構成要素が周波数特性をもつ場合の従来構成の各部の周波数スペクトルの例を示す図。

符号の説明

１０１、１０３、１０７、１１７、１１８、２０５、２１５、２１６ 分配器
１０２ 主増幅器
１０４、１１４、２０１、２１２ 遅延部
１０５、１１５、２０４、２１４ 位相・振幅制御部
１０６、１１６、２０２、２１３、３０２、３０４ 結合器
１０８、２０６ 電力検出器
１０９、２０７ 電力最小化制御部
１１０、２０８ 広帯域補償データ算出部
１１１、２０９ 周波数特性記憶部
１１２、２１０ 切替器
１１３、２１１ スイッチ
２０３ 補助増幅器
３０１、３０３ 発振器

Claims (4)

1. 非線形な入出力特性を有する増幅器と、
   前記増幅器の入力信号と出力信号の等振幅逆位相合成により信号成分を相殺し、前記増幅器の出力信号に含まれる前記増幅器で発生する歪を検出する歪検出手段と、
   前記増幅器の出力信号と前記歪検出手段で検出された歪の等振幅逆位相合成により歪成分を相殺し、歪のない出力信号を出力する歪除去手段と
   を備えたフィードフォワード型歪補償増幅器において、
   前記歪検出手段は、
   所定の周波数の信号成分を相殺する位相・振幅制御値を出力する電力最小化制御部を有する第１の歪検出手段と、
   前記増幅器の出力信号の信号帯域内の信号成分を低減し、前記増幅器で発生する歪を検出する第２の歪検出手段と、
   前記位相・振幅制御値に対応する前記第２の歪検出手段の各構成要素の周波数特性を保持する周波数特性記憶部と、
   前記周波数特性記憶部が保持する周波数特性を基に、前記位相・振幅制御値を信号帯域内の信号成分を低減する制御値に補正し、前記第２の歪検出手段の位相・振幅制御値として出力する広帯域補償データ算出部と
   を備えたことを特徴とするフィードフォワード型歪補償増幅器。
2. 非線形な入出力特性を有する増幅器と、
   前記増幅器の入力信号と出力信号の等振幅逆位相合成により信号成分を相殺し、前記増幅器の出力信号に含まれる前記増幅器で発生する歪を検出する歪検出手段と、
   前記増幅器の出力信号と前記歪検出手段で検出された歪の等振幅逆位相合成により歪成分を相殺し、歪のない出力信号を出力する歪除去手段と
   を備えたフィードフォワード型歪補償増幅器において、
   前記歪除去手段は、
   所定の周波数の帯域外歪成分を相殺する位相・振幅制御値を出力する電力最小化制御部を有する第１の歪除去手段と、
   前記増幅器の出力信号の信号帯域内の歪成分を低減し、歪のない出力信号を出力する第２の歪除去手段と、
   前記位相・振幅制御値に対応する前記第２の歪除去手段の各構成要素の周波数特性を保持する周波数特性記憶部と、
   前記周波数特性記憶部が保持する周波数特性を基に、前記位相・振幅制御値を信号帯域内の歪成分を低減する制御値に補正し、前記第２の歪除去手段の位相・振幅制御値として出力する広帯域補償データ算出部と
   を備えたことを特徴とするフィードフォワード型歪補償増幅器。
3. 非線形な入出力特性を有する増幅器と、
   前記増幅器の入力信号と出力信号の等振幅逆位相合成により信号成分を相殺し、前記増幅器の出力信号に含まれる前記増幅器で発生する歪を検出する歪検出手段と、
   前記増幅器の出力信号と前記歪検出手段で検出された歪の等振幅逆位相合成により歪成分を相殺し、歪のない出力信号を出力する歪除去手段と
   を備えたフィードフォワード型歪補償増幅器において、
   前記歪検出手段は、
   信号帯域外のパイロット信号を相殺する位相・振幅制御値を出力する電力最小化制御部を有する第１の歪検出手段と、
   前記増幅器の出力信号の信号帯域内の信号成分を低減し、前記増幅器で発生する歪を検出する第２の歪検出手段と、
   前記位相・振幅制御値に対応する前記第２の歪検出手段の各構成要素の周波数特性を保持する周波数特性記憶部と、
   前記周波数特性記憶部が保持する周波数特性を基に、前記位相・振幅制御値を信号帯域内の信号成分を低減する制御値に補正し、前記第２の歪検出手段の位相・振幅制御値として出力する広帯域補償データ算出部と
   を備えたことを特徴とするフィードフォワード型歪補償増幅器。
4. 非線形な入出力特性を有する増幅器と、
   前記増幅器の入力信号と出力信号の等振幅逆位相合成により信号成分を相殺し、前記増幅器の出力信号に含まれる前記増幅器で発生する歪を検出する歪検出手段と、
   前記増幅器の出力信号と前記歪検出手段で検出された歪の等振幅逆位相合成により歪成分を相殺し、歪のない出力信号を出力する歪除去手段と
   を備えたフィードフォワード型歪補償増幅器において、
   前記歪除去手段は、
   信号帯域外のパイロット信号を相殺する位相・振幅制御値を出力する電力最小化制御部を有する第１の歪除去手段と、
   前記増幅器の出力信号の信号帯域内の歪成分を低減し、歪のない出力信号を出力する第２の歪除去手段と、
   前記位相・振幅制御値に対応する前記第２の歪除去手段の各構成要素の周波数特性を保持する周波数特性記憶部と、
   前記周波数特性記憶部が保持する周波数特性を基に、前記位相・振幅制御値を信号帯域内の歪成分を低減する制御値に補正し、前記第２の歪除去手段の位相・振幅制御値として出力する広帯域補償データ算出部と
   を備えたことを特徴とするフィードフォワード型歪補償増幅器。

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