JP4701024B2 - プリディストーション歪補償付き増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、プリディストーション歪補償付き増幅器に係り、とくに増幅器の出力レベルを安定化する機能を備えたプリディストーション歪補償付き増幅器に関するものである。

例えばＷ−ＣＤＭＡ（Wide-band Code Division Multiple Access：広帯域符号分割多元接続）方式を移動通信方式として採用する移動通信システムに備えられた基地局装置では、物理的に遠く離れた移動局装置の所まで無線信号を到達させる必要があるため、信号を増幅器で大幅に増幅することが必要となる。しかしながら、増幅器はアナログデバイスであるため、その入出力特性は非線形な関数となる。特に、飽和点と呼ばれる増幅限界以降では、増幅器に入力される電力が増大しても出力電力がほぼ一定となる。そして、この非線形な出力によって非線形歪が発生する。増幅前の送信信号は、その希望信号帯域外の信号成分が帯域制限フィルタによって低レベルに抑えられるが、増幅器通過後の信号では非線形歪が発生して希望信号帯域外（隣接チャネル）へ信号成分が漏洩する。例えば基地局装置では上記したように送信電力が高いため、このような隣接チャネルヘの漏洩電力の大きさは厳しく規定されており、このような隣接チヤネル漏洩電力をいかにして削減するかは重要な技術上の課題である。

上記の増幅器の非線形特性による歪みを補償して、増幅器の動作範囲をできるだけ拡大するための技術としては、プリディストーション歪補償方式が多く用いられている。図２は、プリディストーション歪補償方式を用いた増幅器の原理的構成を示すブロック図で、入力信号Ｓ_ＩＮの電力もしくは振幅あるいはその対数値が電力検出部２０１で検出される。以下では検出された電力もしくは振幅値の瞬時値（ベースバンド帯域では瞬時値でありキャリアで変調された後はエンベロープ値である）を入力レベルＬとする。歪補償テーブル２０２には、入力レベルＬの種々の値に対応した補償値Ｍが、入力レベルＬに対応したアドレスに格納されており、入力レベルＬが与えられると対応する補償値Ｍが読み出されてプリディストータ２０３へ出力される。プリディストータ２０３では、補償値Ｍによって入力信号Ｓ_ＩＮにプリディストーション（予歪み）を与えて増幅器２０４へ送出し、増幅器２０４はこれを増幅して出力信号Ｓ_ＯＵＴとする。ここで補償値Ｍによって入力信号Ｓ_ＩＮに与えられるプリディストーションが、増幅器２０４で発生する非線形歪みの逆特性となっていれば、出力信号Ｓ_ＯＵＴは入力信号Ｓ_ＩＮを線形回路で増幅したのと等価な信号となり、増幅器の非線形歪みが補償される。

なお、温度変化や電源電圧変動があると、とくに増幅器２０４の入出力特性も変化し、従ってその非線形特性も変化する。制御部２０５は、出力信号を監視して増幅器の特性変化があれば、それに応じた補償値を生成し、歪補償テーブルを更新する機能をもつ。

図２は、プリディストーション歪補償方式の原理的な構成を示したものであるが、例えば１６ＱＡＭのような直交変調方式を用いた基地局装置の場合には、入力信号Ｓ_ＩＮはベースバンドのＩ、Ｑ信号であり、また、歪補償テーブル２０２、制御部２０５等はディジタル回路で構成されており、一方増幅器２０４は無線周波帯の増幅器である。そしてＩ、Ｑベースバンド信号は図示を省略したＤ／Ａ変換器、直交変調器、周波数変換器等を経由して無線信号に変換され、増幅器２０４へ入力される。プリディストータ２０３は、ベースバンドＩ、Ｑ信号の段階で処理する回路か、あるいは直交変調後のアナログ信号の振幅、位相を補正する回路で構成される。さらに無線信号Ｓ_ＯＵＴを制御部２０５へ取り込む経路には、周波数変換器、直交復調器、Ａ／Ｄ変換器等が必要に応じて設けられる。

以上に説明したプリディストーション歪補償方式を用いた従来技術には、例えば特許文献１〜３に開示されたものがある。このうち特許文献１に記載の「歪補償回路及び方法」は、適応情報（温度、電源電圧、周波数等）が変化したときに必要となる歪補償テーブルの更新処理を短時間かつ簡単に行える技術を提案している。特許文献２に記載の「送信装置」は、ベースバンドＩ，Ｑ信号を無線信号に変換するためのＤ／Ａ変換器及び直交変調器で生じるＤＣオフセットにより歪補償が正しく行えなくなる問題を解決する技術を提案しており、また特許文献３に記載の「無線装置及び歪み補償方法」は、やはり上記直交変調器で生じるＤＣオフセットにより歪補償が正しく行えなくなる問題を解決する技術を提案している。
特開２００２−２６９９８号公報 特開２００１−２３７７２３号公報 特開平１０−６５５７０号公報

増幅器の特性は周囲温度や電源電圧の変化により変化するから、これらの環境条件の変化に応じた歪補償テーブルの更新は不可欠である。この歪補償テーブルの更新方法としては、増幅器出力に含まれる希望信号帯域外の信号成分を監視し、それが所定値を越えると、帯域外成分が減少する方向へ歪補償テーブルの補償値を少しづつ変化させる、攝動法とよばれる方法が用いられる。しかしこの方法で歪補償テーブルの更新を行うと、その更新結果を用いたプリディストーションによって増幅器出力の平均電力が変化してしまうことがあり、送信装置としては好ましくない。

本発明の目的は、上記問題を解決し、増幅器出力の平均電力が変化しないようにプリディストーションを与えることのできるプリディストーション歪補償付き増幅器を提供することにある。

本発明は、増幅器と、入力信号の電力もしくは振幅を検出し入力レベルとして出力する電力検出部と、増幅器の非線形特性を補償するための補償値を入力レベル対応に格納した歪補償テーブルと、増幅器出力に含まれる希望信号帯域外成分が所定値以下となるように前記補償値の更新を行う制御部と、前記電力検出部から出力された入力レベル対応に前記歪補償テーブルから読み出された補償値を用いて入力信号の振幅及び位相にプリディストーションを与えて増幅器への入力信号を生成するためのプリディストータとを備えたプリディストーション歪補償付き増幅器において、
前記プリディストータにおいて入力レベル対応の補償値により入力信号の振幅に与えられる振幅補償値を、全入力レベルに対して同じオフセット量だけ変化させるオフセット付与部を設けるとともに、
前記制御部は、前記補償値の更新を行ったときに前記入力レベルごとの振幅補償値の平均値を算出し、この平均値の符号を反転して前記オフセット量として出力する手段を備えたことを特徴とするプリディストーション歪補償付き増幅器を開示する。

また本発明は、増幅器と、入力信号の電力もしくは振幅を検出し入力レベルとして出力する電力検出部と、増幅器の非線形特性を補償するための補償値を入力レベル対応に格納した歪補償テーブルと、増幅器出力に含まれる希望信号帯域外成分が所定値以下となるように前記補償値の更新を行う制御部と、前記電力検出部から出力された入力レベル対応に前記歪補償テーブルから読み出された補償値を用いて入力信号の振幅及び位相にプリディストーションを与えて増幅器への入力信号を生成するためのプリディストータとを備えたプリディストーション歪補償付き増幅器において、
前記プリディストータにおいて入力レベル対応の補償値により入力信号の振幅に与えられる振幅補償値を、全入力レベルに対して同じオフセット量だけ変化させるオフセット付与部を設けるとともに、
前記入力レベルごとの出現回数を所定時間の間カウントする第１の手段と、前記補償値の更新を行ったときに前記入力レベルごとの振幅補償値の前記第１の手段によりカウントされた出現回数で重み付けした重み付き平均値を算出し、この重み付き平均値の符号を反転して前記オフセット量として出力する第２の手段とを備えたことを特徴とするプリディストーション歪補償付き増幅器を開示する。

更に本発明は、増幅器と、入力信号の振幅若しくは電力或いはそれらの対数値を検出し入カレベルとして出力する電力検出部と、前記入力レベルに基づいて前記増幅器の非線形特性を捕償する補償信号を発生させる補償信号発生手段（歪補償テーブル）と、前記補償信号を用いて前記入力信号に歪補償を施して増幅器に出力する歪補償手段（プリディストータ）と、前記増幅器の出力に含まれる歪が小さくなるように前記補償信号発生手段を制御する制御部とを備えるプリディストーション歪補償付き増幅器において、
前記補償信号発生手段は、前記補償信号の位相成分および振幅成分をそれぞれ、前記入力レベルについての４次以上で有限のべき関数であって、前記入力信号レベルの想定される範囲における複数点を中心に、歪補償手段に於いて奇数次の成分を生じさせる奇数次若しくは偶数次のどちらか一方の項のみ用いて展開された複数のテイラー級数の和で表現し、
前記制御部は、前記複数のテイラー級数の各項の係数を制御することを特徴とするプリディストーション歪補償付き増幅器を開示する。

増幅器出力の歪補償によるレベル変動はプリディストータで入力信号に与えられる振幅補償値に帰因する。従って振幅補償値の平均値もしくは入力レベル出現頻度による重み付き平均値を各入力レベル対応の振幅補償値から差し引いてプリディストーションを与えることにより、増幅器出力のレベル変動を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を詳しく説明する。まず、増幅器の非線形特性は、その振幅については図３に示したように、入力レベルが大きくなると利得が低下するという形で表れる。また位相については、図４に示したように、やはり入力レベルが大きくなると位相回転が減少する方向で変化する。この図３、４では示していないが、入力レベルが非常に小さいときにもこのような非線形特性が認められる。

上記のような非線形特性のうち、希望信号帯域及びその周辺に歪み成分を生じるのは、入力信号の３次、５次といった奇数次のべき乗の出力から生じる。そこで以下の実施例では、入力信号の３次、５次、及び７次の項より生じる歪みを（数１）〜（数３）に示した振幅補償値ＭＡ、位相補償値ＭＰにより補償するものとする。

（数１）〜（数３）においてＸは入力信号のレベルＬを０〜１の範囲に入るように正規化したものであり、係数ＬＡｎ、ＳＡｎはｎ次歪み補償のための振幅補償係数であり、係数ＬＰ_ｎ、ＳＰ_ｎはｎ次歪み補償のための位相補償係数である（ｎ＝３．５，７）。そして補償値ＭＡ１、ＭＰ１はＸが１に近づいたときの非線形特性の補正項、補償値ＭＡ２、ＭＰ２はＸが０に近づいたときの非線形特性の補正項である。この式が基本波成分を示す項を含んでいないこと、および偶数次歪を発生させる項を含んでいることに注目されたい。プリディストータが直交変調後のアナログ信号にプリディストーションを与えるときは（数１）〜（数３）からＸの値ごとに計算した補償値ＭＡ、ＭＰを歪補償テーブルに格納しておき、プリディストータではこの補償値で減衰器や位相器を制御することで増幅器１０４の入力信号を生成できる。また、プリディストータがベースバンドＩ、Ｑ信号の段階でプリディストーションを与えるときには、上記の補償値ＭＡ、ＭＰは直交成分Ｉ及びＱからなる複素形式の補償値に換算されて歪補償テーブルに格納され、この補償値と入力信号との複素乗算結果と入力信号を加算してプリディストーションを与えた信号とすることができる。

図１は、本発明のプリディストーション歪補償付き増幅器の原理的な構成を示したブロック図で、電力検出部１０１、歪補償テーブル１０２、プリディストータ１０３、増幅器１０４は図２に示したものと同等の機能をもつ。ここで歪補償テーブル１０２の補償値Ｍは、（数１）〜（数３）で説明した式により決定された値とする。制御部１０５は、図２の制御部２０５と同等の機能の他、送信出力Ｓ_ＯＵＴの平均電力を安定化させるためのオフセットΔＭを生成し、オフセット付与部１０６はオフセットΔＭを歪補償テーブルＭから出力された振幅補償値ＭＰに加算してプリディストータ１０３へ送る。

図５は、増幅器１０４の歪特性の変動に対応するために、制御部１０５が行う歪補償テーブル１０２の更新処理とそれに伴うオフセットΔＭの算出処理を示すフローチャートである。同図において、従来技術と同様に攝動法により歪補償テーブルの更新を行う。非線形特性の補償モデルが前述の（数１）〜（数３）の場合は、補償値を少しづつ変化させる方法として、例えば振幅補償係数ＬＡ_ｎ、ＳＡ_ｎ、位相補償係数ＬＰ_ｎ、ＳＰ_ｎを決められた順序でそれぞれ一定量づつ変化させることで、発生する希望信号帯域外の出力電力（歪）を検出しながら試行錯誤で歪を減少させる。そのため制御部は、それぞれの係数に与えるべき摂動量の少なくとも符号と、直前に検出された歪量を記憶している。

摂動量加算処理５０１では、係数の１つに、対応する記憶された摂動量を加算する。次に、テーブル値・平均値算出処理５０２では、歪補償テーブル１０２の各アドレスに対応する補償値Ｍを算出する。またそれと並行して、振幅補償値ＭＡの平均値を算出する。平均値は算出した振幅補償値を全て足し合わせて求めても良く、あるいは（数２）〜（数３）の定積分を予め計算式化しておき求めてよい。また、ベースバンドＩ／Ｑ信号に対しプリディストーションを行う場合、この時点で振幅補償値ＭＡと位相補償値ＭＰを複素形式に変換する。

次の処理５０３では、処理５０２で求めた振幅補償値平均値の符号を反転してオフセットΔＭとする。次の処理５０４では、求まったオフセット値をオフセット付与部に設定するとともに、歪補償テーブル１０２に補償値を書き出す。次の処理５０５では、更新されたテーブルを用いて歪補償を実行し、平均残留歪を検出する。このとき、オフセットΔＭが図１のオフセット付与部１０６で歪補償テーブル１０２から読み出された振幅補償値に加えられるので、プリディストータ１０３へ入力される振幅補償値の平均値は０になるから、非線形歪み補償による増幅器入力レベルの平均値変化も０となり、増幅器の出力信号Ｓ_ＯＵＴのレベル変動を抑制できる。但しプリディストーションの付与がベースバンドＩ、Ｑ信号に対して行われる場合には、オフセット付与部１０６はオフセットΔＭを振幅補償値に加えるのと等価な処理をＩ、Ｑ信号に対して行うものとする。

なお、処理５０２における平均値算出は、各入力レベル対応の振幅補償値の単純な平均をとるものとしたが、増幅器への平均入力レベル変動をより確実に抑制するためには、入力レベルＬの出現頻度を求め、その出現頻度で重み付けをした振幅補償値平均値を求めるのが望ましい。このための出現頻度検出法としては、一定時間ごとに各入力レベルＬの出現回数をカウンタでカウントすればよい。またすべての入力レベルについてのカウンタを省略し、複数個の連続した入力レベルを１つのレベル範囲にまとめ、そのレベル範囲ごとの出現回数をカウントするようにすれば、重み付け平均値を近似的に、より簡単な処理で得ることができる。また、予め入力信号のおおまかなＣＣＤＦ（Complementary Cumulative Distribution Function：累積分布補関数）がわかっている場合は、それに従い段階的な重み付け（例えば1、0.5、0.25、…）を行っても良い。

次に処理５０６では、検出された歪が前回つまり摂動を与える前より減少したか否かを判断する。そして減少している場合は何もせず次のステップに進み、減少していない場合に、処理５０７で、次回この係数に与える摂動量の符号を反転する。

最後に処理５０８では、検出された歪が規定レベル（目標値）以下か否かを判断する。規定レベル以下であれば、これ以上の摂動の付与は不要であるから、引き続き残留歪を検出するように処理５０５へ飛ぶ。規定レベル以上であれば、他の係数の更新も必要であるから処理５０１へ飛び、他の係数に対しても同様の摂動処理がなされる。

以上説明したように、歪補償値の振幅を一定にするためのオフセット処理は、テーブルが更新されるたびに繰り返される。なお、以上の説明では、歪補償テーブルから読み出された歪補償値に対してオフセット処理を施すようになっているが、これに限らず、歪補償値をテーブルに書き出す時点でオフセットを予め施しても良く、その場合オフセット付与部106が制御部105に内包されたことになる。

本発明のプリディストーション歪補償付き増幅器の構成を示すブロック図 プリディストーション歪補償付き増幅器の原理的構成を示すブロック図 増幅器の振幅特性例 増幅器の位相特性例 本発明の特徴とするオフセットの算出処理を示すフローチャート

符号の説明

１０１ 電力検出部
１０２ 歪補償テーブル
１０３ プリディストータ
１０４ 増幅器
１０５ 制御部
１０６ オフセット付与部

Claims (2)

1. 増幅器と、入力信号の電力もしくは振幅を検出し入力レベルとして出力する電力検出部と、増幅器の非線形特性を補償するための補償値を入力レベル対応に格納した歪補償テーブルと、増幅器出力に含まれる希望信号帯域外成分が所定値以下となるように前記補償値の更新を行う制御部と、前記電力検出部から出力された入力レベル対応に前記歪補償テーブルから読み出された補償値を用いて入力信号の振幅及び位相にプリディストーションを与えて増幅器への入力信号を生成するためのプリディストータとを備えたプリディストーション歪補償付き増幅器において、
   前記プリディストータにおいて入力レベル対応の補償値により入力信号の振幅に与えられる振幅補償値を、全入力レベルに対して同じオフセット量だけ変化させるオフセット付与部を設けるとともに、
   前記制御部は、前記補償値の更新を行ったときに前記入力レベルごとの振幅補償値の平均値を算出し、この平均値の符号を反転して前記オフセット量として出力する手段を備えたことを特徴とするプリディストーション歪補償付き増幅器。
2. 増幅器と、入力信号の電力もしくは振幅を検出し入力レベルとして出力する電力検出部と、増幅器の非線形特性を補償するための補償値を入力レベル対応に格納した歪補償テーブルと、増幅器出力に含まれる希望信号帯域外成分が所定値以下となるように前記補償値の更新を行う制御部と、前記電力検出部から出力された入力レベル対応に前記歪補償テーブルから読み出された補償値を用いて入力信号の振幅及び位相にプリディストーションを与えて増幅器への入力信号を生成するためのプリディストータとを備えたプリディストーション歪補償付き増幅器において、
   前記プリディストータにおいて入力レベル対応の補償値により入力信号の振幅に与えられる振幅補償値を、全入力レベルに対して同じオフセット量だけ変化させるオフセット付与部を設けるとともに、
   前記入力レベルごとの出現回数を所定時間の間カウントする第１の手段と、前記補償値の更新を行ったときに前記入力レベルごとの振幅補償値の前記第１の手段によりカウントされた出現回数で重み付けした重み付き平均値を算出し、この重み付き平均値の符号を反転して前記オフセット量として出力する第２の手段とを備えたことを特徴とするプリディストーション歪補償付き増幅器。
   

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