JP4755651B2 - 非線形歪検出方法及び歪補償増幅装置 - Google Patents
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Description
図7に示すように、変調信号を入力したときに非線形歪によりスペクトラムが広がり、相互変調歪(IM3,IM5)が発生する。図からもわかるように、相互変調歪は、変調信号の離調周波数と同じ周波数間隔で出現する。この相互変調歪を改善するために歪補償が広く行われている。
プリディストーションは、電力増幅器の逆特性を前段に設けることで、相互変調歪を低減する方法であり、この逆特性を、温度変化や個体差に応じて適応的に制御する。
図8に示すように、従来の電力増幅器は、プリディストータ1と、D/A変換器2と、直交変調器3と、発振器4と、電力増幅器5と、方向性結合器6と、ミキサ7と、発振器8と、A/D変換器9と、歪検出部12と、制御部13とから構成されている。歪検出部12は更に、FFT演算部(図ではFFT)10と、IM演算部11とから構成されている。
D/A変換器2は、歪補償されたディジタル入力信号をアナログ信号に変換するものである。
発振器4は、RF周波数を発振するものである。
直交変調器3は、入力されたアナログ信号を直交変調して発振器4の周波数でアップコンバートするものである。
電力増幅器5は、入力されたRF信号を所定の増幅率で増幅して出力するものである。
ミキサ7は、発振器8からの信号と方向性結合器6から分岐された信号とを合成してIF周波数にダウンコンバートするものである。
A/D変換器9は、ダウンコンバートされた信号をクロック2(CLK2)でA/D変換してサンプリングするものである。
歪検出部12のFFT演算部10は、入力された信号をFFT(Fast Fourier Transform;高速フーリエ変換)によってスペクトラムを求めるものである。
IM演算部11は、変調信号のキャリア数とその離調周波数から相互変調歪の周波数を算出し、スペクトラムに基づいて、当該周波数における電力値を歪値として制御部13に出力するものである。
そして、制御部13は、入力された歪値が小さくなるようにプリディストータを適応的に制御するものである。
デジタルI/Q形式で入力されたIF周波数の入力信号は、プリディストータ1で電力増幅器の非線形歪の逆特性が付加されて、D/A変換器2でアナログ信号に変換され、直交変調器3で直交変調されると共にRF周波数にアップコンバートされ、電力増幅器5で所定の増幅率で増幅されて出力される。
そして、制御部13が、歪値を小さくするよう、プリディストータを適応的に制御するようになっている。
y=x+α・|x|2・x+β・|x|4・x+γ・|x|6・x 式(1)
ここで、x、yはプリディストータの入力信号及び出力信号であり、複素数である。制御部13は、歪検出部12で得られた歪値が小さくなるように、摂動法を用いてα、β、γの値を制御する。
図9に示すように、プリディストータ1は、複数の乗算器と加算器を備え、入力信号(x)から、3乗、5乗、7乗の成分を算出し、各々に係数α、β、γを乗算して式(1)に基づいて出力信号(y)を得る構成となっている。
α = A3・exp(j*Φ3)
β = A5・exp(j*Φ5)
γ = A7・exp(j*Φ7) 式(2)
と表される。
そこで、制御部13ではこれらの係数を、Φ3→A3→Φ5→A5→Φ7→A7→Φ3の順番で摂動法によって循環的に制御する。
図10に示すように、制御部13は、処理が開始されると、まず初期設定として更新対象係数(K、ここではまずΦ3)の設定、設定回数、前回の歪値の読み込みを行う(100)。
また、処理101において歪値が大きくなっていれば(Noの場合)、制御部13は、更新方向を反転(Step=Step * (−1))させて(102)、処理103に移行して係数の更新を行う。
そして、制御部13は、記憶されている更新回数と処理100の初期設定において設定しておいた設定回数とを比較し(106)、更新回数が設定回数以下であれば処理101に戻って、Φ3の係数更新を繰り返す。
制御部13では、このような摂動法を用いた制御によって歪値が小さくなるようにプリディストータの係数を制御する。このようにして、電力増幅器における非線形の逆特性を、べき級数を用いたプリディストータで近似することができ、歪補償が可能となるものである。
この従来技術は、適応プリディストータ型歪補償送信装置で、送信信号とフィードバック信号との位相を合わせる遅延制御フィルタのフィルタ係数を切り替える際に、予めフィルタ係数が格納されたメモリから、新たに設定されるフィルタ係数を読み出して、送信信号が伝達される主信号系経路から分岐され、折り返される試験系経路を経由してフィルタ係数設定レジスタに配送する方法であり、これにより、フィルタ係数の切替えを高速に行うことができるものである(特許文献1参照)。
この従来技術は、比較器が、歪補償回路からの出力信号と、歪補償回路への入力信号との誤差を検出し、正規化最小2乗平均回路が、入力信号の分散で正規化して誤差信号の2乗平均を最小化する正規化最小2乗平均アルゴリズムにより、歪補償回路での補償係数を更新するものであり、入力信号の振幅レベル等によらず安定した収束特性を得るものである(特許文献2参照)。
この従来技術は、制御部が、電力値に対応する予歪量を記憶する歪補償テーブル手段が記憶する複数の点を、一部が重複する複数の区間において曲線補間し、曲線補間にて得られる夫々の曲線を結合することにより歪補償テーブル手段が記憶する点を更新するものであり、変曲点を含む歪特性を補償するものである(特許文献3参照)。
図11に示すように、相互変調歪(IM3、IM5)は、2キャリアの離調周波数と同じ周波数間隔で現れるために、離調周波数が大きくなると、歪検出部では、IM3及びIM5のスペクトラムを検出して電力値を算出するために、より広帯域の信号を処理しなければならない。
更に、信号の広帯域化がすすめば、歪検出するためのA/D変換器(図4のA/D変換器9)では、サンプリング周波数を上げる必要があり、歪補償部のFFT演算部での演算量が多くなって回路規模が増大し、コスト高になり、消費電力が増大する等の問題点が生じる。
また、特許文献1のように、時間領域で送信信号とフィードバック信号とを比較して誤差を検出する場合、位相、振幅、遅延時間を正確に一致させるのが困難だった。
2 D/Aコンバータ
3 直交変調器
4 発振器
5 電力増幅器
6 方向性結合器
7 ミキサ
8 発振器
9 A/D変換器
10 FFT部
11 IM演算部
12 歪検出部
13 制御部
14 直交復調器
15 等化器
16 絶対値平均化部
17 歪検出部
18 制御部
20 ドハティ増幅器
25 LMS部
31、33、34 移相器
40 キャリア増幅回路
41 入力整合回路
42 増幅素子
43 出力整合回路
50 ピーク増幅回路
51 入力整合回路
52 増幅素子
53 出力整合回路
60 ドハティ合成部
61 変成器
62 ノード(合成点)
64、65、66、67 インピーダンス変換器
70 変成器
80 出力端子
90 負荷
100 プリディストータ
101 3次歪発生器
102 5次歪発生器
103 7次歪発生器
104 遅延回路
105 第1のFIRフィルタ
106 第2のFIRフィルタ
107 第3のFIRフィルタ
108〜110 加算器
111 入力端子
112 分配器
113 移相器
120 CPU
130 I/Oコントローラ
150 ゲート端子
161 複素乗算器
162 二乗化部
163 除算器
164 振幅判定部
165 平均化部
200 プリディストーション歪補償回路
201 入力端子
202 プリディストータ
203 D/A変換器
204 直交変調器
205 発振器
206 電力増幅器
207 出力端子
208 方向性結合器
209 ミキサ
210 発振器
211 A/D変換器
212 歪検出部
213 高速フーリエ変換回路(FFT)
214 IM演算回路
216 D/A変換器
217 制御部
251 複素演算部
252 乗算器
253 加算器
254,255 遅延素子
本発明の非線形歪検出方法は、電力増幅部の出力をフィードバックした信号を、A/D変換して直交復調し、歪検出部の等化器が、プリディストータの入力信号を参照シンボルとして当該直交復調信号の等化誤差を検出し、歪検出部の絶対値平均化部が、等化誤差の絶対値を時間的に平均化した値を、歪を評価する歪値として制御部に出力して、制御部が歪値に基づいてプリディストータを制御するものであり、歪検出部においてFFTを行わないので広帯域にわたって信号処理をしなくてすみ、信号が広帯域化してもサンプリング周波数を上げることなく歪検出ができ、回路規模及び消費電力の増大を防ぐことができるものである。
図1に示すように、第1の増幅装置は、図6に示した従来の電力増幅装置と同様の部分として、プリディストータ1と、D/A変換器2と、直交変調器3と、発振器4と、電力増幅器5と、方向性結合器6とを備え、第1の電力増幅器の特徴部分として、ミキサ7と、発振器8と、A/D変換器9と、直交復調器14と、歪検出部17と、制御部18と、デシメータ19とを備えている。更に、歪検出部17は、等化器15と、絶対値平均化部(図では絶対値平均化)16とから構成されている。
従来の電力増幅装置と同様の部分は、構成及び動作が従来と同様であるため、ここでは説明を省略する。
ミキサ7は、方向性結合器6によって分岐された電力増幅器5の出力信号と、発振器8からの信号を合成してIF周波数にダウンコンバートするものである。また、このIF周波数及びその帯域幅は、プリディストータ1への入力信号のIF周波数と同じでよい。つまり、発振器8は、発振器4と同じでもよく、共用してもよい。尚、ミキサ7の代わりにアナログ直交復調器を設け、直交変調器3と同じローカル信号を与えてダイレクト復調を行い、2つのA/D変換器でサンプリングして歪検出部に入力しても構わない。
従って、クロック周波数を高くしなくてすみ、コスト及び消費電力を増大させずにすむものである。これにより、ダウンコンバートされた信号が含んでいた変調信号及び相互変調歪は、ナイキスト周波数の帯域内に落とし込まれる。
歪検出部17の等化器15は、直交復調器14からの直交復調信号u(n)と、参照信号としてプリディストータ1への入力信号d(n)を入力し、等化誤差e(n)を検出して絶対値平均化部16に出力するものである。
等化器15は、FIR(Finite Impulse Response)フィルタと、FIRフィルタの出力と参照信号との差を等化誤差として出力する加算器24と、適応アルゴリズムを実装するLMS部25とを備えている。
更に、h(n)及びu(n)を具体的に記載すると、[数2]に示すように表される。
図3に示すように、LMS部25は、複素共役演算部251と、乗算器252と、加算器253と、遅延器254及び遅延器255とから構成されている。
そして、複素共役演算部251で等化誤差e(n)の複素共役演算を行い、乗算器253で複素共役演算結果と入力信号u(n)とを乗算して、乗算結果を加算器253で前回のタップ係数h(n)に加算して新たなタップ係数h(n)を算出し、FIRフィルタの各乗算器22に出力するものである。
しかしながら、実際の電力増幅器は非線形歪を持っているので、線形歪しか等化できないFIRフィルタでは、非線形歪の成分が、等化誤差となって現れることになる。検出される等化誤差について図4を用いて説明する。図4は、プリディストータ1の入力信号と非線形歪が補償されていない電力増幅部の包絡線を時間比較した波形を示す説明図である。尚、図4においては、電力増幅器出力信号はゲインが1になるように補正している。
第1の増幅装置では、このようにして求めた歪値に基づいて、制御部18が従来と同様にプリディストータの係数を更新して適応制御を行うものである。
また、直交復調信号のサンプリングレートは、変調信号帯域幅(本実施の形態の例では20MHz)の2倍より小さくすることも可能だが、なるべく2倍程度かそれ以上のほうがよい。
また、上述した例では原理を示したものであって、第1の増幅装置では参照信号として通常のCDMA信号をそのまま使用するので、振幅が一定でなく、実際には、特許文献2と同様に、[数1]の第1式をh(n+1)=h(n)+μ・u(n)/|u(n)|2とする正規化LMS法を適用したほうがよい。また、等化対象となる周波数特性や遅延はほとんど変動しないので、CDMA信号を常時参照する必要はなく、LMS部25は、複数サンプル時間おきに(複数サンプル時間毎に)参照信号を参照して、係数を更新してもよい。更新はリアルタイムではなく、バッチ処理で行ってもよい。
あるいは、CDMA信号の内、特定の振幅の信号のみを参照信号として適応等化を行えば、その特定の振幅を基準として歪が等化誤差となって検出できるものである。
上述した第1の増幅装置では、サンプリング周波数を上げずに、変調信号のみを含む狭い帯域のサンプリングを行って、等化器で検出した等化誤差の絶対値について十分長い時間の時間平均を算出してこれを歪値としてプリディストータの制御に用いたが、第2の増幅装置では、IM5を含む程度の範囲の十分広いサンプリング帯域を維持し、等化誤差を大きさのみで検出するのではなく、誤差ベクトルとして検出して、これに基づいてプリディストータの制御を行うものである。
図5に示すように、第2の増幅装置は、図1に示した第1の増幅装置とほぼ同様の構成であるが、歪検出部17、制御部18、及びプリディストータ1の構成及び動作が第1の増幅装置とは一部異なっている。また、A/D変換器9におけるサンプリング周波数も第1の増幅装置とは異なっている。その他の構成部分は第1の増幅装置と基本的に同様であるため説明を省略する。
等化器15は、電力増幅器出力を分岐した入力信号をダウンコンバートしてサンプリングして直交復調した信号u(n)と、参照シンボルとしてのプリディストータの入力信号d(n)を入力し、検出した等化誤差(n)を制御部18に出力するものである。等化器15の構成及び動作は第1の増幅装置と同様である。
第3の歪補償増幅装置(第3の増幅装置)は、特定の振幅のCDMA信号に対してのみ、誤差をベクトルのまま平均化し、これを歪値として用いてプリディストータを制御するものである。
図6に示すように、歪検出部の誤差平均化部は、複素共役乗算器161と、二乗化部162と、除算器163と、振幅判定部164と、代表点の数と等しい数の平均化部165-1〜165-16から構成されている。平均化部165-1〜165-16は、それぞれ振幅x1〜x16に対応した誤差ベクトルの平均化を行うものである。
第4の増幅装置は、プリディストータにFIRフィルタを設け、制御部が、歪検出部の等化器で検出された等化誤差に基づいて、FIRフィルタのタップ係数を適応的に制御するものである。
図12に示すように、第4の増幅装置は、プリディストータ100と、D/A変換器2と、直交変調器3と、発振器4と、電力増幅器5と、方向性結合器6と、直交復調器7と、A/D変換器9と、等化器(図では「線形等化器」)15と、制御部18とから構成されており、基本的な構成は、上述した第2の増幅装置とほぼ同様であるが、プリディストータ100と、制御部18の構成及び動作が第2の増幅装置とは一部異なっている。
図13に示すように、第4の増幅装置のプリディストータ100は、3次歪発生器101と、5次歪発生器102と、7次歪発生器103と、遅延回路104と、第1のFIRフィルタ(FIRフィルタ(1))105と、第2のFIRフィルタ(FIRフィルタ(2))106と、第3のFIRフィルタ(FIRフィルタ(3))107と、加算器108〜110とを備えている。
遅延器104は、入力信号x(n)を一定時間遅延するものである。
加算器108は、加算器109の出力と、遅延回路104で遅延された入力信号とを加算してプリディストータ100の出力信号を生成するものである。
第1,第2,第3のFIRフィルタにおける係数h1、h2、h3は、それぞれ、
h1(n+1)=h1(n)+μ1・u(n)・e(n)
h2(n+1)=h2(n)+μ2・u(n)・e(n)
h3(n+1)=h3(n)+μ3・u(n)・e(n)
で表される。上述したように、e(n)は、線形等化器15で等化しきれなかった非線形歪による等化誤差であり、u(n)は、フィードバック信号の直交復調信号であり、μ1、μ2、μ3は、係数更新の応答特性を決めるステップゲインである。ステップゲインを大きくすると、収束速度は速くなるが残留誤差が大きくなり、ステップゲインを小さくすると、収束速度は遅くなるが残留誤差を小さくすることができるものである。
ステップゲインμ1、μ2、μ3の設定方法としては、h1(n)、h2(n)、h3(n)を更新する応答特性が全て同じになるように設定してもよいし、特定の順番、例えばh1(n)、h2(n)、h3(n)の順に係数が収束するように、μ1>μ2>μ3となるステップゲインを設定してもよい。又は、逆の順で、h3(n)、h2(n)、h1(n)の順に係数を収束させたい場合には、μ1<μ2<μ3とすればよい。
このように、順番に係数更新を動作させることで、収束の安定化を図ることができるものである。
近年、高効率増幅器としてドハティ増幅器が注目されている。
入力端子111に入力された信号は、分配器112で分配され、その一方の信号はキャリア増幅回路40に入力される。キャリア増幅回路40は、増幅素子42と、この増幅素子42の入力側と整合を取る入力整合回路41と、増幅素子42の出力側と整合を取る出力整合回路43から構成されている。キャリア増幅回路40の出力は、λ/4変成器61でインピーダンス変換される。
図14は別の歪制御機能付き増幅装置の一実施形態に係る歪制御機能付き増幅装置の構成を示すブロック図であり、プリディストーション歪補償回路200とドハティ増幅器20を組み合わせて構成したものである。図15はドハティ増幅器20の詳細な構成を示すブロック図である。
ドハティ増幅器20の入力端子111には、図14に示した直交変調器204で変調された信号が入力端子111に入力される。この入力端子111に入力された信号は、分配器112で分配され、その一方の信号はキャリア増幅回路40に入力される。キャリア増幅回路40は、増幅素子42と、この増幅素子42の入力側と整合を取る入力整合回路41と、増幅素子42の出力側と整合を取る出力整合回路43から構成されている。キャリア増幅回路4の出力は、λ/4変成器61でインピーダンス変換される。
a:目標の歪値=現在の歪値
b:目標の歪値<現在の歪値
c:目標の歪値>現在の歪値
の何れであるかを判定する。
また、ドハティ増幅器20も一例を示したもので、他の構成であっても良い。
上記ドハティ増幅器20の他の構成例について以下に説明する。
(第1構成例)
図21は、ドハティ増幅器20の第1構成例を示すブロック図である。このドハティ増幅器20は、図15におけるλ/4変成器61を任意の電気長の伝送線路からなるインピーダンス変換器64に置き換えると共に移相器113を移相器31に置き換えたもので、その他の構成は定数等の違いはあるものの基本的に同じである。
移相器31は、原理的にはインピーダンス変換器64に相当する遅延を発生する伝送線路である。移相器31は合成を同相で行なうためのものであり、キャリア増幅回路40とピーク増幅回路50の位相差も吸収しなければならないので、インピーダンス変換器64の遅延と異なることもある。その他の構成は、定数等の違いはあるものの図15に示した増幅器と基本的に同じである。
図22は、ドハティ増幅器20の第2構成例を示すブロック図である。この第2構成例は、図21に示したドハティ増幅器20において、ピーク増幅回路50とノード62との間にインピーダンス変換器65を設けると共に、移相器31を移相器33に置き換えたもので、その他の構成は基本的に同じである。
図23(a)、(b)は、ドハティ増幅器20の第3構成例を示すブロック図である。
この第3構成例は、図22に示したドハティ増幅器20において、移相器33、インピーダンス変換器64、65に代えて移相器34、インピーダンス変換器66、67を使用したもので、その他の構成は基本的に同じである。
Claims (4)
- 入力信号を電力増幅する増幅器と、
増幅対象となる入力された変調信号について、前記増幅器で発生する非線形歪を補償する歪補償手段と、
前記増幅器出力のフィードバック信号を特定の周波数でサンプリングするA/D変換器と、
前記A/D変換器でA/D変換された前記フィードバック信号に基づいて前記増幅器出力に含まれる歪成分を検出して歪を評価する歪検出部と、
前記歪検出部から出力される歪値に基づいて歪補償手段を制御する制御部とを備えた歪補償増幅装置であって、
前記A/D変換器が、前記変調信号を含み、相互変調歪を含まない周波数帯域をサンプリング可能な周波数でサンプリングし、
前記歪検出部が、前記歪補償手段への入力信号を参照シンボルとして、前記増幅器出力のフィードバック信号を等化して、前記等化信号と前記参照シンボルとの等化誤差を求め、前記等化誤差の絶対値を特定時間にわたって時間平均した時間平均値を求め、前記時間平均値を、前記相互変調歪を含む非線形歪の歪値として出力することを特徴とする歪補償増幅装置。 - 入力信号を電力増幅する電力増幅器と、
入力された送信すべき変調信号について、前記電力増幅器で発生する非線形歪を補償するプリディストータと、
前記電力増幅器出力のフィードバック信号を特定の周波数でサンプリングするA/D変換器と、
A/D変換された前記フィードバック信号に基づいて前記電力増幅器出力に含まれる歪成分を検出して歪値として出力する歪検出部と、
前記歪値に基づいて前記プリディストータを制御する制御部とを備えた歪補償増幅装置であって、
前記A/D変換器が、送信すべき変調信号を含み、相互変調歪を含まない周波数帯域をサンプリング可能な周波数でサンプリングするA/D変換器であり、
前記歪検出部が、前記プリディストータへの入力信号を参照シンボルとして入力し、前記電力増幅器出力のフィードバック信号をFIRフィルタにより等化して、前記等化信号と前記参照シンボルとの等化誤差を出力する等化器と、前記等化誤差の絶対値を特定時間にわたって時間平均した時間平均値を、相互変調歪を含む非線形歪の歪値として出力する絶対値平均化部とを備えた歪検出部である歪補償増幅装置。 - 入力信号を電力増幅する電力増幅器と、
入力された送信すべき変調信号について、前記電力増幅器で発生する非線形歪を補償するプリディストータと、
前記電力増幅器出力のフィードバック信号を特定の周波数でサンプリングするA/D変換器と、
A/D変換された前記フィードバック信号に基づいて前記電力増幅器出力に含まれる歪成分を検出して歪値として出力する歪検出部と、
前記歪値に基づいて前記プリディストータを制御する制御部とを備えた歪補償増幅装置であって、
前記A/D変換器が、送信すべき変調信号を含み、相互変調歪を含まない周波数帯域をサンプリング可能な周波数でサンプリングするA/D変換器であり、
前記歪検出部が、前記プリディストータへの入力信号を参照シンボルとして入力し、前記電力増幅器出力のフィードバック信号をFIRフィルタにより等化して、前記等化信号と前記参照シンボルとの等化誤差をベクトルとして算出し、前記等化誤差と前記参照シンボルとの複素共役演算の演算結果を前記参照シンボルの振幅成分の二乗で除すと共に、前記参照シンボルの振幅成分の二乗に基づいて前記参照シンボルの振幅のレベルを判定し、前記除算結果のベクトルを、前記判定された振幅のレベルに応じて出力する等化器と、
前記参照シンボルの振幅のレベルに対応して設けられ、前記等化器から参照シンボルの振幅のレベルに応じて出力されたベクトルを平均化して、前記平均化されたベクトルを前記参照シンボルの振幅のレベルに対応した歪値として出力する複数の平均化部とを備えた歪検出部である歪補償増幅装置。 - 歪検出部が、LMSアルゴリズムによってFIRフィルタのタップ係数を更新するLMS部を備えた歪検出部である請求項2又は3記載の歪補償増幅装置。
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