JP4786644B2 - 歪補償装置 - Google Patents

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Description

本発明は,増幅前の送信信号に対して予め歪補償処理を施す前置歪補償装置に関する。
近年,無線通信において,ディジタル化による高能率伝送が多く採用されるようになっている。無線通信に多値位相変調方式を適用する場合,送信側で特に送信用電力増幅器の増幅特性を直線化して非線形歪を抑え,隣接チャネル漏洩電力を低減する技術が重要である。
また線形性に劣る増幅器を使用し電力効率の向上を図る場合は,そのために生じる非線形歪を補償する技術が必須である。
図1は従来の無線機における送信装置の一例を示すブロック図である。送信信号発生装置1はシリアルのディジタルデータ列を送出し,シリアル/パラレル変換器(S/P変換器)2はディジタルデータ列を1ビットづつ交互に振り分けて同相成分信号(I信号:In-Phase
component)と直交成分信号(Q信号: Quadrature component)の2系列に変換する。
D/A変換器3はI信号,Q信号のそれぞれをアナログのべ一スバンド信号に変換して直交変調器4に入力する。直交変調器4は入力されたI信号,Q信号(送信ベースバンド信号)に,それぞれ基準搬送波8とこれを90°移相した搬送波を乗算し,乗算結果を加算することにより直交変換を行って出力する。
周波数変換器5は直交変調信号と局部発振信号をミキシングして無線周波数に変換し,送信用電力増幅器6は周波数変換器5から出力された無線周波数信号を電力増幅して空中線(アンテナ)7より空中に放射する。
ここで,W−CDMA等の移動通信においては,送信装置の送信電力は10mW〜数10mWと大きく,送信用電力増幅器6の入出力特性(歪関数f(p)を持つ)は図2の点線で示すように非直線性になる。この非直線特性により非線形歪が発生し,送信周波数f0周辺の周波数スペクトラムは図3の波線特性aから実線bに示すようにサイドローブが持ち上がり,隣接チャネルに漏洩し,隣接妨害を生じる。すなわち,図2に示す非線形歪により図3に示すように,送信波が隣接周波数チャネルに漏洩する電力が大きくなってしまう。
漏洩電力の大きさを示すACPR(Adjacent
Channel Power Ratio)は,図3のA-A’線間のスペクトラム面積である着目チャネルの電力と,B-B’線間の隣接チャネルに漏れるスペクトラム面積である隣接漏洩電力の比である。このような漏洩電力は,他チャネルに対して雑音となり,そのチャネルの通信品質を劣化させてしまう。よって,厳しく規定されている。
漏洩電力は,例えば電力増幅器の線形領域(図2,線形領域I参照)で小さく,非線形領域IIで大きくなる。そこで,高出力の送信用電力増幅器とするためには,線形領域Iを広くする必要がある。しかし,このためには実際に必要な能力以上の増幅器が必要となり,コスト及び装置サイズにおいて不利となる問題がある。そこで,送信電力の歪を補償する歪補償機能を無線装置に付することが行われている。
図4はディジタル非線形歪補償機能を備えた送信装置のブロック図である。送信信号発生装置1から送出されるディジタルデータ群(送信信号)は,S/P変換器2においてI信号,Q信号の2系列に変換され,好ましい例としてDSP(デジタルシグナルプロセッサ)で構成される歪補償部9に入力される。
歪補償部9は,図4の下部に拡大して示すように,送信信号x(t)のパワーpi(i=0〜1023)に応じた歪補償係数h(pi)を記憶する歪補償係数記憶部90,送信信号のパワーレベルに応じた歪補償係数h(pi)を用いて送信信号に歪補償処理(プリディストーション)を施すプリディストーション部91,更に送信信号x(t)と後述する直交検波器で復調された復調信号(フィードバック信号)y(t)を比較し,その差が零となるように歪補償係数h(pi)を演算し,歪補償係数記憶部90の歪補償係数を更新する歪補償係数演算部92を備えている。
歪補償部9でディストーション処理を施された信号はD/A変換器3に入力される。D/A変換器3は入力されたI信号とQ信号をアナログのべ一スバンド信号に変換して直交変調器4に入力する。直交変調器4は入力されたI信号,Q信号にそれぞれ基準搬送波8とこれを90°移相した信号を乗算し,乗算結果を加算することにより直交変調を行って出力する。
周波数変換器5は直交変調信号と局部発振信号をミキシングして周波数変換し,送信用電力増幅器6は周波数変換器5から出力された無線周波数信号を電力増幅して空中線(アンテナ)7より空中に放射する。
送信信号の一部は方向性結合器10を通して周波数変換器11に入力される。この周波数変換器11で周波数変換されて直交検波器12に入力される。直交検波器12は送信信号にそれぞれ基準搬送波とこれを90°移相した信号を乗算して直交検波を行い,送信側におけるベースバンドのI,Q信号を再現してA/D変換器13に入力する。
A/D変換器13は入力されたI,Q信号をディジタル信号に変換して歪補償部9に入力する。歪補償部9の歪補償係数演算部92によりLMS(Least
Mean Square)アルゴリズムを用いた適応信号処理により歪補償前の送信信号と直交検波器12で復調されたフィードバック信号を比較し,その差が零となるように歪補償係数h(pl)を演算して歪補償係数記憶部90に記憶された係数を更新する。以後,上記動作を繰り返すことにより,送信用電力増幅器6の非線形歪を抑えて隣接チャネル漏洩電力を低減する。
図4における歪補償部9の実施例構成として図5に示すような適応LMSによる歪補償処理を行う場合の構成例が,例えば特許文献1に記載されている。
図5において,図4のプリディストーション部91は,乗算器15aが対応し,送信信号x(t)に歪補償係数hn-1(p)を乗算する。図4の送信用電力増幅器6は,歪関数f(p)を有する歪みデバイス15bとして対応されている。
また,図4における送信用電力増幅器15bからの出力信号を帰還する周波数変換器11,直交検波器12及びA/D変換器13を含む部分は,図5において,帰還系15cとして示されている。
さらに,図5では図4における歪補償係数記憶部90をルックアップテーブル(LUT)15eにより構成している。ルックアップテーブル15eに格納された歪補償係数に対する更新値を生成する図4の歪補償係数演算部92は歪補償係数演算部16により構成される。
かかる図5に示す構成の歪補償装置において,ルックアップテーブル15eは,送信信号x(t)の離散的な各パワーに対応して,歪デバイス15bである送信用電力増幅器6の歪みを打ち消すための歪補償係数を記憶している。
送信信号x(t)が入力されると、アドレス生成回路15dは、送信信号x(t)のパワーp(=x2(t))を演算し,演算された送信信号x(t)のパワーp(=x2(t))に一意に対応するアドレスを生成し、読み出しアドレスの指定情報(AR)として出力する。
そして、この読み出しアドレスに格納された歪補償係数hn-1(p)がルックアップテーブル15eから読み出され、15aにおける歪補償処理に利用される。
ルックアップテーブル15eに格納した歪補償係数の更新のための更新値は、歪補償係数演算部16により演算される。
即ち、歪補償係数演算部16は,共役複素信号出力部15f及び乗算器15h〜15jを有して構成される。減算器15gにより,送信信号x(t)と帰還復調信号y(t)の差e(t)を出力する。乗算器15hは,歪補償係数hn-1(p)とy*(t)の乗算を行い,出力u*(t)(=hn-1(p)
y*(t))を得る。乗算器15iは,減算器15gの差出力e(t)とu*(t)との乗算を行う。乗算器15jは,ステップサイズパラメータμと乗算器15iの出力を乗算する。
ついで,加算器15kは,歪補償係数hn-1(p)と乗算器15jの出力μe(t) u*(t)を加算し,ルックアップテーブル15eの更新値を得る。
そして、この更新値は、アドレス生成回路15dが送信信号のパワーp(=x2(t))に一意に対応するアドレスとして指定した書き込みアドレス(AW)に記憶される。
尚、読み出しアドレスと書き込みアドレスは同じアドレスであるが、更新値を得るまでに演算時間等が必要とされるため、遅延部15mにより、読み出しアドレスを遅延させて書き込みアドレスとして用いている。
遅延部15m,15n,15pは,送信信号x(t)が入力してから帰還復調信号y(t)が減算器15gに入力するまでの遅延時間Dを送信信号に付加する。遅延部15m,15n,15pに設定する遅延時間Dは,例えば,送信用電力増幅器15bにおける遅延時間をDO,帰還系15cの遅延時間をD1とすれば,D=D0+D1を満足するように決定する。
上記構成により,以下に示す演算が行われる。
n(p)=hn-1(p)+μe(t)u*(t)
e(t)=x(t)−y(t)
y(t)=hn-1(p)x(t)f(p)
u*(t)=x(t)f(p)=hn-1(p)
y*(t)
p=|x(t)|2
ただし,x,y,f,h,u,eは複素数,*は共役複素数である。
上記演算処理を行うことにより,送信信号x(t)と帰還復調信号y(t)の差信号e(t)が最小となるように歪補償係数h(p)が更新され,最終的に最適の歪補償係数値に収束し,送信用電力増幅器6の歪が補償される。
PCT国際公開 WO2003/103163号公報
ここで,歪デバイスである送信用電力増幅器6の特性と,ルックアップテーブル15eに記憶される歪補償係数について考察する。図6Aは送信用電力増幅器6の振幅対利得特性を示す図であり,図6Bは送信用電力増幅器6の振幅対位相特性を示す図である。
振幅対利得特性及び振幅対位相特性のいずれも振幅が大きくなると,利得が減少し,位相回転量が大きくなるという歪特性を有する。したがって,かかる送信信号の振幅,即ち送信信号パワーに応じた利得減少及び,位相回転量を打ち消す方向の歪補償係数値を与えることが必要である。
従って、ルックアップテーブルは、送信信号のレベルに一意に対応するアドレスに歪補償係数を記憶し、送信信号のレベルに一意に対応するアドレスから歪補償係数を出力するが、歪補償係数は、先に示した更新処理を十分に行うことで洗練され、最適な歪補償係数となる。
しかし、送信信号のレベルは一様に変化するのではなく、偏りを持っているため、更新される確率が低い歪補償係数も存在する。このように、更新される頻度が少ないと、歪補償係数としての信頼度も低く、散発的な更新により最適値から離れた値に更新されているとすると、送信周波数の変化等により、突如、頻繁に歪補償係数として適用すると、歪補償処理が安定するまで時間が掛かったり、更新処理により係数の値が発散してしまうこともある。
したがって,本発明の目的は,更新頻度が少ない歪補償係数により歪補償処理に悪影響が生じることを回避することを目的とする。
上記の本発明の目的を達成する歪補償装置は,第1の態様として,指定された書き込みアドレスに歪補償係数を記憶し、指定された読み出しアドレスに記憶している歪み補償係数を出力する記憶部と、前記記憶部から出力された歪補償係数を用いて送信信号に歪補償処理を施すプリディストーション部と,前記歪補償処理の前の送信信号と、増幅器による増幅後の送信信号とに基づいて歪補償係数を演算する歪補償演算部と,前記歪補償処理前の送信信号のレベルに応じて書き込みアドレスを指定するアドレス生成部とを備え、前記アドレス生成部は、同じレベルであっても異なる書き込みアドレスを指定可能であることを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する歪補償装置は,第2の態様として,第1の態様において,前記アドレス生成部は、前記送信信号のパワーに異なる係数を乗算、又は、異なるオフセット値を加算することで、同じレベルであっても異なる書き込みアドレスを指定することを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する歪補償装置は,第2の態様として,第1の態様において,前記係数又は前記オフセット値は、定期的に変更されることを特徴とする。
上記の本発明の目的を達成する歪補償装置は,第4の態様として,前記アドレス生成部は、少なくとも2次元のアドレスを書き込みアドレスとして指定し、第1の次元のアドレスは、現在の送信信号のパワーに応じたアドレスを指定し、 第2の次元のアドレスは、現在の送信信号のパワーと前回の送信信号のパワーの変化量に応じたアドレスを指定することを特徴とする。
さらに,上記の本発明の目的を達成する歪補償装置は,第5の態様として,歪補償処理前の前記送信信号のパワーをpとするとき,前記アドレス生成部は、前記第1の次元のアドレスを、P(t)=G1×log(p)+N1により求め、前記第2の次元のアドレスを、ΔP=G2×{P(t)-P(t-1) }+N2により求め、少なくとも係数G1、G2、オフセット値N1、N2の内のいずれかの値を変化させることで、歪補償処理前の前記送信信号のレベルが同じであっても異なる書き込みアドレスを指定することを特徴とする。
本発明によれば,送信信号のレベルが同じであっても、歪補償係数を記憶させるための書き込みアドレスが、変化可能となるので、更新頻度が少ない歪補償係数により歪補償処理に悪影響が生じることを回避できる。。
また,記憶部の有効利用と,入力データが変化したときの一時的な歪特性の劣化を回避することが可能である。
従来の無線機における送信装置の一例を示すブロック図である。 送信用電力増幅器の入出力特性(歪関数f(p)を持つ)を示す図である。 非直線特性により発生する非線形歪を説明する図である。 DSP(digital SignalProcessor)を用いたディジタル非線形歪補償機能を備えた送信装置のブロック図である。 図4における歪補償部9において適応LMSによる歪補償処理を行う場合の説明図である。 送信用電力増幅器6の振幅対利得特性を示す図である。 送信用電力増幅器6の振幅対位相特性を示す図である。 ルックアップテーブル15eにおける歪補償係数値の参照回数の分布を示す図である。 図7Aの断面Aにおける参照回数を示す図である。 本発明に従うディジタル非線形歪補償機能を有する歪補償装置の実施例構成を備える送信装置のブロック図である。 アドレス生成回路15dの第1の実施例を示す図である。 アドレス生成回路15dの第2の実施例を示す図である。 図7Aに対応する本発明を適用したときの,各アドレス位置におけるルックアップテーブルの参照回数(更新書き込み)を示す図である。 図7Bに対応する本発明を適用したときの,ルックアップテーブルの参照回数(更新書き込み)の平均化を示す図である。
符号の説明
1 送信信号発生装置
2 シリアル/パラレル変換回路
9 歪補償部
3,52 D/A変換器
4 直交変調器
5 周波数変換器
6 送信用電力増幅器
13 A/D変換器
7 アンテナ
6 歪補償係数生成回路
30 制御ブロック
31 バス
32 CPU
33 不揮発性メモリ
以下に図面に従い本発明の実施の形態例を説明する。なお,実施の形態例は本発明の理解のためのものであり,本発明の技術的範囲がこれに限定されるものではない。
図8は,本発明に従うディジタル非線形歪補償機能を有する歪補償装置の実施例構成を備える送信装置のブロック図である。
図4及び,図5と同様の機能を有する部位には同じ参照番号を付している。
図8において、歪補償装置9は、制御ブロック30を有し,制御ブロック30は,バス31に接続されたCPU32及び不揮発性メモリ33を有する。アドレス生成回路15qを有する。
歪補償係数生成回路16は,図5における回路と同様に動作するが,図8に示す実施の形態例では,歪補償係数生成回路16と歪補償係数を格納するルックアップテーブル15eとの間に更新スイッチ21を有している。
アドレス生成回路15qの例として、図9Aに示す回路を用いることができる。
ここで、図9Aを用いて、アドレス生成回路の1例を説明する。
尚、以下の例では、アドレス生成回路は、2次元のアドレスを指定するが、1次元とすることもできる。この場合、例えば、後述するP(t)を1次元のアドレスとして使用すればよい。
さて、送信信号発生装置1から入力される送信信号X(t)は複素信号であり,その実部をXre(t),虚部をXim(t)で表すとき,アドレス生成回路15qは,二乗和演算部150で二乗値を演算し,更にその和p(=Xre(t)2+Xim(t)2)を求めて出力する。
ついで,pはLOG変換部151で対数値(=log(p))に変換される。対数値(=log(p))は,遅延部152とΔp計算部153に入力される。遅延部152は,対数値(=log(p))をΔp計算部153における処理時間分遅延して出力する。
Δp計算部153は,今回の送信信号のパワーP(t)と前回のパワーP(t-1)との差分{P(t)−P(t-1)
}を計算する。
したがって,遅延部152からの出力log(p)及び,Δp計算部153からの出力{P(t)−P(t-1)}が同期して得られる。
遅延部152からの出力及びΔp計算部153からの出力に対し,更に乗算回路154a,154bによりそれぞれ乗算係数G1,G2が掛け算され,加算器155a,155bでオフセット値N1,N2が加算される。
加算器155aから出力P(t)(=G1×log(p)+N1)が,ルックアップテーブル15eのX軸方向アドレス(第1の次元のアドレス)として与えられる。
一方,加算器155bから出力ΔP(=G2×(Pt-Pt-1)+N2P(t))がルックアップテーブル15eのY軸方向アドレス(第2の次元のアドレス)として与えられる。
従って、送信信号x(t)が入力されると、P(t)(=G1×log(p)+N1)、ΔP(=G2×(Pt-Pt-1)+N2P(t))の組が読み出しアドレス(AR)としてアドレス生成回路15qから出力され、その読み出しアドレスに格納された歪補償係数が読み出され、15aにおける歪み補償処理が行われる。
そして、読み出しアドレスを15mにより遅延させた書き込みアドレスに、その送信信号x(t)と帰還した送信信号との差分に応じて歪補償係数生成回路から出力された歪補償係数の更新値をルックアップテーブル15eが記憶する。
但し、この実施形態では、かかる乗算係数G1,G2及びオフセット値N1,N2のうちのいずれか1以上の変化させることにより、歪補償処理の前における送信信号のパワーが同じパワーであっても、異なるアドレスとして出力可能とする。
・「アドレス制御の第1の例」
即ち、CPU32は、乗算係数G1,G2及びオフセット値N1,N2のいずれか1以上を、所定の周期で変化させる制御を行うことで、送信信号が同じレベルであっても、異なる読み出し(書き込み)アドレスを生成するのである。
尚、この例では、書き込みアドレスは読み出しアドレスを単に遅延させることで生成するため、乗算係数、オフセット値の変化は読み出しアドレス、書き込みアドレス共に同様の変化となる。
例えば,Nの値をアドレス生成毎に+1、0、−1の間で順に切り替えるようにCPUにより制御することで、歪補償係数の更新値の書き込みアドレスを変化させるのである。
これにより、隣接するアドレスを変化させて、出現頻度の少ないアドレスに変換することができ、更新頻度の少ない歪補償係数が発生することを抑制することができる。
尚、このとき、隣接するアドレスを変化させて、出現頻度の少ないアドレスに変換しているので、送信信号のパワーとしてもあまり差はないため、歪補償係数の更新値としても最適値に近い値となる。
もちろん、X軸方向だけでなく、Y軸方向についても、送信信号のパワーの変化の量が近似する隣接するアドレスを変化させているので、同様に歪補償係数の更新値としても最適値に近い値となる。
乗算係数Gを変化させた場合も、出現頻度の少ないアドレスを強制的に生成することができることとなる。尚、Gを大きくすると、パワーの変化に対するアドレスの変化量が大きくなる。また、Gを小さくするとパワーの変化に対するアドレスの変化量が小さくなる。
・「アドレス制御の第2の例」
この例では、読み出しアドレスの生成の際には、このように、乗算係数G1,G2及びオフセット値N1,N2を変化させる必要はなく、歪補償処理前の送信信号のパワーにより一意に定まるアドレスを出力する。即ち、G1、G2、N1、N2は固定の値とする。
そして、書き込みアドレスの生成の際には、乗算係数として、G1’,G2’、オフセット値N1’,N2’を用い、少なくともいずれかG1、G2、N1、N2に対して変化させた値とする。
図9Bは,制御の第2の例に対応するアドレス生成回路15qの例を示す図である。動作について簡単に説明すると、読み出しアドレス生成の際には、CPUは、N1、N2として0を設定し、書き込みアドレスの生成の際には、N1’、N2’の値を+1、0、−1間で切り替えることで、歪補償係数の更新値の書き込みアドレスを変化させるのである。
これにより、隣接するアドレスを変化させて、出現頻度の少ないアドレスに変換することができ、更新頻度の少ない歪補償係数が発生することを抑制することができる。
尚、このとき、隣接するアドレスを変化させて、出現頻度の少ないアドレスに変換しているので、送信信号のパワーとしてもあまり差はないため、歪補償係数の更新値としても最適値に近い値となる。
一方,歪補償係数生成回路16において,先に図5において説明したように,送信信号(t)と,歪デバイスである送信用電力増幅器6のフィードバック出力とに基づいて,これらの差を零に近づける歪補償係数が求められる。
尚、好ましくは、歪補償係数の更新期間と、非更新期間を形成するために、更新スイッチ21を設け、このスイッチがON状態にある時に,ルックアップテーブル15eに更新値を送り歪補償係数の更新を行ない、OFFのときには更新を差し控えることが望ましい。
従って、更新処理OFFの期間では、CPU32は、上述したアドレス制御の第1の例、第2の例の動作を行わず、乗算係数、オフセット値を固定の所定値として歪補償係数の読み出しアドレスを生成すればよい。
以上のように、アドレス生成回路15qによれば、歪補償処理前の送信信号の同じパワーであったとしても歪補償係数生成回路16により求められた更新用の歪み補償係数を複数の異なるアドレスに書き込むことができる。
図7Aは,先に説明したように,上述の本発明に従うアドレス制御を行わない場合のルックアップテーブルにおける歪補償係数値の参照回数の分布を示す図であり,図7Bは,図7Aの断面Aにおける参照回数を示す図である。
この断面Aにおける参照回数を見て理解できるように,ルックアップテーブルの歪補償係数の更新が少ない部分では歪補償係数更新が行われないアドレスが存在する。
このような状態では,隣り合うアドレス位置の歪補償係数の更新頻度が極端に異なってしまう。これにより,入力データに大きなが変化(例えば,パワーの変動やキャリア周波数の変更)が発生したときに,ルックアップテーブルおいてこれまで歪補償係数がほとんど更新されなかったアドレスポイントを高い確率で参照する可能性がある。このような場合,一時的に歪特性が劣化してしまうばかりか場合によっては係数が増大して収束しない状態が発生してしまう。
一方、上述アドレス制御を行うことで図10A,図10Bに示すようにルックアップテーブル15eの各アドレス位置における参照回数(更新書き込み)を平均化させることが可能である。
したがって,本発明により,更新頻度が少ない歪補償係数により歪補償処理に悪影響が生じることを回避でき、本発明の補償装置における適用により高品質の送信器の提供が可能である。

Claims (2)

  1. 指定された書き込みアドレスに歪補償係数を記憶し、指定された読み出しアドレスに記憶している歪み補償係数を出力する記憶部と、
    該記憶部から出力された歪補償係数を用いて送信信号に歪補償処理を施すプリディストーション部と、
    該歪補償処理の前の送信信号と、増幅器による増幅後の送信信号とに基づいて歪補償係数を演算する歪補償演算部と、
    該歪補償処理前の送信信号のレベルに応じて書き込みアドレスを指定するアドレス生成部を備え、
    該アドレス生成部は、
    該歪補償処理前の送信信号の電力値を算出する二乗和演算部と、
    該算出した電力値を対数値に変換する対数変換部と、
    該変換した対数値と前回の送信信号から算出した対数値との変化量を算出する変化量計算部と、
    該変換した対数値および該変化量にそれぞれ係数を乗算する乗算器と、
    該乗算器の出力値にそれぞれオフセット値を加算する加算器と、
    を備え、該係数および該オフセット値のうちの少なくとも1つを所定の周期で変化させる、
    ことを特徴とする歪補償装置。
  2. 指定された書き込みアドレスに歪補償係数を記憶し、指定された読み出しアドレスに記憶している歪み補償係数を出力し、該出力された歪補償係数を用いて送信信号に歪補償処理を施し、該歪補償処理の前の送信信号と、増幅器による増幅後の送信信号とに基づいて歪補償係数を演算し、該歪補償処理前の送信信号のレベルに応じて書き込みアドレスを指定する歪補償方法であって、
    前記アドレスを指定する時、
    前記歪補償処理前の送信信号の電力値を算出し、
    該算出した電力値を対数値に変換し、
    該変換した対数値と前回の送信信号から算出した対数値との変化量を算出し、
    該変換した対数値および該変化量にそれぞれ係数を乗算し、
    該係数を乗算した値にそれぞれオフセット値を加算し、
    該係数および該オフセット値のうちの少なくとも1つを所定の周期で変化させる、
    ことを特徴とする歪補償方法。
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