JP5141403B2

JP5141403B2 - 歪補償回路及び歪補償方法

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Publication number: JP5141403B2
Application number: JP2008171169A
Authority: JP
Inventors: 政彦大西; 一幸戸谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010011348A

Description

本発明は、例えば無線送受信機に用いられる高出力増幅器の非線形特性を補償する機能を備えた歪補償回路及びその歪補償方法に関する。

一般的に、高出力増幅器（ＨＰＡ: High Power Amplifier）は、効率特性を優先するが故に、入出力特性の線形性が低い。従って、このような増幅器を用いて電力を増幅すると、入出力特性の歪により、所望の出力が得られない場合がある。そこで、このような歪を補償するための歪補償方式として、増幅器の入力信号に対して、増幅器の歪特性とは逆の、逆歪特性をデジタル信号処理により生成して増幅器の入力に付加するＤＰＤ（Digital Pre-Distortion）処理を施すことにより、所望の増幅器出力を得る手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。

また、広帯域信号を増幅する高出力増幅器に対して精度の高いＤＰＤ処理を施すべく、多項式で表される歪補償を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

Thesis by Lei Ding, "Digital predistortion of power amplifiers for wireless application", Georgia institute of Technology, March 2004 特開２００７−２８２０６６号公報

しかしながら、逆歪特性が正しく推定されない場合もあり、その場合には、増幅器の非線形特性を助長する結果となる。図５は、増幅器の入出力特性の２例を示すグラフであり、横軸は入力信号振幅を、縦軸は出力信号振幅を、それぞれ示している。（ａ）に示す特性は形状が複雑で非線形性が大きく、一方、（ｂ）に示す特性は形状が単純で非線形性が小さい。なお、点線は理想的な直線状の特性を示す。（ａ）、（ｂ）の特性について、所定次数のべき級数の多項式でモデルの推定を行い、その逆モデルを求めると、図６の（ａ）、（ｂ）に示す破線のようになる。実線は、図５の（ａ）、（ｂ）と同一の入出力特性を示す。

図６の（ａ）の場合には、入出力特性の歪を補償するに適切な逆モデルが与えられ、その結果、（ｃ）に示すように歪が取り除かれた直線性の高い入出力特性が得られる。ところが、図６の（ｂ）の場合には、逆モデルが不適切となり、過剰な補償を行う。その結果、（ｄ）に示すように、点線の反対側に歪が出る。このような原因は、単純な形状の歪を、高次多項式によって過剰補償することにあると考えられる。このような過剰補償への着眼と、その解決策は、未だ提案されていない。

かかる従来の課題に鑑み、本発明は、過剰補償を防止する歪補償回路及び歪補償方法を提供することを目的とする。

本発明は、増幅器の出力信号を入力信号のｎ次べき級数の多項式の形で表したモデルを推定するモデル推定部と、前記モデルに対する逆モデルを前記入力信号に付加することにより前記増幅器の入出力特性の歪を打ち消す歪補償を行う歪補償部とを備えた歪補償回路であって、前記モデル推定部は、前記多項式における各次の係数が、次数が大きいほど小さいという規則性を維持している場合は、前記モデルと実際の前記出力信号との誤差が所定値以内になるまでｎの値を逐次増加させ、前記規則性を維持していない場合は前記規則性が得られるまでｎの値を逐次減少させる機能を有するものである。

上記のように構成された歪補償回路では、多項式の最大次数であるｎを固定値とせず、係数の規則性に着目してモデルの適否を判定し、適切なモデルとなるように増減することができる。特に、過剰補償になる場合には最大次数を下げることができる。

また、規則性に反する係数が出現した場合、モデル推定部は、次数を減少させてモデルを推定することにより、過剰補償になる直前の次数で、モデルの推定を行うことができる。

また、規則性が維持され、次数を逐次増加させるときは、モデルと実際の出力信号との誤差が所定値以内となったときの当該次数をｎの値とすることにより、規則性の維持によって過剰補償を排除し得る範囲内で、正確なモデルを推定することができる。

一方、本発明は、増幅器の出力信号を入力信号のｎ次べき級数の多項式の形で表したモデルを推定し、前記モデルに対する逆モデルを前記入力信号に付加することにより前記増幅器の入出力特性の歪を打ち消す歪補償を行う歪補償方法であって、前記多項式における各次の係数が、次数が大きいほど小さいという規則性を維持している場合は、前記モデルと実際の前記出力信号との誤差が所定値以内になるまでｎの値を逐次増加させ、前記規則性を維持していない場合は前記規則性が得られるまでｎの値を逐次減少させるものである。

上記のような歪補償方法によれば、多項式の最大次数であるｎを固定値とせず、係数の規則性に着目してモデルの適否を判定し、適切なモデルとなるように増減することができる。特に、過剰補償になる場合には最大次数を下げることができる。また、規則性の維持によって過剰補償を排除し得る範囲内で、正確なモデルを推定することができる。

本発明の歪補償回路によれば、過剰補償になる場合には最大次数を下げることができるので、過剰補償を防止することができる。このようにして必要以上に次数を上げないことにより、比較的低次の演算が増加することになり、高速な歪補償に寄与する。

図１は、本発明の一実施形態に係る歪補償回路１の主要部を示すブロック図である。歪補償回路１は、高出力増幅器（ＨＰＡ、以下、単に増幅器という。）５の出力信号Ｙを入力信号Ｘのｎ次べき級数の多項式の形で表したモデルを推定するモデル推定部２と、モデルの係数を一時的に記憶する係数テーブル３と、モデルに対する逆モデル（モデルの逆関数）を入力信号Ｘに付加することにより増幅器５の入出力特性の歪を打ち消す歪補償を行う歪補償部４とを備えている。モデル推定部２、係数テーブル３及び歪補償部４は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）によって構成されている。なお、モデル推定部２には、入力信号Ｘ及び出力信号Ｙの両方が入力されている。

増幅器５の非線形特性は、入力信号Ｘのべき級数多項式で表される。すなわち、出力信号をＹとすると、以下のように表すことができる。なお、ａ_iは各次の係数である。

ここで、Ｘの係数ａ_iの値（絶対値）は、本来、次数が大きいほど小さくなる、ということが実験によりわかっている。すなわち、│ａ₁│＞│ａ₂│＞．．．＞│ａ_n-1│＞│ａ_n│という規則性がある。
図２の（ａ）は、強い非線形性を有する増幅器の高調波スペクトルを示すグラフである。高調波スペクトルは、増幅器の非線形特性と密接な関係があり、高調波スペクトルの強度が大きな増幅器は非線形性が強い。この場合、モデルの多項式は高次（例えばｎ＝１０）まで必要である。

一方、図２の（ｂ）は、弱い非線形性を有する増幅器の高調波スペクトルを示すグラフである。このような弱い非線形性の場合、例えば４次以上のスペクトル強度が小さく、あまり高い次数成分は不要である。必要以上に高い次数における係数を無理矢理定めようとすると、係数が発散する。すなわち、次数が１次下の係数より大きいａ_iが出現し、上記の規則性は維持できなくなる。このようなモデルに対する逆モデルによって歪補償を行うと、過剰補償になる。すなわち、上記のように係数が発散する場合は、過剰補償の状態である。

そこで、多項式における各次の係数が、次数が大きいほど小さいという規則性を維持しているか否かに基づいて、ｎの値を増減する機能をモデル推定部２に持たせる。
図３は、モデル推定部２における処理を示すフローチャートである。処理の開始後、モデル推定部２は、ｎの初期値を１として（ステップＳ１）、モデルの推定を行う（ステップＳ２）。その後、モデル推定部２は、過剰補償か否かの判断を行う（ステップＳ３）。ここでは係数がａ₁だけであるので、ａ₁より大きいａ₂が存在するという事象は起こりえず、ステップＳ３の判断結果は「Ｎｏ」となる。

次に、モデル推定部２は、モデルによって表された出力と、実際の出力との誤差が所定値以内（僅差）であるか否か、すなわち、モデルが適切かどうかの判断を行う（ステップＳ４）。この時点ではまだモデルは適切なレベルに達していないので、判断結果は「Ｎｏ」となる。従って、モデル推定部２は、ｎを１加算して（ステップＳ６）、再度モデル推定を行う（ステップＳ２）。このような処理が繰り返され、最初に誤差が所定値以内となった場合（ステップＳ４のＹｅｓ）、一旦その次数に決定され、その次数でのモデル推定（ステップＳ２）が繰り返し行われる。

一方、誤差が所定値以内になる前に過剰補償となってしまった場合や、上記のように一旦次数が決定された後、温度変化等により増幅器５の特性変化が生じたために過剰補償となった場合、すなわち、次数が１次下の係数より大きい係数が出現したときは、モデル推定部２は、ｎを１減じる処理を行う（ステップＳ５）。例えば、５次のモデル推定を行った結果、５次の係数ａ₅が、４次の係数ａ₄以上となった場合は、４次のモデル推定に戻る。従って、過剰補償になった場合には次数が１下がり、その結果、必要以上の次数でのモデル推定は行われない、ということになる。

また、上記のように一旦次数が決定された後、温度変化等により増幅器５の特性変化が生じたためにモデルが不適切となり、誤差が所定値以内でなくなった場合には、モデル推定部２は、ｎを１加算する処理を行う（ステップＳ６）。これにより、適切なモデルが再構築される。

以上のような処理によって、高次が必要な場合は高次になり、逆に、必要以上の高次にはならないようにモデルが推定される。推定されたモデルの係数は、係数テーブル３に一時的に記憶される。歪補償部４は係数テーブル３を参照しながら逆モデルを求め、これを入力信号に付加することにより、歪補償を行う。
なお、上記とは別に、モデル推定部２で逆モデルまで求め、その係数を係数テーブル３に記憶させ、歪補償部４は係数テーブル３を参照しながら歪補償を行う、という構成であってもよい。

図４の（ａ）、（ｂ）は、増幅器の入出力特性（実線）及び逆モデル（破線）の２例を示すグラフであり、横軸は入力信号振幅を、縦軸は出力信号振幅を、それぞれ示している。（ａ）に示す特性は形状が複雑で非線形性が大きく、逆モデルの次数は１０次に達し、適切な逆モデルが与えられる。一方、（ｂ）に示す特性は形状が単純で非線形性が小さく、逆モデルの次数は３次にとどまり、適切なモデルが与えられる。なお、点線は理想的な直線状の特性を示す。このような補償の結果、（ａ）及び（ｂ）いずれの場合も、それぞれ（ｃ）及び（ｄ）に示すように、歪が取り除かれた入出力特性が得られる。

（ｂ）の場合は次数が低いことにより、モデル推定の演算が簡単になり、その分、演算速度が速くなる。すなわち、必要以上に次数を上げないことにより、比較的低次の演算が増加することになり、高速な歪補償に寄与する。

以上のように、本実施形態に係る歪補償回路１又は当該回路１によって実行される歪補償方法では、多項式の最大次数であるｎを固定値とせず、係数の規則性に着目してモデルの適否を判定し、適切なモデルとなるように増減することができる。特に、過剰補償になる場合には最大次数を下げることができるので、過剰補償を防止する歪補償回路１又は歪補償方法を提供することができる。

また、規則性に反する係数が出現した場合、モデル推定部２が、次数を１減少させてモデルを推定することにより、過剰補償になる直前の次数で、モデルの推定を行うことができる。
また、１から順に各次の係数が規則性を維持し、かつ、モデルと実際の出力信号との誤差が所定値以内となったときの当該次数を、モデル推定部２が、ｎの値とすることにより、規則性の維持によって過剰補償を排除し得る範囲内で、正確なモデルを推定することができる。

この論理は、メモリ効果補償を必要とする増幅器への歪補償にも、同様に適応される。つまり、過去の状態が現在の非直線性に影響を与える増幅器においても、現在の非直線性に影響を与えている任意の過去時の逆モデル特性のべき級数の各次数の係数が、次数が小さくなるに従って係数の値が小さくならなければ、次数を減らすことにより過剰補償を防ぐことができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の一実施形態に係る歪補償回路の主要部を示すブロック図である。（ａ）は、強い非線形性を有する増幅器の高調波スペクトルを示すグラフ、（ｂ）は、弱い非線形性を有する増幅器の高調波スペクトルを示すグラフである。モデル推定部における処理を示すフローチャートである。増幅器の入出力特性（実線）及び逆モデル（破線）の２例を示すグラフである。増幅器の入出力特性の２例を示すグラフである。増幅器の入出力特性の２例についての逆モデル及び歪補償後の特性を示すグラフ（従来例）である。

符号の説明

１歪補償回路
２モデル推定部
３係数テーブル
４歪補償部
５増幅器

Claims

増幅器の出力信号を入力信号のｎ次べき級数の多項式の形で表したモデルを推定するモデル推定部と、
前記モデルに対する逆モデルを前記入力信号に付加することにより前記増幅器の入出力特性の歪を打ち消す歪補償を行う歪補償部と、を備えた歪補償回路であって、
前記モデル推定部は、前記多項式における各次の係数が、次数が大きいほど小さいという規則性を維持している場合は、前記モデルと実際の前記出力信号との誤差が所定値以内になるまでｎの値を逐次増加させ、前記規則性を維持していない場合は前記規則性が得られるまでｎの値を逐次減少させる機能を有することを特徴とする歪補償回路。
増幅器の出力信号を入力信号のｎ次べき級数の多項式の形で表したモデルを推定し、前記モデルに対する逆モデルを前記入力信号に付加することにより前記増幅器の入出力特性の歪を打ち消す歪補償を行う歪補償方法であって、
前記多項式における各次の係数が、次数が大きいほど小さいという規則性を維持している場合は、前記モデルと実際の前記出力信号との誤差が所定値以内になるまでｎの値を逐次増加させ、前記規則性を維持していない場合は前記規則性が得られるまでｎの値を逐次減少させる
ことを特徴とする歪補償方法。