JP5233651B2 - 歪補償装置及び方法 - Google Patents

歪補償装置及び方法

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Description

開示する技術は、無線通信において、送信アンプへの入力信号に予め歪補償処理を行うことで、送信アンプ出力の非線形歪を抑圧するプリディストーション型歪補償方式に関する。
一般に、移動体基地局等の無線送信装置に用いる高効率の送信アンプは非線形特性が強い。このため、高速無線通信用の変調信号が送信される際には、このような送信アンプにおける非線形歪みが送信変調信号に帯域外輻射電力を生じさせ、隣接送信チャネルに影響を及ぼす。
送信アンプによる帯域外輻射を抑圧する方式として、送信アンプの非線形歪特性の逆特性を有する歪信号を入力信号に付加して送信アンプに入力させることにより、送信アンプにおける非線形歪を補償するプリディストーション方式が知られている。特に、送信アンプの出力を入力側にフィードバックさせることにより、歪補償を適応的に行うアダプティブプリディストーション方式は、帯域外輻射を大幅に抑圧することができる
図12は、プリディストーション方式の原理図である。通常、送信アンプは、入力電力が大きくなるにつれて出力が飽和し、入力信号に対して線形な信号を出力することができなくなる(図12の1201)。このアンプの非線形特性は以下のような弊害をもたらす。
即ち、送信アンプの非線形特性は、アンプ入力に対して、信号帯域外に、不要なスペクトラムを放射させる。この帯域外輻射電力は、帯域外の周波数を用いている別システムの特性を劣化させる。また、信号帯域内にも不要なスペクトラムを放射している。これは信号自体の特性劣化の原因となる。
更に、現在のディジタル変調方式の多くは、線形な増幅特性を必要としているので、上記のような飽和特性をもつアンプの使用においては、線形な低入力電力部分を使用せざるを得ない。これは、送信アンプの電力効率の低下につながる。
そこで、プリディストーション技術を用いて、送信アンプの入力信号に、アンプ特性の逆特性が印加される(図12の1202)。これに非線形なアンプ特性が付加されることで、送信アンプ出力では結果的に、図12の1203に示されるように、補償された線形特性を得ることができる。
プリディストーションの一方式として、従来、べき級数を用いたプリディストーション方式が提案されている。これは、図13に示されるように、送信アンプ前段のプリディストーション部1301での補償動作が、入力信号xに対するべき級数演算によって行われる方式である。
即ち、図13において、プリディストーション部1301は、入力信号xに対するべき級数演算を実行することにより、送信アンプ1305の歪補償を行う。
プリディストーション部1301の出力は、D/Aコンバータ1302でアナログ信号に変換され、更に、直交変調器1303で、送信基地局に応じたローカル発振器1304から発振された信号によって直交変調される。
変調された送信アナログ信号は、送信アンプ1305で電力増幅され、その出力が、カ
ップラ1306を介して、送信アンテナ1307に供給され、そこから送信される。
また、送信アンプ1305の出力はカップラ1306から入力側にフィードバックされる。
即ち、カップラ1306の出力は、ダウンコンバータ1308で、送信基地局に応じたローカル発振器1309から発振された信号によってダウンコンバートされる。更にその出力は、A/Dコンバータ1210によってディジタル信号に戻された後、特には図示しない復調器でベースバンドに戻される。
この結果得られるフィードバック信号Sfb(n)について、減算器1211にて、特には図示しない遅延回路で遅延させられた送信信号Sref(n)との誤差信号e(n)が算出される。
そして、係数更新部1312にて、最小自乗誤差(Least Mean Square)演算に基づいてその誤差信号e(n)が最小化されるように、プリディストーション部1301に供給されるべき級数演算係数a,b,c,d等が更新される。
このようにして、べき級数演算係数が徐々に所定値に収束させられ、その所定値に収束したべき級数演算係数を用いて、プリディストーション部1301にて、入力信号xに対してべき級数演算が実行される。これにより、定常状態においては、高い電力効率を保ちながらアナログ回路部の非線形歪特性が精度良く抑圧される。そして、この非線形歪特性が温度や周波数の影響により変動した場合においても、フィードバック信号Sfb(n)によりそのアナログゲイン変動量が検出される。そして、係数更新部1312にてその変動量を補う方向にべき級数演算係数の値が更新され、特性の変動を動的に補償することができる。
なお、以上の構成は実際には、複素信号に対する構成を有する。
上述の従来技術の構成において、例えば、次式で示される周波数2Δf離れた2つの正弦波信号(2トーン信号)が、べき級数でモデル化されるアンプモデルに入力すると仮定する。
cos2π(fc−Δf)t+cos2π(fc+Δf)t
ただし、fcは搬送波周波数である。この結果、べき級数で表現される出力信号において、偶数次のべき乗の項には、搬送波周波数fcから大きく離調しアナログ部のフィルタや送信アンプ自体によって抑圧される信号成分しか含まれない。これに対して、3次のべき乗の項ではfc±3Δf、5次のべき乗の項ではfc±5Δfという、搬送波周波数の近傍に不要成分が発生する。従って、送信アンプ1305での非線形歪は、奇数次べき乗項のみからなるべき級数によってモデル化できる。このため、図13に示されるように、プリディストーション部1301で演算されるべき級数も、奇数次べき乗項のみで構成されるのが、一般的である。
今後、べき級数の数式として、簡単のためax+bx+cx+dxという単純なべき級数式を用いて説明する。実際の歪補償には、送信アンプ1305の特性をより正確にモデル化するために、Volterra級数をはじめとする、遅延成分を考慮に入れたより複雑な形の級数を用いるのが一般的である。これらの詳細については、下記非特許文献1に記載されている。
特開2001−268150号公報 特開2002−335129号公報 V. J. Mathews and G. L. Sicuranza: "Polynomial Signal Processing", John Wiley & Sons,Inc. (2000). S. Haykin: "適応フィルタ理論", 科学技術出版(2001). (鈴木博他訳). V. Mathews: "Adaptive polynomial filters", IEEE Signal Processing Magazine, pp. 10-26(1991).
ここで一般に、無線通信システムにおける送信装置では、ユーザの利用状況によって送信信号の電力量が変化する。そして、上述のような従来のべき級数による歪補償方式においては、送信信号の電力が変動した直後に最適な歪補償係数を用いられていないと、帯域外輻射電力が一時的に上昇するという課題があった。
例えば、図14において、送信信号のピーク電力が「ピーク電力1」の状態で歪補償係数が更新された場合に、アンプ特性1401に対して、信号が出現しない領域(赤太線)の補正曲線1403と理想の補正曲線1402の間に差分が生じる。その状態で送信信号のピーク電力が「ピーク電力2」に変動すると、信号変動前の係数特性1404が歪補償の演算に使用されてしまう。その結果、係数の更新が進むまで理想曲線1402からずれた補正曲線1403、1404となり、歪補償のための十分な性能を維持できないという問題点を有していた。
従って、開示する技術の課題は、送信信号のレベルが変動した直後も理想補正曲線に近い状態で歪補償ができるようにして、帯域外輻射電力の上昇を抑えることにある。
以下に示す第1の態様は、送信信号に対して級数演算処理による歪補償処理を実行する歪補償部と、歪補償部の出力に電力増幅処理を行って出力される送信信号出力のフィードバック信号と送信信号との誤差に応じて、級数演算処理に用いられる級数演算係数組を更新する係数更新部とを含む歪補償装置を前提とする。
初期係数メモリ部は、係数更新部における係数更新処理の初期値となり得る級数演算係数組を記憶する。
電力変動検出部は、送信信号の電力変動を検知し、その検知時に、初期係数メモリ部から級数演算係数組を読み出して係数更新部に与える。
以下に示す第2の態様は、送信信号に対してその送信信号の複数の電力範囲の各々に応じた各級数演算処理による歪補償処理を実行する歪補償部と、その歪補償部の出力に電力増幅処理を行って出力される送信信号出力のフィードバック信号と送信信号との誤差に応じて各級数演算処理に用いられる各級数演算係数組を更新する係数更新部とを含む歪補償装置を前提とする。
初期係数メモリ部は、係数更新部における係数更新処理の初期値となり得る各級数演算処理毎の各級数演算係数組を記憶する。
電力変動検出部は、送信信号の電力変動を検知し、その検知時に、初期係数メモリ部から必要な級数演算係数組を読み出して係数更新部に与える。
開示した技術によれば、送信信号のレベルが変動した直後も理想補正曲線に近い状態で歪補償ができるため、帯域外輻射電力の上昇を抑えることが可能となる。
以下、図面を参照しながら、開示の歪補償装置の実施の形態について詳細に説明する。
以下に開示する技術は、運用中に電力変動検出回路により送信信号のピーク電力もしくは平均電力の変動が検知された場合に、予めメモリに蓄えたべき級数演算係数が読み出され、プリディストーション部に設定されて歪補償演算が実行されるものである。
なお、開示の歪補償装置のプリディストーション部等の機能は、例えばDSP(Digital Signal Processor)を実装して実現される。
<第1の実施形態>
図1は、歪補償装置の第1の実施形態の構成図である。
プリディストーション部101は、奇数次べき乗項からなるべき級数演算を実行し、べき乗演算器101−1、係数乗算器101−2、及び累算器101−3から構成される。これにより、プリディストーション部101は、送信アンプ105の歪補償を行う。
プリディストーション部101の出力は、D/Aコンバータ102でアナログ信号に変換され、更に、直交変調器103で、送信基地局に応じたローカル発振器104から発振された信号によって直交変調される。
変調された送信アナログ信号は、送信アンプ105で電力増幅され、その出力が、カップラ106を介して、送信アンテナ107に供給され、そこから送信される。
また、送信アンプ105の出力はカップラ106から入力側にフィードバックされる。
即ち、カップラ106の出力は、ダウンコンバータ108で、送信基地局に応じたローカル発振器109から発振された信号によってダウンコンバートされる。更にその出力は、A/Dコンバータ110によってディジタル信号に戻された後、特には図示しない復調器でベースバンドに戻される。
この結果得られるフィードバック信号について、係数更新部111にて、送信信号との誤差信号が算出され、最小自乗誤差(Least Mean Square)演算に基づいてその誤差信号が最小化されるように、プリディストーション部101に供給されるべき級数演算係数組が更新される。
電力変動検出回路112は、運用中に送信信号の電力変動を検出した場合、予め初期係数メモリ113に記憶してあった歪補償係数を読み出して、係数更新部111に入力する。初期係数メモリ113に記憶される歪補償係数は、例えば工場出荷時等において算出される。これにより、本実施形態では、電力変動の検知時に、係数更新部111が係数更新処理の初期値として送信信号の電力に合致した値を用いることができるので、係数が効率良く更新され理想補正曲線に近い状態に速やかに到達可能である。よって、送信信号のレベルが変動した直後も理想補正曲線に近い状態で歪補償ができ、帯域外輻射電力の上昇を抑えることが可能となる。なお、電力変動検出回路112は、例えばピーク電力、平均電力などによって、電力変動を検出するが、以降の説明では、ピーク電力を用いて説明する。なお、平均電力でも同様である。
上記電力変動検出時においては、係数更新部111は、それまで保持していたべき級数演算係数組にメモリから読み出した歪補償係数組を上書きして、プリディストーション部101に入力する。その後の係数更新処理は、上記読み出された歪補償係数組を初期値として実行される。これにより、係数更新部111における係数更新処理の初期値が、使用状況等に合致した値となるように適宜更新される。
<第2の実施形態>
図2は、歪補償装置の第2の実施形態の構成図である。第2の実施形態は、図1の第1
の実施形態と、初期係数メモリ113に記憶される歪補償係数に関する構成が相違する。図2において、図1の場合と同じ部分は同じ番号が付されている。
図2に示すように、本実施形態では、初期係数メモリ113は、送信信号の各電力レベル毎に、対応する級数演算係数組をそれぞれ記憶する。図2の例では、4つの電力レベル(ピーク電力のレベルがPa,Pb,Pc,Pd)毎に、対応する係数A,B,C,Dが記憶されている。なお、各係数は、べき級数演算係数組である。図2は、送信信号のピーク電力がPc からPb へ変動した場合の例を示している。電力変動後の電力と同等かそれ以上のピーク電力に対応する係数(係数A若しくは係数B)が初期係数メモリ113から読み出され、係数更新部111へ入力される。
本実施形態では、各ピーク電力の係数を保持するためメモリ量は増えるが、送信信号の電力に合わせた係数を使用することができるため、電力変動時の帯域外輻射電力増加量を少なくすることができる。
<第3の実施形態>
図3は、歪補償装置の第3の実施形態の構成図である。第3の実施形態は、図1の第1の実施形態と、初期係数メモリ113に記憶される歪補償係数に関する構成が相違する。図3において、図1の場合と同じ部分は同じ番号が付されている。
図3では、送信アンプ105の最大出力電力に対応する係数のみが初期係数メモリ113に保持される。そして、電力変動が生じた場合には変動後の電力値に関わらず最大出力電力に対応する係数が初期係数メモリ113から読み出され、係数更新部111へ入力される。
本実施形態では、初期係数メモリ113に保持される係数を1組だけとすることで、帯域外輻射電力の増加量は第2の実施形態に比べて大きくなるが、妥当な範囲でメモリ量を削減することができる。
<第4の実施形態>
図4は、歪補償装置の第4の実施形態の前提となる、複数のべき級数を用いたプリディストーション方式の構成図である。この構成は、図13に示した単一べき級数方式プリディストーション方式の歪補償性能を改善する方式である。図4において、図1の場合と同じ部分は同じ番号が付されている。
図4の構成では、べき級数演算により構成されているプリディストーション部(PD部)401が#1、#2、#3などというように複数組用意され、各PD部401は、それぞれ異なるべき級数演算係数組に基づいて異なるべき級数演算を実行する。
セレクタ402は、{(PD部401の数)−1}個の電力閾値を保持し、送信信号の電力を電力変換部403にて変換して得られる電力信号値を、各電力閾値と大小比較する。そして、セレクタ402は、その比較結果に対応するPD部401の出力を選択して、D/Aコンバータ102に出力する。
図5は、図4に示される複数のべき級数を用いたプリディストーション方式の構成をベースとする、歪補償装置の第4の実施形態の構成図である。この第4の実施形態は、図1の第1の実施形態に、図4のPD部401を適用したものである。図5において、図1及び図4の場合と同じ部分は同じ番号が付されている。
この実施形態では、初期係数メモリ113には、複数のピーク電力毎に、複数のPD部401のそれぞれに対応する係数組(べき級数演算係数組)が予め記憶される。
図6は、第4の実施形態の動作説明図である。
第4の実施形態は、複数のべき級数演算による歪補償動作に対応して、送信アンプ105の入力電圧に対する出力電圧の補正特性として、図6に示されるように、複数の特性(図では3種類)を有している。
電力変動が発生した場合、補正曲線がずれる領域、つまり変動前のピーク電力を含む領域とそれ以上の電力領域の係数組が変更される。
いま例えば、図5の歪補償装置が、ピーク電力Pc で動作しているとする。この状態で係数が更新されると信号が無い領域601(図6参照)において、理想の歪補償曲線とのずれが生じる。ここで電力がPb に変動すると、Pc より上の領域ではずれた特性601に対応する歪補償係数組が使用されるため、帯域外輻射電力が上昇する。そこで、ピーク電力Pb に対応した初期係数組のうち、ずれが生じている2級数目及び3級数目の係数組(図6の602の特性に相当する図5の係数組B2 及びB3 )が、初期係数メモリ113から読み出されて係数更新部111に与えられる。
ここで、変動後のピーク電力以上かつ変動後のピーク電力を含まない領域は信号が存在しないため、初期係数メモリ113に保持する係数組を省くことができる。第4の実施形態の場合、ピーク電力毎に、図7(a)及び(b)に示される係数組を省略することができ、メモリ量を削減できる。
また、電力変動前のピーク電力以下かつ電力変動前のピーク電力を含まない領域は、電力変動前の信号によって補正曲線が作られているため、電力変動時の係数組の変更は必要ない。よって、電力変動前のピーク電力を含む領域及びそれ以上に対応する係数組のみが初期係数メモリ113に保持されればよく、それらより下の領域に対応する係数組を省くことができる。例えば、第4の実施形態の場合、電力変動量が1分割領域以下の場合だと、ピーク電力毎に、図8(a)及び(b)に示される係数組を省略することができ、メモリ量を削減できる。
更に、ピーク電力の下限が分かっている場合、それよりも下の領域においては上記の場合と同様の理由で補正曲線が作られているため、係数組を省くことができる。例えば、第4の実施形態において、ピーク電力の下限がPc だとすると、電力変動時に変更する係数は2,3級数目のいずれか若しくは両方のみであるため、1級数目に対応する係数であるA1,B1,C1,D1を省略することができる。
<第5の実施形態>
図9は、歪補償装置の第5の実施形態の構成図である。第5の実施形態は、図5の第4の実施形態と、初期係数メモリ113に記憶される歪補償係数に関する構成が相違する。図9において、図1及び図4の場合と同じ部分は同じ番号が付されている。
図9に示すように、本実施形態では、歪補償に用いるべき級数演算は複数型であるが、予め初期係数メモリ113に記憶される係数は単独べき級数によって算出されたものとされる。電力が変動した場合、第4の実施形態と同様の方法で係数が更新される。
本実施形態では、複数のPD部401を備えて複数のべき級数を用いたプリディストーション方式により歪補償性能を改善できると共に、初期係数メモリ113に保持される係数を各PD部401について1組だけとすることでメモリ量を削減することができる。
<第6の実施形態>
図10は、歪補償装置の第6の実施形態の構成図である。第6の実施形態は、図1の第1の実施形態と、電力変動検出回路112の後段に設けた電力変動量判定部1001に関する構成が相違する。図10において、図1の場合と同じ部分は同じ番号が付されている。
図10では、電力変動検出回路112の後段の電力変動量判定部112001が、電力変動量に応じて初期係数メモリ113から係数組を読み出すかどうかを判定する。これにより、電力変動の検知時に、係数更新部111が係数更新処理の初期値として、電力変動量を考慮してより適切な値を用いることができる。
また、電力変動量判定部112001は、電力変動の有無に関わらず、係数更新部111にて更新された係数組を初期係数メモリ113に適宜反映させる。これにより、係数更新部111における係数組が、使用状況等に合致した値となるように適宜更新される。
この場合に、初期係数メモリ113に反映される係数組は現在のピーク電力に対応する係数組とされる。具体的には例えば、係数更新部111がLMSアルゴリズムに基づいて係数更新を実行した場合、その都度初期係数メモリ113の内容が更新される。
また例えば、一定時間経過後に、係数更新部111にて係数更新された係数組について、初期係数メモリ113の内容が更新される。
更に例えば、電力変動が発生した場合に、変動前の電力に対応する係数組について、初期係数メモリ113の内容が更新される。
<第7の実施形態>
図11は、歪補償装置の第7の実施形態の構成図である。第7の実施形態は、図1の第1の実施形態と、電力変動検出回路112による電力変動の検知に関する構成が相違する。図11において、図1の場合と同じ部分は同じ番号が付されている。
図11では、電力変動検出回路112による電力変動の検知には、プリディストーション部101にて処理されるプリディストーション信号よりも進んだ信号が用いられる。即ち、プリディストーション部101には、送信信号をディレイ部(Delay)1101にて遅延させて得られる信号が入力される。
これによって、予め電力変動のタイミングを知ることができ、それに合わせてプリディストーション部101に係数組を入力することができるため、帯域外輻射電力の上昇を最小限に抑えることができる。電力変動が検知され場合には、タイミングを合わせて係数変更指示が初期係数メモリ113に通知される。
歪補償装置の第1の実施形態の構成図である。 歪補償装置の第2の実施形態の構成図である。 歪補償装置の第3の実施形態の構成図である。 歪補償装置の第4の実施形態の前提となる、複数のべき級数を用いたプリディストーション方式の構成図である。 歪補償装置の第4の実施形態の構成図である。 第4の実施形態の動作説明図である。 第4の実施形態において係数組が省略される場合の説明図(その1)である。 第4の実施形態において係数組が省略される場合の説明図(その2)である。 歪補償装置の第5の実施形態の構成図である。 歪補償装置の第6の実施形態の構成図である。 歪補償装置の第7の実施形態の構成図である。 プリディストーション方式の原理図である。 従来の歪補償装置の構成図である。 送信アンプの非線形特性に起因するスペクトラム特性の劣化についての説明図である。
符号の説明
101、1301 プリディストーション部(PD部)
101−1 べき乗演算器
101−2 係数乗算器
101−3 累算器
102、1302 D/Aコンバータ
103、1303 直交変調器
104、109、1304、1309 ローカル発振器
105、1305 送信アンプ
106、1306 カップラ
107、1307 送信アンテナ
108、1308 ダウンコンバータ
110、1310 A/Dコンバータ
111、1312 係数更新部
112 電力変動検出回路
113 初期係数メモリ
401 プリディストーション部(PD部)
402 セレクタ
403 電力変換部
1001 電力変動量判定部
1101 遅延部(Delay)
1311 減算器

Claims (8)

  1. 送信信号に対して級数演算処理による歪補償処理を実行する歪補償部と、該歪補償部の出力に電力増幅処理を行って出力される送信信号出力のフィードバック信号と送信信号との誤差に応じて、前記級数演算処理に用いられる級数演算係数組を更新する係数更新部とを含む歪補償装置において、
    前記係数更新部における係数更新処理の初期値となり得る級数演算係数組を記憶する初期係数メモリ部と、
    前記送信信号のピーク電力あるいは平均電力の変動を検知し、該検知時に、前記初期係数メモリ部から前記級数演算係数組を読み出して前記係数更新部に与える電力変動検出部と、
    を含むことを特徴とする歪補償装置。
  2. 前記初期係数メモリ部は、前記送信信号の各電力レベル毎に、対応する前記級数演算係数組をそれぞれ記憶し、
    前記電力変動検出部は、前記送信信号の電力変動の検知時に、該電力変動の電力レベルに対応する級数演算係数組を前記初期係数メモリ部から読み出して前記係数更新部に与える、
    ことを特徴とする請求項1に記載の歪補償装置。
  3. 前記初期係数メモリ部は、前記送信信号の最大電力レベルに対応する前記級数演算係数組を記憶し、
    前記電力変動検出部は、前記送信信号の電力変動の検知時に、前記初期係数メモリ部から前記送信信号の最大電力レベルに対応する級数演算係数組を読み出して前記係数更新部に与える、
    ことを特徴とする請求項1に記載の歪補償装置。
  4. 送信信号に対して該送信信号の複数の電力範囲の各々に応じた各級数演算処理による歪補償処理を実行する歪補償部と、該歪補償部の出力に電力増幅処理を行って出力される送信信号出力のフィードバック信号と送信信号との誤差に応じて、前記各級数演算処理に用いられる各級数演算係数組を更新する係数更新部とを含む歪補償装置において、
    前記係数更新部における係数更新処理の初期値となり得る前記各級数演算処理毎の各級数演算係数組を記憶する初期係数メモリ部と、
    前記送信信号のピーク電力あるいは平均電力の変動を検知し、該検知時に、前記初期係数メモリ部から必要な前記級数演算係数組を読み出して前記係数更新部に与える電力変動検出部と、
    を含むことを特徴とする歪補償装置。
  5. 前記電力変動検出部が前記送信信号の電力変動を検知したときに、該電力変動の量に応じて前記係数更新部での係数変更の有無を制御する電力変動判定部を更に含む、
    ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の歪補償装置。
  6. 前記初期係数メモリに記憶される前記級数演算係数組は、前記係数更新部での係数更新状況に応じて適宜更新される、
    ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の歪補償装置。
  7. 前記電力変動検出部は、前記歪補償部にて処理される送信信号よりも時間的に進んだ送信信号に対して電力変動を検知する、
    ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の歪補償装置。
  8. 送信信号に対して級数演算処理による歪補償処理を実行する歪補償ステップと、該歪補償ステップの出力に電力増幅処理を行って出力される送信信号出力のフィードバック信号と送信信号との誤差に応じて、前記級数演算処理に用いられる級数演算係数組を更新する係数更新ステップとを含む歪補償方法において、
    前記係数更新ステップにおける係数更新処理の初期値となり得る級数演算係数組を記憶する初期係数メモリステップと、
    前記送信信号のピーク電力あるいは平均電力の変動を検知し、該検知時に、前記初期係数メモリステップから前記級数演算係数組を読み出して前記係数更新ステップに与える電力変動検出ステップと、
    を含むことを特徴とする歪補償方法。
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