JP5258621B2

JP5258621B2 - 送信機および信号処理方法

Info

Publication number: JP5258621B2
Application number: JP2009042396A
Authority: JP
Inventors: 弘美安島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: JP2010199975A

Description

この発明は、非線形特性を有する増幅器の歪みを推定し、非線形補償（リニアライズ）を行う送信機、および当該送信機における信号処理方法に関する。

携帯電話の基地局や無線通信端末においては、省電性に優れ、かつ歪みの少ない増幅器が求められる。しかし、一般に、増幅器をいわゆる非線形領域（飽和領域）で動作させると省電性が高まるが、歪み特性が劣化してしまうという問題がある。図５は、増幅器のＡＭ−ＡＭ特性（入力振幅に対する出力振幅の特性）における非線形の一例を示す図であり、図６は、増幅器のＡＭ−ＰＭ特性（入力振幅に対する出力位相の特性）における非線形の一例を示す図である。

増幅器による歪みを緩和し、増幅特性の線形化を行う方式には、ＤＰＤ（Digital Pre Distortion）方式のようなＬＵＴ（Look Up Table）を用いた方式や、カーテシアンループ方式のようなフィードバック制御を利用した方式、及び、ＥＥＲ（Envelope Elimination and Reconstruction）またはポーラ変調と呼ばれる入力信号を振幅信号（包絡線信号）と位相信号とに分けて増幅する方式がある。

図７は、ＤＰＤ方式による非線形補償の概要を示す図であり、図８はＤＰＤ方式の概略回路構成を示す図である。ＤＰＤ方式のＬＵＴには、例えば、入力された信号の振幅又は（Ｉ，Ｑ）の値をインデックスとした補正係数が記入されている。当該ＬＵＴを用いて、入力された信号の値を補正することで、電力増幅器で発生する歪みを打ち消すような歪みを発生させることができる。図９は、ＤＰＤ方式による具体的回路構成を示す図である。すなわち、ＬＵＴ１１０を用いて、この電力増幅器１１８の歪みと相殺するための信号を送信装置への入力信号にミキサ１１３で印加することにより、電力増幅器１１８の出力信号が送信装置への入力信号と線形になるように制御するものである（例えば、特許文献１乃至４参照）。

図１０は、フィードバック制御の概要を示す図であり、図１１は、ＩＱ入力信号に対するフィードバック方式の概略回路構成を示す図である。カーテシアンループ方式では、増幅器の出力信号を復調装置で復調して送信装置の入力側に入力することにより、増幅特性の線形化制御が行われる。図１２は、カーテシアンループ方式による具体的回路構成を示す図である。すなわち、送信装置への入力信号と電力増幅器１１９の出力信号とを可変利得減衰器１２３を介して取り込み、この信号を直交復調器１１７で復調した信号とを比較して振幅や位相の誤差を最小にするように制御回路１２５で可変利得減衰器１２３を制御するものである（例えば、特許文献５および６参照）。

図１３は、アナログ方式のＥＥＲの回路構成を示す図であり、図１４は、デジタル方式のＥＥＲの回路構成を示す図である。ＥＥＲ方式では、入力信号は２つに分岐され、一方の入力信号は検波回路へ入力することで振幅信号成分（包絡線信号）のみが取り出される。また、他方の入力信号はリミッタ回路によって位相信号成分のみの高周波信号となるため、高周波電力増幅を行う増幅器には振幅増幅が不要となる。これによって高周波増幅器は高効率な飽和増幅器を用いることができる。また、位相変調は比較的非線形歪の影響を受けにくいため、このようなＥＥＲ方式によって、増幅器の省電力性と増幅特性の線形性とを両立させることができる。（例えば、特許文献７参照）。

特開２００７−２２１２４５号公報特開２００５−１５１１１９号公報特開２００６−１９７５４５号公報特開２００６−３４０１８１号公報特開平６−２６８５５０号公報特許第２８１１９６１号公報特開２００６−１４８８３５号公報

しかしながら、従来のＤＰＤ方式のＬＵＴは増幅器毎の特性の違いを考慮しておらず、各増幅器に対して共通のＬＵＴを用いるが、歪み補償精度は増幅器毎に異なるものであるため、一定の歪み補償精度を得ることは困難である。また、歪み特性は温度変化等により影響を受けるものであるが、従来のＤＰＤ方式では、かかる歪み特性の変化に対応することが難しい。また、ＬＵＴを随時書き換えるアダプティブなＤＰＤ方式も提案されているが、ＬＵＴを随時書き換えるための最適な更新アルゴリズムを見出すことは困難である。

カーテシアンループ方式では、例えば、ＡＭ−ＰＭ特性に非線形位相歪みがあると、制御系の動作を安定させることが困難であるという問題がある。さらに、ＥＥＲ方式によっても、増幅による非線形歪みの発生を完全に防ぐことは困難であり、ＥＥＲ方式のみでは、発生した非線形歪みに対応することはできない。

本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもので、入力信号の振幅信号成分（包絡線信号）を入力信号増幅用の電源電圧として用い、増幅器の省電力性と増幅特性の線形性との両立を意図した回路構成を含む無線機において、増幅器の非線形性（歪み）を予め推定し、推定した非線形性（歪み）を利用して、増幅器への入力過程において積極的に非線形性を打ち消すことで、ＡＭ−ＡＭ、ＡＭ−ＰＭ特性などの非線形補償（リニアライズ）をする送信機および信号処理方法を提供することである。

上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による送信機は、
第１入力信号から振幅信号を取得する第１信号処理部と、
前記第１信号処理部からの前記振幅信号に基づき第１増幅信号を生成する第１増幅器と、
前記第１入力信号と、前記第１増幅信号とに基づき第２増幅信号を生成する第２増幅器と、
前記第１入力信号に利得を与えて基準信号を生成する利得設定部と、
前記第２増幅信号と、前記基準信号とを比較し、比較信号を生成する比較器と、
第２入力信号と、前記比較信号とを加算し、前記第１入力信号を生成する加算器と、
を備え、
前記第１増幅器及び第２増幅器の少なくとも一方は、増幅特性が非線形であり、前記第２増幅信号は、前記第１増幅器及び第２増幅器の理想的な線形特性からの歪み量を含み、
前記利得設定部の前記利得は、前記第１増幅器及び第２増幅器の理想的な線形特性に従うものであり、
前記比較器は、前記第１増幅器及び第２増幅器の少なくとも一方による歪み量の推定歪み量を含む前記比較信号を生成する、ものである。

上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

例えば、上述した諸課題を解決すべく、第２の発明による信号処理方法は、
送信機の信号処理方法であって、
第１入力信号から振幅信号を取得するステップと、
第１増幅器により、前記第１信号処理部からの前記振幅信号に基づき第１増幅信号を生成するステップと、
第２増幅器により、前記第１入力信号と、前記第１増幅信号とに基づき第２増幅信号を生成するステップと、
前記第１入力信号に利得を与えて基準信号を生成する利得設定ステップと、
前記第２増幅信号と、前記基準信号とを比較し、比較信号を生成する比較ステップと、
第２入力信号と、前記比較信号とを加算し、前記第１入力信号を生成する加算ステップと、
を含み、
前記第１増幅器及び第２増幅器の少なくとも一方は、増幅特性が非線形であり、前記第２増幅信号は、前記第１増幅器及び第２増幅器の理想的な線形特性からの歪み量を含み、
前記利得設定ステップの前記利得は、前記第１増幅器及び第２増幅器の理想的な線形特性に従うものであり、
前記比較ステップは、前記第１増幅器及び第２増幅器の少なくとも一方による歪み量の推定歪み量を含む前記比較信号を生成する、ものである。

本発明によれば、入力信号の振幅信号成分（包絡線信号）を入力信号増幅用の電源電圧として用い、増幅器の省電力性と増幅特性の線形性との両立を意図した回路構成を含む無線機において、増幅器の非線形性（歪み）を予め推定し、推定した非線形性（歪み）を利用して増幅器への入力過程において積極的に非線形性を打ち消すことで、ＡＭ−ＡＭ、ＡＭ−ＰＭ特性などの非線形補償（リニアライズ）をすることができる。

本発明の一実施形態に係る送信機の回路構成を示す図である。増幅器の非線形特性の一例を表した回路構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る回路構成の歪み量の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る回路構成の歪み量の一例を示す図である。増幅器のＡＭ−ＡＭ特性における非線形の一例を示す図である。増幅器のＡＭ−ＰＭ特性における非線形の一例を示す図である。ＤＰＤ方式による非線形補償の概要を示す図である。ＤＰＤ方式の概略回路構成を示す図である。ＤＰＤ方式による具体的回路構成を示す図である。フィードバック制御の概要を示す図である。ＩＱ入力信号に対するフィードバック方式の概略回路構成を示す図である。カーテシアンループ方式による具体的回路構成を示す図である。ＥＥＲポーラ方式の概略回路構成を示す図である。ＥＥＲポーラ方式の概略回路構成を示す図である。

以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る送信機１の回路構成を示す図である。送信機１は、第１信号処理部１１と、ＤＡ変換部１２と、第１増幅器１３と、ＩＱ変調部１４と、第２増幅器１５と、ＩＱ復調部１６と、第２信号処理部１７と、利得設定部１８と、第１比較器１９と、第２比較器２０と、ＩＱ計算部２１と、第１調整部２２と、第２調整部２３と、第１加算器２４と、第２加算器２５と、を備える。

第１信号処理部１１は、入力信号（ＩＱ）から振幅信号（入力信号の包絡線信号）を取得する。なお、入力信号のＩ，Ｑ成分に対し、振幅信号はＳＱＲＴ（Ｉ×Ｉ＋Ｑ×Ｑ）、位相信号はａｒｃｔａｎ（Ｑ／Ｉ）により算出することができる。第１信号処理部１１は、入力信号（ＩＱ）の振幅信号をＤＡ変換器１２に供給する。ＤＡ変換部１２は、振幅信号をＤＡ変換し、変換した信号を第１増幅器１３に供給する。第１増幅器１３は、供給された信号を増幅して増幅信号を出力する。なお、一般に、振幅信号の増幅は非線形歪みの影響を受けやすいため、第１増幅器１３には線形性の高い増幅器を用いるものであるが、省電力性を考慮して、理想的な線形特性（以下、「理想特性」という。）からの歪み量を生じる増幅器を用いることもできる。

第２増幅器１５は、第１増幅器１３からの信号を電源電圧制御用の信号として、入力信号を増幅して出力信号を生成する。なお、第２増幅器１５は、ＡＭ−ＡＭ／ＡＭ−ＰＭといった増幅特性が非線形であり、理想特性から所定の歪み量を生じるものである。

ＩＱ変調部１４およびＩＱ復調部１６は、それぞれＩＱ変調およびＩＱ復調に必要となる所定の処理を行う。利得設定部１８は、入力されるＩＱ信号から、振幅および位相を取得するとともに、取得した振幅及び位相に対して第１増幅器及び第２増幅器の理想特性に従う利得を与える。第２信号処理部１７は、入力されるＩＱ信号から、振幅および位相を算出する。第１比較器１９および第２比較器２０は、それぞれ、利得設定部１８および第２信号処理部１７から供給される振幅Ｇ１、Ｇ２および位相θ１、θ２を比較するものであり、当該比較により、第１増幅器１３及び第２増幅器１５の非線形特性による歪み量を推定し、ΔＧおよびΔθを算出する。

ＩＱ計算部２１は、第１比較器１９および第２比較器２０が算出したΔＧおよびΔθを、推定歪み量として、ＩＱ信号のΔＩおよびΔＱに変換し、ΔＩを第１調整部２２に、ΔＱを第２調整部２３に供給する。なお、ΔＧおよびΔθに対し、ΔＩはΔＧ×ｃｏｓΔθ、ΔＱはΔＧ×ｓｉｎΔθにより算出することが出来る。第１調整部２２および第２調整部２３は、ＩＱ計算部２１から供給されたΔＩおよびΔＱのレベルを調整するため、それぞれ、ΔＩおよびΔＱに所定の係数を乗じるものである。第１加算器２４および第２加算器２５は、それぞれ、入力信号のＩ、Ｑ成分と、第１調整部２２および第２調整部２３からの信号とを加算するものであり、増幅器１１の非線形特性による歪み量を打ち消すように、入力信号を生成する。

当該送信機１における制御の流れを、第１加算器２４および第２加算器２５の後段の信号（第１入力信号）を起点として説明する。

第１信号処理部１１は、第１入力信号から振幅信号（即ち第１入力信号の包絡線信号）を取得し、当該振幅信号をＤＡ変換部１２を経由して第１増幅器１３に供給する。第１増幅器１３は、振幅信号を増幅して第１増幅信号を生成し、当該第１増幅信号を電源電圧制御用の信号として第２増幅器に供給する。

第２増幅器１５は、ＩＱ変調部１４を経て第１入力信号を取得し、第１増幅器１３からの電源電圧に基づいて第１入力信号を増幅し、第２増幅信号を生成する。ここで、第２増幅信号は、第１増幅器１３及び第２増幅器１５の非線形特性による歪み量を含むものである。

第２信号処理部１７は、ＩＱ復調部１６を経て第２増幅信号を取得し、第２増幅信号の振幅及び位相を算出して、当該振幅及び位相をそれぞれ第１比較器４６および第２比較器２０に供給する。第１比較器４６および第２比較器２０には、さらに、利得設定部１８によって第１増幅器１３及び第２増幅器１５の理想特性に従った利得が与えられた第１入力信号が基準信号として供給される。

第１比較器４６および第２比較器２０は、それぞれ、利得設定部１８および第２信号処理部１７から供給される振幅および位相を比較し、当該比較により、第１増幅器１３及び第２増幅器１５の非線形特性による歪み量の推定値（推定歪み量）を含む比較信号を生成する。

第１加算器２４および第２加算器２５は、それぞれ、入力信号（第２入力信号）のＩ成分及びＱ成分と、第１調整部２２及び第２調整部２３からの比較信号とを加算し、第１入力信号を生成する。当該第１入力信号は、第１増幅器１３および第２増幅器１５の推定歪み量を含むものであるため、送信機１は、第１増幅器１３および第２増幅器１５への入力過程において積極的に非線形性を打ち消すことで、ＡＭ−ＡＭ、ＡＭ−ＰＭ特性などの非線形補償（リニアライズ）をすることができる。

図２は、増幅器の非線形特性の一例を表した回路構成を示す図である。図２に示すとおり、増幅器の非線形特性をｙ＝ｕ^２でモデル化している。図３（ａ）は、当該回路構成における歪み量を示す図である。線ａは増幅器の理想特性（線形特性）を表し、線ｂは増幅器の非線形特性（ｙ＝ｕ^２）を表し、線ｃは理想特性と非線形特性との差分（歪み量）を表す。図３（ｂ）は、図２の回路構成により、増幅器の特性の線形化（リニアライズ）を行った後の歪み量を示す図である。線ａは増幅器の理想特性（線形特性）を表し、線ｂはリニアライズ後の増幅器の特性を表し、線ｃは理想特性とリニアライズ後の特性との差分（歪み量）を表す。図３（ｂ）に示すとおり、増幅器の特性の線形化（リニアライズ）により、理想特性と増幅器の特性が近い値になり、歪み量を減少させることができる。図４は、図３（ｂ）より、より細かい演算ステップで、増幅器特性の線形化（リニアライズ）を行った場合の歪み量を示す図である。図３（ｂ）と同様に、線ａは増幅器の理想特性（線形特性）を表し、線ｂはリニアライズ後の増幅器の特性を表し、線ｃは理想特性とリニアライズ後の特性との差分（歪み量）を表す。図４に示すとおり、増幅器特性の線形化（リニアライズ）をより細かい演算ステップで行うほど、歪み量をより減少させることが出来る。

このように、本実施形態によれば、非線形特性をもつ増幅器の出力信号と増幅器の理想特性をもつ利得設定部の出力信号とを比較することにより、増幅器の推定歪み量を推定する。また、当該推定歪み量を増幅器への入力に加算させることによって、増幅器の非線形性（歪み）を予め推定し、推定した非線形性（歪み）を利用して、増幅器への入力過程において積極的に非線形性を打ち消すことで、ＡＭ−ＡＭ、ＡＭ−ＰＭ特性などの非線形補償（リニアライズ）をすることができる。本実施形態においては、推定歪み量を加算した信号は、第１増幅器１３及び第２増幅器１５の双方に入力されるため、それぞれの増幅器において非線形補償を行うことができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、本発明の範囲は上記実施形態の記載のみに限定されるものではなく、これらの変形や修正も本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成要素などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数構成要素などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

例えば、本発明は、温度変化による増幅器の効率低下を防ぐことも可能である。一般に、温度変化によって、増幅器に使われているＦＥＴ（電界効果トランジスタ：Field Effect Transistor）の増幅率、動作点が変動し、これにより送信出力変動、増幅効率の低下が発生する。ＥＴ（エンベロープトラッキング：Envelope Tracking）方式を用いるＥＥＲでは、常にＡＢ級増幅を狙った制御を行っても、温度変動があった場合（特に高温）、送信信号入力レベル（ゲート電圧を大きくする）の制御と電源電圧（すなわちドレイン電圧を上げる）を制御しなければ所望の出力が取り出せない。本発明によれば、推定歪み量を加算した信号は、第１増幅器１３及び第２増幅器１５の双方に入力されるため、それぞれの増幅器において増幅器の効率を維持する制御を行うことができる。特に、第２増幅器１５は、第１増幅器１３の出力信号を電源電圧の制御信号として入力信号を増幅するため、本発明は、第２増幅器１５において、入力信号と電源電圧という２方向の制御を可能にしており、増幅効率の低下をより高精度に防止することが可能になる。

１送信機
１１第１信号処理部
１２ＤＡ変換部
１３第１増幅器
１４ＩＱ変調部
１５第２増幅器
１６ＩＱ復調部
１７第２信号処理部
１８利得設定部
１９第１比較器
２０第２比較器
２１ＩＱ計算部
２２第１調整部
２３第２調整部
２４第１加算器
２５第２加算器

Claims

第１入力信号から振幅信号を取得する第１信号処理部と、
前記第１信号処理部からの前記振幅信号に基づき第１増幅信号を生成する第１増幅器と、
前記第１入力信号と、前記第１増幅信号とに基づき第２増幅信号を生成する第２増幅器と、
前記第１入力信号に利得を与えて基準信号を生成する利得設定部と、
前記第２増幅信号と、前記基準信号とを比較し、比較信号を生成する比較器と、
第２入力信号と、前記比較信号とを加算し、前記第１入力信号を生成する加算器と、
を備え、
前記第１増幅器及び第２増幅器の少なくとも一方は、増幅特性が非線形であり、前記第２増幅信号は、前記第１増幅器及び第２増幅器の理想的な線形特性からの歪み量を含み、
前記利得設定部の前記利得は、前記第１増幅器及び第２増幅器の理想的な線形特性に従うものであり、
前記比較器は、前記第１増幅器及び第２増幅器の少なくとも一方による歪み量の推定歪み量を含む前記比較信号を生成する、
ことを特徴とする送信機。
送信機の信号処理方法であって、
第１入力信号から振幅信号を取得するステップと、
第１増幅器により、前記第１信号処理部からの前記振幅信号に基づき第１増幅信号を生成するステップと、
第２増幅器により、前記第１入力信号と、前記第１増幅信号とに基づき第２増幅信号を生成するステップと、
前記第１入力信号に利得を与えて基準信号を生成する利得設定ステップと、
前記第２増幅信号と、前記基準信号とを比較し、比較信号を生成する比較ステップと、
第２入力信号と、前記比較信号とを加算し、前記第１入力信号を生成する加算ステップと、
を含み、
前記第１増幅器及び第２増幅器の少なくとも一方は、増幅特性が非線形であり、前記第２増幅信号は、前記第１増幅器及び第２増幅器の理想的な線形特性からの歪み量を含み、
前記利得設定ステップの前記利得は、前記第１増幅器及び第２増幅器の理想的な線形特性に従うものであり、
前記比較ステップは、前記第１増幅器及び第２増幅器の少なくとも一方による歪み量の推定歪み量を含む前記比較信号を生成する、
ことを特徴とする信号処理方法。