JP5275973B2 - 複合増幅器の信号歪みを補償するための方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合増幅器の複数の送信ブランチの信号歪みを補償するための方法およびシステムに関する。
複合増幅器は、互いに接続した個別駆動の構成増幅器をいくつか含み、特別の出力ネットワーク経由で出力する増幅器である。(構成増幅器は、1つのトランジスタまたは並列組み合わせのトランジスタとそれらを動作可能にする回路とを一緒にしたものを指す)。このことは、複合増幅器の効率をトランジスタ1個の増幅器(または集合的に駆動されるトランジスタをいくつか有する増幅器)よりも良くする。ドハティ(Doherty)増幅器およびキレイクス(Chireix)増幅器は、複合増幅器の周知の例である。それらについては、非特許文献1および非特許文献2に記載されている。ドハティ増幅器は、非特許文献3に記載されているように2つ以上の構成増幅器に一般化してもよい。
効率のよい高次(構成増幅器3つ以上)の複合増幅器が、最近いくつか新しく開示されており、例えば特許文献1、2、3、4に開示されている。
ドハティ増幅器は、互いに接続した主増幅器と補助(ピーク)増幅器から構成され、出力ネットワーク経由で出力する。ドハティ増幅器動作をもたらす原型的な出力ネットワークは、主増幅器の最適負荷抵抗に等しい特性インピーダンス有する1/4波長線路経由で共通負荷に接続された主増幅器から構成される。補助増幅器は、共通負荷に直接接続される。共通負荷抵抗は、主増幅器の最適負荷と補助増幅器の最適負荷の並列接続に等しい。
ドハティ無線周波数(RF)電力増幅器(PA)は、従来の増幅器よりトランジスタからのRF出力電流の平均合計が小さいので、振幅変調信号に対して非常に効率的である。RF電流の減少は、構成トランジスタのB級(正弦波トランジスタ電流を半波整流した波形)または類似の動作が使用されるので、DC(供給)電流の減少になる。
ドハティ出力ネットワークの重要な属性は、ドハティ出力ネットワークにより、補助増幅器が主増幅器のRF電圧に影響を及ぼすことが可能になる一方で、自増幅器のRF電圧および出力電圧にはるかに少ない影響しか及ぼさない(理想的には全然及ぼさない)ことである。この意味することは、補助増幅器の入力駆動は、転移点以下の出力レベルにおいて、出力への影響なしに停止し得ることである。1/4波長線路は、主増幅器の負荷をより高いインピーダンスに変換する。これは、2つの結果をもたらす。即ち、1)主増幅器の効率が向上することと、2)主増幅器がその最大出力電力(すなわち、転移点)よりはるかに低いレベルで飽和に達することである。転移点の上のレベルでは、補助増幅器が、主増幅器電圧を実質上一定レベルに維持する。このことは、主増幅器の飽和による非線形性を低く維持し得ることを意味する。
主増幅器は、振幅範囲全体にわたって実質上線形の出力RF電流を生じるのに対して、補助増幅器は、転移点より上でだけ線形に増えるRF電流、即ち、非線形出力電流を生じさせ。これらの2つの電流はまた、90度の位相差を有する。RF電流を供給することにより、補助増幅器も振幅範囲の上部で出力電力に寄与する。
キレイクス(Chireix)増幅器は、ドハティ増幅器と異なる出力ネットワークを有し、両方の増幅器に対して通常は、等しい振幅で駆動される。キレイクス(Chireix)増幅器の主要な方法を表現する“アウトフェイジング(outphasing)”という用語は一般に、2つの位相変調された一定振幅信号を合成することにより振幅変調を成し遂げる方法を意味する。これらの一定振幅信号の位相はこれらのベクトル和の結果が所望の振幅を生じるように選択される。
キレイクス(Chireix)増幅器の出力ネットワークの補償リアクタンスは、高効率の領域をより低出力電力レベルに拡大するために使用される。等価回路は、短縮伝送線路および延長伝送線路を用いて形成されてもよいが、それらの伝送線路の和は1/2波長であるべきである。
高次の複合増幅器(例えば、特許文献1、2、3参照)は、ドハティのような駆動信号(1つ以上の増幅器がある振幅以上でだけ駆動される)とキレイクスのような駆動信号(2つの構成増幅器がある振幅範囲内の等しい振幅で駆動される)の組み合わせを一般に使用する。
送信機の直接IQ変調は、中間周波数(IF)または最終RFにおける、複素ベースバンド信号から実数アナログ信号への直接変調である。複素ベースバンド信号の実数部と虚数部は、(それらのRF信号へのマッピングのために)同相(I)または直交位相(Q)と一般に呼ばれ、それ故、名称がIQ変調である。直接IQ変調には、いくつかの利点があり、その主なものは、デジタルアナログ変換器(DAC)の利用可能帯域幅の高利用と、この帯域幅が2つのDAC間で分配されることである。利点の両方とも、DACシステムのコストを下げる。
直接IQ変調器は、加算ノードに結合したアナログ複素・実数乗算器すなわち2つの4象限アナログ乗算器である。被乗数は、対象周波数の2つの90度オフセットした局部発信機(LO)信号である。IQ変調プロセスは、LO信号、DCレベル、アナログ回路およびDAC出力における種々の不均衡およびオフセットによってエラーが起こりやすい。これらのエラーは、振幅によって非線形に変わる場合があり、また周波数に依存する場合もある。従来の増幅器に関しては、エラーは出力信号で観測可能である。それらは、訂正可能でもある。これについては、非特許文献4の記事で論じられている。
国際公開第2004/023647号パンフレット 国際公開第2004/057755号パンフレット 国際公開第2005/031966号パンフレット 米国特許第5,012,200号明細書 W.H.ドハティ(W. H. Doherty)著、"新しい変調波用高効率電力増幅器(A new high efficiency power amplifier for modulated waves)"、IRE予稿集、第24巻第9号、1936年9月、1163−1182頁 H.キレイクス(H. Chireix)著、"大電力アウトフェイジングo変調(High powe outphasing)"、IRE予稿集、第23巻、第2号、1935年11月、1370−1392頁 F.H.ラーブ(F. H. Raab)著、"ドハティRF電力増幅器システムの効率(Efficiency of Doherty RF Power Amplifier Systems)"、放送についてのIEEEトランザクション(IEEE Transactions on Broadcasting)、第BC−33巻第3号、1987年9月 R.マルチェザニ(R. Marchesani)著、"直交変調器の欠陥のデジタル事前補償(Digital Precompensation of Imperfections in Quardature Modulators)"、通信についてのIEEEトランザクション(IEEE Transactions on Communications)、第48巻第4号、2000年4月、552−556頁 F.H.ラーブ(F. H. Raab)著、"アウトフェイジングRF電力増幅器システムの効率(Efficiency of Outphasing RF Power Amplifier Systems)"、通信についてのIEEEトランザクション(IEEE Transactions on Communications)、第COM−33巻第10号、1985年10月、1094−1099頁
さて、複合増幅器は、上記のように効率の良さから多くの製品に選ばれている。複合増幅器は、結合した2つ以上の個別駆動の増幅器から構成される。各増幅器に対して1つのIQ変調器があり、複数のIQ変調器からの様々なエラーが混ぜ合わされ、送信機出力の中のエラーを個別に観測することは容易にできない。それ故、1つの観測受信機では、個別のIQ変調器のエラーを個別に観測できないために、残留エラーがあるだろう。
簡単な解決策は、代わりに個別の構成増幅器の入力を観測することであろう。しかしこれは、2つ(ドハティまたはキレイクスの場合)以上の観測受信機を使用するか、またはいくつかの切り替え可能入力を持つ1つの観測受信機を使用する必要があることを意味し、コストが増加する。多くの状況において、線形化のために送信機出力もいずれにしろ観測されなければならず、これは、観測受信機の数を少なくとも3つに増加させる。
本発明の目的は、複合増幅器に入る複数の送信ブランチにおける信号歪みを補償するための、容易で効率的な方法およびシステムを提供することである。
これは、請求項1に記載の方法、請求項9に記載のシステム、および請求項17に記載の補償調整手段で達成される。
この結果として、複合増幅器に入る各送信ブランチにおける信号歪みは、複合増幅器の出力信号だけを観測することにより推定できる。特別な観測受信機を用意する必要はなく、そのため複雑でない観測受信機を使用する容易な方法が得られる。
好ましくは、各送信ブランチの信号歪みに影響を及ぼすパラメータについての情報を備える送信ブランチモデルが、送信ブランチの様々なパラメータから観測されるエラーを生じる信号歪みへの寄与を推定するために使用され、それに応じて、信号歪みを減少するために、補償パラメータまたは既に存在する補償パラメータの調整値が各送信ブランチに提供される。この結果として、信号歪みに寄与する送信ブランチの各パラメータを個別に補償できる。
都合の良いことに、様々な補償パラメータに関し、出力信号の導関数が、前述の複合増幅器モデルを利用することにより得られ、前述の送信ブランチモデルおよび前述の導関数は、出力信号のエラーをできるだけ少なくするように、これらの補償パラメータを適応させるために利用される。この結果として、多くの異なる種類の複合増幅器の信号歪みを補償する融通性のあるやり方が得られる。
適切には、様々な入力信号に対して様々な送信ブランチが様々な量で出力信号に寄与するように、少なくとも2つの異なる入力信号レベルまたは入力信号周波数が提供される。この結果として、各送信ブランチから総エラーへの寄与の計算を単純化するために、複合増幅器の個別の構成増幅器が選び出されてもよいし、構成増幅器の様々なセットが様々な量で起動させられてもよい。様々な入力信号を供給することにより、信号歪みの補償を徐々に改善するために、方法のステップを繰り返すことも可能である。
図1aは、本発明の一実施例による信号歪み補償のためのシステムを図式的に示す。このシステムは、例えば携帯電話システム用の基地局に配置されてもよい。
システムは複合増幅器1を備え、この実施例では複合増幅器1に、第1の送信ブランチ3と第2の送信ブランチ5が入力する。信号y1と信号y2は、それぞれ第1の送信ブランチ3と第2の送信ブランチ5から複合増幅器への信号入力である。この実施例では、2つの入力を有する複合増幅器を記述しているが、3つ、4つまたはさらに多くの入力を有する複合増幅器も本発明で使用できよう。複合増幅器1はあらゆる種類の複合増幅器であることができ、様々な数の構成増幅器を有してもよい。ドハティ増幅器およびキレイクス増幅器は、2つの構成増幅器と2つの入力を有する複合増幅器の広く知られた2つの例である。
システムは、送信ブランチ3、5への2つの入力信号a1、a2を生成するための生成手段6を備える。生成手段6への入力信号xは、以下でさらに説明する補償調整手段17にもさらに供給される。第1の送信ブランチ3は、複合増幅器1の第1の入力に直接接続された第1のTXボックス7を備える。第1のTXボックス7は、例えばデジタルアナログ変換器DACおよびIQ変調器を備える。第1のTXボックス7は、増幅器およびフィルタも備えることができよう。DACおよびIQ変調器は、第1のTXボックス7を通過する信号にいくらかの信号歪みを与える。以下では、信号歪みを与える様々な要因をパラメータと表記するので、パラメータは、例えばIQエラー、時間遅延、周波数エラーまたは非線形性であろう。対応する第2のTXボックス9は、第2の送信ブランチ5に配置され、複合増幅器1の第2の入力に接続される。
本発明によれば、第1の送信ブランチ3は、第1のTXボックス7に接続された第1の補償手段11をさらに備え、第2の送信ブランチ5は、第2のTXボックス9に接続された第2の補償手段13を備える。本発明によれば、これらの補償手段11、13は、歪みを通過信号に与え、その歪みは、後の第1のTXボックス7および第2のTXボックス9でそれぞれ生じる信号歪みを実質上補償する。
システムは、複合増幅器1の出力に接続された送信機観測受信機TOR(Transmitter Observation Receiver)15も備える。複合増幅器の出力信号をzと呼ぶ。例えば、アンテナに接続されるTORの出力16も図に示されている。本発明によれば、このシステムは、補償調整手段17をさらに備え、補償調整手段17は、TOR15、2つの補償手段11、13、および上記のように生成手段6の入力に接続されている。
TOR15で検出された信号zは、補償手段11、13で与えられる信号歪みが当初ゼロであると想定すると、第1のTXボックス7と第2のTXボックス9で与えられる信号歪みに応じて、入力信号xに対してエラーがあるだろう。複合増幅器1も信号エラーに寄与するだろうが、これは、システムに備え付けられるデジタルプリディストータによって通常は補償される。これは本発明の一部ではないので、ここでは図示されていない。第1のTXボックス7と第2のTXボックス9は、理想出力信号とも呼ぶ入力信号xと比較されるとき、出力信号zのエラーが補償調整手段17で推定されるように信号に歪みを与える。本発明が解決すべき問題は、複合増幅器への異なる入力信号y1、y2がどのくらい総信号エラーに寄与するかを知ることである。TXボックスで与えられる信号歪みが補償可能であるためには、各送信ブランチ3、5が出力信号にどのくらい寄与するかを知ることが必要である。
本発明によれば、複合増幅器モデルは、補償調整手段17を備えている。このモデルは、複合増幅器1への異なる入力信号y1、y2が出力信号zにどのように寄与するか、およびどの入力信号状態のもとで寄与するかに関して、複合増幅器がどのように構成されているかの情報を備える。即ち、ブランチの1つは、一定の入力信号状態のもとでより多く寄与できよう。入力信号xは、例えば、電力レベルや周波数で異なる。補償調整手段17は、出力信号zの推定したエラーおよび複合増幅器モデルを使用し、各送信ブランチ3、5からの信号エラーへの寄与を推定する。この結果として、補償調整手段17は、送信ブランチ3、5のどれを補償する必要があるか、そして、おおよそどのくらい補償する必要があるかを知る。次いで補償は、以下に説明するように繰り返し実行される。
信号歪みは、既に推定した異なるブランチ3、5からの信号エラーへの寄与に従って、補償手段11、13で実質上補償される。このことを行なうために、送信ブランチモデルが各ブランチ3、5に対して使用される。この送信ブランチモデルは、TXボックスの様々なパラメータpからの信号歪みへの寄与についての情報を備える。これらの信号歪みを補償するために、補償パラメータp’が補償手段11、13で採用され、各補償パラメータp’は、TXボックスの対応するパラメータpによって与えられる信号歪みを実質的に是正する信号歪みを与えるように構成される。送信ブランチの総信号歪みをできるだけ少なくするように補償手段11、13の補償を調整するために、これらの送信ブランチモデルを使用する相当数の異なる手法がある。IQ変調器エラーを是正する一手法は、例えば、非特許文献4の論文に記載されている、LMSアルゴリズムなどの繰り返し更新されるフィルタ構造を使用して、ベースバンドで、IQ信号をデジタル的にプリディストートすることである。IQ補償の標準的な実施形について、図4に概略を示し、以下でさらに説明する。
これより補償調整手段17の機能について、図1bを参照してより詳細に説明する。補償調整手段17は、複合増幅器から出力信号zを受信するように構成された第1の受信手段31と、入力信号xを受信するように構成された第2の受信手段33とを備える。第1の受信手段31と第2の受信手段33は両方とも、エラー推定手段35に接続され、エラー推定手段35は、出力信号zを入力信号xと比較し、複合増幅器1に入る送信ブランチ3、5で与えられる信号歪みを表すエラーを推定するように構成される。第1の受信手段31と第2の受信手段33は、互いに関して、例えば、遅延調整、位相調整、および利得調整などの信号を調整する手段を備えてもよい。あるいは信号のこの調整は、エラー推定手段35で実行されてもよい。補償調整手段17は、第2の受信手段33に接続された信号推論手段37をさらに備える。信号推論手段37は、それぞれの送信ブランチ3、5への入力信号a1、a2を推定するように構成される。信号推論手段37は、入力信号a1、a2を推定するために、入力信号xと信号生成手段6がどのように働くかについての情報とを使用する。補償調整手段17は、信号推論手段37およびエラー推定手段35に接続された計算手段39をさらに備える。計算手段39は、複合増幅器モデルfおよび各送信ブランチに対する送信ブランチモデルg1、g2を備え、これらのモデルを推定したエラーおよび推定した入力信号a1、a2とともに使用し、出力信号のエラーをできるだけ少なくするために補償手段11、13の補償パラメータp’がどのくらい変更されるべきかを計算する。これは繰り返しプロセスであり、計算手段39は、一実施例では補償パラメータに関して関数f、g1、g2を推定してもよく、出力信号のエラーをできるだけ少なくするために補償パラメータp’をどの方向に変更すべきかを見る。これについては、以下でより詳細に説明する。計算手段39は、転送手段41にさらに接続され、転送手段41は、計算手段39によって行われた計算に従って、新しい補償パラメータp’を補償手段11、13に転送するように構成される。
この方法について、図2のフローチャートを参照してさらに説明する。ステップS1では、入力信号xが、複合増幅器1に供給される。ステップ2では、TOR15が、複合増幅器1の出力信号zを観測する。この信号は、S3で補償調整手段17に転送される。S5では、観測信号は、補償調整手段17において理想出力信号xと比較され、理想信号xに対する観測信号zのエラーが推定される。理想信号は、信号歪みを少しも生じず送信ブランチを伝わる理論上の信号を意味する。この例では、理想信号は、生成手段6への入力信号xにも等しい。しかし、信号が生成手段6に達する前に、プリディストーションなどのさらに多くの信号処理が実行されてもよい。
S9では、信号推定手段37は、生成手段6の既知の動作特性を利用して、補償手段11、13への入力信号a1、a2を推定する。これらの信号は、オプションで送信ブランチ3、5から補償調整手段17にも直接供給できよう。
S11では、出力信号の中のエラーを減少するために、計算手段39が、補償パラメータp’に対する訂正ステップを導出する。この計算は、推定信号エラーへの各送信ブランチからの寄与を推定するために、複合増幅器モデルの利用を含む。この複合増幅器モデルは、複合増幅器の動作特性、例えば、様々な入力信号レベルに対して様々な送信ブランチから出力信号への寄与のモデルである。複合増幅器が、例えば、ドハティ増幅器である場合、複合増幅器モデルは、低い信号レベルの間2つの増幅器の中の1つだけが駆動されることを示すが、それについては、以下でさらに検討する。計算は、観測されるエラーを起こす信号歪みへの送信ブランチの様々なパラメータpの寄与を推定するために、システムの各送信ブランチに対する送信ブランチモデルの利用をさらに含む。このモデルは、送信ブランチの様々なパラメータの信号歪みへの寄与についての情報を備える。信号歪みに主に寄与するものは、IQ変調器であるが、時間遅延または非直線性または周波数エラーの場合もあるだろう。訂正ステップのこの計算の詳細は、以下でさらに説明する。
複合増幅器モデルによっては、複合増幅器が異なって駆動されるように、即ち、構成増幅器ひいては送信ブランチが出力信号に異なる量で寄与しているように、少なくとも2つの異なる入力信号を与えることが必要であろう。その場合、入力信号は、例えば、信号レベルまたは周波数で異なることができよう。
S13では、TXボックス7、9のパラメータpによって生じる信号歪みを補償する信号歪みを与えるために、補償手段11、13の補償パラメータp’をどのように調整すべきかに関する命令が、補償調整手段17から補償手段11、13に転送される。
図2との関連で説明したこの補償調整は、連続的にまたは繰り返しまたはある間隔で実行できよう。補償パラメータの調整は、徐々にエラーが少なくなり、補償パラメータが徐々に正確な値に調整されるような繰り返しプロセスであることが好ましい。この繰り返しを成し遂げるために、システムに供給される入力信号は、上記のように、例えば、レベルまたは周波数が異なる必要がある。さらに、例えば、TXボックス7、9のパラメータに変化をもたらす温度変化、または老朽化による変化、または構成要素もしくは周囲環境の他の変動に応えて、システム使用中の後になって補償パラメータp’を変更できることは都合が良いであろう。複合増幅器モデルも、時間がたてば更新する必要がある場合もあり、例えば、測定値がモデルの正しくないことを示す場合などである。
補償調整手段17に複合増幅器モデルおよび送信ブランチモデルを与えることが可能な一手法は、複合増幅器1へ入力する信号y1、y2の関数fとして出力信号zを表すことである。
即ち、
z=f(y1,y2)
とする。
従って、関数fは複合増幅器モデルである。さらに、y1とy2は、TXボックスへの入力信号b1、b2と、TXボックスのパラメータpとの関数g1、g2である。ここでパラメータpは、第1のTXボックス7のパラメータをp1、p2と呼び、第2のTXボックス9のパラメータをp3、p4と呼ぶ。もちろん、パラメータ数は変わってもよい。
即ち、
y1=g1(b1,p1,p2)
y2=g2(b2,p3,p4)
である。
従って、関数g1とg2は送信ブランチモデルである。さらに、b1とb2は、補償手段11、13への入力信号a1、a2および補償パラメータp’の関数h1、h2であり、補償手段の補償パラメータp’は、TXボックスのパラメータによって与えられる信号歪みに対して「逆の」信号歪みを与えるように用意される。補償パラメータは、ここでは第1の補償手段11に関してはp1’、p2’と呼び、第2の補償手段13に関してはp3’、p4’と呼ぶ。
即ち、
b1=h1(a1,p1’,p2’)
b2=h2(a2,p3’,p4’)
である。
出力信号zの測定されたエラーは、補償パラメータp1’、p2’、p3’、p4’を与え、関数h1、h2を関数g1、g2の逆数に徐々に近くなるように段階的に変更することにより、最小化されるべきである。それ故、補償調整手段17は、まずp1’とp2’に関してb1を、p3’とp4’に関してb2を推定し、次いでb1に関してy1、b2に関してy2を推定し、次いでy1とy2に関してzを推定するように構成された計算手段を備える。入力信号a1、a2は既知であるか、または入力信号xおよび生成手段6の既知の動作特性から推定されてもよい。これを使用し、前述の導関数を実行し、観測した出力信号エラーと比較することにより、補償手段11、13に新しい補償パラメータp’を与える。上記の式および導関数から、出力信号zが補償パラメータp1’、p2’、p3’、p4’の変化によってどのように変化するかが見出される。これらの式は、理想出力信号xと比較した出力信号zのエラーを最小化するために、補償パラメータp’をどの方向に変更すべきかを示すだろう。これは繰り返し行われる。即ち、補償パラメータp’は導関数が与える方向に小さなステップで変更され、出力信号zを最小エラーにすることが達成されるだろう。上記のように、繰り返し実行するためには、様々な入力信号を与える必要がある。
これについては、以下でより詳細に説明する。
TXボックスの信号歪みを補償するためには、補償パラメータp’が増幅器出力にどのように影響を及ぼすかを知る必要がある。この情報は、出力信号zのパラメータp’に関する偏導関数に含まれている。これらの偏導関数は、p1’に関して以下に示すように、「連鎖法則」を使用して計算してもよい。
Figure 0005275973
これらの導関数は、いくつかの方法を使用してp’の必要なステップを計算するために使用される。これらの中の2つ、ニュートン法を使用するものおよびもう1つのLMSアルゴリズムを使用するものについて、以下に説明する。他のオプションは、カルマンフィルタまたはRLSアルゴリズムであろう。
ニュートン法を使用すると、ステップΔp’は、以下の体系の式を解くことによってもたらされる。
即ち、
F・Δp’=[eramklg1]
である。
ここで、Fは、いくつかの異なる入力信号に対する偏導関数を含むマトリクスであり、eは、エラー信号の対応する値を含むベクトルである。Δp’は、パラメータp’の計算された階段状の変化である。5つの異なる入力信号サンプル[eramklg2]を持つ例を以下に挙げる。
Figure 0005275973
上記の体系の式は通常(上記のように)過剰決定され、次いで最小二乗近似を使用して近似的に解かれる。この体系の式は過少決定もされることもあり、この場合はいくつかの可能な解がある。
p’のステップを計算する別の選択肢は、LMS法を使用することであり、この方法では、ステップは偏導関数の反対方向に取られる。
Figure 0005275973
上式で、μはアルゴリズムのステップサイズおよび収束動作特性を制御する選択可能なパラメータである。μの値が大きすぎると収束しない不安定な系をもたらすのに対して、μの値が小さいと収束が遅くなる。
このアルゴリズムの多くの変形が存在するが、それらは、いくつかの入力信号に対する正規化および平均化を含むことがある。様々な入力信号を有するいくつかのステップは、アルゴリズムが収束するために必要であろう。
デジタルドハティ増幅器が複合増幅器である本発明の別の実施例について、これより説明する。この実施例では、IQ変調器からの信号歪みだけを考慮する。しかし、この実施例では、他のパラメータも考慮できたであろう。デジタル・ドハティ増幅器を備えるシステムを図3に図式的に示す。図1と同じ構成要素は、同様に同じ参照番号を与えられている。
このシステムのデジタルプリディストータ21が図示されている。デジタルプリディストータは、増幅器の信号歪みを補償するために用意されている。複合増幅器1はこの実施例ではドハティ増幅器であり、それ故、主増幅器23と補助増幅器25を備える。主増幅器23は、1/4波長伝送線路27経由で複合増幅器の共通出力に接続されている。
さらに、ドハティ増幅器の高効率を達成するために異なる送信ブランチ3、5への駆動信号を分割および適応させるように構成された信号成分セパレータ29が、デジタル・プリディストータ21に接続されている。信号成分セパレータ29は、本発明のこのドハティ実施例では、1/4波長伝送線路27によって第1の送信ブランチ3に与えられる位相シフトを補償するために、第2の送信ブランチ5に実質上90度の位相シフトを与えるように構成される。
従って、本発明のこの実施例の補償調整手段17が使用する複合増幅器モデルが述べることは、ドハティ増幅器の特徴によれば、低入力信号レベルにおいては主増幅器23だけが駆動されるということである。低い入力信号が供給されるとき、出力信号の観測されたエラーが第1の送信ブランチ3にすべて割り当てられるように、この情報は、補償調整手段17によって使用される。この結果として、第1の補償手段11は、上記のように、まず、このことおよび送信ブランチモデルに従って調整されてもよい。次いで複合増幅器モデルに従えば、より高いレベルの入力信号が供給され、両方の増幅器が駆動される。今回観測されるエラーは、主増幅器ブランチに由来する信号歪みは既に補償されているので、第2の送信ブランチの信号歪みだけに由来する。これは、第2の補償手段13のパラメータを調整するために、第2の送信ブランチモデルとともに使用される。
まず第1の送信ブランチを補償し、次いでより高いレベルの入力を供給し第2の送信ブランチを補償する代わりに、まず両方の送信ブランチに関するエラーを推定し、次いで両方のブランチを同時に補償することも可能である。これが可能なのは、第1の送信ブランチに関するエラーは低入力信号レベルでの測定値から既知であり、このエラーは、より高いレベルの入力信号が供給され、両方の増幅器が駆動されるときに観測されるエラーから引き算できるからである。この場合、第1の送信ブランチからのエラーは、信号レベルとともに線形的に上昇すると想定される。
この実施例について、以下により詳細に説明する。
図4には、IQ補償の標準的な実施形を図式的に示されている。GII、GQQ、GQIおよびGIQは、上記の関数hの補償パラメータp’に相当する。これらはIQエラーを補償するが、そのためにGIIおよびGQQは利得の不均衡を補償し、GQIおよびGIQは位相の不均衡を補償する。さらに、DCIおよびDCQの項がDCオフセットおよびCO漏洩(CO-leakage)を補償する。第1の補償手段11に関して対応する式(13は類似である)は、次の通りである。
即ち、
b1=GH・Re{a1}+GQI・Im{a1}+DCI+j・GIQ・Re{a1}
+j・GQQ・Im{a1}+j・DCQ
である。
ここで主ブランチと呼ぶ第1の送信ブランチのエラー(主増幅器の非直線性および主ブランチのIQ変調器エラーおよび他のパラメータ)は、補助増幅器が作動する閾値以下の信号区間全体において推定される。
ここで補助ブランチと呼ぶ第2の送信ブランチのエラー(補助増幅器の非直線性、補助ブランチのIQ変調器エラー、および他のパラメータ)は、補助増幅器が作動する閾値以上の信号レベルで推定されねばならない。この電力レベルにおいてドハティ増幅器の出力に見られる複合エラーは、主ブランチと補助ブランチの両方からの寄与がある。
補助IQエラーは、主ブランチからのエラーに比べてほぼ90度の位相シフトが支配的に見られるだろう。
この解決策は、信号基準信号x(DPDブロック21の前)および観測信号(TOR15で観測される)だけを使用して、直接逆IQ補償適応を使用する。その適応は、LMSのようなアルゴリズムを繰り返し使用して行われる。
90度の位相シフトおよび補助部の電力選択を使用することにより、その適応はすべてのパラメータについて同時に行われる。z信号は、IQパラメータおよびDCパラメータの推定の前に、x信号と平均時間合わせおよび位相合わせ、時には利得合わせもされていると想定する。
主IQエラーの適応のための式は、以下の通りである。
Figure 0005275973
Figure 0005275973
ここで、|x|≦“この特定のドハティ増幅器の転移点”に対してはδ=1であり、そして、|x|>“この特定のドハティ増幅器の転移点”に対してはδ=0である。μMは主IQ補償パラメータの適応に対するステップ長であり、μdcMは主dcオフセットの適応のステップ長である。これらの式は上記のLMS式の変形であり、ステップサイズを入力信号エネルギーに対して不変量にする正規化(分母)と、ステップに対するノイズを少なくする平均化(いくつかのサンプルにわたる和)とを追加している。
分子(平均化を除く)は、いくらかの近似を行うことによって前述の式から推定できる。まず複合増幅器モデルは、以下の式(γ=1−δである)で与えられるように、小さい信号に対しては1、高い信号に対しては0と想定する。
Figure 0005275973
次いで、TXボックス7は小さい信号歪みだけを与え、その歪みにより導関数の中でそれらを無視することが可能であると想定する。
Figure 0005275973
プリディストータ21および信号成分セパレータ29も、小さい信号歪みだけを与えると想定すると、a1をxで近似してもよい。また、IQ補償器の利得エラーおよび位相エラーの訂正は望まないと想定する。これは、GII=1+q、GQQ=1−q、及び、GQI=GIQ=rに設定することにより達成される。導関数の残りは、図4に対応する式から取り出されてもよく、それは、出力信号のパラメータに関する偏導関数の完全な式を与える。それは、以下の通りである。
Figure 0005275973
これは、上記のLMS式、正規化および平均化とともに、上記の更新された式を与える。
補助IQエラーの適応に対する式は、次の通りである。
Figure 0005275973
Figure 0005275973
ここで、|x|>“この特定のドハティ増幅器の転移点”に対してはγ=1であり、そして、|x|≦“この特定のドハティ増幅器の転移点”に対してはγ=0である。μAは補助IQ補償パラメータの適応に対するステップ長であり、μdcAは補助dcオフセットの適応のステップ長である。これらの式は、以下の近似および観測をすることにより、主式と類似のやり方で推定し得る。
Figure 0005275973
上記の位相シフトは、増幅器の位相シフト(位相合わせは主ブランチに対して行われると想定)およびブロック6の位相シフトに由来する。これらの位相は、ここではそれぞれ+/−90度であると想定するが、他のものでもよい。第1のTXボックス7に対する第2のTXボックス9の位相オフセットは、例えば、上記第1の式の位相シフトを変化させるだろう。これより、これらの近似を使用して、補助ブランチに対する完全な導関数を定式化できる。
Figure 0005275973
この場合も前と同様に、これらを上記のLMS式と組み合わせ、平均化および正規化を加えて、上記の更新式を得る。
これらの式は、IとQの両方のパラメータ補償を与える。特にDPDが使用されるとき、この補償は冗長である。冗長性を最小にすることが望ましい場合、これらのパラメータの中の4つだけ、即ち、DCIと、DCQと、GIIもしくはGQQの1つと、GQIもしくはGIQの1つとが個別に調整される必要がある。
補助増幅器は、回路寄生要素のために全レベルにおいて、実質的に主増幅器より小さいが、実際のところ出力で見える。それ故、(第1のパスで)達成される訂正の量は、主ブランチIQエラーの非直線性部分に対する回路寄生要素のサイズに依存する。
補助増幅器は、主増幅器の飽和量を調整することによって、出力信号の上部領域でもっとよく見えるようにできる。この飽和は、極端な場合、主増幅器を短絡回路のように見えるようにする。次いで、1/4波長線路が、補助増幅器の出力においてこれを開回路に変える。次いで、補助増幅器の出力電流は、出力(負荷)における電圧として十分に見える。それ故、主増幅器を飽和させることは、補助増幅器によるIQエラーを大きくする。このことは、上部領域でIQエラーをより良く観測するために使用される。上記の簡単なモデルに対する変化は、補助増幅器出力の視認性だけである。
図5には、図3に関連して説明した実施例による方法のフローチャートが示されている。ステップS31では、補助増幅器の閾値以下の低入力信号レベルがシステムに供給される。この結果、主増幅器だけが駆動される。ステップ33では、補償調整手段17は、上記のようにTOR15から転送された観測信号zを理想信号xと比較することにより、主ブランチの信号歪みに由来するエラーを推定する。ステップS35では、補助増幅器の閾値以上のレベルの入力信号が供給される。この結果、主増幅器も補助増幅器も駆動される。S37では、補助ブランチに由来するエラーは、上記のようにTOR15から転送された観測出力信号を理想信号と比較し、ステップ33で推定された主ブランチから来るエラーを差し引き、このエラーが電力とともに線形的に上昇すると想定することにより、補償調整手段17で推定される。
ステップ39では、補償調整手段17は、上記の式によって新しい補償パラメータを計算し、S41では、これらの新しい補償パラメータは、第1の補償手段11と第2の補償手段13に転送される。上記のように、これは繰り返し行われる。それ故、全部のプロセスがステップS31の初めから始まり、エラーを最小化するための新しい補償パラメータが計算される。
複合増幅器が2つ以上の送信ブランチ入力を備え、たぶん2つ以上の構成増幅器も備える場合、複合増幅器モデルは、もちろんドハティ増幅器に対するモデルより複雑になる。その場合、モデルは、例えば、多くの異なる入力信号レベルまたは周波数に対する出力信号への異なる送信ブランチの寄与についての情報を含むことができよう。この結果、この情報すべての組み合わせは、各ブランチからの寄与を選び出す可能な方法を提供するだろう。
図1の複合増幅器は、本発明によればキレイクス(Chireix)増幅器でもよい。キレイクス(Chireix)増幅器は、第1の送信ブランチ3に接続する第1の増幅器と、第2の送信ブランチ5に接続する第2の増幅器とを備える。これらの増幅器は、2つの1/4波長線路λ/4と、2つの補償リアクタンス+jXと−jXとを通して複合増幅器の出力に接続され、補償リアクタンス+jXと−jXとは、高効率の領域を低出力電力レベルも含むように拡張するために使用される。キレイクスシステムの効率は、例えば、非特許文献5において分析されている。
キレイクス(Chireix)増幅器はもともと、等しい振幅駆動信号を使用し、それ故、両方のブランチからのIQ変調器エラーは、同じ出力レベル範囲で同等に見える。一般にこれは、より高度な増幅器モデル、すなわち上記関数fのより詳細な式を必要とする。しかし、どちらかの構成増幅器は、低出力レベル(ある転移点以下)において自己(効率を維持して)駆動されてもよい。この場合、ドハティ増幅器に関する前述の方法は、キレイクス(Chireix)増幅器に対して、位相シフトを除いては変更なしで使用できる。この場合、使用されるモデルも、前のドハティの実施例と同様に簡単であってもよい。
キレイクス(Chireix)増幅器では、まず低レベルにおいて1つの増幅器を駆動し、そのIQエラーを観測し、次いで切り替えを行なって、低レベルで他の増幅器を駆動し、そのIQエラーを観測するというさらなる可能性もある。従って、キレイクス(Chireix)増幅器は、その均衡のとれた属性のおかげで、異なるブランチのIQエラーを個別に観測する特別の可能性がある。なお、この観測可能性は、他の複合増幅器でも成し得るが、他の構成増幅器は、この領域での動作専用の増幅器ほど低レベルにおいて効率的でないのでコストが高い。
一般に複合増幅器は、関数fの入力信号に関する導関数の式を与えることによるか、または低レベルで最初の構成増幅器のIQエラーを観測し、より高い出力レベル領域の次の増幅器に進むなどでIQエラーを決定することにより、取り扱われてもよい。上記のキレイクス駆動分離策を使用することにより、全複合増幅器のIQエラーは、原理上、低出力レベルから始めて連続して取り扱いできる。
図6は、複合増幅器1’が特許文献2によるキレイクス−ドハティ増幅器である本発明の一実施例を示している。この実施例は、プリディストータ21、および入力信号xを第1、第2、第3の送信ブランチ43、45、46へのそれぞれ第1、第2、第3の入力信号a1、a2、a3に分離する信号成分セパレータ29を備える。送信ブランチは、それぞれ第1、第2、第3の補償手段111、113、114を備え、本発明によれば、それらは、それぞれ第1、第2、第3のTXボックス117、119、120の信号歪みを実質上補償する。複合増幅器1’は、第1の増幅器103a、第2の増幅器103bおよび第3の増幅器103cを備え、第1の増幅器103aは第1のTXボックス117に接続され、第2の増幅器103bは第2のTXボックス119に接続され、第3の増幅器103cは第3のTXボックス120に接続される。複合増幅器1’はさらに、第1の増幅器103aと出力との間に用意された第1の伝送線路105と、第3の増幅器103cと出力との間に用意された第2の伝送線路106とを備える。これらの伝送線路の1つは1/4波長よりわずかに短く、他の伝送線路はわずかに長くして、第1の増幅器103aと第3の増幅器103cにキレイクス(Chireix)ペアを形成させる。第2の増幅器103bは、ピーク増幅器である。補償調整手段17は、送信機観測受信機15からの観測信号zを理想出力信号xとともに使用して、補償手段111、113、114の補償パラメータp’への調整ステップ計算し、出力信号の観測エラーを最小化する。
補償パラメータp’の調整の計算は、増幅器モデルを利用して行われる。
即ち、
z=(y1,y2,y3)
とする。
このモデルは、入力信号y1、y2、y3に関して推定される。これらの入力信号のパラメータp’に関する導関数も計算され、上記の手法で補償パラメータを調整するために使用される。導関数を簡単にするために、いくつかの増幅器だけが出力で見える信号領域を利用することは可能である。例えば、ピーク増幅器103bは、高い出力信号でだけ見え、キレイクス(Chireix)ペア103aと103cは、低出力レベルで1つだけが見えるようなやり方で駆動されてもよい。中出力レベルでは、両方のキレイクス(Chireix)増幅器が出力で見える。
本発明の一実施例に従うシステムの概略図である。 補償調整手段の構成要素の概略図である。 本発明の一実施例に従う方法のフローチャートである。 本発明の別の実施例に従う複合増幅器がドハティ増幅器であるシステムの概略図である。 IQ補償の標準的な実施形の概略図である。 本発明の一実施例に従う方法のフローチャートである。 本発明の一実施例に従う複合増幅器が3つの構成増幅器を備えるキレイクス−ドハティ増幅器であるシステムの概略図である。

Claims (21)

  1. 複合増幅器(1;1’)に入力する多数の送信ブランチ(3,5;43,45,46)における信号歪みを補償する方法であって、
    前記複合増幅器に1つ以上の入力信号(x)を供給する工程(S1)と、
    前記供給された入力信号各々に関し、1つの送信器観察受信器TOR(15)が前記複合増幅器(1;1’)からの出力信号(z)のみを観察する工程(S2)と、
    前記出力信号と理想的な出力信号とを比較することにより、前記各出力信号(z)における前記信号歪みが原因となるエラーを推定する工程と(S5)、
    供給された入力信号各々に関し各構成増幅器(23,25;103a,103b,103c)から前記出力信号への寄与についての情報を含む各複合増幅器モデルを利用することにより、各送信ブランチ(3,5;43,45,46)から前記エラーへの個々の寄与を推定する(S11)工程と、
    前記多数の送信ブランチ(3,5;43,45,46)における信号歪みを補償する工程とを有することを特徴とする方法。
  2. 各送信ブランチ(3,5;43,45,46)における信号歪みに影響を及ぼすパラメータについての情報を含む送信ブランチモデルを利用することにより前記観察されたエラーの原因となる前記信号歪みに対して、前記送信ブランチ(3,5;43,45,46)における異なるパラメータからの前記寄与を推定する工程(S11)と、
    前記信号歪みを少なくするために、各送信ブランチ(3,5;43,45,46)に対する既に存在している補償パラメータに補償パラメータ或は調整を提供する工程とをさらに有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記複合増幅器モデルと前記送信ブランチモデルとを利用することにより、前記異なる補償パラメータに関して前記出力信号の導関数を導出する工程と、
    前記出力信号におけるエラーが最小になるように前記補償パラメータを適合させるために前記導関数を利用する工程とをさらに有することを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 前記異なる送信ブランチが前記異なる入力信号に対する出力信号に異なる程度寄与するように少なくとも2つの異なる入力信号レベル或は周波数を提供する工程をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 通常は、第1の増幅器(23)と呼ばれる前記複数の構成増幅器の1つだけが駆動されるように前記複合増幅器(1)に対して第1のレベルの入力信号(x)を供給する工程(S31)と、
    前記第1の増幅器(23)に接続された送信ブランチ(3)に、前記推定されたエラーを関係づける工程と、
    第2の増幅器(25)が単独で、或は、前記第1の増幅器(23)とともに駆動されるように第2のレベルの入力信号を供給する(S35)工程と、
    前記出力信号を観察し、第1の送信ブランチ(3)が原因となり線形的に増加する推定エラーを減算することにより、前記第2の増幅器(25)に接続された送信ブランチ(5)が原因となる信号エラーを推定する工程と、
    前記複合増幅器の各ブランチに補償手段(11,13)を備えることにより前記観察された信号歪みを補償する工程とをさらに有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 前記複合増幅器はドハティ(Doherty)増幅器であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記複合増幅器はキレイクス(Chireix)増幅器であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記信号歪みの補償を徐々に改善するように前記方法の工程を繰り返すことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 複合増幅器(1;1’)と、前記複合増幅器(1;1’)に入力する少なくとも2つの、信号歪みの原因となるパラメータを有する送信ブランチ(3,5;43,45,46)と、前記複合増幅器(1;1’)の出力に接続され、前記複合増幅器からの出力信号のみを観察する1つの送信器観察受信器TOR(15)とを有するシステムであって、
    前記TOR(15)に接続され、前記出力信号と理想的な出力信号とを比較することにより、前記送信ブランチ(3,5;43,45,46)における信号歪みが原因となる、前記複合増幅器からの出力信号の信号エラーを推定し、さらに、供給された入力信号各々に関し各構成増幅器(23,25;103a,103b,103c)から前記出力信号への寄与についての情報を含む複合増幅器モデルを利用することにより、各送信ブランチ(3,5;43,45,46)から前記エラーへの個々の寄与を推定するように適合された補償調整手段(17)と、
    前記補償調整手段(17)に接続され、各送信ブランチにおける前記信号歪みがどのように補償されるべきなのかに関しての指示を前記補償調整手段から受信するように適合された各送信ブランチ(3,5;43,45,46)における補償手段(11,13;111,113,114)とを有することを特徴とするシステム。
  10. 前記補償調整手段(17)はさらに、前記観察されたエラーの原因となる前記信号歪みに対して、前記送信ブランチ(3,5;43,45,46)の異なるパラメータからの前記寄与についての情報を含む各送信ブランチ(3,5;43,45,46)についての送信ブランチモデルを有し、
    前記補償調整手段は(17)は前記送信ブランチモデルを使用して前記指示を導出するように適合され、
    前記指示は、前記信号歪みを少なくするために、各補償手段(11,13;111,113,114)に転送される既に存在している補償パラメータに対する補償パラメータ或は調整を含むことを特徴とする請求項9に記載のシステム。
  11. 前記補償調整手段(17)は前記複合増幅器モデルと前記送信ブランチモデルとを利用することにより、前記異なる補償パラメータに関して前記出力信号を導出するように適合され、
    前記導出された導関数は測定されたエラーが最小になるように前記補償パラメータが変更されるべき方向を示すことを特徴とする請求項10に記載のシステム。
  12. 前記補償調整手段(17)は、最初は前記システムへの入力信号レベルが、通常は、第1の増幅器(23)だけが駆動されるように供給されるときに、前記第1の増幅器(23)に接続された第1の送信ブランチ(3)にのみ関係する前記出力信号におけるエラーを推定し、それから、前記出力信号を観察し、第1の送信ブランチ(3)が原因となり線形的に増加する推定エラーを減算することにより、第2のレベルの入力信号が第2の増幅器(25)が単独で、或は、前記第1の増幅器(23)とともに駆動されるように供給されるときに、前記第2の増幅器(25)に接続された送信ブランチ(5)が原因となるエラーを推定するように適合されていることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載のシステム。
  13. 前記複合増幅器はドハティ(Doherty)増幅器であることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項に記載のシステム。
  14. 前記複合増幅器はキレイクス(Chireix)増幅器であることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項に記載のシステム。
  15. 前記信号歪みの補償を徐々に改善するように前記システムの手段の実行を繰り返すことを特徴とする請求項9乃至14のいずれか1項に記載のシステム。
  16. 請求項9乃至15のいずれか1項に記載のシステムを有する移動体通信システムにおける基地局。
  17. 複合増幅器(1;1’)の出力信号のみを観察する1つの送信器観察受信器TOR(15)と、前記複合増幅器(1;1’)に入力する少なくとも2つの送信ブランチ(3,5;43,45,46)夫々に備えられた少なくとも2つの補償手段(11,13;111,113,114)とに接続されるように適合した補償調整装置であって、
    前記1つの送信器観察受信器TOR(15)を介して前記複合増幅器からの出力信号のみを受信するために適合した第1の受信手段(31)と、
    前記第1の受信手段(31)に接続され、前記出力信号と理想的な出力信号とを比較することにより、前記出力ブランチ(3,5:43,45,46)における信号歪みが原因となる前記出力信号のエラーを推定するように適合したエラー推定手段(35)と、
    前記エラー推定手段(35)に接続され、供給された入力信号各々に関し各構成増幅器(23,25;103a,103b,103c)から前記出力信号への寄与についての情報を含む複合増幅器モデルを利用することにより、各送信ブランチから前記エラーへの個々の寄与を推定するよう適合した計算手段(39)と、
    前記計算手段(39)に接続され、各送信ブランチにおける前記信号歪みがどのように補償されるべきであるかに関する指示を、前記計算手段(39)から前記補償手段へ転送する転送手段(41)とを有することを特徴とする補償調整装置。
  18. 前記計算手段(39)はさらに、前記観察されたエラーの原因となる前記信号歪みに対して、前記送信ブランチ(3,5;43,45,46)の異なるパラメータからの前記寄与についての情報を含む各送信ブランチ(3,5;43,45,46)についての送信ブランチモデルを有し、
    前記計算手段(39)は前記送信ブランチモデルを使用して前記指示を導出するように適合され、
    前記指示は、前記信号歪みを少なくするために、各補償手段(11,13;111,113,114)に転送される既に存在している補償パラメータに対する補償パラメータ或は調整を含むことを特徴とする請求項17に記載の補償調整装置。
  19. 前記計算手段(39)は、前記複合増幅器モデルと前記送信ブランチモデルとを利用することにより、前記異なる補償パラメータに関して前記出力信号の導関数を導出するように適合されており、
    前記導関数は、前記測定されたエラーを最小にするために、前記補償パラメータが変更されるべき方向を示していることを特徴とする請求項18に記載の補償調整装置。
  20. 前記計算手段(39)は、最初は前記システムへの入力信号レベルが、原理的には、第1の増幅器(23)だけが駆動されるように供給されるときに、前記第1の増幅器(23)に接続された第1の送信ブランチ(3)にのみ関係する前記出力信号におけるエラーを推定し、それから、前記出力信号を観察し、第1の送信ブランチ(3)が原因となり線形的に増加する推定エラーを減算することにより、第2のレベルの入力信号が第2の増幅器(25)が単独で、或は、前記第1の増幅器(23)とともに駆動されるように供給されるときに、前記第2の増幅器(25)に接続された第2の送信ブランチ(5)が原因となるエラーを推定するように適合されていることを特徴とする請求項17乃至19のいずれか1項に記載の補償調整装置。
  21. 前記計算手段(39)は前記信号歪みの補償を徐々に改善するように前記計算を繰り返すように適合されていることを特徴とする請求項17乃至20のいずれか1項に記載の補償調整装置。
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