JP6827613B2 - 衛星信号伝送システムにおける予歪み - Google Patents

Description

本発明は、衛星伝送システムに関し、特に、このようなシステムによって送信されるべき信号の予歪み(プリディストーション）の使用に関する。

衛星通信においては、必然的にあらかじめ割り当てられる帯域幅チャネルにおいてより高いデータのスループットをサポートする需要が高まっている。通信ペイロードにおいては、ＤＣ／ＲＦ電力変換効率が、重要な考慮事項であり、ＤＣ電力のほとんどが、高周波電力増幅器（ＰＡ）によって消費される。低い歪みを維持すると同時に、ＰＡ効率を最大化することが、主要な目的である。電力と帯域幅の効率はともに、デジタル予歪み（ＤＰＤ）を採用することによって高められ得る。

将来の衛星通信リンクにおいては、ペイロードの精度、加入者の数、または限られた時間期間内に大容量のデータを送信する必要性（最大可視性）の増大に起因して、膨大な量のデータが送信されなくてはならない。これは、単位帯域幅当たりの情報伝達能力が高まるにつれて必然的に非定包絡線を有するスペクトル的に効率的な変調技術（ＳＥＭＴ）、例えば、Ｍ−ａｒｙ ＱＡＭ（直交位相振幅変調）を採用することによって達成可能である。しかしながら、これは、送信器の電力増幅器（ＰＡ）の線形性に対して非常に大きな制約をもたらす。

線形ＰＡは、ＳＥＭＴに適してはいるが、送信器の主な電力消費源である。この線形ＰＡを使用すると、熱として電力が浪費されて、必然的に熱管理が必要になることに起因して、結果的に全送信器効率が低下する。対照的に、高効率ＰＡは、むしろ、複雑な非線形システム（例えば、スイッチ）であり、ＳＥＭＴの伝送には適していない。

一方では、生成されたＳＥＭＴおよび飽和された（すなわち、電力効率が高い）ＰＡの非線形性の振幅の変動に起因して、送信されたＳＥＭＴは、より大きい帯域幅を占有し（すなわち、スペクトル再成長）、結果的に隣接チャネルを妨害する帯域外歪みを招く。これは、関連する規制基準（例えば、国際電気通信連合 ＩＴＵ）に対する非遵守を引き起こす可能性があり、あらかじめ規定されたスペクトル・マスク制約に違反する可能性がある。他方では、ＳＥＭＴは、その情報伝達能力が信号振幅に依存しているので、非線形の増幅過程に生じる振幅外乱に対する耐性が弱い。このことは、送信された信号に帯域内歪み（すなわち、エラー・ベクトル振幅 ＥＶＭ）を引き起こす可能性があり、その結果として、この帯域内歪みが、符号誤り率（ＢＥＲ）の観点から受信器性能を低下させる。加えて、全送信器電力効率は、高いピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）信号が使用される場合、著しく低下し、この場合、より多くの電力バックオフが必要とされる。そのため、高効率ＰＡが使用されるべきであるが、残念ながら、これには、強い非線形性という弱点がある。

高効率ＰＡは、広帯域高速変動エンベロープ信号が使用される場合、メモリ効果を含む動的非線形挙動を示す。この場合、増幅された信号は、現在および過去の入力記号に依存している。

ＰＡ線形要件を満たすだけでなく、全システム効率を向上させるには、何らかの線形化を実施することが必要である。従来から、ＰＡ静的非線形性は、ＰＡのＤＣ／ＲＦ電力変換効率を譲歩することによって緩和されてきており、この場合、出力のバックオフが必要とされる。しかしながら、電力バックオフは、バッテリで動作する（搭載ペイロード）または高いランニング・コスト（地上設備）のシステムには適していない。その上、電力バックオフは、メモリ効果に起因する歪み、したがって、低い帯域内および帯域外の歪みと、高い電力効率とを同時に達成する線形化手法の必要性に対処することができない。いくつかの線形化技法は、本質的にアナログであり、ＰＡ非線形挙動（例えば、フィードフォワード、ＲＦ予歪み、及びＬＩＮＣ）に対処するように提案されている。しかしながら、デジタル予歪みＤＰＤは、送信器に対する効率性と線形性との優れた同時改善を示している。加えて、ＤＰＤは、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）、またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）において実装され、したがって、構成要素の耐性または経時に影響されない。

本発明は、送信されるべき信号を作成するための手段を備えることができる衛星用の信号伝送システムを提供する。信号に予歪みを加えるためのデジタル予歪みデバイスを含む第１の信号チャネルが設置され得る。さらには、信号のエンベロープ(包絡線）を処理するための第２の信号チャネルが設置され得る。第２の信号チャネルは、信号のエンベロープに予歪みを加えるための第２のデジタル予歪みデバイスを含むことができる。このシステムは、アンテナなど、信号を送信するための出力手段を含むことができる。

したがって、ＤＰＤシステム・アーキテクチャが提案されることは有利であり、この場合、高ＰＡＰＲ（ピーク対平均電力比）信号が使用され得ると同時に、ドライバ増幅器（ＤＡ）の包絡線追跡（エンベロープ・トラッキング ＥＴ）、及びＰＡの負荷変調が、全ＰＡＥ（電力付加効率）を最大化するのに使用される。

本発明はまた、送信されるべき信号を作成することと、信号に第１の予歪みを加えることとを含む、信号を送信する方法も提供する。次いで、予歪みを受けた信号は、第１の増幅器を使用して増幅され得る。信号の帯域制限されたエンベロープが、第２の予歪みがエンベロープに加えられ得る第２のチャネルを通じて分離され得る。歪みを受けたエンベロープ信号が使用されて、第１の増幅器を制御することができる。次いで、出力信号が、アンテナを使用して第１の増幅器から送信され得る。

次に、添付の図面を参照して、単に一例として示される本発明の実施形態を詳細に説明する。

デジタル予歪みの効果の概略的なグラフである。 典型的なＰＡの挙動を示す概略的なグラフである。 本発明の第１の実施形態によるシステムの概略図である。 本発明の第２の実施形態によるシステムの概略図である。 ＤＰＤデバイスを試験するためのシステムの概略図である。 本発明によるシステムによって作成されるスペクトルを示す図である。 本発明によるシステムによって作成されるスペクトルを示す図である。 本発明によるシステムによって作成されるスペクトルを示す図である。 本発明によるシステムによって作成されるスペクトルを示す図である。

本発明の背景にある原理の更なる背景説明として、図１は、ＤＰＤがいかにしてＰＡの非線形性をオフセットすることができるのかを示す３つの概略的なグラフを含む。ＤＰＤは、ＰＡ出力に対する線形化効果を有する。小さい比帯域幅のシステムにおいては、所与の高Ｑフィルタに起因して、帯域外スペクトル再成長をフィルタリング除去することは実現できない。ＰＡのＤＰＤベースの線形化は、周波数成分がスペクトル再成長の帯域幅に等しい（通常は、変調された信号帯域幅の５倍の）帯域幅内に生成されて、ＰＡ非線形性に起因する歪みを補償するように、同位相（Ｉ）及び直角位相（Ｑ）の基底帯域（ベースバンド）データをデジタル的に処理することによって達成される。したがって、広帯域送信器を使用すべきである。このデジタル的な「前処理」により、ＰＡは、最大で飽和点まで動作することが可能になり、非線形挙動に起因する帯域内および帯域外の歪みを緩和する。したがって、出力電力バックオフを、著しく抑えることができる。

図２に示されるように、電力バックオフ技法はまた、ＰＡの出力における線形性を達成する助けとなるため、および高ピーク対平均電力比を有する信号に対処するために使用され得る。線形ＰＡを使用して高ＰＡＰＲ信号の線形増幅を維持するには、２つの電力バックオフ、すなわち、利得曲線の非線形部分を回避するための第１のバックオフ、およびＰＡＰＲを扱うことになる第２のバックオフが利用され得る。たとえＤＰＤが第１のバックオフを軽減するために使用されても、電源変調または負荷変調のいずれかが、許容可能な全電力付加効率（ＰＡＥ）を達成するために第２のバックオフのみを緩和することが可能になる。

図５は、典型的なＤＰＤ＋ＰＡハードウェア試験装置のブロック図を示している。この装置は、モデル係数抽出手順を使用して、ＤＰＤを利用する伝送システムの応答をモデル化する方法を実装することを目的とする。試験信号のＩ／Ｑデータが、Ｍａｔｌａｂを使用してＰＣ上に生成され、次いで、任意波形発生器（ＡＷＧ）上にダウンロードされ得る。これらのデータは、信号アップコンバージョンが達成されるベクトル信号発生器（ＶＳＧ）においてＲＦキャリア（搬送波）を変調する。変調されたＲＦキャリアは、ＰＡに供給し、ドライバ増幅器（ＤＡ）が、高電力ＰＡ（ＨＰＡ）に使用され得る。ベクトル信号分析器（ＶＳＡ）が、ＲＦ変調されたキャリアをダウンコンバートし、次いで、復調する。これにより、（ＰＡが取り除かれている）元信号と歪みを受けた信号（すなわち、ＰＡによって増幅された信号）の復調されたＩ及びＱデータを比較することによって、（ＰＣにおける）ＤＰＤモデル係数の抽出が可能になる。ＤＰＤ＋ＰＡ性能は、前置歪み器のＩ／ＱデータをＡＷＧ上にダウンロードし、ＰＡ出力を測定することによって検証され得る。

将来の高スループット衛星は、この場合、大きい比帯域幅が予想されるが、帯域制限されたＤＰＤを取り入れることから便益を得ることが可能になる。これらの便益は、従来のＤＰＤを使用することと比較して、ハードウェア複雑性がより低く、従来のＤＰＤにおける５倍の帯域幅に比較すると元の変調された信号帯域幅に匹敵する帯域幅を処理することの結果として処理パワーがより少なくてよいことになる。

図３は、信号伝送システム３０の第１の実施形態を示している。システム３０は、衛星によって送信されることが望ましい信号、例えば、映画またはテレビの番組を作成するための手段３１と、アンテナ３４など、増幅された出力信号を送信するための手段３４とを備える。システムの第１のチャネル３７、すなわち電気経路は、第１のデジタル予歪みデバイス３２と増幅器３３とを経由してアンテナ３４へと、信号作成手段３１からアンテナ３４につながる。第１のデジタル予歪みデバイス３２は、増幅器３３によって作成される非線形性を打ち消す非線形性を信号に作成する。第２のチャネル３８、すなわち電気経路は、信号のエンベロープを分離することができる。第２のチャネルは、エンベロープ信号を増幅するためのエンベロープ増幅器に接続される第２のデジタル予歪みデバイス３５を含む。第２のデジタル予歪みデバイス３５は、エンベロープ増幅器の非線形性によって打ち消される非線形性をエンベロープ信号に加える。

図４の実施形態において、バラクタ・ベースの整合回路網は、入力変調された信号に基づいて、出力整合回路網を変調している。図３に示されているＤＰＤ＋ＰＡアーキテクチャは、ドライバ増幅器（ＤＡ）の段階において歪みを最小限にすると同時に、システムの全平均電力付加効率を高めるので有利である。負荷変調は、バラクタが並列に配置されて、高ＰＡ出力電力に対処することができるバラクタ・ベースの整合回路網を使用して、ＰＡ出力で加えられる。整合回路網はまた、出力増幅された信号を送信するためのアンテナに接続され得る。ＤＰＤ１、アップコンバータ、ＤＡ、およびＰＡの経路を通じた帯域幅は、元の変調された信号帯域幅に制限される。包絡線追跡（エンベロープ・トラッキング）が、追加のＤＰＤブロック（ＤＰＤ２）とともにエンベロープ増幅器（ＥＡ）を使用してドライバ増幅器に適用されて、ＥＡ出力で非線形性を補償する。ＤＡとＰＡとの間で切り替えることにより、入力電力を低くすることが可能になり、それは、平均電力付加効率をさらに向上させる。

図６は、アジレント（Ａｇｉｌｅｎｔ）(登録商標）のＡＤＳソフトウェアにおけるＭＧＡ−５４５Ｐ８ ＰＡモデルを使用して４ＧＨｚキャリアにおいて変調される１ＧＨｚの１０２４−ＱＡＭ超広帯域信号について、ＤＰＤモデリング処理、特にＮＡＲＭＡ（非線形自己回帰移動平均）ベースのＤＰＤモデルによって作成されるスペクトルを示している。３つの反復が、さらなる隣接チャネル電力比（ＡＣＰＲ）の向上を得るために行われる。図６は、元の信号スペクトル（６１）、ＰＡ歪みを受けた出力（６２）、ならびに３つの反復についてのＤＰＤ＋ＰＡ出力（６３、６４、および６５）を示している。垂直軸と、水平軸とはそれぞれ、０から−１１０ｄＢｍと、１から７ＧＨｚとに設定されている。−２３ｄＢのＮＭＳＥが維持されると同時に、ＡＣＰＲにおける約１２ｄＢ向上が達成される。

図７から図９は、次のように試験装置において作成されるスペクトルを示している：実証低雑音増幅器（ＺＦＬ−５００ＬＮ＋Ｍｉｎｉ−Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）が、ＤＰＤ＋ＰＡ性能における帯域制限されたＤＰＤの効果を実証するために使用された。次の設備が使用された：アジレントのＮ５１８２Ｂ ＭＸＧ ＲＦベクトル信号発生器（ＶＳＧ）、アジレントのＮ９０３０Ａ ＰＸＡベクトル信号分析器（ＶＳＡ）、およびＴＴｉのＥＬ３０２Ｔｖトリプル電源。ＶＳＧとＶＳＡは、回路網スイッチを通じて接続されて、ＰＣを介して制御しデータ交換する。同期化は、１０ＭＨｚの基準ポート、トリガ・ポート、およびイベント・ポートを接続することによって確立される。図７から図９は、３つの異なる変調された試験信号についての元の信号と、歪みを受けたＰＡ出力と、ＮＡＲＭＡベースのＤＰＤ＋ＰＡとの測定されたスペクトルを示している：
図７：１０ＭＨｚのＬＴＥ ＤＬ（ＱＰＳＫ）
図８：３２ＭＨｚの１０２４−ＱＡＭ
図９：５０ＭＨｚの１０２４−ＱＡＭ

図７から図９に示されるスペクトルはそれぞれ、信号の比較を容易にするために、元の信号のレベルに正規化される。図７においては、線７１が、元の信号を表し、線７３が、ＤＰＤなしの増幅された信号を表し、線７２が、増幅され予歪みを受けた信号を表す。図８においては、線８１が、元の信号を表し、線８３が、ＤＰＤなしの増幅された信号を表し、線８２が、増幅され予歪みを受けた信号を表す。図９においては、線９１が、元の信号を表し、線９３が、ＤＰＤなしの増幅された信号を表し、線９２が、増幅され予歪みを受けた信号を表す。

ＤＰＤ＋ＰＡの隣接チャネル電力比（ＡＣＰＲ）および正規化平均平方誤差（ＮＭＳＥ）は、変調された信号ごとに測定されたものであり、表１に要約されている。優れたＡＣＰＲが、１０ＭＨｚのＢＷ信号についてのみ達成されるが、優れたＮＭＳＥは、すべての場合に達成可能になることに留意されたい。これは、次のように証明される：ＰＡ出力での制限された分析帯域幅、すなわち、６０ＭＨｚに起因して、スペクトル再成長に関する十分でない情報がＤＰＤに達する。したがって、ＡＣＰＲは、信号帯域幅がより大きくなるにつれて、より悪化する。しかしながら、ＤＰＤはなおも、帯域内歪みに対処する。

したがって、データは、１０ＭＨｚのＬＴＥ ＤＬ信号について最も最適な性能を示す。

スペクトル再成長は、（例えば、Ｌバンドにおける）大きい比帯域幅信号についてフィルタリング除去可能であり、この理由で、ＡＣＰＲ制約は、著しく緩められる。衛星通信リンクを介して送信された信号を信頼性をもって受信することを可能にするには、スペクトル雑音密度に対する信号エネルギーのリンク・バジェット決定比、すなわち、Ｅｓ／Ｎｏが、完全な信号送信を仮定する受信器側で維持されなければならない。送信器側でのＥＶＭは、この比率を低下させ、このＥＶＭは、ＤＰＤを採用することによって最小限に抑えられなくてはならない。

宇宙技術における伝統を受けて、非線形（スイッチ）ＰＡは、電力効率は高いが、一般的には使用されず、それに対して、線形ＰＡ（電力効率が高くない）が使用される。したがって、高スペクトル密度変調技法が、回避される。ＤＰＤに加えて負荷変調および電源変調が、宇宙（および地上）セグメントにおいて使用可能であり、それによって、電力の効率的な使用を提供する。その上、より多くの量のデータが、送信器についても同じ電力バジェットを仮定するリンクにプッシュされ得る。

提案されたＤＰＤ＋ＰＡの性能指数は、電力消費を固定することとともに、より低いＥＶＭと高スループットを達成するはずである。

ＤＰＤモデルを更新するためにトレーニング系列を使用することが可能であり、Ｘ帯域ペイロードにおいては、送信器は、衛星がステーションの視界ゾーンの中にあるとき、データを転送する短い時間期間はオンである。しかしながら、これは、必ずしも、軌道ごとに起きるとは限らない。その結果として、軌道のうちの１つが、解放されて、トレーニング系列をデータ受信ステーションに送信することができる。この受信されたデータは、オフラインで、理想的なトレーニング系列と比較可能になり、ＤＰＤモデル係数についての更新が抽出可能になる。この更新された係数は、ＴＴ＆Ｃトランスポンダを通じて衛星に送信可能になり、ＤＰＤモデルをオンボードで構成するために使用可能になる。言い換えれば、オフライン適応が、ＰＡの何らかの予想のつかない非常に低速な時間変動に対処するように行われ得ることになる。

本発明において提案された陸上通信のためのＤＰＤ技法は、高ＰＡＰＲ信号が使用可能であると同時に、全ＰＡＥを最大化するので有利である。本発明の実施形態のさらなる利点は、（容量、質量、および費用の観点から）より高価でない宇宙セグメントならびに地上セグメントの送信器を可能にすることである。

モバイル通信においては、ＰＡ電気特性は、電源電圧、温度、および負荷不整合を含む、高速に時間変動する周囲パラメータおよび回路パラメータに主に依存している。その結果として、ユーザ・ハンドセットについての実時間適応は、スペクトル放射に対して順守することと、情報を信頼性をもって受信することとを維持するために非常に重要性を持つ。これは、スペクトル再成長を伴う広帯域ＲＦ信号を正確に時間調整してダウンコンバートし復調するための追加の電力およびハードウェアの費用という出費を払って行われる。ユーザには、比帯域幅は小さいが、メモリ効果という弱点を持たない狭帯域幅が割り当てられる。そのため、メモリレスのＤＰＤモデルは、静的非線形性に対処することができ、更新可能なルック・アップ・テーブルを使用して実装され得る。対照的に、衛星通信においては、これらの時間変動する周囲パラメータおよび回路パラメータは、存在せず、またはそれらのパラメータは、無視できるほどの効果をもたらす。第一に、調整された電源（＜１％）がオンボードで使用される。第二に、反射を引き起こす隣接物体が全く存在せず、したがって、反射物体に起因する負荷不整合は、概して、全く存在しない。さらには、温度変動域は、ＰＡ利得がその中で数ｄＢ変動する摂氏マイナス１０度から＋８０度の間であり、オンチップ温度補償回路を備えるＰＡが、この利得変動を約１ｄＢに抑えるために使用され得る。最後に、経時効果は、考慮事項に入れるべきである。産業制約では、信頼できるＰＡは、１０年稼働の後、特性変動が１０％未満であるとすべきことが考慮される。結果として、約０．５ｄＢ利得減少が予想される。衛星に搭載された上述のパラメータ依存の低速かつ高速に時間変動するＰＡを鑑みると、非適応ＤＰＤは、これらの低速に変動するパラメータに耐え得る。

Claims (7)

1. 衛星用信号伝送システムであって、
   送信されるべき信号を作成するための手段と、
   前記信号に第１の予歪みを加えるためのデジタル予歪みデバイスと、ドライバ増幅器とを含む第１のチャネルと、
   前記信号のエンベロープを処理するための第２のチャネルであって、前記第１のチャネルに並列に接続され、エンベロープ増幅器を含み、前記エンベロープ増幅器の出力は、前記ドライバ増幅器に接続され、前記エンベロープ増幅器は、前記ドライバ増幅器に対する電源を制御する第２のチャネルと、
   エンベロープ増幅器の非線形性を打ち消すように前記信号の前記エンベロープに第２の予歪みを加えるための第２のデジタル予歪みデバイスと、
   前記信号を送信するための出力手段と、
   前記信号伝送システムの出力負荷を変調する手段と
   を備えた信号伝送システム。
2. 前記第１のチャネルは、電力増幅器を含む請求項１に記載の信号伝送システム。
3. 前記電力増幅器は、低電力出力が要求されるとき、オフに切替え可能である請求項２に記載の信号伝送システム。
4. 前記出力手段は、アンテナを含む請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の信号伝送システム。
5. 前記アンテナにおける負荷を変調するための整合回路網を更に備えた請求項４に記載の信号伝送システム。
6. 前記整合回路網は、１つ又は複数のバラクタを含む請求項５に記載の信号伝送システム。
7. 信号伝送システムを用いて信号を送信する方法において、
   送信されるべき信号を作成するステップと、
   前記信号に第１の予歪みを加え、前記第１の予歪みが加えられた信号をドライバ増幅器を使用して増幅するステップと、
   前記信号の帯域制限されたエンベロープを分離し、前記信号のエンベロープを増幅するエンベロープ増幅器により生じる非線形性を打ち消すように前記エンベロープに第２の予歪みを加えるステップと、
   前記第２の予歪みが加えられた信号のエンベロープを使用して、前記ドライバ増幅器を制御するステップと、
   アンテナを使用して、電力増幅器から出力を送信するステップと、
   前記信号伝送システムの出力負荷を変調するステップと
   を含む信号伝送システムを用いて信号を送信する方法。

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