JP2008177899A - 増幅回路及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歪み補償が可能な増幅回路において、精密な電源変調特性を実現し、効率最大・誤差最小となる電源変調特性を求め、歪性能を規格内に納めつつ、効率の最大化を図る。
【解決手段】増幅器２２と、増幅器入力信号ｕ（ｎ）に基づいて、増幅器２２に与えられる電源変調電圧ｖ（ｎ）を決定する電源変調部３１と、増幅器モデル３２ａに基づいて、増幅器２２の歪補償を行う歪補償部３０と、電源変調部３１及び歪補償部３０を制御する制御部３２と、を備え、制御部３２は、増幅器２２の出力信号ｚ（ｎ）及び入力信号Ｕ（ｎ）並びに増幅器２２に与えられる電源変調電圧ｖ（ｎ）に基づいて、増幅器モデル３２ａを同定するよう構成され、かつ増幅器モデル３２ａに基づいて、電源変調電圧ｖ（ｎ）を決定するためのパラメータを制御するよう構成されている増幅回路。
【選択図】図３

Description

本発明は、増幅回路及び無線通信装置に関するものであり、特に、歪み補償が可能な増幅回路等に関するものである。

増幅器は、高い線形性が要求されることがある。例えば、線形変調信号を増幅する電力増幅器、あるいは線形変調信号の受信機に用いる低雑音増幅器は、スペクトラム特性や信号の歪みに起因する伝送特性の劣化を抑えるために高い線形性が要求される。

しかし、増幅器の線形性を高くするためには、その飽和領域を高くする必要がある。
すなわち、増幅器の入出力電力特性は、出力信号電圧が増幅器電源電圧に近い範囲では、入力信号と出力信号との関係が線形とならず、入出力比が飽和する非線形領域となる。
したがって、線形性を確保するには、増幅器に対して十分に大きな電流・電圧（＝電力）を電源電圧として与え、電源電圧よりも低く線形性の高い動作領域で増幅器を動作させる必要がある。
この結果、線形性の確保できる動作領域は、狭くなり、増幅器の使用電力（電源電力）に対する出力電力比（電力効率）が悪くなる。
このように、線形性の確保と電力効率の確保とはトレードオフの関係にある。

従来、線形性を確保しつつ、増幅器の電力効率の向上を図るために、非線形領域において生じる歪を補償するための歪補償方式が提案されている。
歪補償方式には、増幅器の入力信号に対して増幅器の歪特性と逆の特性を、予め増幅器入力に付加させておくことにより、増幅器出力において、歪のない所望信号を得る方式（プリディストーション；Pre-distortion）法がある。

プリディストーション法による歪補償を行うプリディストータ（Pre-distorter）の例としては、あらかじめ補正量をＬＵＴ（Look Up Table）に記憶させておき、増幅器出力信号と目標出力信号の差異を用いて、その補正量を逐次修正する方式（ＬＵＴ方式とよばれている）や、歪み補正量を多項式によって近似し、その多項式の係数値を、増幅器出力信号と入力信号とを用いて計算（適応制御）する方式（多項式近似方式とよばれている）などがある。

一方、増幅器の効率化を図るための方式として、増幅器の入力信号を用いて増幅器の電源電圧を変調し、入力信号の大小に合わせて増幅器消費電力をダイナミックに変動させる方式（電源変調方式、またはエンベロープトラッキング方式とよばれている）がある。
増幅器の電源電圧を一定とする場合、増幅器の最大出力電圧に応じた大きさの電源電圧が必要となる。この結果、出力電圧が小さいときにも、増幅器の消費電力が大きく、電力効率が悪くなる。
これに対し、電源変調方式では、入力信号の大小に合わせて増幅器消費電力がダイナミックに変動するため、出力電圧が小さいときには増幅器消費電力が抑えられ、電力効率を向上させることができる。

また、非特許文献１，２には、電源変調を行いつつ、プリディストータによる歪み補償を行うという方式が提案されている。
電源変調を行いつつ、プリディストーション法による歪み補償を行うという方式は、増幅器の効率を大きくしつつ、歪みを小さくすることができるという点で優れている。

図４は、電源変調を行いつつ、プリディストータによる歪み補償を行うという方式の増幅回路を示すブロック図である。
図４の増幅回路では、電力増幅器（ＰＡ；Power Amplifier）１００の電源電圧を制御する電源変調部１０１が備わっている。この電源変調部１０１は、増幅器１００に与えられる入力信号エンベロープの大小に合わせて、増幅器１００に与えられる電圧を変化させる。

また、前記増幅回路は、増幅器１００の出力信号及び入力信号に基づいて、増幅器１００の逆モデルを同定するＰＡ逆モデル同定部１０２を備えている。プリディストータ１０３は、同定されるＰＡ逆モデルに基づいて、増幅器１００歪補償を行う。
Donald F. Kimball, et. al., "High-Efficiency Envelope-Tracking W-CDMA Base-Station Amplifier Using GaN HFETs", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, No.11, November 2006. Feipeng Wang, et. al., "Design of Wide-Band Envelope-Tracking Power Amplifiers for OFDM Applications", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.53, No.4, April 2005.

図４の増幅回路では、電源変調を行いつつ、プリディストータ１０３による歪み補償を行うことができるものの、プリディストータの出力信号（増幅器への入力信号）に比例した信号が電源変調部１０１に与えられるにすぎない。
したがって、電源変調部１０１では、プリディストータの出力信号のエンベロープに応じて増幅器１００の電源電圧を変化させるだけである。
この結果、図４の増幅回路では、増幅器の効率が最大化されるわけではなく、電源電圧の変化を考慮しない大雑把な効率化が行われる。

つまり、増幅器の効率特性は、増幅器の電源電圧（ドレイン電圧）によって変化する。したがって、プリディストータの出力信号（増幅器への入力信号）のエンベロープに応じて増幅器１００の電源電圧を変化させるだけでは、ある程度の効率化は可能であるとしても、電源電圧の変化による増幅器１００の特性の変化が考慮されていないため、大雑把な効率化となる。

以上のように、図４の増幅回路では、電源変調部の電源変調特性を調整することができず、増幅器効率の最適化や増幅器効率の自由な調整等が行えなかった。
そこで、本発明は、電源変調特性を調整できる増幅回路及び無線通信装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的の一つは、電源変調特性及び歪補償特性の双方の制御を行うことである。

第１の観点からみた本発明は、増幅器と、前記増幅器の入力信号に基づいて、前記増幅器に与えられる電源変調電圧を決定する電源変調部と、前記増幅器の特性を示す増幅器モデルに基づいて、前記増幅器の歪補償を行う歪補償部と、前記電源変調部及び前記歪補償部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記増幅器の出力信号、及び入力信号、並びに前記増幅器に与えられる前記電源変調電圧に基づいて、前記増幅器モデルを同定するよう構成され、かつ前記増幅器モデルに基づいて、前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを制御するよう構成されている増幅回路である。

上記本発明によれば、増幅器モデルが増幅器の入出力信号だけでなく、増幅器の電源変調電圧にも基づいて同定されるため、増幅器モデルが、電源変調電圧による特性変動を反映したものとなる。
そして、制御部は、電源変調電圧が考慮された増幅器モデルに基づいて、電源変調電圧を決定するためのパラメータを制御するため、電源変調電圧を考慮した高精度の効率化を行うことができる。

制御部は、前記増幅器の入力信号と前記増幅器モデルによって得られる増幅器の推定入力信号との差異が最小化するとともに、増幅器電力効率が最大化するように、前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを求めるよう構成されているのが好ましい。この場合、増幅器出力の歪みを最小にしつつ、効率を最大化することができる。

制御部は、前記差異の最小化と前記効率の最大化とを、勾配法によって行うのが好ましい。勾配法により、容易に歪と効率とを最適化できる。

前記制御部は、前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを求める際に、べき級数で表現された、前記増幅器モデルと、べき級数で表現された、前記増幅器の入力信号に対する電源変調電圧の関数と、を用いるのが好ましい。増幅器モデルと、増幅器の入力信号に対する電源変調電圧の関数とを、べき級数で表現することで、演算が容易となる。

第２の観点からみた本発明は、増幅器と、前記増幅器の入力信号に基づいて、前記増幅器に与えられる電源変調電圧を決定する電源変調部と、前記電源変調部が前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを制御する制御部と、を備えている増幅回路である。なお、前記制御部は、前記増幅器に与えられる前記電源変調電圧に基づいて、前記電源変調電圧を決定するための前記パラメータを制御するよう構成さているのが好ましい。

上記本発明によれば、制御部は、前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを制御して、電源変調特性を調整できるので、増幅器効率を調整することができる。

第３の観点からみた本発明は、増幅器と、前記増幅器の入力信号に基づいて、前記増幅器に与えられる電源変調電圧を決定する電源変調部と、前記増幅器の特性を示す増幅器モデルに基づいて、前記増幅器の歪補償を行う歪補償部と、前記増幅器モデルのパラメータ、及び前記増幅器の入力信号から前記増幅器に与えられる電源変調電圧を決定するためのパラメータを、共に制御可能な制御部と、を備えている増幅回路である。

上記本発明によれば、制御部によって、増幅器モデルのパラメータ、及び増幅器の入力信号から増幅器に与えられる電源変調電圧を決定するためのパラメータを、共に制御することができる。したがって、効率特性と歪特性の調整が可能となる。

第４の観点からみた本発明は、前記増幅回路を送信信号の増幅又は受信信号の増幅のために備えた無線通信装置である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、無線通信装置としての無線基地局１ａと、同じく無線通信装置としての端末装置１ｂ，１ｃ，１ｄとを有する無線通信システムを示している。
無線通信装置１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、無線信号を受信するための受信機１１、無線信号を送信するための送信機１２、送受信信号の処理を行う処理部１３をそれぞれ備えている。

受信機１１は、線形変調信号を受信するものであり、この受信機は、線形変調信号を受信して増幅するために低雑音増幅回路１１ａを有している。
また、送信機１２は、線形変調信号を送信するものであり、線形変調信号を増幅する電力増幅回路１２ａを有している。

前記低雑音増幅回路１１ａ及び電力増幅回路１２ａの基本的構成は、ともに同様であるので、以下では、電力増幅回路１２ａを例として説明する。
図２は、電力増幅回路１２ａのハードウェア構成を示している。この電力増幅回路１２ａは、デジタル信号処理部（ＤＳＰ）２１、ＲＦ電力増幅器（以下、単に増幅器という）２２、エンベロープ（包絡線）増幅器２３などを備えている。
前記増幅器２２は、線形変調信号を増幅するためのものであるが、非線形特性を有する
動作領域を有しており、後述の図３の歪補償部３０が必要とされる。
また、この増幅器２２においては、入力信号の変化や増幅器特性のばらつきによって電力効率や歪特性が変化することがある。

デジタル信号処理部２１は、増幅器２２への入力となる信号（ベースバンド信号）を出力するとともに、増幅器２２の出力（ベースバンド信号）を取得することができる。
なお、デジタル信号処理部２１から増幅器２２の入力端までの間には、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５、アップコンバータ２６、バンドパスフィルタ２７、ドライバ２８が設けられている。
また、増幅器２２の出力端からデジタル信号処理部２１までの間には、ダウンコンバータ２９ａ、ローパスフィルタ２９ｂ、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２９ｃが設けられている。

さらに、デジタル信号処理部２１は、増幅器２２に与えられる電源電圧を示す信号（デジタル信号）をエンベロープ増幅器２３に対して出力する。
なお、デジタル信号処理部２１からエンベロープ増幅器２３の入力端までの間には、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）２４、ローパスフィルタ２９ｄが設けられている。

図３は、デジタル信号処理部２１の機能のうち、増幅器２２に関する機能を示すブロック図である。
同図に示すように、デジタル信号処理部２１は、増幅器２２に与えられる信号の歪補償を行うプリディストータ（歪補償部）３０、増幅器２２へ与えられる電源変調電圧（ドレイン電圧）を決定する電源変調部３１、及び、前記プリディストータ３０と電源変調部３１とを制御する制御部３２を備えている。

前記プリディストータ３０は、信号（歪補償前ベースバンド信号）ｘ（ｎ）に増幅器２２の歪特性に応じた歪補償処理を施して信号（歪補償後ベースバンド信号）ｕ（ｎ）を得るためのものである。歪補償は、増幅器２２の歪特性の逆特性を信号ｘ（ｎ）に付加させておくことによって行われる。
予め歪補償が施されたプリディストータ３０の出力信号ｕ（ｎ）を、増幅器２２に与えることで、増幅器２２からは歪みの少ない出力ｚ（ｎ）が得られる。

以下に、プリディストータ３０の歪補償特性のべき級数モデル（ＰＳＭ：Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ Ｍｏｄｅｌ）を示す。

電源変調部３１は、増幅器２２の入力信号（プリディストータ３０の出力信号）ｕ（ｎ）のエンベロープ（包絡線）に応じて、増幅器２２に与える電源電圧ｖ（ｎ）を変化させる。すなわち、電源変調部３１は、入力信号ｕ（ｎ）（のエンベロープ）が小さければ、電源電圧ｖ（ｎ）も小さくし、入力信号ｕ（ｎ）（のエンベロープ）が大きければ、電源電圧ｖ（ｎ）も大きくして、入力信号ｕ（ｎ）の変化に沿った電源変調電圧ｖ（ｎ）を決定する。
電源変調部３１が、入力信号ｕ（ｎ）に応じて電源変調電圧ｖ（ｎ）を決定することで、増幅器２の電力効率を高くすることができる。

以下に、電源変調部３１の電源変調特性のべき級数モデル（ＰＳＭ）を示す。

制御部３２は、プリディストータ３０が歪補償前信号ｘ（ｎ）から歪補償信号ｕ（ｎ）を決定するためのパラメータ（増幅器２２の逆特性（逆モデル）のパラメータ＝歪補償特性のパラメータ）ｇを制御する機能を有する。
プリディストータ３０のパラメータが調整可能であるため、制御部３２においてプリディストータのパラメータを適宜決定することで、歪補償特性を自由に調整することができる。

さらに、制御部３２は、電源変調部３１が、増幅器入力信号（プリディストータ出力信号）ｕ（ｎ）から電源変調電圧ｖ（ｎ）を決定するためのパラメータｈを制御する機能を有する。
電源変調部３１のパラメータが調整可能であるため、制御部３２において電源変調部３１のパラメータを適宜決定することで、電源変調特性を自由に調整でき、ひいては増幅器２２の効率を自由に調整することができる。

以上のように、制御部３２は、プリディストータ３０及び電源変調部３１のパラメータをそれぞれ制御できるため、増幅器２２の電源変調特性と歪補償特性とをそれぞれ制御できる。
したがって、後述のように、増幅器２２の電源変調特性と歪補償特性の両方の適応制御を行って「効率最大、歪最小」となる最適な増幅器特性を得ることが可能である。
また、効率と歪のいずれか一方を犠牲にして、他方の性能を向上させるといった制御も、パラメータの調整によって行える。

増幅器２２の効率を最大とするとともに歪が最小となる増幅器特性を得るため、本実施形態の制御部３２は、増幅器モデル３２ａ、増幅器の効率特性モデル３２ｂ、及び評価部３２ｃを有している。

ここでの増幅器モデル３２は、増幅器（ＰＡ）２２の非線形特性の逆特性を示すＰＡ逆モデルとして構成されている。すなわち、ここでの増幅器モデル３２ｃによれば、制御部３２は、増幅器出力ｚ（ｎ）と電源変調電圧ｖ（ｎ）が与えられると、パラメータｇに応じて、増幅器入力の推定値を演算することができる。なお、パラメータｇの決定の仕方は後述する。

なお、増幅器２２の非線形特性のべき級数モデル（ＰＳＭ）と、増幅器２２の非線形逆特性（ＰＡ逆モデル）のべき級数モデル（ＰＳＭ）は、それぞれ下記の通りである。

また、制御部３２は、ＰＡ逆モデル３２ａから算出される増幅器の推定入力信号と、実際の増幅器入力信号とから、両者の誤差ｅ（ｎ）を演算する。この誤差ｅ（ｎ）は、評価部３２ｃに与えられる。
なお、誤差ｅ（ｎ）の演算式は下記の通りである。

また、ここでの効率特性モデル３２ｂは、増幅器２２のドレイン効率特性（電力効率特性）ηの逆関数（効率逆特性モデル）μとして構成されている。
この逆関数μは、下記の通りである。

この効率逆特性モデル３２ｂは、制御部３２に予め与えられている。すなわち、制御部３２には、上記逆関数における効率特性パラメータｆが予め与えられており、制御部３２に電源変調電圧ｖ（ｎ）と増幅器出力ｚ（ｎ）とが与えられると、制御部３２は効率ηの逆関数値μを演算することができる。なお、効率特性（のパラメータ）は、電源変調電圧によって異なるため、様々な電源変調電圧及び増幅器入力信号に応じた効率特性パラメータが予め測定されており、当該効率特性パラメータが制御部３２に記憶されている。
なお、効率特性は、電源変調電圧ｖ（ｎ）と増幅器入力ｕ（ｎ）との関係によって表しても良い。
以上のようにして算出されたμは、評価部３２ｃに与えられる。

評価部３２ｃでは、与えられた誤差ｅ（ｎ）と効率の逆関数値μとに基づいて、誤差ｅ（ｎ）が最小となるとともに、μが最小（効率η最大）となるように最適化する。
具体的には、評価部３２ｃは、増幅器の誤差（歪み）ｅ（ｎ）と効率特性の逆関数μの両方を小さくする下記の評価関数Ｊを有しており、この評価関数を小さくする処理を行う。

ここで、前記誤差（歪み）ｅ（ｎ）は、増幅器入力信号と推定入力信号との差であるから、増幅器出力ｚ（ｎ）と電源変調電圧ｖ（ｎ）とが与えられると、ＰＡ逆モデル３２の係数（パラメータ）ｇによって定まる値である。
また、電源変調電圧ｖ（ｎ）は、増幅器入力ｕ（ｎ）が与えられると、電源変調特性の係数（パラメータ）ｈによって定まる値である。

さらに、効率ηの逆関数μは、増幅器出力ｚ（ｎ）と電源変調電圧ｖ（ｎ）とが与えられると、既知の係数（パラメータ）ｆによって定まり、電源変調電圧ｖ（ｎ）は、増幅器入力ｕ（ｎ）が与えられると、電源変調特性の係数（パラメータ）ｈによって定まる値である。

したがって、評価部３２ｃでは、ＰＡ逆モデル３２の係数（増幅器モデルのパラメータ）ｇと、電源変調特性の係数（電源変調電圧を決定するためのパラメータ）ｈとを適応制御することにより、前記評価関数を最小化できる。
より具体的には、評価部３２ｃは、勾配法アルゴリズムによって評価関数を最小化する。勾配法によって、ＰＡ逆モデル３２ａの係数（増幅器モデルのパラメータ）ｇと、電源変調特性の係数（電源変調電圧を決定するためのパラメータ）ｈとを逐次決定するためのパラメータ適応則は、下記の通りである。
なお、パラメータを最適化するためのアルゴリズムは、勾配法に限られない。

上述のようにして、制御部３２は、増幅器の入出力信号及び電源変調電圧を用いた増幅器２２の逆モデル（多項式近似）を適応同定し、その係数値（増幅器モデル３２ａのパラメータ）ｇを逐次決定する。
さらに、制御部３２は、適応同定された増幅器モデル３２ａの係数値ｇと、増幅器入出力信号ｕ（ｎ），ｚ（ｎ）と、電源変調電圧ｖ（ｎ）と、増幅器効率特性モデル３２ｂとを用いて、電源変調電圧を決定するためのパラメータｈを逐次決定する。
この結果、プリディストータ３０による歪補償と同じく、入力信号に対する最適な電源変調特性が逐次計算され、電源変調特性と歪補償特性の両方の適応制御が行われる。

よって、本実施形態の制御部３２によれば、トレードオフの関係にある増幅器の効率と歪み特性の最適化を増幅回路自体で自動的に行うことができる。
これにより、従来に比べ、より精密な電源変調特性を実現することができ、歪性能を規格内に納めつつ、効率の最大化を図ることができる。また、増幅器特性のばらつきに対しても十分対応することができる。

さらに、本実施形態の制御部３２によれば、伝送信号の変調方式が変わった場合でも、ソフトウェア、回路設計を変更することなく対応が可能となる。また、効率もしくは歪を多少犠牲にして、他方の性能を向上させたい場合には、パラメータを変更すればよく、簡単に調整を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

無線通信システムのブロック図である。 増幅回路のハードウェア構成図である。 増幅回路の機能ブロック図である。 従来の増幅回路の機能ブロック図である。

符号の説明

２２ 増幅器
３０ 歪補償部
３１ 電源変調部
３２ 制御部
３２ａ 増幅器モデル
３２ｂ 効率特性モデル
３２ｃ 評価部

Claims (7)

1. 増幅器と、
   前記増幅器の入力信号に基づいて、前記増幅器に与えられる電源変調電圧を決定する電源変調部と、
   前記増幅器の特性を示す増幅器モデルに基づいて、前記増幅器の歪補償を行う歪補償部と、
   前記電源変調部及び前記歪補償部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記増幅器の出力信号、及び入力信号、並びに前記増幅器に与えられる前記電源変調電圧に基づいて、前記増幅器モデルを同定するよう構成され、かつ
   前記増幅器モデルに基づいて、前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを制御するよう構成されている
   ことを特徴とする増幅回路。
2. 前記制御部は、前記増幅器の入力信号と前記増幅器モデルによって得られる増幅器の推定入力信号との差異が最小化するとともに、増幅器電力効率が最大化するように、前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを求めるよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の増幅回路。
3. 前記制御部は、前記差異の最小化と前記効率の最大化とを、勾配法によって行うことを特徴とする請求項２記載の増幅回路。
4. 前記制御部は、前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを求める際に、
   べき級数で表現された、前記増幅器モデルと、
   べき級数で表現された、前記増幅器の入力信号に対する電源変調電圧の関数と、
   を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の増幅回路。
5. 増幅器と、
   前記増幅器の入力信号に基づいて、前記増幅器に与えられる電源変調電圧を決定する電源変調部と、
   前記電源変調部が前記電源変調電圧を決定するためのパラメータを制御する制御部と、
   を備えていることを特徴とする増幅回路。
6. 増幅器と、
   前記増幅器の入力信号に基づいて、前記増幅器に与えられる電源変調電圧を決定する電源変調部と、
   前記増幅器の特性を示す増幅器モデルに基づいて、前記増幅器の歪補償を行う歪補償部と、
   前記増幅器モデルのパラメータ、及び前記増幅器の入力信号から前記増幅器に与えられる電源変調電圧を決定するためのパラメータを、共に制御可能な制御部と、
   を備えていることを特徴とする増幅回路。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の前記増幅回路を送信信号の増幅又は受信信号の増幅のために備えた無線通信装置。

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