線形電力増幅器

专利摘要:
前置歪み手段及びフィードフォワード回路を含む線形電力増幅器について記載する。前置歪み手段及びフィードフォワードキャンセルシステムの両方を用いることによって、増幅器の線形性は増す。増幅信号の精度は、フィードフォワードキャンセルシステムによって生成されるエラー信号を用いて前置歪み手段をトレーニングすることによって、改善され得る。改善された線形性の精度は、エラー増幅器の電力要求の低減と、フィードフォワードループの位相、振幅及び遅延精度の緩和とをもたらす。
公开号:JP2011507444A
申请号:JP2010538890
申请日:2008-12-18
公开日:2011-03-03
发明作者:クフラハーティー，マーティン；ドルマン，グラハム；マックグレゴー，コリン
申请人:ノーテル・ネットワークス・リミテッド；
IPC主号:H03F1-32

专利说明:

[0001] 本発明は、信号の増幅と、改善された増幅器の線形性とに関する。本発明は、例えば携帯電話基地局等の通信装置での使用に適用可能である。]
背景技術

[0002] 多くの用途で、増幅器は、入力信号の電力を増大させるために使用される。しかし、増幅の間、エラーが信号に導入される。例えば、理想的には、増幅器は線形であるが、増幅器は、概して、一定の限界範囲内でのみ線形であり、クリッピング及び歪みを生じさせる。このため、様々なメカニズムが、線形応答が得られる限界を広げるよう増幅器の非線形性を報償すべく開発されてきた。エラーの導入を報償する２つの既知の方法は、フィードフォワード線形化及び前置歪み（predistortion）である。]
[0003] 既知のフィードフォワードシステム１０の一例が図１に表されている。このフィードフォワードシステム１０で、入力信号１２はメイン信号１４及びリファレンス信号１６に分けられる。メイン信号１４はメイン増幅器２２を通り、そこで増幅される。増幅器２２の信号出力は、増幅されたメイン信号１４に加えて、増幅器２２によって導入された何らかの歪みを含み。メイン信号１４が増幅されると、増幅されたメイン信号はサンプリングされ、エラー信号３０を生成するよう（２８において）リファレンス信号から減じられる。エラー信号３０は、理想的には、メイン信号１４を処理する場合にメイン増幅器１２によって導入されたエラーのみを含む。これを達成するために、メイン信号及びリファレンス信号は、それらが結合される場合に、時間及び振幅において正確に整列しなければならない。このような整列を達成するために、遅延回路１８がリファレンス信号経路に存在する。] 図１
[0004] 次いで、エラー信号３０は、エラー増幅器３２により増幅され、メイン増幅器の出力２４に存在するエラーを除去するようメイン増幅器２２の出力から減じられ得る。先と同じく、これは、エラーが的確に信号から除去されるのを確かにするよう信号の正確な同期を必要とする。]
[0005] 当業者には当然のことながら、フィードフォワードの主たる欠点の１つは、電力増幅器による比較的大きな歪みから生ずる。導入される歪みが大きい場合は、大きなエラー増幅器がエラー信号を扱うために必要とされる。加えて、フィードフォワードループのゲイン、位相及び遅延は、典型的なスペクトル放射マスクに従うよう歪みを減ずるために必要とされる高レベルのキャンセルを達成するために、極めて正確に一致しなければならない。このような正確さを達成するために、しばしば、コスト及び複雑さを更に増大させる追加のハードウェア（パイロットトーン受信器等）の使用が必要とされる。]
[0006] 既知の前置歪みシステム４０の一例が図２に表されている。前置歪みシステム４０で、最初に、入力信号は前置歪み器４２を通り、そこで前置歪み係数と結合される。前置歪み係数は、増幅器のゲイン及び位相ひずみ特性を逆モデル化する。次いで、信号はＤＡＣ４４及びアップコンバータを通って電力増幅器４８に至り、そこで増幅される。前置歪み器による処理は、増幅器によって導入されるあらゆるエラーが信号において予め補償されていることを意味する。任意に、アップコンバータ（図示せず。）がＤＡＣ４４と電力増幅器４８との間に存在してよい。] 図２
[0007] 結果としてられた信号は、また、ＡＤＣ４６を含むフィードバックループ５０を用いて前置歪み器をトレーニングするために使用されてもよい。これにより、前置歪み器は、より正確に、増幅器の特性をモデル化する。これにより、増幅器４８によって導入されるあらゆるエラーのキャンセルにおける精度がより高まる。このようにして、システムの線形性は更に改善され得る。任意に、フィードバックループ５０は、また、ダウンコンバータ（図示せず。）を有してよい。]
発明が解決しようとする課題

[0008] 伝統的な前置歪みシステムでは、システムにおけるコンポーネントのバンド幅は、概して、出力信号の所望のバンド幅の少なくとも５倍であるよう求められる。加えて、コンポーネントは、概して、出力信号のスペクトルマスクが満足されることを確かにするよう高いダイナミックレンジを有する。これらの要求を満足するよう、電力増幅器内で使用されるＤＳＰ及びＤＡＣは、比較的高い電力消費を有し且つ高価である。]
[0009] マルチキャリア信号を用いる通信システムは、それらが更に高いダイナミックレンジ及びバンド幅を有するにつれ、前置歪みシステムにとって特に難しい。現在の前置歪みシステムは、マルチキャリアＧＳＭのための厳しいスペクトル放射マスクを満足することができない。従って、増幅処理の間に導入される歪みを更に最小限とし且つ線形化処理の効率を更に改善することが望ましい。]
課題を解決するための手段

[0010] 本発明の第１の態様に従って、入力信号を受信するよう配置される入力部と、前記入力信号をメイン信号及びリファレンス信号に分ける手段と、前記メイン信号を処理する前置歪み手段と、前記メイン信号を増幅する増幅手段と、増幅後前記メイン信号での残差を表すエラー信号を生成するよう前記メイン信号のサンプルから前記リファレンス信号を減ずる処理手段と、サンプリングされたエラー信号を用いて前記前置歪み手段をトレーニングする処理手段とを有する信号増幅装置が提供される。エラー信号を用いて前記前置歪み手段をトレーニングすることによって、より低電力のエラーダウンコンバータ及びＡＤＣが使用され得る。]
[0011] 任意に、当該装置は、前記エラー信号を増幅するエラー増幅器と、出力信号を生成するよう前記メイン信号から前記エラー信号を減ずるよう配置される比較器とを有する。]
[0012] 加えて、ループをエラーキャンセル点に対して閉じることによって、前置歪み処理を受けた信号は、増幅器でのゲイン、位相及び遅延の変化を補償し、エラーを前記前置歪み手段を用いて達成可能な最小値とする。これは、フィードフォワードエラー増幅器の電力対応要求を最小限とし、別個の安定化又は補償手段の要求を減じて、より複雑ではなく且つ安価な設計が利用されることを可能にする。フィードフォワードエラー経路におけるより低い電力及び複雑性は、メイン経路遅延が最小限とされ得ることを意味する。メイン経路遅延を最小限とすることは、信号電力損失を減らし、全体の効率を改善する。]
[0013] 任意に、当該装置は、前記リファレンス信号が前記処理手段によって前記メイン信号から減じられる前に、前記リファレンス信号に対しフィルタ処理を行うよう配置されるフィルタを有してよい。このフィルタ処理の位置付けは、この時点で挿入損失に対する高い耐性が存在するので、高選択性フィルタが使用されることを可能にする。加えて、この時点でのフィルタの挿入は、電力増幅器の出力に対しフィルタ処理を行う必要性を除くので、すなわち、フィルタが電力増幅器の全出力を扱う必要がなく且つ挿入損失が増幅器の出力電力を低下させないので、有利である。増幅器はこの時点で挿入され得、これは、電力増幅器の出力がフィルタ処理されたリファレンスを適合させることをフィードフォワード補正の存在が意味するからである。]
[0014] 当該装置は、前記メイン信号が前記前置歪み手段によって処理された後且つ前記メイン信号が増幅される前に前記メイン信号を処理する低分解能デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を更に有してよい。通常は、この時点で使用されるＤＡＣは、（電力増幅器の歪みによって生成される３次及び５次の相互変調積の前置歪みに必要とされる）５倍の信号バンド幅と、スペクトル放射マスクに完全に準拠するよう必要とされるダイナミックレンジとを同時に満足しなければならない。しかし、フィードフォワードキャンセルを用いることによって、システムは、電力増幅器出力でのフィードフォワードキャンセルの動作により、より低いダイナミックレンジ要求を有する。]
[0015] 任意に、低ダイナミックレンジエラーアナログ−デジタル変換器が、サンプリングされたエラー信号を処理するために使用されてよい。更に、低ダイナミックレンジダウンコンバータが、前記サンプリングされたエラー信号を処理するために使用されてよい。]
[0016] １つの変形例で、前記入力信号は、ＧＳＭ、ＵＭＴＳ、ＬＴＥ、ＷｉＭＡＸ等を含む複数の標準規格から成る複数の信号を有するワイドバンド信号である。]
[0017] 本発明の第２の態様に従って、入力信号を受信するステップと、前記入力信号をメイン信号及びリファレンス信号に分けるステップと、前置歪み手段で前記メイン信号を処理するステップと、前記メイン信号を増幅するステップと、増幅後前記メイン信号での残差を表すエラー信号を生成するよう前記メイン信号のサンプルを前記リファレンス信号と結合するステップと、前記エラー信号をサンプリングするステップと、該サンプリングされたエラー信号を用いて前記前置歪み手段をトレーニングするステップとを有する信号増幅方法が提供される。]
[0018] 本発明の第３の態様に従って、コンピュータ読取可能な媒体に記憶され、信号増幅方法を実施するよう配置されているコンピュータプログラムであって、前記信号増幅方法は、入力信号を受信するステップと、前記入力信号をメイン信号及びリファレンス信号に分けるステップと、前置歪み手段で前記メイン信号を処理するステップと、前記メイン信号を増幅するステップと、増幅後前記メイン信号での残差を表すエラー信号を生成するよう前記メイン信号のサンプルを前記リファレンス信号と結合するステップと、前記エラー信号をサンプリングするステップと、該サンプリングされたエラー信号を用いて前記前置歪み手段をトレーニングするステップとを有する、コンピュータプログラムが提供される。前記信号増幅方法は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）又はあらゆる他の適切な手段を用いて実施されてよい。]
図面の簡単な説明

[0019] 先行技術に係るフィードフォワードシステムを表す。
先行技術に係る前置歪みシステムを表す。
本発明の実施形態に従う線形化回路を表す。
本発明の他の実施形態に従う線形化回路を表す。
様々なタイプの信号処理により得られる出力信号を表すグラフである。]
実施例

[0020] 本発明の他の態様及び特徴は、添付の図面に関連して本発明の特定の実施形態に係る以下の記載を読むことで当業者に明らかになるであろう。]
[0021] 本発明の実施形態が、図３を参照して記載される。増幅システム６０は、メイン増幅器６６と直列に接続されている前置歪みシステム６２及びフィードフォワードキャンセルシステム６４を有する。前置歪みシステム６２は、メイン増幅器６６の前に直列に配置されている前置歪み器６８、ＤＡＣ７０及びアップコンバータ７２を有する。] 図３
[0022] フィードフォワードキャンセルシステム６４は、リファレンス信号用のリファレンスＤＡＣ７４及びリファレンスアップコンバータ７６を有する。フィードフォワードキャンセルシステム６４は、サンプラ７８及び比較器８０を更に有する。]
[0023] 増幅システム６０に入来するデジタルベースバンド入力信号は、最初に、メイン信号及びリファレンス信号に分けられる。メイン信号は前置歪み器６８への経路に送られる。前置歪み器６８で、メイン信号は、当該技術で知られているメイン増幅器６６の特性とは反対の特性を表す係数を用いて処理される。メイン信号が前置歪み器６８によって処理されると、メイン信号はメインＤＡＣ７０及びアップコンバータ７２を通ってメイン増幅器６６に送られる。メイン増幅器６６でメイン信号は増幅され、前置歪み器６８によって導入された特性は、実質的に、メイン増幅器６６の特性によって相殺される。]
[0024] 同時に、リファレンス信号は、処理されたメイン信号と比較される信号を生成するよう、リファレンスＤＡＣ７４及びリファレンスアップコンバータ７６を通される。]
[0025] 任意に、フィードフォワードキャンセルが出力信号をより高電力でリファレンス信号に適合させる場合に、スペクトル放射マスクを満足するために出力に必要とされるフィルタ（図示せず。）は、リファレンス信号の伝送経路に挿入されてよい。この時点での高性能フィルタの挿入は、フィルタが出力信号の高電力に耐える必要がなく、高い挿入損失がこの時点で許容されるようにするので、有利である。]
[0026] メイン信号が増幅された後、メイン信号はサンプラ７８でサンプリングされる。サンプリングされた信号は、次いで、比較器８０に送られる。比較器８０は、リファレンス信号（増幅前の信号）とメイン信号（増幅後の信号）との間の差を決定する。差をエンコードする、結果として得られた信号は、エラー信号として知られる。]
[0027] 前置歪み器６８の精度を改善するために、エラー信号は前置歪み器６８にフィードバックされ、前置歪み器６８がメイン増幅器６６の特性を補償するようメイン信号をより正確に変調するよう前記歪み器６８をトレーニングするために用いられる。サンプリングされたエラー信号が前置歪み器６８に達する前に、かかる信号は、望ましくは、前置歪み器６８によって相殺されないメイン増幅器６６によって導入されるエラーのデジタル表現を生成するよう、ダウンコンバータ８８及びＡＤＣ９０を通される。残りのエラーのデジタル表現は、前置歪み器６８をトレーニングするために前置歪み器６８にフィードバックされる。]
[0028] エラーのみを表す信号による前置歪み器６８のトレーニングは、メイン信号が存在しないためにエラーＡＤＣのダイナミックレンジ要求を減じるので、有利である。]
[0029] 図４は、本発明の他の実施形態を表す。この実施形態で、システムは、先に図３を参照して記載されたように組み立てられている。しかし、フィードフォワードキャンセルシステム６４は、エラー増幅器８２、遅延回路８４及びエラー比較器８６を更に有する。] 図３ 図４
[0030] エラー信号はエラー増幅器８２に送られ、そこで増幅される。これは、エラー信号によってエンコードされたエラーが、増幅されたメイン信号に存在するエラーと同じ大きさを有することを意味する。]
[0031] 次いで、エラー信号は他の比較器８６に送られる。比較器８６で、エラー信号は、メイン信号に存在するエラーを更に低減するよう、増幅されたメイン信号から減じられる。メイン信号は、メイン信号及びエラー信号が同期するよう、何らかの適切な手段を用いて遅延させられる。結果として得られる信号は、次いで、増幅システムから出力され得る。]
[0032] また、エラー信号は、エラー増幅器８２に達する前にサンプリングされる。このサンプリングされたエラー信号は、前置歪み器６８をトレーニングするために使用される。]
[0033] エラー信号に関し前置歪み器をトレーニングすることによって、エラーは可能な限り小さくされる。エラー信号を最小限とすることは、より小さいエラー増幅器が使用されてよいことを意味し、これは、言い換えると、メイン信号経路で必要とされる遅延（従って、電力損失）が小さいことを意味する。エラー信号の低減は、また、フィードフォワードエラーループにおける位相及び振幅の整合の精度が、必要とされる出力スペクトル放射を依然として保ちながら大いに低減され得ることを意味する。]
[0034] 図５は、非線形性に対する補正を有さない増幅器を用いて得られる出力信号（信号９２）、図３に示される構成を有する増幅器を用いて得られる出力信号（信号９４）、及び図４に示される構成を有する増幅器を用いて得られる出力信号（信号９６）を示す。明らかなように、補正を伴わない増幅器動作に係るベースラインは、本発明のシステム又は前置歪み器を含む増幅器を用いて得られるベースラインよりずっと大きい。] 図３ 図４ 図５

权利要求:

請求項1
ａ）入力信号を受信するよう配置される入力部と、ｂ）前記入力信号をメイン信号及びリファレンス信号に分ける手段と、ｃ）前置歪み係数を前記メイン信号に適用する前置歪み手段と、ｄ）前記メイン信号を増幅する増幅手段と、増幅後前記メイン信号での残差を表すエラー信号を生成するよう、前記メイン信号のサンプルから前記リファレンス信号を減ずる処理手段とを有し、前記前置歪み手段は、前記エラー信号を受信し、該エラー信号を最小限にするように該エラー信号を用いて前記前置歪み係数を変更するよう構成される、信号増幅装置。
請求項2
前記エラー信号を増幅するエラー増幅器と、出力信号を生成するよう前記メイン信号から前記増幅されたエラー信号を減ずるよう配置される比較器とを更に有する、請求項１記載の信号増幅装置。
請求項3
前記リファレンス信号が前記処理手段によって前記メイン信号から減じられる前に、前記リファレンス信号に対しフィルタ処理を行うよう配置されるフィルタを更に有する、請求項２記載の信号増幅装置。
請求項4
前記フィルタはバンドパスフィルタである、請求項３記載の信号増幅装置。
請求項5
前記エラー信号をサンプリングする手段と、エラー信号サンプルを用いて前記前置歪み手段をトレーニングするトレーニング手段とを更に有する、請求項１記載の信号増幅装置。
請求項6
前記メイン信号が前記前置歪み手段によって処理された後且つ前記メイン信号が増幅される前に前記メイン信号を処理する低分解能デジタル−アナログ変換器を更に有する、請求項１記載の信号増幅装置。
請求項7
サンプルされたエラー信号を処理する低ダイナミックレンジエラーアナログ−デジタル変換器を更に有する、請求項１記載の信号増幅装置。
請求項8
前記サンプリングされたエラー信号を処理する低ダイナミックレンジダウンコンバータを更に有する、請求項５記載の信号増幅装置。
請求項9
前記入力信号は、ＯＦＤＭキャリア及びＧＳＭキャリアの結合を含むワイドバンド信号である、請求項１記載の信号増幅装置。
請求項10
ａ）入力信号を受信するステップと、ｂ）前記入力信号をメイン信号及びリファレンス信号に分けるステップと、ｃ）前置歪み係数を前記メイン信号に適用することによって前置歪み手段で前記メイン信号を処理するステップと、ｄ）前記メイン信号を増幅するステップと、ｅ）増幅後前記メイン信号での残差を表すエラー信号を生成するよう、前記メイン信号のサンプルを前記リファレンス信号と結合するステップと、ｆ）前記前置歪み手段で前記エラー信号を受信するステップと、ｇ）前記エラー信号を最小限にするよう該エラー信号を用いて前記前置歪み係数を変更するステップとを有する信号増幅方法。
請求項11
前記エラー信号を増幅するステップと、出力信号を生成するよう前記メイン信号から前記増幅されたエラー信号を減ずるステップとを更に有する、請求項１０記載の信号増幅方法。
請求項12
コンピュータ読取可能な媒体に記憶され、信号増幅方法を実施するよう配置されているコンピュータプログラムであって、前記信号増幅方法は、ａ）入力信号を受信するステップと、ｂ）前記入力信号をメイン信号及びリファレンス信号に分けるステップと、ｃ）前置歪み手段で前記メイン信号を処理するステップと、ｄ）前記メイン信号を増幅するステップと、ｅ）増幅後前記メイン信号での残差を表すエラー信号を生成するよう、前記メイン信号のサンプルを前記リファレンス信号と結合するステップと、ｆ）前記前置歪み手段で前記エラー信号を受信するステップと、ｇ）前記エラー信号を最小限にするよう該エラー信号を用いて前置歪み係数を変更するステップとを有する、コンピュータプログラム。
請求項13
更に、前記エラー信号を増幅するステップと、出力信号を生成するよう前記メイン信号から前記増幅されたエラー信号を減ずるステップとを実施するよう配置される、請求項１２記載のコンピュータプログラム。