(57)【要約】【課題】非線形特性を有する増幅器の歪補償回路において、合理的に、そのモデリングの精度を高める。【解決手段】非線形特性を有する増幅器１の入力側に前置され、当該非線形特性を補償する予歪を当該増幅器１への入力に付与する歪補償部２１と、予歪のモデリングを行う特性推定部２２とを備えた歪補償回路２において、増幅器１の特性を測定する特性測定部２４と、特性測定部２４の測定によって得られた特性の飽和領域と非飽和領域とを識別判定する領域判定部２３とを設け、特性推定部２２は、増幅器１の位相特性に関して、非飽和領域の特性に基づいてモデリングを行うものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅器の非線形特性を補償する予歪を当該増幅器への入力に付与することにより歪補償を行う歪補償回路であって、
前記増幅器の入力側に前置され、前記予歪を前記増幅器への入力に付与する歪補償部と、
前記増幅器の特性を測定する特性測定部と、
前記特性測定部の測定によって得られた特性の飽和領域と非飽和領域とを識別判定する領域判定部と、
前記増幅器の位相特性に関して、前記非飽和領域における特性に基づいてモデリングを行う特性推定部と
を備えたことを特徴とする歪補償回路。
【請求項２】
前記領域判定部は、前記増幅器の位相特性に基づいて、飽和領域と非飽和領域とを識別判定する請求項１記載の歪補償回路。
【請求項３】
前記領域判定部は、前記増幅器の入出力特性に基づいて、飽和領域と非飽和領域とを識別判定する請求項１記載の歪補償回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形特性を有する増幅器の歪補償回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力増幅器（ＨＰＡ: High Power Amplifier、以下単に増幅器と言う。）を用いて電力を増幅するとき、歪のある特性すなわち、非線形特性により、所望の出力が得られない場合がある。そこで、このような歪を補償するための歪補償方式として、増幅器の入力信号に対して、増幅器の非線形特性を補償する予歪（歪特性とは逆の歪）をデジタル信号処理により生成して増幅器の入力に付加するＤＰＤ（Digital Pre-Distortion）処理を施すことにより、所望の増幅器出力を得る手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
上記のＤＰＤ処理では、増幅器の非線形特性を関数で表現し（すなわちモデリングし）、その逆関数を予歪とする。このような関数を用いた処理は、ルックアップテーブルを用いた処理よりも柔軟に非線形特性を表現できるため、歪補償の精度も優れている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７は、非線形特性を有する増幅器及びその歪補償回路の基本形を示す回路図である。増幅器１０１の動作級は例えばＡＢ級である。増幅器１０１への入力は特性推定部１０２にも付与される。増幅器１０１の出力は、カプラ１０３を介して特性推定部１０２にフィードバックされる。
【０００６】
図８は、増幅器１０１の特性を示すグラフであり、（ａ）は入出力特性（横軸：入力Ｐｉｎ［ｄＢｍ］、縦軸：出力Ｐｏｕｔ［ｄＢｍ］）、（ｂ）は位相特性（横軸：入力Ｐｉｎ［ｄＢｍ］、縦軸：位相［ｄｅｇ］）、（ｃ）は効率特性（横軸：入力Ｐｉｎ［ｄＢｍ］、縦軸：効率［％］）である。図示のように、入出力特性は、入力Ｐｉｎが１０ｄＢｍ付近以上で概ね飽和する。位相特性は、入力Ｐｉｎの高入力域（例えば１０〜１５ｄＢｍ）でくびれを生じ、極点を成す。
【０００７】
位相特性に極点が現れるのは、増幅器１０１のデバイス内の寄生容量（Ｃｇｓ）及び相互コンダクタンス（ｇｍ）が飽和領域で大きく変化することが原因である。特に、ＦＥＴ構造を有し、ゲート構造がショットキー接合であるＧａＡｓやＧａＮデバイスの場合に現れる。動作級としては、Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級のいずれにも現れる。すなわち、高効率動作が期待できるＧａＡｓやＧａＮデバイスでは、入力電力が大きくなり、Ｐ１ｄＢ（アンプ利得が小信号利得より１ｄＢ下がる点、１ｄＢコンプレッション点を意味する。）を超え始めると、デバイス内の寄生容量や相互コンダクタンスの急激な変化により、位相特性に極点が発生する。
【０００８】
さて、ＤＰＤ処理を行うには、かかる入出力特性及び位相特性のモデリングを行う必要がある。一方、効率は、入力Ｐｉｎの増大に伴って緩やかに増大し、１０ｄＢｍ以上の高入力域では、５０％を超える高い効率が得られる。従って、効率の観点からは、できるだけ高入力域も活用したい。
【０００９】
ところが、極点のある位相特性を正確にモデリングするには、高次の関数を使用する必要がある。高次の関数を扱うには大きなメモリ容量が必要であり、演算処理時間も増大する。また、極点は、動作温度やバイアス電圧等の要因によって大きく変化する。さらに、極点が現れる高入力域は、その他の領域に比べて発生頻度が低いため、平均化処理を行うには膨大なデータが必要となる。
【００１０】
従って、くびれを有する位相特性に対して、高次の関数を使用して迅速かつ正確にモデリングを行うことは、容易でない。また、あえてそれを行うことの現実的な合理性が乏しい。しかも、くびれにフィットする関数を追い求める結果、くびれ以外の比較的緩やかな変化の曲線に対して却ってモデリングの精度が悪くなることがある。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、非線形特性を有する増幅器の歪補償回路において、合理的に、そのモデリングの精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、増幅器の非線形特性を補償する予歪を当該増幅器への入力に付与することにより歪補償を行う歪補償回路であって、前記増幅器の入力側に前置され、前記予歪を前記増幅器への入力に付与する歪補償部と、前記増幅器の特性を測定する特性測定部と、前記特性測定部の測定によって得られた特性の飽和領域と非飽和領域とを識別判定する領域判定部と、前記増幅器の位相特性に関して、前記非飽和領域における特性に基づいてモデリングを行う特性推定部とを備えたものである。
【００１２】
上記のように構成された歪補償回路では、増幅器の位相特性のモデリングを行うに際し、飽和領域の特性まで考慮することをあえて放棄し、非飽和領域における特性に基づいてモデリングを行うこととした。
【００１３】
また、上記歪補償回路において、領域判定部は、増幅器の位相特性に基づいて、飽和領域と非飽和領域とを識別判定するものであってもよい。
一般に、高効率動作が期待できるＧａＡｓやＧａＮデバイスでは、入力電力が大きくなり、Ｐ１ｄＢ（アンプ利得が小信号利得より１ｄＢ下がる点、１ｄＢコンプレッション点を意味する。）を超え始めると、デバイス内の寄生容量や相互コンダクタンスの急激な変化により、位相特性に極点が発生する。従って、このように現れる極点をもって、非飽和領域と飽和領域との境界とすることができる。
【００１４】
また、上記歪補償回路において、領域判定部は、増幅器の入出力特性に基づいて、飽和領域と非飽和領域とを識別判定するものであってもよい。
この場合、入出力特性は変化が緩やかで、飽和点は傾きによりわかるので、飽和か否かを判別する演算が比較的容易である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の歪補償回路によれば、モデリングのための関数の次数増大を抑制し、合理的に、安定した誤差の少ないモデリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】非線形特性を有する増幅器及び、その歪補償回路を示すブロック図である
【図２】特性測定部による収集データを示す図である。
【図３】領域判定部及び特性測定部の動作に関するフローチャートである。
【図４】入力電力Ｐｉｎに対する位相特性（ＡＭ−ＰＭ）のサンプルデータをプロットしたグラフである。
【図５】（ａ）は、比較のために、非飽和領域から極点以上の飽和領域を含む実用領域で最小二乗法を用いて関数でフィッティングをした結果を示すグラフであり、（ｂ）は、データとの誤差を示したグラフである。
【図６】図５のグラフを破線で表し、かつ、非飽和領域のＰｉｎに対する位相特性に基づき、最小二乗法を用いて関数でフィッティングをした結果を実線で重ねて示すグラフである。
【図７】非線形特性を有する増幅器及びその歪補償回路の基本形を示す回路図である。
【図８】増幅器の特性を示すグラフであり、（ａ）は入出力特性、（ｂ）は位相特性、（ｃ）は効率特性である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、非線形特性を有する増幅器１及び、その歪補償回路２を示すブロック図である。図において、増幅器１は、動作級が例えばＡＢ級であり、非線形特性を有する。歪補償回路２は、内部機能として、歪補償部２１、特性推定部２２、領域判定部２３及び特性測定部２４を備えている。歪補償回路２には、入力（Ｔｘデータ）の他、増幅器１の出力（Ｒｘデータ）が、カプラ３を介してフィードバックされる。歪補償回路２は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）によって構成される。
【００１８】
ＤＰＤ（Digital Pre-Distorter）である歪補償部２１は、増幅器１の入力側に前置され、非線形特性を補償する予歪を増幅器１への入力に付与する。特性測定部２４は、入力であるＴｘデータ及び出力であるＲｘデータに基づいて、増幅器１の特性を測定する機能を有する。領域判定部２３は、特性測定部２４の測定によって得られた特性の飽和領域と非飽和領域とを識別判定する機能を有する。
【００１９】
特性推定部２２は、Ｔｘデータ及びＲｘデータに基づいて、またさらに、領域判定部２３からの指示に基づいて、非飽和領域から飽和領域までを含む実用領域における非線形特性のモデリングを行う機能を有する。歪補償部２１が増幅器１に付与する上記の予歪とは、モデリングによって得られた関数の逆関数である。予歪が付与された入力に基づいて、増幅器１は、歪みの無い（若しくは少ない）出力を提供することができる。
【００２０】
図２は、特性測定部２４による収集データを示す図である。また、図３は、領域判定部２３及び特性測定部２４の動作に関するフローチャートである。図３において、まず、特性測定部２４は、入力であるＴｘデータ及び出力であるＲｘデータを取り込む（ステップＳ１）。また、Ｔｘデータと、これに時間的に対応するＲｘデータとを対比すべく、両者のタイミングを合わせる（ステップＳ２）。これにより、図２の（ａ）において、例えば時間（時刻）ｔの０，１，２，３，４，５において、Ｔｘデータ：ａｔ（＝ａ０，ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，・・・）及びＲｘデータ：ｂｔ（＝ｂ０，ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ｂ５，・・・）が、それぞれ取得される。
【００２１】
次に、特性測定部２４は、各時間に対する入力電力Ｐｉｎ＝│ａｔ│2としての、Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，・・・、ゲインＧ０，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，・・・、及び、位相Ａｎｇ０，Ａｎｇ１，Ａｎｇ２，Ａｎｇ３，Ａｎｇ４，Ａｎｇ５，・・・、を、計算して求める（ステップＳ３、図２の（ａ））。そして、特性測定部２４は、入力電力ＰｉｎでデータをソートしてＰｉｎに対する位相データを作る（ステップＳ４、図２の（ｂ））。さらに、特性測定部２４は、このようにして得たＰｉｎに対する位相の微分係数δを求める（ステップＳ５）。図２の（ｂ）の例では、微分係数δ０〜δ４が求められている。
なお、上記ステップＳ２〜Ｓ５の処理は、特性測定部２４が行うものとしたが、領域判定部２３によって行ってもよい。
【００２２】
次に、領域判定部２３は、Ｐｉｎの小さい方から順に微分係数δを調べ、−から＋への極点（極値）を探す（ステップＳ６）。極点があった場合、領域判定部２３は、極点に対応するＰｉｎの値以上の入力は飽和領域とし、極点に対応するＰｉｎの値に満たない入力は非飽和領域とする（ステップＳ７）。
以上の処理によって領域判定が可能となり、モデリングの準備が整う。
【００２３】
そして、モデリングを行うに際し、領域判定部２３は、入力電力Ｐｉｎが非飽和領域にあるか、無いか（すなわち飽和領域にあるか）の情報を、特性推定部２２に与える。特性推定部２２は、Ｐｉｎが非飽和領域にあるという情報を受け取った場合にのみ、そのときのＴｘデータ及びＲｘデータを、モデリングの根拠データとする。逆に、Ｐｉｎが飽和領域にあるという情報を受け取った場合には、特性推定部２２は、そのときのＴｘデータ及びＲｘデータを、モデリングの根拠データとしない。
【００２４】
このような処理により、特性推定部２２は、増幅器１の位相特性のモデリングを行うに際し、Ｐｉｎの飽和領域の特性まで考慮することをあえて放棄する。また、特性推定部２２は、Ｐｉｎの非飽和領域の位相特性に基づいて、非飽和領域から飽和領域も含む実用領域における位相特性全体のモデリングを行う。以下、このようなモデリングについて、グラフを用いて具体的に説明する。
【００２５】
図４は、入力電力Ｐｉｎに対する位相特性（ＡＭ−ＰＭ）のサンプルデータをプロットしたグラフである。図示のように、Ｐｉｎ＝１０〜１５［ｄＢｍ］の高入力域で極点が現れている。
図５は、比較のために、図４のデータに対して従来のモデリングを行った場合の結果を示すグラフである。図５の（ａ）は、非飽和領域から極点以上の飽和領域を含む実用領域で最小二乗法を用いて、関数でフィッティングをした結果を示すグラフである。このグラフの曲線は、概ね図４のデータの曲線に合致するが、若干の誤差があり、この誤差を示したものが図５の（ｂ）である。（ｂ）のグラフに示すように、飽和領域では誤差が大きくなり、かつ、変化が激しい。また、非飽和領域でも、必ずしも小さいとは言えない程度の誤差及びその変動が見られる。
【００２６】
図６は、図５のグラフを破線で表し、かつ、非飽和領域のＰｉｎに対する位相特性に基づき、最小二乗法を用いて、関数でフィッティングをした結果を実線で重ねて示すグラフである。この場合、（ａ）及びその一部拡大の（ｃ）に示すように、飽和領域では実際のデータを無視して、非飽和領域のデータを延長したようなフィッティング（モデリング）となる。これにより、モデリングのための関数の次数増大を抑制することができる。また、（ｂ）に示すように飽和領域では破線よりも誤差が却って大きくなるが、非飽和領域では、破線と比較すると明らかに、誤差が小さくなり、かつ、誤差が小さい状態で安定している。
【００２７】
このように、増幅器１の位相特性のモデリングを行うに際し、飽和領域の特性まで考慮することをあえて放棄し、非飽和領域の特性に基づいて位相特性全体のモデリングを行うことにより、モデリングのための関数の次数増大を抑制し、安定した誤差の少ないモデリングを行うことができる。なお、飽和領域では却って誤差が増大するが、飽和領域のＰｉｎの発生頻度が少ないため、この誤差増大の短所よりも、それ以外の領域での誤差低減の効果が遙かに大きい。
【００２８】
また、上記実施形態の場合、位相特性には増幅器の動作級による極点が現れるので、これをもって、非飽和領域と飽和領域との明確な境界とすることができる。すなわち、領域判定部２３は、増幅器１の位相特性に基づいて、入力電力Ｐｉｎの飽和領域と非飽和領域とを正確に識別判定することができる。
【００２９】
但し、非飽和・飽和の識別判定は、入出力特性に基づいて行うことも可能である。すなわち、図８の（ａ）に示した入出力特性において、Ｐｉｎに対するＰｏｕｔの傾き（ゲイン）を調べて、平坦になったことを示す所定値に達した場合、例えば傾きが０．１ｄＢ／ｄＢ以下になった場合には飽和、逆に、この傾きより大きい場合には非飽和、とすることができる。図８の（ａ）では、例えばＰｉｎが１０ｄＢｍより小さいときは非飽和、１０ｄＢｍ以上では飽和とすることができる。
【００３０】
この場合、位相特性のモデリングに際して、１０ｄＢｍより小さいＰｉｎが非飽和領域、１０ｄＢｍ以上が飽和領域となる。従って、非飽和領域の特性に基づいて位相特性のモデリングを行うことにより、モデリングのための関数の次数増大を抑制し、安定した誤差の少ないモデリングを行うことができる。また、入出力特性に基づいて非飽和・飽和の識別判定を行う場合、入出力特性は変化が緩やかで、飽和点は傾きによりわかるので、飽和か否かを判別する演算が比較的容易である。
なお、図８の（ａ）、（ｂ）より、位相特性の極点の方が、１０ｄＢｍよりも高いＰｉｎの値にあるので、高入力域でのより正確なモデリングという観点からは、位相特性に基づく非飽和・飽和の識別判定の方が好ましいと考えられる。
【００３１】
一方、入出力特性のモデリングに関しては詳しく述べないが、入出力特性は、曲線が滑らかに大きく変化するので、特に高次の関数によるモデリングが必要となる訳ではない。従って、入出力特性のモデリングに際しては、特に、飽和領域を排除したモデリングを行う必要はないが、無論、位相特性と同様なモデリングを行ってもよい。
【００３２】
なお、上記実施形態における増幅器の動作級は、一例としてＡＢ級とした。前述のように、高効率動作が期待できるＧａＡｓやＧａＮデバイスでは、入力電力が大きくなり、Ｐ１ｄＢ（アンプ利得が小信号利得より１ｄＢ下がる点、１ｄＢコンプレッション点を意味する。）を超え始めると、デバイス内の寄生容量や相互コンダクタンスの急激な変化により、位相特性に極点が発生する。従って、このような極点より上の領域を飽和領域としてモデリングの対象データとしないことにより、非飽和領域の特性に基づいてモデリングを行うことができる。すなわち、極点の存在により、非飽和・飽和の識別が容易である。
【００３３】
なお、上記実施形態では、位相特性における極点以上の飽和領域にあるデータを使用せずに、非飽和領域から飽和領域まで含む実用領域でのモデリングを行ったが、極点の検出に基づき、飽和領域のデータそのものを、非飽和領域の自然な延長となるように補正（補間）し、補正後のデータ（飽和領域を含む）に基づいてフィッティング（モデリング）を行うことも可能である。この場合も、結果的には、非飽和領域の特性に基づいて位相特性全体のモデリングを行うことになる。
【００３４】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３５】
１  増幅器（ＨＰＡ）
２  歪補償回路
３  カプラ
２１  歪補償部
２２  特性推定部
２３  領域判定部
２４  特性測定部
１０１  増幅器（ＨＰＡ）
１０２  特性推定部
１０３  カプラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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