デジタルプリディストーション技術を用いた広帯域低歪増幅器

デジタルプリディストーション技術を用いた広帯域低歪増幅器
土谷 和之
1. まえがき

用いられはじめ，高度なシステム構築に必要不可欠な技術

急速な通信分野の発展にともない，通信量は大幅に増加となっている。今回，信号帯域幅 5MHz で隣接チャンネルしている。これを実現するために通信信号の多値化，広帯漏洩電力-55dB 以下，歪補償量 15dB 以上を実現する DPD

域化及び，マルチチャンネル化が進み，通信装置にはこれ増幅器の開発を行ったので，その開発内容を本稿に報告すに対応していくことが求められ，多くの要求事項を満たする。

必要がある。
その１つに，送信用増幅器の高効率化があり，DPD 増幅器の開発には MATLAB®及び，Simulink®を用いた装置全体の消費電力や大きさ，製品コスト，ランニングコモデルベース開発を適用している。また，増幅器の動的モストなどを決定する重要な要件となっている。
送信用増幅

デルの抽出とモデルを用いた歪補償の効果検証を行い，高器を高効率で動作させるには，増幅器を飽和電力付近で動い精度でモデル化と歪補償効果の検証ができることを確作させる必要があるが，飽和電力付近では線形性が低下し， 認したので，それらの内容についても報告する。
大きな信号歪が生じる。
信号歪の一部は近接する信号帯域2. 増幅器の特性へ漏洩し，システム性能の低下を引き起こすため，歪性能には厳しい値が要求されている。
送信用増幅器にとっては， 2.1 振幅，位相，効率特性トレードオフの関係にある高効率化と低歪化の両立が非

図 1 に 400MHz 帯 AB 級増幅器の振幅と位相特性を，図常に難しく重要な課題となっており，古くから様々な研究

2 に効率特性の実測値を記す。

一般的に，高効率化と低歪化の両立を増幅器のみで達成することは困難であるため，歪補償回路を付加し，全振幅(dB)体で高効率化，低歪化を達成する手段がとられている。
歪補償回路は高効率化と低歪化を達成する重要な技術であるため，様々な手法が考案され，実用されている。代41-5540-6039-65

振幅特性
位相特性

38-7037

表的な方式と特徴を表 1 に記す。

-7536-80-10 -50

表 1.代表的な歪補償方式
歪補償量〇

帯域幅
◎

小型化
〇

省電力化
〇

◎◎

△△〇△△〇◎～〇◎◎◎

5 10 15 20出力レベル(dBm)

253035

図 1．増幅器の振幅,位相特性

8070
効率特性(%)

方式
デジタルプリディストーション
フィードフォワード
フィードバック
アナログリニア
ライザー

位相(°)

や取組みがなされている。

2020 年度 MMS 技報にフィードフォワード歪補償を用い605040302010(1)た高効率，広帯域増幅器の開発を報告している 。フィー00

ドフォワード歪補償はその構成上，小型化，低消費電力化

510152025出力レベル(dBm)

3035に課題が残る方式であり，更なる改善が期待できる方式と
図 2．増幅器の効率してデジタルプリディストーション（Digital PreDistortion（以下DPD という））歪補償がある。
近年のA/D，

図 1 から飽和電力付近で振幅と位相特性が変化し非線D/A 及び，デジタル回路の発展により，広帯域で高い歪補形性が生じていること，図 2 から飽和電力に近いほど効償量を小型で実現できる DPD 歪補償が様々なシステムで率が高くなることが分かる。
1デジタルプリディストーション技術を用いた広帯域低歪増幅器

2.2 隣接チャンネル漏洩電力

出力

逆特性

出力

出力

理想

図 3 に 2.1 節の増幅器から 5Msps，256QAM 変調信号を＋理想

21dBm で出力したときのスペクトラム（歪補償なし）を記す。

＝
実特性

入力
プリディストータ特性

入力
増幅器特性

入力
全体特性

図 5．歪補償動作イメージ

プリディストータ部では，LUT（Look Up Table）や多項式を用い逆特性となるベースバンド信号を生成し，D/A 変換後のアナログ信号を増幅器へ入力する。
増幅器の特性は温度や電源電圧などの影響で変化するため，良好な特性を維持するために，増幅器の出力の一部をフィードバックし，増幅器の逆特性を推定し，LUT 又は多項式の係数を最適値となるように更新する。なお，周波数変換はデジタル処理でもアナログ回路でも実現可能である。

4. DPD 増幅器の開発

図 3．出力スペクトラム

4.1 目標性能
図 3 から離調 6MHz，帯域幅 5MHz での隣接チャンネル

表 2 に今回開発を行ったDPD 増幅器の目標性能を記す。

漏洩電力（Adjacent Channel leakage Power（以下 ACP と増幅器には 2.1 節の増幅器を用いている。

いう））が最悪値で-40.6dB であることが分かる。ACP は増幅器の非線形特性による信号歪であり，隣接するチャンネルへ妨害を与える信号となる。ACP には様々な規格があり，4G や 5G 基地局では-50dB 以下，システムによっては-55dB以下と厳しい性能が要求される。

3. DPD 歪補償
図 4 に DPD 歪補償の基本構成を記す。

項目周波数変調仕様
出力電力
ACP(歪補償あり)歪補償量

表 2.目標性能
目標性能
400MHz5Msps,256QAM,α=0.1
20dBm-55dB 以下

備考

増幅器後段ロス 1dB
離調周波数 6MHz
積分帯域幅 5MHz

15dB 以上

4.2 特性計算（シミュレーション）
入力

プリディス
トータ

D/A変換

周波数変換

図 6 に DPD シミュレーターの構成図を記す。シミュレ

増幅器

ーターには MATLAB®及び，Simulink®を使用しており，増幅出力器モデルには図 1 の振幅，位相特性を LUT にて模擬して逆特性推定

A/D変換いる。また，D/A，A/D 及び，周波数変換は行わず，ベース周波数変換バンドの直交座標上にて特性計算を行っている。

デジタル処理図 4．DPD 歪補償の基本構成

増幅器と逆特性となる信号をデジタル処理にて生成し，その信号を増幅器へ入力することにより，全体として線形性を向上させるものである。
歪補償動作のイメージを図 5に記す。

図 6．DPD シミュレーター構成図2デジタルプリディストーション技術を用いた広帯域低歪増幅器

図 7 に ACP シミュレーション結果を記す。

直交変復調器を内蔵する高速 D/A 変換器と高速 A/D 変換器を用いた構成であり，1GHz サンプリングにて 400MHzの信号を直接生成するダイレクト RF 構成としている。ま

ACP特性

-10

た，高速 A/D 変換器と FPGA 間には JESD204B インターフ

歪補償なし
歪補償あり
増幅器単体(実測値)-20ェースを用い高速シリアル通信にてデータの受け渡しをACP(dB)-30行っている。

-40-50出力20dBm-60

4.5 DPD 増幅器の性能-705101520出力レベル(dBm)25

図 10 に DPD 増幅器の ACP 特性を記す。

30

図 7．ACP シミュレーション結果

ACP特性

-10

歪補償なし
歪補償あり

-20ACP(dB)

図 7 から，増幅器単体特性（歪補償なし）は実測値とシミュレーション値が良く一致した結果であり，シミュレーションが実機を模擬できていることが分かる。
出力電力-30-40-5020dBm で，歪補償を行った場合の ACP は-61.0dB と目標性

-60

能-55dB 以下を達成する結果である。

-70

出力20dBm

104.3 FPGA 設計

152025出力レベル(dBm)30

図 10．ACP 特性

デジタル処理を FPGA で実現するため，図 8 に記すフローで HDL コードを生成している。DPD 処理にはモデルベー

図 10 から出力電力 20dBm における ACP は歪補償なしでス設計を，D/A や A/D，PC インターフェースなどには従来-39.8dB，歪補償ありで-57.1dB と目標性能を満足するもの設計手法を適用している。のであり，シミュレーション値の-61.0dB に近い結果である。
図 11 に 20dBm 出力のスペクトラムを記す。

図 8．FPGA 開発フロー

モデルベース設計を適用することにより，従来の設計手法に比較して開発期間を大幅に短縮している。

4.4 DPD 増幅器の構成
図 9 に DPD 増幅器の概略構成を記す。
図 11．出力スペクトラム
FPGA

256
QAM

D/A変換器高速
DUC
D/A400MHz

図 3 のスペクトラム（歪補償なし）に比較して，図 11
LPF

DPD
CLK(1GHz)

AMPのスペクトラム（歪補償あり）では，上下帯域ともに歪レ

PAベルが低下していることが分かる。
A/D変換器

JESD
204B

JESD
204B

DDC

各サンプリング点における変調入力信号と増幅器出力

高速
A/D

信号との振幅誤差，位相誤差を図 12，図 13 に記す。

図 9．DPD 増幅器概略構成

365432
10-1-2-3-4-5-6-50510152025
D/Aレベル（PA出力レベル相当）

歪補償なし

100-10-20-30-40-50-60-70-80-90

歪補償なし
歪補償あり

レベル(dBm)

振幅誤差(dB)

デジタルプリディストーション技術を用いた広帯域低歪増幅器

実測値
シミュレーション
ACP(low,up)
実測:-40.3dB,-44.0dB
SIM :-40.5dB,-44.3dB-153050403020100-10-20-30-40-50

歪補償なし
歪補償あり

-5015

図 14．スペクトラム（歪補償なし）

レベル(dBm)

位相誤差（°）

図 12．振幅誤差-10-50510周波数(MHz)※400MHz基準

510152025D/Aレベル（PA出力レベル相当）

歪補償あり

100-10-20-30-40-50-60-70-80-90

実測値

シミュレーション
ACP(low,up)
実測:-58.4dB,-59.4dB
SIM :-60.7dB,-61.6dB-1530-10-50510周波数(MHz)※400MHz基準15

図 13．位相誤差

図 15．スペクトラム（歪補償あり）

図 12，図 13 から振幅誤差，位相誤差ともに歪補償あ

図 14，図 15 からノイズフロア領域に若干の差が見えりで小さくなっており，増幅器出力信号の線形性が改善しるが，実測値とシミュレーション値が良く一致しており，ていることが分かる。

高い精度でモデル化できていることが分かる。なお，ノイ表 3 に DPD 増幅器の性能をまとめる。

項目
ACP(歪補償あり)
歪補償量

表 3.DPD 増幅器性能
目標値
性能-55dB 以下-57.1dB
15dB 以上
17.3dB

ズフロア領域の特性差は，量子化誤差による影響である。

4.6.2 バイアス回路変更の増幅器
評価〇〇

4.6.1 項の増幅器のバイアス回路を変更し，同様の計算を行ったときの歪補償なしのスペクトラムを図 16 に，歪補償ありのスペクトラムを図 17 に記す。

4.6 増幅器動的モデルの検証
増幅器の入力信号と出力信号を用いることにより，増幅レベル(dBm)器の動的モデルを抽出することができる。今回，振幅，位相特性が同じ 2 つの増幅器を用いた動的モデルの検証を行ったので，その結果を以下に報告する。

4.6.1 DPD 増幅器で用いた増幅器

歪補償なし

100-10-20-30-40-50-60-70-80-90

実測値
シミュレーション

ACP(low,up)
実測:-38.8dB,-44.4dB
SIM :-39.3dB,-45.7dB-15

DPD シミュレーターの PA(Power Amplifier)モデルに抽-10-50510周波数(MHz)※400MHz基準15出した動的モデルを用い歪特性を計算する。歪補償なしの図 16．スペクトラム（歪補償なし）スペクトラムを図 14 に，歪補償ありのスペクトラムを図15 に記す。

4レベル(dBm)

デジタルプリディストーション技術を用いた広帯域低歪増幅器

歪補償あり

100-10-20-30-40-50-60-70-80-90

謝 辞

実測値

本 DPD 歪補償増幅器の開発にあたり，ご指導賜った三シミュレーション

菱電機（株）
情報技術総合研究所マイクロ技術部の皆様に，ACP(low,up)
実測:-48.1dB,-49.7dB
SIM :-51.3dB,-52.4dB

深く感謝の意を表する。

商 標-15-10-50510
周波数(MHz)※400MHz基準

MATLAB，Simulink は，米国 The Math Works.Inc .の

15

米国及び，その他の国における商標又は登録商標である。

図 17．スペクトラム（歪補償あり）

Quartus は，米国及び，又はその他の国におけるIntel Corporation 又はその子会社の商標である。

4.6.1 項と同様，高い精度で増幅器特性をモデル化できていることが分かる

参考文献

図 14，図 16 から 2 つの増幅器の歪特性がほぼ同じであるにも関わらず，図 15，図 17 の歪補償ありでは ACP

土谷和之：フィードフォワード歪補償を用いた高効で 10dB 程度の差が生じ，歪補償の効果に大きな差が生じ率，広帯域増幅器の開発，MMS 技報 Vol27，9～14（2020）ていることが分かる。
振幅，位相特性及び，スペクトラムが同程度の増幅器であっても，DPD の効果に差が生じる興味深い結果であり，動的モデルを用いる性能検証は開発ステップの重要な１つであることが分かる。

5. むすび
今回，ACP-57.1dB，歪補償量 17.3dB と優れた性能を実現し，様々なシステムに対応できる DPD 増幅器の開発に成功した。また，増幅器動的モデルの抽出方法を獲得し，DPD性能検証への有効性が確認でき，製品開発に際しての重要なノウハウを蓄積することができた。
今後は，更なる高効率化を目指し，DPD 処理の軽量化，周辺回路の低消費電力化，ドハティー増幅器などの高効率増幅器への適用などに取り組む予定である。また，実製品開発として，業務用無線機への適用に向けての検討を行う予定である。

執筆 者紹 介土谷 和之（つちや かずゆき）
1993 年入社。
無線通信システムに関するハードウエア開発に従事。
現在，第４事業部に所属。

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