JP2008028746A

JP2008028746A - 歪み補償装置

Info

Publication number: JP2008028746A
Application number: JP2006199739A
Authority: JP
Inventors: Taizo Ito; 太造伊藤; Toshio Nojima; 俊雄野島
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】増幅器５で発生する歪みを補償する歪み補償装置で、歪み補償の制御に係る構成を簡略化する。
【解決手段】発生手段２１が前置歪みを発生し、位相変化手段２２が発生した前置歪みの位相を変化させ、振幅変化手段２３が発生した前置歪みの振幅を変化させ、合成手段４が位相変化及び振幅変化により処理された前置歪みと増幅器５により増幅される対象となる入力信号とを合成して合成結果の信号を増幅器５へ出力する。成分検出手段６、８、９が増幅後の信号に基づいて入力信号の差周波数成分のレベルを検出し、出力検出手段７、１０、１１が増幅後の信号に基づいて出力レベルを検出し、制御手段１２が成分検出手段の検出結果に基づいて位相変化を制御し、出力検出手段の検出結果に基づいて振幅変化を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅器で発生する歪みを補償する歪み補償装置に関し、特に、歪み補償の制御に係る構成を簡略化した歪み補償装置に関する。

例えば、携帯電話システムに代表されるように、近年では、無線を利用したシステムが非常に普及している。近年の無線システムの多くが線形変調方式を採用しており、それらの信号の増幅回路には直線性が要求される。また、マルチキャリア増幅に代表されるように、共通増幅を行うことでコストの低減や効率の向上が要求されている。これらの要求にこたえるため、歪み補償方式を採用した増幅方式が一般的になっており、様々な歪み補償方式を採用した増幅装置が知られている。

増幅器で発生する非線形歪みには奇数次歪みと偶数次歪みがある。
奇数次歪みは、一般に相互変調歪みと呼ばれており、増幅器の非線形な特性をべき級数で近似したときの奇数次の項に起因し、信号周波数の近傍に現れるため隣接する回線に影響を与える。
歪み補償装置による歪み補償は、増幅器で発生する歪みを打ち消すことで実現される。例えば、フィードフォワード方式やフィードバック方式を用いて補償される増幅器で発生した歪みそのものを使用して歪みを打ち消す方法や、前置歪み補償方式（プリディストーション方式）を用いて補償される増幅器とは異なる素子を用いて歪みを発生させて歪みを打ち消す方法がある。

図８には、前置歪み補償方式を用いた歪み補償装置の回路の構成例を示してある。なお、後述する実施例に係る図１に示したのと同様な構成部については同一の符号を付してある。
本例の歪み補償装置では、入力信号が分配器１及び遅延線路２を介して合成器４に入力されるとともに、入力信号が歪み発生器２１と可変移相器２２と可変減衰器２３からなる歪み発生回路３に入力されて、歪み発生回路３で発生した歪みが合成器４に入力される。合成器４では入力信号と歪みとが合成され、その合成結果が増幅器５により増幅される。
増幅器５からの出力信号は分配器３１を介して乗算器３４に入力され、乗算器３４では発振器（例えば、ＶＣＯ）３２及び同期回路（ＳＹＮ）３３から入力される信号と増幅器５からの信号とが乗算される。この乗算結果が検波回路３５により検波され、その検波結果がＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）３６によりＡ／Ｄ変換されて制御回路３７に入力される。制御回路３７では、Ａ／Ｄ変換器３６からの入力に基づいて、可変移相器２２及び可変減衰器２３を制御する。
通常、歪み補償装置において制御を行う場合には、本例のように、装置の出力に現れる歪みの成分を検出し、歪み成分のレベルが低減されるように、歪み補償装置内の歪み発生回路３の位相や振幅の調整を行う制御方法を使用する。

特許第０３６９６１２１号公報特開２００１−１９７００２号公報特開２００３−３４７８５４号公報特開平３−１７９８２４号公報米国特許第６６８７４６６号明細書欧州特許第０８４９８９７号明細書

しかしながら、図８に示されるような歪み補償装置の回路では、使用する制御回路１２の周波数的制限により、高周波である歪み成分を検出するためには出力信号を一度中間周波数帯（ＩＦ帯）へ変換しなければならないため、そのための発振器３２や乗算器３４が必要になってしまい、このため、回路規模が大きくなってしまうという問題や、コスト的にも負担が大きくなってしまうという問題があった。
本発明は、このような従来の課題を解決するために為されたもので、歪み補償の制御に係る構成を簡略化することが可能な歪み補償装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る歪み補償装置では、次のような構成により、増幅器で発生する歪みを補償する。
すなわち、発生手段が、前置歪みを発生する。位相変化手段が、前記発生手段により発生させられた前置歪みの位相を変化させる。振幅変化手段が、前記発生手段により発生させられた前置歪みの振幅を変化させる。合成手段が、前記位相変化手段及び前記振幅変化手段により処理された前置歪みと前記増幅器により増幅される対象となる入力信号とを合成して、当該合成結果の信号を前記増幅器へ出力する。
成分検出手段が、前記増幅器から出力される増幅後の信号に基づいて、前記入力信号の差周波数成分のレベルを検出する。出力検出手段が、前記増幅器から出力される増幅後の信号に基づいて、出力レベル（例えば、線形成分の出力レベル）を検出する。制御手段が、前記成分検出手段による検出結果に基づいて前記位相変化手段による位相変化を制御し、且つ、前記出力検出手段による検出結果に基づいて前記振幅変化手段による振幅変化を制御する。
従って、差周波数成分のレベルに基づいて歪み補償の制御を行う構成により、歪み補償の制御に係る構成を簡略化することが可能である。

本発明に係る歪み補償装置では、一構成例として、次のような構成とした。
すなわち、前記制御手段は、前記成分検出手段により検出される前記差周波数成分のレベルが大きくなるように（例えば、最大になるように）前記位相変化手段による位相変化を制御し、前記出力検出手段による検出結果に基づく利得（例えば、線形成分の利得）が規定値となるように前記振幅変化手段による振幅変化を制御する。
従って、線形成分と増幅器で発生する歪み成分との間の位相が１８０°（＝π）である場合に対応して、精度の良い歪み補償を実現することができる。

本発明に係る歪み補償装置では、一構成例として、次のような構成とした。
すなわち、前記成分検出手段は、前記増幅器から出力される増幅後の信号から前記差周波数成分のレベルを検出するレベル検出回路と、前記レベル検出回路による検出結果をアナログ信号からデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器を用いて構成された。また、前記出力検出手段は、前記増幅器から出力される増幅後の信号から前記出力レベルを検出する出力レベル検出回路と、前記出力レベル検出回路による検出結果をアナログ信号からデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器を用いて構成された。
従って、例えば図８に示されるような歪み補償装置の構成と比べて、歪み補償の制御に係る構成を簡略化することができ、具体的には、周波数変換を行うための発振器３２や乗算器３４を不要とすることが可能である。

以上説明したように、本発明に係る歪み補償装置によると、入力信号の差周波数成分のレベルに基づいて歪み補償の制御を行う構成により、歪み補償の制御に係る構成を簡略化することが可能であり、これにより、簡易な構成で、増幅器で発生する歪みを補償することができる。

本発明に係る実施例を図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施例に係るプリディストーション方式の歪み補償装置の回路の構成例を示してある。
本例の歪み補償装置は、無線通信システムの基地局における増幅装置或いは中継器における増幅装置などに設けられており、複数の周波数成分や線形変調成分から構成される信号をこのような増幅装置の増幅器により増幅した際に発生する非線形歪みを低減させる。
本例の歪み補償装置は、分配器１と、遅延線路２と、３次歪み発生器２１と可変移相器２２と可変減衰器２３を含む歪み発生回路３と、合成器４と、増幅器５と、分配器６と、分配器７と、レベル検出回路８と、アナログ／デジタルの変換を行うＡ／Ｄ変換器９と、出力レベル検出回路１０と、Ａ／Ｄ変換器１１と、制御回路１２と、から構成されている。

本例の歪み補償装置により行われる動作の一例を示す。
歪み補償装置に入力された信号は分配器１により分配され、一方の分配信号は分配器１からの一方の出力側に設けられた遅延線路２により遅延させられて合成器４に入力され、他方の分配信号は分配器１からの他方の出力側に設けられた歪み発生回路３に入力される。
歪み発生回路３では、前記他方の分配信号が３次歪み発生器２１に入力されて当該信号に基づく３次歪みが発生させられ、当該３次歪みの信号の位相が可変移相器２２により可変に調整され、当該３次歪みの信号の振幅が可変減衰器２３により可変に調整される。可変移相器２２及び可変減衰器２３は３次歪み発生器２１の入力側にあっても同様の効果が得られる。これらの調整が行われた３次歪みの信号が合成器４に入力される。

合成器４では、前記一方の分配信号と前記調整後の３次歪みの信号とが合成される。ここで、遅延線路２は、前記一方の分配信号と前記他方の分配信号に基づく３次歪みの信号とのタイミングを合成器４のところで適合させる遅延量を有する。
合成器４による合成結果の信号が増幅器５により増幅され、当該増幅信号が２つの分配器６、７を介して歪み補償装置から出力される。ここで、歪み発生回路３で発生した３次歪み（前置歪み）と増幅器５で発生した３次歪みとが同じ振幅で逆の位相となれば増幅器５で発生した３次歪みを相殺することができ、また、このような同振幅且つ逆位相が完全に達成されなくとも、その程度に応じて増幅器５で発生した３次歪みを打ち消して低減させることができる。

分配器６では、増幅器５から出力された増幅信号が入力されて分配され、一方が分配器７へ出力され、他方がレベル検出回路８へ出力される。
分配器７では、分配器６から出力された信号が入力されて分配され、一方が歪み補償装置から出力され、他方が出力レベル検出回路１０へ出力される。
レベル検出回路８では、分配器６から入力された信号に基づいて差周波数の成分のレベルが検出され、当該検出結果であるアナログの検出信号がＡ／Ｄ変換器９へ出力される。Ａ／Ｄ変換器９では当該アナログの検出信号がデジタル信号へ変換され、当該デジタル信号が制御回路１２に入力される。なお、本例では、検波回路で差周波数成分の電力を検出してからＡ／Ｄ変換している。
出力レベル検出回路１０では、分配器７からの入力に基づいて信号の成分（例えば、歪み補償装置への入力に対応する線形成分）のレベルが検出され、当該検出結果であるアナログの検出信号がＡ／Ｄ変換器１１へ出力される。Ａ／Ｄ変換器１１では当該アナログの検出信号がデジタル信号へ変換され、当該デジタル信号が制御回路１２に入力される。

制御回路１２では、Ａ／Ｄ変換器９から入力された検出信号及びＡ／Ｄ変換器１１から入力された検出信号に基づいて、歪み成分を低減させるための振幅データ及び位相データが算出され、算出された位相データで可変移相器２２の移相量（位相の変化量）を制御することが行われ、算出された振幅データで可変減衰器２３の減衰量を制御することが行われる。本例の制御回路１２では、分配器１に入力される信号のレベルが一定であるときに分配器７から出力される信号のレベルが一定になるように、すなわちゲインを一定にするように、プリディストーションに係る歪み発生回路３の位相や振幅を制御する。

なお、本例では、分配器１に入力される信号のレベルが一定であるとして、分配器７から出力される信号のレベルを検出する構成としたが、他の構成例として、分配器１に入力される信号のレベルと分配器７から出力される信号のレベルを検出してゲインが一定になるように制御するような構成を用いることもでき、特に、入力レベルが変動するような場合に有効である。
また、本例では、分配器６から差周波数成分を取り出しているが、他の構成例として、増幅器５の増幅素子の出力から高周波信号に影響のない軽い低周波フィルタを経由して差周波数成分を検出するような構成を用いることもできる。

ここで、増幅器５から出力される差周波数成分は、例えば、複数の周波数の入力信号を入力した際に偶数次歪みによって発生する周波数成分であり、２つの異なる周波数の信号を入力した場合には、これら２つの異なる周波数の差の周波数に現れる成分を示す。
図２には、増幅器５の出力スペクトルの一例を示してある。横軸は周波数を示しており、縦軸は出力レベルを示している。
この例では、周波数ｆ１及び周波数ｆ２の信号成分が歪み補償装置への入力信号となっており、周波数（２ｆ２−ｆ１）及び周波数（２ｆ１−ｆ２）に３次歪み成分が発生し、周波数（ｆ２−ｆ１）の成分が差周波数成分となる。

次に、本例の制御回路１２により行われる制御について更に詳しく説明する。
図３（ａ）には、ベクトルＶ０、Ｖ１、Ｖ３（図では、矢印を有するベクトル表示としてある）を用いて、歪みによる出力の変化の一例を示してある。Ｖ１は線形成分（例えば、歪み補償装置への入力信号の成分）を示しており、Ｖ３は増幅器５で発生する３次歪み成分を示しており、Ｖ０はこれらの合成出力を示している。また、Ｖ１とＶ３との間の角度φ３を示してある。
増幅器５において図３（ａ）に示されるような歪みが発生したときには、この歪みを前置歪み補償回路を用いて相殺するためには、図３（ｂ）に示されるように、歪み成分と等振幅逆相の成分を増幅器５の入力に加える必要がある。
図３（ｂ）には、更にベクトルＡ３（図では、矢印を有するベクトル表示としてある）を用いて、歪み補償を行った場合における出力の一例を示してある。Ａ３は歪み発生回路３からの出力（３次歪み成分）を示しており、この３次歪み成分Ａ３が３次歪み成分Ｖ３に対して等振幅で逆相（線形成分Ｖ１に対する角度θ３がπ−φ３となる）である場合には、合成出力Ｖ０が線形成分Ｖ１に一致する。

図４（ａ）には、歪み発生回路３から出力される３次歪み成分の位相θ３［ｄｅｇ．］（横軸）に対して、増幅器５への入力信号のレベル｜Ｖ１＋Ａ３｜との関係Ｐ１（左側の縦軸）を示してあるとともに、差周波数成分の出力レベル｜Ｖ１＋Ａ３｜^２との関係Ｐ２（右側の縦軸）を示してある。
図４（ｂ）に示されるように、前置歪み補償回路で線形信号ベクトルＶ１に歪み発生回路３の出力ベクトルＡ３を加えたときにおける増幅器５への入力信号のレベルは、ベクトルＶ１とベクトルＡ３との和の大きさ｜Ｖ１＋Ｖ３｜となる。また、増幅器５への差周波数成分は２乗項より発生するため、この入力のレベル｜Ｖ１＋Ｖ３｜を２乗している。

図４（ｃ）にはθ３＝０°であるときについて線形成分Ｖ１と歪み発生回路３からの３次歪み成分Ａ３との合成結果を示してあり、図４（ｄ）にはθ３＝１８０°（＝π）であるときについて線形成分Ｖ１と歪み発生回路３からの３次歪み成分Ａ３との合成結果を示してある。
図示されるように、歪み発生回路３の出力の振幅｜Ａ３｜がいかなる条件においても、歪み発生回路３の出力の位相がθ３＝０°であるときに合成結果が最大の値をとり、θ３＝１８０°であるときに合成結果が最小の値をとる余弦波の特性を持つ。同様に、出力される差周波数成分は入力信号の２乗で表されるため、出力差周波数成分についても余弦波の特性を持つ。
歪みを相殺する条件であるθ３＝π−φ３を満たすとき、出力差周波数成分のレベルは（式１）のように表される。

ここで、本例では、増幅器５で発生する３次歪み成分Ｖ３の位相φ３が１８０°であるとして説明する。
まず、この理由を説明する。すなわち、３次歪み成分Ｖ３の位相φ３は素子によって決まるものであり、（何らかの要因によって変化することは考えられるが基本的に）、ＡＭ／ＰＭ特性で変動する位相とは別のものであると考えられる。そして、３次歪み成分Ｖ３の位相φ３は線形成分Ｖ１とは逆方向の向きつまり線形成分Ｖ１を減らすような向きの位相を持つ。なお、逆方向を向いているというだけで、全ての素子で発生する３次歪み成分Ｖ３の位相φ３が１８０°であるというわけではないが、１８０°に近い角度を持つ場合には適用可能となる。このように、φ３＝１８０°であるときが本例に係る歪み補償装置の理想的な動作状態であり、これを前提として説明する。

３次歪み成分Ｖ３の位相φ３の値が１８０°となるような増幅器５の動作領域では、３次歪み発生回路３の最適位相条件はθ３＝０°となる。そして、出力差周波数成分のレベルはθ３＝０°となるときに最大となるため、３次歪みが最も補償される点において、出力差周波数成分のレベルは最大となる。
図５には、歪み発生回路３から出力される３次歪み成分の位相θ３［ｄｅｇ．］（横軸）に対して、増幅器５から出力される３次歪み成分（ＩＭ３）のレベル｜Ａ３＋Ｖ３｜との関係Ｐ１１（左側の縦軸）を示してあるとともに、差周波数成分の出力レベル｜Ｖ１＋Ａ３｜^２との関係Ｐ１２（右側の縦軸）を示してある。
図５に示されるように、３次歪み成分と出力差周波数成分とは相関性を有する。φ３＝１８０°及びθ３＝０°であるときに、３次歪み成分｜Ａ３＋Ｖ３｜が最小となり、差周波数成分｜Ｖ１＋Ａ３｜^２が最大となる。

制御回路１２では、レベル検出回路８及びＡ／Ｄ変換器９を介して通知される出力差周波数成分のレベルが最大となるように、歪み発生回路３の位相（可変移相器２２による移相量）を調整することで、歪み補償に関して位相条件を最適化することができる。
図６には、増幅器５で発生する３次歪み成分Ｖ３の位相φ３の１８０°からのずれ（位相偏差）Δφ３［ｄｅｇ．］（横軸）と、歪みのキャンセル量［ｄＢ］（縦軸）との関係を示してある。
図６に示されるように、例えば、増幅器５で発生する３次歪み成分Ｖ３の位相φ３が１８０°からずれていったような場合においても、歪みのキャンセル量（低減量）は２０°変化した場合でも約１０ｄＢ程度確保されており、実用上において歪み補償の効果が十分に得られる。また、位相φ３が１８０°からずれる方向が把握される場合には、歪み発生回路３で発生させる３次歪み成分Ａ３の位相θ３の方向も把握されるため、出力差周波数成分を（最大値ではなく）適した方向で若干低い方向へずらすことにより性能向上を図ることができる。

このように、本例では、差周波数成分のレベルが、歪み発生回路３で発生させた予歪みＡ３が線形信号Ｖ１と同相であるか否かを示す。そして、増幅器３で発生する３次歪み成分Ｖ３の位相φ３が１８０°である場合、予歪みＡ３の最適な位相θ３は０°となって線形信号Ｖ１と同相であるときに、最も歪みのキャンセル量を多く取ることができる。
このため、差周波数成分から予歪みＡ３と線形信号Ｖ１とが同相であるか否かがわかれば、歪みのキャンセル量を最も多く取ることができる位相条件になっているか否かがわかる。

本例の制御回路１２では、上記のようにして歪み補償に関して位相条件を最適化した後に、振幅条件の最適化を行う。
本例では、増幅器５で発生する３次歪み成分Ｖ３の大きさ｜Ｖ３｜と歪み発生回路３で発生させる３次歪み成分Ａ３の大きさ｜Ａ３｜とが一致する場合に歪補償の効果が最大となり、この場合を適正（最適）な場合とする。
図７（ａ）には、歪み発生回路３の出力（３次歪み成分）の振幅が適正値より小さい場合について、線形成分Ｖ１と増幅器５での３次歪み成分Ｖ３と歪み発生回路３での３次歪み成分Ａ３を合成して合成出力Ｖ０を取得する様子を示してある。横軸は出力振幅を示している。
図７（ｂ）には、歪み発生回路３の出力（３次歪み成分）の振幅が適正値より大きい場合について、線形成分Ｖ１と増幅器５での３次歪み成分Ｖ３と歪み発生回路３での３次歪み成分Ａ３を合成して合成出力Ｖ０を取得する様子を示してある。横軸は出力振幅を示している。
図７（ｃ）には、歪み発生回路３の出力（３次歪み成分）の振幅が適正値に一致する場合について、線形成分Ｖ１と増幅器５での３次歪み成分Ｖ３と歪み発生回路３での３次歪み成分Ａ３を合成して合成出力Ｖ０を取得する様子を示してある。横軸は出力振幅を示している。

図７（ａ）に示されるように、歪み発生回路３の出力Ａ３の振幅が最適な条件より小さい場合には、合成出力Ｖ０の振幅が最適な条件での合成出力の振幅と比べて小さくなってしまう。また、図７（ｂ）に示されるように、歪み発生回路３の出力Ａ３の振幅が最適な条件より大きい場合には、合成出力Ｖ０の振幅が最適な条件での合成出力の振幅と比べて大きくなりすぎてしまう。
これらに対して、図７（ｃ）に示されるように、歪み発生回路３の出力Ａ３の振幅が適正値である場合には、増幅器５の出力は歪み若しくは歪み発生回路３の出力の影響を受けずに当該増幅器５が有する本来の利得で出力される。

制御回路１２では、出力レベル検出回路１０及びＡ／Ｄ変換器１１を介して通知される出力のレベルに基づいて、出力の利得を検出し、検出される利得が適正な値になるように歪み発生回路３の振幅（可変減衰器２３による減衰量）を調整することで、歪み補償に関して振幅条件を最適化することができる。なお、適正な利得の値は、例えば、予め歪み補償装置に設定されてもよく、或いは、歪み補償装置が自動的に検出してもよい。
ここで、本例では、位相データ及び振幅データを制御回路１２により算出したが、他の構成例として、制御回路１２の内部などにおいて差周波数成分のデータ或いは利得のデータに対して最適に制御するための位相データ或いは振幅データをメモリのテーブルに記憶させておき、制御回路１２が当該テーブルから検出値に対応する値を読み取って可変移相器２２或いは可変減衰器２３を制御するような構成を用いることもできる。

また、本例では、可変移相器２２の後段に可変減衰器２３を備えたが、これらが逆の順序で備えられてもよい。
また、レベル検出回路８及びＡ／Ｄ変換器９を介して制御回路１２に入力される差周波数成分のレベルを最大とする制御や、出力レベル検出回路１０及びＡ／Ｄ変換器１１を介して制御回路１２に入力される出力レベルに基づく利得を規定値とする制御においては、必ずしも厳密な値で制御が行われなくともよく、実用上で有効な程度であれば多少の誤差があってもよい。

以上のように、本例では、複数の周波数成分や線形変調成分から構成される信号を増幅器５により増幅した際に発生する非線形歪みを低減する前置歪み補償方式の歪み補償装置において、非線形歪みの各次数（本例では３次であるが、一つ又は複数の任意の次数について実施することも可能である）に対応した歪みを発生する歪み発生器２１及び当該歪み発生器２１において発生した歪みの位相と振幅を独立に制御するベクトル調整器（本例では、可変移相器２２及び可変減衰器２３）を有する非線形回路を、線形回路と並列して持つ構成とした。そして、増幅器５から出力される差周波数成分のレベルを検出して、当該検出値に基づいて増幅器５から出力される歪み成分のレベル（例えば、電力）を推定することを行い、増幅器５から出力される差周波数成分のレベルの検出値に応じてベクトル調整器（本例では、可変移相器２２及び可変減衰器２３）を調整することを行う。
具体的には、本例の歪み補償装置では、増幅器５からの出力に含まれる差周波数成分（偶数次歪み）のレベルの検出値に基づいて前置歪み（本例では、３次歪み）を制御する態様として、差周波数成分のレベルが最大になるように前記歪みの位相を制御し、また、線形成分の利得を検出して、線形成分の利得が規定値になるように前記歪みの振幅を制御する。

従って、本例の歪み補償装置の回路構成や制御方法では、被補償増幅器５から出力される差周波数成分のレベルを検出してそのレベルに応じて当該増幅器５から出力される歪み成分のレベルを推定し、当該差周波数成分のレベルに応じてベクトル調整器（本例では、可変移相器２２及び可変減衰器２３）を調節する構成により、歪み補償の制御を行うための回路を簡略化させることができ、簡易な構成で安定した制御により高い歪み補償量を実現することができる。

なお、本例の歪み補償装置では、３次歪み発生器２１の機能により前置歪みの発生手段が構成されており、可変移相器２２の機能により前置歪みの位相変化手段が構成されており、可変減衰器２３の機能により前置歪みの振幅変化手段が構成されており、合成器４の機能により前置歪みと入力信号とを合成する合成手段が構成されており、分配器６とレベル検出回路８とＡ／Ｄ変換器９の機能により差周波数成分のレベルを検出する成分検出手段が構成されており、分配器７と出力レベル検出回路１０とＡ／Ｄ変換器１１の機能により出力レベルを検出する出力検出手段が構成されており、これらの検出結果に基づいて可変移相器２２及び可変減衰器２３を制御する制御回路１２の機能により歪み補償の制御を行う制御手段が構成されている。また、本例では、増幅器５により、歪み補償の対象となる増幅器（被補償増幅器）が構成されている。

次に、３次歪み発生器について詳しく説明する。
（１）複素合成プリディストーション（キューバープリディストーション）の基本原理について説明する。
マイクロ波増幅器が有する非線形性（ＡＭ／ＡＭ変換、ＡＭ／ＰＭ変換）は相互変調歪みを発生する原因になる。キューバープリディストーション（ＣＰＤ）は、複素係数を有する３次歪み発生器を用いてこれらの歪みを補償する技術である。
非線形システムを解析する手段として、べき級数、ボルテラ級数などが使われるが、本例では、ボルテラ級数を簡略化し、扱いやすくした複素べき級数、というモデルを使用する。このモデルは、増幅器が基本周波数帯付近の信号のみを通過させるバンドパス特性を持つと考えることにより、偶数次の項を除去し、奇数次の項のみで入出力特性を表現する。また、複素べき級数は前提として、入出力に一様収束性（入力信号が小さくなるに従って非線形歪みもゼロに収束する特性）があることが必要となるため、Ａ級、若しくはＡ級に近いＡＢ級の増幅器について、適用が可能となる。

このような複素べき級数を用いた、増幅器の出力電圧ｅ_Ｏは（式２）のように表される。
ここで、ｅ_ｉは入力電圧を表し、Δｔは増幅器の遅延を表し、Ａ_ｎ（ベクトル）は各次数項の複素係数を表し、Ｈ［ｅ_ｉ ^ｎ（ｔ）］はｅ_ｉ ^ｎ（ｔ）のヒルベルト変換を表す。また、ｎは奇数である。

（式２）について、シングルトーンｅ_ｉ＝ａ・ｃｏｓω_０ｔを与えると、その出力は（式３）のように表される。ここで、ａは信号の振幅を表す。

（式３）において、Ｒ（ａ）及びΨ（ａ）はそれぞれＡＭ／ＡＭ変換及びＡＭ／ＰＭ変換を表しており、それぞれ、（式４）及び（式５）のように表される。

（式４）及び（式５）を変形することで、ＡＭ／ＡＭ変換とＡＭ／ＰＭ変換を関係付ける（式６）が得られる。
なお、ここでは、ａの５次以上の項は歪みに与える影響が小さいものとして、３次までで近似（５次以降は無視）した式で表してある。

図９には、ＡＭ／ＡＭ変換とＡＭ／ＰＭ変換を関係付ける（式６）をベクトル的に表現してある。線形成分Ｖ１、３次歪み成分Ｖ３、出力信号Ｖ０は、それぞれベクトルを表す。
３次歪み成分Ｖ３は（式４）の３次の項であり、線形成分Ｖ１に対して固定位相φ３を持った３次歪み成分を表す。
入力レベルが小さいうちは３次歪み成分Ｖ３を無視できるため出力は線形成分Ｖ１と変わらないが、入力レベルが増えてくると（式４）により、３次歪み成分Ｖ３は入力振幅の３乗で急激に増え、線形成分Ｖ１と３次歪み成分Ｖ３の合成である出力Ｖ０は線形成分Ｖ１のみの出力より減少し（ＡＭ／ＡＭ変換）、線形成分Ｖ１を基準として位相の変化が起こる（ＡＭ／ＰＭ変換）。

出力Ｖ０を線形に近づけるためには、３次歪み成分Ｖ３をできるだけ小さくすればよい。
ＣＰＤでは、これらの考えに基づいて、３次歪み成分Ｖ３と同振幅且つ逆位相の歪み成分を発生する歪み発生器を前段に挿入して、増幅器で発生する歪み成分と相殺させることで、歪みを補償する。

（２）ＣＰＤの回路構成について説明する。
図１０には、ＣＰＤの基本的な回路構成の一例を示してある。
入力信号は分配器（ＤＩＶ）４１により、主信号の経路と３次歪み発生の経路に分配される。
主信号の経路では、分配信号が遅延線路４２により遅延させられて合成器（ＣＯＭ）４７に入力される。３次歪み発生の経路では、分配信号が３次歪み発生器４３により３次歪み信号へ変換され、当該３次歪み信号が増幅器４４で増幅され、当該増幅信号の振幅が可変減衰器４５により調節され、当該増幅信号の位相が可変移相器４６により調節され、これらの調節後の信号が合成器４７に入力される。
合成器４７では、主信号の経路からの信号（主信号）と３次歪み発生の経路からの信号（歪み成分）とが合成されて、当該合成結果の信号が出力される。合成器４７からの出力信号が被補償増幅器の入力となる。

（３）３次歪みを発生する回路について説明する。
３次歪み発生器では、例えば、ダイオードが持つ非線形な特性（Ｖ−Ｉ特性が指数関数であるという特性）を利用して、歪み成分を作り出す。
単一のダイオードで構成した場合における非線形特性は、（式７）のように表される。

（式７）の場合、奇数次の歪みの他に、偶数次の歪みも発生してしまう。
そこで、これを抑制するための方法として、ダイオードを逆並列接続するアンチパラレル型のダイオードという構成がある。アンチパラレル型のダイオードの構成では、Ｖ−Ｉ特性は、シングル構成の特性と点対称のカーブを元のシングル構成の特性につなげたような形となり、奇関数になる。
アンチパラレル型のダイオードの特性は、（式８）のように表され、偶数次の歪みの発生を抑えることができる。
これを３次歪み発生器として使用する場合には、アンチパラレルの各ダイオードにバイアスをかけて、立ち上がりの電圧を低くすることで３乗の特性に近づけて、３次歪みが発生するようにする。

図１１には、３次歪み発生器の回路の構成例を示してある。
この構成では、３次歪み発生器に必要な特性を実現するために、歪みと同時に出力される基本波成分を抑制して、基本波入力から３次歪みのみを出力する。
具体的には、本例の３次歪み発生器は、ブランチラインカプラ５１と、２個のダイオード５２、５３を逆並列接続したアンチパラレル型のダイオードからなる３次歪み発生回路と、抵抗５４及びコンデンサ５５を用いた基本波相殺回路から構成される。
カプラ５１のｉｎポートに信号を入力する入力端（ｉｎｐｕｔ）が接続されており、カプラ５１のｉｓｏポートに信号を出力する出力端（ｏｕｔｐｕｔ）が接続されており、カプラ５１のｏｕｔポートに３次歪み発生回路が接続されており、カプラ５１のｃｐｌポートに基本波相殺回路が接続されている。

本例の３次歪み発生器では、入力端（ｉｎｐｕｔ）から入ってきた基本波成分がカプラ５１によりｏｕｔポートとｃｐｌポートに分配される。３次歪み発生回路では、入力された基本波成分に応じて、基本波成分と３次歪み成分が或る振幅及び位相でｉｎポートとｉｓｏポートへ反射される。基本波相殺回路では、入力された基本波成分が或る振幅及び位相でｉｎポートとｉｓｏポートへ反射される。これについて、３次歪み発生回路から反射される基本波成分と基本波相殺回路から反射される基本波成分とが同振幅且つ逆位相になるように調整すると、基本波成分が抑制され、歪みの成分のみを取り出すことができる。

ここで、本発明に係るシステムや装置などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法或いは方式や、このような方法や方式を実現するためのプログラムや当該プログラムを記録する記録媒体などとして提供することも可能であり、また、種々なシステムや装置として提供することも可能である。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。
また、本発明に係るシステムや装置などにおいて行われる各種の処理としては、例えばプロセッサやメモリ等を備えたハードウエア資源においてプロセッサがＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）に格納された制御プログラムを実行することにより制御される構成が用いられてもよく、また、例えば当該処理を実行するための各機能手段が独立したハードウエア回路として構成されてもよい。
また、本発明は上記の制御プログラムを格納したフロッピー（登録商標）ディスクやＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）−ＲＯＭ等のコンピュータにより読み取り可能な記録媒体や当該プログラム（自体）として把握することもでき、当該制御プログラムを当該記録媒体からコンピュータに入力してプロセッサに実行させることにより、本発明に係る処理を遂行させることができる。

本発明の一実施例に係る歪み補償装置の構成例を示す図である。増幅器の出力スペクトルの一例を示す図である。ベクトルを用いて歪み補償の原理を説明するための図である。歪み発生回路の出力位相と増幅器への入力信号レベルと差周波数成分の出力レベルの関係を説明するための図である。差周波数成分の出力レベルと３次歪み成分の出力レベルの関係を説明するための図である。３次歪みの位相のずれによる歪みキャンセル量の変化の一例を示す図である。歪み発生回路の出力の振幅条件による合成出力の違いを説明するための図である。歪み補償装置の構成例を示す図である。ベクトルを用いてＡＭ／ＡＭ変換とＡＭ／ＰＭ変換を説明するための図である。キューバープリディストータの構成例を示す図である。３次歪み発生器の構成例を示す図である。

符号の説明

１、６、７、３１、４１・・分配器、２、４２・・遅延線路、３・・歪み発生回路、４・・合成器、５、４４・・増幅器、８・・レベル検出回路、９、１１、３６・・Ａ／Ｄ変換器、１０・・出力レベル検出回路、１２、３７・・制御回路、２１、４３・・３次歪み発生器、２２、４６・・可変移相器、２３、４５・・可変減衰器、３２・・発振器、３３・・同期回路、３４・・乗算器、３５・・検波回路、５１・・カプラ、５２、５３・・ダイオード、５４・・抵抗、５５・・コンデンサ、

Claims

増幅器で発生する歪みを補償する歪み補償装置において、
前置歪みを発生する発生手段と、
前記発生手段により発生させられた前置歪みの位相を変化させる位相変化手段と、
前記発生手段により発生させられた前置歪みの振幅を変化させる振幅変化手段と、
前記位相変化手段及び前記振幅変化手段により処理された前置歪みと前記増幅器により増幅される対象となる入力信号とを合成して当該合成結果の信号を前記増幅器へ出力する合成手段と、
前記増幅器から出力される増幅後の信号に基づいて前記入力信号の差周波数成分のレベルを検出する成分検出手段と、
前記増幅器から出力される増幅後の信号に基づいて出力レベルを検出する出力検出手段と、
前記成分検出手段による検出結果に基づいて前記位相変化手段による位相変化を制御し且つ前記出力検出手段による検出結果に基づいて前記振幅変化手段による振幅変化を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする歪み補償装置。
請求項１に記載の歪み補償装置において、
前記制御手段は、前記成分検出手段により検出される前記差周波数成分のレベルが大きくなるように前記位相変化手段による位相変化を制御し、前記出力検出手段による検出結果に基づく利得が規定値となるように前記振幅変化手段による振幅変化を制御する、
ことを特徴とする歪み補償装置。
請求項１又は請求項２に記載の歪み補償装置において、
前記成分検出手段は、前記増幅器から出力される増幅後の信号から前記差周波数成分のレベルを検出するレベル検出回路と、前記レベル検出回路による検出結果をアナログ信号からデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器を用いて構成され、
前記出力検出手段は、前記増幅器から出力される増幅後の信号から前記出力レベルを検出する出力レベル検出回路と、前記出力レベル検出回路による検出結果をアナログ信号からデジタル信号へ変換するＡ／Ｄ変換器を用いて構成された、
ことを特徴とする歪み補償装置。