CN100531166C - 用于开关模式功率放大的方法和系统 - Google Patents

Abstract

在调制系统中，为了向适合于由开关模式功率放大器放大的二电平信号提供期望的调制，调制系统可以包括：第一恒定包络调制器，用于根据第一控制信号调制信号；第二恒定包络调制器，用于根据第二控制信号调制信号；以及组合部分，用于将第一和所述第二恒定包络调制器的输出信号组合成单个、二电平脉宽调制的信号。通过单个、二电平脉宽调制的信号的调制来表示的信息被编码在第一和第二控制信号中。本发明同样涉及生成调制的信号的相应方法。

Description

用于开关模式功率放大的方法和系统

发明领域

本发明涉及调制系统和生成调制的信号的方法。

发明背景

根据现有技术，调制系统以基于第二信号调制第一信号而众所周知，例如基于要在蜂窝系统中传输的信息调制射频载波。

由于对频谱效率的要求越来越高，可变包络调制方法在蜂窝系统中变得越来越普及。但是利用可变包络调制方法，常规的功率放大器的有限效率可以在发射器设备具体地来说在热量受限的设备(如终端)中导致热量和/或操作时间问题。为了减少这些影响的程度，提出了利用开关模式功率放大器的新型发射器结构。开关模式功率放大器在理论上可以接近100％的功率效率。它们存在的缺点在于它们是极端振幅非线性的，但是它们不会显著更改输入的相位调制的信号的相位。

一种使能可变包络调制同时利用开关模式功率放大器的调制系统是LINC(利用非线性元件实现线性放大)系统，它由贝尔实验室的D.C.Cox在“利用非线性元件实现线性放大”中提出(″LinearAmplification with Nonlinear Components″，IEEE Transactions onCommunications，COM-22，pp.1942-1945，1974年12月)。LINC系统的基本原理是通过振幅恒定而仅相位变化的两个信号来表示振幅和相位都变化的任何随意的带通信号。这两个角度调制的信号可以用节省功率的非线性放大器分别放大。然后通过加法单元将这些放大器的输出组合，以产生期望的可变振幅信号。此系统的一个问题是两个非相干放大的信号的组合。该系统的效率随着这两个放大的信号之间的瞬时角而变化，因此将低于100％。

在脉宽调制(PWM)系统中，原始信号被编码成具有宽度变化的脉冲的二电平信号。二电平信号的平均值跟在期望的输出信号后，并可以通过滤波来提取。脉冲密度调制(PDM)是完成相同任务的备选方法。这些方法广泛地用于开关模式电源。

PWM系统在例如文献EP 1271870 A2中有描述，它还提出创建三电平带通PWM信号的可能性，而非仅仅常规的二电平低通PWM信号。

类似上述PWM系统的另一种脉冲调制方法是通过Sigma-Delta调制系统来实现。带通Sigma-Delta调制器还可以用于将调制的正弦载波变换成二电平信号。

但是希望提出将原始控制信号编码成二电平信号的备选解决方案。

发明概述

本发明的目的在于提出调制系统和方法，它们允许用期望的调制生成二电平信号。

本发明的另一个目的在于提出调制系统和方法，它们允许生成适合于通过开关模式功率放大器放大的信号。

提出一种调制系统，它包括根据第一控制信号调制信号的第一恒定包络调制器和根据第二控制信号调制信号的第二恒定包络调制器。提出的系统还包括将第一和第二恒定包络调制器的输出信号组合成单个、二电平脉宽调制的信号的组合部分。要通过单个、二电平脉宽调制的信号的调制来表示的信息被编码在第一和第二控制信号中。

此外，提出生成调制的信号的方法，它包括：根据第一控制信号调制信号以获得第一调制的恒定包络信号；根据第二控制信号调制信号以获得第二调制的恒定包络信号；以及将第一和第二调制的恒定包络信号组合成单个、二电平脉宽调制的信号。再者，要通过单个、二电平脉宽调制的信号的调制来表示的信息被编码在第一和第二控制信号中。

本发明来源于可以对已知的LINC系统重新设计来提供二电平恒定包络信号的原理。要通过最终调制来表示的信息，例如模拟控制信号的振幅和/或相位，被编码到控制由两个恒定包络调制器施加的调制的两个控制信号中。如果输出恒定包络信号是正弦信号，则调制可以包括相位调制；以及如果输出恒定包络信号是脉冲信号，则调制可以包括过渡时间的调制。然后将这两个恒定包络信号组合成单个二电平恒定包络信号。

本发明的优点在于，它提供二电平信号形式的单个恒定包络信号，可以用单个非线性放大器例如开关模式放大器来放大信号。由此，可以避免常规LINC系统的非相干功率组合。

本发明还有一个优点在于它提出Sigma-Delta调制器的备选方案。

提出的调制系统的恒定包络调制器可以是数字恒定包络调制器或模拟恒定包络调制器。数字恒定包络调制器调制通过的脉冲序列的过渡时间。在此情况中，至组合部分的输入信号是脉冲位置调制(PPM)的信号，而组合部分的输出信号是PWM信号。模拟恒定包络调制器根据接收到的控制信号调制正弦载波的相位。本发明优于已知的delta信号调制之处在于得到的脉冲的宽度不是离散的，离散的脉宽导致量化噪声。

具体而言，虽然不排除其它可能，根据本发明生成的单个二电平恒定包络信号可以提供给开关模式放大器以放大。如果单个二电平恒定包络信号馈送到开关模式放大器，可以在放大时实现高线性和高功率效率。

已知的开关模式放大器例如是D类或E类放大器。尽管如此，适合于射频的E类放大器对于提供的信号的负载周期变化的情况效果不佳。D类功率放大器本质地非常适合于负载周期变化的信号。再者，在“高效率RF应用的电流模式D类功率放大器”(″Current modeClass-D Power Amplifiers for High Efficiency RF Applications″，IEEEMTT-S 2001 International Microwave Symposium Digest，pp.939-942)中H.Kobayashi、J.Hinrichs和P.M.Asbeck提出D类功率放大器还可以在射频工作。

通过以下结合附图考虑的详细描述，将明白本发明的其它目的和特点。但是要理解，这些附图仅为说明的目的而绘制，而不作为本发明范围的限定，本发明范围应该参考所附的权利要求。还应该理解，这些附图仅视为在概念上说明本文所述的结构和过程。

附图简介

图1是根据本发明的调制系统的实施例的示意框图；以及

图2示出图1实施例中可能的变化。

发明的详细说明

图1示出根据本发明的调制系统的示范实施例，它可以用于发射器中，以基于振幅变化的控制信号来实现射频信号的可变包络调制。

在图1的调制系统中，第一输入“I”一方面连接到第一处理元件1而另一方面连接到第二处理元件2。第二输入“Q”同样一方面连接到第一处理元件1而另一方面连接到第二处理元件2。第一处理元件1的输出连接到加法单元3的第一输入和减法单元4的同相输入。第二处理元件2的输出连接到加法单元3的第二输入和减法单元4的反相输入。第一和第二处理元件1、2、加法单元3和减法单元4构成图1的调制系统的输入信号处理部分。

加法单元3的输出经由第一相位调制器5连接到逻辑异或电路XOR 7的第一输入。减法单元4的输出经由第二相位调制器6连接到XOR电路7的第二输入。输入信号处理部分与两个相位调制器5、6和XOR电路7一起构成脉宽调制器。除XOR电路7外，还可以使用异或非电路XNOR。

XOR电路7的输出经由开关模式功率放大器8和带通滤波器9连接到图1的调制系统的输出′输出′。

图1的调制系统操作如下。

在振幅和相位上调制的带通信号x(t)可以以正则形式表示为：

x(t)＝I(t)·cos(ωt)-Q(t)·sin(ωt)

其中I(t)和Q(t)构成信号的同相和正交分量。

如果要传输此类带通信号x(t)，则数字信号处理器DSP(未示出)确定信号的同相和正交分量I(t)和Q(t)，并将它们以振幅变化的电压或电流的形式分别提供给调制系统的第一输入′I′和第二输入′Q′。或者，DSP可以以数字信号的形式提供同相和正交分量。再者，可以由专用硬件来确定和提供同相和正交分量。

使用先前定义的同相和正交分量I(t)和Q(t)，可以根据如下等式计算两个单独的恒定包络载波的相位

以及

其中θ是相位相关角：

$\mathrm{\θ}=\frac{\arctan \left(\frac{Q}{I}\right)}{2}$

以及其中α是振幅相关角：

$\mathrm{\α}=\frac{\arcsin \sqrt{(I^2+Q^2)}}{2}$

当计算arctan(Q/I)时，应该根据I(t)和Q(t)信号的值将所有四个象限都纳入考虑。与LINC系统比较，还需要将上述定义的相位

除以2，因为将在稍后在射频上发生倍频。

调制系统的处理部分计算控制信号pha1、pha2，这将使第一相位调制器5和第二相位调制器6根据上述定义的相位

调制正弦射频信号。

更具体地来说，处理部分的第一处理元件1计算信号arctan(Q/I)/2，而处理部分的第二处理元件2计算信号 $\arcsin \sqrt{I^2+Q^2}/2.$

处理部分的加法单元3然后将第一处理元件1与第二处理元件2输出的信号相加，以获得控制信号pha1，它用于控制第一相位调制器5。第一控制信号pha1是控制电压，它使第一相位调制器5利用相位

调制正弦射频信号的相位。第一相位调制器5输出的相位调制的恒定包络信号称为信号PM1。

处理部分的减法单元4将第二处理元件2输出的信号从第一处理元件1输出的信号中减去，以获得第二控制信号pha2，它用于控制第二相位调制器6。第二控制信号pha2是控制电压，它使第二相位调制器5利用相位

调制正弦射频信号的相位。第二相位调制器6输出的信号称为信号PM2。

根据上述等式，振幅相关角α由此增加了第一相位调制器输出的信号PM1的相位

并减少了第二相位调制器输出的信号PM2的相位从而将振幅信息编码在PM1和PM2的相位差中。

将信号PM1和PM2提供给XOR电路7。XOR电路7将这两个信号PM1和PM2变换成二电平PWM信号。此操作有效地将相位调制器5、6的频率加倍。因此，相位调制器5、6的中心频率FC应该仅为期望的发射器输出频率Flo的一半。要注意的是在一些情况中，倍频甚至可以产生有益的效果。例如，当Flo＝FC/2时，可以避免利用本地振荡器对发射的信号混频。

现在可以通过线性良好的开关模式功率放大器8来放大二电平PWM信号，因为二电平PWM信号具有恒定包络。然后将功率放大的二电平PWM信号提供给带通滤波器9，它将二电平PWM信号变换成可变包络调制的射频信号，二电平PWM信号的第一谐波在包络的变化量中反映。最后，将可变包络调制射频信号经由调制系统的输出′输出′提供给天线以传输。

图1的调制系统可以以多种方式变化。图2中示出一种可能的变化，它给出图1中XOR电路7的备选方案。

在此备选方案中，将第一相位调制器5的输出信号PM1经由第一限幅器10提供给混频器12，而将第二相位调制器6的输出信号PM2经由第二限幅器11提供给混频器12。混频器12是模拟乘法器，并由此构成XNOR电路的模拟对应部分。为了改为获得图1的XOR电路7的模拟对应部分，还需要另外将180°的移相器或移相/倒相放大器连接到混频器12的输出。但是，往往可以省略此类移相元件，而不对调制处理本身产生任何影响。限幅器10、11确保提供给混频器12的输入信号已经仅具有两个电平，例如第一、正电平，即由各自的相位调制器5、6输出的信号PM1、PM2大于零，以及第二、负电平，即由各自的相位调制器5、6输出的信号PM1、PM2小于零。

要注意，还在图1所示的实施例中，可能在XOR电路7的输入上采用限幅器，以增强XOR电路7的操作。

在图1的调制系统的再一个变化中，相位调制器5、6被替换为数字调制器。在此情况中，调制器的输出信号PM1、PM2已经构成二电平信号，从而限幅器不会提供任何好处。

虽然示出并描述及指出应用于本发明优选实施例的本发明的基本的创新特点，但是本技术领域人员将理解，在不背离本发明精神范围的前提下可以在所述的设备和方法的形式上和细节上进行各种删减和替换以及更改。例如，明确的意图是，以基本相同的方式执行基本相同的功能以达到相同结果的那些组件的所有组合都属于本发明的范围。再者，应该认识到，根据一般的设计选择，结合本发明的任何公开的形式或实施例示出和/或描述的结构和/或组件和/或方法步骤可以结合在任何其它公开的或描述的或建议的形式或实施例中。因此，意图是本发明仅限于如其所附权利要求的范围所示的。

Claims (17)

1.一种调制系统，包括：

第一恒定包络调制器，配置用于根据第一控制信号调制信号；

第二恒定包络调制器，配置用于根据第二控制信号调制信号；以及

组合部分，配置用于将所述第一和所述第二恒定包络调制器的输出信号组合成单个、二电平脉宽调制的信号，其特征在于，通过所述单个、二电平脉宽调制的信号的调制来表示的信息被编码在所述第一和所述第二控制信号中，所述第一恒定包络调制器和所述第二恒定包络调制器的中心频率是所述单个、二电平脉宽调制的信号的期望中心频率的一半。

2.如权利要求1所述的调制系统，还包括处理部分，所述处理部分配置用于接收含有通过所述单个、二电平脉宽调制的信号的调制来表示的所述信息的模拟调制信号的同相分量I和正交分量Q，以及所述处理部分配置用于按 $\frac{\arctan \left(\frac{Q}{I}\right)+\arcsin \left(\sqrt{I^2+Q^2}\right)}{2}$ 来计算所述第一控制信号，以及按 $\frac{\arctan \left(\frac{Q}{I}\right)-\arcsin \left(\sqrt{I^2+Q^2}\right)}{2}$ 来计算所述第二控制信号。

3.如权利要求1所述的调制系统，其特征在于，所述第一和所述第二恒定包络调制器是配置用于基于所述第一和所述第二控制信号在相位上调制正弦信号的模拟恒定包络调制器。

4.如权利要求3所述的调制系统，还包括第一限幅器，配置用于在将所述第一恒定包络调制器的输出信号提供给所述组合单元之前将其转换成二电平信号；以及第二限幅器，配置用于在将所述第二恒定包络调制器的输出信号提供给所述组合单元之前将其转换成二电平信号。

5.如权利要求1所述的调制系统，其特征在于，所述第一和所述第二恒定包络调制器是输出各自脉冲信号的数字恒定包络调制器，其中分别基于所述第一和所述第二控制信号调制过渡时间。

6.如权利要求1所述的调制系统，其特征在于，所述组合单元包括逻辑异或电路。

7.如权利要求1所述的调制系统，其特征在于，所述组合单元包括逻辑异或非电路。

8.如权利要求1所述的调制系统，其特征在于，所述组合单元包括模拟混频器。

9.如权利要求1所述的调制系统，还包括开关模式功率放大器，配置用于放大所述组合单元提供的所述单个、二电平脉宽调制的信号。

10.权利要求9所述的调制系统，还包括带通滤波器和低通滤波器的至少其中之一，用于从所述开关模式功率放大器提供的所述放大的单个、二电平脉宽调制的信号中生成可变包络信号。

11.一种生成调制的信号的方法，所述方法包括：

根据第一控制信号调制信号以获得第一调制的恒定包络信号；

根据第二控制信号调制信号以获得第二调制的恒定包络信号；以及

将所述第一调制的恒定包络信号和所述第二调制的恒定包络信号组合成单个、二电平脉宽调制的信号，其特征在于，通过所述单个、二电平脉宽调制的信号的调制来表示的信息被编码在所述第一控制信号和所述第二控制信号中，将根据所述第一控制信号待调制的信号和根据所述第二控制信号待调制的信号的中心频率选为所述单个、二电平脉宽调制的信号的期望中心频率的一半。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一控制信号按 $\frac{\arctan \left(\frac{Q}{I}\right)+\arcsin \left(\sqrt{I^2+Q^2}\right)}{2}$ 计算，以及所述第二控制信号按 $\frac{\arctan \left(\frac{Q}{I}\right)-\arcsin \left(\sqrt{I^2+Q^2}\right)}{2}$ 计算，I是含有所述通过所述单个、二电平脉宽调制的信号的所述调制来表示的所述信息的模拟调制信号的同相分量而Q是其正交分量。

13如权利要求11所述的方法，其特征在于，根据所述第一控制信号待调制的信号和根据所述第二控制信号待调制的信号是基于所述第一和所述第二控制信号在相位上调制的正弦信号。

14.如权利要求11所述的方法，还包括在组合所述第一调制的恒定包络信号和所述第二调制的恒定包络信号之前，将其转换成相应的二电平信号。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一调制的恒定包络信号和所述第二调制的恒定包络信号是脉冲恒定包络信号，其中基于所述第一控制信号和所述第二控制信号调制过渡时间。

16.如权利要求11所述的方法，还包括通过开关模式功率放大器放大所述单个、二电平脉宽调制的信号。

17.如权利要求16所述的方法，还包括通过对所述放大的单个、二电平脉宽调制的信号滤波来生成可变包络信号。

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