CN103312304A - 脉宽调制器及其实施和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了脉宽调制器及其实施和使用方法。一种脉宽调制器（PWM）包括多个比较器，用于将输入信号和多个参考信号进行比较并且用于提供多个相应的比较信号。脉宽调制器还包括组合逻辑，用于接收多个比较信号并且用于基于多个比较信号生成多个二进制脉宽调制信号。每次至多仅所述二进制脉宽调制信号中的目前选择的二进制脉宽调制信号处于第一信号电平。目前选择的二进制脉宽调制信号与多个参考信号中的特定的参考信号相关，就多个参考信号和输入信号之间给定的振幅关系而言，在多个参考信号中，所述特定的参考信号目前最接近输入信号。

Description

脉宽调制器及其实施和使用方法

技术领域

本发明的实施方式涉及一种脉宽调制器、一种放大器配置、一种脉宽调制发射器、一种用于脉宽调制的方法以及一种用来传输输入信号的方法。

背景技术

在多个领域内，例如，在移动通信网络或移动通信装置的第三和更高代基站内，使用带宽优化调制方案来传输信息。带宽优化调制方案通常需要非恒定的包络，因此具有相对高的峰均功率比（peak-to-average powerratio，PAR）。线性放大器（诸如，AB类放大器）提供高的线性，但是必须以来自最大（饱和的）输出功率的高的补偿（back-off）来驱动，以获得宽操作范围的良好的线性。通常，RF功率放大器（无论什么类型，例如，AB型，或者所谓的D、E、F型切换模式（也称为：开关模式）等），仅在接近它们的最大饱和功率电平进行操作时，获得高的效率。因此，补偿AB型放大器通常导致较低的传输功率，并且因此降低了整体功率效率。

取代使用单个放大器，可使用若干个单独的可用的放大器，从而使得对于小的振幅/功率，仅仅一个或几个放大器是可用的，而对于大的振幅/功率，使用更多的放大器并且最终使用所有的放大器。单独放大器的输出通过功率组合网络来组合。功率组合网络通常需要精心地设计，从而保持信号完整性并获得高的组合效率。典型的组合网络基于分布式传输线部件，并因此受到带宽限制，从不能容易地集成在芯片级上。

发明内容

本发明的实施方式提供了一种脉宽调制器，包括多个比较器和一个组合逻辑。多个比较器被配置为用于将输入信号和多个参考信号进行并且用于提供多个相应的比较信号。组合逻辑被配置为用于接收多个比较信号并且用于基于多个比较信号生成多个二进制脉宽调制信号。每次至多仅二进制脉宽调制信号中的目前选择的二进制脉宽调制信号处于第一信号电平。目前选择的二进制脉宽调制信号与多个参考信号中的特定的参考信号相关，就多个参考信号和输入信号之间给定的振幅关系而言，在多个参考信号中，该特定的参考信号目前最接近输入信号。

另一个实施方式提供了一种用于放大输入信号的放大器配置。所述放大器配置包括：第一开关模式放大器、第二开关模式放大器、用于第一开关模式放大器的第一电源、用于第二开关模式放大器的第二电源、以及脉宽调制器。第二电源被配置为用于生成与第一电源不同的电源条件。脉宽调制器被配置为用于基于输入信号生成用于第一开关模式放大器和第二开关模式放大器的控制信号。所述控制信号为不相交的信号。

另一个实施方式提供了一种脉宽调制发射器，包括多级脉宽调制器和多个开关模式放大器。多级脉宽调制器被配置为用于基于脉宽调制发射器的输入信号生成多个不相交的脉宽调制信号。所述不相交的脉宽调制信号表示输入信号的瞬态振幅的瞬态振幅范围。在多个开关模式放大器中，每个开关模式放大器被配置为接收多个不相交的脉宽调制信号中的相应的脉宽调制信号。因此，每次多个开关模式放大器中的至多一个是可用的。

根据其他实施方式，一种用于脉宽调制的方法包括将输入信号和多个参考信号进行比较并且提供多个相应的比较信号。所述方法进一步包括基于多个比较信号生成多个二进制脉宽调制信号。每次至多仅所述二进制脉宽调制信号中的目前选择的二进制脉宽调制信号处于第一信号值，其中，目前选择的二进制脉宽调制信号与多个参考信号中的特定的参考信号相关。就多个参考信号和输入信号之间给定的振幅关系而言，在多个参考信号中，该特定的参考信号为目前最接近输入信号的参考信号。

另一个实施方式提供了一种用于传输输入信号的方法。所述方法包括基于输入信号生成多个不相交的脉宽调制信号，并且将多个不相交的脉宽调制信号提供给多个开关模式放大器。所述不相交的脉宽调制信号表示输入信号的瞬态振幅的瞬态振幅范围。每个开关模式放大器被配置为接收多个不相交的脉宽调制信号中的相应的脉宽调制信号，从而每次多个开关模式放大器中的至多一个是可用的。

附图说明

下面将参照附图将详细地说明本发明的实施方式，其中：

图1示出了已知的模拟N级脉宽调制器的示意性框图；

图2示出了包括模拟N级脉宽调制器的已知的发射器的示意性框图；

图3为示出了图1和图2中的二级和三级脉宽调制方案的编码效率的比较的曲线图；

图4为基于具有Doherty组合器的三级PWM的开关模式发射器（switched mode transmitter）的示意性框图；

图5示出基于具有相位分离的三级PWM和具有开关的Wilkinson型组合器的开关模式发射器的示意性框图；

图6示出了根据本文中所公开的教导的至少一些实施方式的脉宽调制器的示意性框图；

图7示出了参考信号的振幅范围的排序和相应的层次等级（hierarchylevel）；

图8示出了根据本文中所公开的教导的至少一些实施方式的放大器配置的示意性框图；

图9示出了根据本文中所公开的教导的至少一些实施方式的发射器的示意性框图；

图10示出了根据所公开的教导的至少一些实施方式基于三角函数的N级脉宽调制器的示意性框图；

图11示出了根据所公开的教导的没有功率组合器的开关模式发射器的示意性框图；

图12示出了根据所公开的教导的N=2多级脉宽调制方案的时域信号；

图13示出了与图12相似但具有不同的参考函数选择的N=2多级脉宽调制方案的时域信号；

图14示出了用于不同组的调制器阈值的N=2多级脉宽调制方案的作为占空比的函数的效率和输出功率的曲线图；

图15示出了用于不同组的调制器阈值的N=2多级脉宽调制方案的作为输出功率的函数的效率的曲线图；

图16示出了根据所公开的教导的N=3多级脉宽调制方案的时域信号；

图17示出了与图16相似但用于不同的输入信号的N=3多级脉宽调制方案的时域信号；

图18示出了用于不同组的调制器阈值的N=3多级脉宽调制方案的作为占空比的函数的效率和输出功率的曲线图；

图19示出了用于不同组的调制器阈值的N=3多级脉宽调制方案的作为输出功率的函数的效率的曲线图；

图20示出了根据本文中所公开的教导的至少一些实施方式的脉宽调制的方法的示意性流程图；以及

图21示出了根据所公开的教导的至少一些实施方式的传输信号的方法的示意性流程图。

具体实施方式

将参照图1到图5顺序讨论本发明的不同实施方式。首先，将相同的参考数字提供给具有相同或相似功能的对象，从而使得在不同实施方式中由相同的参考数字表示的对象是可互换的并且其描述是可相互应用的。

在以下描述中，例如，提供了一种能够采用脉宽调制（PWM）方法以高效的方式驱动功率放大器（PA）的系统结构，例如，射频（RF）发射器。使用脉宽调制驱动功率放大器的一个问题在于，位于期望的信号带附近的大的光谱带外分量。这些光谱带外分量在信号被提供给天线之前通常需要被过滤，以保护由适用的电信标准所限定的要求（RF发射器在这些要求下进行操作）。这通常是一个很难的问题，这是因为，如果从滤波器反射的带外分量在隔离器内消散，则过滤处理会显著降低PA的效率。如果编码效率（带内功率与总功率的比率）增大，则效率通常可以保持为较高。实现此的一个选择在于，使用多级开关模式功率放大器（SMPA），这意味着两个以上的PA由单独的PWM信号驱动，而PA输出信号在信号被提供给隔离器和滤波器之前，与功率组合器连接在一起。只要PWM频率能够保持在几MHz范围内，这个概念就很有效。然而，在未来的基站应用中，需要高达100MHz的非常高的信号带宽，这意味着需要几百兆赫兹范围内的PWM频率，以满足线性要求。这些高的频率通常很难处理，尤其在PA侧上，这是因为需要高带宽匹配网络。此外，必须精心设计功率组合网络，以保持PWM信号的完整性并且实现高的组合效率。典型的组合网络（例如，使用开关的Doherty组合器或Wilkinson型同相组合器）通常基于分布式传输线部件并因此受到带宽限制。此外，大部分功率组合网络不能容易地集成在芯片级上。

根据本文中所公开的教导的至少一些实施方式，PWM编码方法可结合尺寸不同的放大器并行使用，从而使得不需要功率组合网络，而同时保持高的效率和线性。此外，通过增大放大器的数量并且适当地生成PWM信号，该效率可被提高并且适于将要传输的信号的统计信号性能（可能付出电路复杂性的代价）。此外，该系统结构允许重新配置发射器，以符合不同的通信标准，例如，GSM（全球移动通信系统）或WCDMA（宽带码分多址），这在软件限定无线电方法的方向上迈出了一步。

多级PWM方案可视为产生本文中所公开的教导的发展的起始点。图1至图5示出了上述这些发展，并且结合这些附图对这些发展进行了描述。PWM方案通过N-1振幅和相移三角形参考函数，分离振幅域内复杂调制信号的引入包络（incoming envelope）。例如，在比较器内使用图1中所示的这些参考函数（模拟N级脉宽调制器的示意性框图），以生成N-1单独的PWM基带信号，所述PWM基带信号在RF上变频之后，被用来以高效的方式驱动图2中的单独的PA（图2：具有RF上变频器、PA和功率组合器的模拟N级脉宽调制器的示意性框图）。在放大之后，单独的RF脉冲（PA输出信号）被组合在一起以形成N级PWM信号，如果等级数量增大，N级PWM信号的带外光谱能量变低。对于具有高的峰均功率比（PAPR）的复杂调制的信号，这提高了发射器的整体效率，即使隔离器用在所需要的带通滤波器的前面。

图3示出了两个等级（带圆的曲线；在图2中仅仅具有一个PA）和三个等级（带正方形的曲线；在图2中具有两个PA）的图1和图2内的方案的编码效率。当两级PWM方案的编码效率随着输入电压（图2的输入信号）的降低而线性减小时，三级PWM的编码效率在降至最大输入电压的一半时保持相对地高。

这通常使得具有高PAPR的调制信号的电效率明显提高。如果等级的数量超出了如图1和图2中的3，则通过更多的硬件工作，编码效率以及因此电效率能够被进一步提高。迄今为止，已经使用基于例如传输线（例如，Doherty组合器（见图4：基于具有Doherty组合器的三级PWM的开关模式发射器的示意性框图）或具有开关的Wilkinson型组合器（见图5：基于具有相位分离的三级PWM和具有开关的Wilkinson型组合器的开关模式发射器的示意性框图））的组合器结构。由于这些结构通常为窄带的并且难以集成，所以对于通用的移动通信标准，有用的输入信号带宽受到限制。只要输入信号带宽不过高（例如，高达20MHz），图2中的结构就很有效。

图6显示了根据本文中所公开的教导的一些实施方式的脉宽调制器100的示意性框图。脉宽调制器100被配置为在输入终端104接收输入信号input(t)，并基于输入信号生成脉宽调制信号PWM₁(t)和PWM₂(t)。脉宽调制信号PWM₁(t)和PWM₂(t)分别在两个输出端口132-1和132-2处提供。通常，根据所公开的教导的脉宽调制器可被配置为提供两个以上的脉宽调制信号。作为一个选择，输入信号可表示有效载荷信号的瞬态功率。

脉宽调制器100包括多个比较器110和一个组合逻辑120。多个比较器110包括第一比较器112-1和第二比较器112-2。输入信号input(t)被提供给比较器112-1和112-2中的每个（例如，在操作的放大器基比较器（amplifier-based comparator）的情况下，提供给相应比较器的非反相输入）。此外，每个比较器112-1、112-2分别接收相关的参考信号ref₁(t)和ref₂(t)（即，比较器112-1接收参考信号ref₁(t)而比较器112-2接收参考信号ref₂(t)）。比较器112-1生成表示输入信号input(t)目前大于还是小于参考信号ref₁(t)的比较信号comp₁(t)。同样，比较器112-2生成表示输入信号input(t)目前大于还是小于参考信号ref₂(t)的比较信号comp₂(t)。比较信号comp₁(t)、comp₂(t)形成多个比较信号。在具有用于比较输入信号input(t)和多个参考信号ref_i(t)的两个以上比较器的配置中，由多个比较器所生成的比较信号通常可形成多个比较信号。

要注意的是，在给定的时间，一些比较信号comp_i(t)可以为真，即，它们处于与布尔值“真”相关的第一值（例如，逻辑“1”）。定义第一信号值（“真”或逻辑“1”）表示输入信号input(t)目前大于用于进行比较的参考信号ref_i(t)（当然，也可以是另外的定义）。因此，所有那些比较信号comp_i(t)将会处于第一信号值，对于这个第一信号值，相关的参考信号ref_i(t)目前小于输入信号input(t)。

参照图6中所示的实施方式，多个比较信号comp₁(t)、comp₂(t)被提供给组合逻辑120。组合逻辑120被配置为用于接收多个比较信号comp₁(t)、comp₂(t)并且用于基于多个比较信号生成多个脉宽调制信号PWM₁(t)、PWM₂(t)。多个脉宽调制信号PWM₁(t)、PWM₂(t)相对于第一信号值相互排斥，即，每次至多脉宽调制信号PWM₁(t)、PWM₂(t)中的一个可处于第一信号值（例如，“真”）。这个概念有时也被称为“不相交信号（disjoint signal）”。可在一组OR不相交信号和一组AND不相交信号之间进行区分。根据一种定义（V.D.Agrawal和S.Seth在“Mutually DisjointSignals and Probability Calculation in Digital Circuits”,Proceedings of GreatLakes Symposium on VLSI,1998,第307到312页中提出），在一组OR不相交信号中，在任何时候，至多一个信号可为“真”。根据相关的定义，在一组AND不相交信号中，在任何时候，仅一个信号可为“假”。为了识别目前处于第一信号值的脉宽调制信号，其被称为“目前所选择的（二进制）脉宽调制信号”。每个脉宽调制信号PWM₁(t)、PWM₂(t)与多个比较信号comp₁(t)、comp₂(t)中的一个相关，并且因此，与参考信号ref₁(t)和ref₂(t)中的一个相关。脉宽调制信号PWM₁(t)、PWM₂(t)由组合逻辑120生成，从而使得与特定的参考信号ref_i(t)相关的脉宽调制信号为目前选择的（二进制）脉宽调制信号。就给定的振幅关系而言，在多个参考信号之中，上述特定的参考信号ref_i(t)目前最靠近输入信号input(t)。给定的振幅关系可为小于关系（或少于关系），其表示以输入信号的当前振幅的开始时，估计哪些参考信号目前小于（少于）输入信号，以确定目前小于输入信号的参考信号相应的子集。此外，估计子集内哪些参考信号最靠近输入信号。这样，可确定相对于输入信号的下一个较小的参考信号，并且相关的脉宽调制信号为所选择的脉宽调制信号。当然，振幅关系也可为大于关系（或另一种关系），从而使得可确定相对于输入信号的下一个较大的参考信号。

在图6中，输入信号input(t)和参考信号ref₁(t)、ref₂(t)被示出为模拟信号，并且比较器被示出为模拟比较器。然而，输入信号和/或参考信号可为数字信号。在这种情况下，比较器112-1、112-2可为数字比较器。比较器和/或组合逻辑可被实施为例如现场可编程门阵列（FPGA）或类似的装置。

根据本文中所公开的教导的其他实施方式，脉宽调制器包括用于将输入信号和多个参考信号进行比较的装置、用于提供多个相应的比较信号的装置、以及用于基于多个比较信号生成多个二进制脉宽调制信号的装置。每次至多只有二进制脉宽调制信号的目前选择的二进制脉宽调制信号处于第一信号电平（例如，逻辑“1”），并且其中，目前选择的二进制脉宽调制信号与多个参考信号中的一个特定的参考信号相关，就多个参考信号和输入信号之间的给定的振幅关系而言，在多个参考信号中，所述特定的参考信号为最接近输入信号。

图7示出了根据本文中所公开的教导的一些实施方式的参考信号和相应的层次等级的振幅范围。参考信号可以是时变的，并且因此假设在不同的时间具有不同的振幅。然而，根据一些实施方式，参考函数可具有不相交的振幅范围。这意味着每个参考函数ref₁(t)、ref₂(t)...ref_N(t)具有将不会被其他参考信号使用的专用的振幅范围。要注意的是，在两个振幅范围之间的边界处，可提供小的余量，其可用作两个或以上的参考信号，以避免未覆盖的振幅范围。

参考信号可以三角形信号、锯齿形信号、阶梯信号等形式周期性地变化。

根据层次（hierarchy）或排序方案，可将多个参考信号排序。参考信号的顺序可表示将参考信号的振幅排序，从而使得较高层次等级的参考信号始终具有比较低层次等级的参考信号高的振幅，即，对于所有整数j>0而言，ref_i(t)<ref_i+j(t)。图6的配置中的组合逻辑120可包括至少一个脉宽调制信号修改器（pulse-width modulation signal modifier），如果（下一个）较高层次等级的比较信号处于第一信号值，则所述修改器有条件地强制第一层次等级的（二进制）脉宽调制信号成为第二信号值（例如，逻辑“0”）。如果将参考信号按照振幅排序，则与比目前小于输入信号的参考信号相关的所有的比较信号为真。所有剩余的参考信号将为假。因此，多个比较信号被分成两个紧凑组：所有比较信号为真的较低层次结构组，以及所有比较信号为假的较高层次结构组（要注意的是，这个结论基于参考信号和相关比较信号的排序和层次性能的上述假设）。在以下将描述的图10中示出了脉宽调制信号修改器的一种可能的实施。图7示出了参考信号ref₁(t)、ref₂(t)、...ref_N(t)的振幅范围和相应的层次等级1、2、...N。

图8示出了根据本文中所公开的教导的一些实施方式的放大器配置200的示意性框图。放大器配置200在输入端204接收输入信号input(t)。输入信号input(t)由放大器配置200的脉宽调制器206处理。脉宽调制器206生成分别提供给第一放大器PA₁244-2和第二放大器PA₂244-2的两个控制信号CTRL₁(t)和CTRL₂(t)。第一放大器244-1和第二放大器244-2形成放大器组244。具体地，第一放大器244-1和第二放大器244-2可为开关模式放大器。第一放大器244-1连接至为第一放大器244-1提供第一电源条件的第一电源VB1。第二放大器244-2连接至为第二放大器244-2提供第二电源条件的第二电源VB2。第二电源条件与第一电源条件不同。例如，由第二电源VB2提供给第二放大器244-2的偏置电压可大于由第一电源VB1提供给第一放大器244-1的偏置电压。

第一放大器244-1和第二放大器244-2的输出彼此连接，并形成放大器配置200的共用输出节点252。放大的PWM信号在共用输出节点252处是可用的。第一放大器244-1和第二放大器244-2的输出能够连接，这是因为这两个放大器244-1、244-2中每次至多有一个放大器是可用的。因此，不需要功率组合器或信号组合网络。驱动放大器244-1、244-2经由控制信号CTRL₁(t)、CTRL₂(t)以所述控制信号为不相交的信号的方式通过脉宽调制器206被驱动。因此，至多一个控制信号CTRL₁(t)、CTRL₂(t)可处于第一信号值（例如，逻辑“1”），其使得相关的放大器244-1、244-2为可用的，即，输出信号。

这两个放大器244-1、244-2可具有不同的尺寸。例如，对于比第二放大器244-2小的振幅，第一放大器244-1可达到饱和。结合不同的电源条件，对于这两个放大器244-1、244-2，可选择更合适的放大器，以获得特定的期望的输出振幅。放大器244-1、244-2因此可形成比例放大器组（scaled amplifier bank）。

脉宽调制器206可以与图6中所示的脉宽调制器100相似的方式配置。例如，脉宽调制器206可包括用来将输入信号和多个参考信号进行比较的多个比较器。然后，多个相应的比较信号可由多个比较器提供。此外，组合逻辑可被提供为用来基于多个比较信号生成控制信号CTRL₁(t)、CTRL₂(t)。目前选择的控制信号与多个参考信号中的特定的参考信号相关。就多个参考信号和输入信号之间的给定的振幅关系而言，在多个参考信号中，所述特定的参考信号目前最接近输入信号。

根据本文中所公开的教导的另外的实施方式，用于放大输入信号的放大器配置包括用于使用开关模式放大方案放大信号的第一装置、用于使用开关模式放大方案放大信号的第二装置、用于将电源提供给进行放大的第一装置的装置、用于将电源提供给进行放大的第二装置的装置、以及用于基于输入信号生成用于进行放大的第一装置和第二装置的控制信号的装置，所述控制信号为不相交信号。用于提供电源的第二装置产生与用于提供电源的第一装置不同的电源条件。

输入信号可为数字信号并且脉宽调制器206可为数字电路。

图9示出了根据本文中所公开的教导的一些实施方式的脉宽调制发射器（PWM发射器）300的示意性框图。PWM发射器被示出为在输入端304连接至基带处理器8，而在输出端305连接至天线9。然而，PWM发射器300也可连接至其他装置。具体地，可使用用于进行光学数据传输的光学部件，例如，发光二极管，来代替天线。也可以假设使用PWM发射器以用来驱动连接至输出端305的扬声器。PWM发射器300包括脉宽调制器306和多个开关模式放大器344-1、344-2、...344-N-1、344-N。可选地，PWM发射器300包括输出信号电路370，用于预处理（conditioning）提供给天线9的PWM发射器的输出信号。从基带处理器8中提供的信号可为模拟信号或数字信号。此外，脉宽调制器306可至少部分为数字电路。

脉宽调制器306可为基于经由输入端304从基带处理器8接收的输入信号用来产生多个不相交脉宽调制信号的多级脉宽调制器。在多个开关模式放大器344-1、344-2、...344-N-1、344-N中，每个放大器被配置为接收多个不相交的脉宽调制信号中的相应的脉宽调制信号，从而使得每次多个开关模式放大器中的至多一个为可用的。多个放大器344-1、344-2、...344-N-1、344-N中的至少两个可具有不同的尺寸。通常，所有放大器344-1、344-2、...344-N-1、344-N可具有不同的尺寸。此外，多个开关模式放大器中的至少两个可被提供有不同的电源条件。

放大器344-1、344-2、...344-N-1、344-N的输出可直接连接至PWM发射器300的共用节点352。共用节点352连接至（共用的）输出电路370的输入。

输出电路370可包括方向耦合器，该耦合器的第一端口连接至多个开关模式放大器344-1、344-2、...344-N-1、344-N的输出端。输出电路可进一步包括连接至方向耦合器的第二端口的滤波器。所述滤波器可被配置为用于过滤带外信号分量并且用于通过带内信号分量。所述过滤可包括滤波器将带外信号元件反射回可消散带外信号分量的方向耦合器。方向耦合器例如可为循环器（circulator）。

因此，根据本文中所公开的教导，提出了进行高效操作的多级可重新配置的PWM发射器概念，其可处理高信号带宽。如上所述（例如，见图1至图5及相应的描述），例如，通过比较基带信号|s_BB(t)|的归一化包络和通过多个比较器312-1、312-2、...312-N所获得的不同参考函数ref_k(t)类似地产生PWM信号。为了定义参考函数，将振幅间隔[0,1]划分为N个不重叠的相邻的集合[k_n,k_m]，其中1<n、m<N并且0<k_n<k_m<k_N=1。对于这些间隔中的每个，具有恒定PWM频率f_p的参考函数，例如，三角形函数被定义为如图10中所示，图10示出了基于三角形参考函数的N级脉宽调制器的示意性框图。这些参考函数然后可用于比较器中，如图10中所示，以生成单独的PWM信号。要注意的是，PWM生成并不限于该方案。由于发射器在输出处没有使用任何功率组合器，所以多级PWM信号

${\mathrm{PWM}}_{\mathrm{multi}}\left(t\right)=\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_l{\mathrm{PWM}}_l\left(t\right)$

由不同的振幅加权信号PWM_k(t)构成，而在t时间，仅有一个PWM信号是可用的。这可以通过减去相应的信号在图10中来实现。在图10中所示的配置中，通过脉宽调制信号修改器318来执行相应的信号的减法。脉宽调制信号修改器318包括减法器318-1、318-2。减法器318-1接收由比较器312-1所生成的比较信号以及由比较器312-2所生成的比较信号。从前一个比较信号（由比较器312-2生成）中减去后一个比较信号（由比较器312-2生成）。由于参考信号按照振幅排序，所以由比较器312-1所生成的比较信号随机地取决于由比较器312-2所生成的比较信号。换言之：如果比较器312-2的比较信号（输出）为真，那么比较器312-1的比较信号（输出）也必须为真，这是因为如果输入信号s_BB(t)大于参考信号ref₂(t)，那么其当然也大于参考信号ref₁(t)。因此，由减法器318-1执行的可能的操作为：

除了减法器，还可以使用NOR门或其他逻辑电路。如上所述，可根据层次，将多个参考信号进行排序。NOR门或减法器318-1、318-2的第一输入和第二输入然后可被分别连接至相邻的层次等级的第一比较器312-1和第二比较器312-2的输出。

图10和图1中的多级PWM生成的主要差异在于，图1中的PWM方案生成温度计代码（thermometer code），这表示如果较低的比较器已经导通则仅较高的比较器导通，这图10中示出的PWM方案并非如此。这里仅一个分支同时导通。随后，PWM信号PWM_k(t)由图11中所示的相位调制载波和上变频器436-1、436-2、...436-N，向上变频为RF，并被提供给不同的功率放大器PA_k(444-1,444-2,...444-N)。上变频器436-1、436-2、...436-N生成脉冲调制信号（burst modulated signal）s1(t)、s2(t)、...sN(t)。

具体地，图11示出了没有功率组合器的开关模式发射器400的示意性框图。开关模式发射器400在输入侧连接至基带处理器8并且在输出侧连接至天线9。输入基带信号为复值信号，该信号被调制器406脉宽调制。调制器406将多个PWM信号提供给上变频器436-1、...436-N。每个PWM被上变频器436-1、...436-N中的一个向上变频，从而获得多个RF信号。然后，RF信号被提供给功率放大器444-1、...444-N。每个放大器具有其自身的电源VB1、VB2、...VBN。放大器444-1、...444-N的输出端被连接至共用节点452。输出电路470也连接至共用节点452。输出电路470包括循环器472、50欧姆的终端474、以及带通滤波器476。天线连接至带通滤波器476的输出。

为了重构多级信号并且保持线性，每个脉冲调制信号s₁(t)、s₂(t)、s_N(t)通过不同的PAs444-1、...444-N由相应的系数k₁、k₂、...k_N加权。由于功率放大器的高效率操作仅在放大器被驱动为接近饱和时获得，所以用于每个功率放大器444-1、...444-N的晶体管外围和电源电压需要适合于每个信号s₁(t)、...s_N(t)。由于驱动信号s_N(t)具有的振幅加权为k_N=1，所以在饱和驱动时，放大器PAN(444-N)输出最大的电压摆幅v_max和输出功率，并且因此使用最大的晶体管外围w_N=l_max和最高的电源电压VBN=VB_max。由于所有放大器以相同的负载R_L（N个放大器中仅有一个同时是可用的）并行操作，并且每个放大器需要具有不同的电压摆幅，以形成多级PWM信号，所以可基于调制阈值k_j，按比例调节每个PA的电源电压VB_j=k_j*VB_max。此外，当使用具有相等的最大输入电压摆幅max(s_N(t))=max(s₁(t))的信号驱动每个放大器时，可采用晶体管w_j=k_j*l_max的外围，或者当外围w_j=l_max保持恒定时，必须减小PA的驱动电平。

作为一个实例，图12示出了N=2多级发射器的时域信号，调制阈值k₁设为0.5。具体地，图12示出了调制器阈值为k₁=0.5的参考函数ref_k(t)、上变频射频脉冲s₁(t)、以及相应的多级PWM信号PWMmulti(t)的时域信号，用于N=2多级PWM信号，其恒定的归一化输入信号为|s_BB(t)|=0.6。在该曲线图中，示出了三角形参考函数和恒定的输入电平信号。基于图10中所示的示意图，生成用于每个PA的相应的驱动信号。要注意的是，每次仅驱动一个PA。由于PA被驱动为饱和或者被断开，所以PA以高效模式进行操作。图14分别示出了作为占空比或归一化输入幅度|s_BB(t)|的函数的漏极效率和输出功率。

由于调制信号的平均效率取决于瞬态信号幅度的概率密度函数(pdf)，所以在整个动态输入电压范围上获得高的漏极效率是很重要的。为了通过所提出的发射器结构获得更好的平均效率，可以通过改变调制阈值kj，以将效率特征和输入信号的概率密度函数匹配，来设计发射器。在图13中，示出了调制阈值k₁=0.25的驱动信号，然而在图14中，清楚地示出了对漏极特征的效果（图13的说明：调制器阈值为k₁=0.25的参考函数ref_k(t)、上变频射频脉冲s₁(t)、以及相应的多级PWM信号PWMmulti(t)的时域信号，用于N=2多级PWM信号，其恒定的归一化输入信号为|s_BB(t)|=0.6；图14的说明：作为具有如图11中所示的一组不同的调制器阈值k1的典型的N=2多级B类PA的占空比的函数的效率和输出功率）。根据峰均功率比（PAPR），可以对漏极效率整形，如图15中所示，该图示出了作为具有如图11中所示的一组不同的调制器阈值k1的典型的N=2多级B类PA的输出功率的函数效率。根据调制阈值，第二效率峰值从6dB以下峰值功率改变至12dB以下峰值功率。即使在初始设计(k_n)之后，装置尺寸保持恒定，也可随后通过仅改变调制阈值(k_n<k_m)、电源电压、以及驱动放大器的射频脉冲的最大幅度，来重新配置发射器。

图16示出了调制器阈值为k₁=0.25和k₂=0.5的参考函数ref_k(t)、上变频RF脉冲s₁(t)、s₂(t)、s₃(t)、以及相应的多级PWM信号PWMmulti(t)的时域信号，用于N=3多级PWM信号，其恒定的归一化输入信号为|s_BB(t)|=0.4。

图17示出了调制器阈值为k₁=0.25和k₂=0.5的参考函数ref_k(t)、上变频RF脉冲s₁(t)、s₂(t)、s₃(t)、以及相应的多级PWM信号PWMmulti(t)的时域信号，用于N=3多级PWM信号，其恒定的归一化输入信号为|s_BB(t)|=0.6。

图18为示出作为如图11中所示的具有一组不同的调制器阈值k₁和k₂的典型的N=3多级B类PA的占空比的函数的效率和输出功率的曲线图。

图19为示出作为如图11中所示的具有一组不同的调制器阈值k₁和k₂的典型的N=3多级B类PA的输出功率的函数效率的曲线图。

图20为根据本文中所公开的教导的脉宽调制的方法的示意性流程图。该方法包括将输入信号和多个参考信号进行比较的动作或步骤22。提供多个相应的比较信号，其表示输入信号如何与多个参考信号中的每个相关，例如，相对于振幅。

在所公开的教导的另外的实施方式中，脉宽调制发射器包括用来基于脉宽调制发射器的输入信号生成多个不相交的脉宽调制信号的装置，不相交的脉宽调制信号表示输入信号的瞬态振幅的瞬态振幅范围。脉宽调制发射器进一步包括进行放大的多个装置。进行放大的装置的每个部件被配置为接收多个不相交的脉宽调制信号中的相应的脉宽调制信号，从而每次多个开关模式放大器中的至多一个为可用的。

图20中示意性示出的脉宽调制的方法进一步包括动作或步骤24，在该步骤中，基于多个比较信号，生成多个（二进制）脉宽调制信号。每次至多仅（二进制）脉宽调制信号的目前选择的（二进制）脉宽调制信号处于第一信号值。目前选择的脉宽调制信号（通常根据定义或提前）与多个参考信号中的特定的参考信号相关。就多个参考信号和输入信号之间给定的振幅关系而言，在多个参考信号之中，该特定的参考信号为最接近输入信号的一个参考信号。

多个参考信号可具有不相交的振幅范围。

根据该方法，振幅阈值（或更多的振幅阈值）可变化，其表示多个参考信号中的第一参考信号的第一振幅范围和第二参考信号的第二振幅范围之间的边界。以这种方式，多个参考信号可动态地适合于输入信号的概率密度函数，从而使得信息内容更均匀地分布在不同的脉宽调制信号中。例如，可通过评估输入信号的概率密度函数的单元来控制阈值的变化。另一个选择在于，将阈值调整为目前使用的移动通信标准（UMTS、LTE、WCDMA等）的函数。除了振幅阈值以外，一个或多个放大器的电源条件也可变化，放大器分别由多个脉宽调制信号中的一个控制。

该方法可进一步包括生成多个参考信号从而使得参考信号周期性地变化的动作。

根据层次，可将多个参考信号排序。如果（下一个或紧接着下一个）较高层次等级的比较值处于第一信号值，则可将第一层次等级的脉宽调制信号强制变成为第二信号值。

图21示出了用来传输输入信号的方法的示意性流程图。该方法包括基于输入信号生成多个不相交的脉宽调制信号的动作或步骤26。不相交的脉宽调制信号表示输入信号的瞬态振幅的瞬态振幅范围。此外，该方法包括动作或步骤28，其中，将多个不相交的脉宽调制信号提供给多个开关模式放大器。每个开关模式放大器被配置为接收多个不相交的脉宽调制信号中的相应的脉宽调制信号，从而使得每次多个开关模式放大器中至多一个为可用的。

尽管就设备的上下文描述了一些方面，但是这些方面显然也表示相应的方法的描述，其中，模块或装置与方法步骤或方法步骤的特征对应。同样，在方法步骤上下文中所描述的方面也表示描述相应模块或项目或相应设备的特征。方法步骤中的一些或全部可以通过（使用）硬件设备，例如，微处理器、可编程计算机或电子电路来执行。在一些实施方式中，最重要的方法步骤中的某一个或多个可由这样的设备来执行。

Claims (26)

1.一种脉宽调制器，包括

多个比较器，用于将输入信号和多个参考信号进行比较并且用于提供多个相应的比较信号；以及

组合逻辑，用于接收所述多个比较信号并且用于基于所述多个比较信号生成多个二进制脉宽调制信号，其中，每次至多仅所述二进制脉宽调制信号中的目前选择的二进制脉宽调制信号处于第一信号电平，并且其中，所述目前选择的二进制脉宽调制信号与所述多个参考信号中的特定的参考信号相关，就所述多个参考信号和所述输入信号之间的给定的振幅关系而言，在所述多个参考信号中，所述特定的参考信号目前最接近所述输入信号。

2.根据权利要求1所述的脉宽调制器，其中，所述多个参考信号具有不相交的振幅范围。

3.根据权利要求1所述的脉宽调制器，其中，所述多个参考信号周期性地变化。

4.根据权利要求1所述的脉宽调制器，其中，所述多个参考信号和所述输入信号之间的给定的振幅关系为大于关系、大于或等于关系、小于关系、以及小于或等于关系中的一种。

5.根据权利要求1所述的脉宽调制器，其中，根据层次，将所述多个参考信号排序，并且其中，所述组合逻辑包括至少一个脉宽调制信号修改器，如果较高层次等级的比较信号处于第一信号值，则所述修改器有条件地将第一层次等级的二进制脉宽调制信号强制变成为第二信号值。

6.根据权利要求1所述的脉宽调制器，其中，所述组合逻辑包括NOR门和减法器中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的脉宽调制器，其中，根据层次，将所述多个参考信号排序，并且其中，所述NOR门或所述减法器的第一输入和第二输入被分别连接至相邻层次等级的第一比较器和第二比较器的输出。

8.根据权利要求1所述的脉宽调制器，进一步包括并联的输出接口，用于将所述多个二进制脉宽调制信号作为控制信号提供给多个不同的偏置的开关模式放大器。

9.一种用于放大输入信号的放大器配置，所述放大器配置包括：

第一开关模式放大器；

第二开关模式放大器；

用于所述第一开关模式放大器的第一电源；

用于所述第二开关模式放大器的第二电源，生成与所述第一电源不同的电源条件；以及

脉宽调制器，用于基于所述输入信号生成用于所述第一开关模式放大器和所述第二开关模式放大器的控制信号，所述控制信号为不相关的信号。

10.根据权利要求9所述的放大器配置，其中，每次至多一个所述控制信号处于第一信号值，所述第一信号值使得所述第一开关模式放大器和所述第二开关模式放大器中相应的一个可用，从而使得每次所述第一开关模式放大器和所述第二开关模式放大器中的至多一个是可用的。

11.根据权利要求9所述的放大器配置，其中，所述第一开关模式放大器和所述第二开关模式放大器具有不同的尺寸。

12.根据权利要求9所述的放大器配置，其中，所述脉宽调制器包括

多个比较器，用于将所述输入信号和多个参考信号进行并且用于提供多个相应的比较信号；以及

组合逻辑，用于接收所述多个比较信号并且用于基于所述多个比较信号生成控制信号，其中，目前选择的控制信号与所述多个参考信号中的特定的参考信号相关，就所述多个参考信号和所述输入信号之间给定的振幅关系而言，在所述多个参考信号中，所述特定的参考信号目前最接近所述输入信号。

13.根据权利要求9所述的放大器配置，其中，所述第一开关模式放大器和所述第二开关模式放大器形成或属于比例放大器组。

14.根据权利要求9所述的放大器配置，其中，所述第一开关模式放大器和所述第二开关模式放大器的输出直接连接至所述放大器配置的共用输出节点。

15.一种脉宽调制发射器，包括：

多级脉宽调制器，用于基于所述脉宽调制发射器的输入信号生成多个不相交的脉宽调制信号，所述不相交的脉宽调制信号表示所述输入信号的瞬态振幅的瞬态振幅范围；以及

多个开关模式放大器，每个开关模式放大器被配置为接收所述多个不相交的脉宽调制信号的相应的脉宽调制信号，从而使得每次所述多个开关模式放大器中的至多一个是可用的。

16.根据权利要求15所述的脉宽调制发射器，其中，所述开关模式放大器的输出直接连接至所述脉宽调制发射器的共用输出节点或共用输出电路。

17.根据权利要求15所述的脉宽调制发射器，进一步包括多个频率转换器，每个频率转换器被配置为偏移相应的脉宽调制信号并且将相应的频移脉宽调制信号提供给相应的开关模式放大器。

18.根据权利要求15所述的脉宽调制发射器，其中，所述多个开关模式放大器中的至少两个具有不同的尺寸。

19.根据权利要求15所述的脉宽调制发射器，其中，所述多个开关模式放大器中的至少两个被提供有电源条件不同的电功率。

20.根据权利要求15所述的脉宽调制发射器，进一步包括

方向耦合器，其第一端口连接至所述多个开关模式放大器的输出；以及

滤波器，连接至所述方向耦合器的第二端口，所述滤波器被配置为用于过滤带外信号分量或将带外信号分量反射回所述方向耦合器并且使得带内信号分量通过。

21.一种用于脉宽调制的方法，所述方法包括：

将输入信号和多个参考信号进行比较并且提供多个相应的比较信号；

基于所述多个比较信号生成多个二进制脉宽调制信号，其中，每次至多仅所述二进制脉宽调制信号中的目前选择的二进制脉宽调制信号处于第一信号值，并且其中，所述目前选择的二进制脉宽调制信号与所述多个参考信号中的特定的参考信号相关，就所述多个参考信号和输入信号之间给定的振幅关系而言，在所述多个参考信号中，所述特定的参考信号目前最接近所述输入信号。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多个参考信号具有不相交的振幅范围。

23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：

改变振幅阈值，所述振幅阈值表示所述多个参考信号的第一参考信号的第一振幅范围和第二参考信号的第二振幅范围之间的边界。

24.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：

生成所述多个参考信号，从而使得所述多个参考信号周期性地变化。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，根据层次，将所述多个参考信号排序，并且其中所述方法进一步包括：

如果较高层次等级的比较值处于第一信号值，则使得第一层次等级的二进制脉宽调制信号强制变成为第二信号值。

26.一种用于传输输入信号的方法，所述方法包括：

基于输入信号生成多个不相交的脉宽调制信号，所述不相交的脉宽调制信号表示所述输入信号的瞬态振幅的瞬态振幅范围；以及

将所述多个不相交的脉宽调制信号提供给多个开关模式放大器，每个开关模式放大器被配置为接收所述多个不相交的脉宽调制信号中的相应的脉宽调制信号，从而使得每次所述多个开关模式放大器中的至多一个为可用的。

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