CN1391740A - 用于产生射频信号的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

为了从输入的低频或中频信息信号(SIN)中产生高功率已调射频(RF)信号(SOUT)，所述信息信号被在量化器(108)中脉冲整形，以形成一个具有离散信号值的数字信号(SD)。数字信号被在开关单元(106)中处理，该开关单元包括用于每个信号值的开关(SW1，SW2，…，SWM)、用于每个开关产生射频载波的射频载波发生器(210)、以及用于每个开关控制其打开和闭合的控制电路(216)。当一个开关被闭合时，其相关的发生器被连接到开关单元的输出线，并且当其被打开时，发生器被从中断开连接。在开关单元中，通过当数字信号分别采用或者不采用与各自开关相关的信号值时，打开和闭合开关来形成携带输入信号信息的开关射频信号(SSW)。这样，开关被数字信号的信号值所控制。在开关单元的输出线上的开关信号被一个滤波器(208)滤波，以获得高功率已调RF信号(SOUT)。

Description

用于产生射频信号的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及产生已调射频信号，更具体而言是涉及一个低频或中频信息信号的调制和放大以产生一个高功率射频(RF)信号。
背景技术
近些年来，无线电通信领域中的发展产生了对于高功率射频放大器的增长的需要。一个原因是对于使用时间相关的包络的调制方法的增加的使用，这些使用时间相关的包络的调制方案例如是QAM(正交幅度调制)、OFDM(正交频分调制)和CDMA(码分多址)。另一个原因是向多载波无线电(MCR)的发展。
在蜂窝网络中，终端能够连接到无线电基站。在无线电基站中，需要发射机部分中的一个线性高功率放大器，用来为每个无线电信道提供足够的功率以达到由基站覆盖的小区的外边界。传统上，在无线电频率功率放大器中的效率和线性之间有一个折衷。例如，C类型放大器具有高效率，但是没有足够的线性，而例如A类型放大器非常线性，但是效率低。
当相同的放大器被用于在不同载波上调制的几个信息信号的同时放大或者当诸如QAM的线性调制被使用时，需要高线性。这是因为，在这种情况下，有关的信号分量的所有相位和幅度位置在都需要在放大中被保持。如果许多载波在一个单独的放大器中被放大，则总信号的包络将是时间相关的，即使单独的信号不是这样。如果没有获得线性，则信号分量之间的互调将出现，或者已放大信号和的频谱将变宽，从而导致与其它信道上的信号的干扰。
这样，由于需要高功率的同时还需要非常严格的线性，所以寻找用于例如MCR(多载波无线电)基站维持高效率的解决方案是尤其困难的。
出版的国际专利申请WO98/11683中，发明人L.Hellberg等人公开了一种用于产生具有高效率和线性的中等宽带(即包括MCR信号)的高功率RF信号的方法。在该方法中，使用一个增量-总和调制器来从信息信号中产生数字信号，随后是数字上混频和随后的开关和带通滤波。增量-总和调制利用一个量化过程将模拟(或者高多电平数字)信号变换为只含有M个(优选地，但不是必需相等间隔的)电平。然后，带通滤波器滤去在该过程中产生的所谓量化噪声。开关过程提供放大。带通滤波器的输入通过M个开关连接到M个不同的恒定电压。在一个给定的时间，一个并且只有一个开关闭合，而所有其它开关打开。数字控制信号(数字上混频增量-总和编码基带信号)确定那个开关是闭合的。增量-总和放大器具有一个等于“载波”频率两倍的开关频率。这些开关都连接到DC电压。
如果理想的开关(以及理想的带通滤波器)被使用，则放大器将具有100％的效率和线性。但是，实际的开关并非是理想的，因此它们要消耗功率，并且无法获得100％的线性。功率被消耗是由于闭合开关两端之间的压降以及流经打开的开关的泄漏电流。
此外，开关具有在闭合和打开状态之间有限的转换次数。这导致开关瞬变的一个问题。如果在开关瞬变的某个时期中，两个开关同时闭合，即都在一个低阻抗状态，则将导致几乎短路的电源。
另一方面，如果在开关瞬变期间，所有开关同时打开，即都在高阻抗状态，则带通滤波器将产生一个电压瞬变。带通滤波器必须对于带外信号具有高的输入阻抗。为此原因，在开关瞬变的短时间间隔中，它可以考虑为一个恒定电流发生器。该恒定电流通过高阻抗开关，产生一个高电压瞬变。这消耗瞬变电源，可能产生非线性，并且甚至降低开关的寿命。从带通滤波器中获取需要的选择性也是较困难的，这是因为它将看到一个时变阻抗。
减小瞬变问题的一个方法是使用更快的开关。不过，通常在速度、闭合开关的导电率(对于打开状态中的给定的最小“闭合阻抗”)以及所需要的控制信号功率之间有一个折衷。这样，小的瞬变损耗将意味着例如稳态“闭合”状态中的较高欧姆损耗(或者较高的控制信号功率)。
发明内容
本发明涉及用于产生已调射频(RF)信号的方法和设备。本发明特别涉及用于低频或中频信息信号的调制和放大以产生高功率RF信号的方法和设备。
本发明的一个目的是克服当由量化和开关而产生高功率RF信号时的瞬变问题。
本发明的另一个目的是通过降低开关频率而使用较低功率来控制开关。
本发明通过从低频或中频信息信号中产生高功率已调RF信号来达到上述目的。为执行上述操作，利用诸如增量-总和调制器的量化器来对信息信号脉冲整形，以形成具有离散信号值或信号电平或者具有指示离散信号电平的值的数字信号，产生一个或多个射频载波，并且利用数字信号来调制射频载波。通过利用数字信号控制开关、将不同的载波电压连接到一个公共输出端来实现调制以及放大。所述设备原则上根据数字信号的给定信息内容作为数字信号与载波的一个模拟混频器而工作。然后，已混频信号被带通滤波，以消除诸如边带和量化噪声的不希望的频谱分量。
本发明通过连接交流载波电压代替现有技术的直流电压来解决开关瞬变的问题。
在规则的时间间隔上，载波电压具有零交叉，即它们具有瞬时值零伏特。如果开关事件符合零交叉，则开关瞬变问题得到解决。
考虑这样一个开关事件，其中开关“A”首先被闭合而另一个开关“B”被打开。然后，选择通过首先闭合开关“B”并且稍后打开“A”来执行开关。这样，在开关瞬变过程中，两个开关瞬时都被闭合，但是这并未将载波发生器、“电源”短路，这是因为开关事件的定时被选择符合载波电压的零交叉。这导致带通滤波器总是连接到一个低阻抗，因此不会出现开关瞬变。在一个优选实施例中，如果载频是量化器输出抽样频率的倍数，则可能选择开关事件在零交叉上发生。载波电压不必须是正弦曲线。在一些实施例中，可能选择载波的谐波和子谐波内容，以便它在开关事件周围的某个事件间隔中保持接近零。
此外，本发明给出了一个较低的开关频率，即连续的开关事件之间的时间间隔较长。本发明中的开关频率最好等于量化器的输出抽样频率，其典型地是基带宽度的两倍乘以附加抽样速率，加上某个保护间隔。
可以获得的优点包括一个较低的开关频率和控制开关所需的降低的功率。
附图说明
根据附图中所示的优选实施例的以下描述可以显而易见本发明的前述以及其它目的、特征和优点，附图中的参考符号指各图中相同的部分。
附图无需按比例，重点在于说明本发明的原理。附图中：
图1表示包括在一个移动电信系统中的小区的示意图，该小区包括一个无线电基站，
图2是用于图1的基站中的发射机部分的电路图，
图3是用于两值量化信号的发射机部分的电路图，以及
图4a-4e是用于图3的发射机部分的不同信号的定时波形图。
具体实施方式
见图1，无线电通信系统100的一部分包括至少一个覆盖小区104的无线电基站102。该基站包括一个发射机部分106，其进而又包括一个量化器108和一个开关单元110，以便为基站的每个无线电信道提供足够的功率来达到小区104的外边界112。
在图2中，示出发射机部分106的第一个实施例接收进入的在量化器108中被量化的低频或中频基带信息信号SIN，以产生具有或指示“M”个离散信号电平，即S1，S2，...，SM的数字信号SD。数字信号SD表示简单或者积分转换成两个信号分量的可以是模拟或数字的进入信息信号SIN(基带信号)的版本。数字信号SD一般通过这样一个过程来产生：该过程包括在量化器中抽样并因此具有抽样频率fs，并且通常它具有不同的形状和形式以及不同的类型。数字信号SD中所包括或该信号所指示的离散值包括一个或多个比特。量化器108可以是例如增量-总和调制器，该调制器在包括在此作为参考的所引用的WO98/11683中被描述。增量-总和调制器将一个输入信号变换成为具有至少两个电平的信号。数字信号SD具有通常最小可能的少量比特，即M＝2(一个比特)，以便在这种情况下，只有两个量化电平，逻辑上可以用例如-1和+1表示。抽样流中比特数的减小导致进入的多电平数字信号以及进入的模拟信号的失真。该失真可以近似为“噪声”，所谓的量化噪声，并且可以通过带通滤波而被消除。
具有M个电平或指示M个信号电平的数字信号SD被提供给开关单元110的M个开关SW1，SW2，...，SWM的控制端。这些开关的每一个连接到各自的射频载波发生器210，以便一旦闭合开关，相应的载波就在这些开关的公共输出端206处成为可用，所述输出端是开关单元的输出线。根据数字信号SD的值或者该信号所指示的值来控制所述开关，以便如果数字信号SD的值例如等于1，则SW1被闭合，并且所有其它开关被打开。因此，数字信号SD的一个给定值确定在公共输出端206处可用的射频载波电压Am*Vc(t)。每个开关的实际控制优选地通过将数字信号通过一个开关控制部分耦合到各自的开关来实现，所述开关控制部分可以包括逻辑控制电路216，其被连接以接收数字信号SD，并将一个控制信号输出到各自开关的控制端。可以用形式A1*Vc(t)，A2*Vc(t)，...，AM*Vc(t)来表示射频载波，其中A1，A2，...，AM表示载波幅度，并且载波电压函数Vc(t)表示它们一般的时间相关。函数Vc(t)可以由不同的函数来构成并且可以具有不同的形状。幅度对应于数字信号SD的值或者该信号所指示的值，即量化器的输出值。在最简单的情况下，载波电压Vc(t)是正弦曲线函数，Vc(t)＝cos(2πfcarriert)。如果载波电压Vc(t)是正弦曲线并且在如图4d所示的顶部正电平L1和底部负电平-L1之间变化，则载波电压具有在规则的间隔时间出现的零交叉L0，即它在某个周期重复的时刻具有零伏特的值。开关将产生出现在开关单元110的公共输出端206的开关射频信号SSW，这是因为一个并且只有一个开关在一个时间是闭合的，除了在开关瞬变过程中短时间中可能存在开关同时闭合。可以通过连接到公共输出端206的带通滤波器208来消除组合信号中不希望的噪声。总之，一个高功率已调射频信号SOUT被从一个低频或中频信息信号SIN中产生，并且它被发送到天线214，也参见图1。
开关单元110对数字信号SD进行混频和放大。这些开关作为由SD调制载波信号的模拟高功率混频器工作。当一个给定开关闭合时，其相关的载波在输出端成为可用，导致一个给定幅度的高功率已调RF信号。开关信号的功率依赖于载波电压，并且当数字信号SD被用于开关一个高功率载波时，获得放大。
这样，开关单元110将数字信号SD转换成为携带信息的开关射频信号SSW。开关信号SSW包括可以由滤波器208消除的一个不希望的频谱。可以根据已知的方法来在发生器210中产生射频载波。最简单的方法是产生一个正弦曲线载波。非正弦曲线载波的产生更复杂，但是其具有的优点是可能选择载波在每个开关事件处或其周围的某个有限时间段中保持接近零，见图4e的波形图。通常，如果载波的谐波频率分量是量化器108的输出抽样频率fs的倍数，则开关事件可以被选择总是发生在载波的零交叉。
图3表示一个两电平系统(即其中M＝2的系统)的可能实现。该实现使用一个大概理想的变压器302，其同样地但是相对地连接到次级线圈，以产生两个载波信号Vc(t)和-Vc(t)，变压器在其初级侧从一个产生电压vC(t)的基本(base)发生器接收一个电压。这样，第一开关S1连接到对地的电压Vc(t)，而第二开关SW2连接到电压-Vc(t)。这两个开关如上所述连接到公共输出端206，其连接到带通滤波器208的输入端。来自滤波器208的已调RF信号SOUT用于馈给天线214。来自量化器108的具有指示输入信号的两个不同电平的两个电平的数字信号SD被提供给开关单元110的两个开关SW1和SW2的控制端。变换电路306在输出线上从量化器108连接到第二开关SW2的端子。数字信号SD从而根据数字信号的值+1或-1来控制开关。在所示出的图4a-4c中，当量化器108输出逻辑值+1时，第一开关SW1闭合，并且第二开关SW2打开。当量化器输出逻辑电平-1时，第一开关SW1打开而第二开关SW2闭合。分频器304连接到基本发生器(其连接到变压器302的初级侧)的输出端，以提供一个信号到量化器来控制其抽样频率。从而载波产生与量化器的抽样频率fs同步。进行同步以便保证开关事件总是发生在载波信号的零交叉。在这个实施例中，描述了一种两电平系统。可以用作量化器的增量-总和调制器的一个众所周知的事实是两电平系统对于调制器中的电子元件的不匹配较不敏感。这样，例如在开关在其中进行的一个或两个载波幅度中的一个幅度错误不引入失真。不过，在三电平或多电平系统中，由于在其中进行开关的载波幅度与幅度的标称值之间的偏离而产生失真。
如果载波电压是正弦曲线，则已调数字信号SD将被变换，以便Fb的基带频率分量将在Fc-Fb与Fc+Fb结束，在此Fc是载频。放置在交换信号SSW形成之后的带通滤波器208被用于滤去无用边带(对于基带中的所有Fb-s的Fc-Fb或Fc+Fb)。带通滤波器208还滤去来自量化器108的(频率变换的)量化噪声。
滤去无用边带的另一个方法是使用基于正交信号的替代消除设备(212)。在这种情况下，两个相位差为90度的已调基带信号被使用，例如cos(2πfcarriert)和cos(2πfcarriert-π/2)。这两个信号控制两个不同的混频器或开关单元110中的开关。开关单元包括产生具有90度相位差的载波的载波发生器。来自开关单元的信号被在一个或多个带通滤波器之前或者之后相加。此外，在这个设备中，来自增量-总和调制器的(频率变换的)量化噪声被一个或多个带通滤波器滤去。
上述替代方法的稍微不同的变体是既不滤去也不消除任一边带，而是将它们用作两个线性无关的信道，并且将它们用在传统的正交相位I和Q设备中。此外，在该变体中，来自调制器的频率变换的量化噪声被一个或多个带通滤波器滤去。
如果载波不是正弦曲线，并且含有一个以上的频率分量，则已调基带信号的拷贝将落在带通滤波器上。不过，如果载波的所有频率分量都是量化器的抽样频率的整数倍，则所有这些分量被对准以便一个特定的基带频率分量被映射到所有拷贝的相同射频上。载波含有其基本频率的谐波以及子谐波，只要它们都是量化器的抽样频率的整数倍，这是因为载波将不产生所得的RF信号的任何失真。
尽管任何数量Mf2的等距或非等距的“载波”幅度可以被使用，但是最实用的设备是如图3的电路那样只使用两个电平，或使用三个电平。
如果开关事件被选择来符合零交叉，则如下所述没有开关瞬变存在。假设一个开关事件发生在具有两个开关的设备中，见图3，其中一个开关被闭合而另一个打开。如果执行开关，以便在第二个开关被打开稍前将第一个开关闭合，见图4b、4c，则两个开关在瞬变时刻瞬时闭合。这不会将由载波发生器表示的“电源”短路，这是因为开关事件的定时被选择来符合载波电压的零交叉，此时没有电源供给。在这种开关策略中，带通滤波器总是连接到一个低阻抗，这是因为所述开关中的一个或者两个闭合。
除了解决开关瞬变问题之外，上述开关单元还通常给出较低的开关频率，即连续开关事件之间的时间间隔较长。它等于量化器108的输出抽样频率fs，例如基带的两倍乘以附加抽样速率加某个保护间隔，这是因为在开关单元中，载波和信息信号、已编码基带信号的混频发生在开关事件中。
一个双稳开关只有在从一个状态改变到另一个状态，即从闭合到打开和从打开到闭合时，才消耗控制信号功率。对于一个准双稳开关，也非常近似地是这样。这样，如果使用双稳开关或者准双稳开关，则所需要的控制信号功率与开关频率成比例。因为上述设备的等于量化器的输出抽样频率的较低开关频率，所以它需要用于开关控制的较少功率，并给出一个较高效率的放大器。这例如应用于BOSS、双稳光控半导体开关和MOSFET、金属氧化物半导体场效应晶体管。因此，所需要的控制信号功率与开关频率成比例。这导致控制开关所需要的较少功率，并且给出一个具有较高效率的放大器。
这里描述的开关单元可以有利地应用于其中信号具有时间相关包络的各种发射机中。这特别包括使用MCR概念的无线电基站，但是也包括用于各种标准的手机、用于无线局域网(LAN)的调制解调器等。
在不偏离本发明精神或实质特征的条件下，可以用其它特定形式来实现上述的本发明。因此，上述实施例在各方面都应当被认为是说明性而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而非前述的说明书来指明，并且因此在权利要求的等价物范围和意义内的所有可能性都要被包括在本发明中。

Claims (17)

1.一种通过以下步骤来在输出线上从低频或中频信息信号(SIN)中产生一个高功率已调射频(RF)信号(SOUT)的方法：
-使用具有一个抽样频率的抽样来对信息信号脉冲整形，以形成一个具有至少两个离散信号值的数字信号(SD)；
-为每个离散信号值产生一个载波；
-将信息信号放大并混频以产生一个携带信息信号的开关射频信号；以及
-将开关射频信号滤波以获得高功率已调射频信号；
其特征在于：在产生步骤中，载波被产生作为交流射频电压，并且在放大和混频步骤中，在数字信号的离散信号值的控制下，通过将与各自类似信号值相关的载波连接到输出线上来执行放大。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于在产生步骤中，载波被产生以具有数字信号的抽样频率的倍数的频率。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于在产生步骤中，载波被产生为正弦曲线信号。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于在滤波步骤中，进行带通滤波以便滤去由在混频和放大步骤中被控制的载波的连接所产生的失真和/或无用边带。
5.根据权利要求1-4的任何一个的方法，其特征在于在混频和放大步骤中，在连接载波中，任何一个载波的连接开始或结束的时间被选择符合各自载波等于零或者接近于零的时刻，以避免在连接开始或结束过程中的能量损耗。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于在产生步骤中，载波被产生作为频率分量之和的非正弦曲线信号，所有这些分量具有抽样频率的整数倍的频率。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于在产生步骤中，载波被产生以在任何载波的连接被开始或结束的时间或者在该时间周围的时间周期中保持接近于零。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于信息信号被正交转换成两个分量，以便在脉冲整形步骤中，两个数字信号被形成，其中的每一个具有至少两个离散信号值，并且在产生步骤中，载波被为两个数字信号的每个信号值而产生，为数字信号之一的信号值产生的载波具有关于为两个数字信号中的另一个的信号值而产生的载波的90度的相位差。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于边带被用作如正交相位I和Q设备中的两个线性无关的信道。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于当使用一个带通滤波器时，在混频和放大步骤中形成的信号被在滤波器之前相加。
11.根据权利要求8的方法，其特征在于当使用两个带通滤波器时，信号被在带通滤波器之后相加。
12.根据权利要求8的方法，其特征在于一个或一个上的滤波器是滤去由放大所引起的失真的带通滤波器。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于在脉冲整形步骤中，一个只具有两个信号值的数字信号被形成。
14.用于从低频或中频信息信号(SIN)中产生高功率已调射频(RF)信号(SOUT)的设备(106)，该设备包括：
-一个量化器(108)，用于根据一个抽样频率而对信息信号脉冲整形，以形成一个具有至少两个离散信号值的数字信号(SD)；
-一个开关单元(110)，其连接到量化器以接收数字信号并且包括载波发生器(210)，一个单独的发生器被提供给并且与至少两个信号值中的每一个相关；以及
-一个滤波器(208)，其连接到开关单元的输出线，以获得高功率已调RF信号，
其特征在于载波发生器被安排来产生交流射频载波电压，并且在于开关单元包括开关(SW1，S2，...，SWM)，用于获得携带信息信号的信息内容的开关射频信号(SSW)，所述开关中的每一个与数字信号的信号值的单独一个相关并由其控制，以在数字信号采用各自的信号值时，将与信号值相关的载波连接到输出线，并且当数字信号不采用各自的信号值时，将载波断开连接。
15.根据权利要求14的设备，其特征在于量化器包括一个增量-总和调制器。
16.根据权利要求14或15的设备，其特征在于滤波器是一个将由被控制的载波的连接和断开连接所产生的无用信号和失真滤去的带通滤波器。
17.根据权利要求14-16的任何一个的设备，其特征在于载波发生器包括一个耦合到单独的发生器元件以产生具有不同幅度的载波电压的变压器(302)。
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