CN1538763A - 一种脉冲宽度调制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种适用于包络消除和恢复技术中的脉冲宽度调制方法以及实现该方法的装置。首先将输入幅度信号通过PWM调制而得到的输出信号与输入幅度信号相减，提取误差信号；将输入幅度信号通过PWM调制而得到的输出信号经过高效率放大后，通过低通滤波，获得滤波信号；误差信号取反，经过低通滤波、辅助线性放大，获得放大的误差信号低频部分；将滤波信号和误差信号低频部分相加，获得调制信号。对PWM调制造成的非线性进行校正，降低PWM调制采样速率，改善信号的线性度，降低信号恢复滤波器的设计难度，增加通道带宽。由此能使EE&R放大器的设计难度和整体性能得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及移动通信系统中调制技术领域。
技术背景
近年来，移动通信在全世界范围内蓬勃发展，移动用户数目急剧增长，无线频率资源的空前紧张。为了更加有效地利用频谱资源，许多通信系统并采用了频谱利用率较高的调制方式。这些调制方式不仅对载波的相位进行调制，同时也调制了载波的幅度，因此会产生有较大的峰平比的非恒包络调制信号。较大的峰平比对宽带发信通道尤其是大动态数模转换器、宽带发信机和宽带功放(BPA)部分提出了更高的线性要求。这是因为半导体器件在大信号下具有不可避免的的非线性特性，当宽带功放工作在非线性区时，会产生严重的互调和杂散分量，造成频谱泄漏，带来对其它信道或系统的严重干扰。为此，许多通信系统规定了严格的射频指标，对宽带功放(BPA)的线性度提出了较高要求。对于移动通信设备而言，利润最高的产品是基站设备，而基站设备中制造成本最高的当属射频功放。因此降低制造成本首先就需要降低功放的成本。
基站对功放的要求主要有以下几个方面：
线性度好：基站越来越多的采用线性功放；
效率高：常常占据功耗的大头；
可靠性高：但往往功放的可靠性是是系统可靠性的瓶颈；
成本低：往往功放的成本占基站系统物料的很大一部分比例；
体积小：一般占据系统的较大部分；
可维护性强：许多是独立的模块，有监控保护功能；
易生产：尽量减少装配调试的难度。
其中提高线性度和降低成本是摆在通信设备制造商面前的两难问题。
线性化技术发展至今，出现了诸多方案，包括：笛卡儿环(Cartesian Loop)、极点环(Polar Loop)、包络消除与恢复(Envelope Elimination and Restore，EE&R)、利用非线性器件的线性放大(LINC)/组合模拟锁环全局调制器(CALLUM)、前馈(Feedforward)、射频/中频模拟预失真(RF/IF Predistortion)、基带预失真(Baseband Predistortion)等。由于带宽限制和实用性等原因，上述许多线性化方法没有得到广泛应用，线性化技术与效率增强技术类别相互关联，难有明确的界线。
EE&R技术是一种射频高效率线性化技术，可用于射频放大器或完整的线性发射机。采用EE&R技术和开关放大器实现一种高效率、低成本的宽带线性功放的方案，是目前通信业界研究的热点，能使基站/终端设备使用线性性能要求不高的高频功率器件就能够满足宽带功放线性度指标要求，从而大幅度地降低基站设备的成本。
所谓EE&R技术，是指把信号先变换到极坐标系，分解为幅度和相位两部分。分别对幅度和相位放大，然后合并恢复成原来的信号的过程。EER功放的原理框图如图1所示：
首先，输入信号分解为幅度和相位两部分信号。幅度支路信号经过调制、放大，相位信号经过调相称为带相位信息的射频载波信号，幅度与载波在主功放合成为射频输出信号。
其中，幅度支路的幅度调制有多种方法。EE&R中常用的是脉冲宽度调制(Pulse Wide Modulation，PWM)方法。
PWM是指利用调制信号的采样值控制脉冲载波的宽度随之线性变化，而脉冲幅度保持恒定。简单点说，是以一定的频率输出占空比与输入信号成线性关系的连续脉冲。图2为PWM调制的图例及参数示意图。
PWM调制需要两个输入参数：脉冲频率和脉冲占空比。其中，脉冲频率类似于抽样频率，影响整个PWM通道的带宽；脉冲占空比，其精度类似抽样后的量化误差。
脉冲宽度调制器将非恒包络幅度信号转换成脉冲宽度调制信号，这是一个恒包络的二电平开关信号，后面可使用效率很高的开关放大器放大，然后通过一个低通滤波器恢复幅度。为提高效率，载波信号也进行限幅，成为调相的方波信号。主功放也是一个高效率开关放大器。显然，相比传统的线性功放，其开关功放的供电信号已不再是恒定的直流源，而是放大后的包络信号。该系统具有传统功放不可比拟的高效率特性。
EE&R技术之所以带来高效率的优点，是因为它将信号分解并调制为恒包络的和开关状态的幅度和相位信号，能够使用高效率开关放大器。
虽然EE&R技术有如此多的优点，但是实现时有很多现实的困难，影响了它的应用。幅度和相位分离，使幅度相位信号频谱都有很大的扩展，要求两支路的带宽比较宽。另外，PWM调制有两个特点：其一，PWM调制实质上是对脉冲相位进行调制的过程，是一种非线性变换，故恢复原始信号仅仅依靠低通滤波器或积分器是不够的，还需要通过对应的非线性逆变换(近似)。其二，如果PWM调制用数字方式实现，则时钟频率等于脉冲的分辨率*脉冲频率，该值相当高。
所以为保证线性度，目前的措施是采用很高的PWM调制采样速率。同时，由于需要抑制PWM调制带来的谐波，又需要保持幅度和后面用于恢复放大后幅度信号的滤波器设计也有难度，低通滤波器带宽限制，影响合成后信号的线性指标。
发明内容
本发明的目的就是提出一种适用于包络消除和恢复技术(EnvelapeElimination and Restore，EE&R)中的脉冲宽度调制(Pulse Wide Modulation，PWM)方法以及实现该方法的装置。对PWM调制造成的非线性进行校正，降低PWM调制采样速率，改善信号的线性度，降低信号恢复滤波器的设计难度，增加通道带宽。由此能使EE&R放大器的设计难度和整体性能得到提高。
一种脉冲宽度调制方法，适用于包络消除和恢复技术(Envelope Eliminationand Restore，EE&R)中，包括以下步骤：
a、将输入幅度信号A(t)通过PWM调制而得到的输出信号与输入幅度信号A(t)相减，提取误差信号；
b、将输入幅度信号A(t)通过PWM调制而得到的输出信号经过高效率放大后，通过低通滤波，获得信号Ap(t)；
c、将步骤a中所述误差信号取反，经过低通滤波、辅助线性放大，获得放大的误差信号低频部分Ek(t)；
d、将步骤b所述的信号Ap(t)和步骤c所述的信号Ek(t)相加，获得信号Aout(t)。
步骤a进一步包括将输入幅度信号A(t)分成两路相同的信号，一路通过PWM调制，与另一路信号相减，获得误差信号。
步骤b中所述的高效率放大是由开关功率放大器完成。
一种实现上述脉冲宽度调制方法的装置，至少包括一个PWM调制器、一个减法器、一个开关功率放大器、一个辅助线性放大器、两个低通滤波器、一个加法器，所述PWM调制器对输入幅度信号进行调制，所述减法器将经过PWM调制的信号和原输入幅度信号相减得到误差信号，经过PWM调制的信号再通过所述开关功率放大器放大，发送给第一低通滤波器，得到信号Ap(t)，误差信号通过第二低通滤波器后，发送给所述辅助线性放大器，得到信号Ek(t)，所述加法器将信号Ap(t)与信号Ek(t)相加，得到信号Aout(t)。
采用本发明，可以校正PWM非线性，降低PWM采样速率要求和设计难度，克服EER放大器的幅度带宽限制，实现高效率、高线性度的射频放大器。
附图说明
图1是EE&R数字功放原理示意图；
图2是PWM信号波形示意图；
图3是本发明的PWM调制及前馈校正示意图；
图4是包含本发明的EE&R放大器结构图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明的具体实施方式。
根据前面的分析，幅度支路的PWM调制输出包含基频部分和丰富的高频成分，放大后的PWM调制信号依靠一低通滤波器恢复幅度信号特性。这对滤波器特性提出了很高的要求，而且整个幅度支路的线性度不太理想。
本发明采用前馈方式，将原幅度信号与PWM输出信号相减，提取误差信号。然后将PWM信号用开关放大器放大，而误差信号用辅助的非线性放大器放大。最后，将误差信号从PWM信号中扣除，恢复幅度信号。
该实施方式步骤和装置结构如图3所示。
首先，输入信号A(t)进入PWM调制器301，完成脉冲宽度调制，输出二电平脉冲宽度调制信号，脉冲的宽度包含幅度信息。减法器302将信号A(t)减去PWM调制器301的输出信号，获得A(t)与PWM调制后信号的误差信号。这里将PWM调制器301的输出符号取反，也就是说，减法器302输出误差信号取反。开关功率放大器303用于放大二电平开关信号，PWM调制器301的输出信号经开关功率放大器303高效率放大后，通过一低通滤波器304获得信号Ap(t)。
误差信号经低通滤波器305滤波和辅助线性放大器306线性放大后，得到放大的误差信号低频部分Ek(t)输入加法器307。在加法器307与反相误差信号相加这样就获得了信号Aout(t)，特性与输入信号A(t)一致。
由于PWM调制输出Ap(t)含有丰富的高频分量，误差信号E(t)比较大。低通滤波器305的作用是滤除能量大的高频分量，保留主要低频分量误差。这里的低通滤波器通带可以比较宽，过渡带要求也不严格。低通滤波器305输出的Ep(t)信号就是小误差信号，经过一个辅助线性放大器，可以保持好的线性度。在加法器307中原信号支路与误差支路合成，为保证误差抵消效果，要求两支路的延时、幅度和相位特性一致。
将本发明PWM调制和前馈校正装置用于EE&R放大器，整个装置如图4所示。
输入信号Vin(t)经分解模块401分解为幅度A(t)和相位Φ(t)，幅度A(t)经过前面所述的PWM调制及前馈校正模块402；相位支路Φ(t)在载波产生及限幅模块403被调制成载波，并进行限幅。由于是恒包络信号，主功放可以是高效率的非线性放大器。输出幅度信号Aout(t)作为供电信号，在主功放404上与载波信号相乘，获得放大的射频信号Vout(t)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1、一种脉冲宽度调制(Pulse Wide Modulation，PWM)方法，适用于包络消除和恢复技术(Envelope Elimination and Restore，EE&R)中，其特征在于包括以下步骤：
a、将输入幅度信号A(t)通过PWM调制而得到的输出信号与输入幅度信号A(t)相减，提取误差信号；
b、将输入幅度信号A(t)通过PWM调制而得到的输出信号经过高效率放大后，通过低通滤波，获得信号Ap(t)；
c、将步骤a中所述误差信号取反，经过低通滤波、辅助线性放大，获得放大的误差信号低频部分Ek(t)；
d、将步骤b所述的信号Ap(t)和步骤c所述的信号Ek(t)相加，获得信号Aout(t)。
2、如权利要求1所述的脉冲宽度调制方法，其特征在于：步骤a进一步包括将输入幅度信号A(t)分成两路相同的信号，一路通过PWM调制，与另一路信号相减，获得误差信号。
3、如权利要求1或2所述的脉冲宽度调制方法，其特征在于：步骤b中所述的高效率放大是由开关功率放大器完成。
4、一种实现权利要求1所述脉冲宽度调制方法的装置，其特征在于：该装置至少包括一个PWM调制器、一个减法器、一个开关功率放大器、一个辅助线性放大器、两个低通滤波器、一个加法器，所述PWM调制器对输入幅度信号进行调制，所述减法器将经过PWM调制的信号和原输入幅度信号相减得到误差信号，经过PWM调制的信号再通过所述开关功率放大器放大，发送给第一低通滤波器(304)，得到信号Ap(t)，误差信号通过第二低通滤波器(305)后，发送给所述辅助线性放大器，得到信号Ek(t)，所述加法器将信号Ap(t)与信号Ek(t)相加，得到信号Aout(t)。
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