DE102009019423A1

DE102009019423A1 - Modulationssystem und Verfahren für geschaltete Verstärker

Info

Publication number: DE102009019423A1
Application number: DE102009019423A
Authority: DE
Inventors: Peter Singerl; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: DE102009019423B4; US20090270056A1; US8064856B2

Abstract

Ein Leistungsverstärker (100; 150; 500) umfasst einen Basisbandmodulator (106; 506), welcher ausgestaltet ist, eine Basisbandamplitudenkomponente (102; 502) zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508) zu erzeugen, einen Oszillator (112; 513), welcher ausgestaltet ist, eine Basisbandphasenkomponente (104; 504) zum Empfangen und phasenmodulierte komplexe Trägersignale (114; 514, 515) zu erzeugen, einen komplexen Aufwärtswandler (110; 510), welcher ausgestaltet ist, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508) zu empfangen und mit den phasenmodulierten komplexen Trägersignalen (114; 514, 515) zu gemischten Produktsignalen (116; 516, 517) zu mischen, und zwei oder mehr Schaltbetriebsleistungsverstärker (120; 521, 522), welche mit dem komplexen Aufwärtswandler (110; 510) gekoppelt sind und ausgestaltet sind, die gemischten Produktsignale (116; 516, 517) bei der Trägerfrequenz zu verstärken und zu schalten. Der Leistungsverstärker (100; 150; 500) umfasst ferner komplexe Filter (124; 531, 532), welche einzeln mit einem von den Schaltbetriebsleistungsverstärkern (120; 521, 522) gekoppelt sind und ausgestaltet sind, Spiegelkomponenten (460, 462) in den verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignalen (122; 523, 524) zu unterdrücken, und einen Leistungskombinierer (130; 540), welcher mit den zwei oder mehr komplexen Filtern (124; 531, 532) gekoppelt ist und ausgestaltet ist, die Realkomponenten der komplex gefilterten und verstärkten ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker, insbesondere einen Leistungsverstärker für eine Basisstation, wie z. B. eine UMTS-Basisstation, und ein Verfahren für ein effizientes Verstärken und Modulieren eines komplexen Trägersignals, insbesondere für eine Basisstation.
Hintergrund der Erfindung
Bandbreiteneffiziente Modulationsverfahren mit einer nichtkonstanten Hüllkurve werden in Basisstationen der dritten und weiteren Generationen verwendet. Es ist genau diese Schwankung, welche zu der Anforderung führt, „quasi lineare” Hochfrequenzleistungsverstärker mit einem breiten Unteraussteuerungsbetriebsbereich, einem sog. „Back-Off Operating Point”, zu betreiben, um die hohen Linearitätsanforderungen zu erfüllen, welche üblicherweise durch einen Standard spezifiziert sind. Eine Verwendung dieser Betriebsart führt jedoch zu einer schlechten Effizienz, welche sich beträchtlich in den Produktions- und Betriebskosten der Basisstation widerspiegelt.
Es gibt eine Reihe von Maßnahmen, welche verwendet werden können, um die Effizienz unter den gegebenen Linearitätsanforderungen zu verbessern. Dies kann durch spezielle Hochfrequenzleistungsverstärkerarchitekturen erreicht werden, welche verbesserte Transistortechnologien verwenden, und durch spezielle Linearisierungsschaltungen, welche sowohl in dem Hochfrequenzbereich als auch in dem digitalen Basisband realisiert werden können. Die gesamte Effizienz, welche durch diese Verfahren gemäß dem Stand der Technik erreicht werden kann, beträgt jedoch nur näherungsweise 30% Dementsprechend gibt es weiterhin einen Bedarf, um die Effizienz von Leis tungsverstärker- und Modulationssystemen für Basisstationen zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Bedarf durch einen Leistungsverstärker für eine Basisstation nach Anspruch 1, einen Leistungsverstärker nach Anspruch 13, einen Leistungsverstärker für eine Basisstation nach Anspruch 22 und ein Verfahren für ein effizientes Verstärken und Modulieren eines komplexen Trägersignals für eine Basisstation nach Anspruch 27 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Nachfolgend wird eine vereinfachte Zusammenfassung der Erfindung dargelegt, um ein grundlegendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Offenbarung der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick und soll weder den Kern oder kritische Elemente der Erfindung noch den Umfang davon begrenzen. Vielmehr liegt der Hauptzweck der Zusammenfassung darin, einige Konzepte in einer vereinfachten Form als Einleitung für die detailliertere nachfolgende Beschreibung darzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Leistungsverstärker bereitgestellt, welcher einen Basisbandmodulator aufweist, welcher ausgestaltet ist, eine Basisbandamplitudenkomponente zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge zu erzeugen. Der Leistungsverstärker weist ferner einen Oszillator auf, welcher ausgestaltet ist, eine Basisbandphasenkomponente zu empfangen und phasenmodulierte komplexe Trägersignale zu erzeugen. Weiterhin umfasst der Leistungsverstärker einen komplexen Aufwärtswandler, welcher ausgestaltet ist, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge zu empfangen und mit den phasenmodulierten komplexen Trägersignalen in gemischte Produktsignale zu mischen. Außerdem umfasst der Leistungsverstärker zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker, wel che mit dem komplexen Aufwärtswandler gekoppelt sind und ausgestaltet sind, die gemischten Produktsignale bei einer Trägerfrequenz, welche in den gemischten Produktsignalen codiert ist, zu verstärken und zu schalten. Der Leistungsverstärker umfasst ferner zwei oder mehr komplexe Filter, welche jeweils mit einem der Schaltbetriebleistungsverstärker gekoppelt sind und ausgestaltet sind, Spiegelkomponenten in den verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignalen zu unterdrücken, und einen Leistungskombinierer, der mit den zwei oder mehr komplexen Filtern gekoppelt ist und ausgestaltet ist, die Realkomponenten der komplex gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignale zu kombinieren, um ein Funkfrequenzübertragungssignal zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum effizienten Verstärken und Modulieren eines komplexen Trägersignals für eine Basisstation offenbart, welches eine Basisbandmodulation verwendet, während Spiegelkomponenten in dem gewünschten Funkfrequenzbereich unterdrückt werden. Das Verfahren weist ein Empfangen einer Basisbandamplitudenkomponente und ein Erzeugen einer basisbandmodulierten Impulszeichenfolge sowie ein Empfangen einer Basisbandphasenkomponente und ein Erzeugen eines phasenmodulierten komplexen Trägersignals auf. Das Verfahren umfasst ferner ein Aufwärtswandeln der basisbandmodulierten Impulszeichenfolge mit dem phasenmodulierten komplexen Trägersignal, wodurch ein gemischtes Produktsignal erzeugt wird, und ein Schalten und Verstärken des gemischten Produktsignals bei einer Trägerfrequenz, welche in dem gemischten Produktsignal codiert ist. Schließlich umfasst das Verfahren ferner ein komplexes Filtern, um Spiegelkomponenten in dem Verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignal zu unterdrücken, und ein Bilden der Realkomponente des komplexen gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignals, um ein Funkfrequenzübertragungssignal zu erzeugen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsverstärker für eine Basisstation bereitgestellt. Der Leistungsverstärker umfasst einen Basisbandmodulator, einen Oszillator, einen komplexen Aufwärtswandler, zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker, zwei oder mehr komplexe Filter und einen Leistungskombinierer. Der Basisbandmodulator ist ausgestaltet, eine Basisbandamplitudenkomponente zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge zu erzeugen. Der Oszillator ist ausgestaltet, eine Basisbandphasenkomponente zu empfangen und phasenmodulierte komplexe Trägersignale zu erzeugen. Der komplexe Aufwärtswandler ist ausgestaltet, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge zu empfangen und mit den phasenmodulierten komplexen Trägersignalen zu gemischten Produktsignalen zu mischen. Die zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker, sog. „switched-mode” Leistungsverstärker, sind mit dem komplexen Aufwärtswandler gekoppelt und ausgestaltet, die gemischten Produktsignale bei einer Trägerfrequenz, welche in den gemischten Produktsignalen codiert ist, zu verstärken und zu schalten. Die zwei oder mehr komplexen Filter sind jeweils mit einem entsprechenden der Schaltbetriebleistungsverstärker gekoppelt und ausgestaltet, Spiegelkomponenten in den verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignalen zu unterdrücken. Der Leistungskombinierer, welcher mit den zwei oder mehr komplexen Filtern gekoppelt ist, ist ausgestaltet, Realkomponenten der komplex gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignale zu kombinieren, um ein Funkfrequenzübertragungssignal zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Leistungsverstärker weiterhin ein Funkfrequenzbandpassfilter, welches mit dem Ausgang des Leistungskombinierers gekoppelt ist. Das Funkfrequenzbandpassfilter ist ausgestaltet, das Funkfrequenzübertragungssignal auf eine geforderte Spektralmaske zu filtern.
Der Leistungsverstärker kann ferner eine Antenne umfassen, welche mit einem Ausgang des Funkfrequenzbandpassfilters gekoppelt ist.
Der Leistungsverstärker kann für eine Verwendung in einer Basisstation ausgestaltet sein, welche zu UMTS-Standards konform ist.
Der Basisbandmodulator kann einen Impulsbreitenmodulator oder einen Delta-Sigma-Modulator umfassen.
Der Basisbandamplitudenkomponente kann eine zeitabhängige Hüllkurve der Trägerfrequenz zugeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform stellt die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge einen Zeitbereich der Trägerfrequenz dar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der komplexe Aufwärtswandler einen I/Q-Modulator, welcher beispielsweise ein Quadraturmodulator sein kann.
Die zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker können in einer Schaltbetriebsart arbeiten, welche eine Klasse-D- oder eine Klasse-E-Schaltbetriebsart umfasst.
Der Oszillator kann einen spannungsgesteuerten Oszillator oder einen digitalen Schaltkreis umfassen, welcher ausgestaltet ist, komplexe Trägersignale auf der Grundlage der Basisbandphasenkomponente zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der komplexe Aufwärtswandler einen ersten und einen zweiten Mischer, welche jeweils einzeln mit dem Basisbandmodulator und dem Oszillator gekoppelt sind, und wobei der erste Mischer mit einem ersten komplexen Trägersignal gekoppelt ist und der zweite Mischer mit einem zweiten komplexen Trägersignal gekoppelt ist.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Leistungsverstärker bereitgestellt, welcher einen Basisbandmodulator, einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen I/Q-Modulator, zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker, zwei oder mehr komplexe Filter und einen Leistungskombinierer umfasst. Der Basisbandmodulator ist ausgestaltet, eine Basisbandamplitudenkompondente, welcher eine zeitabhängige Hüllkurve einer Trägerfrequenz zugeordnet ist, zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge, welche einen Zeitbereich darstellt, zu erzeugen. Der spannungsgesteuerte Oszillator ist ausgestaltet, eine Basisbandphasenkomponente zu empfangen und phasenmodulierte komplexe Trägersignale zu erzeugen. Der I/Q-Modulator ist ausgestaltet, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge zu empfangen und mit den phasenmodulierten komplexen Trägersignalen zu gemischten Produktsignalen zu mischen. Die zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker arbeiten in einer Klasse-D-Betriebsart oder einer Klasse-E-Betriebsart. Die zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker sind mit dem I/Q-Modulator gekoppelt und ausgestaltet, die gemischten Produktsignale bei einer Trägerfrequenz, welche in den gemischten Produktsignalen codiert ist, zu verstärken und zu schalten. Die zwei oder mehr komplexen Filter sind einzeln jeweils mit einem der Schaltbetriebleistungsverstärker gekoppelt und ausgestaltet, Spiegelkomponenten in den verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignalen zu unterdrücken. Der Leistungskombinierer ist mit den zwei oder mehr komplexen Filtern gekoppelt und ausgestaltet, die Realkomponenten der komplex gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignale zu kombinieren, um ein Funkfrequenzübertragungssignal zu erzeugen.
Der Leistungsverstärker kann ferner ein Funkfrequenzbandpassfilter umfassen, welches mit dem Ausgang des Leistungskombinierers gekoppelt ist und ausgestaltet ist, das Funkfrequenzübertragungssignal gemäß einer gewünschten Spektralmaske zu filtern.
Der Leistungsverstärker kann weiterhin eine Antenne umfassen, welche mit dem Funkfrequenzbandpassfilter gekoppelt ist.
Der Leistungsverstärker kann für eine Verwendung in einer Basisstation ausgestaltet sein, welche normgerecht zu UMTS-Standards ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Basisbandmodulator einen Impulsbreitenmodulator oder einen Delta-Sigma-Modulator.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der I/Q-Modulator einen ersten und einen zweiten Mischer, welche einzeln mit dem Basisbandmodulator und dem spannungsgesteuerten Oszillator gekoppelt sind. Der erste Mischer ist mit einem ersten komplexen Trägersignal gekoppelt und der zweite Mischer ist mit einem zweiten komplexen Trägersignal gekoppelt.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform umfasst der I/Q-Modulator einen komplexen Aufwärtswandler. Der komplexe Aufwärtswandler umfasst einen ersten und einen zweiten Mischer, welche einzeln mit dem Basisbandmodulator und dem Oszillator gekoppelt sind. Der erste Mischer ist mit einem ersten komplexen Trägersignal gekoppelt und der zweite Mischer ist mit einem zweiten komplexen Trägersignal gekoppelt.
Der Leistungsverstärker kann zwei oder mehr Funkfrequenzbandpassfilter umfassen, welche mit dem Ausgang des Leistungskombinierers gekoppelt sind und ausgestaltet sind, das Funkfrequenzübertragungssignal auf eine gewünschte Spektralmaske hin zu filtern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Leistungsverstärker für eine Basisstation bereitgestellt. Der Leistungsverstärker umfasst ein Basisbandmodulationsmittel, ein Phasenmodulationsmittel, ein Aufwärtswandlermittel, ein Schalt- und Verstärkungsmittel und ein Leistungskombiniermittel. Das Basisbandmodulationsmittel ist ausgestaltet, eine Basisbandamplitudenkomponente zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge zu erzeugen. Das Phasenmodulationsmittel ist ausgestaltet, eine Basisbandphasenkomponente zu empfangen und ein phasenmoduliertes komplexes Trägersignal zu erzeugen. Das komplexe Aufwärtswandlermittel ist ausgestaltet, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge zu empfangen und die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge und das phasenmodulierte komplexe Trägersignal zu einem gemischten Produktsignal zu mischen. Das Schalt- und Verstärkungsmittel ist ausgestaltet, das gemischte Produktsignal bei einer Trägerfrequenz, welche in dem gemischten Produktsignal codiert ist, zu verstärken und zu schalten. Das komplexe Filtermittel ist ausgestaltet, Spiegelkomponenten in dem verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignal zu unterdrücken. Das Leistungskombiniermittel ist ausgestaltet, Realkomponenten der komplex gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignale zu kombinieren, um ein Funkfrequenzübertragungssignal zu erzeugen.
Das Basisbandmodulationsmittel kann einen Impulsbreitenmodulator oder einen Delta-Sigma-Modulator umfassen.
Das Phasenmodulationsmittel kann einen spannungsgesteuerten Oszillator umfassen, welcher ausgestaltet ist, die Basisbandphasenkomponente zu empfangen und ein erstes und ein zweites komplexes Trägersignal zu erzeugen.
Das komplexe Aufwärtswandlermittel kann einen ersten und einen zweiten Mischer umfassen. Der erste und der zweite Mischer sind einzeln mit dem Basisbandmodulationsmittel und dem Phasenmodulationsmittel gekoppelt. Der erste Mischer ist mit einem ersten komplexen Trägersignal gekoppelt und der zweite Mischer ist mit einem zweiten komplexen Trägersignal gekoppelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für ein effizientes Verstärken und Modulieren eines komplexen Trägersignals für eine Basisstation bereitgestellt, wobei Spiegelkomponenten in dem gewünschten Funkfrequenzbereich unter Verwendung einer Basisbandmodulation unterdrückt werden. Das Verfahren umfasst ein Empfangen einer Basisbandamplitudenkomponente und ein Erzeugen einer basisbandmodulierten Impulszeichenfolge. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Empfangen einer Basisbandphasenkomponente und ein Erzeugen eines phasenmodulierten komplexen Trägersignals. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Aufwärtswandeln der basisbandmodulierten Impulszeichenfolge mit dem phasenmodulierten komplexen Trägersignal, wodurch ein gemischtes Produktsignal erzeugt wird. Gemäß dem Verfahren wird das gemischte Produktsignal bei einer Trägerfrequenz, welche in dem gemischten Produktsignal codiert ist, geschaltet und verstärkt. Bei dem Verfahren werden Spiegelkomponenten in dem verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignal durch komplexes Filtern unterdrückt. Schließlich wird die Realkomponente des komplex gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignals gebildet, um ein Funkfrequenzübertragungssignal zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin ein Filtern des Funkfrequenzübertragungssignals gemäß einer gewünschten Spektralmaske.
Kurzbeschreibungen der Zeichnungen
Die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen legen spezielle veranschaulichende Aspekte und Ausführungsformen im Detail dar. Diese zeigen nur einige wenige der vielen verschiedenen Arten, auf welche die offenbarten Prinzipien verwendet werden können.
1A ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Leistungsverstärkers für eine Basisstation, welcher ein Schaltbetriebverstärkerkonzept mit einem komplexen Filtern und einem Leistungskombinieren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet.
1B ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Basisbandmodulators, eines Realteilaufwärtswandlers, und eines Schaltbetriebverstärkers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Leistungsverstärkern der 1A verwendet werden können.
2 ist eine grafische Darstellung der Basisbandfrequenzsignale eines Impulsbreitenmodulators, wie er gemäß einer Ausführungsform in dem Leistungsverstärker der 1A verwendet werden kann.
3 und 4 sind grafische Darstellungen der Basisbandzeitbereichsignale des Impulsbreitenmodulators, wie er gemäß einer Ausführungsform in dem Leistungsverstärker der 1A verwendet werden kann.
5 und 6 sind grafische Darstellungen der Hochfrequenzspektren nach einem Mischen auf den Hochfrequenzträger, z. B. hinter dem Mischer in dem Leistungsverstärker der in 1A gezeigten Ausführungsform.
7 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Leistungsverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welcher einen Basisbandmodulator und einen Schaltbetriebverstärker verwendet.
8 ist eine grafische Darstellung der Spektren des impulsbreitenmodulierten Basisbandsignals und des impulsbreitenmodulierten Signals nach einer komplexen Aufwärtswandlung, wie z. B. hinter dem komplexen Aufwärtswandler in dem Leistungsverstärker gemäß der Ausführungsform der 7.
9 ist eine grafische Darstellung des Absolutwertes der Frequenzantwort eines Realteil- und eines komplexen Bandpass filters dritter Ordnung, wie z. B. des Bandpassfilters der in 7 gezeigten Ausführungsform.
10 ist eine grafische Darstellung der Spektren vor und nach dem Filtern mit dem komplexen Bandpassfilter der 9, welcher in dem Leistungsverstärker der Ausführungsform der 7 verwendet wird.
11 und 12 sind grafische Darstellungen des Spektrums des gewünschten Ausgangssignals und des Spektrums nach einem komplexen Filtern und eines Leistungskombinierens, wie es z. B. an dem Leistungsverstärker gemäß der in 7 gezeigten Ausführungsform zu sehen ist.
Detaillierte Beschreibung
Mehrere Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben werden, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnlich Elemente über die gesamte Beschreibung hinweg zu bezeichnen. Es werden Systeme und Verfahren für ein effizientes Verstärken und Modulieren eines komplexen Trägersignals für eine Basisstation offenbart, wobei Spiegelkomponenten in dem gewünschten Funkfrequenzbereich unterdrückt werden, wobei z. B. ein Basisbandmodulator, ein komplexer Aufwärtswandler, Schaltbetriebverstärker, ein komplexes Filtern und ein Kombinieren von Leistungen verwendet wird.
Da die gesamte von herkömmlichen Funkfrequenzleistungverstärkungsverfahren erreichbare Effizienz immer noch ziemlich niedrig ist, beispielsweise bei näherungsweise 30%, gibt es einen Bedarf, die Effizienz von Funkfrequenzleistungsverstärkern und Modulationssystemen von Basisstationen zu verbessern. Diese Effizienz kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erheblich verbessert werden, beispielsweise auf näherungsweise 60%, indem Schaltbetriebverstärker, wie z. B. Klasse-F-, inverse Klasse-F-, Klasse-D-Verstärker usw., an statt der „quasi linearen” Hochfrequenzleistungsverstärker (z. B. Verstärker im AB-Betrieb) verwendet werden. Da in idealen Schaltern im Allgemeinen Strom und Spannung nicht gleichzeitig auftreten, kann somit eine höhere Effizienz erzielt werden. Wenn diese Arten von geschalteten Verstärkern für Anwendungen mit bandbreiteneffizienten Modulationsverfahren (z. B. UMTS-Basisstationen) verwendet werden, werden spezielle Schaltkreise (Modulatoren) offenbart, welche sowohl die zeitabhängige Phase als auch die zeitabhängige Hüllkurve (Amplitude) der Trägerfrequenz in dem Zeitbereich codieren, um diese geschalteten Verstärker anzusteuern, so dass das ursprüngliche Hochfrequenzübertragungssignal mit Hilfe eines möglichst einfachen Demodulationsmittels wieder gewonnen werden kann, z. B. durch Verwenden von Bandpassfiltern (BPF).
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden das Codieren der zeitabhängigen Phase und das Codieren der Hüllkurve (Amplitude) im Gegensatz zu den herkömmlichen Bandpassmodulationsverfahren in dem Basisband ausgeführt. Die Basisbandmodulationstechnik kann z. B. mit Delta-Sigma- oder mit Impulsbreitenmodulatoren ausgeführt werden. Ein Vorteil der Verwendung eines Impulsbreitenmodulators ist, dass das Spektrum sich ausschließlich um Vielfache der Impulsbreitenmodulationsreferenzfrequenz konzentriert, wodurch Lücken in dem Spektrum bereitgestellt werden, welche vorteilhafterweise verwendet werden können, um das geforderte Signal/Rauschverhältnis in dem Hochfrequenzbereich zu erzielen. Ein Vorteil der Basisbandmodulation ist, dass die Schaltfrequenz verglichen zu der der Bandpassmodulationstechnik verringert werden kann. Diese niedrigere Schaltfrequenz ergibt ein höheres Effizienzpotential für die Bandpassmodulationstechnik und die Spektralkomponenten werden stärker um den Träger konzentriert, was im Allgemeinen einen Verstärker mit einer schmaleren Bandbreite erfordert.
Dementsprechend wird gemäß einer Ausführungsform ein komplexes Basisbandmodulationsverfahren für geschaltete Verstärker bereitgestellt, um einen hocheffizienten Leistungsverstärker bereitzustellen, welcher für Basisstationen und weitere Anwendungen geeignet ist, welche derartige Basisbandmodulationsschaltbetriebleistungsverstärker verwenden können. Dadurch werden Vorteile gegenüber bisherigen Leistungsverstärkerrealisierungen erreicht, welche eine hohe Effizienz und Leistungs- und Kostenersparnisse umfassen.
Bezugnehmend auf 1A ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vereinfachte schematische Darstellung eines Schaltbetriebleistungsverstärkersystems 100 für eine Basisstation dargestellt, welches ein Basisbandmodulationskonzept und ein Konzept mit geschalteten Verstärkern verwendet, welches ein komplexes Filtern und ein Leistungskombinieren aufweist. Gemäß der Ausführungsform umfasst das Leistungsverstärkersystem 100 einen Ansteuerschaltkreis 101, welcher einen Basisbandmodulator 106 (z. B. einen Impulsbreitenmodulator (PWM) oder einen Delta-Sigma-Modulator), einen komplexen Aufwärtswandler 110 einer komplexen Ausführungsform, welche z. B. einen oder mehrere I/Q-Mischer und einen (in 1A nicht explizit gezeigten) Steuerschaltkreis umfasst, und einen Oszillator 112 (z. B. einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) oder einen anderen digitalen Schaltkreis) aufweist. Der Leistungsverstärker 100 umfasst ferner einen oder mehrere Schaltbetriebleistungsverstärker 120, zwei oder mehrere komplexe Filter 124 (z. B. komplexe Bandpassfilter (BPF)) und einen Leistungskombinierer 130. Der Leistungsverstärker 100 kann ferner ein Funkfrequenzfilter (RF-Filter) 134, wie z. B. ein Bandpassfilter (BPF), und eine Antenne 140 zum Übertragen eines Funkfrequenzsignals (RF-Signal) aufweisen.
Der Leistungsverstärker 100 ist ausgestaltet, im Betrieb eine Basisbandamplitudenkomponente α(t) 102 an dem Impulsbreitenmodulator (PWM) 106 des Ansteuerschaltkreises 101 zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge 108, einem Zeitbereich α(t) + d(t) entspricht, zu erzeugen. Der Leis tungsverstärker 100 empfängt ferner eine Basisbandphasenkomponente φ(t) 104 an dem Eingang des Oszillators 112. Der Oszillator 112 ist ausgestaltet, die Basisbandphasenkomponente φ(t) 104 zu empfangen und phasenmodulierte komplexe Trägerfrequenzsignale
114 zu erzeugen. Der komplexe Aufwärtswandler 110 ist ausgestaltet, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge 108 (welche einem Zeitbereich α(t) + d(t) entspricht) zu empfangen und mit den phasenmodulierten komplexen Trägersignalen
114 zu gemischten Produktsignalen 116 zu mischen. Der komplexe Aufwärtswandler 110 weist eine komplexe Ausgestaltung auf, z. B. verwendet er I/Q-Mischer, um die ungewünschten Imaginärkomponenten, welche durch die breite Bandbreite des PWM-Ausgangssignals innerhalb des Signalbandes um die Trägerfrequenz ±ω_c bewirkt werden, gemäß den Anforderungen der Standards zu minimieren.
Die zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker 120, welche mit dem komplexen Aufwärtswandler 110 gekoppelt sind, sind ausgestaltet, diese gemischten Produktsignale 116 bei einer Trägerfrequenz, welche in den gemischten Produktsignalen 116 codiert ist, zu verstärken und zu schalten. Insbesondere werden die realen Ausgangssignale (der gemischten Produktsignale) 116 des Aufwärtswandlers 110 in 1A, welche sog. Bursts sind, die bezogen aufeinander um 90° phasenverschobene Funkfrequenzschwingungen aufweisen, von den zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärkern 120 auf die gewünschte Ausgangsleistung verstärkt. Die zwei oder mehr komplexen Filter 124 sind einzeln mit einem der Schaltbetriebleistungsverstärker 120 gekoppelt und ausgestaltet, Spiegelkomponenten in den verstärkten gemischten Produktsignalen 122, welche an dem Ausgang der Leistungsverstärker 120 erzeugt werden, zu unterdrücken.
Der Leistungskombinierer 130, welcher an seinem Ausgang den Realteil des Eingangssignals oder der Eingangssignale bilden kann (was in 1A mit der Funktion Re{} dargestellt ist) ist mit den zwei oder mehr komplexen Filtern 124 gekoppelt und ist ausgestaltet, die Realkomponenten der komplex gefilterten und verstärkten gemischten Produktsignale 126 von den Ausgängen der zwei oder mehr komplexen Filter 124 zu kombinieren, um ein Funkfrequenzübertragungssignal 132 zu erzeugen. Danach kann das Funkfrequenzübertragungssignal 132 mit einem Bandpassfilter (BPF) 134 weiter gefiltert werden, um konform zu den geforderten Spektralmasken (wie sie von gewählten Kommunikationsstandards, wie z. B. UMTS, GSM, usw. vorgegeben sind) zu sein, und über die Antenne 140 übertragen werden.
Obwohl das Leistungsverstärkersystem 100 hierin mit einem Impulsweitenmodulator (PWM), einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einem komplexen Aufwärtswandler oder Mischern, Schaltbetriebleistungsverstärkern (SPA), komplexen Filtern, einem Kombinierer und Bandpassfiltern (BPF) als ein Beispiel beschrieben wurde, sollte es klar sein, dass viele Veränderungen an derartigen Komponenten und Einrichtungen durchgeführt werden können und all diese Veränderungen unter den Umfang der Erfindung fallen sollen. Eine Spiegelsignalunterdrückung kann auch mit anderen Mitteln ausgeführt werden, welche auch unter den Umfang der Erfindung fallen sollen.
1B stellt eine Ausführungsform eines Schaltbetriebleistungsverstärkersystems 150 dar, welches einen Basisbandmodulator 106 (z. B. einen Impulsweitenmodulator (PWM) oder einen Delta-Sigma-Modulator), einen Realteilaufwärtswandler 110 und einen geschalteten Verstärker 120 umfasst, welches z. B. in dem Leistungsverstärkersystem 100 der 1A verwendet werden kann.
Ausgangspunkt für die Beschreibung der Leistungsverstärkungssysteme 100 bzw. 150 der 1A bzw. 1B und für die Betrachtung der Basisbandmodulationstechnik ist ein Hochfrequenzsignal, welches sowohl amplitudenmoduliert als auch phasenmoduliert ist und welches in der nachfolgenden Form beschrieben werden kann: x(t) = α(t)cos(ωct + φ(t)) (1)
Diese Signalform ist jedoch auf Grund der schwankenden Hüllkurve α(t) nicht für geschaltete Verstärker geeignet. Wenn diese Hüllkurve mit einem Impulsbreitenmodulator (z. B. dem PWM 106) codiert wird, ergibt dies ein Rechteckwellenausgangssignal von konstanter Frequenz (welche von der PWM-Referenzfrequenz abhängt), wobei die Impulsbreite davon in einer linearen Art und Weise mit der Amplitude der Hüllkurve ansteigt. Die PWM-Frequenz muss gemäß der Bandbreite der Hüllkurve und den Anforderungen an das Signal/Rauschverhältnis gewählt werden. Der Zeitbereich 108 des Ausgangssignals des PWM-Modulators 106 ist in 1A α(t) + d(t). Um dieses Spektrum in die Bandpassposition der Trägerfrequenz zu verschieben (s. 1B), wird das Rechteckwellenausgangssignal 108 des PWM 106 (rein mathematisch, wobei eine Realisierung keinen Muliplizierer erfordert) mit dem phasenmodulierten Träger (cos(ω_ct + φ(t)) 114 multipliziert, welcher beispielsweise von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) oder von einem Digitalschaltkreis, wie z. B. einem VCO/Digitalschaltkreis 112 der 1A erzeugt wird. Nach diesem Vorgang erhält man an dem Ausgang des Mischers 110 sogenannte Bursts 116 mit phasenmodulierten Funkfrequenzschwingungen, mit welchen der geschaltete Verstärker 120 z. B. in einer Klasse-D-Betriebsart effizient betrieben werden kann. Die Bursts 116 können beispielsweise Signale mit phasenmodulierten Funkfrequenzschwingungen sein, während das Rechteckssignal des Impulsbreitenmodulators (PWM) einen Wert ungleich Null hat, und einen Wert von Null aufweisen, während das Impulsbreitenmodulationssignal einen Wert von Null hat.
2 zeigt eine grafische Darstellung 200 der Basisbandzeitbereichssignale eines Impulsbreitenmodulators (z. B. des PWM 106), wie sie z. B. in den Leistungsverstärkungssystemen 100 und 150 der 1A bzw. 1B gemäß den Ausführungsformen verwendet werden können. Insbesondere zeigt 2 einen kur zen Abschnitt in der Hüllkurve 102 oder der Amplitudenkomponente α(t) 102 aus den 1A und 1B und das zugeordnete PWM-Ausgangssignal 108 (Zeitbereich α(t) + d(t)) nach der Modulation in dem PWM 106 durch ein Referenzsignal 204 (z. B. durch eine Dreieckwellenform).
3 und 4 zeigen grafische Darstellungen 300 bzw. 350 der Basisbandfrequenzsignale des Impulsbreitenmodulators (z. B. des PWM 106), wie sie z. B. in einer Ausführungsform des Leistungsverstärkers der 1A verwendet werden können. Insbesondere ist die grafische Darstellung 350 der 4 eine Vergrößerung eines entscheidenden Abschnitts der grafischen Darstellung 300 der 3, welche die Hüllkurve 102, ein Basisbandsignal 304 und das Spektrum des PWM-Ausgangssignals 108 darstellt, wobei sich die Energie des PWM-Signals 108 um die Vielfachen der PWM-Frequenz (in diesem Beispiel näherungsweise 650 MHz) konzentriert.
Da das PWM-Ausgangssignal üblicherweise eine Bandbreite aufweist, welche erheblich größer als die Trägerfrequenz ist, überlappen sich die Spektralkomponenten des Basisbandspektrums in 3 nach einem nach oben Verschieben auf die Trägerfrequenz (das Basisbandspektrum wird durch die Multiplikation in dem Zeitbereich um ±f_c in dem Frequenzbereich verschoben). Wenn die PWM-Frequenz mittels der nachfolgenden Beziehung eingestellt ist:
wobei n eine ganze Zahl ist, kann das Signal/Rauschverhältnis (Signal-To-Noise-Ratio, SNR) des gewünschten Signals maximiert werden, wobei das gewünschte Signal das komplexe Basisbandsignal α(t)e^jφt auf der Trägerfrequenz und das durch die Imginärteilfrequenzen bewirkte Rauschen umfasst. Der erreichbare SNR-Wert hängt jedoch stark von der PWM-Frequenz ab. Der Grund dafür ist, dass die Spektralkomponenten, welche sich um die Vielfachen der PWM-Frequenz konzentrieren, progressiv breiter werden als die Frequenz anwächst und somit mehr und mehr ineinander übergehen, so dass es in einem bestimmten Frequenzintervall keine Energielücken mehr gibt.
5 und 6 zeigen grafische Darstellungen 400 bzw. 450 von Hochfrequenzspektren nach einem Mischen auf den Hochfrequenzträger (z. B. bei f_PWM ungefähr gleich 290 MHz), wie z. B. hinter dem komplexen Aufwärtswandler oder Mischer 110 in dem Leistungsverstärkersystem 100 der in 1A gezeigten Ausführungsform. Insbesondere ist die grafische Darstellung 450 der 6 eine Vergrößerung eines entscheidenden Abschnitts der grafischen Darstellung 400 der 5, welche das ursprüngliche Funkfrequenzphasenkomponentensignal 402 (welches auch das gewünschte Signal ist), das positive komplexe Trägerfrequenzsignal z(t)e^+j(ω_ct + φ(t)) 404 (z. B. das um +2,3 GHz verschobene Basisband), das negative komplexe Trägerfrequenzsignal
406 (z. B. das um –2,3 GHz verschobene Basisband) und ungewünschte Spiegelkomponenten 460 und 462 darstellt.
Im Gegensatz zu dem in 3 und 4 erörterten Beispiel der 500 MHz PWM-Frequenz werden die spektralen Energielücke ineinander übergehen, wenn eine niedrigere PWM-Frequenz ausgewählt wird, z. B. 295 MHz, wie in 5 und 6 gezeigt, was das Signal/Rauschverhältnis dementsprechend auf näherungsweise 43 dB verringert. 5 und 6 stellen diesen Effekt dar, wobei sich die positiven und negativen komplexen Trägerfrequenzspektren in dem Bereich der ungewünschten Spiegelkomponenten 460 und 462, welche in 6 genauer dargestellt sind, überlappen.
Um die PWM-Frequenz bei gegebenen Signal/Rauschverhältnisanforderungen zu verringern, können die Spiegelkomponenten 460 und 462, welche in 5 und 6 gezeigt sind, durch das neue Schaltungskonzept, welches in 1A und 7 dargestellt und nachfolgend beschrieben wird, geeignet verringert werden.
7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Leistungsverstärkersystems 500 gemäß einer Ausführungsform, welches einen Basisbandmodulator und einen geschalteten Verstärker verwendet. 7 zeigt einen Blockschaltplan des Konzepts mit geschalteten Verstärkern der 1A mit realen Schaltkreisblöcken.
Ähnlich zu dem Leistungsverstärkersystem 100 der 1A umfasst das Leistungsverstärkersystem 500 der 7 gemäß einer Ausführungsform einen Ansteuerschaltkreis 501, welcher einen Basisbandmodulator 506 (z. B. einen Impulsbreitenmodulator (PWM) oder einen Delta-Sigma-Modulator), einen komplexen Aufwärtswandler 510 einer komplexen Ausführungsform, welcher z. B. einen oder mehrere I/Q-Mischer 511/512 und einen (in 7 nicht explizit gezeigten) Steuerschaltkreis umfasst, aufweist. Das Sytem 500 umfasst ferner einen Oszillator 513 (z. B. einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) oder einen anderen digitalen Schaltkreis), einen oder mehrere Schaltbetriebleistungsverstärker (SMPA1) 521 und (SMPA2) 522, zwei oder mehr komplexe Filter (BPF1) 531 und (BPF2) 532 (z. B. komplexe Bandpassfilter (BPF)) und einen Leistungskombinierer 540. Das Leistungsverstärkungssystem 500 kann ferner ein Funkfrequenzfilter (RF-Filter) 550, wie z. B. ein Funkfrequenzbandpassfilter (BPF3) 550, und eine Antenne 560 zum Übertragen eines Funkfrequenzsignals (RF-Signal) aufweisen.
Das Leistungsverstärkungssystem 500 ist ausgestaltet, eine (Basisband-)Amplitudenkomponente α(t) 502 an dem Impulsbreitenmodulator (PWM) 106 des Ansteuerschaltkreises 501 zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge 508, welche einem Zeitbereich α(t) + d(t) entspricht, zu erzeugen, und ist ferner ausgestaltet, eine (Basisband-)Phasenkomponente φ(t) 504 an dem Eingang des Oszillators 513 zu empfangen. Das PWM-Ausgangssignal α(t) + d(t) 508 des Leistungsver stärkersystems 500 wird mit dem komplexen Träger exp(j(ω_ct + φ(t)) = cos(ω_ct + φ(t)) + jsin(ω_ct + φ(t)) multipliziert, welcher eine komplexe Trägerfrequenzkomponente (cos(ω_ct + φ(t)) 514 und eine komplexe Trägerfrequenzkomponente (sin(ω_ct + φ(t)) 515 umfasst, und wird in 7 in Real- und Imaginärteile getrennt, bevor die RF-Bursts auf die geforderten Leistungspegel mit 90° phasenverschobenen und phasenmodulierten Trägern jeweils in den zwei oder mehr geschalteten Verstärkern (SMPA1 und SMPA2) verstärkt werden. Wiederum müssen die Multiplizierer (z. B. die Mischer 511/512) nicht technisch als solche ausgestaltet sein, da die Eingangssignale zu den Multiplizierern (das Ausgangssignal 508 des PWM 506) die komplexen Trägerfrequenzausgangssignale 514/515 von dem VCO 513 nur ein- oder ausschalten, was einer Multiplikation mit +1 oder 0 entspricht.
Der komplexe Aufwärtswandler 510 ist ausgestaltet, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge 508 (welche einem Zeitbereich α(t) + d(t) entspricht) zu empfangen und mit den phasenmodulierten komplexen Trägersignalen exp(j(ω_ct + φ(t)) 514/515 zu gemischten Produktsignalen 516/517 zu mischen. Der komplexe Aufwärtswandler 510 weist hier wiederum eine komplexe Ausgestaltung auf, z. B. indem er I/Q-Mischer 511/512 verwendet, um gemäß den Anforderungen der Standards die unerwünschten Spiegelkomponenten zu minimieren, welche von der breiten Bandbreite des PWM-Ausgangssignals 508 innerhalb des Signalbandes um die Trägerfrequenz ±ω_c hergerufen werden.
Die zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker SMPA1 521 und SMPA2 522, welche mit dem komplexen Aufwärtswandler 510 gekoppelt sind, sind ausgestaltet, diese gemischten Produktsignale 516/517 mit einer Trägerfrequenz, welche innerhalb der gemischten Produktsignale 516/517 codiert ist, zu empfangen, zu verstärken und zu schalten. Insbesondere werden die Realteilausgangssignale der gemischten Produktsignale 516/517 des Aufwärtswandlers 510, welche Bursts von um 90° phasenverschobenen Funkfrequenzschwingungen umfassen, mit den zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärkern SMPA1 und SMPA2 auf die geforderte Ausgangsleistung verstärkt. Die zwei oder mehr komplexen Filter 531/532 sind einzeln mit einem der Schaltbetriebleistungsverstärker SMPA1 und SMPA2 521/522 gekoppelt und ausgestaltet, Spiegelkomponenten in den verstärkten gemischten Produktsignalen 523/524, welche an dem Ausgang der Leistungsvertärker SMPA1 521 und SMPA2 522 erzeugt werden, zu unterdrücken.
Wie in 1A ist der Leistungskombinierer (Re{} Funktion) 540 (z. B. ein Koppler oder ein anderer geeigneter Leistungskombinierer) des Leistungsverstärkersystems 500 der 7 mit den zwei oder mehr komplexen Filtern 531/532 gekoppelt und ausgestaltet, die Realkomponenten der komplex gefilterten und verstärkten gemischten Produktsignale 533/534 von den Ausgängen der zwei oder mehr komplexen Filter 531/532 zu kombinieren, um ein Funkfrequenzübertragungssignal 541 zu erzeugen. Danach kann das Funkfrequenzübertragungssignal (RF-Übertragungssignal) 541 weiter mit einem RF-Filter (BPF3) 550 bandpassgefiltert werden, um konform zu einer oder mehreren geforderten Spektralmasken (wie sie von den gewählten Kommunikationsstandard, wie z. B. UMTS, GSM usw., vorgegeben sind) zu sein, und über die Antenne 560 übertragen werden.
Obwohl in 7 einzelne Bandpassfilter gezeigt sind, können die Filter BPF1 531, BPF2 532 oder das RF-Filter BPF3 550 jeweils ein oder mehrere Filter umfassen. Obwohl einzelne Schaltbetriebverstärker in 7 gezeigt sind, können ebenso die Verstärker SMPA1 521 und SMPA2 522 jeweils einen oder mehrere Verstärker, Schalter oder andere geeignete RF-Schaltkreise umfassen.
8 stellt Spektren 600 des Basisbandspektrums des PWM-Ausgangssignals 508 und des Spektrums des komplexen Signals, welches durch die Real- und Imaginärzeitbereichsignale 516 bzw. 517 (z. B. die frequenzverschobenen PWM-Ausgangssignale 516/517 der 7) hinter dem komplexen (I/Q) Aufwärtswand ler 510 in dem Leistungsverstärkersystem 500 der 7 gegeben ist, dar. Nach einer Verstärkung des ursprünglichen Signals (siehe Gleichung (1)) durch einen Verstärker (z. B. den Verstärkern SMPA1 521 und SMPA2 522) müssen die Spektralkomponenten in geeigneter Art und Weise bezüglich der negativen Trägerfrequenz unterdrückt werden.
Diese Spektralkomponentenunterdrückung kann von einem komplexen Filter, z. B. unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Realteilfiltern, wie z. B. BPF1 531 und BPF2 532 der 7, durchgeführt werden. Dazu werden beispielsweise ein Realteil 523 der verstärkten gemischten Produktsignale dem Filter 531 und ein Imaginärteil 524 der verstärkten gemischten Produktsignale dem Filter 532 zugeführt. Da als Funkfrequenzübertragungssignal 541 nur der Realteil der gefilterten verstärkten gemischten Produktsignale 533, 534 verwendet wird, können die Filter 531, 532 derart vereinfacht als Realteilfilter mit unterschiedlichen Frequenzgängen ausgeführt werden, dass sie nur die Realteile der gefilterten Produktsignale 533, 534 bereitstellen und keine Imaginärteile bereitstellen. Die Realteile der gefilterten Produktsignale können dann von einem Leistungskombinierer (z. B. Leistungskombinierer 540) zu dem Funkfrequenzübertragungssignal 541 zusammengefasst werden.
9 stellt eine grafische Darstellung 700 der Absolutwertfrequenzantwort (Übertragungsfunktion) eines Realteilbandpassfilters 704 und eines komplexen Bandpassfilters 706 dritter Ordnung, wie z. B. die komplexen Bandpassfilter BPF1 531 und BPF2 532 der 7, dar.
10 stellt eine grafische Darstellung der Spektren 800 vor einem Filtern 802 und nach einem Filtern 804 mit den komplexen Bandpassfiltern (BPF1 531 und BPF2 532) der 9, wie sie in dem Leistungsverstärker 500 der 7 verwendet werden, dar. Somit entspricht die Wellenform 802 den Eingangssignalen 523/524 zu den Bandpassfiltern BPF1 531 bzw. BPF2 532, während die Wellenform 804 den Ausgangssignalen 533/534 von den Bandpassfiltern BPF1 531 bzw. BPF2 532 entspricht. Aus einem Vergleich der Wellenform 804 mit der Wellenform 802 in 10 ist ersichtlich, dass mit dem BPF-Filter, welches durch die Wellenform 706 in 9 dargestellt ist, eine Spiegelfrequenzverringerung von näherungsweise 70 dB bei der negativen Trägerfrequenz f_c = –2,14 GHz erreicht werden kann.
11 und 12 stellen grafische Darstellungen 900 bzw. 950 von dem Spektrum des gewünschten Ausgangssignals 904 und dem Spektrum nach einem komplexen Filtern und einem Leistungskombinieren 902 dar, wie sie z. B. in dem Leistungsverstärkersystem 500 der 7 auftreten können. Insbesondere ist die grafische Darstellung 950 der 12 eine Vergrößerung eines entscheidenden Abschnitts der grafischen Darstellung 900 der 11, welche diese Ausgangssignale 902 und 904 darstellt, welche das gewünschte hohe Signal/Rauschverhältnis von näherungsweise 70 dB bereitstellen.
Zusätzlich oder als Ersatz für eine oder mehrere der dargestellten Komponenten können der dargestellte Leistungsverstärker und weitere Systeme geeignete Schaltkreise, Zustandsmaschinen, Firmware, Software, Logik usw. aufweisen, um die verschiedenen Verfahren und Funktionen, welche hierin dargestellt und beschrieben wurden, auszuführen.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren für ein effizientes Verstärken (z. B. über SMPA1 und SMPA2 der 7) und Modulieren (z. B. über PWM 506 der 7) eines komplexen Trägersignals 514/515 für eine Basisstation bereitgestellt, wobei Spiegelkomponenten (z. B. 460/462 der 6) unter Verwendung einer Basisbandmodulation, z. B. unter Verwendung des Leistungsverstärkungssystems 500 der 7, in dem gewünschten Funkfrequenzbereich unterdrückt werden.
Das Verfahren umfasst ein Empfangen einer Basisbandamplitudenkomponente (z. B. α(t) 502 der 7) und ein Erzeugen ei ner basisbandmodulierten Impulszeichenfolge (z. B. α(t) + d(t) 508) und ein Empfangen einer Basisbandphasenkomponente (z. B. φ(t) 504) und ein Erzeugen eines phasenmodulierten komplexen Trägersignals exp(ω_ct + φ(t)) = cos(ω_ct + φ(t)) + jsin(ω_ct + φ(t)) 514/515. Das Verfahren umfasst ferner ein Aufwärtswandlen (z. B. mit einem komplexen Aufwärtswandler oder einem I/Q-Modulator 510) der basisbandmodulierten Impulszeichenfolge 508 mit dem phasenmodulierten komplexen Trägersignal (z. B. 514/515), wodurch ein gemischtes Produktsignal (z. B. 516/517) erzeugt wird, und ein Schalten und Verstärken (z. B. über SMPA1 521 und SMPA2 522 der 7) des gemischten Produktsignals bei der Trägerfrequenz (z. B. ±ω_c), welche in dem gemischten Produktsignal (z. B. 516/517) codiert ist.
Schließlich umfasst das Verfahren weiterhin ein komplexes Filtern (z. B. über Bandpassfilter BPF1 531 und BPF2 532 der 7), um Spiegelkomponenten (z. B. 460/462) von 6) in dem verstärkten gemischten Produktsignal zu unterdrücken, und ein Kombinieren oder Bestimmen (z. B. über den Leistungskombinierer 540 der 7) der Realkomponente des komplex gefilterten und verstärkten gemischten Produktsignals (z. B. 533/534), um ein Funkfrequenzübertragungssignal (z. B. 541 oder 560) zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin ein Filtern (z. B. über das Bandpassfilter BPF3 550 der 7) des Funkfrequenzübertragungssignals (z. B. 541) gemäß einer geforderten Spektralmaske (wie sie z. B. durch den gewählten Kommunikationsstandard, wie z. B. UMTS, GSM usw. vorgegeben ist) und ein Übertragen des gefilterten Signals (z. B. über die Antenne 560).
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, können Änderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen ausgeführt werden, ohne von dem Sinn und Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere bezüglich der verschiedenen Funktionen, welche von den zuvor beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltkreisen, Systemen usw.) ausgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich ein Bezug auf „Mittel”), welche verwendet wurden, um derartige Komponenten zu beschreiben, einer beliebigen Komponente oder Struktur entsprechen, welche die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente (z. B. welche funktional äquivalent ist) ausführen, entsprechen, solange dies nicht anderweitig beschrieben ist. Auch wenn ein spezielles Merkmal nur in Bezug auf eine der mehreren Ausführungsformen beschrieben wurde, kann ein derartiges Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden, sofern dies für eine beliebige gegebene oder spezielle Anwendung wünschenswert oder vorteilhaft ist. Soweit die Begriffe „aufweisen”, „umfassen”, „mit” oder Varianten davon entweder in der detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, sollen diese Begriffe in einer einschließenden Art und Weise vergleichbar zu dem Begriff „umfassend” aufgefasst werden.

Claims

Leistungsverstärker für eine Basisstation, umfassend: einen Basisbandmodulator (106; 506), welcher ausgestaltet ist, eine Basisbandamplitudenkomponente (102; 502) zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508) zu erzeugen; einen Oszillator (112; 513), welcher ausgestaltet ist, eine Basisbandphasenkomponente (104; 504) zu empfangen und phasenmodulierte komplexe Trägersignale (114; 514, 515) zu erzeugen; einen komplexen Aufwärtswandler (110; 510), welcher ausgestaltet ist, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508) zu empfangen und mit den phasenmodulierten komplexen Trägersignalen (114; 514, 515) zu gemischten Produktsignalen (116; 516, 517) zu mischen; zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker (120; 521, 522), welche mit dem komplexen Aufwärtswandler (110; 510) gekoppelt sind und ausgestaltet sind, die gemischten Produktsignale (116; 516, 517) bei einer Trägerfrequenz, welche in den gemischten Produktsignalen (116; 516, 517) codiert ist, zu verstärken und zu schalten; zwei oder mehr Filter (124; 531, 532), welche einzeln mit einem entsprechenden der Schaltbetriebleistungsverstärker (120; 521, 522) gekoppelt sind und ausgestaltet sind, Spiegelkomponenten (460, 462) in den verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignalen (122; 523, 524) zu unterdrücken; und einen Leistungskombinierer (130; 540), welcher mit den zwei oder mehr Filtern (124; 531, 532) gekoppelt ist und ausgestaltet ist, Realkomponenten der gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignale (126; 533, 534) zu kombinieren, um ein Funkfrequenzübertragungssignal (132; 541) zu erzeugen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 1, wobei jedes der zwei oder mehr Filter (124; 531, 532) jeweils ein komplexes Filter umfasst.
Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Funkfrequenzbandpassfilter (134; 550), welcher mit dem Ausgang des Leistungskombinierers (130; 540) gekoppelt ist und ausgestaltet ist, das Funkfrequenzübertragungssignal (132; 541) gemäß einer geforderten Spektralmaske zu filtern.
Leistungsverstärker nach Anspruch 3, umfassend eine Antenne (140; 560), welche mit einem Ausgang des Funkfrequenzbandpassfilters (134; 550) gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Leistungsverstärker (100; 150; 500) für eine Verwendung in einer Basisstation, welche konform zu UMTS-Standards ist, ausgestaltet ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der Basisbandmodulator (106; 506) entweder einen Impulsbreitenmodulator oder einen Delta-Sigma-Modulator umfasst.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der Basisbandamplitudenkomponente (102; 502) eine zeitabhängige Hüllkurve der Trägerfrequenz zugeordnet ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508) einen Zeitbereich der Trägerfrequenz darstellt.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1–8, wobei der komplexe Aufwärtswandler (110; 510) einen I/Q-Modulator umfasst.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker (120; 521, 522) in einer Schaltbetriebsart arbeiten, welche entweder eine Klasse-D- oder eine Klasse-E-Schaltbetriebsart umfasst.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1–10, wobei der Oszillator (112; 513) entweder einen spannungsgesteuerten Oszillator oder einen digitalen Schaltkreis umfasst, welcher ausgestaltet ist, komplexe Trägersignale (114; 514, 515) auf der Grundlage der Basisbandphasenkomponente (104; 504) zu erzeugen.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1–11, wobei der komplexe Aufwärtswandler (110; 510) einen ersten Mischer (511) und einen zweiten Mischer (512) umfasst, welche einzeln mit dem Basisbandmodulator (106; 506) und dem Oszillator (112; 513) gekoppelt sind, und wobei der erste Mischer (511) mit einem ersten komplexen Trägersignal (514) gekoppelt ist und der zweite Mischer (512) mit einem zweiten komplexen Trägersignal (514) gekoppelt ist.
Leistungsverstärker, umfassend: einen Basisbandmodulator (106; 506); welcher ausgestaltet ist, eine Basisbandamplitudenkomponente (102; 502), welcher eine zeitabhängige Hüllkurve einer Trägerfrequenz zugeordnet ist, zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508), welche einen Zeitbereich darstellt, zu erzeugen; einen spannungsgesteuerten Oszillator (112; 513), welcher ausgestaltet ist, eine Basisbandphasenkomponente (104; 504) zu empfangen und phasenmodulierte komplexe Trägersignale (114; 514, 515) zu erzeugen; einen komplexe Aufwärtswandler (110; 510), welcher ausgestaltet ist, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508) zu empfangen und mit den phasenmodulierten komplexen Trägersignalen (114; 514, 515) zu gemischten Produktsignalen (116; 516, 517) zu mischen; zwei oder mehr Schaltbetriebleistungsverstärker (120; 521, 522), welche in einer Klasse-D-Schaltbetriebsart oder einer Klasse-E-Schaltbetriebsart arbeiten und mit dem komplexe Aufwärtswandler (110; 510) gekoppelt sind und ausgestaltet sind, die gemischten Produktsignale (116; 516, 517) bei der Trägerfrequenz, welche innerhalb der gemischten Produktsignale (116; 516, 517) codiert sind, zu verstärken und zu schalten; zwei oder mehr Filter (124; 531, 532), welche einzeln mit einem von den Schaltbetriebleistungsverstärkern (120; 521, 522) gekoppelt sind und ausgestaltet sind, Spiegelkomponenten (460, 462) in den verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignalen (122; 523, 524) zu unterdrücken; und einen Leistungskombinierer (130; 540), welcher mit den zwei oder mehr Filtern (124; 531, 532) gekoppelt ist und ausgestaltet ist, die Realkomponenten der gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignale (126; 533, 534) zu kombinieren, um ein Funkfrequenzübertragungssignal (132; 541) zu erzeugen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 13, wobei jedes der zwei oder mehr Filter (124; 531, 532) jeweils ein komplexes Filter umfasst.
Leistungsverstärker nach Anspruch 13 oder 14, umfassend einen Funkfrequenzbandpassfilter (134; 550), welcher mit dem Ausgang des Leistungskombinierers (130; 540) gekoppelt ist und ausgestaltet ist, das Funkfrequenzübertragungssignal (132; 541) weiter auf eine geforderte Spektralmaske zu filtern.
Leistungsverstärker nach Anspruch 15, umfassend eine Antenne (140; 560), welche mit dem Funkfrequenzbandpassfilter (134; 550) gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 13–16, wobei der Leistungsverstärker (100; 150; 500) für eine Verwendung in einer Basisstation, welche zu UMTS-Standards konform ist, ausgestaltet ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 13–17, wobei der Basisbandmodulator (106; 506) einen Impulsbreitenmodulator oder einen Delta-Sigma-Modulator umfasst.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 13–18, wobei der komplexe Aufwärtswandler (110; 510) einen ersten Mischer (511) und einen zweiten Mischer (512) umfasst, welche einzeln mit dem Basisbandmodulator (106; 506) und dem spannungsgesteuerten Oszillator (112; 513) gekoppelt sind, und wobei der erste Mischer (511) mit einem ersten komplexen Trägersignal (514) gekoppelt ist und der zweite Mischer (512) mit einem zweiten komplexen Trägersignal (515) gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 13–19, wobei der komplexe Aufwärtswandler (510) einen I/Q-Modulator umfasst, welcher einen ersten Mischer (511) und einen zweiten Mischer (512) umfasst, welche einzeln mit dem Basisbandmodulator (506) und dem Oszillator (513) gekoppelt sind, und wobei der erste Mischer (511) mit einem ersten komplexen Trägersignal (514) gekoppelt ist und der zweite Mischer (512) mit einem zweiten komplexen Trägersignal (515) gekoppelt ist.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 13–20, umfassend zwei oder mehr Funkfrequenzbandpassfilter (134; 550), welche mit dem Ausgang des Leistungskombinierers (130; 540) gekoppelt sind und ausgestaltet sind, das Funkfrequenzübertragungssignal (132; 541) auf eine geforderte Spektralmaske weiter zu filtern.
Leistungsverstärker für eine Basisstation, umfassend: Basisbandmodulationsmittel (106; 506), welche ausgestaltet sind, eine Basisbandamplitudenkomponente (102; 502) zu empfangen und eine basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508) zu erzeugen; ein Phasenmodulationsmittel (112; 513), welches ausgestaltet ist, eine Basisbandphasenkomponente (104; 504) zu empfangen und ein phasenmoduliertes komplexes Trägersignal (114; 514, 515) zu erzeugen; und ein komplexes Aufwärtswandelmittel (110; 510), welches ausgestaltet ist, die basisbandmodulierte Impulszeichenfolge (108; 508) zu empfangen und mit dem phasenmodulierten komplexen Trägersignal (114; 514, 515) zu einem gemischten Produktsignal (116; 516, 517) zu mischen; ein Schalt- und Verstärkungsmittel (120; 521, 522), welches ausgestaltet ist, das gemischte Produktsignal (116; 516, 517) bei einer Trägerfrequenz, welche in dem gemischten Produktsignal (116; 516, 517) codiert ist, zu verstärken und zu schalten; ein Filtermittel (124; 531, 532), welches ausgestaltet ist, Spiegelkomponenten (460, 462) in dem verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignal (122; 523, 524) zu unterdrücken; und ein Leistungskombiniermittel (130; 540), welches ausgestaltet ist, die Realkomponente des gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignals (126; 533, 534) zu bilden, um ein Funkfrequenzübertragungssignal (132; 541) zu erzeugen.
Leistungsverstärker nach Anspruch 22, wobei das Filtermittel (124; 531, 532) ein komplexes Filtermittel umfasst.
Leistungsverstärker nach Anspruch 22 oder 23, wobei das Basisbandmodulationsmittel (106; 506) einen Impulsbreitenmodulator und einen Ansteuerschaltkreis (101; 501) umfasst.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 22–24, wobei das Phasenmodulationsmittel (112; 513) einen spannungsgesteuerten Oszillator umfasst, welcher ausgestaltet ist, die Basisbandphasenkomponente (104; 504) zu empfangen und ein erstes (514) und ein zweites (515) komplexes Trägersignal zu erzeugen.
Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 22–25, wobei das Aufwärtswandelmittel (110; 510) einen ersten Mischer (511) und einen zweiten Mischer (513) umfasst, welche einzeln mit dem Basisbandmodulationsmittel (106; 506) und dem Phasenmodulationsmittel (112; 513) gekoppelt sind, und wobei der erste Mischer (511) mit einem ersten komplexen Trägersignal (514) gekoppelt ist und der zweite Mischer (512) mit einem zweiten komplexen Trägersignal (515) gekoppelt ist.
Verfahren für ein effizientes Verstärken und Modulieren eines komplexen Trägersignals für eine Basisstation während Spiegelkomponenten in dem gewünschten Funkfrequenzbereich unterdrückt werden, welches eine Basisbandmodulation verwendet, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen einer Basisbandamplitudenkomponente (102; 502) und Erzeugen einer basisbandmodulierten Impulszeichenfolge (108; 508); Empfangen einer Basisbandphasenkomponente (104; 504) und Erzeugen eines phasenmodulierten komplexen Trägersignals (114; 514, 515); und Aufwärtswandeln der basisbandmodulierten Impulszeichenfolge (108; 508) mit dem phasenmodulierten komplexen Trägersignal (114; 514, 515), wodurch ein gemischtes Produktsignal (116; 516, 517) erzeugt wird; Schalten und Verstärken des gemischten Produktsignals (116; 516, 517) bei einer Trägerfrequenz, welche in dem gemischten Produktsignal (116; 516, 517) codiert ist; komplexes Filtern, um Spiegelkomponenten (460, 462) in dem verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignal (122; 523, 524) unterdrücken; und Bilden der Realkomponente des komplex gefilterten und verstärkten und geschalteten gemischten Produktsignals (126; 533, 534), um ein Funkfrequenzübertragungssignal (132; 541) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 27, umfassend ein Filtern des Funkfrequenzübertragungssignals (132, 541) gemäß einer geforderten Spektralmaske.