DE102013204016A1

DE102013204016A1 - Pulsbreitenmodulator und verfahren zu seiner implementierung und nutzung

Info

Publication number: DE102013204016A1
Application number: DE102013204016A
Authority: DE
Inventors: Christian Schuberth; Peter Singerl; Martin Mataln
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2033-03-09
Also published as: CN103312304B; DE102013204016B4; US20130235923A1; CN103312304A; US8767814B2

Abstract

Ein Pulsbreitenmodulator (PWM) umfasst eine Vielzahl von Vergleichern zum Vergleichen eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen und zum Bereitstellen einer Vielzahl entsprechender Vergleichssignale. Der Pulsbreitenmodulator umfasst auch eine Kombinationslogik zum Empfangen der Vielzahl von Vergleichssignalen und zum Erzeugen einer Vielzahl binärer Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen. Es ist höchstens jeweils nur ein momentan ausgewähltes binäres Pulsbreitenmodulationssignal der binären Pulsbreitenmodulationssignale auf einem ersten Signalpegel. Das momentan ausgewählte binäre Pulsbreitenmodulationssignal ist mit einem bestimmten Bezugssignal der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert, das dem Eingangssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal momentan am nächsten ist.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen Pulsbreitenmodulator, eine Verstärkergruppierung, ein Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät, ein Verfahren für Pulsbreitenmodulation und ein Verfahren zum Übertragen eines Eingangssignals.
STAND DER TECHNIK
Auf vielen Gebieten, zum Beispiel in Basisstationen der dritten und höherer Generationen von Mobilkommunikationsnetzen oder Mobilkommunikationsgeräten, werden bandbreitenoptimierte Modulationsschemata zum Übertragen von Informationen genutzt. Bandbreitenoptimierte Modulationsschemata erfordern in der Regel eine nicht konstante Hüllkurve und weisen somit ein relativ hohes Verhältnis der Spitzen- zur Mittelleistung (Peak-to-Average Power Ratio, PAR) auf. Linearverstärker wie Klasse-AB-Verstärker bieten hohe Linearität, müssen jedoch mit einer starken Leistungsminderung gegenüber der maximalen (gesättigten) Ausgangsleistung angesteuert werden, um gute Linearität über einen großen Betriebsbereich zu erzielen. In der Regel erzielen HF-Leistungsverstärker beliebiger Klassen, z. B. vom Typ AB, oder sogenannte Schaltverstärker (Switched Mode Amplifiers) vom Typ D, E, F etc. nur einen hohen Wirkungsgrad, wenn sie nahe ihrem maximalen Sättigungsleistungspegel betrieben werden. Somit resultieren aus einer Leistungsminderung bei einem Klasse-AB-Verstärker in der Regel eine geringere übertragene Leistung und somit ein reduzierter Gesamtwirkungsgrad. Statt dass ein einzelner Verstärker genutzt wird, können mehrere individuell aktivierbare Verstärker genutzt werden, sodass für kleine Amplituden/Leistungen nur ein oder ein paar Verstärker aktiv sind, während für große Amplituden/Leistungen mehr und schließlich alle Verstärker genutzt werden. Die Ausgänge der individuellen Verstärker werden mittels eines Leistungskombinationsnetzes kombiniert. Das Leistungskombinationsnetz muss in der Regel sorgfältig ausgestaltet sein, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten und einen hohen Kombinationswirkungsgrad zu erzielen. Typische Kombinationsnetze basieren auf verteilten Übertragungsstreckenelementen und sind deshalb von Bandbreitebegrenzung beeinträchtigt und können nicht einfach auf Chipebene integriert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Pulsbreitenmodulator bereit, der eine Vielzahl von Vergleichern und eine Kombinationslogik umfasst. Die Vielzahl von Vergleichern ist zum Vergleichen eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen und zum Bereitstellen einer Vielzahl entsprechender Vergleichssignale konfiguriert. Die Kombinationslogik ist zum Empfangen der Vielzahl von Vergleichssignalen und zum Erzeugen einer Vielzahl binärer Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen konfiguriert. Es ist höchstens jeweils nur ein momentan ausgewähltes binäres Pulsbreitenmodulationssignal der binären Pulsbreitenmodulationssignale auf einem ersten Signalpegel. Das momentan ausgewählte binäre Pulsbreitenmodulationssignal ist mit einem bestimmten Bezugssignal der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert, das dem Eingangssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal momentan am nächsten ist. Eine weitere Ausführungsform stellt eine Verstärkergruppierung zum Verstärken eines Eingangssignals bereit. Die Verstärkergruppierung umfasst einen ersten Schaltverstärker, einen zweiten Schaltverstärker, eine erste Stromversorgung für den ersten Schaltverstärker, eine zweite Stromversorgung für den zweiten Schaltverstärker und einen Pulsbreitenmodulator. Die zweite Stromversorgung ist zum Produzieren eines anderen Stromversorgungszustands als die erste Stromversorgung konfiguriert. Der Pulsbreitenmodulator ist zum Erzeugen von Steuersignalen für den ersten Schaltverstärker und den zweiten Schaltverstärker auf der Basis des Eingangssignals konfiguriert. Die Steuersignale sind disjunkte Signale.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät bereit, das einen Mehrstufen-Pulsbreitenmodulator und eine Vielzahl von Schaltverstärkern umfasst. Der Mehrstufen-Pulsbreitenmodulator ist zum Erzeugen einer Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis eines Eingangssignals des Pulsbreitenmodulationsübertragungsgeräts konfiguriert. Die disjunkten Pulsbreitenmodulationssignale geben einen Augenblicksamplitudenbereich einer Augenblicksamplitude des Eingangssignals an. In der Vielzahl von Schaltverstärkern ist jeder Schaltverstärker zum Empfangen eines entsprechenden Pulsbreitenmodulationssignals der Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale konfiguriert. Somit ist höchstens jeweils einer der Vielzahl von Schaltverstärkern aktiv.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst ein Verfahren für Pulsbreitenmodulation Vergleichen eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen und Bereitstellen einer Vielzahl entsprechender Vergleichssignale. Das Verfahren umfasst ferner Erzeugen einer Vielzahl binärer Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen. Es ist höchstens jeweils nur ein momentan ausgewähltes binäres Pulsbreitenmodulationssignal der binären Pulsbreitenmodulationssignale auf einem ersten Signalwert, wobei das momentan ausgewählte binäre Pulsbreitenmodulationssignal mit einem bestimmten Bezugssignal der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert ist. Das bestimmte Bezugssignal ist das Bezugssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen, das dem Eingangssignal hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal momentan am nächsten ist.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein Verfahren zum Übertragen eines Eingangssignals bereit. Das Verfahren umfasst Erzeugen einer Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis des Eingangssignals und Bereitstellen der Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale für eine Vielzahl von Schaltverstärkern. Die disjunkten Pulsbreitenmodulationssignale geben einen Augenblicksamplitudenbereich einer Augenblicksamplitude des Eingangssignals an. Jeder Schaltverstärker ist zum Empfangen eines entsprechenden Pulsbreitenmodulationssignals der Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale konfiguriert, sodass höchstens jeweils einer der Vielzahl von Schaltverstärkern aktiv ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezug auf die Figuren ausführlicher beschrieben, wobei:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines bekannten Analog-N-Stufen-Pulsbreitenmodulators zeigt;
2 ein schematisches Blockdiagramm eines bekannten Übertragungsgeräts zeigt, das einen Analog-N-Stufen-Pulsbreitenmodulator umfasst;
3 einen Graphen zeigt, der einen Vergleich von Codierwirkungsgraden für Zweistufen- und Dreistufen-Pulsbreitenmodulationsschemata in den 1 und 2 veranschaulicht;
4 ein schematisches Blockdiagramm eines Schalt-Übertragungsgeräts basierend auf Dreistufen-PWM mit Doherty-Kombinator zeigt;
5 ein schematisches Blockdiagramm eines Schalt-Übertragungsgeräts basierend auf Dreistufen-PWM mit Phasentrennung und Wilkinson-artigem Kombinator mit Schaltern zeigt;
6 ein schematisches Blockdiagramm eines Pulsbreitenmodulators gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren zeigt;
7 eine Anordnung von Amplitudenbereichen von Bezugssignalen und entsprechenden Hierarchieebenen veranschaulicht;
8 ein schematisches Blockdiagramm einer Verstärkergruppierung gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren zeigt;
9 ein schematisches Blockdiagramm eines Übertragungsgeräts gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren zeigt;
10 ein schematisches Blockdiagramm eines N-Stufen-Pulsbreitenmodulators basierend auf Dreiecksfunktionen gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der offenbarten Lehren zeigt;
11 ein schematisches Blockdiagramm eines Schalt-Übertragungsgeräts ohne Leistungskombinator gemäß den offenbarten Lehren zeigt;
12 Zeitbereichssignale für ein N=2-Mehrstufen-Pulsbreitenmodulationsschema gemäß den offenbarten Lehren veranschaulicht;
13 Zeitbereichssignale für ein N=2-Mehrstufen-Pulsbreitenmodulationsschema mit Ähnlichkeit zu 12, jedoch mit einer anderen Wahl von Bezugsfunktionen veranschaulicht;
14 einen Graphen zeigt, der einen Wirkungsgrad und eine Ausgangsleistung als Funktion eines Tastverhältnisses eines N=2-Mehrstufen-Pulsbreitenmodulationsschemas für unterschiedliche Mengen von Modulatorschwellenwerten veranschaulicht;
15 einen Graphen zeigt, der einen Wirkungsgrad als Funktion einer Ausgangsleistung eines N=2-Mehrstufen-Pulsbreitenmodulationsschemas für unterschiedliche Mengen von Modulatorschwellenwerten veranschaulicht;
16 Zeitbereichssignale für ein N=3-Mehrstufen-Pulsbreitenmodulationsschema gemäß den offenbarten Lehren veranschaulicht;
17 Zeitbereichssignale für ein N=3-Mehrstufen-Pulsbreitenmodulationsschema mit Ähnlichkeit zu 16, jedoch für ein anderes Eingangssignal veranschaulicht;
18 einen Graphen eines Wirkungsgrads und einer Ausgangsleistung als Funktion des Tastverhältnisses eines N=3-Mehrstufen-Pulsbreitenmodulationsschemas für unterschiedliche Mengen von Modulatorschwellenwerten zeigt;
19 einen Graphen eines Wirkungsgrads als Funktion einer Ausgangsleistung eines N=3-Mehrstufen-Pulsbreitenmodulationsschemas für unterschiedliche Mengen von Modulatorschwellenwerten zeigt;
20 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens für Pulsbreitenmodulation gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren zeigt; und
21 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Übertragen eines Signals gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der offenbarten Lehren zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 5 erörtert. Vorab, Teile mit identischen oder ähnlichen Funktionen sind mit identischen Bezugszeichen versehen, sodass Teile, auf die innerhalb der unterschiedlichen Ausführungsformen mit identischen Bezugszeichen Bezug genommen wird, austauschbar sind und ihre Beschreibung auf sie jeweils gleichermaßen anwendbar ist. In der folgenden Beschreibung wird eine Systemarchitektur, z. B. ein Hochfrequenz(HF)-Übertragungsgerät, vorgeschlagen, das Verwenden eines Pulsbreitenmodulations(PWM)-Verfahrens zum Ansteuern von Leistungsverstärkern (Power Amplifiers, PA) auf hochwirksame Weise ermöglicht. Eines der Probleme beim Nutzen von Pulsbreitenmodulation zum Ansteuern von Leistungsverstärkern sind die großen spektralen Außerband-Komponenten, die sich nahe dem gewünschten Signalband befinden. Diese spektralen Außerband-Komponenten müssen in der Regel herausgefiltert werden, bevor das Signal der Antenne zugeführt wird, um die Anforderungen zu wahren, die durch eine anwendbare Telekommunikationsnorm definiert werden, gemäß der das HF-Übertragungsgerät betrieben werden soll. Dies ist im Allgemeinen ein schwieriges Problem, da der Filterprozess den Wirkungsgrad des PA erheblich reduzieren kann, wenn die reflektierten Außerband-Komponenten aus dem Filter in einem Isolator dissipiert werden. Der Wirkungsgrad kann in der Regel hoch gehalten werden, wenn der Codierwirkungsgrad (Verhältnis von Inbandleistung zu Gesamtleistung) erhöht ist. Eine Option, um dies zu erzielen, ist das Verwenden von Mehrstufen-Schaltleistungsverstärkern (Switch Mode Power Amplifiers, SMPAs), was bedeutet, dass zwei oder mehr PAs mit individuellen PWM-Signalen angesteuert werden, wenn die PA-Ausgangssignale mit einem Leistungskombinator zusammen verbunden werden, bevor das Signal dem Isolator und dem Filter zugeführt wird. Dieses Konzept funktioniert gut, solange die PWM-Frequenz im Bereich weniger MHz gehalten werden kann. Jedoch sind in künftigen Basisstationsanwendungen sehr hohe Signalbandbreiten von bis zu 100MHz erforderlich, was bedeutet, dass PWM-Frequenzen im Bereich mehrerer hundert Megahertz benötigt werden, um die Linearitätsanforderungen zu erfüllen. Diese hohen Frequenzen sind im Allgemeinen vor allem auf der PA-Seite wegen der erforderlichen auf hohe Bandbreite abgestimmten Netze schwer handhabbar. Zusätzlich muss das Leistungskombinationsnetz sorgfältig ausgestaltet sein, um die PWM-Signalintegrität aufrechtzuerhalten und einen hohen Kombinationswirkungsgrad zu erzielen. Typische Kombinationsnetze wie ein Doherty-Kombinator oder ein Wilkinson-artiger Gleichphasenkombinator, die Schalter nutzen, basieren in der Regel auf verteilten Übertragungsstreckenelementen und sind deshalb von Bandbreitebegrenzung beeinträchtigt. Des Weiteren können die meisten Leistungskombinationsnetze nicht einfach auf Chipebene integriert werden.
Gemäß mindestens einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren kann ein PWM-Codierverfahren in Kombination mit unterschiedlich großen Verstärkern parallel genutzt werden, sodass kein Leistungskombinationsnetz benötigt wird, während ein hoher Wirkungsgrad und hohe Linearität aufrechterhalten werden. Darüber hinaus kann der Wirkungsgrad durch Erhöhen der Zahl von Verstärkern und richtige Erzeugung des PWM-Signals/der PWM-Signale erhöht und den statistischen Signaleigenschaften des zu übertragenden Signals (möglicherweise zu Lasten der Schaltungskomplexität) angepasst werden. Des Weiteren gestattet diese Systemarchitektur Rekonfigurieren des Übertragungsgeräts, um unterschiedliche Kommunikationsnormen wie GSM (Global System for Mobile Communications) oder WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) einzuhalten, was einen Schritt in die Richtung eines softwaredefinierten Funkansatzes bedeutet.
Ein Mehrstufen-PWM-Schema kann als Ausgangspunkt der Entwicklungen, die zu den hierin offenbarten Lehren führen, angesehen werden. Diese vorherigen Entwicklungen sind in den 1 bis 5 veranschaulicht und werden in Verbindung mit diesen Figuren beschrieben. Das PWM-Schema trennt die ankommende Hüllkurve eines komplex modulierten Signals im Amplitudenbereich durch amplituden- und phasenverschobene Dreiecksbezugsfunktionen N-1. Diese Bezugsfunktionen, wie in 1 (schematisches Blockdiagramm eines Analog-N-Stufen-Pulsbreitenmodulators) gezeigt, werden z. B. in Vergleichern genutzt, um individuelle PWM-Basisbandsignale N-1 zu erzeugen, die nach der HF-Aufwärtsumsetzung genutzt werden, um die individuellen PAs in 2 in hochwirksamer Weise anzusteuern (2: schematisches Blockdiagramm eines Analog-N-Stufen-Pulsbreitenmodulators mit HF-Aufwärtsumsetzer, PAs und Leistungskombinator). Nach der Verstärkung werden die individuellen HF-Bursts (PA- Ausgangssignale) zusammen kombiniert, um ein N-Stufen-PWM-Signal aufzubauen, dessen Außerband-Spektralenergie geringer wird, wenn die Zahl von Stufen sich erhöht. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad des Übertragungsgeräts für komplex modulierte Signale mit hohen Verhältnissen der Spitzen- zur Mittelleistung (Peak-to-Average Power Ratios, PAPR), selbst wenn ein Isolator vor dem erforderlichen Bandpassfilter genutzt wird.
3 zeigt den Codierwirkungsgrad der Schemata in 1 und 2 für zwei Stufen (Kurve mit Kreisen; nur ein PA in 2) und drei Stufen (Kurve mit Quadraten; zwei PAs in 2). Während der Codierwirkungsgrad für ein Zweistufen-PWM-Schema mit geringerer Eingangsspannung (Eingangssignal in 2) linear abnimmt, bleibt der Codierwirkungsgrad für die Dreistufen-PWM bis hinab zur Hälfte der maximalen Eingangsspannung relativ hoch.
Dies führt in der Regel zu einer erheblichen Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads für modulierte Signale mit hohem PAPR. Wenn die Zahl von Stufen über drei, wie in 1 und 2 gezeigt, erhöht wird, können der Codierwirkungsgrad und deshalb der elektrische Wirkungsgrad zu Lasten von mehr Hardware-Aufwand weiter verbessert werden. Bisher wurden Kombinatorstrukturen basierend auf zum Beispiel Übertragungsstrecken wie Doherty-Kombinatoren (siehe 4: schematisches Blockdiagramm eines Schalt-Übertragungsgeräts basierend auf Dreistufen-PWM mit Doherty-Kombinator) oder Wilkinson-artigen Kombinatoren mit Schaltern (siehe 5: schematisches Blockdiagramm eines Schaltübertragungsgeräts basierend auf Dreistufen-PWM mit Phasentrennung und Wilkinson-artigem Kombinator mit Schaltern) verwendet. Da diese Strukturen in der Regel schmalbandig und für verbreitete Mobilkommunikationsnormen schwer integrierbar sind, ist die nützliche Eingangssignalbandbreite begrenzt. Die Architektur in 2 funktioniert gut, solange die Eingangssignalbandbreite nicht zu hoch ist (z. B. bis zu 20MHz).
6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Pulsbreitenmodulators 100 gemäß einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren. Der Pulsbreitenmodulator 100 ist konfiguriert, ein Eingangssignal input(t) an einem Eingangsanschluss 104 zu empfangen und basierend auf dem Eingangssignal pulsbreitenmodulierte Signale PWM₁(t) und PWM₂(t) zu erzeugen. Die pulsbreitenmodulierten Signale PWM₁(t) und PWM₂(t) sind an zwei Ausgangstoren 132-1 bzw. 132-2 bereitgestellt. Im Allgemeinen kann ein Pulsbreitenmodulator gemäß den offenbarten Lehren konfiguriert sein, um mehr als zwei pulsbreitenmodulierte Signale bereitzustellen. Als eine Option kann das Eingangssignal repräsentativ für eine Augenblicksleistung eines Nutzdatensignals sein.
Der Pulsbreitenmodulator 100 umfasst eine Vielzahl von Vergleichern 110 und eine Kombinationslogik 120. Die Vielzahl von Vergleichern 110 umfasst einen ersten Vergleicher 112-1 und einen zweiten Vergleicher 112-2. Das Eingangssignal input(t) wird jedem der Vergleicher 112-1 und 112-2 (z. B. im Fall eines betriebsbereiten verstärkerbasierten Vergleichers einem nicht invertierenden Eingang des entsprechenden Vergleichers) zugeführt. Darüber hinaus empfängt jeder Vergleicher 112-1, 112-2 ein assoziiertes Bezugssignal ref₁(t) bzw. ref₂(t) (d. h. der Vergleicher 112-1 empfängt das Bezugssignal ref₁(t) und der Vergleicher 112-2 empfängt das Bezugssignal ref₂(t)). Der Vergleicher 112-1 erzeugt ein Vergleichssignal comp₁(t), das angibt, ob das Eingangssignal input(t) momentan größer als das Bezugssignal ref₁(t) ist oder kleiner. Ähnlich erzeugt der Vergleicher 112-2 ein Vergleichssignal comp₂(t), das angibt, ob das Eingangssignal input(t) momentan größer als das Bezugssignal ref₂(t) ist oder kleiner. Die Vergleichssignale comp₁(t), comp₂(t) bilden eine Vielzahl von Vergleichssignalen. In Konfigurationen mit mehr als zwei Vergleichern zum Vergleichen des Eingangssignals input(t) mit einer Vielzahl von Bezugssignalen ref_i(t) können die von der Vielzahl von Vergleichern erzeugten Vergleichssignale in der Regel die Vielzahl von Vergleichssignalen bilden.
Dabei ist zu beachten, dass zu einer gegebenen Zeit mehrere der Vergleichssignale comp_i(t) wahr sein können, d. h. sie können auf einem ersten Signalwert (z. B. logische „1“) sein, der mit dem booleschen Wert „wahr“ assoziiert ist. Definieren wir, dass der erste Signalwert („wahr“ oder logische „1“) angibt, dass das Eingangssignal input(t) momentan größer ist als das Bezugssignal ref_i(t), das zum Vergleich genutzt wurde (natürlich ist auch eine andere Definition möglich). Somit sind all diese Vergleichssignale comp_i(t) auf dem ersten Signalwert, für den die assoziierten Bezugssignale ref_i(t) momentan kleiner sind als das Eingangssignal input(t).
Unter Bezugnahme auf die in 6 veranschaulichte Ausführungsform wird die Vielzahl von Vergleichssignalen comp₁(t), comp₂(t) für die Kombinationslogik 120 bereitgestellt. Die Kombinationslogik 120 ist zum Empfangen der Vielzahl von Vergleichssignalen comp₁(t), comp₂(t) und zum Erzeugen der Vielzahl von Pulsbreitenmodulationssignalen PWM₁(t), PWM₂(t) auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen konfiguriert. Die Vielzahl der Pulsbreitenmodulationssignale PWM₁(t), PWM₂(t) schließen sich bezüglich des ersten Signalwerts gegenseitig aus, das heißt, es kann höchstens jeweils eines der Pulsbreitenmodulationssignale PWM₁(t), PWM₂(t) auf dem ersten Signalwert (z. B. „wahr“) sein. Dieses Konzept wird manchmal auch als „disjunkte Signale“ bezeichnet. Eine Unterscheidung kann zwischen einer Menge von OR-disjunkten Signalen und einer Menge von AND-disjunkten Signalen vorgenommen werden. Gemäß einer Definition (vorgeschlagen von V.D. Agrawal und S. Seth in „Mutually Disjoint Signals and Probability Calculation in Digital Circuits", Proceedings of Great Lakes Symposium on VLSI, 1998, S. 307 bis 312) kann in einer Menge von OR-disjunkten Signalen höchstens ein Signal zu einer beliebigen Zeit „wahr“ sein. Gemäß einer verwandten Definition kann in einer Menge von AND-disjunkten Signalen zu einer beliebigen Zeit nur ein Signal „falsch“ sein. Um das Pulsbreitenmodulationssignal, das momentan auf dem ersten Signalwert ist, zu identifizieren, wird es als das „momentan ausgewählte (binäre) Pulsbreitenmodulationssignal“ bezeichnet. Jedes der Pulsbreitenmodulationssignale PWM₁(t), PWM₂(t) ist mit einem der Vielzahl von Vergleichssignalen comp₁(t), comp₂(t) und folglich mit einem der Bezugssignale ref₁(t), ref₂(t) assoziiert. Die Pulsbreitenmodulationssignale PWM₁(t), PWM₂(t) werden von der Kombinationslogik 120 erzeugt, sodass das Pulsbreitenmodulationssignal, das mit einem bestimmten Bezugssignal ref_i(t) assoziiert ist, das momentan ausgewählte (binäre) Pulsbreitenmodulationssignal ist. Das erwähnte bestimmte Bezugssignal ref_i(t), das dem Eingangssignal input(t) unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses momentan am nächsten ist. Das gegebene Amplitudenverhältnis kann ein Kleiner-als-Verhältnis (oder ein Weniger-als-Verhältnis) sein, was bedeutet, dass beginnend bei einer momentanen Amplitude des Eingangssignals bewertet wird, welche der Bezugssignale momentan kleiner als (weniger als) die Eingangssignale sind, um eine entsprechende Untermenge von Bezugssignalen, die momentan kleiner als das Eingangssignal sind, zu ermitteln. Des Weiteren wird bewertet, welches der Bezugssignale innerhalb der Untermenge dem Eingangssignal am nächsten ist. Auf diese Weise kann das nächstkleinere Bezugssignal bezüglich des Eingangssignals ermittelt werden und das assoziierte Pulsbreitenmodulationssignal ist das ausgewählte Pulsbreitenmodulationssignal. Natürlich könnte das Amplitudenverhältnis auch ein Größer-als-Verhältnis (oder ein anderes Verhältnis) sein, sodass das nächstgrößere Bezugssignal bezüglich des Eingangssignals ermittelt werden kann.
In 6 werden das Eingangssignal input(t) und die Bezugssignale ref₁(t), ref₂(t) als Analogsignale gezeigt und die Vergleicher werden als Analogvergleicher gezeigt. Jedoch können das Eingangssignal und/oder die Bezugssignale Digitalsignale sein. In diesem Fall können die Vergleicher 112-1, 112-2 Digitalvergleicher sein. Die Vergleicher und/oder die Kombinationslogik können zum Beispiel in einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einem ähnlichen Gerät implementiert sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren umfasst ein Pulsbreitenmodulator Mittel zum Vergleichen eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen, Mittel zum Bereitstellen einer Vielzahl entsprechender Vergleichssignale und Mittel zum Erzeugen einer Vielzahl binärer Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen. Es ist höchstens jeweils nur ein momentan ausgewähltes binäres Pulsbreitenmodulationssignal der binären Pulsbreitenmodulationssignale auf einem ersten Signalpegel (z. B. logisch „1“), wobei das momentan ausgewählte binäre Pulsbreitenmodulationssignal mit einem bestimmten Bezugssignal der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert ist, das dem Eingangssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal momentan am nächsten ist.
7 veranschaulicht Amplitudenbereiche der Bezugssignale und entsprechende Hierarchieebenen gemäß einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren. Die Bezugssignale können zeitvariabel sein und somit unterschiedliche Amplituden zu unterschiedlichen Zeiten annehmen. Jedoch können die Bezugsfunktionen gemäß einigen Ausführungsformen Amplitudenbereiche aufweisen, die disjunkt sind. Dies bedeutet, dass jede Bezugsfunktion ref₁(t), ref₂(t) ... ref_N(t) einen zweckbestimmten Amplitudenbereich aufweist, der von den anderen Bezugssignalen nicht genutzt wird. Dabei ist zu beachten, dass an der Grenze zwischen zwei Amplitudenbereichen ein kleiner Rand bereitgestellt sein kann, der von zwei oder mehr Bezugssignalen genutzt werden kann, um unabgedeckte Amplitudenbereiche zu vermeiden.
Die Bezugssignale können periodisch variierend sein, zum Beispiel in Form eines Dreieckssignals, eines Sägezahnsignals, eines Treppensignals etc.
Die Vielzahl von Bezugssignalen kann gemäß einer Hierarchie oder einem Anordnungsschema angeordnet sein. Die Anordnung der Bezugssignale kann bedeuten, dass die Amplituden der Bezugssignale so angeordnet sind, dass ein Bezugssignal einer höheren Hierarchieebene immer eine größere Amplitude aufweist als ein Bezugssignal einer niedrigeren Hierarchieebene, d. h. ref_i(t) < ref_i+j(t) für alle Ganzzahlen j > 0. Die Kombinationslogik 120 in der Konfiguration von 6 kann mindestens einen Pulsbreitenmodulationssignalmodifikator zum bedingten Zwangssetzen eines (binären) Pulsbreitenmodulationssignals einer ersten Hierarchieebene auf den zweiten Signalwert (z. B. logische „0“), wenn ein Vergleichssignal einer (nächst-)höheren Hierarchieebene auf dem ersten Signalwert ist, beinhalten. Wenn die Bezugssignale amplitudenangeordnet sind, sind alle der Vergleichssignale wahr, die mit Bezugsfunktionen assoziiert sind, die momentan kleiner als das Eingangssignal sind. Alle der übrigen Vergleichssignale sind falsch. Somit wird die Vielzahl von Vergleichssignalen in zwei kompakte Mengen geteilt: Eine niedrigere Hierarchiemenge, in der alle der Vergleichssignale wahr sind, und eine höhere Hierarchiemenge, in der alle der Vergleichssignale falsch sind (es ist zu beachten, dass diese Schlussfolgerung auf der oben erwähnten Annahme zu den Anordnungs- und Hierarchieeigenschaften der Bezugssignale und der assoziierten Vergleichssignale basiert). Eine mögliche Implementierung des Pulsbreitenmodulationssignalmodifikators ist in 10 gezeigt, welche unten beschrieben wird. 7 veranschaulicht die Amplitudenbereiche für Bezugssignale ref₁(t), ref₂(t), ... ref_N(t) und die entsprechenden Hierarchieebenen 1, 2, ... N.
8 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Verstärkergruppierung 200 gemäß einigen der Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren. Die Verstärkergruppierung 200 empfängt ein Eingangssignal input(t) am Eingangsanschluss 204. Das Eingangssignal input(t) wird von einem Pulsbreitenmodulator 206 der Verstärkergruppierung 200 verarbeitet. Der Pulsbreitenmodulator 206 erzeugt zwei Steuersignale CTRL₁(t) und CTRL₂(t), die für einen ersten Verstärker PA₁ 244-1 bzw. einen zweiten Verstärker PA₂ 244-2 bereitgestellt werden. Der erste Verstärker 244-1 und der zweite Verstärker 244-2 bilden eine Verstärkerreihe 244. Insbesondere können der erste Verstärker 244-1 und der zweite Verstärker 244-2 Schaltverstärker sein. Der erste Verstärker 244-1 ist mit einer ersten Stromversorgung VB1 verbunden, die einen ersten Stromversorgungszustand für den ersten Leistungsverstärker 244-1 bereitstellt. Der zweite Verstärker 244-2 ist mit einer zweiten Stromversorgung VB2 verbunden, die einen zweiten Stromversorgungszustand für den zweiten Leistungsverstärker 244-2 bereitstellt. Der zweite Stromversorgungszustand unterscheidet sich vom ersten Stromversorgungszustand. Zum Beispiel kann eine von der zweiten Stromversorgung VB2 für den zweiten Verstärker 244-2 bereitgestellte Vorspannung höher als eine von der ersten Stromversorgung VB1 für den ersten Verstärker 244-1 bereitgestellte Vorspannung sein.
Die Ausgänge des ersten Verstärkers 244-1 und des zweiten Verstärkers 244-2 sind miteinander verbunden und bilden einen gemeinsamen Ausgangsknoten 252 der Verstärkergruppierung 200. Ein verstärktes PWM-Signal ist am gemeinsamen Ausgangsknoten 252 verfügbar. Die Verbindung der Ausgänge des ersten Verstärkers 244-1 und des zweiten Verstärkers 244-2 ist möglich, da von den zwei Verstärkern 244-1, 244-2 höchstens jeweils ein Verstärker aktiv ist. Somit wird kein Leistungskombinator oder Signalkombinationsnetz benötigt. Die Verstärker 244-1, 244-2 werden vom Pulsbreitenmodulator 206 über die Steuersignale CTRL₁(t), CTRL₂(t) derart angesteuert, dass die Steuersignale disjunkte Signale sind. Demgemäß kann höchstens eines der Steuersignale CTRL₁(t), CTRL₂(t) auf dem ersten Signalwert (z. B. logische „1”) sein, was verursacht, dass der assoziierte Verstärker 244-1, 244-2 aktiv wird, d. h. um ein Signal auszugeben.
Die zwei Verstärker 244-1, 244-2 können unterschiedlich dimensioniert sein. Zum Beispiel kann der erste Verstärker 244-1 eine Sättigung für kleinere Amplituden als der zweite Verstärker 244-2 erreichen. In Verbindung mit den unterschiedlichen Stromversorgungszuständen für die zwei Verstärker 244-1, 244-2 kann der angemessenere Verstärker zum Erlangen einer bestimmten gewünschten Ausgangsamplitude gewählt werden. Die Verstärker 244-1, 244-2 können somit eine Reihe skalierter Verstärker bilden.
Der Pulsbreitenmodulator 206 kann auf ähnliche Art wie der in 6 gezeigte Pulsbreitenmodulator 100 konfiguriert sein. Zum Beispiel kann der Pulsbreitenmodulator 206 eine Vielzahl von Vergleichern zum Vergleichen des Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen beinhalten. Eine Vielzahl entsprechender Vergleichssignale kann dann von der Vielzahl von Vergleichern bereitgestellt werden. Des Weiteren kann eine Kombinationslogik zum Erzeugen der Vergleichssignale CTRL₁(t), CTRL₂(t) auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen bereitgestellt werden. Ein momentan ausgewähltes Steuersignal ist mit einem bestimmten Bezugssignal der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert. Das bestimmte Bezugssignal ist dem Eingangssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal momentan am nächsten.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren umfasst eine Verstärkergruppierung zum Verstärken eines Eingangssignals ein erstes Mittel zum Verstärken eines Signals unter Verwendung eines Schaltverstärkungsschemas, ein zweites Mittel zum Verstärken eines Signals unter Verwendung eines Schaltverstärkungsschemas, ein Mittel zum Versorgen des ersten Mittels zum Verstärken mit Leistung, ein Mittel zum Versorgen des zweiten Mittels zum Verstärken mit Leistung und ein Mittel zum Erzeugen von Steuersignalen für das erste und das zweite Mittel zum Verstärken auf der Basis des Eingangssignals, wobei die Steuersignale disjunkte Signale sind. Das zweite Mittel zum Versorgen mit Leistung produziert einen anderen Stromversorgungszustand als das erste Mittel zum Versorgen mit Leistung.
Das Eingangssignal kann ein Digitalsignal sein und der Pulsbreitenmodulator 206 kann eine Digitalschaltung sein.
9 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Pulsbreitenmodulationsübertragungsgeräts (PWM-Übertragungsgeräts) 300 gemäß einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren. Das PWM-Übertragungsgerät wird als mit einem Basisbandprozessor 8 an einem Eingangsanschluss 304 und mit einer Antenne 9 an einem Ausgangsanschluss 305 verbunden veranschaulicht. Trotzdem kann das PWM-Übertragungsgerät 300 auch mit anderen Geräten verbunden sein. Insbesondere kann statt der Antenne ein optisches Element, etwa eine Lichtemissionsdiode zur optischen Datenübertragung, genutzt werden. Es ist auch denkbar, dass das PWM-Übertragungsgerät zum Ansteuern eines Lautsprechers, der mit dem Ausgangsanschluss 305 verbunden ist, genutzt wird. Das PWM-Übertragungsgerät 300 umfasst einen Pulsbreitenmodulator 306 und eine Vielzahl von Schaltverstärkern 344-1, 344-2, ... 344-N-1, 344-N. Optional umfasst das PWM-Übertragungsgerät 300 eine Ausgangssignalschaltung 370 zum Aufbereiten des Ausgangssignals des PWM-Übertragungsgeräts, das für die Antenne 9 bereitgestellt wird. Das vom Basisbandprozessor 8 bereitgestellte Signal kann ein Analogsignal oder ein Digitalsignal sein. Des Weiteren kann der Pulsbreitenmodulator 306, mindestens teilweise, eine Digitalschaltung sein.
Der Pulsbreitenmodulator 306 kann ein Mehrstufen-Pulsbreitenmodulator zum Erzeugen einer Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis des vom Basisbandprozessor 8 über den Eingangsanschluss 304 empfangenen Eingangssignals sein. In der Vielzahl von Schaltverstärkern 344-1, 344-2, ... 344-N-1, 344-N kann jeder Verstärker zum Empfangen eines entsprechenden Pulsbreitenmodulationssignals der Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale konfiguriert sein, sodass höchstens jeweils einer der Vielzahl von Schaltverstärkern aktiv ist. Mindestens zwei der Vielzahl von Verstärkern 344-1, 344-2, ... 344-N-1, 344-N können unterschiedlich dimensioniert sein. In der Regel können alle Verstärker 344-1, 344-2, ... 344-N-1, 344-N unterschiedlich dimensioniert sein. Des Weiteren können mindestens zwei der Vielzahl von Schaltverstärkern mit unterschiedlichen Stromversorgungszuständen versorgt sein.
Die Ausgänge der Verstärker 344-1, 344-2, ... 344-N-1, 344-N sind direkt mit einem gemeinsamen Knoten 352 des PWM-Übertragungsgeräts 300 verbunden. Der gemeinsame Knoten 352 ist mit einem Eingang der (gemeinsamen) Ausgangsschaltung 370 verbunden.
Die Ausgangsschaltung 370 kann einen Richtkoppler beinhalten, von dem ein erstes Tor mit den Ausgangsanschlüssen der Vielzahl von Schaltverstärkern 344-1, 344-2, ... 344-N-1, 344-N verbunden ist. Die Ausgangsschaltung kann weiter einen mit einem zweiten Tor des Richtkopplers verbundenen Filter beinhalten. Der Filter kann zum Filtern von Außerband-Signalkomponenten und zum Passieren durch Inband-Signalkomponenten konfiguriert sein. Das Filtern kann beinhalten, dass der Filter die Außerband-Signalkomponenten zurück zum Richtkoppler reflektiert, wo sie dissipiert werden können. Der Richtkoppler kann zum Beispiel ein Zirkulator sein.
Somit wird gemäß den hierin offenbarten Lehren ein Konzept für ein rekonfigurierbares Mehrstufen-PWM-Übertragungsgerät für hochwirksamen Betrieb vorgeschlagen, das hohe Signalbandbreiten handhaben kann. Die PWM-Signale werden ähnlich wie oben beschrieben erzeugt (siehe zum Beispiel 1 bis 5 und die entsprechende Beschreibung), zum Beispiel durch Vergleich der normierten Hüllkurve des Basisbandsignals |s_BB(t)| mit unterschiedlichen Bezugsfunktionen ref_k(t), was durch eine Vielzahl von Vergleichern 312-1, 312-2, ... 312-N erzielt wird. Zur Definition der Bezugsfunktionen wird das Amplitudenintervall [0, 1] in N sich nicht überdeckende angrenzende Mengen [k_n, k_m] unterteilt, während 1 < n, m < N und 0 < k_n < k_m < k_N = 1. Für jedes dieser Intervalle wird eine Bezugsfunktion, wie zum Beispiel eine Dreiecksfunktion, mit konstanter PWM-Frequenz f_p definiert, wie in 10 gezeigt, die ein schematisches Blockdiagramm eines N-Stufen-Pulsbreitenmodulators basierend auf Dreiecksbezugsfunktionen veranschaulicht. Diese Bezugsfunktionen können dann in Vergleichern genutzt werden, wie in 10 gezeigt, um die individuellen PWM-Signale zu erzeugen. Es ist zu beachten, dass die PWM-Erzeugung nicht auf dieses Schema begrenzt ist. Weil das Übertragungsgerät keine Leistungskombinatoren am Ausgang nutzt, setzt sich das Mehrstufen-PWM-Signal
aus unterschiedlichen amplitudengewichteten PWM-Signalen PWM_k(t) zusammen, während zu einer Zeit t nur ein PWM-Signal aktiv ist. Dies wird in 10 durch Subtrahieren der entsprechenden Signale bewerkstelligt. In der in 10 gezeigten Konfiguration wird diese Subtraktion der entsprechenden Signale durch einen Pulsbreitenmodulationssignalmodifikator 318 umgesetzt. Der Pulsbreitenmodulationssignalmodifikator 318 umfasst Subtrahierer 318-1, 318-2. Der Subtrahierer 318-1 empfängt das vom Vergleicher 312-1 erzeugte Vergleichssignal und das vom Vergleicher 312-2 erzeugte Vergleichssignal. Das letztere Vergleichssignal (das vom Vergleicher 312-2 erzeugt wird) wird vom ersteren Vergleichssignal (das vom Vergleicher 312-1 erzeugt wird) subtrahiert. Da die Bezugssignale amplitudenangeordnet sind, ist das vom Vergleicher 312-1 erzeugte Vergleichssignal von dem vom Vergleicher 312-2 erzeugten Vergleichssignal stochastisch abhängig. Mit anderen Worten: Wenn das Vergleichssignal (Ausgang) des Vergleichers 312-2 wahr ist, muss das Vergleichssignal (Ausgang) des Vergleichers 312-1 auch wahr sein, da, wenn das Eingangssignal s_BB(t) größer als das Bezugssignal ref₂(t) ist, es dann sicherlich auch größer als das Bezugssignal ref₁(t) ist. Deshalb sind folgende vom Subtrahierer 318-1 durchgeführten Operationen möglich:

Ausgang von Vergleicher 312-1 Ausgang von Vergleicher 312-2 Ausgang von Subtrahierer 318-1

1 0 1

1 1 0

0 0 0
Es ist auch möglich, außer Subtrahierern NOR-Gatter oder andere Logikschaltungen zu nutzen. Wie oben erwähnt, kann die Vielzahl von Bezugssignalen gemäß einer Hierarchie angeordnet sein. Ein erster Eingang und ein zweiter Eingang des NOR-Gatters oder des Subtrahierers 318-1, 318-2 können dann jeweils mit Ausgängen eines ersten Vergleichers 312-1 und eines zweiten Vergleichers 312-2 angrenzender Hierarchieebenen verbunden werden.
Der Hauptunterschied bei der Mehrstufen-PWM-Erzeugung in 10 und 1 ist, dass das PWM-Schema in 1 einen Thermometercode produziert, was bedeutet, dass die höheren Vergleicher nur angeschaltet werden können, wenn die unteren bereits an sind, was in dem in 10 gezeigten PWM-Schema nicht der Fall ist. Hier ist nur ein Zweig gleichzeitig angeschaltet. Danach werden die PWM-Signale PWM_k(t) von einem phasenmodulierten Träger und Aufwärtsumsetzern 436-1, 436-2, ... 436-N, wie in 11 dargestellt, auf HF aufwärtsumgesetzt und unterschiedlichen Leistungsverstärkern PA_k (444-1, 444-2, ... 444-N) zugeführt. Die Aufwärtsumsetzer 436-1, 436-2, ... 436-N erzeugen burstmodulierte Signale s1(t), s2(t), ... sN(t).
Insbesondere zeigt 11 ein schematisches Blockdiagramm eines Schalt-Übertragungsgeräts 400 ohne Leistungskombinator. Das Schalt-Übertragungsgerät 400 ist mit einem Basisbandprozessor 8 an einer Eingangsseite und mit einer Antenne 9 an einer Ausgangsseite verbunden. Das Eingangsbasisbandsignal ist ein komplexwertiges Signal, das mittels eines Modulators 406 pulsbreitenmoduliert wird. Der Modulator 406 stellt eine Vielzahl von PWM-Signalen für die Aufwärtsumsetzer 436-1, ... 436-N bereit. Jede PWM wird von einem der Aufwärtsumsetzer 436-1, ... 436-N aufwärtsumgesetzt, sodass eine Vielzahl von HF-Signalen erlangt wird. Die HF-Signale werden dann für die Leistungsverstärker 444-1, ... 444-N bereitgestellt. Jeder Verstärker weist seine eigene Stromversorgung VB1, VB2, ... VBN auf. Die Ausgangsanschlüsse der Verstärker 444-1, ... 444-N sind mit einem gemeinsamen Knoten 452 verbunden. Eine Ausgangsschaltung 470 ist ebenfalls mit dem gemeinsamen Knoten 452 verbunden. Die Ausgangsschaltung 470 umfasst einen Zirkulator 472, einen 50-Ohm-Abschluss 474 und einen Bandpassfilter 476. Die Antenne ist mit einem Ausgang des Bandpassfilters 476 verbunden.
Um das Mehrstufensignal zu rekonstruieren und die Linearität aufrechtzuerhalten, wird jedes der burstmodulierten Signale s₁(t), s₂(t) s_N(t) mit dem entsprechenden Faktor k₁, k₂, ... k_N durch die unterschiedlichen PAs 444-1, ... 444-N gewichtet. Da hochwirksamer Betrieb eines Leistungsverstärkers nur erzielt wird, wenn der Verstärker nahe der Sättigung angesteuert wird, müssen die Transistorperipherie und die Versorgungsspannung für jeden Leistungsverstärker 444-1, ... 444-N für jedes Signal s₁(t), ... s_N(t) angepasst werden. Weil das Ansteuersignal s_N(t) mit einer Amplitudengewichtung k_N = 1 beiträgt, gibt der Verstärker PAN (444-N) maximale Spannungsschwankung v_max und Ausgangsleistung aus, wenn er bei Sättigung angesteuert wird, und verwendet deshalb die größte Transistorperipherie w_N = l_max und die höchste Versorgungsspannung VBN = VB_max. Da alle Verstärker bei derselben Last R_L (nur einer von N Verstärkern ist gleichzeitig aktiv) parallel betrieben werden und jeder Verstärker mit unterschiedlichen Spannungsschwankungen beitragen muss, um das Mehrstufen-PWM-Signal zu bilden, kann die Versorgungsspannung VB_j = k_j·VB_max jedes PA basierend auf den Modulationsschwellen k_j skaliert werden. Zusätzlich kann die Peripherie des Transistors w_j = k_j·l_max beim Ansteuern jedes Verstärkers mit Signalen mit gleicher maximaler Eingangsspannungsschwankung max(s_N(t)) = max(s₁(t)) angepasst werden oder der Ansteuerpegel der PAs muss reduziert werden, wenn die Peripherie w_j = l_max konstant gehalten wird. Zum Beispiel zeigt 12 die Zeitbereichssignale für ein N=2-Mehrstufenübertragungsgerät, dessen Modulationsschwelle k₁ auf 0,5 eingestellt ist. Insbesondere veranschaulicht 12 Zeitbereichssignale, für ein N=2-Mehrstufen-PWM-Signal mit einem konstanten normierten Eingangssignal |s_BB(t)| = 0,6, der Bezugsfunktionen ref_k(t) für den Modulatorschwellenwert k₁ = 0,5, den aufwärtsumgesetzten HF-Burst s₁(t) und das entsprechende Mehrstufen-PWM-Signal PWMmulti(t). In diesem Graphen werden die Dreiecksbezugsfunktionen und ein konstantes Eingangsstufensignal gezeigt. Basierend auf dem in 10 gezeigten Schema werden die entsprechenden Ansteuersignale für jeden PA erzeugt. Es ist zu beachten, dass jeweils nur ein PA angesteuert wird. Weil der PA entweder bis zur Sättigung angesteuert oder abgeschaltet wird, wird der PA in einem hochwirksamen Modus betrieben. 14 zeigt den Drain-Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung als Funktion des Tastverhältnisses bzw. der normierten Eingangsgröße |s_BB(t)|.
Weil der durchschnittliche Wirkungsgrad eines modulierten Signals von der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (pdf) der Augenblickssignalgröße abhängt, ist es wichtig, einen gegenüber dem ganzen dynamischen Eingangsspannungsbereich hohen Drain-Wirkungsgrad zu erzielen. Um mit der vorgeschlagenen Übertragungsgerät-Architektur einen besseren durchschnittlichen Wirkungsgrad zu erhalten, ist es möglich, das Übertragungsgerät durch Ändern der Modulationsschwellen k_j zur Abstimmung der Wirkungsgrad-Charakteristik auf die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Eingangssignals auszugestalten. In 13 werden die Ansteuersignale für eine Modulationsschwelle k₁ = 0,25 gezeigt, während in 14 die Auswirkung auf die Drain-Charakteristik eindeutig gezeigt wird (Beschriftung von 13: Zeitbereichssignale, für ein N=2-Mehrstufen-PWM-Signal mit einem konstanten normierten Eingangssignal |s_BB(t)| = 0,6, der Bezugsfunktionen ref_k(t) für einen Modulatorschwellenwert k₁ = 0,25, die aufwärtsumgesetzten RF-Bursts s₁(t) und das entsprechende Mehrstufen-PWM-Signal PWMmulti(t); Beschriftung von 14: Wirkungsgrad und Ausgangsleistung als Funktion des Tastverhältnisses eines typischen N=2-Mehrstufen-Klasse-B-PA mit einer anderen Menge von Modulatorschwellenwerten k₁, wie in 11 gezeigt). Abhängig vom Verhältnis der Spitzen- zur Mittelleistung (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) kann der Drain-Wirkungsgrad abgewandelt werden, wie in 15 gezeigt, die einen Wirkungsgrad als Funktion der Ausgangsleistung eines typischen N=2-Mehrstufen-Klasse-B-PA mit einer 24, 12 anderen Menge von Modulatorschwellenwerten k₁, wie in 11 gezeigt, zeigt. Die zweite Wirkungsgradspitze wird von 6dB unter der Spitzenleistung auf 12dB unter der Spitzenleistung abhängig von der Modulationsschwelle verschoben. Selbst wenn die Gerätegröße nach einer anfänglichen Ausgestaltung (k_n) konstant gehalten wird, kann das Übertragungsgerät durch Änderung nur der Modulationsschwelle (k_n < k_m), der Versorgungsspannungen und der maximalen Größe der die Verstärker ansteuernden HF-Bursts später rekonfiguriert werden.
16 veranschaulicht Zeitbereichssignale, für ein N=3-Mehrstufen-PWM-Signal mit einem konstanten normierten Eingangssignal |s_BB(t)| = 0,4, der Bezugsfunktionen ref_k(t) für die Modulatorschwellenwerte k₁ = 0,25 und k₂ = 0,5, den aufwärtsumgesetzten HF-Burst s₁(t), s₂(t), s₃(t) und das entsprechende Mehrstufen-PWM-Signal PWMmulti(t).
17 veranschaulicht Zeitbereichssignale, für ein N=3-Mehrstufen-PWM-Signal mit einem konstanten normierten Eingangssignal |s_BB(t)| = 0,6, der Bezugsfunktionen ref_k(t) für die Modulatorschwellenwerte k₁ = 0,25 und k₂ = 0,5, den aufwärtsumgesetzten HF-Burst s₁(t), s₂(t), s₃(t) und das entsprechende Mehrstufen-PWM-Signal PWMmulti(t).
18 zeigt einen Graphen, der den Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung als Funktion des Tastverhältnisses eines typischen N=3-Mehrstufen-Klasse-B-PA mit einer anderen Menge von Modulatorschwellenwerten k₁ und k₂, wie in 11 gezeigt, veranschaulicht.
19 zeigt einen Graphen, der den Wirkungsgrad als Funktion der Ausgangsleistung eines typischen N=3-Mehrstufen-Klasse-B-PA mit einer anderen Menge von Modulatorschwellenwerten k₁ und k₂, wie in 11 gezeigt, veranschaulicht.
20 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens für Pulsbreitenmodulation gemäß den hierin offenbarten Lehren. Das Verfahren umfasst einen Vorgang oder Schritt 22 des Vergleichens eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen. Eine Vielzahl entsprechender Vergleichssignale wird bereitgestellt, die angeben, wie sich das Eingangssignal auf jedes der Vielzahl von Bezugssignalen, zum Beispiel bezüglich einer Amplitude, bezieht.
In weiteren Ausführungsformen der offenbarten Lehren umfasst ein Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät ein Mittel zum Erzeugen einer Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis eines Eingangssignals des Pulsbreitenmodulationsübertragungsgeräts, wobei die disjunkten Pulsbreitenmodulationssignale einen Augenblicksamplitudenbereich einer Augenblicksamplitude des Eingangssignals angeben. Das Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät umfasst weiter eine Vielzahl von Mitteln zum Verstärken. Jedes Element der Mittel zum Verstärken ist zum Empfangen eines entsprechenden Pulsbreitenmodulationssignals der Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale konfiguriert, sodass höchstens jeweils einer der Vielzahl von Schaltverstärkern aktiv ist.
Das in 20 schematisch veranschaulichte Verfahren für Pulsbreitenmodulation umfasst weiter einen Vorgang oder Schritt 24, während dessen eine Vielzahl von (binären) Pulsbreitenmodulationssignalen auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen erzeugt wird. Es ist höchstens jeweils nur ein momentan ausgewähltes (binäres) Pulsbreitenmodulationssignal der (binären) Pulsbreitenmodulationssignale auf einem ersten Signalwert. Das momentan ausgewählte Pulsbreitenmodulationssignal wird (in der Regel definitionsgemäß oder vorher) mit einem bestimmten Bezugssignal aus der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert. Die bestimmten Bezugssignale sind das eine Bezugssignal, das dem Eingangssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal am nächsten ist.
Die Vielzahl von Bezugssignalen kann Amplitudenbereiche aufweisen, die disjunkt sind. Gemäß dem Verfahren kann (können) eine Amplitudenschwelle (oder mehrere Amplitudenschwellen) variiert werden, was eine Grenze zwischen einem ersten Amplitudenbereich und einem zweiten Amplitudenbereich eines ersten Bezugssignals bzw. eines zweiten Bezugssignals der Vielzahl von Bezugssignalen angibt. Auf diese Weise kann die Vielzahl von Bezugssignalen dynamisch an eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Eingangssignals angepasst werden, sodass ein Informationsinhalt noch gleichmäßiger unter den unterschiedlichen Pulsbreitenmodulationssignalen verteilt werden kann. Die Variation der Schwelle(n) kann zum Beispiel durch eine Einheit gesteuert werden, welche die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Eingangssignals bewertet. Eine andere Option wäre Angleichen der Schwelle(n) als Funktion der Mobilkommunikationsnorm (UMTS, LTE, WCDMA etc.), die momentan genutzt wird. Neben den Amplitudenschwellen können die Stromversorgungszustände eines oder mehrerer Verstärker variiert werden, wobei die Verstärker jeweils durch eines der Vielzahl von Pulsbreitenmodulationssignalen gesteuert werden.
Das Verfahren kann ferner einen Vorgang des Erzeugens der Vielzahl von Bezugssignalen beinhalten, sodass die Bezugssignale periodisch variierend sind.
Die Vielzahl von Bezugssignalen kann gemäß einer Hierarchie angeordnet sein. Ein Pulsbreitenmodulationssignal der ersten Hierarchieebene kann auf einen zweiten Signalwert zwangsgesetzt werden, wenn ein Vergleichswert einer (nächst- oder unmittelbar nächst-)höheren Hierarchieebene auf dem ersten Signalwert ist.
21 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Übertragen eines Eingangssignals. Das Verfahren umfasst einen Vorgang oder Schritt 26 des Erzeugens einer Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis des Eingangssignals. Die disjunkten Pulsbreitenmodulationssignale geben einen Augenblicksamplitudenbereich einer Augenblicksamplitude des Eingangssignals an. Des Weiteren umfasst das Verfahren einen Vorgang oder Schritt 28, bei dem die Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale für eine Vielzahl von Schaltverstärkern bereitgestellt wird. Jeder Schaltverstärker ist zum Empfangen eines entsprechenden Pulsbreitenmodulationssignals der Vielzahl der disjunkten Pulsbreitenmodulationssignale konfiguriert, sodass höchstens jeweils einer der Vielzahl von Schaltverstärkern aktiv ist.
Wenngleich einige Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, liegt es auf der Hand, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wenn ein Block oder Gerät einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog stellen im Kontext eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Bestandteils oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können anhand (oder durch Nutzung) einer Hardware-Vorrichtung wie zum Beispiel eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen können einige, ein oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte anhand einer solchen Vorrichtung ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

V.D. Agrawal und S. Seth in „Mutually Disjoint Signals and Probability Calculation in Digital Circuits“, Proceedings of Great Lakes Symposium on VLSI, 1998, S. 307 bis 312 [0037]

Claims

Pulsbreitenmodulator, der Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Vergleichern zum Vergleichen eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen und zum Bereitstellen einer Vielzahl entsprechender Vergleichssignale; und eine Kombinationslogik zum Empfangen der Vielzahl von Vergleichssignalen und zum Erzeugen einer Vielzahl binärer Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen, wobei höchstens jeweils nur ein momentan ausgewähltes binäres Pulsbreitenmodulationssignal der binären Pulsbreitenmodulationssignale auf einem ersten Signalpegel ist und wobei das momentan ausgewählte binäre Pulsbreitenmodulationssignal mit einem bestimmten Bezugssignal der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert ist, das dem Eingangssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal momentan am nächsten ist.
Pulsbreitenmodulator gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Bezugssignalen Amplitudenbereiche aufweist, die disjunkt sind.
Pulsbreitenmodulator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Bezugssignalen periodisch variierend ist.
Pulsbreitenmodulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das gegebene Amplitudenverhältnis zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal ein Größer-als-Verhältnis oder ein Größer-als-oder-gleich-Verhältnis oder ein Kleiner-als-Verhältnis oder ein Kleiner-als-oder-gleich-Verhältnis ist.
Pulsbreitenmodulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vielzahl von Bezugssignalen gemäß einer Hierarchie angeordnet ist und wobei die Kombinationslogik mindestens einen Pulsbreitenmodulationssignalmodifikator zum bedingten Zwangssetzen eines binären Pulsbreitenmodulationssignals einer ersten Hierarchieebene auf den zweiten Signalwert, wenn ein Vergleichssignal einer höheren Hierarchieebene auf dem ersten Signalwert ist, umfasst.
Pulsbreitenmodulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kombinationslogik ein NOR-Gatter und/oder einen Subtrahierer umfasst.
Pulsbreitenmodulator gemäß Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Bezugssignalen gemäß einer Hierarchie angeordnet ist und wobei ein erster Eingang und ein zweiter Eingang des NOR-Gatters oder des Subtrahierers mit Ausgängen eines ersten bzw. eines zweiten Vergleichers angrenzender Hierarchieebenen verbunden sind.
Pulsbreitenmodulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der ferner eine parallele Ausgangsschnittstelle zum Bereitstellen der Vielzahl binärer Pulsbreitenmodulationssignale als Steuersignale für eine Vielzahl unterschiedlich vorgespannter Schaltverstärker umfasst.
Verstärkergruppierung zum Verstärken eines Eingangssignals, wobei die Verstärkergruppierung Folgendes umfasst: einen ersten Schaltverstärker; einen zweiten Schaltverstärker; eine erste Stromversorgung für den ersten Schaltverstärker; eine zweite Stromversorgung für den zweiten Schaltverstärker, die einen anderen Stromversorgungszustand als die erste Stromversorgung produziert; und einen Pulsbreitenmodulator zum Erzeugen von Steuersignalen für den ersten Schaltverstärker und den zweiten Schaltverstärker auf der Basis des Eingangssignals, wobei die Steuersignale disjunkte Signale sind.
Verstärkergruppierung gemäß Anspruch 9, wobei höchstens jeweils eines der Steuersignale auf einem ersten Signalwert ist, wobei der erste Signalwert den entsprechenden des ersten Schaltverstärkers oder des zweiten Schaltverstärkers aktiviert, sodass höchstens jeweils entweder der erste Schaltverstärker oder der zweite Schaltverstärker aktiv ist.
Verstärkergruppierung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der erste Schaltverstärker und der zweite Schaltverstärker unterschiedlich dimensioniert sind.
Verstärkergruppierung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Pulsbreitenmodulator Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Vergleichern zum Vergleichen des Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen und zum Bereitstellen einer Vielzahl entsprechender Vergleichssignale; und eine Kombinationslogik zum Empfangen der Vielzahl von Vergleichssignalen und zum Erzeugen der Steuersignale auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen, wobei ein momentan ausgewähltes Steuersignal mit einem bestimmten Bezugssignal der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert ist, das dem Eingangssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal momentan am nächsten ist.
Verstärkergruppierung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der erste Schaltverstärker und der zweite Schaltverstärker eine Reihe skalierter Verstärker bilden oder zu einer Reihe skalierter Verstärker gehören.
Verstärkergruppierung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei Ausgänge des ersten Schaltverstärkers und des zweiten Schaltverstärkers direkt mit einem gemeinsamen Ausgangsknoten der Verstärkergruppierung verbunden sind.
Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät, das Folgendes umfasst: einen Mehrstufen-Pulsbreitenmodulator zum Erzeugen einer Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis eines Eingangssignals des Pulsbreitenmodulationsübertragungsgeräts, wobei die disjunkten Pulsbreitenmodulationssignale einen Augenblicksamplitudenbereich einer Augenblicksamplitude des Eingangssignals angeben; und eine Vielzahl von Schaltverstärkern, wobei jeder Schaltverstärker zum Empfangen eines entsprechenden Pulsbreitenmodulationssignals der Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale konfiguriert ist, sodass höchstens jeweils einer der Vielzahl von Schaltverstärkern aktiv ist.
Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät gemäß Anspruch 15, wobei Ausgänge der Schaltverstärker direkt mit einem gemeinsamen Ausgangsknoten oder mit einer gemeinsamen Ausgangsschaltung des Pulsbreitenmodulationsübertragungsgeräts verbunden sind.
Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät gemäß Anspruch 15 oder 16, das ferner eine Vielzahl von Frequenzumsetzern umfasst, wobei jeder Frequenzumsetzer konfiguriert ist, das entsprechende Pulsbreitenmodulationssignal zu verschieben und das entsprechende frequenzverschobene Pulsbreitenmodulationssignal für den entsprechenden Schaltverstärker bereitzustellen.
Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei mindestens zwei der Vielzahl von Schaltverstärkern unterschiedlich dimensioniert sind.
Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei mindestens zwei der Vielzahl von Schaltverstärkern mit elektrischer Leistung mit unterschiedlichen Stromversorgungszuständen versorgt werden.
Pulsbreitenmodulationsübertragungsgerät gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, das ferner Folgendes umfasst: einen Richtkoppler, von dem ein erstes Tor mit Ausgängen der Vielzahl von Schaltverstärkern verbunden ist; und einen Filter, der mit einem zweiten Tor des Richtkopplers verbunden ist, wobei der Filter zum Filtern oder Reflektieren von Außerband-Signalkomponenten zurück zum Richtkoppler und zum Passieren durch Inband-Signalkomponenten konfiguriert ist.
Verfahren für Pulsbreitenmodulation, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Vergleichen eines Eingangssignals mit einer Vielzahl von Bezugssignalen und Bereitstellen einer Vielzahl entsprechender Vergleichssignale; Erzeugen einer Vielzahl binärer Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis der Vielzahl von Vergleichssignalen, wobei höchstens jeweils nur ein momentan ausgewähltes binäres Pulsbreitenmodulationssignal der binären Pulsbreitenmodulationssignale auf einem ersten Signalwert ist und wobei das momentan ausgewählte binäre Pulsbreitenmodulationssignal mit einem bestimmten Bezugssignal der Vielzahl von Bezugssignalen assoziiert ist, das dem Eingangssignal unter der Vielzahl von Bezugssignalen hinsichtlich eines gegebenen Amplitudenverhältnisses zwischen der Vielzahl von Bezugssignalen und dem Eingangssignal momentan am nächsten ist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Bezugssignalen Amplitudenbereiche aufweist, die disjunkt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 22, das ferner Folgendes umfasst: Variieren einer Amplitudenschwelle, die eine Grenze zwischen einem ersten Amplitudenbereich und einem zweiten Amplitudenbereich eines ersten Bezugssignals bzw. eines zweiten Bezugssignals der Vielzahl von Bezugssignalen angibt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, das ferner Folgendes umfasst: Erzeugen der Vielzahl von Bezugssignalen, sodass die Vielzahl von Bezugssignalen periodisch variierend ist.
Verfahren gemäß Anspruch 23 oder 24, wobei die Vielzahl von Bezugssignalen gemäß einer Hierarchie angeordnet ist und wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Zwangssetzen eines binären Pulsbreitenmodulationssignals der ersten Hierarchieebene auf einen zweiten Signalwert, wenn ein Vergleichswert einer höheren Hierarchieebene auf dem ersten Signalwert ist.
Verfahren zum Übertragen eines Eingangssignals, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen einer Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale auf der Basis des Eingangssignals, wobei die disjunkten Pulsbreitenmodulationssignale einen Augenblicksamplitudenbereich einer Augenblicksamplitude des Eingangssignals angeben; und Bereitstellen der Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale für eine Vielzahl von Schaltverstärkern, wobei jeder Schaltverstärker zum Empfangen eines entsprechenden Pulsbreitenmodulationssignals der Vielzahl disjunkter Pulsbreitenmodulationssignale konfiguriert ist, sodass höchstens jeweils einer der Vielzahl von Schaltverstärkern aktiv ist.