JP2012512587A - スイッチング電力増幅器のための混合信号送信回路 - Google Patents
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Abstract
本発明は、高周波送信回路(16)のスイッチング電力増幅器(2)のための前置ユニット(1)に関する。前置ユニット(1)はスイッチング電力増幅器(2)にパルス長変調された信号(22)を供給する。パルス長変調の線形性ならびに高周波送信回路(16)の線形性が改善される。本発明による前置ユニット(1)は、高周波の位相変調された第1の入力信号(18)のための第1の信号入力側(3)と、第1の入力信号(18)に比べて低い周波数の第2の入力信号のための第2の信号入力側(4)と、制御可能な第1の遅延ユニット(5)と、制御可能な第2の遅延ユニット(7)と、パルス発生器(9)と、制御ユニット(10)とを有する。
Description
本発明は、高周波送信回路のスイッチング電力増幅器のための前置ユニットに関する。本発明による前置ユニットを、例えば、無線通信、マルチバンド無線送信、マルチスタンダード無線送信に使用することができる。
一般的に、スイッチング電力増幅器は能動的な回路である増幅器と再構成フィルタとを有している。その種のスイッチング電力増幅器を用いることにより、例えば無線通信のために、殊に損失の少ない送信回路を実現することができる。スイッチング電力増幅器は高周波のパルス信号によって制御される。このパルス信号は十分に大きく、かつ、十分に安定した振幅を有していなければならない。パルス信号としては、パルス長変調(PLM)により形成される、パルス長変調された信号が殊に適している。したがって、スイッチング電力増幅器のための前置ユニットにおいては、パルス長変調された高周波パルス信号が形成され、形成された高周波パルス信号がスイッチング電力増幅器に供給される。このスイッチング電力増幅器はパルス長変調された信号を増幅し、再構成フィルタに供給する。再構成フィルタの出力側において、そのようにして変調された高周波信号(HF信号)が出力され、アンテナを介して放射される。
一般的に、パルス長変調においては、パルスのパルス長が閾値によって制御される。パルス長は閾値と線形の関係にあるべきである。しかしながら、パルス長変調のこの線形性は実際のシステムでは近似的にしか達成できない。
従来技術による、スイッチング電力増幅器のための前置ユニットにおいては、例えば、位相変調されたHF信号が制限増幅器を用いて、矩形信号を表すHFパルス信号に変換される。このパルス信号は積分器を用いてHF三角波信号に変換される。続いて、比較器がHF三角波信号の瞬時振幅を時間可変の緩慢な閾値と比較する。この比較の結果に依存して、比較器は高い信号レベルまたは低い信号レベルを出力するので、パルス長変調されたHFパルス信号が比較器の出力側において出力される。この際に、閾値を用いてパルスの長さが制御される。しかしながら、パルス長変調されたHFパルス信号のパルス長と閾値の線形性の関係は近似的にしか得られない。高い線形性を得るためには、HF三角波信号を可能な限り正確に形成することが必要になる。このことは第一に、制限増幅器のHFパルス信号は非常に大きいエッジ勾配を有することを前提としているが、そのような大きいエッジ勾配は制限増幅器によって近似的にしか達成できない。さらには、HFパルス信号をHF三角波信号に変換する積分器は、入力信号の非常に短い立上り時間を許容できるものでなくてはならない。さらには、高周波の周期内で十分に大きい信号振幅を達成し、比較器において三角波信号の振幅を閾値と比較できるようにするために、HF三角波信号自体が比較的短い立上り時間を有していなければならない。実際のHF送信回路ではその種の要求が近似的にしか満たされないので、一般的に、パルス変調されたHFパルス信号のパルス長は閾値と線形の関係を有していない。
前置ユニットを用いて形成されるパルス長変調されたHFパルス信号は、再構成フィルタによって送信信号に再構成されて、アンテナに案内される前に増幅されるべきである。この増幅のために、スイッチング電力増幅器を使用することができる。パルス長変調されたHFパルス信号のパルス幅が非常に小さい場合、または非常に大きい場合、スイッチング電力増幅器は、その出力側において、完全な出力振幅を達成できない可能性がある。したがって、入力信号とスイッチング電力増幅器の出力信号の線形の関係も近似的なものでしかない。このようにして、比較器の増幅された出力信号、すなわち増幅されたパルス変調されたHFパルス信号と閾値との線形性が付加的に低減される。
多くの無線通信システムにおいて使用されるディジタル変調方法では、HF送信回路の上述の線形性の程度が小さいことによって、ディジタルシンボルを受信器において確実に検出することができなくなり、したがってビットエラーが発生する可能性がある。
さらには、HF三角波信号の勾配は、例えば前置ユニットがマイクロエレクトロニクス回路として実現されている場合には、プロセス変動および温度変化に依存することが考えられ、したがってHF三角波信号の勾配が大きく変動する可能性がある。これによって、例えば、前置ユニットにおいて使用される積分器を例えば温度に依存して較正しなければならない場合が生じる可能性がある。
さらには、従来の前置ユニットにおいては、位相変調されたHF信号の搬送周波数が変化する場合、HF三角波信号の振幅も変化する可能性がある。したがってその種の前置ユニットは、殊に、種々の搬送周波数を必要とするアプリケーション、例えばマルチバンドアプリケーションまたはマルチスタンダードアプリケーションには条件付きでしか適していない。
さらには、スイッチング電力増幅器は一般的に非対称的なスイッチング特性を有している。すなわち、スイッチング電力増幅器の出力信号の立上りエッジのエッジ勾配と立下りエッジのエッジ勾配とが等しくない。このような等しくないエッジ勾配は、スイッチング電力増幅器の出力信号のHF送信信号への再構成後に、HF送信信号の不所望な位相変調を生じさせ、そのような不所望な位相変調されたHF送信信号がアンテナから放射される可能性がある。従来技術および従来技術と関連する問題については、図1に基づいても説明することを言及しておく。
本発明の課題は、従来技術に関して説明した問題を少なくとも部分的に解決すること、殊に、可能な限り線形の特性を示す、高周波送信回路のスイッチング電力増幅器のための前置ユニットを提供することである。
この課題は、高周波送信回路のスイッチング電力増幅器のための前置ユニットによって解決され、この前置ユニットは、高周波の位相変調された第1の入力信号のための第1の信号入力側と、第1の入力信号に比べて低い周波数の第2の入力信号のための第2の信号入力側と、一方では第1の入力信号が供給されており、他方では第1の制御入力側を介して第1の制御信号が供給されており、この第1の制御信号に依存する第1の遅延を伴い第1の入力信号を出力するよう構成されている、制御可能な第1の遅延ユニットと、一方では第1の入力信号が供給されており、他方では第2の制御入力側を介して第2の制御信号が供給されており、第2の制御信号に依存し、かつ、第1の遅延よりも大きい第2の遅延を伴い第1の入力信号を出力するよう構成されている、制御可能な第2の遅延ユニットと、入力側において第1の遅延ユニットおよび第2の遅延ユニットと接続されており、パルス状のパルス長変調された出力信号を形成および出力するよう構成されているパルス発生器と、第1の制御信号を第2の入力信号およびパルス発生器の出力信号に依存して形成および出力し、かつ、第2の制御信号を第2の入力信号およびパルス発生器の出力信号に依存して形成および出力する制御ユニットとを有し、ここで、出力信号の立上りエッジの時間的な位置は第1の遅延ユニットの出力信号に依存し、かつ、出力信号の立下りエッジの時間的な位置は第2の遅延ユニットの出力信号に依存する。
前置ユニットは殊に、スイッチング電力増幅器のためのパルス長変調されたHFパルス信号を提供するために使用される。パルス信号とは一般的に矩形波信号を意味する。第1の信号入力側には、高周波の位相変調された第1の入力信号を供給することができる。この第1の入力信号はsin(ωRF*t+φRF(t))の形を有する。ここで、ωRFは搬送周波数を表し、tは時間を表し、φRFは瞬時位相を表す。この第1の入力信号はまた、sign(sin(ωRF*t+φRF(t)))の形のHFパルス信号であってもよい。ここで、「sign」はシグナム関数を表す。第2の信号入力側には第2の入力信号が供給される。この第2の入力信号は殊にベースバンド信号でよい。このベースバンド信号は例えば所望の送信信号の包絡線ないし振幅情報を表すことができる。したがって、第2の入力信号を振幅変調のために使用することができる。これは例えばa(t)の形を有しており、ここでaは時間tに依存する振幅を表す。
制御可能な第1の遅延ユニットおよび制御可能な第2の遅延ユニットは、第1の入力信号を第1の遅延を伴い、もしくは第2の遅延を伴い出力するために使用される。これら2つの遅延は異なるので、2つの遅延ユニットの出力側においては相互に時間的にずらされた2つの信号が生じる。第1の遅延および第2の遅延を制御することができるので、第1の遅延ユニットの出力信号と第2の遅延ユニットの出力信号との間の時間的なずれもやはり制御することができる。
第1の遅延ユニットの出力信号および第2の遅延ユニットの出力信号はパルス発生器に供給される。このパルス発生器はパルス状のパルス長変調されたHF出力信号を形成する。例えば、パルス発生器の出力信号の立上りエッジは第1の遅延ユニットの出力信号の立上りエッジによってトリガされ、パルス発生器の出力信号の立下りエッジは第2の遅延ユニットの出力信号の立上りエッジによってトリガされる。このようにして、パルス発生器の出力信号のパルス幅を、第1の遅延ユニットの出力信号および第2の遅延ユニットの出力信号の立下りエッジの時間的な位置、および/または、立上りエッジの時間的な位置によって制御することができる。この時間的な位置も第1の遅延および第2の遅延によって制御される。
有利には、パルス発生器はセット入力側およびリセット入力側を備えたフリップフロップとして実現される。
第1の遅延および第2の遅延は制御ユニットによって制御される。第1の制御信号および第2の制御信号に相当する、相応の制御信号を決定するために、制御ユニットは一方では前置ユニットの第2の入力信号を使用し、他方ではパルス発生器の出力信号を使用するか、もしくはそれら2つの信号に依存する信号を使用する。第1の制御信号および第2の制御信号は、所定の判定基準が満たされるように決定されるか、前置ユニットの第2の入力信号とパルス発生器の出力信号との所定の関係が達成されるように決定される。その種の関係は、例えば、パルス発生器の出力信号から決定される直流信号が第2の入力信号に対応すべきといったものでよい。したがって、前置ユニットの第2の入力信号およびパルス発生器の出力信号は、第1の制御信号および第2の制御信号に影響を及ぼし、したがって第1の遅延、第2の遅延、またパルス発生器の出力信号のパルス幅に影響を及ぼす。すなわち、第2の入力信号の変化はパルス発生器の出力信号のパルス幅の変化も生じさせる。したがって、パルス発生器の出力信号のパルス幅は第2の入力信号を介して制御される。
本発明の重要な着想は、前置ユニットによって提供される、パルス長変調されたHFパルス信号が制御ユニットに直接的または間接的にフィードバックされ、この制御ユニットにおいて、例えば第2の入力信号との比較によって、第1の遅延および第2の遅延の適切な調整が行われることである。パルス発生器の出力信号のこのようなフィードバックによって、パルス長変調されたHFパルス信号の形成時の非線形性を低減することができ、また、スイッチング電力増幅器におけるパルス長変調されたHFパルス信号の増幅時の非線形性も低減することができる。
本発明による前置ユニットはマイクロエレクトロニクス回路における積分に良く適している。この種のマイクロエレクトロニクス回路は複雑でなく、簡単な構成要素によって構成されている。従来技術による前置ユニット(殊に図1および所属の説明を参照されたい)とは異なり、正確なHF三角波信号は必要とされない。したがって、パルス長変調の線形性は不正確なHF三角波信号によって低減されない。さらに本発明による前置ユニットは、パルス長変調を種々の搬送周波数に対して実施することに適しているので、相応の前置ユニットはマルチバンドアプリケーションおよびマルチスタンダードアプリケーションにも良く適している。
本発明の1つの発展形態においては、制御ユニットが比較ユニットを有し、この比較ユニットは、第2の入力信号に依存する比較信号と、出力信号に依存する少なくとも1つのフィードバック信号との比較に基づき、第1の制御信号および第2の制御信号を決定するよう構成されている。
第2の入力信号を用いて、例えば、パルス発生器の出力信号のパルス長を制御することができる。例えば、第2の入力信号の振幅の倍化によってパルス長の倍化も行われる。しかしながら、実際のパルス長は回路の種々の影響に基づき、殊に種々の非線形性に基づき、パルス発生器の出力信号の所望のパルス長とは異なる。したがって、相応の情報、例えばパルス発生器の出力信号の実際のパルス長に関する情報を含むフィードバック信号が、第2の入力信号と共に制御ユニットに供給される。殊に、実際のパルス長が所望のパルス長とより一層一致するように第1の遅延および第2の遅延を調整するために、実際のパルス長に関する尺度と、所望のパルス長に関する尺度との比較を使用することができる。このようにして、前置ユニットおよびHF送信回路の特性が線形化される。殊に、所望のパルス長に関する尺度および実際のパルス長に関する尺度をそれぞれ表している、比較信号とフィードバック信号の比較は、複雑性の低い相応の前置ユニットの実現に適している。
本発明の1つの発展形態においては、比較ユニットが少なくとも1つの加算ユニットを有し、この加算ユニットは、比較信号および少なくとも1つのフィードバック信号から差分信号を決定するよう構成されている。
加算ユニットは殊に加算器を有し、この加算器は比較信号とフィードバック信号から和信号を決定する。加算ユニットには、少なくとも1つのフィードバック信号および比較信号が供給されている。これらの信号の加算の前に、例えばフィードバック信号が反転されるので、それにより得られた和信号は前述の差分信号に相当する。例えば2つのフィードバック信号に対しては、第1の差分信号および第2の差分信号を決定する2つの加算器を使用することもできる。2つの加算器を1つの加算ユニットとしてまとめることもできる。殊に、信号の加算ないし減算を基礎とする信号の比較を僅かな複雑性で実現することができる。
1つの発展形態においては、比較ユニットが少なくとも1つの積分ユニットを有し、この積分ユニットは、少なくとも1つの差分信号の積分によって、反転した形の第1の制御信号を決定する、および/または、第2の制御信号を決定するよう構成されている。
積分ユニットは、例えば、第1の加算器の第1の差分信号が供給される第1の積分器と、第2の加算器の第2の差分信号が供給される第2の積分器とを有することができる。例えば、第1の積分器の出力を反転させ、第2の積分器の出力を反転させずに維持することができる。第1の積分器の下流側に接続されている積分器の反転器の出力は第1の制御信号を第1の制御入力側に供給することができ、その一方で、第2の積分器の出力を第2の制御入力側に直接的に供給することができる。例えば、加算器と積分器を1つだけしか使用しないことも可能であり、その場合には、積分器の出力信号が一方では第2の制御入力側に印加され、他方では、付加的な反転後に第1の制御入力側に印加される。
有利には、少なくとも1つの積分ユニットは、少なくとも1つの演算増幅器を基礎とする少なくとも1つの積分器によって実現されている。
演算増幅器を基礎とする積分器は、一般的に、高いDC増幅率を有する。相応に高いDC増幅率によって、回路の線形性を制御領域全体にわたり保証することができる。増幅率が十分に高いことによって、従来技術では必要とされた積分ユニットの較正も省略することができる。
1つの発展形態においては、制御ユニット10が少なくとも1つの結合器を有し、この結合器は、パルス発生器の出力信号または、パルス発生器の出力信号に依存する信号から測定信号を取り出すよう構成されている。
有利には、結合器はスイッチング電力増幅器の出力信号から測定信号を取り出す。これは例えば、スイッチング電力増幅器の出力信号の信号出力の一部を取り出すことによって行われる。測定信号がスイッチング電力増幅器の下流側において取り出されると、スイッチング電力増幅器の非線形性も補償される。そのようなスイッチング電力増幅器の非線形性は殊にパルス幅が非常に短い場合または非常に長い場合に生じる可能性がある。有利には、再構成フィルタの下流側に結合器が配置される。結合器はこの場合、再構成された信号の信号出力の一部を測定信号として取り出すよう構成されている。例えば、パルス発生器の出力信号が測定信号として使用される場合には、結合器を省略することができる。
有利には、制御ユニットが第2の制限増幅器を有し、この第2の制限増幅器は、再構成フィルタを用いてフィルタリングされた、パルス発生器の出力信号に依存する信号から測定信号を決定するよう構成されている。
例えば、第2の制限増幅器は、例えば送信信号としてアンテナに供給される、パルス長変調されたHF信号をパルス信号に変換することができる。これにより信号の比較を容易にすることができる。
1つの発展形態においては、制御ユニットが振幅検出ユニットを有し、この振幅検出ユニットは測定信号を整流して少なくとも1つのフィードバック信号を決定するよう構成されている。
殊に、振幅検出器は、一般的に高周波の交流信号である測定信号を直流信号に変換するよう構成されている。直流信号の平均値は、例えば、測定信号のパルス幅、または、パルス発生器の出力信号のパルス幅、または、スイッチング電力増幅器の出力信号のパルス幅に比例するものでよい。例えば、振幅検出器は整流ダイオードによって実現されている。結合器、振幅検出器、積分ユニットおよび加算ユニットは制御ユニットの一部であり、このような制御ユニットは、スイッチング電力増幅器の出力信号のパルス幅を第1の遅延および第2の遅延に合わせてフィードバックするために使用される。殊に、第1の積分器および第2の積分器の入力側における第1の差分信号および第2の差分信号が平均して0になるように閉ループ制御されるように、第1の遅延および第2の遅延が閉ループ制御されるべきである。
本発明の1つの発展形態においては、前置ユニットが第3の遅延ユニットを有し、この第3の遅延ユニットには第1の入力信号が供給され、また、第3の遅延ユニットは第1の入力信号を一定の第3の遅延を伴い出力するように構成されている。第3の遅延ユニットの出力信号ならびに測定信号が位相検出ユニットに供給され、この位相検出ユニットは、少なくとも1つのフィードバック信号が第3の遅延ユニットの出力信号と測定信号の位相差に比例するように、第3の遅延ユニットの出力信号および測定信号から少なくとも1つのフィードバック信号を決定するように構成されている。
位相検出ユニットは、例えば、正のエッジを検出する第1の位相測定部および負のエッジを検出する第2の位相測定部を含む。殊に、位相測定部は、この位相測定部の出力信号が入力側において測定された位相差に比例するように構成されている。殊に、位相差は2つのパルス信号のエッジの時間的な差である。スイッチング電力増幅器の出力信号の実際のパルス長の適合を、例えば以下のようにして達成することができる。すなわち、第1の位相測定部の出力信号と、第2の入力信号との差、ならびに、第2の位相測定部の出力信号と第2の入力信号との差が平均して0になるように閉ループ制御されるように第1の遅延および第2の遅延が調整されることによって、実際のパルス長の適合を達成することができる。この発展形態によって、例えば、スイッチング電力増幅器の非対称的なスイッチング特性を補償することが可能となる。
有利には、位相検出ユニットが、排他的論理和ゲートとして実現されている、第1の位相測定部および第2の位相測定部を有する。第2の位相測定部は一方の入力側にさらに反転器を有している。有利には、排他的論理和ゲートは差動回路技術により実施される。
前置ユニットの1つの発展形態においては、第1の信号入力側の下流側に第1の制限増幅器が接続されており、この第1の制限増幅器は高周波の位相変調された第1の入力信号を、高周波の位相変調およびパルス制御された入力信号に変換するよう構成されている。
有利には、第1の遅延ユニット、第2の遅延ユニットおよびパルス発生器にパルス信号が供給される。入力信号が正弦波信号として存在する場合、この正弦波信号を付加的に、パルス制御された第1の入力信号に変換することは有利である。この変換に続いて、高周波の位相変調された第1の入力信号に代わって、高周波の位相変調およびパルス制御された第1の入力信号が得られる。
前置ユニットの1つの発展形態においては、第2の信号入力側の下流側に振幅・パルス長変換器が接続されており、この振幅・パルス長変換器は第2の入力信号を比較信号に変換するよう構成されている。
実質的に、振幅・パルス長変換器は、一般的にベースバンド信号である第2の入力信号を、スイッチング電力増幅器の出力信号のパルス長に関する相応の制御量に変換するために使用される。第2の入力信号の比較信号への変換を、例えば、第2の入力信号と一定の値の乗算によって行うことができる。
有利には、振幅・パルス長変換器は、アドレス語入力側およびデータ語入力側を備えたディジタルメモリならびにディジタル・アナログ変換器を備えるよう構成されている。ディジタルメモリのデータ語出力側はディジタル・アナログ変換器の入力側と接続されている。ディジタルメモリの入力側におけるアドレス語は、ディジタルメモリの出力側におけるデータ語を決定する。このようにして、振幅・パルス長変換器の任意の特性曲線を高い精度で実現することができる。
本発明の別の態様によれば、回路ユニットがスイッチング電力増幅器と共に前置ユニットを有する。本発明の別の態様によれば、高周波回路モジュールが回路ユニットおよび再構成フィルタを有する。本発明の別の態様によれば、高周波送信回路が高周波回路モジュールおよびアンテナを有する。
本発明の別の態様によれば、送信装置が高周波送信回路を有する。その種の送信装置は例えば移動電話である。
以下では図面に基づき、本発明ならびに技術的な領域を詳細に説明する。
図1は、前置ユニット57を有する高周波送信回路50を示す。前置ユニット57は出力側において、スイッチング電力増幅器51と接続されている。スイッチング電力増幅器51の出力信号52は再構成フィルタ53に供給される。再構成フィルタ53の出力信号54はアンテナ55に供給され、そこから放射される。パルス長変調ないしパルス幅変調されたHFパルス信号56は、前置ユニット57からスイッチング電力増幅器51に出力される。前置ユニット57は第1の信号入力側58および第2の信号入力側59を有する。第1の信号入力側58を介して、sin(ωRF*t+φRF(t))の形の位相変調されたHF信号60が前置ユニット57に供給される。ここでωRFは、位相変調されたHF信号60の搬送周波数を表し、φRFは位相変調されたHF信号の位相を表し、またtは時間を表す。制限増幅器61においては、位相変調されたHF信号60がHFパルス信号62に変換される。HFパルス信号62はsign(sin(ωRF*t+φRF(t)))の形を有する。ここで、「sign」はシグナム関数を表す。HFパルス信号62は積分器63においてHF三角波信号64に変換され、このHF三角波信号64は比較器65に供給される。HF三角波信号64の他に、比較器65には、時間遅延された緩慢な閾値66も供給される。閾値66は振幅・パルス長変換器67から出力される。この振幅・パルス長変換器67は、第2の信号入力側に供給されるベースバンド信号68から閾値66を決定する。比較器65は、HF三角波信号64の振幅を緩慢な閾値66と比較し、この比較の結果に応じて、パルス長変調されたHFパルス信号56をスイッチング電力増幅器51へと出力する。
理想的な場合には、スイッチング電力増幅器51が、パルス長変調されたHFパルス信号56を係数Kに関して増幅する。再構成フィルタ53は搬送周波数ωRFを中心とした狭い帯域幅を有するので、一次近似では、K*a(t)*sin(ωRF*t+φRF(t))の形の所望の信号がアンテナに印加される。パルス長変調されたHFパルス信号56のパルスのパルス長と閾値66との可能な限り線形の関係を達成するためには、HF三角波信号64が高い精度で形成されなければならない。このことは、例えば、HFパルス信号62が制限増幅器61の出力側において非常に高いエッジ勾配を有し、かつ、積分器がHFパルス信号62の非常に高速な立上り時間を許容できるものであることを要求する。電子回路の帯域幅が制限されていることから、HF三角波信号64はその信号の形状に関して丸められる。三角波信号の非常に鋭角な山と谷を得るためには、信号周波数の10倍までにもなりうる非常に大きい帯域幅が必要となる。
さらには、スイッチング電力増幅器51は一般的に、パルス長変調されたHFパルス信号56の線形の増幅を近似的にしか行えない。すなわち、電力増幅器51は一定の係数Kを用いてHFパルス信号56を近似的にしか増幅できない。殊に、スイッチング電力増幅器51の入力側におけるパルス長変調されたHF信号56のパルス幅が非常に小さい場合または非常に大きい場合、一般的にスイッチング電力増幅器51の出力側においてはこの電力増幅器51の完全な出力振幅が達成されないので、一般的には、スイッチング電力増幅器51の特性も理想的な線形のものではない。
前置ユニット57がマイクロエレクトロニクス回路として実現される場合、HF三角波信号64の勾配はプロセス変動および温度変動に依存する可能性があるので、積分器63の較正が必要になる場合もある。搬送周波数ωRFが変化することによって、HF三角波信号64の振幅も変化する。一般的には、スイッチング電力増幅器51の出力信号52の立上りエッジの勾配および立下りエッジの勾配は近似的にしか相互に対称的なものでないので、これによって図1による回路においては、再構成フィルタ53の出力信号54における不所望な位相変調が惹起される可能性がある。さらに、HF三角波信号64の先端が丸められていることによって、もしくは理想的な先端でないことによって、変調器の特性が非線形となる。
図2は、スイッチング電力増幅器2のための本発明による前置ユニット1を備えた高周波送信回路16を示す。パルス長変調の線形性は図1によるパルス長変調に比べて改善されている。第1の信号入力側3には、sin(ωRF*t+φRF(t))の形の位相変調された第1の入力信号18が供給される。第1の制限増幅器40は高周波の位相変調された第1の入力信号18を、高周波の位相変調およびパルス制御された第1の入力信号41に変換する。パルス制御された第1の入力信号41は第1の遅延ユニット5および第2の遅延ユニット7に供給される。第1の遅延ユニット5の第1の遅延を第1の制御信号20によって制御することができる。第1の制御信号20は第1の制御入力側6を介して第1の遅延ユニット5に供給される。
第2の遅延ユニット7の第2の遅延は第2の制御信号21によって制御される。第2の制御信号21は第2の制御入力側8に印加される。第1の遅延ユニット5の出力信号23および第2の遅延ユニット7の出力信号24は、パルス制御された第1の入力信号41の、調整された第1の遅延および調整された第2の遅延に応じて遅延された形態を表す。これらの出力信号23および24は続いてパルス発生器9に供給される。一般的に、第1の遅延と第2の遅延は区別される。
続いてパルス発生器9は、パルス発生器9の出力信号22の立上りエッジが、第1の遅延ユニット5の出力信号23の立上りエッジと一致し、かつ、パルス発生器9の出力信号22の立下りエッジが、第2の遅延ユニット7の出力信号24の立上りエッジと一致する形の出力信号22を形成する。出力信号22のパルス長を第1の遅延および第2の遅延によって調整することができるので、出力信号22はパルス長変調されたHFパルス信号である。出力信号22はスイッチング電力増幅器2に供給される。このスイッチング電力増幅器2は出力信号22を増幅し、増幅された出力信号33を出力する。増幅された出力信号33は結合器30を介して再構成フィルタ13に供給される。この再構成フィルタ13は出力信号33をフィルタリングし、HF送信信号42をアンテナ15へと供給する。
結合器30はスイッチング電力増幅器2の出力信号33の信号出力の一部を取り出し、測定信号31として振幅検出器34へと供給する。振幅検出器34はフィードバック信号26を第1の加算器27および第2の加算器44へと出力する。
前置ユニット1の第2の信号入力側4には第2の入力信号19が供給される。一般的にベースバンド信号であるこの第2の入力信号19は、振幅・パルス長変換器43へと供給される。この振幅・パルス長変換器43は比較信号25を出力側に出力する。この比較信号25は第1の加算器27および第2の加算器44へと供給される。
第1の加算器27は第1の差分信号29を出力する。この第1の差分信号29は比較信号25とフィードバック信号26との差に対応する。第2の加算器44は、第1の差分信号29に対応する、第2の差分信号46を出力する。第1の差分信号29は第1の積分器28へと供給される。第1の積分器28の出力信号は反転器47によって反転され、第1の制御信号20として第1の制御入力側6に供給される。第2の差分信号46は第2の積分器45に供給され、この第2の積分器45はその出力側に第2の制御信号21を出力し、この制御信号21が第2の制御入力側8に供給される。
前置ユニット1は第1の信号入力側3および第2の信号入力側4を有し、また出力側においてパルス発生器9の出力信号22を出力する。この出力信号22はパルス長変調されたHFパルス信号である。さらに、前置ユニット1のフィードバック分岐および結合器30を介して測定信号31ないしフィードバック信号26が供給される。
第1の遅延および第2の遅延の制御は制御ユニット10を介して達成され、この制御ユニット10も同様に図2において概略的に示唆されている。この制御ユニット10には結合器30、振幅検出器34、第1の加算器27、第2の加算器44、第1の積分器28、第2の積分器45、反転器47および振幅・パルス長変換器43が属する。
第1の信号入力側3には高周波の位相変調された第1の入力信号18がsin(ωRF*t+φRF(t))の形で印加され、また第2の信号入力側4にはベースバンド信号a(t)に対応する第2の入力信号19が印加される。第1の入力信号18は、搬送周波数ωRFならびに瞬時位相φRF(t)を含む。第2の入力信号19に対応するベースバンド信号a(t)はHF送信信号42の包絡線ないし振幅情報を表す。第1の制限増幅器40は高周波の位相変調された第1の入力信号18を、パルス制御された、高周波の位相変調された第1の入力信号41に変換する。このパルス信号は第1の遅延ユニット5および第2の遅延ユニット7によって遅延される。第1の遅延ユニット5の出力信号23は第2の遅延ユニット7の出力信号24よりも先行している。すなわち、第2の遅延は第1の遅延よりも大きい。
パルス発生器9は、第1の遅延ユニット5の出力信号23および第2の遅延ユニット7の出力信号24に対応する入力信号を用いて出力信号22を形成する。この出力信号22も同様にパルス信号である。パルス発生器9の出力信号22の立上りエッジは第1の遅延ユニット5の出力信号23の立上りエッジによってトリガされ、パルス発生器9の出力信号22の立下りエッジは第2の遅延ユニット7の出力信号23の立上りエッジによってトリガされる。このようにして、パルス発生器の出力信号22のパルス長、増幅された出力信号33のパルス長、再構成フィルタ13の入力側における信号のパルス長、および、測定信号31のパルス長が、第1の遅延ユニット5の出力信号23のエッジ位置と、第2の遅延ユニット7の出力信号24のエッジ位置との時間的な差によって制御される。
HF送信信号42の振幅は、再構成フィルタ13の入力側における信号のパルス長に比例するので、制御可能な第1の遅延ユニット5の出力信号23のエッジの時間的な位置と、制御可能な第2の遅延ユニット7の出力信号24のエッジの位置によってHF送信信号42の振幅を制御することができる。
振幅検出器34は測定信号31をフィードバック信号26に変換する。このフィードバック信号26は直流信号を表す。フィードバック信号の平均値は測定信号31のパルス長に比例する。振幅検出器を例えば整流ダイオードによって実現することができる。この場合、フィードバック信号26は整流された測定信号31に対応する。第1の加算器27においてはフィードバック信号26から比較信号25が減算され、第1の差分信号29が第1の積分器28および反転器47を介して制御入力側6に供給される。第2の加算器44においては、フィードバック信号26から比較信号25が減算され、第2の差分信号46が第2の積分器44を介して第2の制御入力側8に供給される。
結合器30、振幅検出器34、第1の加算器27、第2の加算器44、第1の積分器28、反転器47および第2の積分器45によって、スイッチング電力増幅器2の増幅された出力信号33のパルス長が第1の遅延ユニット5および第2の遅延ユニット7へとフィードバックされる。このフィードバックはネガティブフィードバックとして機能し、第1の積分器28の入力側および第2の積分器45の入力側におけるフィードバック信号26および比較信号25の差が平均して0に閉ループ制御されるように、第1の遅延および第2の遅延は制御される。このようにして、平均的には、比較信号25がフィードバック信号26に対応するので、スイッチング電力増幅器2の増幅された出力信号33のパルス長、したがってHF送信信号42の振幅を、比較信号25もしくは、第2の信号入力側4に印加される第2の入力信号19によって制御することができる。
瞬時位相φRF(t)および搬送周波数ωRFは同様に、スイッチング電力増幅器2の増幅された出力信号33、したがってHF送信信号42に含まれているので、HF送信信号42は所望の形K*a(t)*sin(ωRF*t+φRF(t))を有する。比較信号25は振幅・パルス長変換器43によって第2の入力信号19から形成される。実質的に、この振幅・パルス長変換器は、第2の入力信号19を相応のパルス長制御量、すなわち比較信号に変換するために使用されるので、スイッチング電力増幅器2の増幅された出力信号33は所望のパルス長を有する。さらには、再構成フィルタ13における損失および側波帯抑制、また結合器30における減衰も補償される。第2の入力信号19の比較信号25への変換は、第2の入力信号19を一定の値と乗算することによって行うことができる。
図2の高周波送信回路16は複雑性が低く、簡単な構成要素から構成されている。フィードバック信号26が制御領域全体にわたり比較信号25に対応する場合、高周波送信回路の線形性、殊にパルス長変調の線形性、すなわち、スイッチング電力増幅器2の増幅された出力信号33のパルス長と比較信号の線形の関係は保証されている。
これは実質的に、第1の積分器28および第2の積分器45が高いDC増幅率を有する場合に保証されており、このことは、演算増幅器を基礎とした積分によって良好に達成することができる。線形性を保証するためには、第1の積分器28および第2の積分器45のDC増幅率が十分に高いだけでよいので、第1の積分器28および第2の積分器45の較正も必要ない。殊に、スイッチング電力増幅器2の増幅された出力信号33の上記のようなフィードバックによって、非常に短いまたは非常に長いパルス長であっても、スイッチング電力増幅器2の非線形も補償される。図1による高周波送信回路50とは異なり、図2による高周波送信回路16ではHF三角波信号64が必要とされない。第1の遅延ユニット5および第2の遅延ユニット7が、考えられる遅延の値領域である、十分に大きい遅延領域を有する場合には、高周波送信回路16はマルチバンドアプリケーションおよびマルチスタンダードアプリケーションに良く適している。
前置ユニット1の有利な実施形態においては、結合器30の測定信号31の代わりに、パルス発生器9の出力信号22を振幅検出器34の入力側に供給することができる。別の有利な実施形態においては、結合器30と再構成フィルタ13を交換することができるので、再構成フィルタ13の入力側には、スイッチング電力増幅器2の増幅された出力信号33が印加されており、再構成フィルタ13の出力側は結合器30の入力側と接続されており、結合器30の出力側にはアンテナ15が接続されており、また結合器30の測定信号31が振幅検出器34の入力側に印加されている。
図3は、本発明による前置回路1aと、スイッチング電力増幅器2aと、再構成ローパスフィルタ13aと、アンテナ15aとを有する高周波送信回路16aを示す。図3による前置回路1aは、第3の遅延ユニット35を有し、振幅検出器34の代わりに、第1の位相検出器70および第2の位相検出器71を含む位相検出ユニットを有する点において図2による前置回路1とは異なる。第3の遅延ユニット35は固定的に調整された遅延を有する。パルス発生器9aの出力信号22aは、スイッチング電力増幅器2aによって増幅され、このスイッチング電力増幅器2aは増幅された出力信号33aを出力する。結合器30aは増幅された出力信号33aから測定信号31aを取り出す。測定信号31aは第1の位相検出器70および第2の位相検出器71に供給される。第1の位相検出器70は測定信号31aの正のエッジを検出し、第2の位相検出器71は測定信号31aの負のエッジを検出する。
第3の遅延ユニット35の出力信号38も、同様に第1の位相検出器70および第2の位相検出器71に供給され、これら2つの位相検出器はそれぞれ、第3の遅延ユニット35の出力信号38の正のエッジを検出する。第1の位相検出器70の出力信号75から比較信号25aが減算され、相応の差分信号が第1の積分器28aに供給される。第2の位相検出器76の出力信号76から比較信号25aが減算され、相応の差分信号が第2の積分器45aに供給される。図3による高周波送信回路16aのその他の部分は、図2による高周波送信回路16の相応の部分に実質的に対応している。したがってここでは、それらの部分についての再度の説明は省略する。
図2による高周波送信回路16とは異なり、図3による高周波送信回路16aにおいては、測定信号31の振幅ではなく、相応の測定信号31aの立上りエッジが第1の位相検出器70を用いて検出され、立下りエッジが第2の位相検出器71を用いて検出され、それらのエッジの検出された時間的な位置が第3の遅延ユニット35の出力信号38の立上りエッジの時間的な位置と比較される。第1の位相検出器70の出力信号75および第2の位相検出器71の出力信号76はそれぞれ位相測定値を表し、これは入力信号の相応のエッジの測定された時間的な差に比例する。
ネガティブフィードバックによって、比較信号25aと第1の位相検出器70の出力信号75との差、または第2の位相検出器71の出力信号76と比較信号との差が平均して0に閉ループ制御されるように、第1の遅延ユニット5aの第1の遅延および第2の遅延ユニット7aの第2の遅延は制御される。
このようにして、測定信号31aの正のエッジは第3の遅延ユニット35の出力信号38のエッジに先行し、測定信号31aの負のエッジは第3の遅延ユニット35の出力信号38のエッジを後追いする。遅延ユニット35の出力信号38の正のエッジと、測定信号74の正もしくは負のエッジとの時間的な差が等しくなる。したがって、測定信号31aの負のエッジおよび正のエッジは第3の遅延ユニット35の出力信号38の正のエッジに対して対称的なものになる。測定信号31aのパルス長ならびにスイッチング電力増幅器2aの増幅された出力信号33aのパルス長は、比較信号25aの2倍の大きさに比例する。
図3による高周波送信回路16aは、図2による高周波送信回路16の全ての利点を有している。それに加え、高周波送信回路16aはスイッチング電力増幅器2aの非対称的なスイッチング特性を補償することができる。非対称的なスイッチング特性は、例えば、スイッチング電力増幅器2aの出力信号33aの正のエッジの勾配が負のエッジの勾配とは異なる場合に存在する。この非対称的なスイッチング特性を伴う、HF送信信号42aの不所望な位相変調をこのようにして補償することができる。図2による高周波送信回路16に対する図3による高周波送信回路16aのさらなる利点は、第1の遅延ユニット5aの第1の遅延を閉ループ制御するための制御回路と、第2の遅延ユニット7aの第2の遅延を閉ループ制御するための制御回路とが相互に完全に分離されていることである。すなわち、図2による高周波送信回路16においては、第1の遅延のための相応の制御回路および第2の遅延のための相応の制御回路が振幅検出器34を介して結合されているので、これにより不所望な変動作用を生じる可能性があるが、図3による高周波送信回路16aにおいてはそのような不所望な変動作用は回避される。
有利には、第1の位相検出器70は排他的論理和ゲートとして実施されており、また第2の位相検出器は、2つの入力側のうちの一方に反転器を備えている排他的論理和ゲートとして実施されている。排他的論理和ゲートの出力側に生じる信号のパルス長の平均値は測定された時間差に比例する。排他的論理和ゲートの入力側における反転器の使用は、この反転器における時間的な信号遅延によって、測定時の不所望な偏差を生じさせる可能性がある。この問題を回避するために、例えば、排他的論理和ゲートを差動回路技術によって実施することができる。排他的論理和ゲートの入力信号の反転を信号線路の交換によって行うことができるので、第1の位相検出器70の入力側および第2の位相検出器71の入力側は同一の遅延時間を有し、またエッジの時間的な位置の測定の偏差を阻止する。
図3による前置ユニット1aの有利な実施形態においては、結合器30aの測定信号31aの代わりに、パルス発生器9aの出力信号22aが位相検出器70および第2の位相検出器71にフィードバックされる。
図4は、高周波送信回路16bのスイッチング電力増幅器2bのための前置ユニット1bの別の実施形態を示す。図3による高周波送信回路16aとは異なり、図4による高周波送信回路16bにおいては、結合器30bと再構成フィルタ13bが交換されているので、再構成フィルタ13bの入力側には、スイッチング電力増幅器2bの出力信号33bが印加されており、再構成フィルタ13bの出力信号が結合器30bに供給されており、結合器30bの出力信号がアンテナ15bに印加されており、結合器30bの測定信号31bが第2の制限増幅器32の入力側に供給されており、また第2の制限増幅器32の出力信号82が、位相検出器70bの入力側および第2の位相検出器71bの反転入力側に供給されている。
図4による高周波送信回路16bのその他の部分は、図3ないし図2による高周波送信回路16aないし高周波送信回路16の相応の部分に実質的に対応している。したがってここでは、それらの部分についての再度の説明は省略する。
図5は、高周波送信回路16cのスイッチング電力増幅器2cのための前置ユニットの別の実施形態を示す。図5による高周波送信回路16cは、広範な部分において、図4による高周波送信回路16bに実質的に対応している。しかしながら、結合器30cの測定信号31cは、第1の位相検出器70cおよび第2の位相検出器71cに直接的に供給されるのではなく、第1の比較器92および第2の比較器93の入力側に供給される。付加的に、第1の比較器92には第1の比較電圧94が印加され、第2の比較器93には第2の比較電圧95が印加される。第1の比較器92の出力信号が第1の位相検出器70の入力側に印加され、第2の比較器93の出力信号が第2の位相検出器の反転入力側に印加される。
第1の比較電圧94と第2の比較電圧95を別個に調整することによって、スイッチング電力増幅器2cの出力信号33cの立上りエッジの時間的な位置および立下りエッジの時間的な位置を異なる比較電圧を用いて検出することができる。したがって、スイッチング電力増幅器2cの出力信号33cの立上りエッジおよび立下りエッジをより正確に検出することができ、これによって、例えば、高周波送信回路16cのより高い線形性を達成することができる。
図6は、本発明による前置ユニット1を含むユニットを示す。このユニットには、スイッチング電力増幅器2と共に前置ユニット1を含む回路ユニット12が属する。回路ユニット12は再構成フィルタ13と共に、高周波回路モジュール14を形成する。高周波送信回路16は、高周波回路モジュール14およびアンテナ15を有する。例えば、高周波送信回路16を例えば、送信機器の構成要素として使用することができる。
Claims (15)
- 高周波送信回路(16)のスイッチング電力増幅器(2)のための前置ユニット(1)において、
高周波の位相変調された第1の入力信号(18,41)のための第1の信号入力側(3)を有し、
前記第1の入力信号(18)に比べて低い周波数の第2の入力信号(19)のための第2の信号入力側(4)を有し、
制御可能な第1の遅延ユニット(5)を有し、該第1の遅延ユニット(5)には、一方では前記第1の入力信号(18)が供給されており、他方では第1の制御入力側(6)を介して第1の制御信号(20)が供給されており、かつ、前記第1の遅延ユニット(5)は、前記第1の制御信号(20)に依存する第1の遅延でもって、前記第1の入力信号(18)を出力するよう構成されており、
制御可能な第2の遅延ユニット(7)を有し、該第2の遅延ユニット(7)には、一方では前記第1の入力信号(18)が供給されており、他方では第2の制御入力側(8)を介して第2の制御信号(21)が供給されており、かつ、前記第2の遅延ユニット(7)は、前記第1の遅延よりも大きく、第2の制御信号に依存する第2の遅延でもって、前記第1の入力信号(18)を出力するよう構成されており、
パルス発生器(9)を有し、該パルス発生器(9)は、入力側において前記第1の遅延ユニット(5)および前記第2の遅延ユニット(7)と接続されており、かつ、パルス状のパルス長変調された出力信号(22)を形成および出力するよう構成されており、ただし、前記パルス発生器(9)の前記出力信号(22)の立上りエッジの時間的な位置は前記第1の遅延ユニット(5)の出力信号(23)に依存し、かつ、前記パルス発生器(9)の前記出力信号(22)の立下りエッジの時間的な位置は前記第2の遅延ユニット(7)の出力信号(24)に依存し、
制御ユニット(10)を有し、該制御ユニット(10)は、前記第1の制御信号(20)を前記第2の入力信号(19)および前記パルス発生器(9)の前記出力信号(22)に依存して形成および出力し、かつ、前記第2の制御信号(21)を前記第2の入力信号(19)および前記パルス発生器(9)の前記出力信号(22)に依存して形成および出力するよう構成されている、
ことを特徴とする、前置ユニット(1)。 - 前記制御ユニット(10)は比較ユニット(27,44)を有し、該比較ユニット(27,44)は、前記第2の入力信号(19)に依存する比較信号(25)と、前記出力信号(22)に依存する少なくとも1つのフィードバック信号(26)との比較に基づき、前記第1の制御信号(20)および前記第2の制御信号(21)を決定するよう構成されている、請求項1記載の前置ユニット(1)。
- 前記比較ユニット(27,44)は少なくとも1つの加算ユニット(27)を有し、該加算ユニット(27)は、前記比較信号(25)および前記少なくとも1つのフィードバック信号(26)から少なくとも1つの差分信号(29)を決定するよう構成されている、請求項2記載の前置ユニット(1)。
- 前記比較ユニットは少なくとも1つの積分ユニット(28,45)を有し、該積分ユニット(28,45)は、少なくとも1つの差分信号(29)の積分によって、反転された前記第1の制御信号(20)を決定するよう構成されている、および/または、前記第2の制御信号(21)を決定するよう構成されている、請求項3記載の前置ユニット(1)。
- 前記少なくとも1つの積分ユニット(28)は、少なくとも1つの演算増幅器を基礎とする少なくとも1つの積分器によって実現されている、請求項4記載の前置ユニット(1)。
- 前記制御ユニット(10)は少なくとも1つの結合器(30)を有し、該結合器(30)は、前記パルス発生器(9)の前記出力信号(22)から測定信号(31)を取り出すよう構成されているか、または、前記パルス発生器(9)の前記出力信号(22)に依存する信号から測定信号(31)を取り出すよう構成されている、請求項1から5までのいずれか1項記載の前置ユニット(1)。
- 前記制御ユニット(10)は第2の制限増幅器(32)を有し、該第2の制限増幅器(32)は、再構成フィルタ(13)を用いてフィルタリングされた、前記出力信号(22)に依存する信号から前記測定信号(31)を決定するよう構成されている、請求項6記載の前置ユニット(1)。
- 前記制御ユニット(10)は振幅検出ユニット(34)を有し、該振幅検出ユニット(34)は前記測定信号(31)を整流して前記少なくとも1つのフィードバック信号(26)を決定するよう構成されている、請求項6または7記載の前置ユニット(1)。
- 前置ユニット(1)は第3の遅延ユニット(35)を有し、
該第3の遅延ユニット(35)には前記第1の入力信号(18)が供給されており、かつ、前記第3の遅延ユニット(35)は、前記第1の入力信号(18)を一定の第3の遅延を伴い出力するように構成されており、
前記第3の遅延ユニット(35)の出力信号(38)ならびに前記測定信号(31)が位相検出ユニット(70,71)に供給されており、該位相検出ユニット(70,71)は、前記少なくとも1つのフィードバック信号(26)が前記第3の遅延ユニット(35)の前記出力信号(38)と前記測定信号(31)の位相差に比例するように、前記第3の遅延ユニット(35)の前記出力信号(38)および前記測定信号(31)から前記少なくとも1つのフィードバック信号(26)を決定するように構成されている、請求項6または7記載の前置ユニット(1)。 - 前記第1の信号入力側の下流側に第1の制限増幅器(40)が接続されており、該第1の制限増幅器(40)は高周波の位相変調された前記第1の入力信号(18)を、高周波の位相変調およびパルス制御された入力信号(41)に変換するよう構成されている、請求項1から9までのいずれか1項記載の前置ユニット(1)。
- 前記第2の信号入力側の下流側に振幅・パルス長変換器(43)が接続されており、該振幅・パルス長変換器(43)は前記第2の入力信号(19)を前記比較信号に変換するよう構成されている、請求項1から10までのいずれか1項記載の前置ユニット(1)。
- 請求項1から11までのいずれか1項記載の前置ユニット(1)と、出力信号(22)が供給されるスイッチング電力増幅器(2)とを有し、増幅された出力信号(33)を出力するよう構成されていることを特徴とする、回路ユニット(12)。
- 請求項12記載の回路ユニット(12)と、増幅された出力信号(33)を再構成するための再構成フィルタ(13)とを有し、アンテナ信号(42)を出力するよう構成されていることを特徴とする、高周波回路モジュール(14)。
- 請求項13記載の高周波回路モジュール(14)と、アンテナ信号(42)を送出するためのアンテナ(15)とを有することを特徴とする高周波送信回路(16)。
- 無線周波数信号を伝送するために、請求項14記載の高周波送信回路(16)を有することを特徴とする、送信装置(17)。
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