专利名称：：用于数字调制的系统和方法用于数字调制的系统和方法
技术领域：
本公开总体上涉及数字调制技术，并且更具体地涉及用于功率放大和传输的系统和方法。
背景技术：
：数字调制的基本功能^1信号功率放大，即功率放大器。功率放大器增益等于输出功率与输入功率的比率。有很多种功率放大器，如此多种类的原因是性能参数比如实现筒单性、失真(非线性特性)、功率效率以及滤波需求等的折中。理想的选择是在功率放大器输出级具有两级负载驱动器，如果能够将其集成到硅芯片内，则可提供功率效率、无失真、简单滤波需求以及筒单实现。D类放大器除了仅能在低频下工作之外，符合该理想的解决方案，如最高达20kHz带宽的高功率音频放大器。D类放大器用模拟电路构造，因此它具有高失真。M带到特定载波频率的上转换是射频发射机中众所周知的功能。传统上，这通过将基带信号乘以载波频率信号的非线性过程来实现。这种转换使用具有非线性特性的混频器和振荡器。该非线性特性过程增加了谐波以及其它寄生噪声。由于转换造成的分级，过滤掉谐波是有可能的，但带内噪声将与信号一起保留下来。在上转换过程中有两种设计方法单级和两级。单级方法的问M载波频率漏控，因此通常不使用单级方法。第二种是两级上转换过程，其中首先将该处理转换到中频(IF)，然后将IF转换到载波频率。与非线性过程的两^f目比，这对滤波和IF频率选择的要求更高，以使带内噪声最小。当将功率放大器的非线性算进来时，发射机过程具有来自三个非线性源的带内噪声。这种传统电路的另一问题是每一个基带到载波频率的转换(根据选择的频率)要求唯一的设计，以便避免由为实现期望结果所需的频率的特定增加和减少所导致的谐波和其它寄生信号。因此该问题导致每种产品设计每次都是唯一的，因此在引入每种新产品时都要耗费工程设计精力。
发明内容本发明涉及允许利用功率放大，结合在同一过程中用上转换器改变中心频率以将基带信号变换成载波频率的信号，来对输入信号进行功率放大的系统和方法。这因此提供了高功效且有很少或没有线性问题的数字实现方式，即一种适合硅芯片以及宽带操作的技术。在一个实施例中，每个输入样^L替换成同一采样间隔内的多个子样本，子样本的总权重等于被替换的样本。该样本到子样本的过程改变了采样信号的频率响应，并减小了负载驱动器的振幅动态范围，从而简化了用于数模转换的滤波需求，同时减小了负载驱动器的线性需求。该过程可通过产生宽带操作的数字电路来实现。前面已经相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优势，以便更好地理解随后的本发明的详细描述。本发明的附加特征和优势将在下文中描述，其形成本发明的权利要求的主题。本领域的普通技术人员应理解，所公开的构思和特定实施例可以容易地被利用作为修改或设计用于实现与本发明相同的目的的其它结构的基础.本领域的普通技术人员还应认识到，这种等同结构并不背离如所附权利要求中所提及的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，根据以下的描述将更容易理解相信是关于其组织结构和操作方法都是本发明所独有的新颖特征以及另外的目的和优势。然而，应清楚地理解，每个附图是仅为说明和描述的目的而提供，并非意在作为对本发明的限制的定义。为了更彻底地理解本发明，现在参考结合附图的以下描述，在附图中图l图示了利用本发明构思的系统的功率放大器实施例；图2图示了利用本发明构思的系统的发射器实施例；图3图示了采样信号的时间和频率关系；图4是采样间隔内的样本和子样本关系的图示；图5A、5B、5C示出了针对放大器的样本值选择图和结果频率响应的一个示例；以及图6A和6B示出了针对发射器的样本值选择图和结果频率响应的一个示例。具体实施方式功率放大过程涉及多个级。如果输入信号尚未被数字化，则第一级是数字化输入信号。第二级是样本到子样本转换器，其涉及由采样间隔内的子样本波形来替换每个输入样本。每个采样间隔内的子样本波形的权重等于被替换的样本的采样振幅水平。最后一级是咏冲的放大，其不需要线性设备。最高效的脉冲放大器是ON/OFF开关。第二实施例是利用数字电路的单级载波频率上转换。如果与第一实施例耦合，则该过程很简单。换句话说，可以进行脉冲放大到载波ON/OFF放大。在另一实施例中，载波频率针对不同应用而变化，或针对总带宽被划分成具有不同载波频率的多个信道的同一频分多路复用(FDM)应用而变化。本发明可以通过仅仅改变栽波频率振荡器来适应这种应用。不需要重新设计调制器。另外的需求是载波频率与采样频率的比率必须是整数，该整数可利用可编程锁相环分频器自动计算出来。图1图示了利用本发明构思的系统的放大器的实施例10。在所示出的配置中，系统10是调制器，其用于基本上使用五个数字模块以便调制基带输入信号并进行放大，从而驱动负载。iUL个模块为输入数字化模块13、子采样波形发生器ll、时钟15、调制信号发生器的量值控制模块12以及负载驱动器16。输入数字化模块13涉及基带信号，该基带信号为模拟形式，并由模数(A/D)转换器13转换成数字表示，所^数(A/D)转换器13以公知方式操作。所述转换是一串N位(量化的)的数字样本字，每个字指示在采样时刻的输入信号振幅。该字格式是代表振幅的n-l位二进制编码以及作为符号位的一位，N为每个样本的总位数。对每个数字样本字进行串_并转换，即一个字中的所有位在同一时间作为输出出现并在每个采样间隔被更新。N的大小由噪声需求、采样频率以及载波频率滤波需求来确定。样本到子样本的转换功能用每个采样间隔内的子样本时间波形来替换每个数字字。该过程分两个级来进行；第一级是子样本值波形生成，第二级是产生调制的数字信号。波形发生器11基于每个子样本的多个可能值，可以具有从2到N-l个输出。如果输出为2，则子采样间隔是采样间隔的一半。作为示例，一个输出模式(pattern)在笫一子采样间隔中可以为"l"，随后是"0"。另一输出可以是"O"，1^是"1"。在该上下文中，"l"指在所述间隔内出现脉冲，而"O"表示没有。注意，所述波形彼此正交.随着输出数目的增加，所^式有更多的选择。为筒单起见，以下描述假定输出数目为N-1，除非另有声明。当输出数目为N-l时，模式值可以匹配样本字中的每个数字位，即，每个输出中的数"l，，可以是l，2,3，......或2(1^2)。所述波形由每个釆样间隔内的复本唯一模式(replicauniquepattern)构成。例如，最低有效位的值为1,因此对应的子样本波形的值为l，并且在每个采样间隔中都有复本，等等。由于要求波形间正交，因此每个采样间隔内的子采样间隔的数目必须大于或等于2(^1)，如图4所示。针对波形之间的相同相移，在该说明书中所提供的示例使用每采样间隔中子采样间隔数目为2N。因此值为l的子样本波形具有两个脉冲，这两个脉冲在采样间隔的中心线的两侧被均匀地隔开。针对每个波形的唯一模式的选择基于带内和带外频率响应。带内频率响应基于针对所有振幅的一致频率响应。带外频率响应基于带外信号衰减。图5A是*沈明N-30或数字字为30的示例的图，其中每个样本周期具有子采样间隔。该图假定每个子采样间隔内的子样本值为0.5或0。总共有4个子样本波形，针对每个样本周期其值为1，2，4和8。通过增加带有符号位的一个或多个波形，波形值可以以1的增量>^-15增加到15。由于所述波形彼此正交，因此这可以实现。图5B显示出，图5A所示的波形的归一化频率响应几乎等于高达采样频率的±45%。原因是波形模式的选择U于针对不同样本值的一致带内频率响应的准则。为了表示样本值l，子样本值设置在从中心线数第九个子样本时隙的两侧，等等.图5C示出了在宽频镨范围内从1至15级的子样本波形的归一化频率响应。所述归一化基于峰值级，即15。这是用于使带外信号最小的另一种模式选择。在该示例中，实现了在第一至第三采样频率范围内的15dB衰减，其简化了滤波需求。该频谙示意图显示出，数字样本调制信号在基带具有低通频率响应。在对带外信号进行滤波后可再现原始信号。通过组合波形发生器11和输入数字化装置13的输出来产生数字调制信号(如图2所示)。由于波形发生器11的输出已经基于输入数字化装置13的每个位，因此所需要的就是将具有相同值的波形发生器11和输入数字转换器13的每个输出进行"与"(AND)门操作(通过门12-1)。例如，最^T效位应与最低值波形进行"与"操作等等。"与"门的输出将是波形或者零。换句话说，如果最低有效位被称为波形，则输出是值l波形。如果不是，则没有波形或波形为零值。数字调制信号的振幅是"或"门12-2的输出，其所有输入来自所有"与，，门。该振幅波形与从串-并转换器13-2提供的+或-符号位进行"与，，操作(经由门12-3)，以便提供正和负振幅的数字调制信号。负载驱动器16是放大器的输出级，其将数字调制信号传递给负载。该负栽驱动器16由两个电流路径构成.路径16-4和16-1将正信号传递给负载，而i^16-5和16-2基于变压器绕组方向来传递负信号。^16-4和16-5是受数字调制信号控制的ON/OFF开关。如果有要传递的脉冲，则一个开关将被闭合，另一个将打开。当没有要传递的脉沖时，两个开关都将是打开的。一旦电流在变压器中流动，其将传递功率给次级绕组16-3以及负栽。负载驱动器16是极其高功效的，这意味着消^负载驱动器中的功率占输出功率的很小部分。这是由于开关晶体管和变压器在操作中不消拟艮多能量。当开关打开时，不消耗功率，因此功率消耗是输出功率的一部分。所以，非线性不是个问题。时钟电路15有两个时钟，即采样和子釆样时钟。这两个时钟之间的关系是子采样时钟是采样时钟的整数倍。对于宽带操作，该时钟电路优选地是与硅集成芯片分离的模块，从而使得该芯片可以用于任何频率。关于波形发生器输出端口的数目，以上描述是基于N-4个输出端口。一个缺点是使用了高的子样本时钟频率。通过减少输出端口的数目，子样本时钟频率每次将减小一半。参考图5A，让我们假定将输出端口从4减少到3。最高波形值8将被去除。然而，由于优选结果^1使数字调制信号的振幅相同，例如以1的增量从-15增加到15。下表示出了将如何获得15级。该表指示有两个脉冲值，即0,5和1。这可以由两个负载驱动器来处理，其中一个输出是另一个的功率的两倍。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图2示出了这里所讨论的构思被用作发射器的一个实施例。设置时钟电路15，使得子样本时钟是载波频率的两倍，每个子样本时钟间隔等于载波波形的半周期.由于这个原因，采样频率的选择基于栽波频率。这不同于放大器实施方式，在放大器实施方式中，样本频率是主要的确定因子。图1的放大器和图6的发射器之间的主要不同在于增加了混频器14。混频器14将基带信号变换成是子样本时钟频率一半的栽波频率。利用图5A所示出的子样本波形，并且使奇数时隙内的值相同而偶数时隙内的值为负，结果在图6A中示出。将图5A中的子样本波形转换成图6A中的子样本波形是混频器14的功能。通过将信号有效地乘以正弦替符号的功能。该实施方式由用于正数字调制信号(DMS)的混频器14-1和14-2以及用于负DMS的混频器14-3和14-4构成。混频器14-1杏lL选出奇数时隙正DMS波形，混频器14-2挑选出偶数时隙正DMS波形。该配置通过混频器14-3和14-4对负DMS波形重复以上4iMt。"或"门14-5和14-6将来自"与，，门14-1和14-3以及14-2和14-4的奇数和偶数时隙波形分别组合。"或"门14-5的奇数时隙输出连接到正负载驱动器，而"或"门14-6的偶数时隙输出连接到负负载驱动器。图6B示出了子样本波形的从1至15级并归一化到最高级即15的归一化频率响应。可以看出，"^值功率是采样频率15倍的频率。带外信号在采样频率的13至14倍的频率范围内衰減15dB。设计移动码分多址(CDMA)发射器卯0MHz系统的示例在下面的图表1中示出。载波频率范围是824至836.5MHz。该频率内的信道数目为10。信道带宽为1.25MHz。图表l中示出了中心栽波频率。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>与所述频率范围相比，最小采样速率是该范围的一半，例如6.25MHz。子间隔的数目为824.625/6.25~256。采样频率为6.44238MHz，栽波频率为644238x128=824.62446MHz.信噪比等于9位(128级振幅+1个符号位+用于过采样的1位)。图表2示出了采样频率。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>图4是采样间隔内的子样本的一个实施例的说明。每个采样间隔被分成M个等间距的子采样间隔，且每个子采样间隔将发送一个子样本值。优选的是具有两级子样本值，例如1或0。然而，该调制方案可以支持多级子样本值。全部子样本值的和等于样本值.通过使用该方法，支持这些样本所必需的电路的动态范围基本上减小了例如N，其中N为一个采样周期内的子采样间隔的数目。注意，样本值的表示具有两个尺度，即子样本值的量值和子样本值的密度。这允许由数字电路进行载波调制信号生成。注意，所述输入信号可以是输入端131(图3)上的模拟信号，或者可以是输入端132上的数字信号或量化的数字信号。另外，所述信号可以是串行的(如在输入端132所示)或并行的(如在端子133-1至133-N所示)。载波频率可以内置于设备中，或者可以通过输入端，比如输入端130来获得。所述符号位经由端子134提供。尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是也应理解，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种变化、替换和替选。而且，本申请的范围并非意在受限于说明书中所描述的过程、设备、产品、物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。如任何一个本领域普通技术人员将容易地从本发明的公开中理解的那样，根据本发明，可以使用目前存在的或者以后将开发的、基本执行与这里所描述的对应实施例相同的功能或基本实现相同的结果的过程、设备、产品、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求意在将此类过程、设备、产品、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。权利要求1.一种功率放大器，包括用于接收待放大的基带信号的装置；以及用于将所述接收的基带信号的中心频率数字地上转换成调制载波信号的装置，所述上转换包括利用采样频率将所述接收的输入信号的样本生成为采样间隔内的子样本。2.如权利要求l所述的功率放大器，还包括模拟门；并且其中所述调制载波信号的输出功率至少部分地由被允许通过所述模拟门的所述载波信号的半周期的数目来确定。3.如权利要求2所述的功率放大器，还包括输出级，包括由具有相反定相绕组的变压器来驱动的负载调制器。4.如权利要求3所述的功率放大器，其中所述采样频率确定功率输出。5.如权利要求3所述的功率放大器，还包括混频器，用于将所逸基带信号变换成载波频率，所述载波频率是所述子样本时钟频率的一半。6.—种调制载波信号的方法，所述方法包括从基带输入信号生成数字量化信号，所述数字量化信号在每个并行信号样本中有M位加上一个符号位；以递增的有效位次序、利用使用正交编码模式的权重编码来加权每个样本的所述M位；将每个数字量化信号部分划分成多个等间距的子样本，其中所述子样^和等于相应样本部分的值；将所ii^权位结合到数字调制信号内；以及利用所述数字调制信号以及所述符号位来调制所述基带输入信号的子样本，以得到输出调制信号.7.如权利要求6所述的方法，其中所述交替符号位针对每个相继的并行样W正到负进行交替.8.如权利要求7所述的方法，其中所述载波信号具有至少500MHz的频率。9.如权利要求8所述的方法，还包括将所逸基带信号转换成载波频率，所述载波频率是所述子样本时钟频率的一半。10.—种调制电路，包括用于将输入信号转换成数字量化信号的电路，所述数字量化信号在每个样本中具有M位加上一个符号位；用于针对所述输入信号建立正交编码模式的电路，所i^式在采样间隔内针对每个信号样本具有多个等间距的子样本；门电路，用于以递增的有效位次序来加权每个所述M个并行位；利用所述门电路结合每个所述样本的所述符号位，将所述正交编码信号门控成数字调制信号DMS;以及负栽电路，用于将所述DMS信号的正和负符号部分结合成单个输出信号。11.如权利要求10所述的调制器，其中所述输出信号的输出功率至少部分地根据允许通过所述门的所述输入信号的半周期的数目来确定。12.如权利要求ll所述的调制器，其中所t故大器为D类放大器，且其中所述载波为单频。13.—种发射器，包括用于接收基带信号的电路；用于将所述接收的基带信号的中心频率数字地上转换成调制栽波信号的电路，所述上转换包括使用采样频率来将所述接收的基带信号的样本生成为采样间隔内的子样本；至少一个模拟门；并且其中所述调制栽波信号的输出功率至少部分地根据允许通过所述模拟门的所述载波信号的半周期的数目来确定。14.如权利要求13所述的发射器，还包括输出级，包括由具有相>^定相绕组的变压器来驱动的负载调制器。15.如权利要求14所述的发射器，其中所述采样频率确定功率输出。16.如权利要求15所述的发射器，还包括混频器，用于将所逸基带信号变换成载波频率，所述栽波频率是所述子样本时钟频率的一半。17.如权利要求13所述的发射器，其中所i^L射器为码分多址CDMA发射器。18.如权利要求17所述的发射器，具有824至836.5MHz的载波频率范围，1.25MHz的信道带宽，并且具有10个信道，采样频率为6.44238MHz。全文摘要本发明涉及用于数字调制的系统和方法，并且更具体地涉及一种允许利用功率放大，结合在同一过程中用上转换器改变中心频率以将基带信号变换成载波频率的信号，来对输入信号进行功率放大的系统和方法。这因此提供了高功效且有很少或没有线性问题的数字实现方式，即一种适合硅芯片以及宽带操作的技术。在一个实施例中，每个输入样本被替换成同一采样间隔内的多个子样本，子样本的总权重等于被替换的样本。该样本到子样本的过程改变了采样信号的频率响应，并减小了负载驱动器的振幅动态范围，从而简化了用于数模转换的滤波需求，同时减小了负载驱动器的线性需求。该过程可通过产生宽带操作的数字电路来实现。文档编号H03F3/217GK101277282SQ20081008881公开日2008年10月1日申请日期2008年3月28日优先权日2007年3月30日发明者彼得·埃尔·关·乔申请人:最优创新公司