专利名称：用于生成射频脉宽调制信号的系统和方法
技术领域：
本发明总体来说涉及半导体电路和方法，更具体地，涉及用于生成射频脉宽调制信号的系统和方法。
背景技术：
脉宽调制系统被用于在广泛地从低功耗音频设备(诸如MP3播放器)到高功率数据发送电路(诸如基站发射器)不等的应用中提供高效率放大和传输。通过使由于放大器输出级内的偏置电流导致的功率损失最小化来实现高效率。例如，在音频应用中，D类放大器被用于以高于所需输出信号带宽的频率在两个供电电压之间切换扬声器的端子。这里，利用负载电路的特性(例如扬声器的电感)来对高频切换能量滤波。类似地，在RF应用中，功率放大器(PA)由具有高于感兴趣的带宽的脉冲频率的脉宽调制信号来驱动。随后，使用RF带通滤波器(诸如针对低功率应用的SAW滤波器或针对高功率应用的腔体滤波器)来对带外能量(out-of-band energy)滤波。由于存在跨以切换方式工作的装置的输出级的最小IR降，且其可以是使用PWM信号的情况，所以能使跨装置输出级的耗散功率最小化，并提高了效率。然而，高动态范围PWM信号的生成在高频和射频(RF)处加入了许多挑战。随着宽带系统的带宽增加，用于驱动向上转换器(upconverter)的PWM信号的切换速率也有相应增加。然而，这些高切换速率处的寄生损失可能降低PWM系统的总效率。用于降低PWM系统中的切换速率的一种方法是使用多个并行PWM信号级来驱动并联RF功率放大器。尽管可降低总切换速率，但也会出现其他低效，诸如由于多级加载而导致的功率损失和由于带通滤波器处的反射功率而导致的损失。
发明内容
在一种实施方式中，产生多级RF信号的方法包括基于输入信号产生多个脉宽调制信号。该方法还包括通过当相应脉宽调制信号处于有效(active)状态时设置并联放大器具有第一输出阻抗以及当相应脉宽处于无效(inactive)状态时设置并联放大器具有第二输出阻抗，采用多个脉宽调制信号来驱动相应的多个并联放大器。该方法还包括相移多个并联放大器的输出，其中，该相移将第二输出阻抗转换为高于第二输出阻抗的第三阻抗；以及合成相移后的输出。在附图和以下描述中描述了本发明的一个或多个实施方式的细节。根据该描述和附图以及权力要求，本发明的其他特征、目标和优势将变得显而易见。
为更全面地理解本发明及其优势，现结合附图来说明以下描述，其中:图1示出了常规多级PWM发生器；图2示出了实施方式的多级RF发射器；
图3示出了有关实施方式的PWM发生器的编码效率的曲线图；图4示出了实施方式的调制PWM输出频谱；图5示出了使用相移基准函数的实施方式的多级PWM发生器；图6a至图6c示出了实施方式的PWM发生器的波形；图7a和图7b示出了根据其他实施方式的多级RF发射系统；图8示出了实施方式的多级RF发射系统的波形图；图9示出了表示有关实施方式的多级RF发射系统的输出功率和效率对占空比的曲线图；图10示出了实施方式的PWM调制器；以及图11示出了实施方式的PWM调制器的实施。
具体实施例方式以下将详细讨论本文优选实施方式的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了许多适用的可在宽泛的各种具体环境中实施的发明概念。所讨论的具体实施方式
仅是用于制造和使用本发明的说明性的具体方法，且并不限定本发明的范围。将参照具体环境中的优选实施方式(S卩，脉宽调制器和使用基带的输出级以及RF发射系统)来描述本发明。然而，本发明还可被用于其他类型的电路和系统，诸如音频系统、通信系统和其他使用脉宽调制信号的电子或光学系统。在一种实施方式中，通过计算有限数量的表示输出PWM信号的基函数(basisfunction)来建立离散时间的脉宽调制信号。这些基函数的限带特性(band limitednature)防止了由于信号的离散时间特性而导致的混叠(aliasing)，从而允许高动态范围和低带外本底噪声。在于2011年4月7日提交的题为“用于生成脉宽调制信号的系统和方法”的美国专利申请第13/081，628号中描述了使用基函数生成脉宽调制信号来有效驱动放大器(PA)，其应用整体通过引用结合于此。在一些实施方式中，使用基函数建立脉宽调制信号被扩展至使用多个获得脉宽调制信号的基函数来建立多级RF信号。这些多个脉宽调制信号各自被用于驱动功率放大器阵列，这些功率放大器的输出被合成以形成单个输出。在该输出端，各脉宽调制信号合成以形成多级输出。在一些实施方式中，驱动功率放大器之前，这些脉宽调制信号被向上转换。通过在合成输出之前相移每个功率放大器的各输出以及使相移后的合成输出通过循环器(circulator)或其他隔离装置来避免反射功率。在RF系统中使用脉宽调制信号的一个主要问题是位于所需信号带附近的很大的频谱带外分量。在许多情况下，信号被馈送至天线、电缆或其他装置之前先滤掉这些附近的带外分量，以满足具体系统的带外频谱要求。然而，若来自滤波器的反射带外分量被耗散在隔离器或其他装置中，则对这些带外分量滤波可能大大降低PA的效率。可维持高效率的一种方法是增加被定义为带内功率与总功率的比值的编码效率。可增加编码效率的一种方法是通过使用多切换模式功率放大器(SMPA)，在该功率放大器中，用单个PWM信号来驱动两个以上PA。在信号被馈送至隔离器和滤波器之前，PA输出端口与功率合成器连接在一起。只要PWM频率保持在几MHz或更低范围内，这一概念就很有效。然而未来，高带宽基站应用可能要求IOOMHz以上的带宽。由于维持高线性度需要高PWM频率，所以这些高带宽系统的效率可能下降。由于需要高带宽匹配网络以及增加了晶体管自身的寄生损失，所以这些高PWM频率一般难以在PA侧处理。另一问题涉及以接收带非常接近发射带的双工模式工作的基站。为避免发射与接收信号路径之间的高度干扰，要使用足够高的PWM频率。在一些建议的实施方式中，PWM编码方法与功率合成器网络相结合使用，功率合成器网络能降低PWM频率，减轻对各单个PA的带宽要求，并在滤波器输入端维持足够高的切换速率以确保更高带宽和效率要求。图1示出了用于生成多级PWM信号的常规系统100。这里，复合调制信号104的输入包络在幅域被分成N-1个幅移和相移三角基准函数102和106。比较器108和110将各基准函数与输入信号104相比较，并生成PWM (各PWM信号112和114)。尽管为便于说明，仅示出了两个基准函数102和106以及两个比较器108和110，但根据具体应用及其技术条件，可使用任何数量的比较器。图2示出了适用于产生多级RF输出的实施方式的多级PWM系统130。在一种实施方式中，由比较器108和110生成的N-1个单独PWM基带信号分别被混频器116和118向上转换以形成向上转换的信号126和128，信号126和128随后被PA 120和122放大。为便于说明，示出了两个PA 120和122 ;然而，也可使用更多PA来放大N-1个向上转换的PWM信号。PA 120和122的输出被合成器124合成以形成N级多级RF输出信号132。在一些实施方式中，通过以高效方式(例如，以高信号量级(level))驱动PA 120和122来实现高效率。在一种实施方式中，PA 120和122被驱动至IdB压缩(compression)以获得高峰值效率。可替代地，也可以其他量级来驱动PA。所产生的合成输出132即为N级PWM信号。在放大之后，各RF突发(RF-burst) (PA输出信号)被合成器124结合在一起来建立N级PWM信号132。应当理解，随着PWM级数增加，N级PWM信号132的带外频谱能量降低。这提高了发射器对于具有高峰值与平均功率比(PAPR)的复合调制信号的总效率，即使在所需带通滤波器前使用隔离器。在一种实施方式中，总信号(PWM)被有效放大，因为PA 120和122均处于关闭状态或完全开启。然而，例如使用天线前的带通滤波器对PWM信号132滤波以重构或解调原始调制信号。为重构原始调制信号，带外频谱分量被滤掉。这些滤掉的分量被带通滤波器输入端反射，并被传送回合成器与带通滤波器之间的隔离器，其在隔离器中耗散。该耗散会导致效率下降。使用更高编码效率能减小带外功率，从而减小这一效率下降。因此，实现了更闻效率。图3示出了由图2所示系统产生的信号的编码效率的曲线图。曲线150表示使用单个PA的两级PWM方案的编码效率，以及曲线152表示使用两个PA的三级PWM方案。可以看出，对于两级PWM的编码效率150随着输入电压(图2中的输入信号)降低而线性减小，而对于三级PWM的编码效率152则保持很高直到最大输入电压的一半。这一编码效率的提高也引发了有关具有高PAPR的调制信号的电效率的提高。随着PWM级数增加至超过三级，如图1和图2所示，可通过使用更多硬件来进一步提高编码效率和由此的电效率。图2中的架构对于较低信号带宽(例如，低于20MHz)很有效。在较高信号带宽(诸如75MHz以上)，对于图2所示PA 120和122的输入匹配网络所需的相对带宽接近或甚至高于这一带宽。在一些实施方式中，这一所需的相对带宽可被定义为:Bs X LX Nh，
其中，Bs为信号带宽，L为有关所需带内信号质量(线性度)的系数，以及Nh为高效PA工作所需的谐波数量。在一种实施方式中，L=6以及Nh=4。这些值均为取决于具体应用的估计值。根据具体系统及其技术条件，其他值也可用于L和Nh。图4描绘了有关具有900MHz载波频率、35MHz信号带宽和四个谐波的3级PWM信号的频谱曲线图。为获得70dBc的输入信号动态范围，需要约150MHz的PWM基准频率。这使用现有技术水平难以实现，因为PA将需要高宽带，例如(4X2X150)MHz=1200MHz。该高带宽难以匹配用于无线电基站应用的IGHz或2GHz载波频率，因为相对带宽太高。图5不出了根据本发明另一实施方式的多级PWM发射器200。与图2和图3的系统相比，这里，多级PWM信号用相对于彼此相移但具有等振幅水平的相移基准函数202和204来生成。基准函数202和204使用比较器208和210与输入信号206相比较，以分别产生PWM信号212和214。应当理解，尽管为便于说明仅示出了两个基准函数、比较器和PWM信号，但在其他实施方式中，可使用任何数量的基准函数、比较器和PWM信号。重点要注意的是，PWM生成不限于通过图5所示系统。PWM生成也可使用美国专利申请第13/081，628号中所述的基函数来进行。例如，在一种实施方式中，限带核(bandlimited kernel)函数或基函数可通过对界定在O和I之间的输入信号x (t)自然采样出后沿PWM来获得。这种PWM信号的连续时间输入-输出关系可被写作:
权利要求
1.一种产生多级RF信号的方法,该方法包括: 基于输入信号产生多个脉宽调制信号，所述多个脉宽调制信号中的每一个包括有效状态和无效状态； 采用所述多个脉宽调制信号来驱动相应的多个并联放大器，该驱动包括当相应脉宽调制信号处于所述有效状态时，设置并联放大器具有第一输出阻抗；以及当该相应脉宽处于所述无效状态时，设置所述并联放大器具有第二输出阻抗； 相移所述多个并联放大器的输出，其中，该相移将所述第二输出阻抗转换为第三阻抗，所述第三阻抗高于所述第二阻抗；以及合成相移后的输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，合成所述相移后的输出包括将所述相移后的输出耦接至第一装置，所述第一装置将PA与耦接至所述第一装置的其他电路去耦接。
3.根据权利要求2所述的方法，其中: 所述第一装置包括循环器；以及 其他装置包括耦接至所述循环器的输出端的带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置所述并联放大器具有所述第二输出阻抗包括将所述并联放大器的输出端耦接至RF短路。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相移将RF短路转换为RF开路。
6.根据权利要求1所述的方法， 其中，产生所述多个脉宽调制信号包括形成多级脉宽调制信号。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在驱动所述相应的多个并联放大器之前，向上转换所述多个脉宽调制信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述多个脉宽调制信号包括: 生成第一组接近具有与第一数字输入信号成比例的脉宽的脉宽调制信号的傅里叶谐波，以及 生成第二组接近具有与第一数字输入信号成比例的脉宽的脉宽调制信号的傅里叶谐波，所述第二组傅里叶谐波与所述第一组傅里叶谐波存在相移。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括: 基于所述第一组傅里叶谐波产生第一脉宽调制输出信号；以及 基于所述第二组傅里叶谐波产生第二脉宽调制输出信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，产生所述第一脉宽调制信号和所述第二脉宽调制信号包括进行数模转换。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所述多个脉宽调制信号包括: 基于所述输入信号计算第一脉宽调制信号的有限数量的第一基函数； 基于所计算的有限数量的第一基函数形成第一电子输出信号，所述第一电子输出信号形成第一所述多个脉宽调制信号； 基于所述输入信号计算第二脉宽调制信号的有限数量的第二基函数，所述第二基函数与所述第一基函数存在相移；以及 基于所计算的有限数量的第二基函数形成第二电子输出信号，所述第二电子输出信号形成第二所述多个脉宽调制信号。
12.—种生成多级脉宽调制信号的方法，该方法包括: 基于输入信号计算第一脉宽调制信号的有限数量的第一基函数； 基于所计算的有限数量的第一基函数形成第一电子输出信号； 基于所述输入信号计算第二脉宽调制信号的有限数量的第二基函数，所述第二基函数与所述第一基函数存在相移；以及 基于所计算的有限数量的第二基函数形成第二电子输出信号。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括: 采用所述第一电子输出信号驱动第一输出驱动器；以及 采用所述第二电子输出信号驱动第二输出驱动器。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括: 在驱动所述第一输出驱动器之前，向上转换所述第一电子输出信号；以及 在驱动所述第二输出驱动器之前，向上转换所述第二电子输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，驱动所述第一输出驱动器和所述第二输出驱动器包括: 当所述第一电子信号表示有效状态时，配置所述第一输出驱动器具有第一阻抗； 当所述第一电子信号表示无效状态时，配置所述第一输出驱动器具有低阻抗； 当所述第二电子信号表示有效状态时，配置所述第二输出驱动器具有第一阻抗； 当所述第二电子信号表示无效状态时，配置所述第二输出驱动器具有低阻抗； 相移所述第一输出驱动器和所述第二输出驱动器的输出，其中，所述低阻抗被转换为高阻抗，所述高阻抗高于所述第一阻抗；以及 合成所述第一输出驱动器和所述第二输出驱动器的相移后的输出以形成多级RF信号。
16.—种用于多级RF信号的发射器,该发射器包括: 多个分支，其耦接至共用信号端口，每个分支包括: 驱动电路，其包括输出端，所述输出端在所述驱动电路有效时具有第一输出阻抗，以及在所述驱动电路无效时具有第二输出阻抗； 移相器，其耦接在所述驱动电路的输出端与共用输出端口之间；以及 隔离装置，其包括耦接至所述共用信号端口的第一端口和输出端口。
17.根据权利要求16所述的发射器，其中，所述隔离装置包括循环器。
18.根据权利要求16所述的发射器，其中: 所述第二输出阻抗包括RF短路；以及 所述移相器将所述第二阻抗转换为高阻抗。
19.根据权利要求16所述的发射器，其中，所述移相器提供约90度的相移。
20.根据权利要求16所述的发射器，其中，所述移相器包括第三阻抗。
21.根据权利要求20所述的发射器，其中: 所述多个分支包括N个分支；以及 所述第三阻抗约为所述第 一输出阻抗的^/ ^ 倍。
22.根据权利要求16所述的发射器，其中，每个驱动电路被配置为选择性被激活以在所述隔离装置的输出端形成多级信号。
23.根据权利要求16所述的发射器，其中，所述驱动电路包括:功率放大器；以及 开关，其耦接至所述功率放大器的输出端，当所述功率放大器处于无效状态时，所述开关将所述功率放大器的输出端耦接至RF地。
24.根据权利要求16所述的发射器，还包括调制器，其具有多个并联输出端，所述多个并联输出端中的每一个耦接至所述多个分支的相应输入端。
25.根据权利要求24所述的发射器，其中，所述调制器被配置为: 基于输入信号计算第一脉宽调制信号的有限数量的第一基函数； 基于所计算的有限数量的第一基函数形成第一电子输出信号，所述第一电子输出信号形成第一多个并联输出； 基于所述输入信号计算第二脉宽调制信号的有限数量的第二基函数，所述第二基函数与所述第一基函数存在 相移；以及 基于所计算的有限数量的第二基函数形成第二电子输出信号，所述第二电子输出信号形成第二所述多个并联输出。
26.根据权利要求24所述的发射器，其中，所述调制器包括: 数字脉宽调制器，其被配置为: 生成第一组接近具有与第一数字输入信号成比例的脉宽的脉宽调制信号的傅里叶谐波，以及 生成第二组接近具有与第一数字输入信号成比例的脉宽的脉宽调制信号的傅里叶谐波，所述第二组傅里叶谐波与所述第一组傅里叶谐波存在相移；以及 数模(D/A)转换器块，其耦接至所述数字脉宽调制器的输出端，所述D/A转换器块被配置为基于所述第一组傅里叶谐波产生第一输出，以及基于所述第二组傅里叶谐波产生第二输出。
27.根据权利要求24所述的发射器，其中，所述调制器被配置为基于调制器输入信号在所述多个并联输出端中的每一个处生成脉宽调制信号。
28.根据权利要求24所述的发射器，其中进一步地，所述分支中的每一个还包括向上转换器，所述向上转换器耦接在所述调制器的相应输出端与所述驱动电路的输入端之间。
29.根据权利要求16所述的发射器，其中: 每个移相器包括90度移相器；以及 每个移相器具有所述第一阻抗的约#倍的阻抗。
30.根据权利要求16所述的发射器，还包括带通滤波器，其耦接至所述隔离装置的输出端口。
31.一种用于提供多级脉宽调制信号的系统，该系统包括: 第一数字脉宽调制器，其被配置为生成第一多个接近具有与第一数字输入信号成比例的脉宽的脉宽调制信号的基函数；以及 第二数字脉宽调制器，其被配置为生成第二多个接近具有与所述第一数字输入信号成比例的脉宽的脉宽调制信号的基函数，其中，所述第二多个基函数相对于所述第一多个基函数存在相移。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述第一多个基函数包括所述脉宽调制信号的前k项傅里叶级数的谐波。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述前k项傅里叶级数的谐波根据下式计算:
34.根据权利要求31所述的系统，包括数模转换器，其耦接至所述数字脉宽调制器的输出端。
全文摘要
本发明提供了一种用于生成射频脉宽调制信号的系统和方法。在一种实施方式中，产生多级RF信号的方法包括基于输入信号产生多个脉宽调制信号。该方法还包括通过当相应脉宽调制信号处于有效状态时设置并联放大器具有第一输出阻抗以及当相应脉宽处于无效状态时设置并联放大器具有第二输出阻抗，采用多个脉宽调制信号来驱动相应的多个并联放大器。该方法还包括相移多个并联放大器的输出，其中，该相移将第二输出阻抗转换为高于第二输出阻抗的第三阻抗；以及合成相移后的输出。
文档编号H03F1/56GK103117715SQ20121035096
公开日2013年5月22日 申请日期2012年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者弗朗茨·迪尔拉切尔, 马丁·马塔尔, 克里斯蒂安·舒贝尔特, 彼得·辛格尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司