一种基于数字延时线单元的射频脉宽调制器及调制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字延时线单元的射频脉宽调制器及调制方法。该调制器包括脉冲延时控制单元、射频载波脉冲产生单元、第一～第四数字延时线单元、第一～第二两路复用器。所述调制方法为：射频脉宽调制器中脉冲延时控制单元采用5电平射频脉冲调制方法，具体为3X次谐波消除5电平射频脉冲调制方法，其中X为大于零的任意奇数，即将需输出的5电平射频脉冲分解为2个3电平射频子脉冲的加权叠加，通过控制两个3电平射频子脉冲的脉冲宽度，使2个3电平射频子脉冲加权叠加后的3X次谐波幅值为零。本发明专利技术实现了对5电平射频脉宽调制信号3X次谐波主动消除与有效抑制，减小了滤波器的成本和体积，提高了宽频段全数字发信机的综合性能。

A Radio Frequency Pulse Width Modulator Based on Digital Delay Line Unit and Its Modulation Method

The invention discloses a radio frequency pulse width modulator and a modulation method based on a digital delay line unit. The modulator includes a pulse delay control unit, a radio frequency carrier pulse generation unit, a first to fourth digital delay line unit and a first to second two-way multiplexer. The modulation method is as follows: the pulse delay control unit of the radio frequency pulse width modulator adopts a 5-level radio frequency pulse modulation method, specifically a 5-level radio frequency pulse modulation method for 3X harmonic elimination, in which X is an odd number greater than zero, that is, the 5-level radio frequency pulse to be output is decomposed into a weighted superposition of two 3-level radio frequency electronic pulses, and the pulse of two 3-level radio frequency electronic pulses is controlled. Width makes the 3X harmonic amplitude zero after weighted superposition of two 3-level RF electron pulses. The invention realizes the active elimination and effective suppression of 3X harmonics of 5-level radio frequency pulse width modulation signal, reduces the cost and volume of the filter, and improves the comprehensive performance of the wide-band all-digital transmitter.

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字延时线单元的射频脉宽调制器及调制方法
本专利技术涉及无线通信
，特别是一种基于数字延时线单元的射频脉宽调制器及调制方法。
技术介绍
发信机是无线通信系统的重要组成部分之一，其作用是将已调基带信号上变频到射频(RF)，并将射频信号放大到足够天线发射的功率电平。它是决定无线通信系统输出信号质量和工作效率的主要因素。更小体积、更低功耗、更高通信速率、数字化及可重构是发信机的发展方向。近年来，结合直接数字射频调制(DDRFM)、开关模式功放(SMPA)和调谐滤波器的高效率、宽频段数字发信机(DTx)技术发展迅速，已成为无线通信领域的研究热点，其高效率、高线性以及灵活的可重构和可编程性能已成为软件定义无线电(SDR)最具吸引力的特性。得益于氮化镓(GaN)高电子迁移率(HEMT)器件等高性能半导体器件技术的迅速发展，SMPA已可实现对几个Gbps速率的高速数字射频脉冲序列的高效放大。然而，该脉冲信号仅由2个或有限个离散的量化电平构成，不仅包含所需的RF信号，还存在大量的量化噪声。由于SMPA固有的强非线性，DDRFM不仅要实现基带信号的数字上变频，还要进行脉冲编码，将数字射频信号转换为适合开关放大的脉冲信号，同时将量化噪声移至带外，以提高输出信噪比。当前，增量求和调制(DSM)和脉宽调制(PWM)是DTx研究中主要采用的两种脉冲编码技术，其核心优势是可实现很高的信噪比。然而，DSM技术存在两个缺点，一是需要远高于载波频率的过采样频率，不仅要求数字信号处理器件(DSP)具有很高逻辑运算速率，增加了设计复杂度，而且使得SMPA的开关频率数倍(至少≥4倍)于射频载波频率；二是DSM存在很高的带外噪声，需要高品质因数的带通滤波器来抑制。相较于DSM，文献1(F.H.Raab,“Radiofrequencypulsewidthmodulation,”IEEETrans.Commun.,vol.21,No.8,pp.958-966,1973)提出的射频脉宽调制(RF-PWM)技术虽然也需要很高的采样频率，但在三个方面具有优势：一是具有更优的编码效率(所需RF信号与脉冲编码信号的功率之比)，而且可降低DSP的运算速率要求和设计复杂度；二是所需开关频率仅为射频载波频率的两倍，有利于降低SMPA的开关损耗；三是量化噪声被转换为谐波分量，仅需低通滤波器即可完成信号恢复。因此，综合考虑信号完整性、效率和频谱纯度，RF-PWM被认为是目前最适合DTx应用的高效脉冲编码技术。针对RF-PWM的谐波问题，文献2(周强,陈剑斌,朱蕾.基于RF-PWM的主动谐波消除方法[J].太赫兹科学与电子信息学报,2017,15(5):828-833)、文献3(YaoFQ,ZhouQ,WeiZH.ANovelMultilevelRF-PWMMethodWithActive-HarmonicEliminationforAll-DigitalTransmitters[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2018,66(7):3360-3373)分别提出了针对恒包络和非恒包络的调制信号特定谐波消除的多电平RF-PWM方法。中国专利(申请号201711051727.2)公开了一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法及调制器，可实现对多电平RFPWM输出脉冲特定次谐波的主动消除，特别是通过优先消除低次谐波，可以显著降低对调谐滤波器的设计要求，有利于提高DTx的宽频段性能。但在实际工程中，对于DTx应用，RF-PWM需要在数字域实现，由于数字信号的时间和幅度均离散的特性，对于上述方法和专利提出的特定谐波抑制多电平RF-PWM方法，其调制性能与采样时的时间分辨率(即最小离散采样时间间隔)直接相关，受限于RF-PWM的物理实现，其有限的采样时间将带来杂散、互调和底噪等非线性失真，为进一步减小时间分别率，基于半导体工艺的高性能数字延时线(DDL)技术被广泛采用，如文献4(P.A.J.Nuyts,etal.,“AfullydigitaldelaylinebasedGHzrangemultimodetransmitterfront-endin65-nmCMOS,”IEEEJ.Solid-StateCircuits,2012,47(7):1681-1692；P.A.J.Nuyts,etal.“AfullydigitalPWM-based1to3GHzmultistandardtransmitterin40-nmCMOS,”in2013IEEERadioFrequencyIntegratedCircuitsSymposium,pp.419-422,2013)中基于40nmCMOS工艺的DDL技术，其时间分辨率最小可达到4ps。因此，利用高性能DDL技术，可实现数字RF-PWM，以提高调制器的整体性能。从上述
技术介绍
介绍和分析中可以看出，DDL技术可用于实现数字RF-PWM调制器，并提高其调制性能，特别将DDL技术用于特定谐波消除多电平RF-PWM，可提高特定谐波的抑制性能。但现有5电平RF-PWM信号存在3次谐波及其整数倍奇次谐波，若要满足调谐滤波器的设计要求，则对半导体工艺、实现电路难以及设计复杂度提出了更高要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于数字延时线单元的射频脉宽调制器及调制方法，有效降低对调谐滤波器的设计要求，减小滤波器的成本和体积，从而提高宽频段DTx的综合性能。本专利技术原理如下：基于3X次谐波5电平射频脉冲调制方法，根据输入的基带已调I、Q信号计算对应2个子脉冲的脉冲宽度，并将每个子脉冲的脉冲宽转换为对应射频载波脉冲信号的2个延时信号，从而得到并输出4路N比特脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1-、SΔ2+和SΔ2-，N，以控制4个数字延时线单元，并根据输入的射频载波脉冲参考信号，分别输出2个子脉冲的正、负脉冲信号，用于驱动后级的SMPA。实现本专利技术的技术方案为：一种基于数字延时线单元的射频脉宽调制器，包括脉冲延时控制单元、射频载波脉冲产生单元、第一～第四数字延时线单元、第一～第二两路复用器，其中：所述脉冲延时控制单元，用于接收基带已调I、Q信号，并计算脉冲延时数据，输出4路脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1-、SΔ2+和SΔ2-，还输出选通控制信号SAM；所述射频载波脉冲产生单元，用于接收射频载波频率信息fc，产生射频载波脉冲参考信号SRF并由输出端输出；所述第一～第四数字延时线单元，具有相同结构；每个数字延时线单元的信号输入端S均接收射频载波脉冲产生单元输出的射频载波脉冲参考信号SRF，四个数字延时线单元的控制信号输入端分别接收脉冲延时控制单元输出的4路脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1-、SΔ2+和SΔ2-；四个数字延时线单元根据接收的相应脉冲延时控制信号，实现对于射频载波脉冲参考信号SRF的延时输出，并分别通过第一～第四数字延时线单元的第一～第四脉冲信号输出端E，输出4路射频脉冲延时信号S1+、S1-、S2+和S2-；所述第一两路复用器和第二两路复用器，具有相同结构；每一个两路复用器的两个信号输入端分别接收第三、第四数字延时线单元输出的射频脉冲延时信号S2+和S2-；该两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字延时线单元的射频脉宽调制器，其特征在于，包括脉冲延时控制单元、射频载波脉冲产生单元、第一～第四数字延时线单元、第一～第二两路复用器，其中：所述脉冲延时控制单元，用于接收基带已调I、Q信号，并计算脉冲延时数据，输出4路脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1‑、SΔ2+和SΔ2‑，还输出选通控制信号SAM；所述射频载波脉冲产生单元，用于接收射频载波频率信息fc，产生射频载波脉冲参考信号SRF并由输出端输出；所述第一～第四数字延时线单元，具有相同结构；每个数字延时线单元的信号输入端S均接收射频载波脉冲产生单元输出的射频载波脉冲参考信号SRF，四个数字延时线单元的控制信号输入端分别接收脉冲延时控制单元输出的4路脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1‑、SΔ2+和SΔ2‑；四个数字延时线单元根据接收的相应脉冲延时控制信号，实现对于射频载波脉冲参考信号SRF的延时输出，并分别通过第一～第四数字延时线单元的第一～第四脉冲信号输出端E，输出4路射频脉冲延时信号S1+、S1‑、S2+和S2‑；所述第一两路复用器和第二两路复用器，具有相同结构；每一个两路复用器的两个信号输入端分别接收第三、第四数字延时线单元输出的射频脉冲延时信号S2+和S2‑；该两个两路复用器的控制信号输入端均接收脉冲延时控制单元输出的选通控制信号SAM，并根据接收的选通控制信号SAM控制对应两路复用器的信号输入端与控制信号输出端M3连通，以输出对应的射频脉冲延时信号S2和S'2。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字延时线单元的射频脉宽调制器，其特征在于，包括脉冲延时控制单元、射频载波脉冲产生单元、第一～第四数字延时线单元、第一～第二两路复用器，其中：所述脉冲延时控制单元，用于接收基带已调I、Q信号，并计算脉冲延时数据，输出4路脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1-、SΔ2+和SΔ2-，还输出选通控制信号SAM；所述射频载波脉冲产生单元，用于接收射频载波频率信息fc，产生射频载波脉冲参考信号SRF并由输出端输出；所述第一～第四数字延时线单元，具有相同结构；每个数字延时线单元的信号输入端S均接收射频载波脉冲产生单元输出的射频载波脉冲参考信号SRF，四个数字延时线单元的控制信号输入端分别接收脉冲延时控制单元输出的4路脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1-、SΔ2+和SΔ2-；四个数字延时线单元根据接收的相应脉冲延时控制信号，实现对于射频载波脉冲参考信号SRF的延时输出，并分别通过第一～第四数字延时线单元的第一～第四脉冲信号输出端E，输出4路射频脉冲延时信号S1+、S1-、S2+和S2-；所述第一两路复用器和第二两路复用器，具有相同结构；每一个两路复用器的两个信号输入端分别接收第三、第四数字延时线单元输出的射频脉冲延时信号S2+和S2-；该两个两路复用器的控制信号输入端均接收脉冲延时控制单元输出的选通控制信号SAM，并根据接收的选通控制信号SAM控制对应两路复用器的信号输入端与控制信号输出端M3连通，以输出对应的射频脉冲延时信号S2和S'2。2.根据权利要求1所述的基于数字延时线单元的射频脉宽调制器，其特征在于，该射频脉宽调制器为5电平射频脉宽调制器，具有第一～第三信号输入端和第一～第四信号输出端，用于产生5电平射频脉宽调制信号S5LRF-PWM，其中：第一～第三信号输入端包括脉冲延时控制单元中用于接收基带已调I、Q信号的第一信号输入端、第二信号输入端，射频载波脉冲产生单元中用于接收射频载波频率信息fc的第三信号输入端；所述第一数字延时线单元和第二数字延时线单元的第一、第二脉冲信号输出端E分别为所述5电平射频脉宽调制器的第一信号输出端和第二信号输出端，输出1比特射频脉冲延时信号S1+和S1-；所述第一两路复用器和第二两路复用器的第二、第三控制信号输出端M3分别为所述5电平射频脉宽调制器的第三信号输出端和第四信号输出端，输出1比特射频脉冲延时信号S2和S'2。3.根据权利要求1或2所述的基于数字延时线单元的射频脉宽调制器，其特征在于，所述脉冲延时控制单元，具体如下：所述脉冲延时控制单元包括第一信号输入端、第二信号输入端、第五～第八信号输出端和第一控制信号输出端；其中第一信号输入端和第二信号输入端，分别用于接收基带已调I、Q信号，根据5电平射频脉冲调制方法计算脉冲延时数据，由第五～第八信号输出端分别输出4路N比特脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1-、SΔ2+和SΔ2-，N为大于1的任意整数，由第一控制信号输出端输出1比特选通控制信号SAM。4.根据权利要求1或2所述的基于数字延时线单元的射频脉宽调制器，其特征在于，所述射频载波脉冲产生单元，具体如下：射频载波脉冲产生单元包括第三信号输入端和第九信号输出端；其中第三信号输入端，用于接收射频载波频率信息fc，根据接收的射频载波频率信息fc产生1比特射频载波脉冲参考信号SRF，并由第九信号输出端输出。5.根据权利要求1或2所述的基于数字延时线单元的射频脉宽调制器，其特征在于，所述第一～第四数字延时线单元，具有相同结构，具体如下：第一数字延时线单元包括第四信号输入端S、第一控制信号输入端D和第一脉冲信号输出端E，第二数字延时线单元包括第五信号输入端S、第二控制信号输入端D和第二脉冲信号输出端E，第三数字延时线单元包括第六信号输入端S、第三控制信号输入端D和第三脉冲信号输出端E，第四数字延时线单元包括第七信号输入端S、第四控制信号输入端D和第四脉冲信号输出端E；其中：第四～第七信号输入端S均连接所述射频载波脉冲产生单元的第九信号输出端，用于接收1比特射频载波脉冲参考信号SRF；第一～第四控制信号输入端D分别连接脉冲延时控制单元的第五～第八信号输出端，用于接收脉冲延时控制单元输出的4路N比特脉冲延时控制信号SΔ1+、SΔ1-、SΔ2+和SΔ2-；第一～第四数字延时线单元根据接收的相应脉冲延时控制信号，实现对于1比特射频载波脉冲参考信号的延时输出，并分别通过第一～第四数字延时线单元的第一～第四脉冲信号输出端E，输出4路1比特射频脉冲延时信...

【专利技术属性】
技术研发人员：周强，姚富强，朱蕾，魏志虎，张江，陈剑斌，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32