一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法及调制器技术

一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法，选定K个奇数次特定谐波，将M电平RF‑PWM信号等效为N个脉冲宽度分别由相应比较门限控制的3电平RF‑PWM信号加权叠加，K、M、N均为大于零的整数且N＞K、M＝2N+1，根据归一化包络信号SA实时控制N个比较门限及对应加权系数，使加权叠加后的N个3电平RF‑PWM信号的K个特定谐波分量相互抵消，而其基波分量与SA成正比，进而消除M电平RF‑PWM信号的K个特定谐波及其整数倍奇次谐波。基于上述方法，本发明专利技术还提供了一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制器。与现有技术相比，本发明专利技术有益效果在于：在基本调制性能与现有技术的相同电平RF‑PWM相当的基础上，有效降低对滤波器的抑制要求，减小滤波器成本和体积，从而提高宽频段DTX的综合性能。

A specific harmonic elimination multilevel RF pulse width modulation method and modulator

Multi level radio frequency pulse width modulation method for harmonic elimination, selected K odd harmonics, the M level RF PWM signal equivalent to N pulse width respectively by the 3 level RF PWM signal weighted superposition of the corresponding comparison threshold control, K, M and N were greater than zero integer and N > K M = 2N+1, according to the normalized envelope signal SA real-time control N comparison of the threshold and the corresponding weighting coefficients, a weighted superposition of the 3 N level RF PWM signal K specific harmonic components offset each other, and the fundamental component is proportional to SA and elimination of M level RF PWM signal K specific harmonic and integer odd harmonics. Based on the above method, the invention also provides a specific harmonic elimination multilevel RF pulse width modulator. Compared with the prior art, the invention has the advantages that based on existing technology and basic properties of the same modulation level RF PWM considerable, effectively reduce the inhibition of the filter requirements, reduce the cost and volume of the filter, so as to improve the comprehensive performance of wide-band DTX.

【技术实现步骤摘要】
一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法及调制器
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法及调制器。
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，已成为无限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技术存在两个主要缺点，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，设计复杂度高，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，Raab提出的射频脉宽调制(RF-PWM)【F.H.Raab，“Radiofrequencypulsewidthmodulation，”IEEETrans.Commun.，vol.21，No.8，pp.958-966，1973】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。RF-PWM的主要思想是将已调射频信号转换为一个与射频载波同频且脉冲幅度固定而脉冲宽度可变的3电平脉冲序列(包含U、0和-U共3个信号电平)，已调射频信号的包络和相位信息对应于脉冲的宽度和延时，脉冲编码引入的量化噪声被转为高次谐波分量，其输出频谱中的带外噪声相对较低。图1(a)和(b)分别为现有技术的一种基于固定比较门限的3电平RF-PWM的脉冲波形产生及其输出频谱示意图。如图1(a)所示，上变频后的已调射频信号SRF＝SA·cos(2πfct+SΦ)为输入信号，SA和SΦ分别表示该信号归一化的包络和相位信号，fc为射频载波频率，t为调制域的时间变量，W为脉冲宽度，U为3电平RF-PWM信号S3LRF_PWM的输出信号幅度。如图1(a)所示，S3LRF_PWM由SRF和比较门限Vth及-Vth的交越点来定义，即满足如下关系：因此，3电平RF-PWM信号S3LRF_PWM的频谱可利用傅里叶公式推出，如式(2)所示：其中，ωc＝2πfc，n＝2L-1为谐波次数，L为大于1的任意整数。假设载波频率fc远大于SA的带宽，则已调射频信号SRF可以看做正弦信号，在一定射频周期内，其包络可近似为恒定值。因此根据式(2)，3电平RF-PWM信号SRF_3LPWM的第n次谐波幅值An_3L可表示为：如图1(b)所示，由于3电平RF-PWM信号S3LRF_PWM的波形具有半波对称性，因此仅含奇次谐波，且谐波幅值与脉宽宽度W相关。由图1(a)可知，脉冲宽带W(单位为弧度)由SA和Vth决定，可表示为：因此，W∈[0，π]。3电平RF-PWM信号S3LRF_PWM的第一次谐波对应该信号的基波分量，其幅值A1_3L同样为SA和Vth的函数，根据式(3)和式(4)可得：式(5)同时为RF-PWM的AM-AM传递函数。为减小RF-PWM的非线性，需使A1_3L正比于SA，可以有两种方法，一是根据SA实时改变比较门限Vth，二是固定比较门限Vth，同时采用预失真技术对SA进行校正。为易于实现，现有技术RF-PWM通常采用后一种方法【C.Haslach，etal.，“NewefficientarchitecturesforRFpulsewidthmodulators，”2013IEEEMTT-SInt.Microw.Symp.Dig.，pp.1-3，June2013】，并要求校正后的SA′＝pe(SA)，可定义pe(SA)为：式(6)为式(5)的反函数，将式(6)带入式(5)可得，A1_3L＝G·SA，G＝4/π为调制器增益。因此3电平RF-PWM的输出信号仅与输入的已调射频信号SRF相关，与门限电平Vth的具体取值无关。为提高编码效率，应尽量提高SA的最大幅值，但由于其最大值不能为1，因此其动态范围的上限制将受限，现有技术一般推荐其最大值为0.9～0.95。在实际应用中，由于现有技术RF-PWM的输出信号存在大量的高次谐波分量，一方面要求RF-PWM调制器和SMPA都要具有处理宽带信号的能力，这对开关功率器件是一大挑战，其有限的带宽可能引入额外的失真；在另一方面，较高的谐波分量不仅影响编码效率，同时在SDR要求的宽频段应用中，还对调谐滤波器提出了更高要求。在常规3电平RF-PWM的基础上，为提高高峰均比(PAPR)信号的编码效率，基于增加比较门限和量化电平的新型多电平射频脉宽调制(MLRF-PWM)方案被提出【Q.Zhu，etal.，“A5-leveldiscrete-timepowerencoderwithmeasuredcodingefficiencyof70％for20-MHzLTEdigitaltransmitter，”inProc.IEEEMTT-SintoMicrow.Symp.，pp.1-3，2014】。图2(a)和(b)分别为现有技术的一种基于N个固定比较门限的M电平RF-PWM的脉冲波形产生及其输出频谱示意图，N为大于1的任意整数，M＝2N+1。如图2(a)所示，根据式(7)所示逻辑，M电平RF-PWM信号SMLRF_PWM由已调射频载波信号SRF与N个比较门限Vth1、...、Vthi、...、VthN及-Vth1、...、-Vthi、...、-VthN的交越点定义，其中i为1到N之间的任意整数，且有Vth1＜...＜Vthi＜...＜VthN。从上述比较逻辑可以看出，M电平RF-PWM信号SMLRF_PWM可等效为由N个比较门限Vth1/-Vth1、...、Vthi/-Vthi、...、VthN/-VthN分别与已调射频载波信号SRF比较生成的N个幅度为U/N的3电平RF-PWM信号S3LRF_PWM_1、...、S3LRF_PWM_i、...、S3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法，其特征在于：对于选定待消除的K个特定奇次谐波(X1次、…、Xj次、…、XK次)，K为大于零的任意整数，j为1到K之间的任意整数，设定N个比较门限(Vth1、…、Vthi、…、VthN)，N为大于K的任意整数，i为1到N之间的任意整数，并根据归一化包络信号(SA)的幅度实时控制N个比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN的取值，将N个比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN分别与相位信号(SΦ)调制到射频载波后的相位调制信号(SPM)进行比较，生成N个3电平射频脉宽调制信号(S3LRF_PWM_1、…、S3LRF_PWM_i、…、S3LRF_PWM_N)，再根据归一化包络信号SA确定N个3电平射频脉宽调制信号的加权系数ε1、…、εi、…、εN，并将N个3电平射频脉宽调制信号S3LRF_PWM_1、…、S3LRF_PWM_i、…、S3LRF_PWM_N进行加权叠加，最后产生并输出M电平射频脉宽调制信号SMLRF_PWM，M＝2N+1，其中N个3电平射频脉宽调制信号的脉冲宽度(W1、…、Wi、…、WN)由对应的比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN控制，3电平射频脉宽调制信号S3LRF_PWM_i对应的加权系数εi等于1或‑1，其具体取值由归一化包络信号SA的幅度幅度决定，从而使得N个3电平射频脉宽调制信号S3LRF_PWM_1、…、S3LRF_PWM_i、…、S3LRF_PWM_N的X1次、…、Xj次、…、XK次谐波分量加权叠加后的幅值为零，而其基波分量加权叠加后的幅值与归一化包络信号SA的幅度成正比，进而实现对M电平射频脉宽调制信号SMLRF_PWM的X1次、…、Xj次、…、XK次及其整数倍奇次谐波的消除，同时保证其基波分量的幅值与归一化包络信号SA的幅度成正比。...

【技术特征摘要】
1.一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法，其特征在于：对于选定待消除的K个特定奇次谐波(X1次、…、Xj次、…、XK次)，K为大于零的任意整数，j为1到K之间的任意整数，设定N个比较门限(Vth1、…、Vthi、…、VthN)，N为大于K的任意整数，i为1到N之间的任意整数，并根据归一化包络信号(SA)的幅度实时控制N个比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN的取值，将N个比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN分别与相位信号(SΦ)调制到射频载波后的相位调制信号(SPM)进行比较，生成N个3电平射频脉宽调制信号(S3LRF_PWM_1、…、S3LRF_PWM_i、…、S3LRF_PWM_N)，再根据归一化包络信号SA确定N个3电平射频脉宽调制信号的加权系数ε1、…、εi、…、εN，并将N个3电平射频脉宽调制信号S3LRF_PWM_1、…、S3LRF_PWM_i、…、S3LRF_PWM_N进行加权叠加，最后产生并输出M电平射频脉宽调制信号SMLRF_PWM，M＝2N+1，其中N个3电平射频脉宽调制信号的脉冲宽度(W1、…、Wi、…、WN)由对应的比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN控制，3电平射频脉宽调制信号S3LRF_PWM_i对应的加权系数εi等于1或-1，其具体取值由归一化包络信号SA的幅度幅度决定，从而使得N个3电平射频脉宽调制信号S3LRF_PWM_1、…、S3LRF_PWM_i、…、S3LRF_PWM_N的X1次、…、Xj次、…、XK次谐波分量加权叠加后的幅值为零，而其基波分量加权叠加后的幅值与归一化包络信号SA的幅度成正比，进而实现对M电平射频脉宽调制信号SMLRF_PWM的X1次、…、Xj次、…、XK次及其整数倍奇次谐波的消除，同时保证其基波分量的幅值与归一化包络信号SA的幅度成正比。2.如权利要求1所述的一种特定谐波消除多电平射频脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选定待消除的K个特定奇次谐波，即X1次、…、Xj次、…、XK次谐波，确定比较门限个数N和射频脉宽调制的电平数M，其中N＞K，M＝2N+1；步骤2：采用幅相分离算法将基带I、Q信号分解为归一化的包络信号SA和相位信号SΦ，且SA、SΦ与I、Q有如下关系：根据式(2)，由相位信号SΦ和射频载波频率(fc)生成相位调制信号SPM：SPM＝cos(2πfct+SΦ)(2)同时相位调制信号SPM和归一化的已调射频信号SRF满足如下关系：SRF＝SA·SPM(3)步骤3：设置N个比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN，根据式(4)，每个比较门限将分别与相位调制信号SPM进行比较，得到相应的3电平射频脉宽调制信号；其中，U为M电平射频脉宽调制信号SMLRF_PWM的最大幅度值，U/N为3电平射频脉宽调制信号S3LRF_PWM_i的幅度，且要求N个3电平射频脉宽调制信号S3LRF_PWM_1、…、S3LRF_PWM_i、…、S3LRF_PWM_N的脉冲宽度W1、…、Wi、…、WN满足如下关系：其中，G为调制增益，εi为加权系数且等于1或-1，εi具体取值与归一化的包络信号SA相关；求解式(5)，根据得到的N个3电平射频脉宽调制信号的脉冲宽度W1、…、Wi、…、WN，再由式(6)确定所述N个比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN的取值：Vthi＝cos(Wi/2)(6)以一组不同的P个归一化包络信号SA的幅度A1、…、Am、…、AP为输入，离线求解式(5)和式(6)，得到N个比较门限Vth1、…、Vthi、…、VthN分别对应P个包络信号幅度的二维数据表T，其中P为大于1的任意整数，m为1到P之间的任意整数；步骤4：以归一化包络信号S...

【专利技术属性】
技术研发人员：周强，姚富强，魏志虎，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学第六十三研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32