專利名稱：調幅和/或調相的高頻信號的信號處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及調幅和/或調相的高頻信號(RF信號)的信號處理方法和用于實現(xiàn)此方法的電路結構。
眾所周知，具有恒定包絡曲線的信號可以很高的功率效率在非線性的末級中被放大，這一點例如被用在GSM方法中。這時，放大器可工作在所謂C類工作狀態(tài)下，即沒有靜態(tài)電流。因而只有正的或負的信號部分被用于末級的控制。與此相反，在所謂A類工作狀態(tài)中一個工作點被選在放大器特性曲線的線性區(qū)域中，使得正的和負的信號部分被同樣地放大，為此必須選擇一個消耗功率的工作點。在移動無線設備、GSM設備、UMTS設備和其它設備中，節(jié)省功率的末級工作狀態(tài)是采用電池或蓄電池工作的設備的使用壽命的前提。但是有高功率效率的末級不僅僅對移動設備有優(yōu)點，而且在以很高的功率發(fā)射節(jié)目信號的廣播無線發(fā)射機中也是有好處的。
移動無線網(wǎng)中UMTS系統(tǒng)(通用移動通信系統(tǒng))以及為UMTS定義的頻帶將來不斷增長的利用使得帶寬在將來愈來愈有價值，從而具有恒定包絡曲線的調制方法將被放棄使用。為了能有效地放大相應的調幅和調相信號，可考慮使用線性放大器，然而它的功率效率不高。
關于開始時提到的用于手持電話的放大技術或移動線性廣播無線功率放大器的概述由Peter B.Kennington以題目“放大器和發(fā)射機線性化技術”發(fā)表在英國Bristol的無線系統(tǒng)國際有限公司的公司小冊子上。此外在第5段提到一種具有較高功率效率的放大，它應是為下一代移動無線設備開發(fā)的。其中應用的高效RF信號放大器像一個線性放大器那樣工作，但是它是由功率效率很高的非線性放大器，例如D類、E類或F類放大器組合得到的。如果包絡曲線沒有達到值0，已知的放大技術是可以應用的。如果包絡曲線達到零，這里所提出的放大器不再能工作。
在同一文章中第六段(開始于第13頁)公開了一種技術，其中被放大的基帶音頻或數(shù)據(jù)信號首先借助于一個數(shù)字信號處理器劃分為雙相位調制的FM(調頻)振蕩。這些FM信號然后借助于非線性功率放大器放大并用相加器合成為一個線性輸出信號。其中放大器可以采用高效的開關放大器。相加器的輸出端通過天線匹配電路將已放大的信號傳送到天線上，以發(fā)射此信號。相加器電路的功率效率不高。
用非線性元件(LINC)實現(xiàn)線性帶通放大的一種技術被D.C.Cox發(fā)表在IEEE Transactions on communications，1974年12月，第1942-1948頁。其中借助于一個分量分離器由RF信號推導出包絡信號A(t)和相位調制信號cos(ω0t+φ(t))，這通過RF信號的限幅和同步解調實現(xiàn)。一種類似的方法也由Kam-Yuen Chan和Andrew Bateman發(fā)表在IEEE Transaction on circuits and Systems-1Fundamental andApplications，第42卷，第6期，1995年，第321-333頁。所公開的這種方法在振幅A(t)達到零的情況下失效。此外還提出了精確地實現(xiàn)這兩個放大器支路的問題。這些問題在IEEE 1998，第137-140頁所描述的高效RF放大器中給出。
US-5901346公開了一種用于已調高頻信號的信號處理的方法，其中高頻信號被分解為兩個FM信號，它們被放大，再被相加。具有恒定包絡曲線的調相高頻信號與0°和90°信號相乘。這兩個FM信號分別通過相應的求和電路結構獲得。通過應用非線性放大器，調幅和調相信號可以用現(xiàn)有電路有效地放大。
DE 19730086 A1公開了一種高頻信號發(fā)送裝置，它按照LINC原理構成，而且兩個并行的信號支路分別具有一個放大器和一個相位調制器。輸入信號借助于一個雙工器分配到兩個信號支路上。兩個信號支路的輸出信號借助于一個合成器合成為一個和信號。為了調整兩個信號支路中的相位誤差，如此設計雙工器，它以可預定的時鐘頻率周期地交替將輸入信號分量分配到兩個信號支路上。由輸入信號分量的周期交替而引起的和信號的幅度調制被檢測到，并且與此相關地，它在至少一個信號支路中如此改變相位，使得幅度調制為最小。
從現(xiàn)有技術出發(fā)，本發(fā)明的目的在于給出一種方法和一種電路，它們沒有上面提到的問題，特別是功率效率很高，即使在它們的包絡曲線趨于零或經(jīng)過零的情況下也能放大已調制的信號。
上述任務由權利要求1給出的方法，以及用于實現(xiàn)此方法的、如權利要求16所述的電路完成。
理論上，在本發(fā)明的方法中RF信號同樣被分解為兩個FM信號，并且像上面最后所提到的文章所公開的那樣，這兩個FM信號相對于RF信號相移一個角度+β和-β，其中FM信號在原來的RF信號上的投影相加后給出RF信號。這些信號被直接放大，然后送入一個相加器。它們的產(chǎn)生是有新穎性。如后面還要借助


的，為了形成這兩個FM信號，理論上相位調制的RF信號(此信號被保持在恒定的包絡A(t)上)與cosβ和sinβ相乘，并且由此獲得的正交分量分別被送至一個相加器和一個相減器，由它們的輸出可得到兩個FM信號(FM1和FM2)。然而如還要指出的，這個乘法在低頻上實現(xiàn)。在數(shù)字信號處理時此方法有這樣的優(yōu)點信號處理在低頻基帶范圍內進行，從而可以全數(shù)字地和無偏差地實現(xiàn)。因而得到了明顯更高的穩(wěn)定性。通過采樣頻率與載頻之間的特殊頻率關系可實現(xiàn)簡單的相乘。
可以補充考慮的有優(yōu)點的方法步驟在從屬權利要求2至15中給出，電路的有優(yōu)點的結構在從屬權利要求17至22中給出。此方法也可用于對純幅度調制(廣播)的信號處理。對于這種情況，兩個輸入信號中的一個(x1或x2)為零。
下面借助于附圖進一步說明本發(fā)明。
圖1示出一個矢量圖，它說明理論上任意一個調幅和調相的RF信號如何可被分解成兩個FM信號。如已知道的，為此兩個FM信號必須相對于原來的信號相移一個角度+β和-β。它們在原來信號上的投影求和后得到信號A(t)。相對于橫座標的實際角度由圖中未示出的角度φ1和φ2確定，它們分別等于角度φ+β和φ-β，如在圖1旁邊給出的等式所示。
圖2示出一個電路結構，由它可見，兩個已經(jīng)分解出的信號FM1和FM2(它們以指數(shù)形式表示的輸入量為 和 )被輸入到兩個非線性放大器1和2，放大器的輸出端與一個相加器3的輸入端相連接，在相加器的輸出端得到合成的被放大的信號，它是兩個分量的合成。這個信號也以指數(shù)形式給出(v·A(t)ejφ(t)。
由圖3所示電路圖可見，如何由兩個恒定包絡的正交調相信號通過與cosβ和sinβ相乘，并通過求和和求差電路得到兩個FM信號。正交信號cos(ω0t+φ)和sin(ω0t+φ)送至兩個乘法電路4和5的輸入端上。在乘法電路4中信號用2cosβ＝A(t)調幅，在乘法電路4的輸出端上得到輸出信號。在乘法電路5中輸入信號與2sinβ相乘。乘法電路4和5的兩個輸出端分別與并聯(lián)連接的一個相加器6和一個相減器7相連接。從相加器6的輸出端輸出FM1信號，此信號被后接的放大器1非線性放大。放大器1對應圖2所示的放大器。信號FM2從相減器7得到，它在經(jīng)非線性放大器2放大后送至相加器3的第二個輸入端。在此相加器3的輸出端上可得到信號2vA(t)cos(ω0t+φ(t))。由推導出的關系可見，如果直接使用RF信號cos(ω0t+φ)，與cosβ的相乘可被取消。圖3中以等式形式給出了FM1、FM2和輸出信號的推導關系式。
兩個相互正交的調相并調幅的信號的產(chǎn)生按圖4和圖5進行。
圖4示出一個用于通過正交調制產(chǎn)生調幅和調相的信號的電路結構。在移動無線系統(tǒng)中信號x1(t)和x2(t)通常作為采樣值存貯在存貯器(ROM)中。在乘法器4和5中用正弦和余弦信號的調制這樣實現(xiàn)的載頻取為采樣頻率的四分之一。這樣，只有與+1和-1和0相乘。這意味著乘法和加法將非常簡單。信號x1和x2被交替導通，并且每隔一個值改變一次符號。乘法器4和5的兩個輸出信號在相加器8中合成為輸出信號A(t)cos(ω0t+φ(t))。
圖5示出如何用另一個電路產(chǎn)生與圖4的輸出信號正交的信號，此信號與圖4輸出信號有相同的相位調制。這個電路基本上與圖4的電路相同。這里振幅同樣是A(t)。
為了得到振幅恒定為1的信號，需要用A(t)去除圖4和圖5的輸出信號，但是在除法在與sinβ相乘的位置上實現(xiàn)時，當振幅A(t)接近零時會帶來問題。所以，與sinβ的相乘和除以A(t)的除法在信號x1和x2的信號輸入端進行。這也是有意義的，因為上述工作在低頻范圍內進行。
圖6中電路下面的一個支路示出根據(jù)上述想法的結構。如果x1和x2的值接近零(A(t)趨近于零)，則產(chǎn)生形式為0/0的表達式，如下面數(shù)學式所示x1；x2→0limx1,x2→0x1(t)A(t)]]>和limx1,x2→0x2(t)A(t)]]>這可以簡單方式通過利用在x1(t)和x2(t)的時刻t的泰勒級數(shù)展開得到，注意到limA(t)→0dA(t)dt<0,]]>當振幅減小時，由上述表達式可導出limx1,x2→0x1x12+x22=x·1-x·22+x·22]]>limx1,x2→0x2x12+x22=x·2-x·12+x·22]]>其中，x·=dxdt]]>如果x1和x2是一段時間間隔T內的采樣值，并且第n個采樣值為0(x1，n＝x2，n＝0)，可得到下列推導x·1,n=x1,n-x1,n-1T=-x1,n-1T]]>x·2,n=x2,n-x2,n-1T=-x2,n-1T]]>所以極限值大小為limx1,x2→0x1x12+x22=x1,n-1x1,n-12+x2,n-12]]>limx1,x2→0x1x12+x22=x2,n-1x1,n-12+x2,n-12]]>它們是在x1＝x2＝0的情況下最后的采樣值的值。在包絡信號A(t)趨近于零的情況下，可以做同樣的極限考慮。
在過渡到極限的情況下必須用差分值代替下面的x1(t)和x2(t)對于x1，x2→0，x1→-x·1x·12+x·22]]>并且x2→-x·22x·12+x·22]]>x·1=dx1dt]]>x·2=dx2dt]]>這些推導可以由暫存的信號x的采樣值與相鄰x值的差分而得到。如果x值落在一個不再可處理的門限值以下，則使用差分值來代替它。改變的輸入信號的計算可以在DSP(數(shù)字信號處理器)中完成，或者可以對于已有的x值將換算信號存貯在一個表格中(查表法)。關系式2cosβ和2sinβ在公式中給出，同樣給出了兩個支路的改變了的輸入信號。上支路和下支路的輸出信號被送到相加器6和相減器7，它們形成對應圖2和圖3的FM1和FM2信號。這兩個信號的處理同上述。
建議圖7所示的工作在c類的推換電路作為FM信號放大器，此電路包括晶體管9和10以及變壓器11。這種推換電路的輸入信號通常是相同但符號相反的信號。它通常通過一個差分變壓器或補償晶體管產(chǎn)生。這里輸入信號是兩個FM信號(FM1和FM2)，它們以C類工作狀態(tài)被放大，并且它們的差作為輸出信號輸出。
圖7示出一個具有差分變壓器11的電路結構。當然也可以采用具有補償晶體管的電路結構。推挽電路也可工作在純開關工作狀態(tài)下。因為現(xiàn)在形成的是差，而不是圖6中的和，圖6中右上方所示的減法器，的兩個輸入信號需要互換。放大后的信號除具有基波外還具有諧波。諧波應由濾波器12抑制?；l例如在900MHz區(qū)域中，因此第一個諧波在1800MHz附近。這意味著濾波可用簡單的方法實現(xiàn)，可以采用一個振蕩回路，現(xiàn)有的寄生電容或附加的電容器，也可以直接采用天線匹配網(wǎng)路。
權利要求
1.用于對調幅和/或調相的高頻信號(RF信號)進行信號處理的方法，其中RF信號通過相對相移一個角度+β和-β而分解為兩個信號(FM1和FM2)，并且這兩個信號在相加為一個發(fā)送信號之前被放大，其特征在于，具有恒定包絡曲線的調相后的RF信號在第一支路中與cosβ相乘，在第二支路中與sinβ相乘，并且上述兩個信號(FM1，F(xiàn)M2)分別通過相乘后的信號相加和相減而獲得。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，取消第一支路中與cosβ的相乘，直接接入RF信號。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，RF信號是一個具恒定的或變化的包絡曲線的正交調相信號。
4.如權利要求1、2或3中任一項所述的方法，其特征在于，RF信號由兩個調幅和調相的輸入信號(x1(t)，x2(t))通過正交調制獲得，其中用正弦波和余弦波調制后的各個信號被相加。
5.如權利要求1、2或3中任一項所述的方法，其特征在于，RF信號由兩個正交相位調劑的輸入信號(x1(t)，x2(t))形成，它們在用正弦波或余弦波調制后彼此相減。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特征在于，輸入信號(x1(t)和x2(t))是取樣值。
7.如權利要求4或6所述的方法，其特征在于，在此方法應用于純調幅信號時，兩個輸入信號中的一個為零。
8.如權利要求6或7所述的方法，其特征在于，調制在載頻上實現(xiàn)，且載效是采樣頻率的四分之一。
9.如權利要求4至6中任一項或權利要求8所述的方法，其特征在于，與sinβ相乘和/或與cosβ相乘的相位調制的正交信號借助于總數(shù)檢測由兩個輸入信號(x1，x2)產(chǎn)生的包絡信號(A(t))來除。
10.如權利要求6或9所述的方法，其特征在于，當輸入信號(x1和x2)的采樣值趨近于零或經(jīng)過零時，或者當包絡信號(A(t))趨近于或者經(jīng)過零時，接收信號(x1，x2)由利用相鄰采樣值的求差而改變的輸入信號來代替。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，改變的輸入信號的采樣值計算在數(shù)字信號處理器中完成。
12.如權利要求10或11所述的方法，其特征在于，輸入信號的采樣值和相應的改變后的輸入信號存貯在一個表格中，并且在低于振幅值的一個預定門限時，改變后輸入信號的采樣值從該表格中讀出作為替代值。
13.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，這些信號在經(jīng)特定的放大后相加為一個合成信號，并且彼此相減。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，經(jīng)放大的信號的基波的諧波通過濾波被抑制。
15.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，已調RF信號被發(fā)送。
16.用于實現(xiàn)權利要求1所述方法的電路結構，其特征在于一個信號分解電路，它將RF信號分解為兩個信號(FM1和FM2)，以及兩個后接的非線性放大器(1，2)，其輸出端與一個相加器(3)或相減器(11)的輸出端相連接，在其輸出端可得到所要的信號，其中在信號分解電路中的第一支路上包括一個乘法器(4)，它將RF信號與cosβ相乘，在第二支路上有一個乘法器(5)，它將RF信號與sinβ相乘，并且一個相加器(6)和一個與之并聯(lián)的相減器(7)的輸入端分別與乘法器(4，5)的輸出端相連接，它們的輸出端連接于非線性放大器(1，2)。
17.如權利要求16所述，并且用于實現(xiàn)權利要求4所述方法的電路結構，其特征在于，RF信號由兩個輸入信號(x1(t)和x2(t))形成，在第一輸入信號(x1(t))的第一支路中有一個乘法器，在其一個輸入端接入第一輸入信號(x1(t))，在其另一個輸入端上接入一個sinω0t信號作為乘數(shù)，并且輸出信號接至一個相加器(8)的一個輸入端上，在第二支路中第二輸入信號(x2(t))接入到一個乘法器(4)的一個輸入端上，該乘法器的另一個輸入端上接入cosω0t信號作為乘數(shù)，乘法器(4)的輸出端與相加器的另一個輸入端相連接，在相加器輸出端可得到FM信號(A(t)cos(ω0t+φ))，此信號分別接入到后接相加器(6)或相減器(7)的輸入端。
18.如權利要求16所述，并且用于實現(xiàn)權利要求4所述方法的的電路結構，其特征在于，在另一個電路結構的兩個輸入端接入兩個輸入信號，它們主要通過用總數(shù)值(A(t))去除輸入信號(x2(t)和x1(t))而形成，在第一支路中有一個乘法器(5)，在其中由輸入信號(x2(t))推導出的已除信號與乘數(shù)sinω0t相乘，該乘法器的輸出端連接于一個相減器(8)的輸入端(+)，并且在第二支路中有一個乘法器(4)，它將由輸入信號(x1(t))推導出的第二個已除信號與乘數(shù)cosω0t相乘，該乘法器的輸出端與相減器(8)的另一個輸入端(-)相連接，此外在這個相減器的輸出端上可得到RF信號(A(t)sin(ω0t+φ))。
19.如權利要求17和18所述的電路結構，其特征在于，兩個電路通過相加器(6)和相減器(7)相互耦合，由它們的輸出端可得到信號(FM1和FM2)。
20.如權利要求16至19中任一項所述的電路結構，其特征在于，用于信號(FM1和FM2)的放大器(1，2)是推挽電路(9，10，11)，它們工作在c類狀態(tài)下，輸入的FM信號是兩個相同但符號相反的信號，并且在放大器的輸出端可得到一個輸出差分信號，此信號分別接入到相加器或相減器的相應輸入端上。
21.如權利要求20所述的電路結構，其特征在于推挽電路(9，10，11)具有一個輸出變壓器(11)，它與一個濾波器相連接，濾波器抑制已放大信號中基波的諧波。
22.如權利要求20所述的電路結構，其特征在于，推挽電路(9，10，11)以純開關工作方式工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及對調幅和/或調相的高頻信號(RF信號)進行信號處理的一種方法，其中RF信號通過相對移相一個角度+β和－β而分解為兩個信號(FM1和FM2)，并且這兩個信號在相加為一個合成信號之前被放大。本發(fā)明還涉及一個電路結構，其中純相位調制的RF信號在第一支路中乘以cosβ，在第二支路中乘以sinβ，兩個信號(FM1，F(xiàn)M2)分別通過已乘信號的求和和求差電路而獲得。
文檔編號H03D9/00GK1524337SQ02803762
公開日2004年8月25日 申請日期2002年1月16日 優(yōu)先權日2001年1月16日
發(fā)明者維爾馬特·瓊克, 維爾馬特 瓊克 申請人:聯(lián)合企業(yè)股份有限公司和無線電產(chǎn)業(yè)保護兩合公司, 聯(lián)合企業(yè)股份有限公司和無線電產(chǎn)業(yè)保