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Patent Searching and Data


Title:
APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING RF SIGNALS, THE PULSE WIDTH AND PULSE POSITION OF WHICH ARE MODULATED
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/202230
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an apparatus and a method for generating RF signals, the pulse width and pulse position of which are modulated. The apparatus comprises a digital device (2, 3) which is intended to generate different phases and generates a plurality of signals phase-shifted with respect to one another from an unmodulated RF signal, one or more selectors (4) for selecting two of the signals phase-shifted with respect to one another on the basis of digital control signals, and a device (5) for logically linking the two selected signals to form the RF signals, the pulse width and pulse position of which are modulated according to the control signals. The apparatus and the associated method make it possible to control RF power amplifiers in switching operation, for example for mobile radio applications.

More Like This:
Inventors:
GRÖZING, Markus (Johannesstr. 23, Stuttgart, 70176, DE)
BERROTH, Manfred (Schafweideweg 9, Sindelfingen, 71063, DE)
DIGEL, Johannes (Schelztorstr. 31, Esslingen, 73728, DE)
Application Number:
EP2014/001695
Publication Date:
December 24, 2014
Filing Date:
June 20, 2014
Export Citation:
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Assignee:
UNIVERSITÄT STUTTGART (Keplerstr. 7, Stuttgart, 70174, DE)
International Classes:
H03F3/217; H03K7/08; H03K21/38; H03L7/18; H04L25/49
Foreign References:
EP2395664A12011-12-14
US20110193596A12011-08-11
Other References:
MICHAEL NIELSEN ET AL: "A 2-GHz GaAs HBT RF Pulsewidth Modulator", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 56, no. 2, 1 February 2008 (2008-02-01), pages 300 - 304, XP011199708, ISSN: 0018-9480, DOI: 10.1109/TMTT.2007.913375
M. NIELSEN ET AL.: "A 2-GHz GaAs HBT RF Pulswidth Modulator", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, vol. 56, no. 2, February 2008 (2008-02-01), pages 300 - 304
Attorney, Agent or Firm:
GAGEL, Roland (Landsberger Str. 480a, München, 81241, DE)
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Claims:
Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung von in der Pulsweite und Pulsposition modulierten HF-Signalen, die

wenigstens folgende Komponenten umfasst :

- Eingänge für ein unmoduliertes HF-Signal und für digitale Steuersignale, durch die eine jeweilige Pulsposition und Pulsweite festgelegt werden,

- eine zumindest aus einem oder mehreren

Taktteilern (2) und/oder Phaseninterpolatoren (3) gebildete Anordnung zur Erzeugung unterschiedlicher Phasen, mit der aus dem unmodulierten HF- Signal mehrere gegeneinander phasenverschobene Signale erzeugbar sind,

- einen oder mehrere Selektoren (4) zur Auswahl von zwei der gegeneinander phasenverschobenen Signale in Abhängigkeit von den Steuersignalen, und

- eine Einrichtung (5) zur logischen Verknüpfung der beiden ausgewählten Signale zu einem oder mehreren in der Pulsweite und Pulsposition gemäß den Steuersignalen modulierten HF-Signalen.

Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass der eine oder die mehreren Taktteiler (2) so angeordnet sind, dass sie aus dem unmodulierten HF-Signal einer Frequenz M*fRF wenigstens einen Teil der gegeneinander phasenverschobenen Signale mit einer Frequenz fRF erzeugen, wobei M ein ganzzahliger Wert ^ 2 ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Taktteiler (2) einen binären Baum

kaskadierten Takteilern bilden.

Vorrichtung nach Anspruch 3 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung eine Routing-Einrichtung (10) zum Umsortieren der aus dem binären Baum von kaskadierten Taktteilern (2) austretenden gegeneinander phasenverschobenen Signale sowie eine Resampling-Einrichtung aufweist, die ein

Resampling der Ausgangssignale der Routing- Einrichtung (10) mit dem unmodulierten HF-Signal der Frequenz M*fRF oder mit einem der mit den

Taktteilern (2) erzeugten phasenverschobenen

Signale der Frequenz K*fRF durchführt, wobei M > K

Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Taktteiler (2) abwechselnd mit den

Selektoren (4) kaskadiert angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung eine Einrichtung zum

Rücksetzen der Taktteiler (2) aufweist, über die bei oder unmittelbar nach dem Einschalten der Vorrichtung ein Rücksetzsignal an die Taktteiler (2) angelegt und unmittelbar darauf wieder zurückgenommen wird, um die Taktteiler (2) in einen definierten Anfangszustand zurückzusetzen.

Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einrichtung zum Rücksetzen der Taktteiler (2) mehrere Pufferverstärker umfasst, über die das Rücksetzsignal den Taktteilern (2) bei

kaskadierten Taktteilern (2) entgegen dem

Signalfluss der phasenverschobenen Signale

zugeführt wird, so dass das Rücksetzsignal zuerst die Taktteiler (2) am Ende und zuletzt die

Taktteiler (2) am Anfang der durch die Taktteiler (2) gebildeten Kaskade erreicht.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

dass der eine oder die mehreren Phaseninter- polatoren (3) so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie aus den mit dem einen oder den mehreren Taktteilern (2) erzeugten phasenverschobenen

Signalen weitere dagegen phasenverschobene Signale erzeugen .

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

dass die Phaseninterpolatoren (3) in mehreren Stufen kaskadiert angeordnet sind, um ein sich baumförmig aufspreizendes Phaseninterpolations- netzwerk zu bilden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, dass die Phaseninterpolatoren (3) abwechselnd mit den Selektoren (4) kaskadiert angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

dass die Einrichtung (5) zur logischen Verknüpfung mit einer logischen UND-Verknüpfung der ausgewählten Signale ausgebildet ist.

Verfahren zur Erzeugung von in der Pulsweite und Pulsposition modulierten HF-Signalen, bei dem aus einem unmodulierten HF-Signal über einen oder mehrere Taktteiler (2) und/oder einen oder mehrere Phaseninterpolatoren (3) mehrere gegeneinander phasenverschobene Signale erzeugt werden, aus denen über einen oder mehrere Selektoren (4) in Abhängigkeit von einer jeweils gewünschten

Pulsposition und Pulsweite jeweils zwei Signale ausgewählt und logisch verknüpft werden, um die in der Pulsweite und Pulsposition modulierten HF- Signale zu erhalten.

Verfahren nach Anspruch 12 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass das unmodulierte HF-Signal mit einer Frequenz *fRF bereitgestellt wird, wobei M ein ganzzahliger Wert ^ 2 ist, und wenigstens ein Teil der gegeneinander phasenverschobenen Signale mit einer Frequenz fRF über den einen oder die mehreren Taktteiler (2) erzeugt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, dass mit dem einen oder den mehreren Phaseninter- polatoren (3) aus den phasenverschobenen Signalen, die mit dem einen oder den mehreren Taktteilern (2) erzeugt wurden, weitere dagegen phasenverschobene Signale erzeugt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

dass die mit dem einen oder den mehreren

Selektoren (4) ausgewählten Signale über eine logische UND-Verknüpfung verknüpft werden.

Description:
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von in der Pulsweite und Pulsposition modulierten HF-Signalen

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine

Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung von in der Pulsweite und Pulsposition modulierten Hochfrequenz (HF) -Signalen, die sich insbesondere für den

Schaltbetrieb von HF-Leistungsverstärkern eignen. Effiziente Verstärker für HF-Signale, z.B. HF-

Leistungsverstärker in Mobilfunk-Basisstationen, arbeiten vorzugsweise im Schaltbetrieb. Sie ersetzen die klassischen analogen Verstärker der Klassen A, B und C, welche entweder hohe Verluste aufweisen (Klassen A und B) und/oder nicht zur Verstärkung amplitudenmodulierter Signale geeignet sind (Klasse C) . Zur

Ansteuerung der HF-Leistungsverstärker im Schalt- betrieb, im Folgenden auch als HF-Schaltleistungsver- stärker bezeichnet, werden in der Pulsweite und

Pulsposition modulierte, näherungsweise rechteckförmige Signale auf einer HF-Trägerfrequenz benötigt, während die klassischen analogen Verstärker von einem phasen- und amplitudenmodulierten Sinussignal mit der HF- Trägerfrequenz angesteuert werden. Nach dem HF- Leistungsverstärker, also bspw. vor der Sendeantenne einer Mobilfunk-Basisstation, wird das in der Pulsweite und Pulsposition modulierte Signal durch ein Bandpass- filter gefiltert. Mit der Pulsweite im Ansteuersignal kann somit die Amplitude und mit der Pulsposition die Phasenlage des bandpassgefilterten Sendesignals eingestellt werden.

Für die Erzeugung von in der Pulsweite und Puls- position modulierten HF-Signalen aus einem unmodulier- ten HF-Signal und einem Modulationssignal ist ein geeigneter Pulspositions- und Pulsweitenmodulator erforderlich.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Pulspositions- und Pulsweitenmodulatoren bekannt, die auf Basis von analogen Komparatoren arbeiten. So zeigt bspw. die Veröffentlichung von M. Nielsen et al . , „A 2-GHz GaAs HBT RF Pulswidth Modulator", IEEE Transactions on

Microwave Theory and Techniques, Vol. 56, No. 2, Seiten 300-304, Februar 2008, eine Vorrichtung, bei der die in der Pulsposition und Pulsweite modulierten HF-Signale auf Basis eines analogen Vergleichs mit einem sinusförmigen Referenzsignal aus einem VCO gebildet werden.

Mit einem derartigen analogen Modulator ist jedoch die Bandbreite und damit auch die Schaltgeschwindigkeit begrenzt, so dass die resultierenden pulsweiten- modulierten HF-Signale stark verzerrt sind. Durch die analoge Ansteuerung und Arbeitsweise dieses Modulators ist eine Vorverzerrung der Ansteuersignale auch nur sehr schwierig umzusetzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von in der Pulsweite und Pulsposition modulierten HF- Signalen anzugeben, die eine geringere Signalverzerrung ermöglichen und sich insbesondere auch für die

Ansteuerung von HF-Schaltleistungsverstärkern in

Mobilfunk-Basisstationen einsetzen lassen. Weiterhin soll die Vorrichtung zur Erzeugung der modulierten HF- Signale direkt mit digitalen Ausgangssignalen des digitalen Signalprozessors für das Basisbandsignal angesteuert werden können, ohne einen Digital-Analog- Wandler Zwischenschalten zu müssen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem

Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 12 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden

Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist Eingänge für ein unmoduliertes HF-Signal sowie für digitale Steuersignale auf, durch die jeweils eine Pulsposition und Pulsweite innerhalb einer Periode eines oder mehrerer zu erzeugender HF-Signale festgelegt werden. Die

Vorrichtung zeichnet sich durch eine aus einem oder mehreren Taktteilern und/oder Phaseninterpolatoren gebildete Anordnung zur Erzeugung unterschiedlicher Phasen aus dem (unmodulierten) HF-Signal, einen oder mehrere Selektoren sowie eine Einrichtung zur logischen Verknüpfung ausgewählter Signale mit unterschiedlichen Phasen aus . Die Anordnung zur Erzeugung unterschiedlicher Phasen erzeugt aus dem (unmodulierten) HF-Signal mehrere gegeneinander phasenverschobene Signale, aus denen jeweils zwei mit dem oder den Selektoren in

Abhängigkeit von den anliegenden Steuersignalen

auswählbar sind. Durch die Einrichtung zur logischen Verknüpfung der beiden ausgewählten Signale werden dann das eine oder die mehreren in der Pulsweite und

Pulsposition gemäß den Steuersignalen modulierten HF- Signale generiert, die an mindestens einem Ausgang der Vorrichtung bereitgestellt werden. Die Steuersignale für die momentane Pulsposition und Pulsweite werden der Vorrichtung dabei in digitaler Form übergeben. Diese Steuersignale können bspw. die Werte für den Pulsanfang (PA) und die Pulsweite (PW) darstellen. Sie können auch die Werte für den Puls- anfang (PA) und das Pulsende (PE) umfassen, wobei gilt: PE = PA + PW. Das HF-Signal wird beim Betrieb der

Vorrichtung als Sinus- oder Rechtecksignal oder auch als Mischform aus diesen Signalformen an den Eingang für das HF-Signal angelegt. Die Frequenz des HF-Signals entspricht je nach Ausgestaltung der Anordnung zur

Erzeugung unterschiedlicher Phasen der Frequenz fRF des zu erzeugenden HF-Trägersignals oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz, d.h. M*f RF , wobei M ein ganzzahliger Wert > 2 ist. Vorzugsweise wird M = 2 n gewählt, wobei n eine ganze Zahl ist, weil dann

einfache binäre Taktteiler zur Erzeugung der Phasen verwendet werden können.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Erzeugung von in der Pulsweite und Pulsposition modulierten HF- Signalen werden mit der Anordnung zur Erzeugung

unterschiedlicher Phasen aus dem (unmodulierten) HF- Signal mehrere gegeneinander phasenverschobene Signale erzeugt, aus denen über einen oder mehrere Selektoren in Abhängigkeit von der gewünschten momentanen Puls- position und Pulsweite zwei Signale ausgewählt und anschließend logisch verknüpft werden. Die Signale werden dabei so ausgewählt, dass durch die logische Verknüpfung ein Puls mit der gewünschten Pulsposition und Pulsweite innerhalb der jeweiligen Periode des HF- Signals erhalten wird. Durch die Nutzung digitaler Techniken bzw.

Komponenten wie bspw. Gatter für die Erzeugung, Auswahl und Verknüpfung der unterschiedlichen Phasen wird mit der vorliegenden Erfindung ein digitaler Pulspositionsund Pulsweiten-Modulator bereitgestellt, der aufgrund der digitalen Betriebsweise eine erhöhte Bandbreite und Schaltgeschwindigkeit sowie eine hohe Störfestigkeit aufweist. Der Modulator kann bspw. für die Ansteuerung eines HF-Schaltverstärkers zur Verstärkung eines

Sendesignals eingesetzt werden. Da die Übertragungs- funktion der Pulsweite zur Amplitude eines Sendesignals bei einem derartigen Modulator nichtlinear ist, müssen die Steuersignale des Modulators dabei in geeigneter Weise berechnet werden. Dies erfolgt vorzugsweise mit einem digitalen Signalprozessor, der bspw. auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) umgesetzt wird. Durch die Nutzung rein digitaler Steuersignale beim vorgeschlagenen Modulator besteht die Möglichkeit der nichtlinearen Vorverzerrung der digitalen Steuersignale in dem digitalen Signalprozessor, der diese Steuer- Signale erzeugt. Mit dem auf digitalen Komponenten basierenden Modulator wird somit eine weitgehende verzerrungsfreie Generierung der zeitlichen Lage für die steigende und fallende Flanke der Pulssignale ermöglicht. Die rein digitale Modulation ohne

amplitudenbasierte Bauelemente eignet sich besonders für die Umsetzung auf fortgeschrittenen CMOS- Technologien, welche zwar eine hohe Integrationsdichte aufweisen, jedoch für analoge Schaltungsblöcke aufgrund der geringen Betriebsspannungen (ca. I V) wenig

geeignet sind. Mit der Vorrichtung bzw. dem digitalen Modulator und dem Verfahren können modulierte HF- Signale im Bereich > 400 MHz erzeugt werden. Die

Vorrichtung und das Verfahren lassen sich jedoch prinzipiell auch für niedrigere Frequenzbereiche einsetzen, bspw. für die Anwendung in Rundfunksendern (z. B. UKW). Bei einem Einsatz der Vorrichtung und des Verfahrens in Mobilfunk-Basisstationen kann das

digitale Steuersignal bspw. über die digitale Ausgangs- Schnittstelle eines FPGA, auf welchem die Basisbandkomponenten der Basisstation umgesetzt sind, ausgegeben werden. Für eine Realisierung der von der Vorrichtung angesteuerten Schaltverstärker in derartigen Frequenz- bereichen stehen bereits genügend schnelle und

leistungsstarke HF-Schalttransistoren zur Verfügung, bspw. Gallium-Nitrid-Leistungstransistoren (GaN-HEMT) , welche gleichzeitig Durchbruchspannungen im Bereich von über 100 V und Transitfrequenzen im zweistelligen GHz- Bereich aufweisen.

Für die Realisierung der Anordnung zur Erzeugung unterschiedlicher Phasen aus dem unmodulierten HF- Signal werden Taktteiler und/oder Phaseninterpolatoren eingesetzt. In einer Ausgestaltung der Vorrichtung und des Verfahrens werden nur ein oder mehrere Taktteiler eingesetzt, die aus dem (unmodulierten) HF-Signal die gegeneinander phasenverschobenen Signale erzeugen. Hierzu wird das (unmodulierte) HF-Signal mit einer Frequenz M*f RF bereitgestellt, wobei ein ganzzahliger Wert > 2 ist. Die Anzahl der phasenverschobenen Signale hängt dabei vom Wert sowie der Anzahl und Anordnung der Taktteiler ab. Die Taktteiler bilden vorzugsweise einen binären Baum von kaskadierten Taktteilern, über den alle phasenverschobenen Signale gleichzeitig für die anschließende Auswahl über die Selektoren bereitgestellt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Taktteiler jeweils abwechselnd mit den Selektoren kaskadiert anzuordnen, um den schaltungstechnischen Aufwand zu reduzieren. Anstelle eines Baumes von Taktteilern ist dann nur noch eine Kaskade von einfachen Taktteilern und Selektoren notwendig.

Alternativ zu den Taktteilern kann die Anordnung zur Erzeugung unterschiedlicher Phasen neben ggf .

zwischengeschalteten Selektoren auch nur ein oder mehrere Phaseninterpolatoren aufweisen, die aus dem HF- Signal die gegeneinander phasenverschobenen Signale erzeugen. In diesem Fall wird das unmodulierte HF- Signal direkt mit der Trägerfrequenz f RF bereitgestellt. Auch in dieser Ausgestaltung können die.

Phaseninterpolatoren in mehreren Stufen kaskadiert angeordnet sein, um ein sich baumförmig aufspreizendes Phaseninterpolationsnetzwerk zu bilden, das die Signale mit den unterschiedlichen Phasen für die nachfolgende Auswahl gleichzeitig bereitstellt. Zur Vereinfachung des schaltungstechnischen Aufwandes kann auch hier eine Anordnung realisiert werden, bei der die Phaseninterpolatoren abwechselnd mit den Selektoren kaskadiert angeordnet sind. In der bevorzugten Ausgestaltung umfasst die

Vorrichtung eine Kombination aus Taktteilern und

Phaseninterpolatoren, um eine große Anzahl an gegeneinander phasenverschobenen Signalen der Trägerfrequenz fRF bereitzustellen. Vorzugsweise werden dabei Signale mit > 64 unterschiedlichen Phasen erzeugt, aus denen über den oder die Selektoren die für die anschließende Verknüpfung zur Erzeugung der gewünschten Pulsposition und Pulsweite geeigneten Signale ausgewählt werden. Die Erzeugung des einen oder der mehreren HF-Signale aus den ausgewählten gegeneinander phasenverschobenen

Signalen erfolgt bei allen Ausgestaltungen wenigstens für eines der HF-Signale vorzugsweise über eine

logische UND-Verknüpfung. Grundsätzlich sind

selbstverständlich auch andere logische Verknüpfungen denkbar, um die gewünschte Pulsweite und Pulsposition aus entsprechend ausgewählten Signalen zu erzeugen.

Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren ermöglichen den Einsatz von HF-Leistungsverstärkern im Schaltbebtrieb für Anwendungen in

Frequenzbereichen > 400 MHz, insbesondere in Mobilfunk- Basisstationen. Gegenüber klassischen analogen

Leistungsverstärkern wird dadurch eine höhere

Effizienz, ein geringerer Kühlaufwand und Platzbedarf sowie ein geringerer Energieverbrauch ermöglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige

Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 einen Vergleich des EingangsSignals eines klassischen analogen Leistungsverstärkers (a) und eines Schalt- leistungsverstärkers (b) ;

Fig. 2 eine beispielhafte Ausgestaltung der

vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 3 ein Beispiel für einen einfachen

Taktteiler mit D-Flip-Flops (a) sowie für eine Kombination des Taktteilers nach (a) mit einem 2-zu-l-Selektor zur Auswahl der gewünschten Taktphase (b) ;

Fig. 4 ein Beispiel für' die Erzeugung von acht phasenverschobenen Signalen aus vier phasenverschobenen Signalen mit einem

Phaseninterpolator ;

Fig. 5 ein Beispiel für die Erzeugung von drei gegeneinander phasenverschobenen

Signalen aus zwei phasenverschobenen Signalen mit einem Phaseninterpolator in

Verbindung mit einem anschließenden Selektor;

Fig. 6 ein Beispiel für die Realisierung eines

Systems zur Ansteuerung von balancierten HF-Schaltverstärkern mit einem Basisband-DSP, einem digitalen Modulations-IC gemäß der vorgeschlagenen Erfindung sowie einer (unmodulierten) HF-Signal - quelle;

Fig. 7 ein Beispiel für einen binären Taktteilerbaum zur Erzeugung von 16 unterschiedlichen Phasen; Fig. 8 ein Beispiel für den binären Taktteilerbaum der Fig. 7 mit zusätzlicher Rück- setzfunktion;

Fig. 9 ein Beispiel für den binären Taktteiler- bäum der Fig. 8 mit zusätzlichem

Resampling der Ausgangssignale;

Fig. 10 eine beispielhafte Ausgestaltung der

vorgeschlagenen Vorrichtung mit einer Verknüpfungseinheit zur Erzeugung von in der Pulsweite und Pulsposition

modulierten HF-Signalen für die positive und die negative Halbwelle;

Fig. 11 ein Pulsdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Verknüpfungs- einheit aus Fig. 10; und

Fig. 12 eine beispielhafte Realisierung der

Verknüpfungseinheit aus Fig. 10.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt einen Vergleich eines Eingangs- Signals eines klassischen analogen Leistungsverstärkers der Klasse A, B oder C mit dem pulspositions- und pulsweitenmodulierten Eingangssignal für einen

balancierten Schaltleistungsverstärker . Das in der

Figur la beispielhaft dargestellte Eingangssignal des klassischen Leistungsverstärkers stellt ein phasen- und amplitudenmoduliertes Sinussignal mit der HF-Trägerfrequenz fRF (Periode T = l/f RF ) , der momentanen

Amplitude U(t) und der Phase cp(t) dar. Demgegenüber erfordert die Ansteuerung eines HF-Leistungsverstärkers im Schaltbetrieb ein in der Pulsweite PW(t) und dem Pulsanfang PA(t) moduliertes näherungsweise rechteck- förmiges Signal „Puls+" und „Puls-,, mit der HF-Trägerfrequenz fRF (Periode T) . Die Parameter des in der Pulsweite und Pulsposition modulierten Trägersignals können dabei bspw. durch sog. Mapping aus einem phasen- und amplitudenmodulierten Sinussignal wie dem der Figur la gewonnen werden. Dem Fachmann sind hierzu geeignete Techniken bekannt .

Figur 2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Erzeugung eines in der Pulsposition und Pulsweite modulierten Signals „Puls+" aus einem unmodulierten HF-Eingangssignal mit der

Frequenz M*f R F mit Hilfe von Taktteilern 2, Phasen- interpolatoren 3 und Selektoren 4. Die digitalen

Steuersignale PA und PE liegen an jeweils einem Eingang der Vorrichtung an und legen den Pulsanfang (PA) und das Pulsende (PE) der jeweiligen Pulse fest. An einem weiteren Eingang liegt das unmodulierte HF-Signal mit der Frequenz M*f F an, wie dies in der Figur durch die HF-Signalquelle 1 angedeutet ist. Aus diesem HF-Signal bei der Frequenz M*fRF wird über Taktteiler 2 und

Phaseninterpolatoren 3 ein Multiphasensignal bei der Trägerfrequenz f RF mit z. B. 64 Phasen erzeugt. Unter einem Multiphasensignal werden hierbei die N gegen- einander phasenverschobenen Signale unterschiedlicher Phasen cpo, <pi, ... cp -ι verstanden, wobei für die

Selektion und anschließende Verknüpfung eine Auswahl aus mindestens 4 unterschiedlichen Phasen erforderlich ist. Alle diese Signale bzw. Teilsignale haben ein Tastverhältnis von 50%. Uber eine UND-Verknüpfung zweier über Selektoren 4 geeignet ausgewählter

Teilsignale wird ein Puls mit der Frequenz f RF mit einstellbarer Position der steigenden Flanke (PA) und einstellbarer Position der fallenden Flanke (PE) erzeugt. Das eine Eingangssignal an der Verknüpfungseinheit 5 für die UND-Verknüpfung legt dabei die zeitliche Lage der steigenden Flanke fest, das andere Eingangssignal legt die zeitliche Position der

fallenden Flanke fest. Die beiden EingangsSignale für die Verknüpfungseinheit 5 werden von den Selektoren 4 in Abhängigkeit von den digitalen Steuersignalen PA und PE ausgewählt. Ein Multiphasensignal mit 2M Phasenlagen bei der Trägerfrequenz f RF kann bspw. über einen

binären Baum von kaskadierten Taktteilern erzeugt werden, welcher mit der Frequenz M*f RF angesteuert wird. Aus dem mit den Taktteilern 2 erzeugten

Multiphasensignal mit bspw. 2M Phasen kann dann über ein Phaseninterpolationsnetzwerk (Polyphasen-RC-Filter) ein Multiphasensignal mit L Phasen erzeugt werden (z.B. L=2*2M oder L=4*2M) , so dass die Anzahl der mit den Taktteilern 2 erzeugten Phasen durch die Phaseninter- polatoren 3 nochmals erhöht wird. Es sind selbst- verständlich auch Ausgestaltungen möglich, bei denen nur Taktteiler 2 oder auch nur Phaseninterpolatoren 3 eingesetzt werden.

Figur 3a zeigt beispielhaft einen einfachen

Taktteiler zur Erzeugung eines Multiphasensignals mit vier Phasen (0°, 90° , 180°, 270°) aus einem einfachen Taktsignal mit zwei Phasen (0°, 180°). Durch einen binären Baum derartiger Taktteiler kann dann aus einer Eingangsfrequenz von M*fRF ein Multiphasensignal mit 2M Phasenlagen erzeugt werden. Wenn der Aufwand für eine vollständige Ausführung eines binären Taktteilerbaumes und eines vollständigen Selektors, wie in der Figur 2 angedeutet, zu groß ist, kann nach jeder Teilerstufe die gewünschte Phasenlage auch direkt über einen 2-zu- 1-Selektor ausgewählt werden. Eine derartige Vorgehens - weise mit einem einfachen Taktteiler 2 und einem direkt daran anschließenden 2-zu-l-Selektor 4 ist in Figur 3b dargestellt. Statt eines Baumes von Taktteilern wird dann nur noch eine Kaskade von einfachen Taktteilern und Selektoren gebildet. Die in Figur 2 getrennt dargestellten Funktionen der Phasenerzeugung und der Selektion werden in diesem Fall ineinander

verschachtelt.

Figur 4 zeigt ein Beispiel für die Erzeugung eines Multiphasensignals mit acht Phasen (0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°) aus einem mit vier Phasen (0°, 90°, 180°, 270°) mit Hilfe eines Phaseninterpolators in Form eines Polyphasen-RC-Filters . Durch weitere Stufen derartiger Phaseninterpolatoren kann dann ein sich baumformig aufspreizendes Phaseninterpolationsnetzwerk gebildet werden, das große Anzahl unterschiedlicher Phasen für das Multiphasensignal erzeugt.

Wenn der Aufwand für eine vollständige Ausführung eines derartigen baumförmigen Phaseninterpolations- netzwerks zu groß ist, können nach jeder Interpola- tionsstufe die der gewünschten Phasenlage benachbarten beiden Phasenlagen über zwei 2-zu-l-Selektoren ausgewählt werden. Statt eines Baumes von Phaseninterpolatoren ist dann nur noch eine Kaskade von einfachen Phaseninterpolatoren und Selektoren notwendig. Die in der Figur 2 getrennt gezeichneten Funktionen der

Phasenerzeugung und der Selektion werden in diesem Fall ineinander verschachtelt. Figur 5 zeigt ein Beispiel für die Erzeugung eines Multiphasensignals mit drei Phasen (X°, (X+Y)/2°, Y°) aus einem mit zwei Phasen (X°, Y°) und die anschließende Auswahl der gewünschten Taktphasen über zwei 2-zu-l-Selektoren, die in diesem Beispiel mit Hilfe von vier Tri-State-Buffern 6 ausge- führt sind.

Figur 6 zeigt schließlich noch eine Anwendung des vorgeschlagenen Modulators zur Ansteuerung von

balancierten HF-Schaltleistungsverstärkern in der

Mobilfunk-Technik mit digital pulsweitenmodulierten

Signalen. Das dargestellte System weist einen digitalen Signalprozessor 7 einer Basisbandeinheit auf, der bspw. auf einem FPGA umgesetzt sein kann. In diesem digitalen Signalprozessor werden aus den digitalen Basisband- Signalen jeweils die Werte für den Pulsanfang (PA) und die Pulsweite (PW) bestimmt und an den vorgeschlagenen Modulator, der in diesem Beispiel als digitaler

Modulations-IC 8 realisiert ist, übermittelt. Über einen Frequenzgenerator 9 wird das unmodulierte HF- Signal für den Modulator bereitgestellt. Der Modulator erzeugt dann aus den digitalen Steuersignalen (PA, PW) die entsprechend in der Pulsposition und Pulsweite modulierten HF-Signale „Puls+" und „Puls-,,, mit denen der balancierte HF-Schaltleistungsverstärker ange- steuert wird.

Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Umsetzung eines binären Taktteilerbaumes 2 zur Erzeugung von 16

gegeneinander phasenverschobenen Signalen, wie er in der Vorrichtung der Figuren 2 oder 10 eingesetzt werden kann. Der dargestellte Taktteilerbaum weist einen

Eingang für ein unmoduliertes HF-Signal (M*f RF mit M = 16) und Ausgänge für die beispielhaft 16 phasenver- schobenen (differenzielle) Signale bei fRF mit den

Phasenlagen φο bis cpis auf. Die einzelnen kastenförmig dargestellten Komponenten mit dem Eingang CLK und den Ausgängen 0° und 90° stellen dabei jeweils einen einfachen Taktteiler dar, der beispielsweise wie in Fig. 3a) realisiert sein kann (Eingang CLK = Eingang 0°/180° bei K*f RF , Ausgang 0° = 0°/180° bei K/2*f RF , Ausgang 90° Ξ 90°/270° bei K/2*f RF ) . Beim Einschalten der Vorrichtung sind bei einem derartigen Taktteilerbaum jedoch die Startbedingungen für die logischen Pegel an den Ausgängen der einzelnen Taktteiler Undefiniert und damit zufällig verteilt. Damit ist auch die Reihenfolge der Phasenlagen am

Ausgang des Taktteilerbaumes nicht definiert und die gesamte Vorrichtung kann falsche AusgangsSignale erzeugen. Zur Vermeidung dieses Problems wird nach oder bei dem Einschalten der Vorrichtung vorzugsweise ein Rücksetzsignal RSTi n an den Taktteilerbaum angelegt, mit welchem die einfachen Taktteilerstufen zurückgesetzt werden. Das Rücksetzsignal wird anschließend gleich wieder zurück genommen. Dadurch startet der gesamte Taktteilerbaum aus einem definierten Zustand. Das Rücksetzsignal wird dabei über Pufferverstärker entgegen dem Signalfluss der Taktsignale im Taktteilerbaum geführt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Rücksetzsignal zunächst in den hinteren Taktteilern des Baumes zurück genommen wird, an denen zunächst noch gar kein Takt anliegt, weil weiter vorne im Baum das

Rücksetzsignal noch aktiv ist, und zuletzt im

vordersten Taktteiler zurück genommen wird. Somit wird ein definiertes Starten des gesamten Taktteilerbaumes auch für hohe Frequenzen sichergestellt. Fig. 8 zeigt einen derartig ausgestalteten binären Taktteilerbaum nach Fig. 7 mit zusätzlichem Rücksetz- signal RSTin zur Vorgabe der Startbedingungen nach dem Einschalten der gesamten Vorrichtung. Aus der Figur ist die Laufrichtung des Rücksetzsignals RSTin über die drei Pufferverstärker entgegen dem Signalfluss der Taktsignale im Taktteilerbaum zu erkennen. Bei der praktischen Umsetzung eines Taktteilerbaumes auf einem Integrierten Schaltkreis oder auf einer Leiterplatte wird eine gewisse Fläche benötigt. Am Ausgang des Taktteilerbaumes müssen die Ausgänge mit den verschiedenen Phasenlagen örtlich umsortiert werden. Diese Umsortierung, auch als Routing

bezeichnet, ist in den Figuren 7 bis 9 mit dem Routing- Block 10 schematisch angedeutet. Dazu werden Leitungen mit einer nicht zu vernachlässigenden Länge benötigt. Dadurch können jedoch die Phasenlagen cpi der

AusgangsSignale verfälscht werden, wodurch die

AusgangsSignalqualität der gesamten Vorrichtung leidet.

Zur Verbesserung der Genauigkeit der Phasenlagen wird daher vorzugsweise ein zusätzliches geeignet ausgeführtes Abtasten (Resampling) der AusgangsSignale nach dem Routing-Block 10 mit dem von außen angelegten unmodulierten HF-Signal bei M*f RF oder mit einem der dazwischen liegenden Multiphasen-Taktsignale mit der Frequenz K*f RF ( M > K > 1) durchgeführt. Fig. 9 zeigt eine Ausgestaltung des Taktteilerbaumes der Fig. 8 für ein derartiges Resampling von 16 differenziellen

Ausgangssignalen φο bis φι 5 beispielhaft mit dem

Multiphasen-Taktsignal bei (M/2)*f RF = 8*fRF · Die zum Resampling verwendeten D-Flip-Flops (D-FF) hinter dem Routing-Block 10 werden dabei auf die Taktflanken 0°, 90°, 180° und 270° dieses Multiphasen-Taktsignals getaktet. Die Ausgangssignale φ ± des Taktteilerbaumes mit einem Index i = n*4, n = 0,1,2,3 werden dabei auf die Taktflanke 0°, diejenigen mit einem Index i = n*4+l, n = 0,1,2,3 auf die Taktflanke 90°, diejenigen mit einem Index i = n*4+2, n = 0,1,2,3 auf die

Taktflanke 180° und diejenigen mit einem Index i = n*4+3, n = 0,1,2,3 auf die Taktflanke 270° abgetastet.

Fig. 2 zeigt lediglich beispielhaft die Erzeugung eines in der Pulsposition und Pulsweite modulierten

Signals „Puls+" für die positive Halbwelle des HF- Signals. Für gleichzeitige Erzeugung eines pulspositions- und pulsweitenmodulierten Pulses „Puls-"

(vgl. Fig. lb unten) für die negative Halbwelle des modulierten HF-Signals zusätzlich zum pulspositions - und pulsweitenmodulierten Puls „Puls+" (vgl. Fig. lb oben) für die positive Halbwelle des modulierten HF- Signals ist eine Erweiterung der Verknüpfungseinheit 5 der Fig. 2 erforderlich. Fig. 10 zeigt hierzu beispielhaft eine Vorrichtung mit einer derart erweiterten Verknüpfungseinheit 5. Für die Erzeugung des puls- positions- und pulsweitenmodulierten Pulses „Puls-" kann z.B. ein NA D-Gatter eingesetzt werden, für die Erzeugung des pulspositions- und pulsweitenmodulierten Pulses „Puls+" z.B. ein NOR-Gatter. Die anderen

Komponenten entsprechen denen der Vorrichtung der Fig. 2.

Fig. 11 zeigt hierzu beispielhaft ein Pulsdiagramm zur Veranschaulichung der Erzeugung der Pulse „Puls+" und „Puls-" mit Hilfe der erweiterten Verknüpfungs- einheit 5 der Fig. 10. Eine beispielhafte Realisierung der erweiterten Verknüpfungseinheit 5 ist in der Fig. 12 dargestellt. Die Erzeugung des Signals „Puls+"

erfolgt dabei mittels eines symmetrischen NOR-gatters in statischer CMOS-Technik (linke Teilabbildung) , die Erzeugung des Signals „Puls-" mittels eines

symmetrischen NAND-Gatters in statischer CMOS-Technik (rechte Teilabbildung) . Die vorgeschlagene Vorrichtung bzw. der vorgeschlagene digitale Modulator und das zugehörige

Verfahren nutzen digitale Schaltungskomponenten wie z.B. die vorzugsweise eingesetzten digitalen Taktteiler für die Pulsweiten- und Pulslängenmodulation. Im

Gegensatz zur konventionellen Realisierung werden keine analogen Komparatoren und keine analogen Referenzsignale benötigt, welche eine bestimmte Signalform (Dreieck, Sägezahn, Sinus) aufweisen müssen. Die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das zugehörige

Verfahren basieren auf mit digitalen Komponenten umzusetzenden logischen Verknüpfungen und getakteten digitalen Speicherelementen (z.B. Flip- Flops ) . Bei Ergänzung der Taktteiler mit passiven Phaseninter- polatoren (Polyphasen-RC-Filter) kann bei einem

gegebenen unmodulierten HF-Signal mit der Frequenz

M*f RF (Sinus, Rechteck oder Mischform) bei Bedarf ein feineres Raster für die auswählbaren Phasenlagen erhalten werden. Bezugszeichenliste

1 Signalquelle für unmoduliertes HF-Signal 2 Taktteiler

3 Phaseninterpolatoren

4 Selektoren

5 Verknüpfungseinheit

6 Tri-State-Buffer

7 Digitaler Signalprozessor

8 Modulations - IC

9 Frequenzgenerator

10 Routing-Block

D-FF D-Flip-Flop