SE520530C2 - Linjäriserad omkopplarbaserad effektförstärkare - Google Patents

Description

20 25 30 520 530 2 förstärkaren bibehålls. Till följd av amplitudstatistiken för komplexa flerkanals- eller flernivåsignaler måste effektiviteten hållas hög vid alla amplitudnivåer för att tillhandahålla hög medeleffektivitet. En tillkommande komplikation är att signalerna ofta har bred bandbredd, eller bred kombinerad bandbredd, vilket innebär att fluktuationerna mellan höga och låga amplitudnivâer är snabba.

En lösning på det kombinerade problemet att förbättra linjäriteten samt bibehålla hög effektivitet har visats av sökanden i den internationella patentansökan WO 98/ 11683 och motsvarande amerikanska patent US 6 094 458. Den föreslagna effektförstärkaren använder omkopplingstekniker för effektförstärkningen och baseras på en sigma-delta- modulator i kombination med ett omkopplarbaserat förstärkningssteg. Sigma-delta- modulatorn innefattar en kvantiserare för generering av en utsignal med ett ändligt antal diskreta nivåer. Det omkopplarbaserade förstärkningssteget innefattar ett flertal effekt- omkopplare, med spänningar proportionella mot kvantiserarens nivåer, och sigma- deltamodulatorns utsignal styr effektornkopplarna via en avkodare så att korrekt effekt- förstärkning tillhandahålls. Fastän den föreslagna omkopplarbaserade effektförstärkaren har mycket hög effektivitet och kan dra fördel av sigma-deltarnodulatorns höga linjäritet finns fortfarande ett allmänt behov av effektförstärkare med ännu bättre linjäritets- egenskaper.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett allmänt syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en förbättrad linjäriserings- teknik för minskning av distorsion och olinjäriteter i en ornkopplarbaserad effekt- förstärkare.

Ett särskilt syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en höggradigt linjär effekt- förstärkare med utmärkt stabilitet och rimliga krav på berörda komponenter hos effekt- förstärkaren. 10 15 20 25 30 520 530 3 Uppfinningen syftar också till att tillhandahålla en sändare med utmärkt effektförstärkareffektivitet och -linjäritet Dessa och andra syften uppnås av uppfinningen såsom den definieras av bifogade patentkrav .

Uppflnningen baseras på insikten att det omkopplarbaserade förstärkningssteget hos omkopplarbaserade effektförstärkare kan ha väsentlig påverkan på den totala linjäriteten. En noggrann analys av konventionella omkopplarbaserade effektförstärkare avslöjar att omkopplingsglitchar (switching glitches) orsakade av en ändlig övergångs- hastighet mellan stängda och öppna tillstånd hos omkopplarna liksom ”på”- och ”av”- impedanser hos omkopplarna inte bara påverkar förstärkarens effektivitet, utan även introducerar distorsion som minskar effektförstärkarnas totala linjäritet.

I synnerhet har det insetts att distorsionen som introduceras av omkopplarna i konventionella omkopplarbaserade effektförstärkare allvarligt begränsar den maximala frekvensen vid vilken en praktisk implementering av effektförstärkare kan genomföras, eftersom det krävs extremt snabba omkopplare för att minimera omkopplingsglitcharna.

Den allmämïa idéen enligt uppfinningen är att inkludera omkopplingssteget i framåtgrenen av en felkompenseringsloop så att distorsion orsakad av omkopplings- steget kompenseras för genom loopens negativa återkopplingsväg. Den negativa återkopplingen minskar både distorsion orsakad av olinjär stationär impedans och distorsion som kommer från av omkopplingsglitchar. Företrädesvis inkluderas även nivådisltretiseringsmodulatorn som effektförstärkaren använder i framåtgrenen av loopen för att kompensera för distorsion, såsom kvantiseringsbrus, orsakad av modulatom.

En särskild fördel med uppfinningen är att det är möjligt att tillåta större olinjåritet i omkopplingssteget, eftersom den negativa återkopplingen möjliggör undertryckande av 10 15 20 25 30 520 530 4 den distorsion som orsakas av olinjäriteter i omkopplarna. Således kan något långsammare omkopplare användas, vilket innebär att mindre dyra teknologier för omkopplare blir tillgängliga.

Vid en implementering som använder en digital modulator måste återkopplingssignalen digitaliseras i en A/D-omvandlare. För att hantera de mycket kortvariga glitchama med hög signalnivå, vilka orsakas av icke-ideal omkoppling, introduceras ett bredbandsfilter före A/D-omvandlaren i återkopplingsvägen för att jämna ut omkopplingsglitchama och således minska den erfordrade samplingsfrekvensen och det erfordrade dynamiska omrâdet hos A/D-omvandlaren. Genom användning av ett bredbandsfilter introduceras minimal fördröjning i återkopplingsvågen och således bibehålls stabiliteten hos det övergripande systemet.

För att minska A/D-omvandlarens erfordrade dynamiska område ännu mer överförs endast den felsignal som representerar icke-idealiteterna i ornkopplingssteget i den analoga domänen och digitaliseras av A/D-omvandlaren. Således går större delen av återkopplingen direkt i den digitala domänen.

Vidare kan, ifall insignalerna till effektförstärkaren inte redan befinner sig i radiofrekvensbandet (RF), uppkonvertering från basbandet till RF-bandet erfordras i effektförstärkaren. Detta uppnås företrädesvis genom att inkludera en upp- konverteringsblandare i loopens framâtgren. För att säkerställa korrekt återkoppling tillhandahålls då en motsvarande nedkonverteringsblandare i återkopplingsvägen.

Den höggradigt linjära effektförstärkaren enligt uppfinningen lämpar sig i synnerhet för användning i RF-tillämpníngar med flerkanal- eller flernivåsignaler.

Uppfinningen medför följande fördelar: - Förbättrad linjäritet; - Bibehållen stabilitet och förstärkareffektivitet; 10 15 20 25 520 530 5 - Överkoniliga krav på den A/D-omvandlare som erfordras för en implementering med en digital modulator; och - Minskade krav på omkopplingshastighet, vilket gör det möjligt att använda billigare teknologier för omkopplare.

Andra fördelar med uppfinningen inses vid läsning av nedanstående beskrivning av utföringsforrner av uppfinningen.

KORTFATTAD F IGURBESKRIVNING Uppfinningen, samt ytterligare syften och fördelar därmed, förstås bäst genom hänvisning till efterföljande beskrivning i anslutning till bifogade figurer, där: Fig. 1 är ett schematiskt blockdiagram på hög nivå över en radiosändare baserad på en effektförstärkare; Fig. 2 är ett schematiskt blockdiagram över en effektförstärkare enligt en första grundläggande utföringsform av uppfinningen; Fig. 3 är ett schematiskt blockdiagram över en effektförstärkare enligt en andra utföringsform av uppfinningen; Fig. 4 är ett schematiskt blockdiagram över en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen; Fig. 5 är ett schematiskt blockdiagram över en fjärde utföringsform av en effektförstärkare enligt uppfinningen, vilken använder frekvensuppkonvertering till RF -domänen; 10 15 20 25 30 520 530 6 Fig. 6 illustrerar möjligheten att inkludera en del av det utgångsfiltersteget i felkompenseringsloopen hos effektförstärkaren enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Effektförstärkare återfinns i olika tillämpningar inom många teknikorrirâden såsom konsumentelektronik, radarteknik och radiokommunikation. I följande text kommer uppfinningen att beskrivas med hänvisning till en specifik tillämpning inom omrâdet radiokommunikation. Det ska emellertid förstås att uppfinningen inte begränsas till denna och att andra tillämpningar också är möjliga.

I en typisk radiotillämpning, som schematiskt illustreras i blockdiagrammet på hög nivå i Fig. 1, anordnas en effektförstärkare i en radiosändare för samtidig förstärkning av flera smalbandiga kanaler. I ett mycket grundläggande utförande innefattar sändaren 10 en allmän ingångsenhet 12 för kombinering av insignalerna till en komplex flerkanal- signal, en effektförstärkare 14 för samtidig förstärkning av flera kanaler samt ett transmissionselement 16. Ett sådant grundläggande utförande kräver givetvis att in- signalerna är modulerade RF-signaler inom det önskade målfrekvensbandet. Ifall insignalerna är basbandssignaler erfordras också uppkonvertering och filtrering.

Sändaren illustrerad i Fig. l är anpassad för förstärkning och transmission av exempelvis flera FDMA/TDMA-bärvågor men kan enkelt modifieras för förstärkning och transmission av en bärvåg på vilken flera CDMA-kanaler är överlagrade eller för linjär modulation med flera nivåer.

Såsom skisseras i bakgrundsavsnittet kräver komplexa flerkanal- eller flernivå- signaler en effektförstärkare med hög grad av linjäritet så att faserna och amplituderna hos alla signalkomponenter bibehålls i den förstärkta utsignalen. På samma gång erfordras en hög effektivitet hos förstärkaren. Enligt teknikens stånd- punkt representeras lösningen på det kombinerade problemet att förbättra linjäriteten 10 15 20 25 30 520 530 7 samt bibehålla hög effektivitet av omkopplarbaserade effektförstärkare som använder sigma-deltamodulering i kombination med effektornkopplingstekniker.

En noggrann analys av de konventionella omkopplarbaserade effektförstärkama, utförd av uppfinnarna, har emellertid avslöjat att effektomkopplarna har en icke försumbar effekt på effektförstärkarens totala linjäritet. I idealfallet bör vid varje tidpunkt en och endast en omkopplare vara stängd och ha noll ”pâ-impedans” och alla andra omkopplare bör vara öppna och ha oändlig ”av-impedans”. Om dessa villkor vid någon tidpunkt inte är uppfyllda kommer resultatet oundvikligen att bli oönskad energiförlust och minskad effektivitet. Det har emellertid insetts att icke-ideal omkoppling inte endast påverkar förstärkarens effektivitet utan även introducerar distorsion som leder till att den totala linjäriteten hos effektförstärkaren minskar. Problemet kan delas in i två delar med olika orsaker. Den första är den eventuella icke-nollvärda irnpedansen hos omkopplaren i dess stängda stationära tillstånd. Medan en positiv på-impedans alltid medför minskad förstärkareffektivitet, introducerar en olinjär stationär på-impedans dessutom distorsion. Samma sak gäller i princip för stationär av-impedans för en öppen omkopplare men detta är mindre problematiskt i praktiken. Den andra orsaken hänför sig till övergångshastigheten hos ornkopplaren mellan stängda och öppna tillstånd. En ändlig övergângshastighet hos omkopplarna leder i allmänhet till omkopplingstran- sienter, även kallade omkopplingsglitchar (switching glitches), vilket minskar effektivi- teten men även introducerar distorsion.

Ett nödvändigt krav för att minimera omkopplingsglitcharna är att omkopplarna är extremt snabba jämfört med RF-perioden och extremt väl synkroniserade. Detta innebär allvarliga begränsningar på den maximala frekvens vid vilken en praktisk och effektiv implementering kan byggas med dagens komponenter. I praktiken är omkopplingshastigheten som krävs för att uppfylla de vanligen mycket stränga kraven på linjäritet mycket större än hastigheten som erfordras för att göra förstärkaren tillräckligt effektiv. Detta innebär att kraven på omkopplingshastighet kan minskas väsentligt ifall en annan form av linjärisering påvisas. 10 15 20 25 30 520 530 Enligt föreliggande uppfinning uppnås linjärisering genom att inkludera omkopplings- steget i framåtgrenen av en felkompenseringsloop, varvid kompensering för olinjäriteter i omkopplingssteget möjliggörs genom loopens återkopplingsverkan.

Demia lösning minskar både distorsionen orsakad av olinjär stationär impedans och distorsion orsakad av omkopplingstransienter.

Ett första försök att lösa linjäriseringsproblemet skulle kunna vara att sondera förstärkarens slutliga utsignal och subtrahera en version av denna signal från insignalen. Ett problem med denna teknik är att bandpassfiltret som normalt finns med som ett sista utgångssteg har för stor tidsfördröjning, eftersom dess bandbredd är ungefär lika smal som den brusformande bandbredden hos nivådiskretiserings- modulatorn. Detta innebär att hela återkopplingssystemet kan bli instabilt eller att mycket begränsad minskning av distorsionen kan förväntas av systemet.

Första tanken skulle vara att âterkopplingssignalens bandbredd bör begränsas till signalbandbredden. I så fall vet modulatorn vilken signal som är närvarande vid utgången i hela det relevanta frekvensområdet och bör kunna justera kvantiserarens insignal så att utsignalen från effektomkopplarna justeras mot önskad utsignal. Om tidsfördröjningen i âterkopplingsvägen inte är försumbar kan emellertid systemet bli instabilt eller prestandan otillräcklig. Signalteoretiska överväganden visar att tids- fördröjningen hos ett filter är större än eller lika med storleksordningen hos inversen av bandbredden. Normalt sett krävs således att varje filter i äterkopplingsvägen i själva verket har en bandbredd som är mycket större än signalbandbredden för att inte en alltför stor tidsfördröjning ska introduceras.

Lösningen är därför enligt en första grundläggande utföringsform av uppfinningen att känna av utsignalen från omkopplingssteget före utgångsfiltersteget och mata tillbaka den avkända signalen till effektförstärkarens ingång, såsom illustreras i Fig. 2. 10 15 20 25 30 520 530 9 Fig. 2 är ett schematiskt blockdiagram över en effektförstärkare enligt en första grund- läggande utföringsforin av uppfinningen. Effektförstärkaren 100 innefattar en nivå- diskretiseringsmodulator 110, ett omkopplarbaserat förstärkningssteg 120, ett utgångs- filtersteg 130, en återkopplingssond 140, ett valfritt filter 150 samt en adderare 160.

Den övergripande felkompenseringsloopen definieras av en framåtgren, vilken i stort sett innefattar nivådiskretiseringsmodulatom 110 och det omkopplarbaserade förstärkningssteget 120, samt en negativ återkopplingsväg som möjliggör under- tryckande av distorsion orsakad av modulatom 110 och det ornkopplarbaserade förstärkriingssteget 120.

I denna specifika utföringsfonn är nivådiskretiseringsmodulatorn 110 en analog modulator som omvandlar en kontinuerlig insignal till en digital signal med ett ändligt antal diskreta nivåer. Modulatorn 110 innefattar ett filter 112 med överföringsfunktion G(s), och en kvantiserare 114. Kvantiseraren 114 i nivådiskretiseringsmodulatorn 110 omvandlar den filtrerade signalen till en digital signal med M möjliga diskreta nivåer vid tidpunkter som ges av en inre klocka (visas ej). Det ska emellertid förstås att uppfinningen inte begränsas till denna specifika modulatortyp och att vilken nivå- diskretiseringsmodulator som helst kan användas av uppfinningen.

Det omkopplarbaserade förstärkningssteget 120 svarar för själva förstärkningen och innefattar en avkodare/drivenhet 122 förbunden med ett antal, M, effektomkopplare S1, S2,..., SM som är anslutna till respektive spänningskällor Ul, U2,..., UM. Den digitala utsignalen från riivådiskretiseringsmodulatorn 110 styr effektomkopplarna via avkodaren/drivenheten 122. Spänningarna Ul, U2,..., UM är proportionella mot kvantiserarens 114 nivåer. Idealt sett är vid en given tidpunkt en och endast en om- kopplare stängd enligt signalnivån hos kvantiserarens utsignal för att koppla lämplig spänning till omkopplingsstegets utgång och således tillhandahålla korrekt effekt- förstärlcning. Ifall nivådiskretiseringsmodulatorns 110 kvantiserare 114 exempelvis skickar ut den diskreta nivån vn, stängs omkopplare Sn och alla andra omkopplare är öppna. Detta innebär att spämiingen vid det omkopplarbaserade förstärkningsstegets 10 15 20 25 30 520 530 10 120 utgång blir lika med Un. Även om effektomkopplarna har illustrerats såsom anslutna till spänningskällor, kan spänningskällorna ersättas av strömkällor med för fackrnannen uppenbara modifikationer.

För ytterligare information om omkopplarbaserad effektförstärkning hänvisas till den internationella patentansökan WO 98/11683 och motsvarande amerikanska patent US 6 094 458.

Utsignalen från det omkopplarbaserade förstärkningssteget 120, vilken även är utsignal från felkompenseringsloopens framâtgren, avkänns med sonden 140 och matas tillbaka till adderaren 160 vid effektförstärkarens ingång, varvid loopen således sluts. För att tillhandahålla nödvändig återkopplingsverkan subtraherar adderaren 160 återkopplingssignalen från insignalen. All distorsion inom passbandet hos det övergripande loopfiltret, med beaktande av responsen från de inbegripna filtren och komponenterna inklusive kvantiserarens 114 linjäriserade respons, minskas genom felkompenseringsloopens återkopplingsverkan.

Eftersom utsignalen från det omkopplarbaserade förstärkningssteget 120 fungerar som insignal till effektförstärkarens utgångsflltersteg 130 är det viktigt att återkopplingssonden 140 är kapabel att känna av utgångsspänmngen hos effekt- omkopplarna utan att orsaka någon väsentlig minskning av signaleffekten eller introducera några störningar i utgångsspänningen. Av denna anledning realiseras sonden 140 i allmänhet som en högimpedanssond. Filtersteget 130 utgörs i allmänhet av ett bandpassfilter (BPF) med ett passband som företrädesvis endast inrymmer frekvenser gott och väl inom passbandet för det övergripande loopfiltret.

Den grundläggande utföringsformen i Fig. 2 ger en praktiskt fungerande linjäriserad effektförstärkare ifall en analog nivådiskretiseringsmodulator 110 används. För en implementering med en digital modulator måste återkopplingssignalen emellertid digitaliseras i en analog-till-digital omvandlare (A/D-omvandlare). Den icke-ideala 10 15 20 25 30 520 550 11 omkopplingen i omkopplingssteget skapar ofta glitchar som är mycket kortvariga och har hög signalnivå. För att digitalisera omkopplingsglitcharna erfordras i allmänhet en A/D-omvandlare med extremt hög samplingsfrekvens och mycket stort dynamiskt område. För att hantera detta problem introduceras med fördel ett bredbandsfilter i återkopplingsvägen, såsom illustreras i Fig. 3.

Fig. 3 är ett schematiskt blockdiagrani över en effektförstärkare enligt en andra utföringsfonn av uppfinningen. Effektförstärkaren i Fig. 3 liknar den i Fig. 2, förutom att den har en A/D-omvandlare och ett bredbandsfilter i återkopplingsvägen. Dessutom använder effektförstärkaren 200 en digital i stället för en analog nivådiskretiserings- modulator. Den digitala nivådiskretiseringsmodulatorn 210 kan rent allmänt omvandla ett relativt stort antal diskreta nivåer till ett mindre antal diskreta nivåer. Jämfört med en analog modulator är den huvudsakliga skillnaden att filtret 212 (överföringsfunktion G(z)) hos den digitala modulatorn 210, till skillnad från kvantiseraren 214, klockas av en intern klocka. Användningen av en digital modulator innebär att signalen som avkänns vid utgången hos det omkopplarbaserade förstärkningssteget 220 nu måste gå genom en A/D-omvandlare 270 anordnad i återkopplingsvågen.

För att minska A/D-omvandlarens 270 erfordrade bandbredd och dynamiska område placeras ett bredbandsfilter 280 framför A/D-omvandlaren i återkopplingsvägen för att avlägsna högfrekventa komponenter hos omkopplingsglitcharna. Följaktligen jämnas glitcharna ut och A/D-omvandlarens 270 erfordrade dynamiska område reduceras avsevärt, eftersom omvandlarens upplösningsförmåga nu inte behöver omfatta hela glitchen. Vidare minskar användningen av bredbandsfiltret 280 också den erfordrade samplingsraten hos A/D-omvandlaren 270. Ifall bandbredden hos filtret 280 exempelvis är halva klockfrekvensen hos nivådiskretiseringsmodulatorn 210 kan A/D-omvandlaren 270 sampla med samma frekvens. För att bibehålla stabiliteten hos det övergripande återkopplingssystemet bör A/D-omvandlaren 270 liksom bredbandsfiltret 280 ha små tidsfördröjningar. I detta hänseende kan en lämplig typ av förstärkare att använda i återkopplingsvägen vara en så kallad snabb 10 15 20 25 30 520 530 12 ”flash”-A/D-omvandlare. Filtret 280 kan vara ett lågpass- eller bandpassfilter med en relativt stor bandbredd, varvid motsvarande tidsfördröjning blir tämligen liten.

Fastän utföringsformen i Fig. 3 ger ett praktiskt utförande vid användning av en digital modulator, är kraven på A/D-omvandlaren fortfarande relativt hårda. I allmänhet måste A/D-omvandlarens dynamiska område vara större än informations- signalens. I praktiken innebär detta att en sådan realisation är begränsad till smalbandssystem.

Ytterligare minskning av A/D-omvandlarens erfordrade dynamiska område kan erhållas genom att extrahera den felsignal som representerar det omkopplarbaserade förstärkningsstegets distorsion från det omkopplarbaserade förstärkningsstegets utsignal och endast digitalisera felsignalen i A/D-omvandlaren. Detta minskar A/D- omvandlarens erfordrade dynamiska område avsevärt, varvid användning av en A/D- omvandlare med tämligen litet dynamiskt område medges och bredbandiga utformningar med liten fördröjning möjliggörs. Ett praktiskt utförande av en sådan minskning av det dynamiska området kommer nu att beskrivas med hänvisning till Fig. 4.

Fig. 4 är ett schematiskt blockdiagram över en tredje föredragen utföringsform av uppfinningen. I detta utförande är nivådiskretiseringsmodulatorn 310 hos effekt- förstärkaren 300 företrädesvis en digital sigma-deltamodulator med en intern återkopplingsväg helt och hållet i den digitala domänen för undertryckande av kvantiseríngsbrus. Sigma-deltamodulatorn 310 innefattar huvudsakligen ett filter 312 med överföringsfunktion G(z), en kvantiserare 314 samt en intern äterkopplingsväg.

Den interna âterkopplingsvägen hos modulatorn har företrädesvis ett filter 318 med överföringsfunktion F(z). Vidare är effektförstärkaren 300 konfigurerad med ett arrangemang för extrahering av en felsignal, vilken representerar distorsionen som effektomkopplarna introducerar, från det omkopplarbaserade förstärkningsstegets 320 utsignal. Detta arrangemang innefattar ett första bredbandsfilter 380 för 10 15 20 25 30 520 530 13 filtrering av omkopplingsstegets utsignal, en digital-till-analog omvandlare (D/A- omvandlare) 385 för omvandling av sigma-deltamodulatorns 310 utsignal till den analoga domänen, ett andra bredbandsfilter 390 för filtrering av D/A-omvandlarens 385 utsignal samt en adderare 395 för subtrahering av det andra filtrets 390 utsignal från det första filtrets 380 utsignal, varvid felsignalen således extraheras. Felsignalen omvandlas därefter i en A/D-omvandlare 370 med relativt litet dynamiskt omrâde och adderas in i den interna återkopplingsloopen hos sigma-deltamodulatorn 310 genom en digital adderare 319. Bredbandsfiltren 380 och 390 bör matchas sinsemellan så långt möjligt för att före A/D-omvandlingen i så stor utsträckning som möjligt subtrahera den del av signalen som inte distorterats av ornkopplingen. Som ses utifrån Fig. 4 går större delen av återkopplingen helt och hållet i den digitala domänen i sigma-deltamodulatorns 310 interna återkopplingsväg, medan endast omkopplingsstegets felsignal går i den analoga domänen.

Ifall insignalerna till effektförstärkaren inte redan befinner sig i radiofrekvensbandet (RF), kan uppkonvertering från basbandet till RF-bandet erfordras i effekt- förstärkaren. En utföringsform med uppkonvertering i effektförstärkaren kommer nu att beskrivas med hänvisning till Fig. 5.

Fig. 5 är ett schematiskt blockdiagram över en fjärde utföringsform av en effekt- förstärkare enligt föreliggande uppfinning, vilken använder frekvensuppkonvertering till RF-domänen. Effektförstärkaren 400 i Fig. 5 liknar den i Fig. 2, förutom att den har en uppkonverteringsblandare 460 i framåtgrenen, en motsvarande ned- konverteringsblandare 470 i återkopplingsvägen av felkompenseringsloopen, samt en lokal oscillator 480. Uppkonverteringsblandaren 460 anordnas företrädesvis mellan nivådiskretiseringsmodulatorn 410 och det omkopplarbaserade förstärkningssteget 420. Äterkopplingssignalen konverteras ned till den ursprungliga frekvensen av ned- konverteringsblandaren 470. Den lokala oscillatorn 480 styr de två blandarna 460, 470. Naturligtvis är klockfrekvensen hos den analoga nivådiskretiseringsmodulatorn 410 lägre än för utföringsformer utan uppkonvertering. Ifall den lokala oscillatorn 10 15 20 25 30 - 520 530 14 480 är en heltalsmultipel av denna klockfrekvens kan den lokala oscillatorsignalen vara en enkel tvånivåsignal utan att någon distorsion introduceras. Alternativt kan den lokala oscillatorsignalen introduceras i högeffektdelen genom att ersätta de konstanta U2, ._ _, (eller spänningarna U1, UM med växelspänningskällor växelströmskällor) .

Fastän Fig. 5 illustrerar en analog implementering utförs företrädesvis utjämning av omkopplingsglitchar för att säkerställa linjäriteten hos nedkonverteringsblandaren 470. Detta utförs i allmänhet genom att introducera ett bredbandigt bandpassfilter 490, vilket minskar bandbredden och det dynamiska området hos insignalen till nedkonverteringsblandaren 470. Även om uppkonvertering till RF-domänen har visats med avseende på en analog nivâdiskretiseringsmodulator, är det uppenbart att fackmannen kan kombinera denna aspekt av uppfinningen med utförandena i Fig. 3 och 4 för olika digitala implemen- teringar. I själva verket baseras den för tillfället mest föredragna utföringsformen på den digitala implementeringen i Fig. 4 i kombination med uppkonvertering i framåtgrenen och motsvarande nedkonvertering i återkopplingsvägen.

För en implementering med uppkonvertering lönar det sig att diskutera spegelfrekvensbanden. Om en bandpassmodulator används filtrerar utgångsfilter- steget hos effektförstärkaren enkelt bort spegelfrekvensbanden. Dessutom hjälper de bredbandsfilter som är anordnade i den negativa återkopplingsvägen av felkompenseringsloopen till att filtrera bort dessa frekvensband. Spegelfrekvens- banden är i själva verket i allmänhet inget problem ifall informationssignalen befinner sig tämligen nära mittfrekvensen av en viss signalkopia (Nyquistzon). Ifall informationssignalbandet befinner sig närmare kanten av Nyquistomrâdet (närmare en heltalsmultipel av halva modulatorklockfrekvensen) blir situationen emellertid annorlunda. Betrakta till exempel en lågpassmodulator. Utgångsfiltersteget måste nu vara mycket smalbandigt för att filtrera bort spegelbanden. Bredbandsflltren i den 10 15 20 25 520 530 15 övergripande återkopplingsvägen bör då företrädesvis centreras kring den lokala oscillatorfrekvensen (vilken antas vara en heltalsmultipel av modulatorklock- frekvensen) och åtminstone ha så bred bandbredd att den inrymmer både hela lägre och hela övre informationssidbanden. Den nedkonverterade signalen blir då korrekt.

Alternativt kan spegelfrekvensproblemet hanteras genom eliminering av de oönskade sidbanden varvid kvadraturinsignaler till två parallella modulerings- och omkopplingsenheter används och utsignalerna från parallellenheterna kombineras före eller efter utgångsfiltersteget. En något annorlunda variant inriktar sig inte på att eliminera sidbanden, utan snarare att använda dessa som två linjärt oberoende kanaler i ett traditionellt ”I och Q-tillvägagångssätt” (”in-phase” och -”quadrature- phase”). En mängd olika implementeringar av den linjäriserade effektförstärkaren blir härmed direkt uppenbara för fackmannen.

Fig. 6 illustrerar möjligheten att inkludera en del av utgângsfiltersteget i fel- kompenseringsloopen hos effektförstärkaren enligt uppfinningen. Effektförstärkaren i Fig. 6 är identisk med den i Fig. 4 förutom med avseende på filtersteget 530 och sigma-deltañltren 515 och 517. I denna särskilda utföringsform innefattar utgångs- filterstcget 530 två separata enheter 532, 534. Den första filterenheten 532, vilken har relativt bred bandbredd, inkluderas i felkompenseringsloopen medan den andra filterenheten 534 anordnas utanför loopen. Införlivandet av filterenheten 532 i felkompenseringsloopen kompenseras för genom modifiering av filtret 318 (F(z)) i Fig. 4, varvid det filtret delas upp i två olika parallella filter 515 (F1(z)) och 517 (F2(z)) anordnade för att ta emot signaler från kvantiseraren 514 respektive AID- omvandlaren 570. Företrädesvis matchas bredbandsfiltret 560 (lågpass eller bandpass) och kaskadkopplingen av filterenheten 532 och bredbandsfiltret 580 (lågpass eller bandpass). 10 15 _ _ I . _ r . f _ . ' 520 530 16 Givetvis kan införlivandet av åtminstone en del av utgângsfiltersteget i fel- kompenseringsloopen även tillämpas på en effektförstärkare med en analog nivå- diskretiseringsmodulator.

Normalt sett rekommenderas användning av ett bandpassfilter med relativt bred bandbredd i återkopplingsvägen när utsignalen uppkonverteras till radiofrekvens samt användning av ett bredbandig lågpassfilter när utsignalen inte uppkonverteras. Det bör emellertid inses att gränsen mellan lågpass- och bandpassfilter är tämligen vag och att fackmannen kan anpassa filteregenskaperna hos de så kallade bredbandsfiltren efter tillämpningen.

Ovan beskrivna utföringsfonner är endast exempel och det ska förstås att föreliggande uppfinning inte begränsas till dessa. Ifall en höggradigt linjär riivådiskretiserings- modulator används kan det exempelvis vara tillräckligt att anordna det omkopplarbaserade förstärkningssteget med en intern återkopplingsväg från utsignalen till insignalen hos omkopplingssteget för att möjliggöra undertryckande av distorsion orsakad av omkopplarnas olinjäriteter. Ytterligare modifikationer, förändringar och förbättringar vilka bibehåller de grundläggande underliggande principer som förevisats och görs anspråk på häri omfattas av uppfinningens räckvidd och anda.

Claims (29)

10 15 20 25 520 530 17 PATENTKRAV

1. Effektförstärkare baserad på en nivådiskretiseringsmodulator seriekopplad med ett blandnings- och förstärkningssteg för frekvensuppkonvertering till radiofrekvens samt för omkopplarbaserad förstärkning, kännetecknad av en felkompenseringsloop innefattande: en framåtgren innefattande nivådiskretiseringsmodulatom och blandnings- och förstärkningssteget; och en negativ återkopplingsväg för möjliggörande av undertryckning av distorsion orsakad av komponenter i framâtgrenen, varvid den negativa återkopplingsvägen innefattar en nedkonverteringsblandare för nedkonvertering till det ursprungliga frekvensbandet.

2. Effektförstärkaren enligt krav l, kännetecknad av att den lokala oscillatorfrekvensen som används för uppkonvertering och nedkonvertering är en heltalsmultipel av modulatorklockfrekvensen.

3. Effektförstärkaren enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att återkopplingsvägen vidare innefattar ett bredbandsfilter, varvid bredbandsfiltret är centrerat kring den lokala oscillatorfrekvensen och uppvisar en bandbredd som inrymmer både lägre och övre informationssidband.

4. Effektförstärkaren enligt krav 1, kännetecknad av att nivådiskretiseringsmodulatom är digital och återkopplingsvägen vidare innefattar en A/D-omvandlare samt ett första bredbandsfilter anordnat före utsignal för att utjämna A/D-omvandlaren för filtrering av framåtgrenens omkopplingsglitchar från det omkopplarbaserade förstärkningssteget. 10 15 20 25 30 520 530 18

5. Effektförstärkaren enligt krav 4, kännetecknad av att effektförstärkaren innefattar organ för extrahering av en felsignal som representerar distorsionen hos det omkopplarbaserade förstärkningssteget från framâtgrenens utsignal, och att A/D-omvandlaren är anordnad för digitalisering av felsignalen.

6. Effektförstärkaren enligt krav 5, kännetecknad av att nivådiskretiseringsmodulatom är en sigma-deltamodulator med en intern återkopplingsloop, och återkopplingsvägen vidare innefattar organ för addering av den digitaliserade felsignalen in i sigma-deltamodulatorns interna återkopplings- loop.

7. Effektförstärkaren enligt krav 6, kännetecknad av att organet för extrahering av en felsignal innefattar: det första bredbandsfiltret anordnat i återkopplingsvägen för filtrering av framåtgrenens utsignal; en D/A-omvandlare för omvandling av modulatoms utsignal till analog form; ett andra bredbandsfilter, vilket matchar det första bredbandsfiltret, för filtrering av den analoga sigma-deltautsignalen; och en subtraherare för subtrahering av det andra bredbandsfiltrets filtrerade utsignal från det första bredbandsfiltrets filtrerade utsignal för att generera felsignalen.

8. Effektförstärkaren enligt krav 4, kännetecknad av att det första bredbandsflltret har en bandbredd som är större än bandbredden hos insignalen till effektförstärkaren.

9. Effektförstärkaren enligt krav 1, kännetecknad av att framåtgrenen vidare innefattar åtminstone en del av ett filtersteg anslutet efter det omkopplarbaserade förstärkningssteget. 10 15 20 25 30 520 530 19

10. Effektförstärkaren enligt krav 9, kännetecknad av att filtersteget är uppdelat i ett antal filterenheter och framåtgrenen innefattar åtminstone en av filterenheterna.

11. Effektförstärkaren enligt krav 1, kännetecknad av att återkopplingsvägen innefattar en högimpedanssond för extrahering av framåtgrenens utsignal.

12. Effektförstärkaren enligt något av föregående krav, kännetecknad av att blandnings- och förstärkningssteget innefattar en frekvensuppkonverteringsblandare och ett omkopplarbaserat förstärkningssteg.

13. Effektförstärkaren enligt krav 12, kännetecknad av att det omkopplarbaserade förstärkningssteget innefattar en avkodare i anslutning till ett flertal effektomkopplare.

14. Sändare som har en effektförstärkare innefattande en nivådiskretiserings- modulator seriekopplad med ett blandnings- och förstärkningssteg för frekvensuppkonvertering till radiofrekvens samt för omkopplarbaserad förstärkning, kännetecknad av en felkompenseringsloop innefattande: en framåtgren innefattande nivådiskretiseringsmodulatom och blandnings- och förstärkningssteget; och en negativ återkopplingsväg för möjliggörande av undertryckning av distorsion orsakad av komponenter i framâtgrenen, varvid den negativa återkopplingsvägen innefattar en nedkonverteringsblandare för nedkonvertering till det ursprungliga frekvensbandet.

15. Sändaren enligt krav 14, kännetecknad av att den lokala oscillatorfrekvensen som används för uppkonvertering och nedkonvertering är en heltalsmultipel av modulatorklockfrekvensen. 10 15 20 25 30 520 530 20

16. Sändaren enligt krav 14 eller 15, kännetecknad av att återkopplingsvägen vidare innefattar ett bredbandsfilter, varvid bredbandsfiltret är centrerat kring den lokala oscillatorfrekvensen och uppvisar en bandbredd som inrymmer både lägre och övre inforrnationssidband.

17. Sändaren enligt krav 14, kännetecknad av att nivådiskretiseringsmodulatom är digital och återkopplingsvägen vidare innefattar en A/D-omvandlare och ett första bredbandsfilter anordnat före A/D- omvandlaren för filtrering av framåtgrenens utsignalen för att utjämna omkopplingsglitchar från det omkopplarbaserade förstärkningssteget.

18. Sändaren enligt krav 17, kännetecknad av att effektförstärkaren vidare innefattar organ för extrahering av en felsignal som representerar distorsionen hos det omkopplarbaserade förstärkningssteget från framåtgrenens utsignal, och att A/D-omvandlaren är anordnad för digitalisering av felsignalen.

19. Sändaren enligt krav 18, kännetecknad av att nivådiskretiseringsmodulatom är en sigma-deltamodulator med en intern återkopplingsloop, och återkopplingsvägen vidare innefattar organ för addering av den digitaliserade felsignalen in i sigma-deltamodulatorns intema återkopplings- loop.

20. Sändaren enligt krav 19, kännetecknad av att organet för extrahering av en felsignal innefattar: det forsta bredbandsfiltret anordnat i återkopplingsvägen för filtrering av framåtgrenens utsignal; cn D/A-omvandlare för omvandling av modulatoms utsignal till analog form; ett andra bredbandsfilter, vilket matchar det första bredbandsfiltret, för filtrering av den analoga sigma-deltautsignalen; och 10 15 20 25 30 520 530 21 en subtraherare för subtrahering av det andra bredbandsfiltrets filtrerade utsignal från det första bredbandsñltrets filtrerade utsignal för att generera felsignalen.

21. Sändaren enligt krav 17, kännetecknad av att det forsta bredbandsfiltret har en bandbredd som är större än bandbredden hos insignalen till effektförstärkaren.

22. Sändaren enligt krav 14, kännetecknad av att framåtgrenen vidare innefattar åtminstone en del av ett filtersteg anslutet efter det omkopplarbaserade förstärkningssteget.

23. Sändaren enligt krav 22, kännetecknad av att flltersteget är uppdelat i ett antal filterenheter, och framåtgrenen innefattar åtminstone en av filterenhetema.

24. Sändaren enligt krav 14, kännetecknad av att återkopplingsvägen innefattar en högimpedanssond för extrahering av framåtgrenens utsignal.

25. Sändaren enligt något av kraven 14-25, kännetecknad av att blandnings- och förstärkningssteget innefattar en frekvensuppkonverteringsblandare och ett omkopplarbaserat förstärkningssteg.

26. Sändaren enligt krav 25, kännetecknad av att det omkopplarbaserade förstärkningssteget innefattar en avkodare i anslutning till ett flertal effektomkopplare.

27. Effektförstärkare baserad på en digital nivådiskretiseringsmodulator seriekopplad med ett omkopplarbaserat förstärkningssteg, kännetecknad av en felkompenseringsloop innefattande: 10 15 20 520 530 22 en framåtgren innefattande nivådiskretiseringsmodulatom och det omkopplarbaserade förstärkningssteget; och en negativ återkopplingsväg för möjliggörande av undertryckning av distorsion orsakad av nivådiskretiseringsmodulatorn och det omkopplarbaserade förstärkningssteget, varvid återkopplingsvägen innefattar en A/D-omvandlare och ett första bredbandsfilter anordnat före A/D-omvandlaren för filtrering av framåtgrenens från det omkopplarbaserade utsignal för att utjämna omkopplingsglitchar förstärkningssteget.

28. Effektförstärkaren enligt krav 27, kännetecknad av att effektförstärkaren vidare innefattar organ för extrahering av en felsignal som representerar distorsionen hos det omkopplarbaserade förstärkningssteget från framåtgrenens utsignal, och att A/D-omvandlaren är anordnad för digitalisering av felsignalen.

29. Effektförstärkaren enligt krav 28, kännetecknad av att den digitala nivådiskretiseringsmodulatorn är en sigma- deltamodulator med en intern återkopplingsloop, och återkopplingsvägen vidare innefattar organ för addering av den digitaliserade felsignalen in i sigma- deltamodulatoms intema återkopplingsloop.