一种可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路及方法与流程

[0001]
本发明涉及无线通信领域，尤其是一种可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路及方法。


背景技术：

[0002]
移动通信作为无线通信的一种现代化技术，自20世纪70年代以来得到了迅猛发展，至今可基本分为五代。截止到2019年11月底，中国移动电话用户规模超16亿户，其中第四代(4th generation,4g)移动通信用户规模为12.76亿户，占移动电话用户的79.7％，占比稳步提高。目前全球已经进入第五代(5th generation,5g)移动通信，到2024年35％的全球移动数据流量将由5g网络承担。从第一代到第五代，移动通信技术的进步带动了全球经济发展、影响了高科技产业的走向、改变了人们的生活方式，但同时也带来了巨大的能源消耗。在移动通信系统中，基站消耗整个系统70％以上的电能，而基站消耗电能总量中51％由功率放大器(power amplifier,pa)造成，因此提高pa效率是降低损耗、提升移动通信系统能源利用率的有效途径。
[0003]
当射频信号的包络电压不为恒定值时，若采用恒压供电方式，供电电压与射频信号包络之间的电压差较大，效率较低。而若采用包络线跟踪供电方式，将有效地减小供电电压与射频信号包络之间的电压差，以大幅减少损耗、提高效率。在4g移动通信系统中，射频信号功率峰均比的典型范围为8.5db～13db，此时a类功放的效率低于10％，能源利用率极低。而在5g通信系统中，信号的功率峰均比和带宽将进一步提高，若能提高射频pa的效率，通信基站的运行效率也将有效提高，对于节能减排和减少环境污染具有重要意义。
[0004]
目前以非恒压供电方式提高射频pa的效率的技术主要有doherty技术、包络线消除与恢复(envelope elimination and restoration,eer)技术和包络线跟踪(envelope tracking,et)技术三种。doherty技术因其结构简单，是目前最广泛应用的技术，但效率偏低；eer技术的效率最高，但它对dc-dc变换器输出电压线性度的要求极高，实际应用中受到局限；et技术的效率仅次于eer技术，高于doherty技术，但其对dc-dc变换器的要求较低，应用更加灵活方便，易于实现。因此，相较而言，et技术在提高射频pa效率的几种技术中更有发展潜力。
[0005]
串联结构的开关线性复合et电源由多电平变换器与线性放大器串联组成，因其良好的性能而备受关注。随着现代移动通信技术的发展，射频信号的调制技术越来越复杂，使得其包络带宽和功率峰均比均大幅提高。多电平变换器的电平数越少，其输出的阶梯波与包络信号间压差过大，造成线性放大器损耗偏大。多电平变换器的电平数越多，阶梯波电压vmulti越接近负载电压vo，线性放大器的损耗越小，但整个电路中的开关频率会提高，开关损耗增大，开关管在每个周期内的导通和关断脉冲都很窄，这给开关管及其驱动带来了很大的压力，甚至难以实现有效的开通和关断。


技术实现要素：

[0006]
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
[0007]
鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。
[0008]
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路，包括，fpga驱动信号产生模块，所述fpga驱动信号产生模块产生n个驱动信号；多电平变换器，所述多电平变换器由n个结构相同的开关单元电路相互串联而成，n∈n
+
，所述开关单元电路设置有开关管，所述开关管的开通和关断由fpga驱动信号产生模块产生的驱动信号控制；以及，线性放大器，与所述多电平变换器连接。
[0009]
作为本发明所述可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路的一种优选方案，其中：所述开关单元电路还包括电源、二极管，所述电源的正极与所述开关管的漏极相互连接，所述开关管源极与所述二极管的阴极相互连接，所述二极管的阳极与电源的负极相互连接。
[0010]
作为本发明所述可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路的一种优选方案，其中：所述fpga驱动信号产生模块产生的第n个驱动信号与第n个所述开关管的栅极相互连接，控制第n个开关单元电路中开关管的开通和关断。
[0011]
作为本发明所述可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路的一种优选方案，其中：第n-1个所述开关单元电路中二极管的阴极与第n个开关单元电路中二极管的阳极相连接，第1个开关单元电路中二极管的阳极接地。
[0012]
作为本发明所述可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路的一种优选方案，其中：所述fpga驱动信号产生模块中设置m个门限电平。
[0013]
作为本发明所述可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路的一种优选方案，其中：所述线性放大器包括功率管、电压调节器、延时电路单元和分压电路单元，所述功率管的源极与分压电路单元连接且功率管的此端用于给负载供电；所述所述分压电路单元的输出端与电压调节器的反相输入端连接，所述分压电路单元的另一端接地；所述延时电路单元的输入端与参考电压连接，所述延时电路单元的输出端与电压调节器的同相输入端连接；所述电压调节器的输出端与功率管的栅极连接。
[0014]
本发明还提供如下技术方案：一种可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配方法，包括，通过将参考电压与m个所述门限电平比较，触发m个拟合脉冲信号，若参考电压不小于比较的所述门限电平，则触发的拟合脉冲信号为，若参考电压小于比较的所述门限电平，则触发的拟合脉冲信号为，由此产生拟合脉冲信号的跃变，信号中出现上升沿和下降沿；
[0015]
在m个拟合脉冲信号中，按照时序取其上升沿，依次将其分配给各个开关管作为开通控制信号，从第个开关单元电路中的开关管分配至第n个开关单元电路中的开关管，当各开关管均分配得一个上升沿后，再重新从第一个开关单元电路中的开关管开始逐个分配，m个拟合脉冲信号中的所有上升沿均以此原则分配到各开关单元电路中；
[0016]
在m个拟合脉冲信号中，按照时序取其下降沿，依次将其分配给各个开关管作为关断控制信号，从第个开关单元电路中的开关管分配至第n个开关单元电路中的开关管；当各
开关管均分配得一个下降沿后，再重新从第一个开关单元电路中的开关管开始逐个分配；m个拟合脉冲信号中的所有下降沿均以此原则分配到各开关单元电路中。
[0017]
作为本发明所述可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配方法的一种优选方案，其中：所述上升沿的分配和下降沿的分配相互独立，同时进行。
[0018]
作为本发明所述可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配方法的一种优选方案，其中：n个所述开关管开关频率是跟踪信号频率的m/n降频，n/m为正有理数。
[0019]
本发明的有益效果：通过在fpga驱动信号产生模块中设置m个门限电平，将其与参考信号比较，得到m个拟合脉冲信号。将m个拟合脉冲信号中的各上升沿依次分配到第1个、第2个
……
第n个开关管，再从第1个开关管开始分配，循环执行此过程。每个开关管的开关频率相对于跟踪信号的频率可以实现m/n的降频，其中n/m为正有理数(即正整数和正分数)。相对于基础的脉冲边沿独立分配方法，此方法打破了“组”的概念，不再局限于n/m为正整数，可根据实际应用中的需要设置非整数倍降频倍数，既可以降低开关频率，提高可跟踪信号的功率峰均比和带宽，同时有效拓展开关管的开通或关断时间，以确保其充分开通或充分关断，也可以减小电路规模，避免不必要的电路冗余，可灵活根据实际应用需求改变降频比，提高系统的效率、降低系统的成本。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0021]
图1为本发明提供的一种实施例所述的可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路结构示意图；
[0022]
图2为本发明提供的一种实施例所述的可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路及方法中当m＝3，跟踪非周期性波形的控制信号的示意图；
[0023]
图3为本发明提供的一种实施例所述的可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路及方法中当m＝3，跟踪周期性波形，n为3时本发明中的各开关管的控制信号的示意图；
[0024]
图4为本发明提供的一种实施例所述的可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路及方法中当m＝3，跟踪周期性波形，n为4时本发明中的各开关管的控制信号的示意图；
[0025]
图5为本发明提供的一种实施例所述的可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路及方法中当m＝3，跟踪周期性波形，n为5时本发明中的各开关管的控制信号的示意图；
[0026]
图6为本发明提供的一种实施例所述的可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路及方法中当m＝3，跟踪周期性波形，n为6时本发明中的各开关管的控制信号的示意图。
具体实施方式
[0027]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0028]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的
情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0029]
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0030]
再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0031]
实施例
[0032]
参照图1，本实施例提供了一种可实现任意倍次降频的脉冲边沿独立分配电路及方法，包括fpga驱动信号产生模块100、多电平变换器200以及线性放大器300，其中，fpga驱动信号产生模块100产生n个驱动信号，fpga器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵；多电平变换器200由n个结构相同的开关单元电路201相互串联而成，n∈n
+
，即n为正整数，在本实施例中，n个多电平变换器200依次设定为第1路、第2路
···
第n路，开关单元电路201设置有开关管201a，开关管201a的开通和关断由fpga驱动信号产生模块100产生的驱动信号控制；进一步的，线性放大器300，与多电平变换器200连接，线性放大器300为a类线性放大器。
[0033]
进一步的，开关单元电路201还包括电源201b、二极管201c，电源201b的正极与开关管201a的漏极相互连接，开关管201a源极与二极管201c的阴极相互连接，二极管201c的阳极与电源201b的负极相互连接。
[0034]
应说明的是，fpga驱动信号产生模块100产生的第n个驱动信号与第n个开关管201a的栅极相互连接，控制第n个开关单元电路201中开关管201a的开通和关断。
[0035]
进一步的，第n-1个开关单元电路201中二极管201c的阴极与第n个开关单元电路201中二极管201c的阳极相连接，第1个开关单元电路201中二极管201c的阳极接地。
[0036]
fpga驱动信号产生模块100中设置m个门限电平，通过编程实现参考信号与门限电平的比较，得到比较结果m个拟合脉冲信号，为方便示意，本实施例中将m个拟合脉冲信号标记为s
cmp1
、s
cmp2
……
s
cmpm
，将其中的上升沿独立地、轮流地分配到输出信号dr1、dr2……
dr
n
中，将其中的下降沿独立地、轮流地分配到输出信号dr1、dr2……
dr
n
中，再将控制信号dr1、dr2……
dr
n
对应地连接到第1个、第2个
……
第n个开关单元电路中开关管201c的栅极作为驱动信号，控制其导通与关断，以产生拟合参考信号的阶梯波。
[0037]
进一步的，线性放大器300包括功率管301、电压调节器302、延时电路单元303和分压电路单元304，功率管301的源极与分压电路单元304连接且功率管301的此端用于给负载供电；分压电路单元304的输出端与电压调节器302的反相输入端连接，分压电路单元304的另一端接地；延时电路单元303的输入端与参考电压连接，延时电路单元303的输出端与电压调节器302的同相输入端连接；电压调节器302的输出端与功率管301的栅极连接。
[0038]
具体的，如图1所示，开关管201a、电源201b均设置有n个，fpga驱动信号产生模块100输出n个驱动信号，并用dr1～dr
n
表示，τ代表延时电路单元303；电压调节器302、延时电路单元303为现有技术，在此不说明。其中，功率管301采用mos管，分压电路单元304由第一电阻304a和第二电阻304b串联而成，第一电阻304a一端与功率管301连接，另一端与第二电阻304b的一端、电压调节器302连接，第二电阻304b的另一端接地。
[0039]
本实施例中，将参考信号用v
ref
表示，根据将参考信号v
ref
与m个门限电平比较生成多个脉冲，将脉冲信号中的上升沿与下降沿按时序排布，并将上升沿与下降沿独立地、轮流地分配到多电平变换器200各控制端，从而获得开关管201a的控制信号，具体的控制方法如下，包括如下步骤：
[0040]
s1：通过将参考电压与m个门限电平比较，触发m个拟合脉冲信号，若参考电压不小于比较的门限电平，则触发的拟合脉冲信号为1，若参考电压小于比较的门限电平，则触发的拟合脉冲信号为0，由此产生拟合脉冲信号的跃变，信号中出现上升沿和下降沿；即m个拟合脉冲信号随着时间周期性变化，m个拟合脉冲信号在一个变化周期内分别包含一个上升沿和一个下降沿；
[0041]
s2：在m个拟合脉冲信号中，按照时序取其上升沿，依次将其分配给各个开关管201a作为开通控制信号，从第1个开关单元电路201中的开关管201a分配至第n个开关单元电路201中的开关管201a，当各开关管201a均分配得一个上升沿后，再重新从第一个开关单元电路201中的开关管201a开始逐个分配，m个拟合脉冲信号中的所有上升沿均以此原则分配到各开关单元电路201中；
[0042]
s3：在m个拟合脉冲信号中，按照时序取其下降沿，依次将其分配给各个开关管201a作为关断控制信号，从第1个开关单元电路201中的开关管201a分配至第n个开关单元电路201中的开关管201a；当各开关管201a均分配得一个下降沿后，再重新从第一个开关单元电路201中的开关管201a开始逐个分配；m个拟合脉冲信号中的所有下降沿均以此原则分配到各开关单元电路201中。
[0043]
综上，在m个拟合脉冲信号中，按照时序先后读取n个变化周期内的mn个拟合脉冲的上升沿，将其分别独立地、轮流地分配到n个开关管的控制信号dr1、dr2……
dr
n
中；按照时序先后读取n个变化周期内的mn个拟合脉冲的下降沿，将其分别独立地、轮流地分配到n个开关管201a的控制信号dr1、dr2……
dr
n
中；则dr1、dr2……
dr
n
在此时间区间中均有m个上升沿、m个下降沿，其相应控制的开关管201a均开通了m次、关断了m次。
[0044]
应说明的是，上升沿的分配和下降沿的分配相互独立，同时进行；n个开关管201a开关频率是跟踪信号频率的m/n降频，n/m为正有理数。相对于基础的脉冲边沿独立分配方法，此方法打破了“组”的概念，不再局限于n/m为正整数，可根据实际应用中的需要设置非整数倍降频倍数，既可以降低开关频率，提高可跟踪信号的功率峰均比和带宽，同时有效拓展开关管的开通或关断时间，以确保其充分开通或充分关断，也可以减小电路规模，避免不必要的电路冗余。
[0045]
参照图2，当m＝3时，可设置n≥3，根据调整m与n的比例控制降频比的示意图。脉冲拟合信号s
cmp1
、s
cmp2
、s
cmp3
中的每个上升沿依次被分配到第1、2
……
n路驱动信号dr1、dr2……
dr
n
中，再重新从第1路驱动信号开始分配。因脉冲拟合信号数目已确定，故阶梯波中的脉冲信号上升沿、下降沿在时间轴上的位置也已确定，系统中总的开关频率是恒定的。同一时间区间内上升沿的数目恒定，设置的控制信号dr1、dr2……
dr
n
中n的数目越大，每一路均分到的上升沿、下降沿的数目也就越少，因此控制信号驱动的开关管的开关频率越低。
[0046]
为了更好的理解上述方法中的降频比概念，特此举例以周期性波形说明，如图3所示，其中m＝3，n＝3，此时的降频比为1：1，实质上并无频率降低，但开关管201a的最窄导通脉宽得到有效拓宽，实现了更为可靠的开通和关断，更有利于在高带宽跟踪需求中的应用。
[0047]
如图3～6所示，m均为3，n分别为4，5，6。叠加图中的驱动信号可得到一致的阶梯波，随着n的增大，降频比m/n越小，各开关管201a的开关频率越低。以此类推，当m＝3时，取n≥3，即可实现任意的3/n降频。若同时改变m的值，即可实现任意的m/n降频(n,m∈n+且n≥m)。
[0048]
应说明的是，本实施例中主要性能参数如下：
[0049]
参考信号v
ref
：0.2v～2.7v正弦波；
[0050]
输出电压v
o
：2v～27v正弦波；
[0051]
跟踪频率f
r
：1mhz；
[0052]
负载电阻r
l
：16ω。
[0053]
由以上描述可知，本发明提出的任意倍次降频的脉冲边沿独立分配方法具有如下优点：
[0054]
1、所提出的任意倍次降频的脉冲边沿独立分配方法可以实现开关频率相对于跟踪信号频率的m/n降频，其中n/m为正有理数(即正整数和正分数)；同时有效地拓展开关管的开通或关断时间，提升开关管高频工作时的可靠性；
[0055]
2、所提出的任意倍次降频的脉冲边沿独立分配方法可为包络线跟踪电源提供可靠的驱动，提高了可跟踪的信号的功率峰均比和带宽，可灵活根据实际应用需求改变降频比，提高系统的效率、降低系统的成本。
[0056]
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
[0057]
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
[0058]
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
[0059]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发
明的权利要求范围当中。