论文阅读--Advances in AM Modulation Techniques to Improve Digital Transmission of HD Radio and DRM

改进高清广播数字传输和 DRM 的调幅调制技术进展

论文信息：By Ky T. Luu, Wayne Duello and Anders Mattsson Harris Broadcast Communications 2004

ABSTRACT

   从摘要部分可以解读除两个本文主要关注的问题，一个是数字信号需要使用 矢量调制技术（包络消除和还原 EE&R） 的发射机结构，那我们如果保证在发射机内精确组合数字信号的包络和相位分量，以产生正确的数字频谱。另一个问题是设计怎么设计一个新的PDM发射机结构以最大限度地减少 EE&R 矢量调制技术对数字广播的影响。

INTRODUCTION

   对任何发射机的两个主要要求是以期望的输出功率和尽可能高的效率传送干净的信号。在获得高效率的同时，为高清无线电和DRM创建干净的信号频谱是有问题的。 传统上，人们被迫在线性和效率之间进行权衡，或者试图补偿由发射机引起的失真。
   DSP可用性的提高和成本的不断降低使得数字矫正的可行性和实现成本都得到了降低。目标是使用高效率的发射机，并在低电平级用DSP校正失真，从而实现高效率和低失真的双重目标。

介绍两种矫正方法

• 基于发射机结构分析失真原因然后针对失真情况进行调整，就比如延时导致延时就设计调延时的方案。
• 基于神经网络和Volterra级数的方法，简单地查看输入和输出。
    但预失真和发射机之间存在相互作用。某些类型的失真更容易通过改变发射机设计来纠正。这些变化可能会使发射机更加非线性，但更容易校正。设计师虽然需要加入预失真技术，但一般不会单独矫正，它必须是系统架构设计过程的一部分。

最后简单介绍选择PDM发射机进行改造的原因，PDM发射机使用D类功放效率高的同时也更适合数字信号放大。

PDM SYSTEM

  脉宽调制（PDM/PWM），它是高效调制的主要选择方法，中波发射机和高效开关电源的幅度调制。矩形波形被施加到低通滤波器，该滤波器仅允许低频分量出现在负载设备上。改变矩形脉冲宽度以产生所需的输出信号，如图所示。

  即使调制器产生完美的时间脉冲，脉宽调制固有地产生调制信号的一些失真。虽然脉冲长度与信号幅度成正比，但调制方案实际上是非线性的。PDM调制中固有的失真将随着开关频率和调制幅度的增加而减小。下面的信号显示了一个简单的光谱图。所需信号通过低通滤波器网络在负载处恢复。那些落在调制器滤波器通带内的杂散产物将作为互调失真出现在负载中。

随着调幅的增加 PDM 调制体现出以下两点

• PDM 调制下几乎是线性的，幅度上升但是增益下降特别小
  
• 谐波对基波的影响会随着幅度增大而变大，图中每一条线代表一个谐波相对基波的值。
  

POLYPHASE PDM SYSTEM

  在多相系统中，有几个相位偏移的PDM调制器。这将有助于抑制PDM时钟频率的谐波，并减少与谐波相关的失真，但它不会完全消除调制/基波信号上的失真。为了具有良好的PDM谐波抑制，PDM滤波器的相位和幅度响应需要精确恒定。

多相PDM的生成方式有很多种，将输入信号和PDM生成器按照不同的相位进行组合能生成很多情况的多相PDM。下图所示为一种4相的PDM调制

按照我的理解设计的多相PDM调制确实起到了抑制谐波的作用。

文中的多相PDM方式，信号相移和三角波相移组合，这种方式合成的多相PDM谐波最少为4次，比如实验用250Hz脉冲，但最终频谱中的一次谐波是在1kHz处。

Elimination and Restoration (EE&R)

  数字信号通常使用OFDM（正交频分复用）进行调制。OFDM是一种并行调制方案，其中数据流调制同时发送的大量子载波。数字信号是矢量信号，并且可以用具有幅度和相位信息的极坐标来表示。将输入矢量信号分成包络和相位分量的框图，称为包络消除和恢复（EE&R）。

优点：
EER发射机结构能够提供较高的功率放大效率。通过将调制信号分为包络和相位两个部分，EER系统允许高功率放大器（如类F、类D等）仅对包络进行放大，从而提高整体功率放大器的效率。 由于EER结构的设计，其产生的谐波和杂散分量相对较低，有助于减小对邻近频段的干扰，提高频谱效益。

缺点：
EER结构相对较为复杂，包括了包络消除和包络恢复两个主要功能块，这可能导致设计和实现的复杂性增加。这也可能使得系统调试和维护相对较为困难。对相位误差敏感： EER系统对于包络和相位的准确匹配要求较高，特别是在包络恢复阶段。相位误差可能导致信号失真，因此对于相位校准有一定的要求。

ADVANCED PDM MODULATION

文章提出的新结构

首先分析EE&R型发射机中有许多影响数字无线电传输的潜在IMD源。它们是：
1.脉宽调制器的带宽。
2.脉宽调制器失真。
3.幅度和相位信号的带宽限制。
4.包络信号和相位信号之间的差分延迟。
5.调制器、功率放大器和组合器中的AM到AM失真。
6.最后功率放大器级中的AM到PM失真。
7.低包络电平下的RF相位反转。

先介绍了一个新的PDM调制结构，能减少PDM调制后的PDM方波的失真，然后介绍了结合DSP的PDM系统调制器结构。

Advanced PDM modulator simplified diagram

Simplified ADPM system block diagram

利用DSP进行EER的延时矫正

Experimental Result

新结构下的频谱的IMD有所下降，在DRM信号下新结构的底噪更低