Análisis y reducción de la distorsión para técnicas de modulación de pulsos

Abstract

La modulación digital por ancho de pulso (PWM por sus siglas en inglés) utilizada en amplificadores conmutados convierte las muestras de una se˜nal discreta en una señal binaria compuesta por pulsos de ancho variable que posee intrínsecamente altos niveles de distorsión en banda base. En esta tesis se estudian y proponen técnicas de modulación digital de tiempo real que presentan muy baja distorsión incluso cuando se utilizan frecuencias de conmutación de apenas el doble de la máxima frecuencia de la señal moduladora. Se obtiene un modelo discreto no lineal de la modulaci´on PWM que captura en forma precisa el comportamiento de la modulación en banda base, desde frecuencia cero hasta la mitad de la frecuencia de conmutación. El modelo se extiende para modelar también otros fenómenos prácticos como variaciones en la amplitud de los pulsos y corrimientos en los flancos ascendentes y descendentes de la señal PWM. Una serie de simplificaciones permite obtener modelos basados en estructuras tipo Hammerstein generalizadas conformadas por la conexión paralela de potencias y filtros lineales que modelan la din´amica del modulador. Utilizando estos modelos se desarrollan algoritmos digitales que permiten determinar los ciclos de trabajo de la señal PWM a partir de las muestras de la señal de entrada garantizando distorsión nula de la señal PWM en banda base. Un modulador basado en el método iterativo de Newton permite obtener una estructura sencilla capaz de ser implementada en tiempo real en procesadores digitales de señales. Este modulador se extiende para compensar variaciones en las amplitudes de los pulsos. Se presenta también otro método de modulación basado en una estructura de predistorsión adaptiva conocida como arquitectura de aprendizaje indirecto que estima la inversa del modelo de la modulación PWM utilizando un algoritmo de cuadrados mínimos recursivo. Estos métodos de modulación junto con otro método basado en una inversa de Volterra se comparan en diferentes condiciones de operaci´on mediante simulaciones y mediciones experimentales a partir de implementaciones en tiempo real y utilizando procesadores digitales de señales.

Digital pulse width modulation (PWM) used in switched amplifiers converts samples of a discrete-time signal into a binary signal composed of pulses of variable width, introducing high levels of baseband distortion. In this thesis real-time digital PWM modulators having very low distortion even when the switching frequency is just twice the maximum frequency of the modulating signal are presented. A nonlinear discrete-time model capturing in detail the baseband behavior (from zero Hertz to half the switching frequency) of the PWM modulator is developed. The model is extended to model other practical phenomena such as variations in the amplitude of the pulses and shifts in the switching times (rising and falling edges of the PWM signal). A number of simplifications allows to obtain a generalized Hammerstein structure composed of the parallel connection of power and linear filters which models the dynamics of the system. Using this model, modulation algorithms to determine the duty cycle of the PWM signal from the samples of the input signal ensuring zero baseband distortion are developed. A modulator based on the Newton iterative method, enables a simple structure that can be implemented in real time on digital signal processors. This modulator is extended to compensate for variations in the amplitudes of the pulses. Another modulation method based on an structure known as indirect learning architecture that estimates an inverse model of PWM modulator using a recursive least squares algorithm is also presented. These modulation algorithms and another method based on Volterra inverse are compared in different operating conditions through simulations and experimental measurements from a real-time implementation using digital signal processors.