CN101604984B - 一种超宽带发射机及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超宽带发射机及其设计方法，此发射机以电流作为信号的载体，采用零中频结构，由高采样率的IQ两路电流陀型数模转换器、IQ两路电流型低通重建滤波器、IQ两路电流型上混频器和可控增益射频放大器等模块构成。数模转换器将来自数字基带的信号转为相应的电流信号，经过低通滤波器重建出模拟基带信号，该信号直接进入电流型混频器完成调制和上混频，最后经过射频放大器放大并由天线发射出去；简化了结构，有利于提高系统的线性度，降低功耗。该机采用片内集成数模转换器设计，并通过各个模块之间的协同设计，在低电压和高频设计中具有很大的优势。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路设计领域，具体涉及到一种应用于多载波正交频分复用超宽带(Multiband orthogonal frequency-division multiplexing，MB-OFDMUWB)的发射机及其设计方法。
背景技术
随着人们对各种数据交换需求的不断增长(例如：手机、MP3/4、数码相机等与计算机之间的数据交换)，有线数据交换显现了其自身的局限性：需要各种各样的转换接插口、大量的连线和插拔操作等等，这些都给有线数据传输带来了很多的不便。伴随着集成电路制造工艺的进步以及通信技术的发展，使得高速的无线数据传输变得可能。近年来各种无线数据传输、通信技术得到了很大的发展，出现了诸如3G、IEEE802.11a/b/g、WiMax和UWB等针对高速数据传输应用的无线通信技术。特别是UWB超宽带技术，它具有相当高的数据传输率，相对低的功耗，特别适合于便携式设备应用。由于UWB技术的应用目标是便携式设备，这就要求UWB的收发机具有较低的功耗，尤其是发射机必须尽可能降低功耗以延长设备工作时间。这就使得UWB以及类似应用对象为电池供电设备的发射机功耗成为一个非常重要的设计参数。发射机一般处理的都是比较大的信号，所以要求发射机必须具有大信号处理的能力。同时，线性度是发射机设计中最关注的指标之一。
发射机作为收发机的一部分，其作用是将来自基带的数字信号转化为模拟基带信号，然后完成信号的调制和上混频，最后经过射频功率放大器把调制后的射频信号通过天线发射出去。发射机的架构按中频大小一般可以分为：零中频发射机和两步式发射机。由于UWB是一个宽带系统，因此一般采用的是零中频结构。
目前，UWB发射机都是采用电压作为信号的载体[1～3]，在此称其为电压模式的发射机，其基本的结构如图1所示。这种电压模式的发射机主要的模块有：IQ两路低通滤波器(LPF)；IQ两路电压转换电流单元(V2I)；IQ两路上混频器(Up-Mixer)；可调增益射频放大器(PA)等。此外，完整的发射机链路还包括两个或一个双通道的片下DAC构成IQ两路数模转换通路。整个发射机链路的工作过程如下：首先，片下的DAC把来自数字基带的数字信号转为相应的电压信号；经过IQ两路的低通滤波器把DAC输出的信号还原为模拟基带信号，并滤除高频和一些杂散信号得到比较纯净的模拟基带信号；然后，由电压转电流(V2I)单元把低通滤波器输出的电压信号转化为相应的电流信号；再送入上混频器(Up-Mixer)与本振信号(LO)完成调制和上混频；最后经过射频放大器(PA)放大已调射频信号，经由天线发射出去。
电压模式的发射机存在许多缺陷：一方面，因为电压模式发射机信号的载体是电压，而一般的高速的数模转换器输出的都是电流信号，所以需要在DAC的输出端另外加电阻把电流信号转为电压信号。另一方面，一般上混频器都是采用有源电流驱动型(Current Steering)，所以需要把低通滤波器输出的电压信号又重新转为电流信号再送入混频器的开关级，完成模拟基带信号调制和上混频。此外，为了保证一定的信噪比，一般地，发射机要处理的信号都比较大，因此，除了对发射机功耗的关注外，另一个最重要的参数就是发射机的线性度。对于电压模式发射机来说，要实现把较大信号电压非常线性地转换成相应的电流是比较困难的，尤其是在电源电压越来越低的情况下。目前主流的CMOS工艺的电源电压已经降低到1V左右。对于这样低的电源电压来说，几乎不可能做到高线性度的电压转换电流单元(V2I)。也就是说，这时电压模式发射机的线性度受到V2I单元的限制。
参考文献
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发明内容
本发明是针对电压模式UWB或类似系统发射机的缺点和不足提出改进措施，旨在设计一种用于UWB或类似系统的射频发射机，它以电流作为信号载体，采用零中频结构，具有低功耗，高线性度的特点，尤其适合低电源电压应用。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高线性度低功耗应用于多载波正交频分复用超宽带MB-OFDM UWB发射机，包括IQ两路数模转换器DAC、IQ两路低通滤波器LPF、IQ两路上混频器Up-Mixer和一路可变增益射频功率放大器PA，所有IQ均表示正交。其中：
a.所述IQ两路数模转换器采用的是电流陀型实现，输出为电流信号，采样率为信号带宽4倍以上；
b.所述的IQ两路低通滤波器为电流型低通滤波器，其输入和输出都是差分的电流信号；
c.所述的IQ两路上混频器采用有源电流驱动型，由外接或者片上频率综合器提供4路正交差分本振信号；
d.所述的可变增益射频功率放大器采用Class A类型的全差分功率放大器结构；
e.所述超宽带发射机以电流作为信号载体进行信号的传输、调制和处理；IQ两路数模转换器输出的电流信号经IQ两路低通滤波器直接传输至IQ两路上混频器调制和上混频，再传输至可变增益射频功率放大器放大，完成发射。
上述超宽带发射机的设计方法是：在所述IQ两路数模转换器DAC、IQ两路低通滤波器LPF、IQ两路上混频器Up-Mixer和可变增益射频功率放大器PA各部分两两之间进行协同设计：首先根据数模转换器的采样率与低通滤波器的设计难度进行行为级建模和仿真，确定最佳的采样率和低通滤波器的传输函数以及相应的电路的实现方案；其次根据数模转换器的输出幅度和上混频器的输入信号之间的要求进行优化；然后在上混频器输出信号与射频功率放大器的输入信号之间进行优化；最后，通过行为级的建模和仿真，分配整个超宽带发射机链路的增益、线性度和功耗等指标，使超宽带发射机整体性能到达最优。另外将所述IQ两路数模转换器和IQ两路低通滤波器直接集成在超宽带发射机芯片内。
本发明超宽带发射机及其设计方法具有如下的优点：(1)改变了传统发射机电压信号模式而采用电流模式，在低电压和高频设计中具有较大的优势；(2)省去了由DAC的电流转变为电压，以及Up-Mixer跨导级电压转换为电流这两个过程，有利于提高系统的线性度，节省功耗；(3)采用电流型的LPF，有希望获得与OTA-C类似的性能但消耗更低的功耗；(4)采用片上集成DAC，在DAC设计时通过对IQ两路DAC的匹配设计，可以极大缓解模拟基带IQ两路信号的失配问题；(5)采用数字接口减弱了封装寄生效应等对整个芯片的影响，提高芯片设计的成功率，保证芯片的工作的稳定性，具有更高的集成度。
另外，把数模转换器直接集成到片内具有很多优点：可以实现DAC与低通滤波器之间甚至整个发射机各个模块之间的协同设计，有利于调整各个模块的设计参数，实现整个发射机指标最优化；片上DAC可以避免对寄生效应敏感的模拟电路直接和片下环境打交道；而采用数字接口保证芯片的设计成功几率和工作的稳定性。
附图说明
图1是传统的电压模式UWB发射机结构示意图；
图2是传统的电压模式UWB发射机两个转换过程示意图；
图3是本发明的电流模式UWB发射机结构示意图；
图4是本发明的电流模式UWB发射机无转换过程示意图；
图5是Nyquist采样的DAC输出频谱示意图与LPF滤波要求；
图6是高于Nyquist采样的DAC输出频谱示意图与LPF滤波要求。
具体实施方式
本发明所设计的电流模式超宽带UWB发射机如图3所示，它以电流作为信号的载体，采用零中频结构，由高采样率的IQ两路数模转换器DAC、IQ两路低通重建滤波器LPF、IQ两路上混频器Up-MIXER和可控增益射频放大器PA等模块构成。此UWB发射机可用MB-OFDM类似协议的UWB射频信号进行发射。其工作过程如下：首先，片内高采样率的IQ两路数模转换器DAC把来自数字基带的数字信号转化为离散时间的电流信号；再经过IQ两路电流型低通重建滤波器LPF获得平滑的模拟基带信号；然后这个模拟基带电流信号直接送入IQ两路上混频器Up-MIXER完成调制和上混频；最后混频器的输出经过可控增益射频放大器PA模块驱动天线，完成发射。
通过比较可以看出：传统的电压模式UWB发射机与本发明电流模式UWB发射机最大的不同在于低通滤波器之后和上混频器之前的模块(图2中V2I模块)。因为电压模式UWB发射机信号的载体是电压，而一般的高速的数模转换器输出的都是电流信号，所以需要在DAC的输出端另外加电阻把电流信号转为电压信号；另一方面，一般上混频器都是采用有源电流驱动型(Current Steering)，所以需要把低通滤波器输出的电压信号又重新转为电流信号再送入混频器的开关级，完成模拟基带信号调制和上混频。而电流模式UWB发射机由于直接采用电流作为信号的载体，所以不需要先把DAC输出的电流信号转为电压信号，在低通滤波器之后再把电压信号转为电流信号。
本发明具有两个突出发明点：1.省去电流转化为电压和电压转为电流两个过程，降低了设计复杂度，同时也避免了低电压下高线性度跨导器(V2I模块)难以设计的问题。2.在发射机片内集成DAC，实现DAC与LPF的协同设计(Co-design)，优化整个发射机的性能；同时也提供了系统的集成度；下面结合附图就这两个方面进行详细的阐述。
本发明电流模式UWB发射机的基本结构和设计思路如图3、4所示，图2所示是传统的电压模式UWB发射机在工作过程中，传输信号需经历两个转换过程，即在图2中的A到B和C到D；前者把DAC输出的电流信号转换为电压信号，而后者把低通滤波输出的电压信号转化为可以送入上混频开关级的电流信号，这样信号就经过I→V→I两个过程：第一个转换是通过在DAC输出节点加一个小电阻(比如50Ω)实现电流到电压的转换，对于低电压场合限制不是很大。但是，第二个过程是通过一个跨导器实现的，对于比较大的模拟基带信号，在低电压下很难找到合适的跨导器来实现高线性度的电压到电流的转换。另一方面，整个发射机的线性度在很大程度上取决于上混频器跨导级的电压到电流转换的线性度。所以在低电压情况下，整个发射机的线性度会受到上混频器跨导级的限制。本发明采用图4所示信号流程，DAC的输出电流信号直接经过电流输入和电流输出的电流模式低通滤波器。由低通滤波器滤除DAC输出电流中的高频和杂散分量。然后将低通滤波输出电流信号直接送入上混频器的开关级进行上混频。也就是说从A→D都是以电流作为信号的载体。这样通过直接把DAC输出的电流信号送入上混频器的开关级进行上混频，可以省略前面所述传统的电压模式UWB发射机两个转换过程，不仅可以避免低电压跨导级难以实现的问题，同时也可以简化电路的设计。
本发明第二方面内容是将传统发射机设计中的片下DAC集成到发射机内部来。把整个发射机当作一个SoC芯片来设计，这样有利于DAC和低通滤波器的协同设计。另外，把DAC集成到片内可以省去对寄生敏感的模拟信号和片下环境的直接接触。而采用数字信号和片下连接，可以增强系统设计成功率和工作的可靠性。对于DAC和低通滤波器协同设计方面是考虑到DAC的采样速率对于低通滤波器的设计难度具有很大的影响。如图5所示，保持信号不发生混迭的最小采样频率为信号带宽的2倍，即奈奎斯特采样：
fs＝2BW
那么，根据采样理论，DAC输出频谱中，在采样频率处会有与有用信号频谱相同的混迭信号，其输出的频谱如图5所示。这样，为了获得较纯的模拟基带信号就需要滤除这些离有用信号很近的混迭信号分量。由于采样率只有带宽的2倍，则要求低通滤波器的传递函数非常陡峭。在集成电路设计中实现如此陡峭特性的低通滤波器是很困难的。那么，自然的方案就是用高于奈奎斯特采样频率的速率来更新DAC的输出，即用一定的过采样DAC来实现数模转换。这种DAC的输出频谱如图6所示。从中可以看出，在这种情况下，混迭信号的频谱离有用信号的频谱的距离随过采样倍数的增加而变远，也就是说过采样率倍数越高低通滤波器的设计难度就越低。但是过采样率的增加会使得设计高速的DAC难度增加，这样就存在一个优化的设计。可以通过行为级仿真确定过采样速率大小，使得整个发射机具有尽可能低的功耗并且获得高的线性度，同时复杂度不太大。该设计方法也可以应用于诸如移动通信、无线宽带网络以及无线数据传输等技术标准的射频发射机芯片的设计中。
本发明具体实现时适合低电压的CMOS，也可以采用BiCMOS、Bipolar等工艺。在具体实现时，DAC采用的是电流陀型(Current Steering)，采用4倍BW以上的采样率；在设计DAC时采用分段结构即同时采用单位电流源阵列和二进制相结合的方式来实现6到8bit精度的DAC；这样，在电流型低通滤波器可以只用4到5阶切比雪夫I型就可以很好实现滤波功能；上混频使用有源混频器，电流型滤波器的输出直接接到上混频器的开关级，实现与四路正交差分的本振信号的上混频；然后通过混频器的输出端相加得到要发射的射频信号；再通过差分的可变增益射频放大器放大所要发射的射频信号；最后在片下利用变压器或类似器件把差分信号转换为单端信号驱动天线，完成发射机链路全部的工作。
Claims (3)
1.一种多载波正交频分复用超宽带MB-OFDM UWB发射机，包括正交IQ两路数模转换器、正交IQ两路低通滤波器、正交IQ两路上混频器和一路可变增益射频功率放大器，其特征在于：
a.所述正交IQ两路数模转换器采用的是电流陀型实现，输出为电流信号，采样率为信号带宽4倍以上；
b.所述正交IQ两路低通滤波器为电流型低通滤波器，其输入和输出都是差分的电流信号；
c.所述正交IQ两路上混频器采用有源电流驱动型，由外接或者片上频率综合器提供4路正交差分本振信号；
d.所述可变增益射频功率放大器采用Class A类型的全差分功率放大器结构；
e.所述超宽带发射机以电流作为信号载体，正交IQ两路数模转换器输出的电流信号经正交IQ两路低通滤波器直接传输至正交IQ两路上混频器调制和上混频，再传输至可变增益射频功率放大器放大，完成发射。
2.一种权利要求1所述的超宽带发射机的设计方法，其特征在于：在所述正交IQ两路数模转换器、正交IQ两路低通滤波器、正交IQ两路上混频器和一路可变增益射频功率放大器各部分两两之间进行协同设计：
a.根据数模转换器的采样率与低通滤波器的设计难度进行行为级建模和仿真，确定最佳的采样率和低通滤波器的传输函数以及相应的电路的实现方案；
b.根据数模转换器的输出幅度和上混频器的输入信号之间的要求进行优化；
c.在上混频器输出信号与射频功率放大器的输入信号之间进行优化；
d.通过行为级的建模和仿真，分配整个超宽带发射机链路的增益、线性度和功耗指标，使超宽带发射机整体性能到达最优。
3.如权利要求2所述的超宽带发射机的设计方法，其特征在于：将所述正交IQ两路数模转换器和正交IQ两路低通滤波器直接集成在超宽带发射机芯片内。
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