一种发射机增益分配方法及电路
技术领域
本发明涉及无线通信技术,具体涉及发射机增益分配方法及电路。
背景技术
对于现代无线收发机来说,其架构取决于通信系统标准的革新,工艺制程的发展和电路设计技术的提高。它们又相互促进,彼此制约。基于结构简单、易于集成等优点,CMOS直接上变频(零中频)发射架构成为了无线通信卫星导航发射机,特别是无线测定卫星业务终端(RDSS)发射机系统的主要选择。但是在现有技术中存在一个严重的问题,就是其固有的本振(载波)泄露,这主要是由电路中固有的直流失调和其他失配引起的,而较大的本振泄露将对整个通信系统性能产生较大影响,如产生较高的误码率、通信中断等。
典型直接上变频架构发射机结构如图1所示。0-4.08MHzBPSK(Binary Phase Shift Keying)二相移相键控基带信号输入到发射机芯片101中,经过中频模块102信号处理、滤波整形和增益调节,送到射频模块103中,经过混频器104和前置功率放大器(PPA,Pre-Power Amplifier)105,对信号直接进行上变频(和增益调节)并放大,送至发射机芯片101外部。再经匹配网络106阻抗匹配,驱动声表滤波器107和功率放大器108,最后由天线109把信号发射出去。功率检测器110置于芯片内部检测PPA 105的输出端功率强度,(或置于发射机芯片101外部检测输出信号经过衰减网络112后的功率强度)并将输出功率转换成直流电平后反馈至数字处理器111,再经过模数转换、参考比较后用于反馈控制中频模块102的工作,达到增益控制的目的。该增益调节亦可通过数字处理器111由发射机芯片101外部控制。
在现有传统的增益分配方式中,由于只在中频模块做增益调节,导致在低输出功率时的载波泄露恶化,载波抑制的能力降低。或者采用载波泄漏校准电路,但会使整个发射机复杂,且功耗变大,甚至发射信号质量下降。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种发射机增益分配方法,其能解决载波抑制能力差的问题。
为了达到上述目的之一,本发明所采用的技术方案如下:
一种发射机增益分配方法,其包括以下步骤:
根据发射机的输出功率,并结合预设条件,分别对所述发射机的发射机芯片的中频模块和射频模块的增益进行设置;
其中,所述预设条件为输出功率、中频模块的增益和射频模块的增益三者的对应关系;所述中频模块的增益按照1dB的步长进行步进,并依次在6dB的步进范围内循环;所述射频模块的增益按照6dB的步长进行步进,步进范围为所述输出功率的动态范围;射频模块的任意一种增益的值对应六种连续的输出功率的值,以及对应一次中频模块的增益的循环。
优选的,中频模块的增益的步进范围为0至-5dB。
优选的,输出功率的动态范围为5至-12dBm,射频模块的增益的步进范围为0至-12dB。
优选的,对所述射频模块的前置功率放大器的增益进行设置。
本发明的目的之二在于提出一种发射机增益分配电路,其能解决载波抑制能力差的问题。
为了达到上述目的之二,本发明所采用的技术方案如下:
一种发射机增益分配电路,其包括发射机芯片、匹配网络、声表滤波器、功率放大器、天线、增益调整模块,所述发射机芯片包括中频模块和射频模块,中频模块、射频模块、匹配网络、声表滤波器、功率放大器和天线依次连接,所述增益调整模块的输入端与射频模块的输出端连接或者通过一衰减网络与功率放大器的输出端连接,所述中频模块的输入端用于与基带连接,所述增益调整模块,用于根据接收到的输出功率,并结合预设条件,分别对中频模块和射频模块的增益进行设置;
其中,所述预设条件为输出功率、中频模块的增益和射频模块的增益三者的对应关系;所述中频模块的增益按照1dB的步长进行步进,并依次在6dB的步进范围内循环;所述射频模块的增益按照6dB的步长进行步进,步进范围为所述输出功率的动态范围;射频模块的任意一种增益的值对应六种连续的输出功率的值,以及对应一次中频模块的增益的循环。
优选的,所述中频模块为低通滤波器,所述低通滤波器包括可变电阻、固定电阻、可变电容和运算放大器,可变电阻与固定电阻串联,固定电阻、可变电容和运算放大器并联,可变电阻的输入端用于与基带连接,固定电阻的输出端与射频模块的输入端连接;所述增益调整模块的中频增益控制信号输出端与可变电阻连接,以通过调整可变电阻的阻值来设置中频模块的增益。
优选的,所述射频模块包括依次连接的混频器和前置功率放大器,中频模块的输出端与混频器的输入端连接,前置功率放大器的输出端与匹配网络的输入端连接;所述前置功率放大器包括多个跨导单元和一负载,所述跨导单元由四个晶体管构成,四个晶体管分别记为第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管,第一晶体管的栅极与第二晶体管的栅极连接,第三晶体管的栅极与混频器的第一输出端连接,第四晶体管的栅极与混频器的第二输出端连接,第一晶体管的源极与第三晶体管漏极连接,第二晶体管的源极与第四晶体管的漏极连接,第三晶体管的源极和第四晶体管的源极均接地,第一晶体管的漏极和第二晶体管的漏极与负载的输入端连接,负载的输出端与匹配网络的输入端连接;多个跨导单元的晶体管的尺寸按照1:20:21:22:……:2n的比例设置,n为自然数;所述增益调整模块的射频增益控制信号输出端与第一晶体管的栅极连接,以通过打开和关闭跨导单元的数量来设置射频模块的增益。
优选的,中频模块的增益的步进范围为0至-5dB。
优选的,输出功率的动态范围为5至-12dBm,射频模块的增益的步进范围为0至-12dB。
优选的,所述增益调整模块包括功率检测器和数字处理器;所述功率检测器用于将接收到的输出功率转换为直流电平;所述数字处理器用于将直流电平与参考电平进行比较,并结合预设条件,分别对中频模块和射频模块的增益进行设置。
本发明具有如下有益效果:
可有效的在整个输出功率的动态范围内实现对载波泄露抑制的最优,且功耗随输出功率的降低而降低,从而提高效率。满足了无线测定卫星业务终端发射机对增益控制的要求,简化了架构,有利于降低成本。
附图说明
图1为现有技术的发射机的结构方框图;
图2为本发明较佳实施例的发射机增益分配方法的流程图;
图3为本发明较佳实施例的发射机增益分配电路的结构方框图;
图4为图3的中频模块的结构示意图;
图5为图3的前置功率放大器的结构示意图;
图6为输出功率转换为控制信号增益分配示意图。
具体实施方式
下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述。
对于发射链路来说,其载波泄露主要是由来自中频模块的失配造成的,对载波泄露的抑制等价于有用信号与失配产物之比,即在失配产物不变的情况下尽量保持中频的大信号输出可以有效地抑制载波。
基于上述思想,结合图2所示,一种发射机增益分配方法,其包括以下步骤:
接收发射机的输出功率;
根据发射机的输出功率,并结合预设条件,分别对所述发射机的发射机芯片的中频模块和射频模块的增益进行设置。具体的,对所述射频模块的前置功率放大器的增益进行设置。
其中,所述预设条件为输出功率、中频模块的增益和射频模块的增益三者的对应关系。
所述中频模块的增益按照1dB的步长进行步进,并依次在6dB的步进范围内循环。本实施例的中频模块的增益的步进范围设定为0至-5dB。
所述射频模块的增益按照6dB的步长进行步进,步进范围为所述输出功率的动态范围。本实施例的输出功率的动态范围假设为5至-12dBm,则射频模块的增益的步进范围设定为0至-12dB。
射频模块的任意一种增益的值对应六种连续的输出功率的值,以及对应一次中频模块的增益的循环。
结合表1所示,具体的设置过程为:首先射频模块设置为最高增益输出,中频模块1dB步进递减,当输出功率降低到最大功率-6dB时,射频模块设置为其最高增益-6dB的<-6>模式输出,中频模块则重复0至-5dB的1dB步进递减,以此类推。如表1所示,中频模块中,<0>为其可实现的最高增益输出,<-1>、<-2>、<-5>分别对应为最高增益-1dB、-2dB、-5dB输出。射频模块中,<0>为其可实现的最高增益输出,<-6>、<-12>分别对应为最高增益-6dB、-12dB输出。这样,对中频模块和射频模块分别进行增益控制分配即可实现在整个输出功率的动态范围内1dB步进且对载波泄露抑制的最优。表1以输出动态范围为-12dBm至5dBm为例,并给出相应的主要测试性能参数。
表1
如图3至图5所示,本实施例还提出了一种用于实现上述方法的发射机增益分配电路,其包括发射机芯片201、匹配网络206、声表滤波器207、功率放大器208、天线209和增益调整模块。
所述发射机芯片201包括中频模块202和射频模块203,中频模块202、射频模块203、匹配网络206、声表滤波器207、功率放大器208和天线209依次连接。所述增益调整模块的输入端与射频模块203的输出端连接或者通过一衰减网络212与功率放大器208的输出端连接,所述中频模块202的输入端用于与基带(图未画出)连接。
所述增益调整模块,用于根据接收到的输出功率,并结合预设条件,分别对中频模块202和射频模块203的增益进行设置。具体的,所述增益调整模块包括功率检测器210和数字处理器211。所述功率检测器210用于将接收到的输出功率转换为直流电平;所述数字处理器211用于将直流电平与参考电平进行比较,并结合预设条件,分别对中频模块202和射频模块203的增益进行设置。
其中,所述预设条件为输出功率、中频模块202的增益和射频模块203的增益三者的对应关系;所述中频模块202的增益按照1dB的步长进行步进,并依次在6dB的步进范围内循环,中频模块的增益的步进范围设定为0至-5dB;所述射频模块203的增益按照6dB的步长进行步进,步进范围为所述输出功率的动态范围,输出功率的动态范围为5至-12dBm,则射频模块的增益的步进范围设定为0至-12dB;射频模块203的任意一种增益的值对应六种连续的输出功率的值,以及对应一次中频模块202的增益的循环。
如图4所示,所述中频模块202为低通滤波器,改变其电压增益等效于改变固定电阻R2与可变电阻R1的比值,固定电阻R2与可变电容C共同构成滤波网络,如果改变固定电阻R2,其滤波特性也将随之改变,导致增益与带宽相关,不利于分别调节控制。所以只能固定固定电阻R2,改变可变电阻R1的阻值来调节增益而通过改变可变电容C来调节带宽。具体的,所述低通滤波器包括可变电阻R1、固定电阻R2、可变电容C和运算放大器,可变电阻R1与固定电阻R2串联,固定电阻R2、可变电容C和运算放大器并联,可变电阻R1的输入端用于与基带连接,固定电阻R2的输出端与射频模块203的输入端连接。所述增益调整模块的数字处理器211的中频增益控制信号输出端与可变电阻R1连接,以通过调整可变电阻R1的阻值来设置中频模块202的增益。根据本领域惯用技术手段可知,可变电阻R1的阻值改变的方式可以是:数字处理器211可通过控制电子开关管等开关器件的打开和闭合状态,来改变可变电阻R1的阻值。本实施例的中频模块202为差分结构,实际上,也可以采用单端输入单端输出结构。
如图5所示,所述射频模块203包括依次连接的混频器204和前置功率放大器205,中频模块202的输出端与混频器204的输入端连接,前置功率放大器205的输出端与匹配网络206的输入端连接;所述前置功率放大器205包括四个跨导单元和一负载。四个跨导单元分别记为跨导单元2051、跨导单元2052、跨导单元2053、跨导单元2054。
四个跨导单元的结构相同,只是晶体管的尺度不同。具体的,跨导单元由四个晶体管构成,四个晶体管分别记为第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3和第四晶体管M4,第一晶体管M1的栅极与第二晶体管M2的栅极连接,第三晶体管M3的栅极与混频器204的第一输出端VRFP(可为混频器204的射频信号输出正端)连接,,第四晶体管M4的栅极与混频器204的第二输出端VRFM(可为混频器204的射频信号输出负端)连接,第一晶体管M1的源极与第三晶体管M3漏极连接,第二晶体管M2的源极与第四晶体管M4的漏极连接,第三晶体管M3的源极和第四晶体管M4的源极均接地,第一晶体管M1的漏极和第二晶体管M2的漏极与负载的输入端连接,负载的输出端与匹配网络206的输入端连接。四个跨导单元的晶体管的尺寸按照1:20:21:22的比例设置。即跨导单元2051的晶体管的尺寸:跨导单元2052的晶体管的尺寸:跨导单元2053的晶体管的尺寸:跨导单元2054的晶体管的尺寸=1:1:2:4。
所述增益调整模块的数字处理器211的射频增益控制信号输出端与第一晶体管M1的栅极连接,以通过打开和关闭跨导单元的数量来设置射频模块203的增益。具体原理为:在射频模块203中,6dB增益步进在PPA内采用单位跨导电路复制的方法实现,方便而节电。PPA的电压增益为等效跨导与负载电阻的乘积。改变增益的办法无外改变其输入跨导或负载电阻,或同时改变。但作为发射链路的最后一级,PPA的输出负载直接连到发射机芯片101外部参与阻抗匹配,为了保证良好的输出反射系数,只能通过改变输入的跨导来改变增益。图中2051为第0级跨导单元,2054为第4级跨导电路,结构完全一致,只是晶体管的尺寸大小按照1:1:2:4的比例复制。所有跨导单元的第一晶体管M1的漏极耦合一起共同连接到负载,控制信号GC1耦合到跨导单元2051的第一晶体管M1的栅极控制本级跨导单元的导通或关闭,以此类推,控制信号GC4耦合至跨导单元2054的第一晶体管M1。当控制信号全部打开时,所有跨导单元同时工作,此时为最大增益输出;当关掉最后一级跨导单元而其余打开时,则有全部尺寸大小一半的晶体管工作,此时PPA的工作电流为最大时的一半,等效输入跨导为最大时的一半,增益也为最大增益时的一半(即减小6dB);以此类推,二进制比例(8:4:2:1)即可实现(0,-6,-12,-18)的增益,同时其所消耗的电流也将分别对应减半。PPA作为发射链路功耗最大的模块,对其进行优化可实现整个发射机功耗优化。本实施例的整个电路为差分模式。
结合图6所示,根据输出功率转换为控制信号的过程示意。以输出功率的动态范围为-12dBm至5dBm为例,经功率检测器210转换为线性直流电平0.9V到0.3V,再经数字处理器211与参考电平比较转换为数字电平即可得到对应的增益设置,如+5dBm的输出功率强度对应0.3V直流电平对应<0,0>的增益设置,-12dBm的输出功率强度对应0.9V直流电平对应<-12,-5>的增益设置。
本实施例在北斗RDSS发射机系统所要求的5至-12dBm输出功率的动态范围下,均可实现大于40dBc的载波抑制。在低输出功率时其载波抑制优于传统方案,且所对应功耗较低,增益步进误差也较小。传统方案为固定射频增益只在中频模块做增益调节。
此外,上述实施例仅仅以四级跨导单元为例进行说明,实际上,根据设计需求,可以选择使用更多数量的跨导单元。只要多级跨导单元的晶体管的尺寸按照1:20:21:22:……:2n的比例设置即可,其中,n为自然数。
对于本领域的技术人员来说,可根据以上描述的技术方案以及构思,做出其它各种相应的改变以及变形,而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。