CN104081660A - 用于无线发射机的具有可配置效率的基带滤波器和上变频器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了在无线发射机中使用的具有可配置效率的基带滤波器和上变频器。在示例性实施例中，提供了一种装置，其包括具有可配置效率的基带滤波器，和具有可配置效率并耦合至基带滤波器的上变频器。该基带滤波器和上变频器被配置成在第一输出功率范围中以第一效率级别工作并且在第二输出功率范围中以第二效率级别工作。

Description

用于无线发射机的具有可配置效率的基带滤波器和上变频器

背景技术

领域

本申请一般涉及无线设备的工作和设计，更具体而言涉及用于无线设备的可配置发射机的设计和工作。

背景

越来越需要使得无线设备能够进行高质量传送和接收同时消耗低功率。实现高质量的一个关键是与该设备的发射机的性能相关联。例如，期望具有在其整个输出功率范围上高效工作的发射机。

在现有发射机设计中，基带(BB)滤波器和上变频器被用于对基带信号进行滤波并将经滤波信号上变频至射频(RF)以供传输。通常，基带滤波器和上变频器这两者都被配置成用于跨整个输出功率范围的A类工作以满足最大功率处的严格线性要求。不幸的是，在较低输出功率处，诸如在无线设备中典型的会话时间期间，A类工作非常低效由此减少电池寿命。因此期望具有在无线设备中使用的更为高效的发射机。

附图简述

通过参照以下结合附图考虑的描述，本文中所描述的以上方面将变得更易于明了，在附图中：

图1示出了包括基带滤波器和上变频器的常规无线发射机的框图；

图2示出了包括基带滤波器和上变频器的常规无线发射机的一部分；

图3示出了包括可配置基带滤波器和上变频器的示例性实施例的无线发射机的框图；

图4示出了包括可配置基带滤波器和上变频器的示例性实施例的无线发射机的一部分；

图5示出了在无线设备中使用的可配置基带滤波器和上变频器装置的示例性实施例；以及

图6示出了用于在无线设备中提供可配置基带滤波和上变频的方法的示例性实施例。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对本发明的示例性实施例的描述，而非旨在代表可在其中实践本发明的仅有实施例。贯穿本描述使用的术语“示例性”意指“用作示例、实例或解说”，并且不应一定解释成优于或胜于其它示例性实施例。本详细描述包括具体细节以提供对本发明的示例性实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践本发明的示例性实施例。在一些实例中，公知的结构和设备以框图形式示出以免湮没本文中给出的示例性实施例的新颖性。

图1示出了包括基带滤波器102和上变频器104的常规无线发射机100的框图。基带滤波器102接收基带信号并输出输入至上变频器104的经滤波基带信号。上变频器104接收本地振荡器(LO)信号并使用这一LO信号来将经滤波基带信号上变频为输入至驱动器放大器106的射频(RF)信号。驱动器放大器106工作以放大其接收到的RF信号以在其输出端产生经放大RF信号。

在这一常规发射机100中，基带滤波器102和上变频器104被配置成贯穿整个发射功率范围用于A类工作。例如，基带滤波器102和上变频器104被配置成用于A类工作以满足最大功率处的严格线性要求。不幸的是，在较低输出功率处，诸如在无线设备中典型的会话时间期间，A类工作非常低效由此减少电池寿命。

图2示出了包括基带滤波器202和上变频器204的常规无线发射机200的一部分。在这一常规发射机200中，基带滤波器202和上变频器204被配置成贯穿整个发射功率范围用于A类工作。

在工作期间，数模转换器(DAC)在当前域中生成经调制基带信号。DAC电流(I_DAC)包括直流(I_DC)分量和具有振幅I_m的交流(AC)分量。信号电流和DC电流通过以下表达式相关。

I_m＝I_DC(全刻度)   (1)

BB滤波器202包括具有两个极的电流镜(CM)，这两个极分别具有时间常数R1*C1和R2*C2。BB滤波器202的输入环包括晶体管M1、M2。晶体管Mp将DC分量(I_尾＝0.15I_DC)添加至DAC电流以改善高功率电平处的线性。输入电流I_in由BB滤波器增益因子(G_bbf)来镜像和放大。因为有四个信道，上变频器204的DC电流可从以下表达式来确定。

I_upc＝4*G_bbf*(I_DC+I_尾)   (2)

图3示出了包括可配置基带滤波器302和上变频器304的示例性实施例的无线发射机300的框图。例如，基带滤波器302和上变频器304可以可配置效率来工作。可配置基带滤波器302接收基带信号并输出输入至可配置上变频器304的经滤波基带信号。上变频器304接收本地振荡器(LO)信号并使用这一LO信号来将经滤波基带信号上变频为输入至驱动器放大器306的射频(RF)信号。驱动器放大器306工作以放大其接收到的RF信号以在其输出端产生经放大RF信号。

当以高发射功率工作时，基带滤波器302和上变频器304可被配置成工作在A类工作模式(即，第一效率级别)以满足最大功率要求。当在会话区间期间或者在使用较低发射功率时的其它时间期间工作时，基带滤波器302和上变频器304可被配置成工作在更高效率工作模式(即，第二效率级别)，诸如A/B类，B类或C类模式，其比第一效率等级提供更多效率并因此节省电池电量。

提供确定发射机300的输出功率要求的控制器308。例如，控制器308从无线设备中的另一实体(未示出)接收发射机300的输出功率要求的指示。控制器308工作以输出被耦合至基带滤波器302和上变频器304的类选择信号(a,b)320。出于这一描述的目的，类选择信号(a,b)被用于配置基带滤波器302和上变频器304以工作在第一效率级别(即，A类工作模式)或工作在第二效率级别，诸如取决于输出功率要求的B类工作模式或更高工作模式。应注意，在各种示例性实施例中，基带滤波器302和上变频器304可被配置成工作在若干更高效率工作模式，诸如A/B类、B类或C类。因此，在基带滤波器302和上变频器304被配置成工作在更高效率工作模式中时的区间期间；消耗较低功率由此增加了无线设备的电池寿命。

图4示出了包括可配置基带滤波器402和上变频器404的示例性实施例的无线发射机400的一部分。例如，发射机400适于用在无线设备中。基带滤波器402和上变频器404具有可配置效率并且在A类工作模式(第一效率级别)中的工作和在更高效率工作模式(诸如，A/B类、B类、或C类(第二效率级别))中的工作之间是可配置的。更高效率工作模式在低输出功率期间使用以节省会话时间期间或其它低输出功率时间区间期间的电池电流。基带滤波器402和上变频器404可在发射机的最大功率范围处被配置在A类工作模式中以满足最大功率要求。

以下描述发射机400的工作，其中更高效率工作模式是B类工作模式。然而，在其它实施例中，更高效率工作模式可以是另一高效率工作模式，诸如A/B类工作模式或C类工作模式。

如图4中所示，BB滤波器402包括：具有包括晶体管(Mb)的可变DC电流漏出(bleed)电路406的DAC；包括晶体管(Mrn、Mrp)的半波电流整流器电路408；单极RC滤波器(R1、C1)；包括晶体管(M1、M2和Mp)的可配置跨阻输入环410；以及第二RC极(R2，C2)。上变频器404包括包含馈送上变频器四开关器件414的一组晶体管(指定为M3)的可配置跨导单元412。

BB滤波器402和上变频器404进一步包括附加电路系统和开关，用于在A类工作模式和更高效率工作模式之间配置BB滤波器402和上变频器404。例如，BB滤波器402和上变频器404的效率可由开关416-420以及开关422-425来配置。开关工作以设置偏置状态和电路连接，该偏置状态和电路连接配置BB滤波器402和上变频器404以在A类工作模式或更高效率工作模式(例如，B类工作模式)之一中工作。

控制器308(图4中未示出)工作以控制各开关的操作，如下所述。例如，为了配置基带滤波器402和上变频器404以在A类工作模式中工作，开关422-425被设置为“导通”状态(即，闭合)并且开关416-420被设置为“关闭”状态(即，断开)。为了配置基带滤波器402和上变频器404以在更高效率B类工作模式中工作，开关422-425被设置为“关闭”状态并且开关416-420被设置为“导通”状态。控制器308工作以输出开关控制信号a、b来控制各开关(即，设置关闭或导通状态)以启用A类工作模式或更高效率B类工作模式。

在更高效率B类工作模式中，电流漏出电路406工作以将DAC输出的DC电流分量(I_DC)通过晶体管Mb排出到地面。具有振幅(I_m)的其余AC电流行进以对半波电流整流器电路408的晶体管Mrn和Mrp进行整流。

半波电流整流器电路408选择DAC AC电流的正循环。晶体管Mrp处理该电流的正循环并生成半波经整流电流脉冲，该半波经整流电流脉冲行进至可配置跨阻输入环410的晶体管M1的源极。DAC AC电流的负循环经由晶体管Mrn被路由至1.2V电源。

可配置跨阻输入环410工作来以低功率节省额外电流。通过关闭晶体管Mp来关闭尾电流源并将晶体管M1的栅极连接至2.1V电源，从而有效地将电流镜的输入环切换至围绕晶体管M2的二极管式连接的晶体管。

该电流脉冲通过晶体管M2并由BB滤波器的增益来放大(2*G_bbf)，这在该示例性实施例中加倍以补偿负脉冲电流的损失。每信道的信号电流流经跨导单元412的输出晶体管M3。

半波经整流电流脉冲的傅立叶系列分析显示流经每信道输出晶体管M3的这一周期性半波经整流信号可被分解成具有(2*G_bbf*I_m/π)的值的DC信号，以及具有(G_bbf*I_m)的值的基波。因为有四个信道，故上变频器DC电流可从以下表达式中确定。

I_upc＝8*G_bbf*I_m/π   (3)

当工作在B类(class)模式中时，由BB滤波器和上变频器的各实施例提供的电流节省可从以下表达式来计算。

$\frac{I_{\mathrm{upc},\mathrm{class}-b}}{I_{\mathrm{upc},\mathrm{class}-a}}=\frac{8*G_{\mathrm{bbf}}*\left(\frac{I_m}{\mathrm{\π}}\right)}{4*G_{\mathrm{bbf}}*(I_{\mathrm{DC}}+I_{\mathrm{tail}})}---\left(4\right)$

$\frac{I_{\mathrm{upc},\mathrm{class}-b}}{I_{\mathrm{upc},\mathrm{class}-a}}=\frac{2*I_m}{I_{\mathrm{DC}}*(1+0.15)*\mathrm{\π}}---\left(5\right)$

$\frac{I_{\mathrm{upc},\mathrm{class}-b}}{I_{\mathrm{upc},\mathrm{class}-a}}=0.55---\left(6\right)$

其中I_upc,class-b和I_upc,class-a分别是A类和B类工作中的上变频器的DC1.2V供电电流。应注意，经由晶体管Mrn路由至1.2V电源的经整流负电流循环将1.2V供电电流增加了(I_m/π)。然而，因为Gbbf在12的量级上，则式(4)到(6)是电流节省的基本准确表示。如由以上表达式示出的，与常规电路相比，基带滤波器和上变频器的示例性实施例操作以减少上变频器电流消耗达超过44％。

图5示出了在无线设备中使用的可配置基带滤波器和上变频器装置500的示例性实施例。例如，装置500适于作为图4中示出的BB滤波器402和上变频器404使用。在一方面，装置500由被配置成提供如本文中所描述的功能的一个或多个模块来实现。例如，在一方面，每个模块包括硬件和/或执行软件的硬件。

装置500包括第一模块，该第一模块包括用于对基带信号进行滤波以生成经滤波基带信号的装置(502)，并且其中用于滤波的装置以可配置效率工作，该用于滤波的装置在一方面包括BB滤波器402。

装置500还包括第二模块，该第二模块包括用于上变频经滤波基带信号以生成射频信号的装置(504)，并且其中用于上变频的装置以可配置效率工作，该用于上变频的装置在一方面包括上变频器404。

装置500还包括第三模块，该第三模块包括用于配置用于滤波的装置(502)和用于上变频的装置(504)以在第一输出功率范围中以第一效率级别工作并且在第二输出功率范围中以第二效率级别工作的装置(506)，该装置(506)在一方面包括开关416-420和422-425。

图6示出了用于在无线设备中提供可配置基带滤波和上变频的方法600的示例性实施例。例如，在示例性实施例中，方法600由图3中示出的控制器308联合图4中示出的BB滤波器402和上变频器404执行。

在框602，执行滤波以对基带信号进行滤波从而生成经滤波基带信号。以可配置效率来执行滤波。在示例性实施例中，由图4中示出的基带滤波器402来执行滤波。

在框604，执行上变频以上变频经滤波基带信号从而生成射频信号。以可配置效率来执行上变频。在示例性实施例中，由图4中示出的上变频器404来执行上变频。

在框506，执行配置以将滤波和上变频配置为在第一输出功率范围中以第一效率级别执行并且在第二输出功率范围中以第二效率级别执行。例如，在示例性实施例中，第一输出功率范围高于第二输出功率范围并且第二效率级别高于第一效率级别。在示例性实施例中，由图3中示出的控制器308来执行配置。

本领域技术人员将理解，信息和信号可使用各种不同技术和技艺中的任何一种来表示或处理。例如，以上描述通篇可能引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。还应注意晶体管的类型和技术可被替换、重新安排或以其他方式修改以达成相同的结果。例如，可以把示为利用PMOS晶体管的电路修改为使用NMOS晶体管，反之亦然。由此，本文中所公开的放大器可以使用各种晶体管类型和技术来实现，并且不受限于附图中所示的这些晶体管类型和技术。例如，可以使用诸如BJT、GaAs、MOSFET之类的晶体管类型或任何其他的晶体管技术。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑框、模块、电路、和算法步骤可被实现为电子硬件、计算机软件、或两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、块、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员可针对每种特定应用以不同方式来实现所描述的功能性，但此类实现决策不应被解读为致使脱离本发明的示例性实施例的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑块、模块、和电路可用设计成执行本文所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件、或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协同的一个或多个微处理器或任何其它此类配置。

结合本文所公开的实施例描述的方法或算法的各个步骤可直接用硬件、由处理器执行的软件模块或两者的组合来实现。软件模块可驻留在随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦式可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质被耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读和写信息。替换地，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。替换地，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括非瞬态计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地到另一地的转移的任何介质。非瞬态存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其他介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述组合应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供了对所公开的示例性实施例的描述是为了使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本发明。对这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文中定义的一般原理可被应用于其他实施例而不会脱离本发明的精神或范围。因此，本发明并非意在被限定于本文中所示出的示例性实施例，而是应当被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

具有可配置效率的基带滤波器；

具有可配置效率并耦合至所述基带滤波器的上变频器，并且其中所述基带滤波器和上变频器被配置成在第一输出功率范围中以第一效率级别工作并且在第二输出功率范围中以第二效率级别工作。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二效率级别大于所述第一效率级别。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括操作用于基于选定输出功率电平来配置所述基带滤波器和所述上变频器以在所述第一或第二效率级别工作的控制器。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一效率级别由A类工作模式提供并且所述第二效率级别由A/B类、B类以及C类工作模式之一提供。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述基带滤波器包括被配置成减少数模转换器(DAC)输出的DC电平的DC漏出电路，并且其中所述DC漏出电路基于所述选定输出功率电平可配置用于在所述第一或第二效率级别工作。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述DC漏出电路包括晶体管，所述晶体管具有连接至所述DAC输出的漏极端、连接至系统接地的源极端、以及选择性地连接至所述系统接地和偏置电压之一的栅极端。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述基带滤波器包括被配置成接收所述DAC输出并产生经整流输出的整流器电路，并且其中所述整流器电路基于所述选定输出功率电平可配置用于在所述第一或第二效率级别工作。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述整流器电路包括第一和第二晶体管，所述第一和第二晶体管具有选择性地连接至所述DC漏出电路的连接的源极端。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，进一步包括被配置成接收所述经整流输出并移除尾电流以生成经调节经整流输出的跨阻环，并且其中所述跨阻电路基于所述选定输出功率电平可配置用于在所述第一或第二效率级别工作。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述跨阻环包括耦合至所述整流器电路的第一、第二和第三晶体管。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，进一步包括被配置成放大来自所述跨阻环的所述经调节经整流输出的跨导单元，并且其中所述跨导单元基于所述选定输出功率电平可配置用于在所述第一或第二效率级别工作。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述跨导单元包括耦合至所述跨阻环的至少一个晶体管。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一输出功率范围高于所述第二输出功率范围。

14.一种设备，包括：

用于对基带信号进行滤波以生成经滤波基带信号的装置，并且其中用于滤波的装置具有可配置效率；

用于上变频所述经滤波基带信号以生成射频信号的装置，并且其中用于上变频的装置具有可配置效率；以及

用于配置所述用于滤波的装置和所述用于上变频的装置以在第一输出功率范围中以第一效率级别工作并且在第二输出功率范围中以第二效率级别工作的装置。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第二效率级别大于所述第一效率级别。

16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第一效率级别由A类工作模式提供并且所述第二效率级别由A/B类、B类以及C类工作模式之一提供。

17.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第一输出功率范围高于所述第二输出功率范围。

18.一种方法，包括：

对基带信号进行滤波以生成经滤波基带信号，并且其中所述滤波以可配置效率来执行；

上变频所述经滤波基带信号以生成射频信号，并且其中所述上变频以可配置效率来执行；以及

配置所述滤波和所述上变频以在第一输出功率范围中以第一效率级别执行并且在第二输出功率范围中以第二效率级别执行。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述配置包括配置所述滤波和所述上变频，其中所述第一效率级别由A类工作来提供并且所述第二效率级别由A/B类、B类以及C类工作之一来提供。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述配置包括配置所述滤波和上变频，其中所述第一输出功率范围高于所述第二输出功率范围。