CN104124985A - 无线发射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线发射器，包含数字基带模块和射频发射器。数字基带模块通过使用多个数字合成器来产生多模式调制信号。射频发射器包含频率合成器和数字功率放大器。频率合成器产生具有射频载波频率的振荡信号。数字功率放大器依据该多模式调制信号和该振荡信号来产生多标准的射频信号。本发明提出的无线发射器具有更小的芯片尺寸、更低的成本和更低的电流消耗。

Description

无线发射器

【技术领域】

本发明关于信号传输，尤其关于一种用于符合不同通信标准的信号多模式（multi-mode）并行传输（concurrent transmission）的无线发射器。

【背景技术】

多模式/多标准（multi-mode/multi-standard）无线电设备是未来的趋势。在一种传统的发射器设计中，需要两个不同的无线电设备来支持双模式并行传输。在另一种传统设计中，需要多个功率放大器、一个可配置的滤波器和一个可配置的混频器来支持双模式（dual-mode）并行传输。每种传统的发射器设计有着大量的芯片面积以及高电流消耗。因此，非常希望具有更小的芯片尺寸、最低的成本和较低的电流消耗的多模式/多标准无线电设备。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供一种无线发射器。

依据本发明的第一方面，提出一种示范性无线发射器。该示范性无线发射器包含：数字基带模块，被设置为通过使用多个数字合成器来产生多模式调制信号；以及射频发射器，包含：频率合成器，被设置为产生具有射频载波频率的振荡信号；以及数字功率放大器，被设置为依据该多模式调制信号和该振荡信号来产生多标准的射频信号。

依据本发明的第二方面，提出一种示范性无线发射器。该示范性无线发射器包含：数字基带模块，被设置为依据不同的通信标准，产生具有不同频率偏移的多模式调制信号，其中该数字基带模块使用数字信号组合器来输出该多模式调制信号；以及射频发射器，包含：频率合成器，被设置为产生具有射频载波频率的振荡信号；以及数字功率放大器，被设置为依据该不同的通信标准来产生多标准的射频信号用于不同信道。

依据本发明的第三方面，提出一种示范性无线发射器。该示范性无线发射器包含：数字基带模块，被设置为产生多个单模式调制信号，其中该单模式调制信号包含WiFi信号和蓝牙信号；以及射频发射器，被设置为依据多模式调制信号来产生多标准的射频信号，其中该多模式调制信号由信号组合器依据该多个单模式调制信号来产生。

上述无线发射器具有更小的芯片尺寸、更低的成本和更低的电流消耗。

【附图说明】

图1为依据本发明第一实施例的无线发射器的示意图。

图2为由图1所示数字基带模块102产生和处理的信号的频谱示意图。

图3为由图1所示的RF发射器104所产生和处理的信号的频谱示意图。

图4为依据本发明实施例的基于正交同相的数字无线电设计的示意图。

图5为图4所示的一个功率数模转换器的示范性电路设计的示意图。

图6为依据本发明实施例的基于极坐标的数字无线电设计的示意图。

图7为依据本发明第二实施例的无线发射器的示意图。

【具体实施方式】

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域中技术人员应可理解，电子装置制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接到第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

因为深亚微米互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的进步，数字电路将变得更小并消耗更少的功率。因此，这对于将模拟密集型无线电设计转化为更多的数字密集型无线电设计是一个很强的推动力，以充分利用生产工艺规模。本发明示例性实施例提出了一种在无线发射器中使用数字无线电设计以用于多模式并行传输。可替换地，所提出的数字基带处理可与模拟无线电设计协作，以实现多模式并行传输。相较于传统的设计，所提出的无线发射器具有更小的芯片尺寸、最低成本和更低的电流消耗。进一步的细节将参照附图进行说明。

图1为依据本发明第一实施例的无线发射器的示意图。无线发射器100包含数字基带模块102和射频（RF）发射器104。无线发射器100支持多模式/多标准并行传输，例如双模式并行传输。因此，该数字基带模块102被配置为具有多个基带信号发生器和多个数字合成器，其中所述多个信号发生器分别用于产生多个单模式（single-mode）调制信号，以及所述多个数字合成器分别用于处理所述多个单模式调制信号，以产生多个频移（frequency-shifted）调制信号。考虑一种情况，所述无线发射器100被设计为执行符合第一通信标准的第一信号（例如，无线保真（WiFi）信号）和符合第二通信标准的第二信号（例如，蓝牙（BT）信号）的双模式并行传输。因此，如图1所示，数字基带处理模块102中实现的基带信号发生器包含WiFi信号发生器112和蓝牙信号发生器114，以及在基带信号发生器102中实现的数字合成器包含一个耦接于WiFi信号发生器112的数字合成器116和另一个耦接于蓝牙信号发生器114的数字合成器118。WiFi信号发生器112产生一个单模式调制信号（即，WiFi信号S1_D）给数字合成器116，以及蓝牙信号发生器114产生另一个单模式调制信号（即，蓝牙信号S2_D）给数字合成器118，其中WiFi信号S1_D和蓝牙信号S2_D的每一者是数字基带信号。WiFi信号发生器112和蓝牙信号发生器114的每一者可使用能够产生所希望的数字基带信号的传统信号调制器设计来实现。举例来说，而非限制，WiFi信号发生器112还可以包含上采样器（up-sampler）和频率转换器（rateconverter）来调节WiFi信号S1_D的采样率；同样地，蓝牙信号发生器114还可以包含上采样器和频率转换器来调节蓝牙信号S2_D的采样率。

数字基带模块102根据不同的通信标准（例如，WiFi和蓝牙）产生具有不同频率偏移量（例如f1,f2）的多模式调制信号S_{BB_D}。在本实施例中，数字合成器116通过对WiFi信号S1_D的每个样本乘以调整值e^{j·2π·f1·n·fs}，将频率偏移量f1应用到WiFi信号S1_D，其中fs是采样频率。类似地，数字合成器118通过对蓝牙信号S2_D的每个样本乘以调整值e^{j·2π·f2·n·fs}，将频率偏移量f2应用到蓝牙信号S2_D。WiFi信号S1_D和蓝牙信号S2_D的每一者是数字基带信号，具有集中于一个直流值（即，0）的频带。换句话说，WiFi信号S1_D和蓝牙信号S2_D是单模式调制信号，具有重叠的频带，并且如果两者被同时发送，将会相互干扰。为了避免不希望的干扰，数字合成器116和118用于使频移调制信号S1_D’和S2_D’具有非重叠的频带。在一个示范性设计中，频率偏移量f1和f2可包含正频率偏移和负频率偏移。

如图1所示，数字基带模块102还包含耦接至所述数字合成器116、118的信号组合器119。信号组合器119是用于合并频移调制信号S1_D’和S2_D’来产生多模式调制信号S_{BB_D}的数字信号组合器。在本实施例中，多模式调制信号S_{BB_D}是一个携带WiFi数据和蓝牙数据的双模式调制信号。

请参考图2，其为由图1所示数字基带模块102产生和处理的信号的频谱示意图。在一个示范性设计中，频率偏移量f1是一个比DC值小的负频率偏移，且频率偏移f2是一个比DC值大的正频率偏移。相较于频率偏移f1，f2都为正频率偏移或都为负频率偏移的替代设计，图2所示的示例性设计可以缓解后续RF发射器104的频率带宽要求。

在基带的多模式调制信号S_{BB_D}从数字基带模块102产生后，RF发射器104将多模式调制信号S_{BB_D}转换成多标准（multi-standard）射频信号S_RF。在本实施例中，RF发射器104采用了数字无线电体系结构，并且包含一个单一的数字功率放大器（digital power amplifier，DPA）122和一个单一的频率合成器124。频率合成器124被设置为产生具有RF载波频率fc的振荡信号LO，所述数字功率放大器122配备有模拟-数字转换功能以及上变频功能。因此，数字功率放大器122根据所述多模式调制信号S_{BB_D}和振荡信号LO来产生多标准射频信号S_RF。请参考图3，其为由图1所示的RF发射器104所产生和处理的信号的频谱示意图。随着由数字功率放大器122进行上变频，WiFi数据通过集中在RF频率fc+f1的频带来传输，以及蓝牙数据通过集中在RF频率fc+f2的频带来同时传输。或者，依据不同的通信标准，数字功率放大器122产生多标准射频信号用于不同信道，以这种方式，实现了无干扰的双模式并行传输。

数字功率放大器122可以使用基于正交同相的数字无线电设计或基于极坐标的数字无线电设计，这取决于实际设计考虑。相较于基于极坐标的数字无线电设计，基于正交同相的数字无线电设计可以支持更宽频带的信号传输，并且可以更容易地进行配置。因此，为了实现宽带无线通信系统中的信号并行传输，优选基于正交同相的数字无线电设计。然而，这并不意味着是对本发明的限制。

图4为依据本发明实施例的基于正交同相的数字无线电设计的示意图。图1所示的数字功率放大器122可以使用图4所示的基于正交同相的数字功率放大器400来实现。基于正交同相的数字功率放大器400包含幅度和符号发生器402、多个相位选择器404_1和404_2、用于同相（I）信道的多个功率数模转换器（DAC）406_1（表示为“I-power DAC”）、用于正交（Q）信道的多个功率数模转换器406_2（表示为“Q-power DAC”）、以及变压器408。多模式调制信号S_{BB_D}的每个样本由一个同相数字字IDPA_W和一个正交数字字QDPA_W组成。幅度和符号发生器402提取同相数字字IDPA_W的符号部分Sign(IDPA_W)和幅度部分Mag(IDPA_W)，以及还提取正交数字字QDPA_W的符号部分Sign(QDPA_W)和幅度部分Mag(QDPA_W)。该符号部分Sign(IDPA_W)和Sign(QDPA_W)分别作为相位选择器404_1和404_2的控制信号。相位选择器404_1接收由上述频率合成器124产生的振荡信号LO的差分同相振荡输入LO_I，并因应所述符号部分Sign(IDPA_W)来设定差分同相振荡信号LO_I+和LO_I-。更具体地讲，当符号部分Sign(IDPA_W)具有第一逻辑值时，差分同相振荡输入LO_I的正信号和负信号分别被输出作为同相振荡信号LO_I+和LO_I-；而当符号部分Sign(IDPA_W)具有第二逻辑值时，差分同相振荡输入LO_I的正信号和负信号分别被输出作为差分同相振荡信号LO_I-和LO_I+。类似地，相位选择器404_2接收由上述频率合成器124产生的振荡信号LO的差分正交振荡输入LO_Q，并且因应所述符号部分Sign(QDPA_W)来设定差分正交振荡信号LO_Q+和LO_Q-。更具体地讲，当符号部分Sign(QDPA_W)具有第一逻辑值时，差分正交振荡输入LO_Q的正信号和负信号分别被输出作为差分正交振荡信号LO_Q+和LO_Q-；而当该符号部分Sign(QDPA_W)具有第二逻辑值时，差分正交振荡输入LO_Q的正信号和负信号分别被输出作为差分正交振荡信号LO_Q-和LO_Q+。

功率数模转换器406_1由幅度部分Mag(IDPA_W)的数字位和差分同相振荡信号LO_I-和LO_I+来控制，并产生输出电流至正输出节点IP和负输出节点IN。类似地，功率数模转换器406_2由幅度部分Mag(QDPA_W)的数字位和差分正交振荡信号LO_Q-和LO_Q+来控制，并产生输出电流至正输出节点QP和负输出节点QN。由于功率数模转换器406_1和406_2具有相同的电路结构，其中一个功率数模转换器406_1的示例性电路设计示于图5，用于说明目的。晶体管M1和M2都通过偏置电压Vgb来偏置。晶体管M3是由振荡信号LO_I+和数字输入BB（其是从幅度部分Mag(IDPA_W)获得）通过与非门502和非门504构成的组合逻辑来控制。晶体管M4由振荡信号LO_I-和相同的数字输入BB通过与非门506和非门508构成的组合逻辑来控制。基于晶体管M3和M4的开/关状态，产生电流输出I_out+和I_out-至正输出节点IP和负输出节点IN。

功率数模转换器406_1和406_2在正输出节点IP和QP的输出电流相加，以及功率数模转换器406_1和406_2在负输出节点IN和QN的输出电流相加。变压器408被用于将由功率数模转换器406_1、406_2的输出电流造成的差分电压输入转换成经由天线（未示出）将用无线电发送的单端电压输出（即，RF信号S_RF）。

图6为依据本发明实施例的基于极坐标的数字无线电设计的示意图。图1所示的数字功率放大器122可以使用图6所示的基于极坐标的数字功率放大器600来实现。基于极坐标的数字功率放大器600包含坐标旋转数字计算机（coordinate rotation digital computer，CORDIC）602、解码器604、可控振荡器606、多个功率放大器608、以及信号组合器610。多模式调制信号S_{BB_D}的每个样本由一个同相数字字I和一个正交数字字Q组成。CORDIC602将笛卡儿坐标系中的同相数字字I和正交数字字Q转换为极坐标系中的数字振幅调制部分AM和数字相位调制部分PM。数字相位调制部分PM控制所述可控振荡器606产生射频输入至每个功率放大器608。数字振幅调制部分AM由解码器604处理，以确定有多少个功率放大器608应被启用（enable）。启用的功率放大器608的输出在信号组合器610相结合以作为RF信号S_RF。

应当指出的是，在图4和图5中所示的数字功率放大器设计仅供说明之用，并不意味着是对本发明的限制。即，能够基于所提出的数字基带模块102产生的多模式调制信号S_{BB_D}来输出多标准射频信号S_RF的任何数字无线电架构可由RF发射器104使用。这些替代设计都落入本发明的范围之内。

在图1所示的上述实施例中，频移调制信号的信号组合是在数字域中执行的。在另一种设计中，频移调制信号的信号组合可以在模拟域中进行。请参考图7，其为依据本发明第二实施例的无线发射器的示意图。无线发射器700包含数字基带模块702和RF发射器704。无线发射器700支持多模式/多标准并行传输，例如双模式并行传输。因此，该数字基带模块702被配置为具有多个基带信号发生器和多个数字合成器。考虑一种情况，其中所述无线发射器700被设计为执行符合第一通信标准的第一信号（例如，WiFi信号）和符合第二通信标准的第二信号（例如，蓝牙信号）的双模式并行传输。因此，如图7所示，数字基带模块702被配置为具有上述WiFi信号发生器112、蓝牙信号发生器114、以及数字合成器116和118。数字基带模块102和702之间的主要区别在于，数字基带模块702中没有实施数字信号组合器。本领域的技术人员在阅读了上述关于数字基带模块102的段落后可以容易地理解数字基带模块702的细节，为简便起见，进一步的描述在此不再赘述。

RF发射器704包含多个数模转换器、信号组合器706、上变频电路708和上述频率合成器124。当无线发射器700被设计为执行符合第一通信标准的第一信号（例如，WiFi信号）和符合第二通信标准的第二信号（例如，蓝牙信号）的双模式并行传输时，RF发射器704被设计成具有两个数模转换器702、704，其中数模转换器702被设置为将一个数字基带信号（即，频移调制信号S1_D’）转换成模拟基带信号S1_A，以及数模转换器704被设置为将另一个数字基带信号（即，频移调制信号S2_D’）转换成模拟基带信号S2_A。信号组合器706是模拟信号组合器，用于将模拟基带信号S1_A和S2_A组合，以产生多模式调制信号S_{BB_A}。在本实施例中，多模式调制信号S_{BB_A}是一个携带WiFi数据和蓝牙数据的双模式调制信号，并且可以被看作是图1所示的多模式调制信号SB_{B_D}的模拟版本。

在基带的多模式调制信号S_{BB_A}从信号组合器706产生后，上变频电路708对多模式调制信号S_{BB_A}执行上变频，以用于无线电传输。在本实施例中，RF发射器104采用传统的模拟无线电架构。因此，频率合成器124产生具有RF载波频率fc的振荡信号LO，上变频电路708根据所述多模式调制信号S_{BB_A}和振荡信号LO来将多模式调制信号S_{BB_A}转换成多标准射频信号F_RF。以这种方式，可以实现通过如图3所示的非重叠频带来发射WiFi数据和蓝牙数据的相同目的。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定者为准。

Claims (22)

1.一种无线发射器，其特征在于，该无线发射器包含：

数字基带模块，被设置为通过使用多个数字合成器来产生多模式调制信号；以及

射频发射器包含频率合成器和数字功率放大器，其中：

该频率合成器，被设置为产生具有射频载波频率的振荡信号；以及该数字功率放大器，被设置为依据该多模式调制信号和该振荡信号来产生多标准射频信号。

2.如权利要求1所述的无线发射器，其特征在于，该数字基带模块包含：

多个基带信号发生器，被设置为分别产生多个单模式调制信号；

该多个数字合成器，被设置为分别处理该多个单模式调制信号，以产生多个频移调制信号；以及

数字信号组合器，被设置为将该多个频移调制信号组合以产生该多模式调制信号。

3.如权利要求2所述的无线发射器，其特征在于，该多个频移调制信号具有非重叠的频带。

4.如权利要求1所述的无线发射器，其特征在于，该基带信号发生器包含WiFi信号发生器。

5.如权利要求1所述的无线发射器，其特征在于，该基带信号发生器包含蓝牙信号发生器。

6.一种无线发射器，其特征在于，包含：

数字基带模块，被设置为依据不同的通信标准，产生具有不同频率偏移的多模式调制信号，其中该数字基带模块使用数字信号组合器来输出该多模式调制信号；以及

射频发射器包含频率合成器和数字功率放大器，其中：

该频率合成器，被设置为产生具有射频载波频率的振荡信号；以及

该数字功率放大器，被设置为依据该不同的通信标准来产生多标准射频信号用于不同信道。

7.如权利要求6所述的无线发射器，其特征在于，该数字基带模块还被设置为产生多个单模式调制信号，对该多个单模式调制信号应用该不同的频率偏移以产生多个频移调制信号，以及将该多个频移调制信号数字组合以产生该多模式调制信号。

8.如权利要求7所述的无线发射器，其特征在于，该不同的频率偏移包含正频率偏移和负频率偏移。

9.如权利要求7所述的无线发射器，其特征在于，该多个频移调制信号具有非重叠的频带。

10.如权利要求7所述的无线发射器，其特征在于，该多个单模式调制信号包含WiFi信号。

11.如权利要求7所述的无线发射器，其特征在于，该多个单模式调制信号包含蓝牙信号。

12.一种无线发射器，其特征在于，包含：

数字基带模块，被设置为产生多个单模式调制信号，其中该多个单模式调制信号包含WiFi信号和蓝牙信号；以及

射频发射器，被设置为依据多模式调制信号来产生多标准射频信号，其中该多模式调制信号由信号组合器依据该多个单模式调制信号来产生。

13.如权利要求12所述的无线发射器，其特征在于，该信号组合器为数字信号组合器。

14.如权利要求13所述的无线发射器，其特征在于，该数字基带模块包含：

多个基带信号发生器，被设置为分别产生多个单模式调制信号；

多个数字合成器，被设置为应用不同的频率偏移至该多个单模式调制信号，以产生多个频移调制信号；以及

该信号组合器，被设置为将该多个频移调制信号组合以产生该多模式调制信号。

15.如权利要求14所述的无线发射器，其特征在于，该不同的频率偏移包含正频率偏移和负频率偏移。

16.如权利要求14所述的无线发射器，其特征在于，该多个频移调制信号具有非重叠的频带。

17.如权利要求14所述的无线发射器，其特征在于，该射频发射器包含：

频率合成器，被设置为产生具有射频载波频率的振荡信号；以及

数字功率放大器，被设置为依据该多模式调制信号和该振荡信号来产生多标准射频信号。

18.如权利要求12所述的无线发射器，其特征在于，该信号组合器为模拟信号组合器。

19.如权利要求18所述的无线发射器，其特征在于，该数字基带模块包含：

多个基带信号发生器，被设置为分别产生多个单模式调制信号；以及

多个数字合成器，被设置为应用不同的频率偏移至该多个单模式调制信号，以产生多个频移调制信号。

20.如权利要求19所述的无线发射器，其特征在于，该不同的频率偏移包含正频率偏移和负频率偏移。

21.如权利要求19所述的无线发射器，其特征在于，该多个频移调制信号具有非重叠的频带。

22.如权利要求18所述的无线发射器，其特征在于，该射频发射器包含：

多个数模转换器，被设置为将该多个频移调制信号转换为多个模拟基带信号；

该信号组合器，被设置为将该多个模拟基带信号组合以产生该多模式调制信号；

频率合成器，被设置为产生具有射频载波频率的振荡信号；以及

上变频电路，被设置为依据该多模式调制信号和该振荡信号来产生该多标准射频信号。