CN104506476A - 一种基于多功放联合调制的无线通信发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多功放联合调制的无线通信发射机，包含一个数字信号串并转换单元，将串行数字信号分成至少两路并行数字信号，输出给一个基带模拟信号合成单元；基带模拟信号合成单元输出基带模拟信号至射频调制单元；射频调制单元通过混频合成将中频信号调制到射频，输出到射频信号合成与输出单元中进行射频功放、滤波，通过双工器输出到天线，实现无线发射。

Description

一种基于多功放联合调制的无线通信发射机

技术领域

本发明涉及一种无线通信设备。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展，无线通信设备已经广泛渗透到我们生活的方方面面。很多小型，微型的无线通信设备的出现，对于无线通信设备的节能要求越来越高。如在无线传感器网络中，设备依靠电池供电，而且由于网络布局一般比较分散，电池很难更换，如果提高设备的能量使用效率就显得十分重要了。另外，在可穿戴的无线通信设备中，电池的容量通常也非常有限，无线数据的发射效率尤为重要，而且，在这样的应用场景中，发射机发热也不能太强，以免影响到设备使用的人机友好性。而在这些无线通信设备中，功率主要是消耗在发射机上，如何提高发射机的工作效率是此类设备设计的核心技术之一。

通常的发射机设计，由于功放本身的非线性效应，在不同的工作点上的效率是不一致的。如果发射信号是恒模信号，通过调整功放的工作点，就可以使功放的工作在效率最优的状态下。但是，恒模信号只有QPSK(正交相移键控)一种，由于调制阶数比较低，在高信噪比高速率传输的时候，无法达到信道的有效容量，浪费了无线通信资源。如果使用16QAM(正交振幅调制)或者64QAM信号，可以满足高速传输的需求，但又由于非恒模的特性，效率有所降低。在通常的发射机设计中，就只能是考虑实际情况，在效率和高速直接寻找平衡点。

另外一方面，对于4G普遍采用的OFDM(正交频分复用)信号来说，峰均比过大，对于功放以及数模转换器的线性度要求太高，对于OFDM系统的实现提出了很大的挑战。传统上来说，除了采用高性能的功放以及数模转换器外，一般采用限幅的方式来控制信号中可能出现的峰值，这样实际上造成了信号的畸变。通常，限幅门限越高，对于功放的性能要求越高。对于一定性能的数模转换器来说，限幅门限和量化噪声也是一对矛盾，门限越高，量化噪声功率越大，而信号畸变越小；要降低量化噪声，则会造成部分情况下的信号畸变。这样，用通常的思路解决峰均比过大的问题是无法获得比较平衡的效果的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用多功放联合调制的方式，有效降低能耗，提升功放效率，降低信号畸变的无线通信发射机。该发射机也可适用于OFDM信号，通过双功放的协同工作，有效降低单功放的峰均比。

为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：

一种基于多功放联合调制的无线通信发射机，其特征在于，包含一个数字信号串并转换单元、一个基带模拟信号合成单元、一个射频调制单元和一个射频信号合成与输出单元；所述数字信号串并转换单元由数字信号源和串并转换模块构成，数字信号源连接外部的待发送的串行数字信号，串并转换模块将串行数字信号分成至少两路并行数字信号，输出给基带模拟信号合成单元；所述基带模拟信号合成单元包括一个正交信号发生器、至少两组模拟开关，来自数字信号串并转换单元的每一路并行数字信号连接一组模拟开关的输入，每组模拟开关的输出均和一个模拟加法器相连，从模拟加法器输出的基带模拟信号，连接到射频调制单元；射频调制单元包括数量与模拟加法器相当的射频调制模块及射频滤波器，每个射频调制模块连接模拟加法器的输出，通过混频合成将中频信号调制到射频，该射频信号通过射频滤波器输出到射频信号合成与输出单元中的一个射频功放进行放大输出；射频信号合成与输出单元中与射频调制模块数量相等的射频功放的输出通过一个合路器、一个滤波器和一个双工器输出到天线，实现无线发射。

上述方案中，所述串并转换模块将串行数字信号分成三路并行数字信号输出给基带模拟信号合成单元。

另一种基于多功放联合调制的无线通信发射机，其特征在于，包含一个基带限幅分路单元、一个射频调制单元和一个射频信号合成与输出单元；所述基带限幅分路单元由OFDM信号源、下限幅放大模块和上限幅放大模块构成，其中，OFDM信号源连接外部的OFDM调制信号，OFDM信号源分两路分别连接上限幅放大模块和下限幅放大模块，上、下限幅放大模块的输出分别连接射频调制单元中的一个射频调制模块，用以将基带模拟信号调制到响应的射频频率上；两个射频调制模块通过各自的射频滤波器连接到射频信号合成与输出单元中的两个射频功放，经放大后的两路射频信号最终通过合路器及滤波器，由天线发射。

与常规发射机相比，本发明的优点是：

1、各个功放都处于恒模工作状态，可以将功放效率调整到其最佳工作点附近，明显提升功放的工作效率。

2、由于可以在更高效率的情况下采用高阶调制，对于增大系统的吞吐量非常有好处。

3、由于对于各个支路来说，都是恒模信号，有用的信息完全是通过信号相位来体现的。信号幅度的变化和失真不会丢失有用信息，因此，系统中的设计是可以简化的。例如，用硬限幅来代替数模转换器，就可以进一步降低系统的能耗以及系统设计的复杂度。这些简化的可能性都是由恒模特性带来的好处。

4、本发明所采取的方案可以灵活地在多种调制方式中进行切换，对于系统高效适应应用环境的变化非常有好处。

5、针对OFDM信号的方案，通过多功放协同的方式提升输出门限，在不增大量化噪声的情况下，成倍提升功放的输出功率，减少信号的畸变。对于单支路来说，信号的峰均比有明显的降低。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明的一个具体实施例(16QAM无线通信发射机)原理框图。

图2是图1发射机16QAM调制信号的各支路星座图以及最终信号星座图。其中(A)图是图1中上侧功放的输出信号的星座图，(B)图示图1中下侧功放输出信号的星座图，(C)图是最终通过天线发射的合成信号的星座图。

图3是本发明的另一个具体实施例(64QAM无线通信发射机)原理框图。

图4是图3发射机64QAM调制信号的各支路星座图以及最终信号星座图。其中(A)图是图3中上侧功放的输出信号的星座图，(B)图示图3中中间功放输出信号的星座图，(C)图示图3中下侧功放输出信号的星座图，(D)图是最终通过天线发射的合成信号的星座图。

图5是本发明的又一个具体实施例(OFDM无线通信发射机)原理框图。

图6是图5发射机OFDM信号的各支路(以两支路为例)信号幅度图以及最终信号幅度图。其中(A)图是图1中上侧功放的输出信号的示意图，(B)图示图1中下侧功放输出信号的示意图，(C)图是最终通过天线发射的合成信号的示意图。

具体实施方式

实施例1

参照图1～图2，一种基于多功放联合调制的无线通信发射机，采用16QAM信号，包括：数字信号串并转换单元、基带模拟信号合成单元、射频调制单元和射频信号合成与输出单元。

数字信号串并转换单元中的串并转换模块连接基带模拟信号合成单元中的模拟开关，用以控制正交信号发生器的输出；正交信号发生器输出的信号经过模拟加法器，形成基带模拟信号，连接射频调制单元中的射频调制模块，用以将基带模拟信号调制到响应的射频频率上；射频调制单元中的射频滤波器连接射频信号合成与输出单元中的射频功放，最终信号通过天线发射。

(1)数字信号串并转换单元

数字信号串并转换单元的作用是将二进制数据流分成并行数据流，再由各个并行发射机调制发射。为了确保最终合成信号的功率均衡，串并转换模块采用间隔分路的方式。如16QAM信号，每个发射符号是4比特，数据分为两路功放合成发射。这样，串并转换模块的设计就是奇数位的比特分配给第一路信号，偶数位的比特分配给第二路信号。对于每一支路来说，每2比特的数据，就进行一次符号合成。最终在合路器上合成出16QAM信号来。

数字信号串并转换单元包含数字信号源和串并转换模块。其中，数字信号源连接外部的待发送的串行数字信号，串并转换模块则将串行数字信号分成两路并行数字信号，并输出给下一级的基带模拟信号合成单元。

(2)基带模拟信号合成单元

基带模拟信号合成单元的作用是，将两路信号分别转换成中频的模拟信号供射频调制发射。转换是采用正交调制的方式，通过一个可以变频的中频信号发生器，以模拟开关的方式控制正交信号的通断，最终通过模拟加法器将信号合成，在两条通路上分别合成恒模的QPSK信号。两路信号从配置上并无差异，最终的差别体现在下一级的功放上。

基带模拟信号合成单元包括正交信号发生器，模拟开关，模拟加法器。从数字信号串并转换单元连接来的数字信号，直接连接在模拟开关上，控制模拟通路的通断。正交信号发生器则产生可变频率的中频正弦信号，同时通过一个移相器产生于其正交的余弦信号，这两路信号分别连接在两个模拟开关上，最终和模拟加法器相连。输入的数字信号，控制正交信号的输出，可以通过模拟加法器产生恒模的QPSK信号。两路信号的星座图如图2中(A)图和(B)图所示，两路信号完全对称。从模拟加法器输出的信号，直接连接到下一级的射频调制单元中。

(3)射频调制单元

射频调制单元的主要功能是将基带模拟信号合成单元输出的中频信号调制到射频，并输出。这个单元的基本功能和普通的射频发射机中的相应部分并无区别。

射频调制单元包括射频调制模块和射频滤波器。射频调制模块连接基带模拟信号合成单元的加法器的输出，通过混频合成将中频信号调制到射频。射频滤波器则对于该信号进行第一次的滤波，然后输出到射频信号合成与输出单元。

(4)射频信号合成与输出单元

射频信号合成与输出单元的功能是对射频信号进行放大输出，通过天线发射出去。为了组合出16QAM信号，两个支路的发射功率是不同的。其中一个支路的信号幅度是另外一个支路的2倍，也就是说，其中一个功放的发射功率是另外一个功放的4倍。这样，在合路器上得到的合成信号才是16QAM信号。

射频信号合成与输出单元包括射频功放，合路器，滤波器，双工器和天线。射频调制单元输出的信号直接连接到射频功放上，进行放大输出。合路器以及发射天线没有特殊的设计，主要包含两路或者三路合路器，双工器，相关的匹配电路以及相应的收发天线。通常来说，系统不可能只是单向工作的，所以天线后端必然有一个双工器用于分开发送和接收信号。对于本发明来说，创新点在发射机部分，接收机采用传统的设计，所以对于接收机的具体设计不做更多的阐述。合路器的输出信号星座图如图2中(C)图所示，已经成为16QAM信号。

实施例2

参照图3～图4，实施例2的发射机基本模块与实施例相同，区别在于，实施例2采用64QAM的信号，所以采用三路发射合并的方式。64QAM方案和16QAM方案没有本质上的区别。由于64QAM信号的每个符号包含6比特的信息，所以从串并转换模块开始，信号被分成三个支路进行传输，每个支路同样是发送QPSK信号。最终在合路器处合成64QAM信号。

三个支路的发射功率也是不同的，幅度呈二倍递增关系。也就是说，如果功率最小的支路的信号幅度是1的话，其它两个支路的信号幅度就是2和4，相应的功率就是4倍和16倍。

实际中，在信噪比变化的情况下，需要采用不同的调制方式来适应系统容量的变化。例如，本发明的64QAM方案就有三个功放。当信道状态比较好的时候，就可以让三个功放同时开启，采用64QAM调制方式发送信号。在信道状况变差的时候，可以关闭一个功放，采用16QAM调制方式发送信号。当信道状态进一步变差的时候，还可以采用单功放的QPSK的方式发送信号。这些切换只需要关闭或者打开其中一些支路即可以，切换方便，不影响整体的工作效率。这也是本发明的重要特点。

实施例3

参照图5～图6，实施例3和之前两个实施例不同的是，方案的输入信号是OFDM基带信号。由于OFDM信号是将信号进行串/并转化，再进行IFFT(逆快速傅里叶变换)变换后产生的非量化数字信号流。和之前描述的针对QAM信号的系统设计的区别是，将数字信号串并转换单元和基带模拟信号合成单元，替换成为基带限幅分路单元，将一路信号分成多路，然后让多路功放输出后在合路器中合并成一路输出。分路的原则和之前的QAM信号的不同，主要由信号的幅度决定。幅度小于门限，就由第一功放单独输出，幅度大于门限，就由两路功放共同输出。

如图5所示，采用OFDM信号的基于多功放联合调制的无线通信发射机，包括：基带限幅分路单元、射频调制单元和射频信号合成与输出单元。其中，基带限幅分路单元包括OFDM信号源，下限幅放大模块和上限幅放大模块。射频调制单元包括射频调制模块和射频滤波器。射频信号合成与输出单元包括射频功放，合路器，滤波器，双工器和天线。

基带限幅分路单元的OFDM信号源连接外部的OFDM调制信号，分两路连接到上下限幅放大模块。上下限幅放大模块则分别连接射频调制单元中的射频调制模块，用以将基带模拟信号调制到响应的射频频率上；射频调制单元中的射频滤波器连接射频信号合成与输出单元中的射频功放，最终信号通过天线发射。

对于OFDM信号来说，本发明只展示了两路分支的系统设计图。实际上，三路或者更多的功放协同工作也是可行的，其设计原理只是在两路分支系统的基础上进行简单扩充就可以了。但是，考虑到成本，传输同步，信号噪声处理等方面的问题，更多的功放协同工作可能会引入更多的问题。通常来说，两路分支设计可以兼顾有效性和合理性，是比较恰当的设计方式。

对于实施例3，其射频调制单元和射频信号合成与输出单元和前面两个实施例完全相同，区别仅仅是基带限幅分路单元。该基带限幅分路单元的功能是，将输入信号根据信号的幅度，分成两路进行输出，包含OFDM信号源，下限幅放大模块和上限幅放大模块。

OFDM的输入信号就是IFFT转化后的数字信号，通常是模拟基带信号。对于上限幅放大模块，如果幅度小于门限值，就将信号直接输出。如果幅度大于门限，则输出饱和信号。对于下限幅放大单元，当幅度小于门限，则不输出信号，当信号幅度大于门限，则放大输出信号。这样分路，可以降低单路的峰均比，提升系统的最大输出功率。

对于OFDM信号来说，两路的发射功率也不同，但并非4倍的关系。由于在基带限幅分路单元处进行了一次非线性的门限处理，使得第一路的的发射功率比较大，第二路只在信号超门限的时候才发射信号，通常发射的功率比较小。两路信号的示意图如图6中(A)图和(B)图所示。

上下限幅放大模块都直接输出到射频调制单元的射频调制模块，将信号调制到射频，再进一步通过射频信号合成和输出单元输出。合成输出的信号如图6中(C)图所示。

Claims (3)

1.一种基于多功放联合调制的无线通信发射机，其特征在于，包含一个数字信号串并转换单元、一个基带模拟信号合成单元、一个射频调制单元和一个射频信号合成与输出单元；所述数字信号串并转换单元由数字信号源和串并转换模块构成，数字信号源连接外部的待发送的串行数字信号，串并转换模块将串行数字信号分成至少两路并行数字信号，输出给基带模拟信号合成单元；所述基带模拟信号合成单元包括一个正交信号发生器、至少两组模拟开关，来自数字信号串并转换单元的每一路并行数字信号连接一组模拟开关的输入，每组模拟开关的输出均和一个模拟加法器相连，从模拟加法器输出的基带模拟信号，连接到射频调制单元；射频调制单元包括数量与模拟加法器相当的射频调制模块及射频滤波器，每个射频调制模块连接模拟加法器的输出，通过混频合成将中频信号调制到射频，该射频信号通过射频滤波器输出到射频信号合成与输出单元中的一个射频功放进行放大输出；射频信号合成与输出单元中与射频调制模块数量相等的射频功放的输出通过一个合路器、一个滤波器和一个双工器输出到天线，实现无线发射。

2.如权利要求1所述的基于多功放联合调制的无线通信发射机，其特征在于，所述串并转换模块将串行数字信号分成三路并行数字信号输出给基带模拟信号合成单元。

3.一种基于多功放联合调制的无线通信发射机，其特征在于，包含一个基带限幅分路单元、一个射频调制单元和一个射频信号合成与输出单元；所述基带限幅分路单元由OFDM信号源、下限幅放大模块和上限幅放大模块构成，其中，OFDM信号源连接外部的OFDM调制信号，OFDM信号源分两路分别连接上限幅放大模块和下限幅放大模块，上、下限幅放大模块的输出分别连接射频调制单元中的一个射频调制模块，用以将基带模拟信号调制到响应的射频频率上；两个射频调制模块通过各自的射频滤波器连接到射频信号合成与输出单元中的两个射频功放，经放大后的两路射频信号最终通过合路器及滤波器，由天线发射。