CN105814801B - 发送机、用于数字rf发送机的功率编码器以及用于发送数据的方法 - Google Patents

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Abstract

发送机包括用于将数据转换成中频(IF)信号的第一数字上变频器、用于将IF信号编码成IF脉冲串的脉冲宽度调制器(PWM)、用于将IF脉冲串转换成射频(RF)脉冲串的第二数字上变频器、用于放大RF脉冲串的功率放大器以及用于根据放大的RF脉冲串重构RF模拟信号的滤波器。

Description

发送机、用于数字RF发送机的功率编码器以及用于发送数据 的方法
技术领域
本发明总体上涉及用于功率放大器的功率编码方案，并且更具体地，涉及一种用于直接数字射频(RF)发送机中的RF开关模式功率放大器的数字脉宽调制编码器。
背景技术
与数字模拟RF发送机相比，直接数字RF发送机(TX)具有若干优势。直接数字RF发送机靠近天线地设置数字模拟接口，使得需要较少的模拟部件。可以大大地缓解以及甚至避免典型的模拟问题，诸如同相位(I)和正交相位(IQ)失配、局部振荡器(LO)泄露、图像失真。直接数字RF发送机还通过由机敏的数字信号处理而使能的多模式和多频带操作来提高系统灵活性。此外，直接数字RF发送机可以利用增加数字处理的速度和密度以及高水平集成的优点。因此，直接数字RF发送机同时对基站和移动应用均有益处。
直接数字RF发送机除了具有重构带通滤波器(BPF)外还包括利用诸如DSM(德尔塔西格玛调制)、PWM(脉宽调制)及PPM(脉冲位置调制)的特定功率编码方案的诸如D类或S类功率放大器的开关模式功率放大器(SMPA)。
在功率方面，RF功率放大器(PA)在发送机中消耗最多能量。该发送机的主要优势在于SMPA总是位于开(饱和)和关(截止)操作区域之间，从而获得高峰效率。但是，如果将常用于第三代(3G)和第四代(4G)蜂窝移动通信系统的非恒定包络信号编码成单个比特数字化信号，则被定义为功率编码效率的整个数字化的信号功率上的带内功率较低，这是因为量化噪声的生成是不可避免的且由于系统线性度规范要求的噪声成型函数而广泛遍布在频域。由于噪声信号也由SMPA放大，因此不期望的噪声功率变得浪费，这造成了过量的功率损失和总TX效率降低。
该问题存在于基于S类功率放大器的带通德尔塔-西格玛调制(BPDSM)中。参见例如U.S.2003/0210746、U.S.2006/0188027、EP 2063536和U.S.7,825,724。
总TX功率效率涉及编码器的功率编码效率以及PA的功率效率。对于处于饱和的功率级的SMPA而言，取决于PA电路设计的PA效率ηPA通常相对较高(>80％)。相比之下，功率编码效率ηCODE是对编码脉冲串p(t)的功率频谱密度(PSD)的直接测量，并且基于编码器的性能。对于具有非恒定包络调制的信号的常规功率编码方案而言，编码器的性能相对较低(<20％)。因此，对于直接数字RF发送机而言，设定发送机的整个效率的上界的功率编码效率ηCODE是首要关注点。为了在调制的非周期切换条件下提高直接数字RF发送机的效率，需要改进功率编码效率。
低的功率编码效率是德尔塔西格玛功率编码方案中噪声成型的结果。因此，一些常规的编码方案使用各种PWM技术以改善功率编码效率。
例如，Blocher等人的“Coding efficiency for different switched-mode RFtransmitter architectures,”Circuits and Systems,2009.MWSCAS'09.52nd IEEEInternational Midwest Symposium on,vol.,no.,pp.276,279,2-5Aug.2009描述了极性PWM结构。在PWM编码器中调制基带信号的包络，其中，通过将包络大小与参考波形(三角或锯齿)进行比较来实施PWM的编码。通常，PWM参考波形的频率是输入信号的基带带宽的10至100倍。该结构可以获得较高的功率编码效率以及所需要的线性度，但是难以数字地执行。此外，由于发送的信号在RF载波频率直接结合，振幅和相位之间的时间对准是较难的，尤其对于宽带信号来说。
另一功率编码效率增强方法是RFPWM，其在Raab,F.H.，“Class-D poweramplifier with RF pulse-width modulation,“Microwave Symposium Digest(MTT),2010IEEE MTT-S International,vol.,no.,pp.924,927,23-28 May 2010中描述。每个RF载波周期，RFPWM的输出信号包括2级(单极或双极-NRZ)或3级波形(双极-RZ)。首先，将基带同相位(I)和正交(Q)上变频至RF域。按照改变的脉宽来编码RF笛卡尔信号的大小以生成脉宽调制的RF信号。通过这样的方法，可以将任何复杂的输入信号映射至适合于开关模式放大的时间连续和振幅离散的输出信号。但是，还通过模拟/RF高速比较器来处理这种编码，这通常是消耗成本和能量的。因此，RFPWM编码器适用于像用于音频应用的D类功率放大器的低载波频率，但是不适于GHz的RF发送机应用。
用于数字实现的其他PWM功率编码方案包括脉冲位置调制(PPM)，例如，U.S.6,993,087中描述的PWM/PPM方案和Thiel,B.T.；Dietrich,S.；Zimmermann,N.；Negra,R.,“System architecture of an all-digital GHz transmitter using pulse-width/position-modulation for switching-mode PAs,”,Microwave Conference,2009.APMC,2009.Asia Pacific,vol.,no.,pp.2340,2343,7-10Dec.2009中描述的脉宽位置调制(PWPM)。与极性PWM相似，在PWM/PPM中，在脉宽中编码包络大小并且将相位信息映射至按PPM编码的脉冲的位置。不同在于：为了适合数字系统的有限的采样速率(例如，RF载波频率的数倍)并且为了符合线性的需要，包络大小和相位信号都应该首先通过带通德尔塔西格玛函数而噪声成形，并且然后通过PWM/PPM处理。但是，噪声成形显著地降低了功率编码效率。
因此，存在对高效率的新功率编码方案的需要，特别是直接数字RF发送机架构的数字实现的能力。
发明内容
本发明的一些实施方式的一个目的是以用于直接数字RF(射频)发送机的需要的线性度，特别是宽的带宽峰值平均功率比(PAPR)移动通信信号，来改善功率编码效率。一些实施方式的进一步的目的是为直接数字RF发送机提供所有数字实现，其可以包括S类功率放大器。
一些实施方式是基于RF脉宽调制(RFPWM)具有较高功率编码效率的辨识。但是对于数字实现，RFPWM需要极高采样时钟速率(50×fRF)以采样RF笛卡尔IQ信号从而保留信号线性度，特别地抑制带内本底噪声和带外图像复制。在FPGA或其它数字处理器的有限制的采样速率以及最大RF SMPA切换速度的情况下，这不可行。
本发明的若干实施方式基于一个认识，通过将PWM输入载波降低至中频(IF)，并且接着通过脉宽调制器来编码IF信号，从而扩展时域量化并且增加量化的大小。因此，当前的数字处理器的可取得的时钟速率可以执行该功率编码算法并且可以实现对开关模式功率放大器(SMPA)的直接数字输出。
一个实施方式使用基于具有多个固定阈值的非均匀多电平量化器的多级编码器。可通过输入信号的一部分(例如，帧)的概率密度函数(PDF)来确定阈值。在一个实施方式中，在编码器之前增加基于查找表(LUT)的预失真块以进一步补偿PWM编码器的非线性。并且，在编码器之后，利用4相位局部振荡器(LO)以将IF IQ信号上变频至RF频带。因此，该实施方式是按照降低的采样速率的两级数字上变频。由于这是流水线架构，并行执行可提高较高时域量化的取样速率以获得期望的线性度。
此外，该架构可扩展至多模式和多频带操作。可单独地处理多个基带输入，并且然后由并行串行组合器组合。
因此，一个实施方式公开了一种发送机，该发送机包括：用于将数据转换至中频(IF)信号的第一数字上变频器；用于将IF信号编码成IF脉冲串的脉宽调制器(PWM)；将IF脉冲串转换成射频(RF)脉冲串的第二数字上变频器；用于放大RF脉冲串的功率放大器；以及用于根据放大的RF脉冲串重构RF模拟信号的滤波器。
另一实施方式公开了一种用于数字RF发送机的功率编码器。该功率编码器包括：用于将数据转换成中频(IF)信号的第一数字上变频器；用于将IF信号编码成IF脉冲串的脉宽调制器(PWM)；以及用于将IF脉冲串转换至射频(RF)脉冲串的第二数字上变频器。
又一实施方式公开了一种用于发送数据的方法。该方法包括：将数据转换成中频(IF)信号；使用脉宽调制将IF信号编码成IF脉冲串；以及将IF脉冲串转换成射频(RF)脉冲串。
附图说明
[图1]
图1是射频和中频功率宽度调制之间的比较的图。
[图2A]
图2A是根据本发明的一些实施方式的直接数字RF发送机的框图。
[图2B]
图2B是根据本发明的一些实施方式的利用图2A的发送机的功率编码器的方法的框图。
[图2C]
图2C是根据本发明的一些实施方式的具有电光转换器和光电转换器的直接数字RF发送机的框图。
[图3]
图3是基于固定阈值集的多电平脉宽调制器的框图。
[图4]
图4是根据本发明的一些实施方式的确定固定阈值集的示意图。
[图5]
图5是根据本发明的一些实施方式的直接数字RF发送机的框图。
[图6]
图6是根据本发明的一些实施方式的直接数字RF发送机的FPGA/数字处理器实现的框图。
[图7]
图7是根据本发明的一个实施方式的多模式多频带直接数字RF发送机的实现的框图。
具体实施方式
高级的开关模式功率放大器(SMPA)(例如S类)是目前常见的。较高的理论功率效率和操作灵活性的优势表明其非常有希望促成软件定义无线电(SDR)中的下一代直接数字RF发送机(TX)。
直接数字RF发送机使用S类放大器作为最后的放大级以放大由诸如德尔塔西格玛调制器(DSM)、脉宽调制器(PWM)或脉冲位置调制器(PPM)的功率编码器生成的高频脉冲串。通常，需要高品质(Q)(>500)带通滤波器(BPF)将信号重构回模拟RF。特别地，随着氮化镓(GaN)RF晶体管技术的最新进展，该架构正在获得越来越多的关注，尤其是对于微微/宏基站应用来说。
但是，由于SMPA放大了无用带外噪声的大部分，处理具有高峰值平均比率(PAR>8dB)的通信信号的常规功率编码器的非常低的“功率编码效率”(在本文中具体地限定为期望的带内功率与数字化的信号的整个频带功率的比率，以与信息理论中通常提到的功率编码效率明确地区分)是影响TX的功率效率的最关键因素之一。目前，最广泛采用的功率编码器(例如，DSM)实际上仅实现有限的功率编码效率(<30％)。这归因于量化噪声的生成和用于增强带内SNR的噪声成形函数。本发明的实施方式提供了用于直接数字RF发送机的高功率编码效率数字功率编码器。
为了满足频谱线性的需求，尤其为了抑制带内本底噪声和带外图像复制，功率编码器需要超快采样时钟(50×fRF)以针对蜂窝应用在GHz频率获得RF的足够的过采样速率，蜂窝应用难以使用常规的数字处理器难实现。
本发明的一些实施方式以大幅减小的采样率经两级数字上变频来使用中频PWM(IFPWM)，同时还获得高的功率编码效率。为了利用RFPWM的优点并且克服上述硬件实现的挑战，通过将PWM输入频率降低至中频(IF)(例如，100MHz)，并且接着以笛卡尔IF IQ信号执行编码从而实现IFPWM。
图1包括在Vth1＝0.8Vth2＝1.6情况下，3级/5级RFPWM和3级/5级IFPWM的比较的图表。所述图表示出了在固定采样时钟速率1/Ts下不同的载波频率和振幅级的量化效应。在波形曲线中，各个采样点都标记为小圆圈，例如，110和112。比较两个输入信号，即，具有RF频率的信号10和具有IF频率的信号13。RF信号10的载波频率fc是IF信号13的两倍。假设第一阈值参考电平Vth1是0.8且第二Vth2是1.6，处理信号10的输出具有3级11和5级12振幅量化。处理信号13的输出具有3级14和5级15振幅量化。在采样点方面，绘图14的信息量是绘图11的两倍，绘图15与绘图12比较也是如此。与绘图11相比，绘图14具有三个连续采样周期的脉宽变化以反映绘图10和绘图13中的第二大振幅周期。此外，将绘图12与绘图11比较，绘图15与绘图14比较，5级比3级具有更详细的信息，并且绘图12和绘图15更接近于采样前的原始模拟信号。因此，绘图15是本发明的一个实施方式的优选采样和量化方案。考虑到常规数字处理器的有限的采样时钟速率，图1示出了多电平ML-IFPWM比ML-RFPWM更有优势。
图2A是根据本发明的一些实施方式的直接数字RF发送机200的框图。图2B是根据本发明的一些实施方式的利用发送机200的功率编码器21的方法的框图。可以使用处理器来执行功率编码器21的方法的步骤。例如，功率编码器可以实现为数字逻辑集成电路，例如，专用集成电路(ASIC)。
可以经过基带将输入数据210提供至功率编码器以用于发送。功率编码器的输出是包括驱动放大器22所需的模拟信息的多电平脉冲串。功率编码器21包括两个数字频率上变频器25和27以及中频(IF)脉宽调制器26。第一数字上变频器25将输入数据210转换220成IF信号250。IF脉宽调制器26将IF信号编码230为IF脉冲串260。第二数字上变频器27进一步将编码的结果上变频240为RF脉冲串270。
本发明的一些实施方式是基于一个认识，即，将PWM输入载波从RF降低至IF频率以更好地匹配常规数字处理器的时钟速率，并因此有助于功率编码的有效实现。在各个实施方式中，IF低于RF，并且可以取决于功率编码器和/或放大器的时钟速率。
例如，射频(RF)是在约3kHz至300GHz的范围内的振荡速率，其相当于无线电波的频率。相比之下，中频(IF)是在MHz范围内的振荡速率(例如，100MHz)，其对应于在各种数字处理器中的时钟的操作频率。该实施方式使对SMPA的直接数字输出变为可实现的。例如，在第四代长期演进(4G LTE)中，典型的RF载波频率在频带1(2100-MHz)和频带2(1900-MHz)中。在数字逻辑集成电路21中，在输入数据的数字信号处理期间利用高速率时钟(例如，在载波频率fc的倍数下)以用于发送(优选地同相位(I)和正交(Q)信号)。这些仅是RF频率的示例性数字。取决于国家和运营商，可以指派不同的频带，通常在600Mhz至2.7GHz的范围内，例如，LORFI和LORFQ的频率。
一个实施方式还使用功率放大器22来放大RF脉冲串。功率放大器可以是接收多电平脉冲串作为输入并放大高速脉冲信号的开关功率放大器(诸如S类PA模块)。此外，一些实施方式使用重构滤波器23和天线24。重构滤波器23可以是用于S类PA的高品质因数(Q)带通滤波器。重构滤波器23过滤带外噪声，并且根据高速脉冲串恢复模拟RF信号。接下来，通过天线24在空气中辐射模拟RF信号。
图2C是具有用于将脉宽调制的信号光学发送至开关模式功率放大器的电光转换器和光电转换器的直接数字RF发送机的框图。在该实施方式中，电路21的输出通过电光转换器28从电信号转换至光信号，并且通过光学连接发送至光电转换器29的输入端。脉宽调制的信号被光学地发送至开关模式功率放大器22。
图3示出了根据一个实施方式的IF脉宽调制器(IFPWM)26的框图。在该实施方式中，IFPWM是例如5级PWM的多电平PWM。使用多电平量化器32示例性地生成5级PWM波形。在一些执行中，IFPWM包括分离器31、两个多电平量化器(第一量化器32和第二量化器32')以及组合器33。分离器31的输入34是以IF载波频率的发送的信息。分离器31复制信号，并且信号被提交至多电平量化器。各个多电平量化器执行与阈值集合的比较，例如第一集合35和第二集合36。下部量化器32'的阈值36与上部量化器32的阈值32是相反的，即，具有相同的绝对值但是不同的符号。比较的结果示出为对称的但延迟的阶跃波形37和38。两个量化器的输出阶跃波形37和38通过组合器33相加在一起以生成完整的多电平脉宽调制波形39，即，脉冲串。
与使用额外的时钟以生成三角形的或锯齿形参考波形并接着使用模拟比较器输出PWM的常规PWM相比，在一些实施方式中，PWM是具有非均匀的多电平量化器的多电平PWM，其中多电平量化器具有多个固定阈值。例如，各个固定阈值可以基于输入信号的一部分的概率密度函数(PDF)来确定。在一个实施方式中，基于发送的帧或子帧适应性地确定固定阈值的集合。
图4示出了根据本发明的一些实施方式的用于确定固定阈值的集合的方法的示意图，阈值的所述集合适于每个发送的帧或子帧。可以通过将处理器40连接至存储器42来执行该方法。帧的基带输入数据41在存储器42中存储为向量或阵列。然后，处理器40根据帧中数据来确定43概率密度函数(PDF)44。积分45该PDF以生成累积分布函数(CDF)的曲线46。从CDF曲线46，选择阈值48的集合，例如CDF曲线是等间隔的。逐帧适应性的重复49该过程以确保阈值48的集合保持最优化。
图5示出了根据一个实施方式的直接数字RF发送机50的框图。在这些实施方式中，在编码器之前设置了基于查找表(LUT)的预失真块以进一步补偿线性度。在编码器之后，利用4相位LO以将IF IQ信号上变频到RF频带。因此，该实施方式是按照减小的采样速率的两级数字上变频。由于这是流水线架构，该实施方式可以使用并行实现来提高高时域量化的采样速率以获得期望的线性度。
输入数据是复合的并且同时包括同相位(I)和相位正交(Q)路径。该复合输入由坐标旋转数字计算机(CORDIC)块51处理以将笛卡尔数据转换为极坐标数据(即，包络(ENV)和相位θ)。启用LUT预失真单元52以为了非线性ML-IFPWM54功率编码器的线性度校正使ENV预失真。输出被标记为PRE。相位调制器56在IF载波频率(例如，用于LTE应用的100MHz)生产相位调制(PM)IQ信号(LOIFI和LOIFQ)。两个IF数字上变频器(DUC)53分别将PRE与LOIFI和LOIFQ混合。
IF DUC 53 IFI和IFQ的输出由例如图3中所示的两个ML-IFPWM功率编码器54编码。所生成的脉冲串是PWMI和PWMQ。另一组的数字上变频器分别将PWMI和PWMq与LORFI{1,0,-1,0,…}和LORFQ{0,1,0,-1,…}混合。乘积被组合器55与输出RFin相加(即，RFin＝PWMI·LORFI+PWMQ·LORFQ)并且接着映射器57将多电平RFin转换成控制比特信号。
通常地，(2M-1)个级的脉冲串需要M个控制比特，例如，3级2个比特并且5级IFPWM信号3个比特。M个控制比特是二进制的开关信号SW(0:M-1)以控制59中的功率放大器(例如，S类PA)的开关(例如，使用GaN晶体管)。为了适合多比特输入，功率放大器可被配置为用于3级信号的H桥，或用于5级信号的并行的H桥。
还可以具有来自功率放大器的输出的反馈。该反馈将少量的功率耦合回至输入端以用于表征由功率放大器引入的非线性。在功率放大器之前，需要缓冲驱动器58以使多比特输入同步并且还提供一些放大以达到功率放大器的输入功率的需要。在59内，带通重构滤波器(BPF)还可以包括在SMPA模块中以用于过滤带外量化噪声从而发送清晰的模拟RFout，并且优选地，BPF可以将与那些不期望的频谱成分回收到SMPA。RFout适合于通过天线发送。还可以使用其它常规发送机和接收机部件，例如，用以消除功率反射的效应的隔离器。
图6是根据本发明的一个实施方式的直接数字RF发送机60的实现。直接数字RF发送机60包括两个部分，即，数字部分64和RF部分65。数字部分由FPGA或数字处理器离散地执行，其中采样时钟从左至右不断增加。基带信号发生器61向功率编码编码器62提供输入数据。功率编码器62通过各个单元63并行地处理输入数据以达到直接数字RF发送机60的高的速率时钟。如上所述，高的速率时钟优选地大约是载波频率fc的倍数(优选地4倍)，其可以在美国的用于LTE应用的频带1(2100-MHz)或频带2(1900-MHz)中。例如，假定各个单元为125MHz(1/64采样速率)是可取得的时钟速率，并且可以由现场可编程门阵列(FPGA)实现，并且存在并行的64个单元。在并行信号处理之后，结果被串行化到开关模式功率放大器模块65。SMPA模块的输入采样速率是125·64＝8000MHz，是fc(2000-MHz)的4倍。
图7是根据本发明的另一实施方式的多模式多频带直接数字RF发送机70的框图。与图6中的单模式实现相似，该实施方式具有由FPGA或数字处理器实现的数字部分74以及例如SMPA或BPF的RF部分75。不同速率的两个不同的基带信号源71和72被功率编码器分开地并行地编码。速率适配器76将位于间隔开的RF载波频率的两个编码的ML-IFPWM信号组合。该直接数字RF发送机架构70处于双模式和双频带操作中。还可以使用具有超过双模式双频带的直接数字RF发送机70。
仿真显示了使用本发明的一些实施方式的5级IFPWM功率编码器，可以针对5MHz9.95dB PAPR LTE信号实现约75％的功率编码效率。

Claims (10)

1.一种发送机，该发送机包括：
第一数字上变频器，其用于将数据转换成中频(IF)信号；
脉宽调制器(PWM)，其用于将该IF信号编码成IF脉冲串；
第二数字上变频器，其用于将该IF脉冲串转换成射频(RF)脉冲串；
功率放大器，其用于放大该RF脉冲串；以及
滤波器，其用于根据放大的RF脉冲串重构RF模拟信号，其中，所述PWM是多电平PWM，该发送机还包括：
分离器，其用于复制所述IF信号；
两个多电平量化器，各个多电平量化器基于所述IF信号与阈值集的比较来量化所述IF信号以产生两个波形；以及
组合器，其用于组合所述两个波形以产生所述IF脉冲串，并且所述两个多电平量化器包括第一量化器和第二量化器，并且所述阈值集包括第一阈值集和第二阈值集，其中，所述第一阈值集中的阈值的值与所述第二阈值集中的阈值的值相反。
2.根据权利要求1所述的发送机，该发送机还包括：
电光转换器，其用于将所述RF脉冲串转换成光信号；以及
光电转换器，其用于将所述光信号转换成RF信号。
3.根据权利要求1所述的发送机，其中，所述PWM是基于固定阈值集进行调制的多电平PWM。
4.根据权利要求1所述的发送机，其中，所述PWM是具有不均匀多电平量化器的多电平PWM，所述不均匀多电平量化器具有多个固定阈值。
5.根据权利要求4所述的发送机，其中，各个固定阈值基于所述数据的帧的概率密度函数(PDF)确定。
6.根据权利要求5所述的发送机，该发送机还包括：
存储器，其用于存储所述数据的帧；
处理器，其用于根据所述帧中的数据来确定所述PDF，对所述PDF进行积分以生成累积分布函数(CDF)的曲线，并且基于所述曲线选择各个固定阈值的值。
7.根据权利要求6所述的发送机，其中，所述处理器确定用于所述数据的各个帧的所述固定阈值集。
8.根据权利要求1所述的发送机，其中，所述PWM是非线性的多电平PWM(ML-IFPWM)，该发送机还包括：
预失真单元，其用于预失真所述数据的至少一部分以进行所述非线性的ML-IFPWM的线性校正。
9.根据权利要求1所述的发送机，其中，所述第一数字上变频器、所述PWM以及所述第二数字上变频器形成功率编码器单元，该发送机还包括：
多个功率编码器单元，所述多个功率编码器单元并联布置以处理所述数据。
10.根据权利要求1所述的发送机，其中，所述第一数字上变频器、所述PWM以及所述第二数字上变频器形成功率编码器单元，多个所述功率编码器单元形成功率编码器，该发送机还包括：
并联布置的多个功率编码器，各个功率编码器以不同的采样率进行工作；
多个基带信号源，所述多个基带信号源连接至对应的功率编码器；以及
码率适配器，其用于组合所述多个功率编码器的输出。
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