CN106817138B - 一种射频发射机及其信号产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于总线分离架构多比特Delta Sigma调制器的射频发射机。其特征在于所述发射机由基带处理部分、多比特量化Delta Sigma调制器、数字上混频器、功率合成器以及射频带通滤波器构成。所述多比特量化Delta Sigma调制器采用总线分离结构，得到高低比特两部分序列，分别进行高阶和低阶调制。所述数字上混频器完成Delta Sigma调制器输出的频率变换，是多比特数字上混频器。所述功率放大器的电源电压按照一定的比例配制，对上混频后的数字信号进行放大，然后通过功率合成器合成得到含有对噪声整形的数字射频信号。所述射频带通滤波器完成对所得数字射频信号的带外噪声滤波，得到所需的射频信号。

Description

一种射频发射机及其信号产生方法
技术领域
本发明属于无线通信领域,具体涉及一种射频发射机。
背景技术
传统的射频发射机架构中，高动态范围的IQ(同相I和正交Q)数字基带信号首先经过两路高位宽的数模转换器(DAC)转化成模拟信号，然后经过上变频器混频，最后通过线形功率放大器增强功率后由天线发送。大动态范围的信号会导致线性功率放大器进行大的回退以保证射频信号的不失真。这样会导致线性功率放大器的效率极低，对于电池供电的发射机会极大的浪费有限的能量，减小设备的工作时间。
基于Delta Sigma调制器(DSM)的发射机可将高位宽的基带信号变成一位数字信号，这样就可将高效的开关功率放大器用于原本大动态范围的信号功率增强,增加了能源的使用效率，延长电池供电设备的工作时间。基于Delta Sigma调制器的发射机为了达到所需要的信噪比，通常利用增加调制器的阶数或者过采样率的方法。然而对于带宽本身较宽的基带信号，高的过采样率会导致所需的实际采样率高到无法实现。单比特量化DeltaSigma调制器在增加调制阶数后往往又会面临稳定性问题。多比特量化Delta Sigma调制器不仅可以解决Delta Sigma调制器的稳定性问题，而且量化器每增加1比特，输出信噪比就可以增加6dB。常用的基于误差反馈结构的Delta Sigma调制器的输出通常是多比特的，并且其结构简单，相对其他结构电路工作的速度较高。然而多比特输出的Delta Sigma调制器发射机目前未见公开报道。
本发明公开一种基于总线分离架构多比特Delta Sigma调制器的射频发射机。
发明内容
本发明针对基于Delta Sigma调制器的射频发射机对其核心模块Delta Sigma调制器运行速度要求较高的特点,公开一种基于总线分离架构多比特Delta Sigma调制器的射频发射机及其信号产生方法。
本发明的技术方案是：一种射频发射机，包括基带处理部分、多比特量化DeltaSigma调制器、数字上混频器、功率放大器、功率合成器以及射频带通滤波器；所述基带处理部分包括两个信号输出端，每个信号输出端利用一个总线分离结构连接2个多比特量化Delta Sigma调制器的输入端，总共4个多比特量化Delta Sigma调制器的输出端连接数字上混频器的输入端，数字上混频器的输出端顺序连接功率放大器、功率合成器和射频带通滤波器，射频带通滤波器输出射频信号。
进一步的，每个信号输出端利用一个总线分离结构连接2个多比特量化DeltaSigma调制器的输入端，所述2个多比特量化Delta Sigma调制器1个为2阶Delta Sigma调制器，另一个为1阶Delta Sigma调制器。
本发明还提供利用所述的射频发射机实现的射频信号产生方法，具体步骤如下：
步骤一、在基带处理部分产生数字基带信号，所述数字基带信号是同相I和正交Q两路经过高倍内插的数字序列，同相I和正交Q两路数字序列均是有符号的N比特整型序列；
步骤二、对步骤一得到的同相I和正交Q两路数字序列分别进行总线分离，N比特的整型数X经总线分离后成为NMSB比特有符号整型的高比特部分XMSB和NLSB比特无符号整型的低比特部分XLSB，其中NLSB比特无符号的低比特部分XLSB也能够看作符号位为0的(NLSB+1)位有符号整型；即：
N＝NMSB+NLSB
步骤三、将步骤二中经过总线分离后得到的高比特部分XMSB送入2阶Delta Sigma调制器中，经高阶调制处理后输出有符号2比特序列YMSB；将步骤二中经过总线分离后得到的低比特部分XLSB送入1阶Delta Sigma调制器中，经低阶调制处理后输出有符号1比特序列YLSB，即：
YMSB＝XMSB+(1-z-1)2EMSB
YLSB＝XLSB+(1-z-1)ELSB
其中：EMSB为高比特输入部分XMSB经Delta Sigma调制器调制后的量化噪声，ELSB为低比特输入部分XLSB经Delta Sigma调制器调制后的量化噪声；
步骤四、所述数字上混频器接收Delta Sigma调制器输出的比特序列，进行上混频处理，得到所需的射频频率；
步骤五、功率放大器的电源电压按照2：1：1/2(NMSB-1)的比例配制，对上混频后的数字信号进行放大，然后通过功率合成器合成得到含有整形噪声的数字射频信号；
步骤六、射频带通滤波器完成对所得数字射频信号的带外噪声滤波，得到所需的射频信号。
进一步的，步骤四中，所述数字上混频器接收Delta Sigma调制器输出的比特序列，进行上混频处理，得到所需的射频频率；具体如下：经过Delta Sigma调制器处理，I支路和Q支路分别输出3比特二进制序列；输出的数字序列要进行上混频处理，得到所需的射频频率；所述Delta Sigma调制器的输出是有符号二进制序列，需要变换成对称二进制表达；对称二进制中用1表示正，0表示负；权重为2：1；对称二进制变换表如下表所列；所得I之路与Q支路的对称二进制数的对应二进制位分别进行数字上变频处理；所述数字上变频器由3个复接器构成，每个复接器按照00-01-10-11顺序对输入信号进行复接,得到3路高速数字序列；
DSM输出二进制表达 数值 对称二进制表达
01 3 11
00 1 10
11 -1 01
10 -3 00
所述3个数字复接器输出的3路高速数字序列分别输入3个开关功率放大器完成功率放大。
有益效果：本发明使用的多比特Delta Sigma调制器相比于使用单比特DeltaSigma调制器的发射机，可以采用较小的采样率达到所需要的信噪比,且电路稳定易于实现,总线分离结构可以进一步减小硬件开销。
附图说明
图1本发明的发射机架构；
图2总线分离比特分配与Delta Sigma调制器输出信噪比的关系；
图3采用的总线分离的Delta Sigma调制器的实现原理图；
图4数字上混频器结构；
图5功率放大器及合成方案。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1是本发明基于总线分离架构多比特Delta Sigma调制器的射频发射机。包括基带处理部分、多比特量化Delta Sigma调制器、数字上混频器、功率放大器、功率合成器以及射频带通滤波器；所述基带处理部分包括两个信号输出端，每个信号输出端利用一个总线分离结构连接2个多比特量化Delta Sigma调制器的输入端，总共4个多比特量化DeltaSigma调制器的输出端连接数字上混频器的输入端，数字上混频器的输出端顺序连接功率放大器、功率合成器和射频带通滤波器，射频带通滤波器输出射频信号。
数字基带信号是同相I和正交Q两路经过高倍内插的数字序列。它们是有符号的N比特整型序列，分别进行总线分离。对于N比特的整型数X经总线分离成NMSB比特有符号整型的高比特部分XMSB和NLSB比特无符号整型的低比特部分XLSB，其中NLSB比特无符号的低比特部分XLSB也可看作符号位为0的(NLSB+1)位有符号整型。
N＝NMSB+NLSB
同相I和正交Q支路分别进行总线分离后，进行相同的处理。以I支路为例进行说明。I支路经过总线分离后分别送入两个Delta Sigma调制器(DSM)，DSM-M对XMSB高比特部分进行处理，选用2阶Delta Sigma调制器，经处理后输出有符号2比特序列YMSB；DSM-L对(NLSB+1)的XLSB低比特部分进行处理，选用1阶Delta Sigma调制器，输出有符号1比特序列YLSB。
YMSB＝XMSB+(1-z-1)2EMSB
YLSB＝XLSB+(1-z-1)ELSB
Q支路处理方法相同，不再赘述。EMSB、ELSB分别是高比特输入部分XMSB和低比特输入部分XLSB经Delta Sigma调制器调制后的量化噪声。
64-QAM(64符号正交振幅调制)调制的OFDM(正交频分复用)信号，通常采用12-14比特量化的数字基带。图2给出了基带13比特单音信号在不同的过采样率，高比特部分XMSB被分配不同的比特数情况下，整个Delta Sigma调制器处理结果的信噪比的曲线。当过采样率为16时，高比特部分大约分配总比特一半时，其信噪比并无太大损失，而此时硬件开销有所减小，电路运行速度也有所提高。
图3是采用的Delta Sigma调制器的实现原理图。图中N＝13，NMSB＝6。13位输入被分离为6比特高位部分和7比特低位部分。6比特高比特部分送入二阶误差反馈Delta Sigma调制器，输出2比特序列；7比特低位部分扩展为8比特有符号数后送入一阶误差反馈DeltaSigma调制器，输出1比特序列。
图4是本发明所采用的数字上混频器。经过Delta Sigma调制器处理，I支路和Q支路分别输出3比特二进制序列。输出的数字序列要进行上混频处理，得到所需的射频频率。所述Delta Sigma调制器的输出是有符号二进制序列，需要变换成对称二进制表达。对称二进制中用‘1’表示正，‘0’表示负。权重为2：1。对称二进制变换表如表2所列。所得I之路与Q支路的对称二进制数的对应二进制位分别进行数字上变频处理。上变频通常使用高速数字复接器进行。所述数字上变频器由3个复接器构成。I支路和Q支路相应的各个对称二进制位以及它们的逻辑“非”结果按照图4的连接方法接入3个4-1复接器，每个复接器按照00-01-10-11顺序对输入信号进行复接,得到3路高速数字序列。
表2对称二进制变换
DSM输出二进制表达 数值 对称二进制表达
01 3 11
00 1 10
11 -1 01
10 -3 00
所述3个数字复接器输出的3路高速数字序列分别输入3个开关功率放大器完成功率放大。开关功率放大器采用D类，如图5所示电源电压分别配置为2：1：1/2(NMSB-1)。所述3个功率放大的输出输入至功率合成器得到射频信号，再经射频带通滤波器滤除带外噪声后得到发射信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种射频发射机，其特征在于：包括基带处理部分、多比特量化Delta Sigma调制器、数字上混频器、功率放大器、功率合成器以及射频带通滤波器；所述基带处理部分包括两个信号输出端，每个信号输出端利用一个总线分离结构连接2个多比特量化Delta Sigma调制器的输入端，总共4个多比特量化Delta Sigma调制器的输出端连接数字上混频器的输入端，数字上混频器的输出端顺序连接功率放大器、功率合成器和射频带通滤波器，射频带通滤波器输出射频信号。
2.根据权利要求1所述的一种射频发射机，其特征在于：每个信号输出端利用一个总线分离结构连接2个多比特量化Delta Sigma调制器的输入端，所述2个多比特量化DeltaSigma调制器1个为2阶Delta Sigma调制器，另一个为1阶Delta Sigma调制器。
3.利用权利要求1或2所述的射频发射机实现的射频信号产生方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、在基带处理部分产生数字基带信号，所述数字基带信号是同相I和正交Q两路经过高倍内插的数字序列，同相I和正交Q两路数字序列均是有符号的N比特整型序列；
步骤二、对步骤一得到的同相I和正交Q两路数字序列分别进行总线分离，N比特的整型数X经总线分离后成为NMSB比特有符号整型的高比特部分XMSB和NLSB比特无符号整型的低比特部分XLSB，其中NLSB比特无符号的低比特部分XLSB也能够看作符号位为0的(NLSB+1)位有符号整型；即：
N＝NMSB+NLSB
步骤三、将步骤二中经过总线分离后得到的高比特部分XMSB送入2阶Delta Sigma调制器中，经高阶调制处理后输出有符号2比特序列YMSB；将步骤二中经过总线分离后得到的低比特部分XLSB送入1阶Delta Sigma调制器中，经低阶调制处理后输出有符号1比特序列YLSB，即：
YMSB＝XMSB+(1-z-1)2EMSB
YLSB＝XLSB+(1-z-1)ELSB
其中：EMSB为高比特输入部分XMSB经Delta Sigma调制器调制后的量化噪声，ELSB为低比特输入部分XLSB经Delta Sigma调制器调制后的量化噪声；
步骤四、所述数字上混频器接收Delta Sigma调制器输出的比特序列，进行上混频处理，得到所需的射频频率；
步骤五、功率放大器的电源电压按照的比例配制，对上混频后的数字信号进行放大，然后通过功率合成器合成得到含有整形噪声的数字射频信号；
步骤六、射频带通滤波器完成对所得数字射频信号的带外噪声滤波，得到所需的射频信号。
4.根据权利要求3所述的射频信号产生方法，其特征在于：步骤四中，所述数字上混频器接收Delta Sigma调制器输出的比特序列，进行上混频处理，得到所需的射频频率；具体如下：经过Delta Sigma调制器处理，I支路和Q支路分别输出3比特二进制序列；输出的数字序列要进行上混频处理，得到所需的射频频率；所述Delta Sigma调制器的输出是有符号二进制序列，需要变换成对称二进制表达；对称二进制中用1表示正，0表示负；权重为2：1；对称二进制变换表如下表所列；所得I支路与Q支路的对称二进制数的对应二进制位分别进行数字上变频处理；所述数字上变频器由3个数字复接器构成，每个数字复接器按照00-01-10-11顺序对输入信号进行复接,得到3路高速数字序列；
DSM输出二进制表达 数值 对称二进制表达 01 3 11 00 1 10 11 -1 01 10 -3 00
所述3个数字复接器输出的3路高速数字序列分别输入3个开关功率放大器完成功率放大。
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