CN108923797A - 一种应用于lte mtc电力物联网的新型发射机 - Google Patents
一种应用于lte mtc电力物联网的新型发射机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，包括：DSM调制器，用于分别采样和调制基带部分输出的I、Q两路正交数字基带信号，得到两路数字电平信号；本振可变增益衰减器，用于对本振信号功率衰减并输出多路正交差分信号；上混频器，用于将两路数字电平信号变换后作为其内晶体管开关的控制信号，以控制晶体管开关选择本振可变增益衰减器输出的正交差分信号中的某一路得到和输出射频信号；可变增益射频放大器，用于对射频信号按所需增益放大；射频功率放大器，用于对射频信号功率放大；射频SAW滤波器，用于对功率放大后的射频信号滤除带外噪声。本发明具有功耗低，可采用非线性较强的射频功率放大器，提高了发射机的能量效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，属于射频通信电路技术领域。
背景技术
MTC具有覆盖范围大，面向大连接，高实时性的特点，是物联网领域的一个通信技术。MTC信号与LTE信号兼容，理论上LTE发射机都可用于MTC系统，但是物联网通信领域对于收发机的具有极强的低功耗要求，所里需要针对MTC系统专门开发射频收发机芯片。
传统发射机采用基带DAC和传统射频发射机架构。LTE 和MTC系统由于采用了基于多载波的技术，使得发射机基带信号的动态范围较大，因而基带DAC的位宽达到12比特以上，基带DAC在发射机链路中会消耗较多的功率。同样因为信号的动态范围大，所需的功率放大器必须具备极高的线性度，这又会导致功率放大器的效率通常比较低下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，不使用基带数字-模拟转换器DAC，也无需足够强的本振信号，具有功耗低的优势。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，包括：
DSM调制器，用于分别采样和调制基带部分输出的I、Q两路正交数字基带信号，得到两路数字电平信号；
本振可变增益衰减器，用于对本振信号功率衰减并输出多路正交差分信号；
上混频器，用于将两路数字电平信号变换后作为其内晶体管开关的控制信号，以控制晶体管开关选择本振可变增益衰减器输出的正交差分信号中的某一路得到和输出射频信号；
可变增益射频放大器，用于对上混频器输出的射频信号按所需增益放大；
射频功率放大器，用于对增益放大后的射频信号功率放大；
射频SAW滤波器，用于对功率放大后的射频信号滤除带外噪声。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上混频器包括由四个晶体管开关构成的核心单元和数字逻辑译码器。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上混频器采用单端或差分形式的上混频器。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上混频器还包括隔直电容，用于对上混频器输出的射频信号隔直处理。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上混频器还包括驱动放大器，用于对上混频器输出的射频信号放大及调谐。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述驱动放大器包括共源共栅结构单端放大器和LC并联谐振网络。。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述驱动放大器包括由两个共源共栅结构构成的差分放大器和LC并联谐振网络。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述发射机的功率输出范围为-40dBm至24dBm。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明提供的应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，发射机的射频输出功率由可变增益射频放大器和本振可变增益衰减器两部分控制，所述发射机的功率控制功能由射频、本振共同完成，使得发射机具有功率控制功能。而不使用传统发射机的基带数字-模拟转换器DAC，而是使用DSM调制器，也无需足够强的本振信号，具有功耗低的优势。因此，本发射机可采用非线性较强的射频功率放大器，提高了发射机的能量效率。
附图说明
图1 是本发明的应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机架构示意图。
图2（a）和（b）分别是本发明中上混频器核心电路示意图和控制信号波形图。
图3 是本发明中单端形式的上混频器与驱动放大器的电路示意图。
图4 是本发明中差分形式的上混频器与驱动放大器的电路示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明设计了一种应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，所述发射机主要包括两个Delta-Sigma的DSM调制器、上混频器、本振可变增益衰减器、可变增益射频放大器、射频功率放大器和射频SAW滤波器。
其中，所述两个DSM调制器，用于分别采样和调制基带部分输出的I、Q两路正交数字基带信号，得到两路数字电平信号；所述本振可变增益衰减器，用于对本振信号的功率衰减并输出四路正交差分信号；所述上混频器，用于将两路数字电平信号变换后作为其内晶体管开关的控制信号，以控制晶体管开关选择本振可变增益衰减器输出的正交差分信号中的某一路得到射频信号并输出；所述可变增益射频放大器，用于对上混频器输出的射频信号按所需的增益放大；所述射频功率放大器，用于对增益放大后的射频信号功率放大；所述射频SAW滤波器，用于对功率放大后的射频信号滤除带外噪声。
本发明所述的发射机不使用基带数字-模拟转换器DAC，而是使用Delta-Sigma调制器。所述发射机的混频器采用本振、基带倒换的混频器。所述发射机混频器得到的射频信号经过可变增益射频放大器按所需要的增益进行放大后由功率放大器功率放大。所述本振可变增益衰减器完成发射机本振信号的功率控制。所述可变增益射频放大器完成发射机的射频信号的功率控制。因为基带采用了Delta-Sigma调制器，带外有量化噪声，因而需要在功率放大器后增加一个射频SAW滤波器，抑制带外量化噪声。最终完成上行射频信号的发送。
本发明中，所述两个DSM调制器将宽比特数字基带数据整形成单比特输出，避免了使用数字-模拟转换器DAC。为了方便描述，仅以一例说明LTE MTC上行信号的处理过程。LTEMTC基带部分输出正交的基带信号采样率是30.72MHz，经过12倍过采样后得到采样频率f s=368.64MHz的正交数字基带信号I、Q，其中采样周期Ts=1/f s。I、Q两路正交数字基带信号分别经过DSM调制器得到两路数字电平信号。在368.64MHz采样频率下，二阶Delta-Sigma调制器输出信号的信噪比可达40dB以上，满足3GPP标准的要求。经Delta-Sigma调制器处理得到2路数字电平信号，送入后续的上混频器。
所述上混频器是本振、中频互换的上混频器，不需要在本振输入端口对本振信号进行放大，控制晶体管开关，而是由前级DSM调制器输出的两路数字电平信号经过变换后作为晶体管开关的控制信号，根据本振可变增益衰减器输出的正交差分信号选择不同的本振信号作为混频器的输出，完成混频过程。传统混频器通常需要在本振输入口对本振信号进行放大，作为开关控制信号，将模拟基带信号切换输出，完成混频过程。传统混频器通常需要在本振输入端口设计放大器，将本振信号放大到足够的幅度，以驱动晶体管开关。本振信号放大器通常会消耗较多的功率。因此本发明可减小发射机的功耗，具有技术优势。
如图2（a）所示，给出本实施例的一种上混频器电路结构，包括核心单元和用于控制逻辑的数字逻辑译码器。其中上混频器的核心单元由4个晶体管开关MOS管M1，M2，M3，M4构成，MOS管M1，M2，M3，M4的漏极全都连接后作为核心单元的RF输出，等电位。MOS管工作在开关模式下，4个MOS管M1，M2，M3，M4的开关状态通过栅极由前级两个DSM调制器的输出数字电平信号BB_I和BB_Q控制。MOS管M1，M2，M3，M4的栅极控制信号BB1,BB2,BB3和BB4由两路数字电平信号BB_I和BB_Q经过数字逻辑译码器产生。逻辑真值表如下：
| BB_I | BB_Q | BB1 | BB2 | BB3 | BB4 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
由真值表可知，栅极控制信号BB1,BB2,BB3和BB4同一时刻仅有一个是高电平。以及，如图2（b）中的BB1、BB2、BB3和BB4波形图也反映了在一个采样周期Ts内，BB1,BB2,BB3和BB4仅有一个是高电平。也就是4个MOS管M1，M2，M3，M4在同一时刻仅有一个是导通的。
由本振可变增益衰减器输出的正交差分信号LO_I+,LO_I-,LO_Q+,LO_Q-分别送到上混频器中4个MOS管M1，M2，M3，M4的源极，在栅极控制信号BB1,BB2,BB3和BB4作用下分别与漏极导通，从而完成上混频。LO_I+和BB1分别与MOS管M1的源极和栅极连接，LO_I-和BB2分别与MOS管M2的源极和栅极连接，LO_Q+和BB3分别与MOS管M3的源极和栅极连接，LO_Q-和BB4分别与MOS管M4的源极和栅极连接。由所述晶体管开关的控制信号BB1、BB2、BB3、BB4控制上混频器核心单元中的晶体管开关M1，M2，M3，M4同一时刻仅有一个导通，选择经增益衰减器后的本振正交差分信号的4路相位不同的信号LO_I+,LO_I-,LO_Q+,LO_Q-中的某一路得到射频信号，最终将混频得到的射频信号输出。
一般地，在混频器的核心单元后可连接隔直电容和或驱动放大器，其隔直电容用于对上混频器输出的射频信号隔直处理，及驱动放大器用于对上混频器输出的射频信号放大及调谐。
如图3所示，是本发明采用单端形式的上混频器和驱动放大器的电路结构示意图。优选地，上混频器核心单元得到的射频信号经过一个隔直电容后作为驱动放大器的输入信号，驱动放大器输出的射频信号作为后级可变增益射频放大器的输入。其中，所述驱动放大器可包括由串联晶体管组成的共源共栅结构单端放大器和LC并联谐振网络，所述LC并联谐振网络由并联的一个电感和一个电容组成，通过LC并联谐振网络调谐得到单端射频信号。
如图4所示，是本发明采用差分形式的上混频器和驱动放大器的电路结构示意图。其中，差分形式的上混频器由2个上混频核心单元和一个数字逻辑译码器构成，其中一个核心单元由4个MOS管M1，M2，M3，M4组成，处理得到差分射频信号的正分量，另一个核心单元由4个MOS管M5，M6，M7，M8，处理得到差分射频信号的负分量，且两个核心单元并行处理；由本振可变增益衰减器输出的四路正交差分信号LO_I+,LO_I-,LO_Q+,LO_Q-分别送到2个上混频核心单元。所述数字逻辑译码器将两路数字电平变换产生BB1、BB2、BB3和BB4四个控制信号。所述LO_I+和BB1分别与MOS管M1的源极和栅极连接，LO_I-和BB2分别与MOS管M2的源极和栅极连接，LO_Q+和BB3分别与MOS管M3的源极和栅极连接，LO_Q-和BB4分别与MOS管M4的源极和栅极连接，混频得到的差分射频信号的一路。LO_I+和BB2分别与MOS管M5的源极和栅极连接，LO_I-和BB1分别与MOS管M6的源极和栅极连接，LO_Q+和BB4分别与MOS管M7的源极和栅极连接，LO_Q-和BB3分别与MOS管M8的源极和栅极连接，混频得到的差分射频信号的另一路。优选地，两个核心单元的输出上分别连接隔直电容，输出的差分射频信号经过隔直电容隔直后作为差分射频驱动放大器的输入信号。所述差分射频驱动放大器包括由两个共源共栅结构构成的差分放大器和跨接在两个共源共栅结构之间的LC并联谐振网络，其中LC并联谐振网络包括一个电容和一个带中心抽头的电感，其中心抽头接直流供电电源，另两端与电容并联。所述驱动放大器对信号放大后的信号经LC并联谐振网络调谐后得到差分RF输出及作为后级可变增益射频放大器的输入。所述可变增益射频放大器按所需要的增益进行放大后，通过射频功率放大器对增益放大后的射频信号功率放大及射频SAW滤波器对功率放大后的射频信号滤除带外噪声后输出。
并且， 本发明中MTC发射机的功率输出范围可在-40dBm至24dBm，动态范围很宽。传统射频发射机的功率控制在模拟基带和射频分担完成，以满足发射机标准大的输出功率范围。而本发明的发射机的射频输出功率由可变增益射频放大器和本振可变增益衰减器两部分控制。
综上，本发明的应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，不使用基带数字-模拟转换器DAC，也无需足够强的本振信号，具有功耗低的优势。本发射机可采用非线性较强的射频功率放大器，提高了发射机的能量效率。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，其特征在于，包括：
DSM调制器，用于分别采样和调制基带部分输出的I、Q两路正交数字基带信号，得到两路数字电平信号；
本振可变增益衰减器，用于对本振信功率衰减并输出多路正交差分信号；
上混频器，用于将两路数字电平信号变换后作为其内晶体管开关的控制信号，以控制晶体管开关选择本振可变增益衰减器输出的正交差分信号中的某一路得到和输出射频信号；
可变增益射频放大器，用于对上混频器输出的射频信号按所需增益放大；
射频功率放大器，用于对增益放大后的射频信号功率放大；
射频SAW滤波器，用于对功率放大后的射频信号滤除带外噪声。
2.根据权利要求1所述应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，其特征在于：：所述上混频器包括由四个晶体管开关构成的核心单元和数字逻辑译码器。
3.根据权利要求1所述应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，其特征在于：所述上混频器采用单端或差分形式的上混频器。
4.根据权利要求1所述应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，其特征在于：所述上混频器还包括隔直电容，用于对上混频器输出的射频信号隔直处理。
5.根据权利要求1所述应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，其特征在于：所述上混频器还包括驱动放大器，用于对上混频器输出的射频信号放大及调谐。
6.根据权利要求5所述应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，其特征在于：所述驱动放大器包括共源共栅结构的单端放大器和LC并联谐振网络。
7.根据权利要求5所述应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，其特征在于：所述驱动放大器包括由两个共源共栅结构构成的差分放大器和LC并联谐振网络。
8.根据权利要求1所述应用于LTE MTC电力物联网的新型发射机，其特征在于：所述发射机的功率输出范围为-40dBm至24dBm。
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