CN110289870A - 一种多峰值高效率全数字正交发射机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种多峰值高效率全数字正交发射机。本发明由四部分组成：数字前端、阈值检测、编码和数字功率放大器；数字前端包括升采样插值滤波器，将基带数据镜像信号推至高频；阈值检测部分对数字前端输出进行阈值判断并重新编码；编码部分采用行列编码以及温度计码二进制码混合编码，提高线性度以及版图对称性；数字功率放大器包括有源部分和匹配网络部分；有源部分实现数字/模拟转换和功率输出，匹配网络部分实现阻抗变换、双端转差分以及选频的功能。本发明对数字前端输出的I、Q信号分别进行阈值检测，实现多个效率峰值，同时提高回退效率以及回退深度。部扽发明可应用于全数字正交、极化以及移相发射机中。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种全数字正交发射机。
背景技术
随着社会的进步，无线通信技术的迅速发展，极大的改变了人们的生活。人们对数据传输速率的需求也日益增长，导致无线通信标准向更大的带宽、更复杂的调制方式发展，如802.11ax.该标准支持的信道带宽为20M/40M/80M/160M，调制方式可为更加复杂的1024QAM.为了提高频谱利用率，绝大多数协议均采用正交频分复用技术（OFDM），导致了信号较大的峰均功率比（PAPR）。这就给无线发射机尤其是射频功率放大器（PowerAmplifier）的设计带来了极大的挑战。更宽的信道带宽和更复杂的调制方式对发射机的线性度提出了更高的要求。同时，由于较大的峰均功率比使得发射机主要工作在回退状态，造成了发射机效率急剧恶化。效率的恶化意味着更多的能量转化为热能，因此加重了芯片散热的要求，增加了成本。
功率放大器是射频无线发射机里面的关键电路模块，同时也是整个芯片中最消耗功耗的模块。随着CMOS技术的发展以及其相对便宜的制造价格，越来越多的发射机芯片在CMOS工艺中实现。因为CMOS技术的进步，使低成本、小尺寸、低功耗的射频模块可以实现片上集成。
传统的模拟CMOS发射机是基于数模转换器、模拟滤波器、混频器和模拟功率放大器，这些器件大部分都是模拟器件。随着数字逻辑单元尺寸的不断缩小和集成度不断提高，将射频、模拟电路数字化变得越来越有吸引力。射频、模拟电路的数字化不仅可以和CMOS工艺很好的兼容，而且可以实现更完整的片上系统的集成。将模拟发射机数字化可以很大的提高发射机系统效率，提高设计的灵活性，易于进行各种配置，具有很高的学术价值和商业价值。
本发明针对多峰值高效率的全数字发射机，通过对输入功率放大器的I、Q信号进行阈值检测，即对I、Q信号进行区间划分，同时配合四路合成的变压器，进而实现多个效率峰值，提高了系统效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多峰值高效率全数字正交发射机。
本发明提供多峰值高效率全数字正交发射机，由四部分组成，分别是数字前端部分，阈值检测部分，编码部分和数字功率放大器部分。其中，所述数字前端包括升采样插值滤波器，用于将基带数据镜像信号推至高频，提高带外信噪比，进而满足协议的频谱罩要求；所述阈值检测部分用于对数字前端输出的I、Q信号大小分别进行阈值判断，并重新编码，对输入信号I、Q信号进行归一化处理，根据输入信号I、Q信号的大小，将I、Q信号分为四个区间：[0-0.25）（记为区间1），[0.25-0.5）（记为区间2），[0.5-0.75）（记为区间3），[0.75-1]（记为区间4）；所述数字功率放大器分为主功率放大器和从功率放大器，阈值检测部分的输出为主从功率放大器的输入信号，主功率放大器的差分结构分别用PA1+、PA1-表示，其输入信号分别用IMP（QMP）、IMN（QMN）表示；从功率放大器的差分结构分别用PA2+、PA2-表示，其输入信号分别用ISP（QSP）、ISN（QSN）表示；对于区间1：IMP（QMP）=I（Q），IMN（QMN）=0，ISP（QSP）=0，ISN（QSN）=0；对于区间2：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=I（Q）-0.25，ISP（QSP）=0，ISN（QSN）=0；对于区间3：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=0.25，ISP（QSP）=I（Q）-0.5，ISN（QSN）=0；对于区间4：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=0.25，ISP（QSP）=0.25，ISN（QSN）=I（Q）-0.75。这里，等式括号里的内容表示是并列的意思，等式两边括号里的内容表示相互对应的，例如：IMP（QMP）=I（Q），表示，IMP=I，QMP=Q。所述编码部分采用行列编码以及温度计码二进制码混合编码方式，可提升版图对称性以及线性度。
本发明中，数字功率放大器包括有源部分和匹配网络部分，如图1所示；其中：
所述有源部分由完全相同的4个子PA组成，4个子PA分别为PA1+、PA1-、PA2+、PA2-，每个PA由多个相同单元电路并联构成，用于实现数字/模拟转换和功率输出。每个单元电路包括数字混频器、电平移位器、延时单元、驱动电路、功率管以及单位电容Cu。其中，混频器用于实现四相时钟I_LO/Q_LO与信号I/Q的混频功能，混频器输出分为两路信号，一路信号输入给电平移位器，电平移位器输出为VDD到VDD2摆幅的方波，该方波作为驱动电路的输入信号，驱动电路输出直接连接P型功率管，增强驱动能力。混频器输出的另一路信号输入给延时单元，其目的是确保延时单元输出与电平移位器输出同步，延时单元输出为VSS到VDD摆幅的方波，该方波作为驱动电路的输入信号，驱动电路输出直接连接N型功率管，增强驱动能力。每个子PA的输出（即单位电容Cu的输出）全部连在一起，而子PA之间输出不短接；
所述匹配网络部分包括开关电容阵列、变压器以及次边调谐电容，用于实现阻抗变换、双端转差分以及选频的功能。变压器采用四路合成，原边四个输入端口分别与四个子PA输出直接相连，实现功率合成，次边与调谐电容C1串联，电容C1输出即为PA输出；其中，VDD2=2*VDD，VDD表示电源电压，I_LO、Q_LO分别为I信号、Q信号的时钟，I_LO、Q_LO时钟存在90度相位差；开关电容按一定比例分配到有源部分单元电路中，即为所有单位电容Cu之和。
本发明中，变压器采用四路合成并配合阈值检测部分共同实现负载调制（即Doherty技术）。功率放大器的四相时钟均为25%占空比的方波。
本发明中，通过对数字前端部分输出的I、Q信号大小进行阈值检测，即对I、Q信号进行区间划分，同时配合四路合成的变压器，进而实现多个效率峰值。
本发明提供的阈值检测方案，对数字前端输出的I、Q信号分别进行阈值检测，使得不同区间的I、Q导通对应区间的功率放大器单元，进而实现多个效率峰值，增加回退点个数，同时提高回退效率以及回退深度，即提高了系统效率。本发明可应用于全数字正交、极化以及移相发射机中。
附图说明
图1是多峰值高效率全数字正交发射机的系统架构图。
图2是本发明设计的阈值检测部分对应的编码方式。
图3是输入信号I=Q时功率放大器在不同功率级回退的工作状态。
图4是整个输入信号平面的效率仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步进行详细说明。这些附图和实施例是非限制性的和非穷尽的。
本发明提供的多峰值高效率全数字正交发射机，其电路的典型结构如图1所示。由如下四部分组成：数字前端部分，阈值检测部分，编码部分和数字功率放大器部分。其中，所述数字前端包括升采样插值滤波器，用于将基带数据镜像信号推至高频，提高带外信噪比，进而满足协议的频谱罩要求；所述阈值检测部分用于对数字前端输出的I、Q信号大小分别进行阈值判断，并重新编码，对输入信号I、Q信号进行归一化处理，根据输入信号I、Q信号的大小，将I、Q信号分为四个区间：[0-0.25）（记为区间1），[0.25-0.5）（记为区间2），[0.5-0.75）（记为区间3），[0.75-1]（记为区间4）；所述数字功率放大器分为主功率放大器和从功率放大器，阈值检测部分的输出为主从功率放大器的输入信号，主功率放大器的差分结构分别用PA1+、PA1-表示，其输入信号分别用IMP（QMP）、IMN（QMN）表示；从功率放大器的差分结构分别用PA2+、PA2-表示，其输入信号分别用ISP（QSP）、ISN（QSN）表示；对于区间1： IMP（QMP）=I（Q），IMN（QMN）=0，ISP（QSP）=0，ISN（QSN）=0；对于区间2：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=I（Q）-0.25，ISP（QSP）=0，ISN（QSN）=0；对于区间3：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=0.25，ISP（QSP）=I（Q）-0.5，ISN（QSN）=0；对于区间4：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=0.25，ISP（QSP）=0.25，ISN（QSN）=I（Q）-0.75。所述编码部分采用行列编码以及温度计码二进制码混合编码方式，可提升版图对称性以及线性度。
数字功率放大器包括有源部分和匹配网络部分。有源部分包括数字混频器，电平转换器，驱动以及功率管部分，实现数字/模拟转换和功率输出。匹配网络部分包括开关电容阵列，变压器以及次边调谐电容，实现阻抗变换、双端转差分以及选频的功能。变压器采用四路合成并配合阈值检测部分共同实现负载调制（即Doherty技术）。功率放大器的四相时钟均为25%占空比的方波。
图2是阈值检测部分对应的编码方式。阈值检测部分对数字前端输出的I、Q信号大小分别进行阈值判断，并重新编码，对输入信号I(Q)进行归一化处理，根据输入信号I(Q)的大小，将I（Q）信号分为四个区间，0-0.25（区间1），0.25-0.5（区间2），0.5-0.75（区间3），0.75-1（区间4）。阈值检测部分的输出为主从功率放大器的输入信号，主功率放大器的差分结构分别用PA1+、PA1-表示，其输入信号分别用IMP（QMP）、IMN（QMN）表示；从功率放大器的差分结构分别用PA2+、PA2-表示，其输入信号分别用ISP（QSP）、ISN（QSN）表示；对于区间1：IMP（QMP）=I（Q），IMN（QMN）=0，ISP（QSP）=0，ISN（QSN）=0；对于区间2：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=I（Q）-0.25，ISP（QSP）=0，ISN（QSN）=0；对于区间3：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=0.25，ISP（QSP）=I（Q）-0.5，ISN（QSN）=0；对于区间4：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=0.25，ISP（QSP）=0.25，ISN（QSN）=I（Q）-0.75。接下来举例说明：假设输入信号为12比特，其中最高位为符号位，因此输入码的范围为-1023到+1023。图2中（I，Q）为输入信号，其中I信号位于区间4，因此IMP=256，IMN=256，ISP=256，ISN=I-256*3=I-768；Q信号位于区间3，因此QMP=256，QMN=256，QSP=Q-256*2=Q-512。分解后的I、Q信号便可分别作为四路功率放大器的输入信号。
图3是当输入信号I=Q时效率回退示意图。（1） 当输入信号全部有效时，四路功率放大器全部工作，实现峰值输出功率，出现第一个效率峰值点；（2） 当ISN=0，QSN=0，其余信号全部有效时，PA1+、PA1-、PA2+工作，PA2-关断，实现2.5dB功率回退，出现第二个效率峰值点；（3） 当ISN=0，QSN=0，ISP=0，QSP=0，其余信号全部有效时，PA1+、PA1-工作，PA2+、PA2-关断，实现6dB功率回退，出现第三个效率峰值点；（4） 当ISN=0，QSN=0，ISP=0，QSP=0，IMN=0，QMN=0，其余信号全部有效时，PA1+工作，PA1-、PA2+、PA2-关断，实现12dB功率回退，出现第四个效率峰值点；仿真结果可见图4。
图4是第一象限输入信号效率仿真曲线，PAE为功率附加效率。由图可知，I=Q时在0dB回退、2.5dB回退、6dB回退以及12dB回退处均出现效率峰值，符合图3中的理论分析。整个IQ平面总共出现16*4+4*2*2=80个效率峰值（四个象限），从效率峰的形状分析，包括48个全峰，28个半峰以及4个1/4全峰，增加了回退深度以及回退点个数，提高了不同回退深度的效率，进而提高了整体发射效率。因而实现了一种多峰值高效率全数字正交发射机。
Claims (4)
1. 一种多峰值高效率全数字正交发射机，其特征在于，由如下四部分组成：数字前端部分，阈值检测部分，编码部分和数字功率放大器部分；其中，所述数字前端包括升采样插值滤波器，用于将基带数据镜像信号推至高频，提高带外信噪比，进而满足协议的频谱罩要求；所述阈值检测部分用于对数字前端输出的I、Q信号大小分别进行阈值判断，并重新编码，对输入信号I、Q信号进行归一化处理，根据输入信号I、Q信号的大小，将I、Q信号分为四个区间：[0-0.25）， [0.25-0.5）， [0.5-0.75）， [0.75-1]；所述数字功率放大器分为主功率放大器和从功率放大器，阈值检测部分的输出为主从功率放大器的输入信号，主功率放大器的差分结构分别用PA1+、PA1-表示，其输入信号分别用IMP（QMP）、IMN（QMN）表示；从功率放大器的差分结构分别用PA2+、PA2-表示，其输入信号分别用ISP（QSP）、ISN（QSN）表示；对于区间1： IMP（QMP）=I（Q），IMN（QMN）=0，ISP（QSP）=0，ISN（QSN）=0；对于区间2：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=I（Q）-0.25，ISP（QSP）=0，ISN（QSN）=0；对于区间3：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=0.25，ISP（QSP）=I（Q）-0.5，ISN（QSN）=0；对于区间4：IMP（QMP）=0.25，IMN（QMN）=0.25，ISP（QSP）=0.25，ISN（QSN）=I（Q）-0.75；所述编码部分采用行列编码以及温度计码二进制码混合编码方式，用于提升版图对称性以及线性度。
2.根据权利要求1所述的多峰值高效率全数字正交发射机，其特征在于，数字功率放大器包括有源部分和匹配网络部分；其中：
所述有源部分由完全相同的4个子PA组成，4个子PA分别记为PA1+、PA1-、PA2+、PA2-，每个PA由多个相同单元电路并联构成，用于实现数字/模拟转换和功率输出；每个单元电路包括数字混频器、电平移位器、延时单元、驱动电路、功率管以及单位电容Cu；其中，混频器用于实现四相时钟I_LO/Q_LO与信号I/Q的混频功能，混频器输出分为两路信号，一路信号输入给电平移位器，电平移位器输出为VDD到VDD2摆幅的方波，该方波作为驱动电路的输入信号，驱动电路输出直接连接P型功率管，增强驱动能力；混频器输出的另一路信号输入给延时单元，以确保延时单元输出与电平移位器输出同步，延时单元输出为VSS到VDD摆幅的方波，该方波作为驱动电路的输入信号，驱动电路输出直接连接N型功率管，增强驱动能力；每个子PA的输出即单位电容Cu的输出全部连在一起，而子PA之间输出不短接。
3.根据权利要求2所述的多峰值高效率全数字正交发射机，其特征在于，数字功率放大器包括有源部分和匹配网络部分；其中：
所述匹配网络部分包括开关电容阵列、变压器以及次边调谐电容，用于实现阻抗变换、双端转差分以及选频的功能；变压器采用四路合成，原边四个输入端口分别与四个子PA输出直接相连，实现功率合成，次边与调谐电容C1串联，电容C1输出即为PA输出；其中，VDD2=2*VDD，VDD表示电源电压，I_LO、Q_LO分别为I信号、Q信号的时钟，I_LO、Q_LO时钟存在90度相位差；开关电容按一定比例分配到有源部分单元电路中，即为所有单位电容Cu之和。
4.根据权利要求3所述的多峰值高效率全数字正交发射机，其特征在于，变压器采用四路合成并配合阈值检测部分共同实现负载调制；功率放大器的四相时钟均为25%占空比的方波。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210330 |