CN113422613B - 一种高效率多模射频发射机 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高效率多模射频发射机，包括参考信号生成模块、多电平输出直流‑直流转换器、线性发射链路、高效率发射链路以及阻抗匹配网络。所述参考信号生成模块生成控制信号提供给多电平输出直流‑直流转换器。所述多电平输出直流‑直流转换器根据所述控制信号输出相应电平用作每条链路中功放的电源电压。所述线性发射链路依次包括数模转换器、重构滤波器、上变频器和线性放大器。所述高效率发射链路依次包括调相/调频模块、分频器和非线性功放。各个链路共用同一个阻抗匹配网络，并且只有一个射频输出端口。本申请实现多个发射机链路共用一个阻抗匹配网络和一个射频输出端口，省掉若干匹配网络以及片外的多路开关，大大降低系统整体成本。
Description
技术领域
本申请涉及无线通信和集成电路领域，特别是涉及一种多模射频发射机。
背景技术
当前射频发射机链路为了满足不同的无线标准与应用场合，通常会针对发射机链路的如下指标进行系统级和电路级的优化。
一、饱和输出功率。它由输出负载和发射机电源电压决定，更高的电源电压可以得到更高的饱和输出功率。
二、线性度。高线性度可以保证高质量输出信号，但通常需要更复杂的电路设计和更多的功耗。根据信号调制方式的不同，对发射机的线性度有不同要求。比如Wi-Fi发射机通常比BT（蓝牙）和BLE（低功耗蓝牙）发射机要求更高的线性度。
三、工作效率。由于发射机发射的信号通常要求传输较远距离，因此发射出来的信号功率一定要较大，这就需要很仔细地设计发射机的工作效率。工作效率对移动设备——比如手机和智能手表等——尤为重要，该类设备需要高效率以提升电池使用时间。
四、芯片面积。更大的芯片面积意味着更高的芯片成本，这对低成本产品有很强制约性。
五、芯片集成度和片外分立器件。系统工作需要的片外器件数量和种类严重制约总体成本，因此亟需提高芯片的集成度，从而降低甚至消除对片外器件的依赖。
为了满足通信系统整体指标的要求并迎合移动设备对长电池寿命的需求，现有的多模式射频发射机通常会使用多个功率放大器（功放），再经多路开关选择输出，如图1所示。它可以根据不同无线标准的指标需求优化相应链路的饱和输出功率、线性度与工作效率，但是这种方案占用芯片面积极大，成本极高。如果用片外器件实现也会增加系统整体的物料成本，同时芯片需要留有三个射频输出接口，增加了封装复杂性。增加的开关还会给发射链路引入更多的插入损耗，从而影响到系统的整体效率。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是传统多模发射机系统中需要多个片上功放以及片外的多路开关，导致系统能效降低，复杂度和成本增加的问题。
为解决上述技术问题，本申请提出了一种高效率多模射频发射机，包括参考信号生成模块、多电平输出直流-直流转换器、线性发射链路、高效率发射链路以及阻抗匹配网络。所述参考信号生成模块生成控制信号提供给多电平输出直流-直流转换器。所述多电平输出直流-直流转换器根据所述控制信号输出相应电平用作每条链路中功放的电源电压。所述线性发射链路依次包括数模转换器、重构滤波器、上变频器和线性放大器。所述高效率发射链路依次包括调相/调频模块、分频器和非线性功放。各个链路共用同一个阻抗匹配网络，并且只有一个射频输出端口。本申请实现多个发射机链路共用一个阻抗匹配网络和一个射频输出端口，从而省掉若干匹配网络以及片外的多路开关，大大降低系统整体成本。
进一步地，所述多模包括Wi-Fi、BT、BLE、zigbee、GPRS、NB-IOT。本申请提出的射频发射机可以工作在上述多个工作模式。
进一步地，所述控制信号是电压、电流或者其它可供编码的数字信号。
进一步地，所述多电平输出直流-直流转换器是LDO、降压DC-DC、升压DC-DC、升降压DC-DC变换器的任一种。
进一步地，所述调相/调频模块改为频率综合器。
进一步地，各个链路共用一套调相/调频模块和分频器；或者，各个链路各用一套频率综合器和分频器。这两种实现方式分别在图2、图3中得以展示。
进一步地，所述线性发射链路拆分为高线性链路和中等线性链路。因此，本申请的多模射频发射机可以有更多发射机链路，而不局限为仅有两个发射机链路。
进一步地，所述线性放大器工作在线性模式，其输入信号为带有幅度调制的非恒包络信号，包括64-QAM或者OFDM信号。
进一步地，所述非线性功放接收并放大对线性度要求不高的信号，包括GFSK或者FM信号，输入是满摆幅，放大器件工作在开关状态；所述非线性功放的增益控制由放置在每个功率放大单元输入端的与门来实现，所述非线性功放的增益控制信号为低会强制与门输出为低，反之信号正常通过并被功率放大后发射。
进一步地，所述阻抗匹配网络是一个基于变压器结构的差分-单端转换器，或者由分立的电感、电容实现；当所述阻抗匹配网络是基于变压器结构的差分-单端转换器时，所述线性放大器和非线性功放的电源电压通过所述阻抗匹配网络的主级线圈的中间抽头接入。
进一步地，所述高效率多模射频发射机具有三种工作模式。第一种是高线性度、高功率模式；这种模式下，线性发射链路打开，高效率发射链路关断；线性发射链路中的线性放大器的电源电压处于三种模式中的最高档。第二种是中等线性度、中等功率模式；这种模式下，线性发射链路打开，高效率发射链路关断；线性发射链路中的线性放大器的电源电压处于三种模式中的中间档。第三种是低功耗、高效率模式；这种模式下，线性发射链路关断，高效率发射链路打开；高效率发射链路中的非线性功放的电源电压处于三种模式中的最低档。通过合理选择并配置最优发射链路以及动态切换发射机功放的电源电压，实现发射机链路中相关模块尤其是功率放大器在不同工作模式下都处在在效率最优状态。
本申请取得的技术效果是：在不显著增加芯片面积的前提下，本申请提出的多模发射机架构结合多输出电平直流-直流转换器可以有效降低系统功耗并减少对片外器件的需求。
附图说明
图1是现有的多模式射频发射机的结构示意图。
图2是本申请提出的多模式射频发射机的实施例一的结构示意图。
图3是本申请提出的多模式射频发射机的实施例二的结构示意图。
图4是线性放大器、非线性功放和阻抗匹配网络的具体实例的结构示意图。
图中附图标记说明：1为参考信号生成模块、2为多电平输出直流-直流转换器、3为线性发射链路、311和312为数模转换器、321和322为重构滤波器、33为上变频器、34为线性放大器、341为电容、4为高效率发射链路、41为调相/调频模块、411和412为频率综合器、42和421和422为分频器、43为非线性功放、431和432为与门、5为阻抗匹配网络、51和52为电容、6为射频输出端口。
具体实施方式
请参阅图2，本申请提出了一种可以工作于多种模式的射频发射机的实施例一。所述多种模式（多模）包括Wi-Fi、BT、BLE、zigbee（紫蜂）、GPRS（通用分组无线服务）、NB-IOT（窄带物联网）等。所述多模射频发射机包含：参考信号生成（Ref-Gen）模块1、多电平输出直流-直流转换器（ML DC-DC）2、线性发射链路（L-Path）3、高效率发射链路(S-Path)4以及阻抗匹配网络（IMN）5。
所述参考信号生成模块1根据系统配置的模式控制逻辑，生成相应的控制信号提供给所述多电平输出直流-直流转换器2。所述控制信号可以是电压、电流或者其它可供编码的数字信号，图2中示意性地表示为参考电压Vref。
所述多电平输出直流-直流转换器2根据所述参考信号生成模块1提供的控制信号输出相应电平用作每条链路中功放的电源电压VPA；具体包括为所述线性发射链路3中的线性放大器34、所述高效率发射链路4中的非线性功放43提供电源电压VPA。电源电压VBAT作为所述多电平输出直流-直流转换器2的电源。所述多电平输出直流-直流转换器2例如通过LDO（低压差稳压器）、降压DC-DC（直流-直流转换器）、升压DC-DC、升降压DC-DC变换器的任一种实现。
所述线性发射链路3包括数模转换器（DAC）311和312、重构滤波器（LPF）321和322、上变频器（UPC）33和线性放大器（L-PA）34。射频信号经过IQ调制后，I路信号依次经过数模转换器一311和重构滤波器一321，进入上变频器33；Q路信号依次经过数模转换器二312和重构滤波器二322，进入上变频器33。
所述高效率发射链路4包括调相/调频模块（Phase modulator）41、分频器（DIV）42和非线性功放（S-PA）43。所述调相/调频模块41也可改为频率综合器（未图示）。在典型的频率综合器实现中——比如锁相环（PLL）——包含相位和频率信息的数字基带信号通过控制sigma-delta modulator（ΣΔ调制器）或者压控振荡器（VCO）来实现相位和/或频率调制功能。
上述两个链路3、4共用同一个阻抗匹配网络5，并且只有一个射频输出端口6。根据系统需要发射的特定信号特性和指标要求，比如是否恒包络调制和相应的误差向量幅度（EVM）需求，来选取具体使用哪个信号链路并做其它相应配置。
请参阅图3，这是本申请提出的多模式射频发射机的实施例二。图2所示的实施例一中，两个链路3、4共用一套调相/调频模块41和分频器42，其中调相/调频模块41也可替换为频率综合器（未图示）。图3所示的实施例二中，两个链路3、4各用一套频率综合器和分频器，分别为两个链路3、4提供本振信号。频率综合器一（PLLa）411和分频器一421连接上变频器33。频率综合器二（PLLb）412和分频器二422连接非线性功放43。
图2、图3所示的两个实施例均只有两个发射信号链路，但本申请的技术方案并不限于两个发射信号链路，可以有更多的发射信号链路。比如可以根据具体的系统需求，线性发射链路还可以拆分为高线性链路和中等线性链路等。
本申请的核心在于线性发射链路3和高效率发射链路4组合为一个高效多模射频发射机，各个发射链路中的功放34、43共用同一个阻抗变换网络5和射频输出端口6，通过一个多电平输出的直流-直流转换器2为各个发射链路的功放34、43提供电源电压，从而能够有效提升几种不同输出功率下的线性度或者效率。
请参阅图4，这是线性放大器34、非线性功放43和阻抗匹配网络5的一个具体实例。线性放大器34和非线性功放43均包括两个功率放大单元，每个功率放大单元均由两个级联的晶体管构成。其中线性放大器34可以工作在线性模式比如Class AB（AB类），其输入信号LIP、LIN为带有幅度调制的非恒包络信号，比如64-QAM（正交幅度调制）或者OFDM（正交频分复用）信号。线性放大器34的增益控制信号GC可以通过开关不同的放大单元或者调制偏置的方式实现增益切换。非线性功放43接收并放大对线性度要求不高的信号，比如GFSK（高斯频移键控）或者FM（调频）信号，其输入可以是满摆幅（rail-to-rail），放大器件工作在开关状态（switching mode）从而改善效率。非线性功放43的增益控制可以由放置在每个功率放大单元输入端的与门（AND）431、432来实现，非线性功放43的增益控制信号GC为低会强制与门输出为低，反之信号可以正常通过并被功率放大后发射。在该实例中，线性放大器34和非线性功放43输出均为电流信号，从而可以直接在阻抗匹配网络5的输入端短接。阻抗匹配网络5可以是一个基于变压器结构的差分-单端转换器（balun，巴伦转换器），也可以由分立的电感、电容实现合适的阻抗转换功能。图4所示是一个基于变压器结构的阻抗匹配网络5，线性放大器34和非线性功放43的电源电压VPA可以通过其初级线圈的中间抽头接入。该电源电压VPA由多电平输出直流-直流转换器2提供，根据不同模式下最大输出功率的要求，电源电压可以有所不同。线性放大器34的两个功率放大单元的输入端之间连接有电容341。阻抗匹配网络5的两个输入端（即初级线圈的两端）与地之间分别连接有电容51和电容52。电容341用来将上变频器33调谐在合适的频率。电容51、52可以用来将阻抗匹配网络5调谐在合适的工作频率。
本申请提出的多模式射频发射机可以工作于多种模式。以实现单片集成Wi-Fi、BT、BLE三种射频标准的发射机为例，它有三种工作模式，分别描述如下。
第一种是工作在Wi-Fi协议下的高线性度、高功率模式。这种模式下，线性发射链路3打开，高效率发射链路4关断。模式控制逻辑控制参考信号生成模块1输出参考电压Vref1，多电平输出直流-直流转换器2输出VPA1给线性发射链路3中的线性放大器34供电。线性放大器34电源电压处于三种模式中的最高档，具有最高饱和输出功率和最高线性度。
第二种是工作在BT协议下的中等线性度、中等功率模式。这种模式下，线性发射链路3打开，高效率发射链路4关断。模式控制逻辑控制参考信号生成模块1输出参考电压Vref2，多电平输出直流-直流转换器2输出VPA2给线性发射链路3中的线性放大器34供电。线性放大器34电源电压处于三种模式中的中间档，具有中等饱和输出功率和中等线性度。
第三种是工作在BLE协议下的低功耗、高效率模式。这种模式下，线性发射链路3关断，高效率发射链路4打开。模式控制逻辑控制参考信号生成模块1输出参考电压Vref3，多电平输出直流-直流转换器2输出VPA2给高效率发射链路4中的非线性功放43供电。非线性功放43电源电压处于三种模式中的最低档，具有最低功耗和最高效率。
与现有技术相比，本申请提出的高效率多模射频发射机具有如下有益效果。
第一，通过在多模系统中动态切换各个发射链路中的功放电源电压，使各个发射链路共用阻抗变换模块，降低了芯片设计复杂度，节省了芯片面积。
第二，本申请对于不同协议需求对各个发射链路中的功放采用不同的功放电源电压，可以提高高功耗（即高功率）模式下的发射机饱和输出功率，可以提高高线性度模式下的发射机线性度与低功耗模式下的发射效率。
第三，本申请共用一个射频信号输出接口，无需片外多路开关，降低了系统整体物料成本，减少了发射机的插入损耗。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种高效率多模射频发射机，其特征是，包括参考信号生成模块、多电平输出直流-直流转换器、线性发射链路、高效率发射链路以及阻抗匹配网络；
所述参考信号生成模块生成控制信号提供给多电平输出直流-直流转换器；
所述多电平输出直流-直流转换器根据所述控制信号输出相应电平用作每条链路中功放的电源电压；
所述线性发射链路依次包括数模转换器、重构滤波器、上变频器和线性放大器；
所述高效率发射链路依次包括调相/调频模块、分频器和非线性功放；
各个链路共用同一个阻抗匹配网络，并且只有一个射频输出端口。
2.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，所述多模包括Wi-Fi、BT、BLE、zigbee、GPRS、NB-IOT。
3.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，所述控制信号是电压、电流或者其它可供编码的数字信号。
4.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，所述多电平输出直流-直流转换器是LDO、降压DC-DC、升压DC-DC、升降压DC-DC变换器的任一种。
5.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，所述调相/调频模块改为频率综合器。
6.根据权利要求5所述的高效率多模射频发射机，其特征是，各个链路共用一套调相/调频模块和分频器；或者，各个链路各用一套频率综合器和分频器。
7.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，所述线性发射链路拆分为高线性链路和中等线性链路。
8.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，所述线性放大器工作在线性模式，其输入信号为带有幅度调制的非恒包络信号，包括64-QAM或者OFDM信号。
9.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，所述非线性功放接收并放大对线性度要求不高的信号，包括GFSK或者FM信号，输入是满摆幅，放大器件工作在开关状态；所述非线性功放的增益控制由放置在每个功率放大单元输入端的与门来实现，所述非线性功放的增益控制信号为低会强制与门输出为低，反之信号正常通过并被功率放大后发射。
10.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，所述阻抗匹配网络是一个基于变压器结构的差分-单端转换器，或者由分立的电感、电容实现；当所述阻抗匹配网络是基于变压器结构的差分-单端转换器时，所述线性放大器和非线性功放的电源电压通过所述阻抗匹配网络的主级线圈的中间抽头接入。
11.根据权利要求1所述的高效率多模射频发射机，其特征是，具有三种工作模式；
第一种是高线性度、高功率模式；这种模式下，线性发射链路打开，高效率发射链路关断；线性发射链路中的线性放大器的电源电压处于三种模式中的最高档；
第二种是中等线性度、中等功率模式；这种模式下，线性发射链路打开，高效率发射链路关断；线性发射链路中的线性放大器的电源电压处于三种模式中的中间档；
第三种是低功耗、高效率模式；这种模式下，线性发射链路关断，高效率发射链路打开；高效率发射链路中的非线性功放的电源电压处于三种模式中的最低档。
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