CN1496012A - 数字射频发射器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数字射频发射器，包括：一个调制器，接收具有一第一频率fs的一个N位的数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；一个本机振荡器，产生一数字载频信号；一个数字混合器，接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及一个切换式功率放大器，将该发射信号放大。

Description

数字射频发射器及方法
技术领域
本发明涉及一种数字射频发射器(RF transmitter)，特别涉及一种低耗能的数字式射频发射器。
现有技术
图1显示了传统数字通讯系统的基本原件及方块图。数字通讯系统在发射端包括一个数据源及输入转换器11、源编码器12、频道编码器13及数字调制器14，而在接收端具有数字解调器15、频道译码器16、源译码器17及输出转换器18。发射端所发射的信号经由通讯频道19传送至接收端。通讯频道是信号由发射端送至接收端的实体媒介。在无线通讯中，通讯频道19是大气。数据源及输入转换器11输出一个模拟信号，如声音或影像信号，或是一个在时序上不连续且具有有限位数目的数字信号，如电传打字设备的输出信号。源编码器12对来自数据源及输入转换器11的信号进行有效的转换，使其成为一二位的串行，一般称之为数据串行。频道编码器13的主要功能是将某些额外的位插入，以利接收端可以克服信号在通讯频道19中传送时所遭遇到的噪声及干扰等问题。数字调制器14作为通讯频道19的接口，其主要功能在于依据二元的资料串行形成相对应的信号波形。
在数字通信系统中，接收端利用一个数字解调器15、频道译码器16及源译码器17将自发射端所接收的信号还原。
在通讯频道19中，低频信号无法在大气环境下进行长距离的传输，而必需使用射频信号作为载波，始能达到长距离传输的目的。因此，在发射端处必需使用一射频发射器来达到此目的。
图2显示了一个传统射频发射器的电路方块图。传统射频发射器包括有一个数字/模拟转换器21、一个本机振荡器23、一个混合器电路25及一个功率放大器27。数字/模拟转换器21接收一个频宽小于10MHz的数字基带信号DBS，将其转换为模拟基带信号ABS。本机振荡器23产生一个具有2.4GHz或5GHz的模拟载频信号ACS。混合器电路25则接收模拟基带信号ABS及模拟载频信号ACS后，在频谱上进行频率相乘的动作，而产生一准发射信号STS，送至功率放大器27进行放大后经由天线送出发射信号TS。其中，功率放大器27使用A级、AB级、B级或C级的线性功率放大器(linear poweramplifier)。
图3a、3b及3c显示了在频谱上，模拟基带信号ABS、模拟载频信号ACS及发射信号TS的关系。模拟基带信号ABS具有一个频宽BW(小于10MHz)，及中心频率O。模拟载频信号ACS具有频率LO(2.4GHz或5GHz)。经过混合器电路25混合后，则在频率LO处形成一个频宽为BW的发射信号TS。藉此，数字基带信号DBS便可经由此种模拟处理的方式乘载于载波上而进行长距离的传输。
然而，在上述传统射频发射器中，具有以下的缺点：
第一、数字/模拟转换器及混合器电路容易产生噪声，且在进行转换或混合时，亦因非线性转换现象的存在，极易产生信号的误差；
第二、由于传统的射频发射器是全然使用模拟的方式进行，其所包含的电路均为模拟式电路，因此其电路设计的困难度较高。
第三、传统射频发射器使用A、B、AB或C级功率放大器，使得其输出信号永远有一个DC偏压存在，而提高了功率消耗。
发明概述
为了解决上述问题，本发明提供一种低功率的数字式射频发射器，在电路设计上较容易，且使其混合器电路仅进行单纯的「0」与「1」的乘法运算来达成基带信号与载频信号的混合，而没有非线性转换的问题。此外，还使用了D、E、F级的功率放大器，而减小不必要的功率消耗。
本发明的第一个目的在于提供一种数字射频发射器，包括：一个调制器，接收具有第一频率fs的一个N位数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；一个本机振荡器，产生一个数字载频信号；一个数字混合器，接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及一个切换式功率放大器，将该发射信号放大。
本发明的第二个目的在于提供一种数字射频发射方法，包括以下步骤：接收具有第一频率fs的一个N位数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；产生一个数字载频信号；接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及放大该发射信号。
本发明的第三个目的在于提供一种数字射频发射器，包括：一个调制器，接收具有第一频率fs的一个N位数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有N倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；一个本机振荡器，产生一个数字载频信号；一个数字混合器，接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及一个切换式功率放大器，将该发射信号放大。
本发明的第四个目的在于提供一种数字射频发射方法，包括以下步骤：接收具有第一频率fs的一个N位数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有N倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；产生一个数字载频信号；接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及放大该发射信号。
本发明的第五个目的在于提供一种数字射频发射方法，包括以下步骤：使用一个噪声整型调制装置接收具有第一频率fs的一个N位数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；使用一个区域振荡装置产生一个数字载频信号；使用一个数字混合装置接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及使用一个切换式功率放大装置将该发射信号放大。
本发明的第六个目的在于提供一种数字射频发射器，包括：一个噪声整型调制器，接收具有第一频率(取样频率)fs的一个N位的数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；一个本机振荡器，产生一个数字载频信号；一个数字混合器装置，接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；一个切换式功率放大装置，将该发射信号放大；以及一个滤波器，带通过滤该放大后的发射信号。
以下，结合附图说明本发明的一种数字射频发射器及方法的实施例。
附图简述
图1显示了传统数字通讯系统的基本原件及方块图；
图2显示了一个传统射频发射器的电路方块图；
图3a～3c显示了在频谱上，模拟基带信号ABS、模拟载频信号ACS及发射信号TS的关系；
图4显示了本发明一个实施例中的数字射频发射器的电路方块图；
图5a～5d显示了在频谱上，数字基带信号、数字载频信号、准发射信号及发射信号间的关系。
图6显示了本发明一个实施例中的数字射频发射方法的流程图；
图7显示了图4中的调制器；
图8a及8b显示了图4中的混合器及其真值表。
图9显示了一个线性功率放大器；
图10显示了一个切换式功率放大器。
符号说明
11～数据源及输入转换器；12～源编码器；13～频道编码器；
14～数字调制器；15～数字解调器；16～频道译码器；
17～源译码器；18～输出转换器；19～通讯频道；
21～数字模拟转换器；23、43～本机振荡器；
27、44～功率放大器；25、45～混合器电路；41～数字调制器；47～切换式功率放大器；49～带通滤波器；72～加法器；
73～积分器；74～量化器
最佳实施例
图4显示了本发明一个实施例中数字射频发射器的电路方块图。其包括有数字调制器(modulator)41、本机振荡器43、混合器电路45、切换式功率放大器47及带通滤波器(band-pass filter)49。调制器41接收一个具有频率fBB的数字基带信号DBS(频率fBB通常小于10MHz)，并将其进行调制后，产生一个调制后的数字基带信号MDBS。调制器41亦可以包括一个噪声整型(noise-shaping)量化电路或过取样(over-sampling)电路(请参考美国专利第5068661号)，而可以提高噪声比(S/N ratio)、并使高分辨率的数字信号转换为具有较低分辨率及较低量化噪声值的数字信号。本机振荡器43产生一个具有频率fLO(如2.4GHz或5GHz)的数字载频信号DCS。混合器电路45则接收调制后的数字基带信号MDBS及数字载频信号DCS后，进行两信号位间的乘法运算，而使信号MDBS在频谱上发生频率位移的现象并产生一个准发射信号STS。准发射信号STS被送至切换式功率放大器47，接着再经由带通滤波器49进行带通过滤后经由天线送出发射信号TS。功率放大器47可以是如图10所示的D、E或F级功率放大器。图9所示的线性功率放大器，如A、B、AB或C级放大器，由于其效能低，在着重功率效能的行动发射装置中并不适用。
图7显示了上述实施例中的调制器41。在上述实施例中，调制器是一个Sigma-Delta调制器，包括了一个加法器72、一个积分器73及一个量化器74。由N位数字基带信号DBS转换而成的具有频率N×fs的1个位信号被输入至加法器72，其中fs是信号DBS的取样频率。因此，信号MDBS的频率亦为N×fs。量化器74可为一与门电路，其中当来自积分器73的信号电平小于0V时，输出一高电位，而当来自积分器73的信号电平大于0V时，输出一低电位。
图8a及8b显示了图4中的混合器及其真值表。混合器45是一个与门，接收分别来自信号MDBS及DCS的位A及B。与门的输出结果是位A及B的乘积，如图4b所示的真值表。
图5a～5d显示了在频谱上，调制后的数字基带信号MDBS、数字载频信号DCS、准发射信号STS及发射信号TS的关系。调制后的数字基带信号MDBS在中心频率O处具有频宽BW(小于10MHz)。此外，在大于BW处仍存在有其它因调制所产生的更高频信号成份。数字载频信号DCS则具有频率LO(2.4GHz或5GHz)。经过混合器电路45混合后，信号MDBS及DCS混合形成信号STS。信号STS的中心频率为LO，频宽为BW。由于因调制所产生的高频噪声仍然存在于准发射信号STS中，因此使用带通滤波器49进行信号过滤，将此高频噪声滤除而得到发射信号。借此，数字基带信号DBS便可经由此种数字处理的方式乘载于载波上而进行长距离的传输。
图6显示本发明一个实施例中的数字射频发射方法的流程图。
首先，在步骤S1中，接收一个N位数字基带信号并对该数字基带信号进行调制，如增量总和调制。数字基带信号具有一个中心频率fs。调制后所产生的信号为具有中心频率N×fs的1位信号。
接着，在步骤S2中，产生一数字载频信号。
然后，在步骤S3中，接收调制后1位数字基带信号及上述的数字载频信号，并进行乘法运算后产生一准发射信号。
再者，在步骤S4中，使用一个D、E或F级切换式功率放大器放大准发射信号。
接着，在步骤S5中，带通过滤该放大后的准发射信号并经由一个天线送出。
综上所述，本发明提供了一种数字式射频发射器，直接使用数字电路进行信号的处理，消除了传统射频发射器因使用模拟电路所造成的设计困难度高的问题，亦由于其混合器电路是借由单纯的「0」与「1」的乘法运算来达成基带信号与载频信号的混合，而消除了非线性转换的问题。此外，由于D、E、F级切换式功率放大器的使用，使得不必要的功率消耗减小。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，但是其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (25)

1.一种数字射频发射器，包括：
一个调制器，接收具有一第一频率fs的一个N位的数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；
一个本机振荡器，产生一个数字载频信号；
一个数字混合器，接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一发射信号；以及
一个切换式功率放大器，将该发射信号放大。
2.如权利要求1所述的数字射频发射器，其中，更包括一个滤波器，带通过滤该发射信号。
3.如权利要求1所述的数字射频发射器，其中，该调制器包括一个噪声整型调制装置。
4.如权利要求1所述的数字射频发射器，其中，该调制器包括一个过取样量化装置。
5.如权利要求1所述的数字射频发射器，其中，该切换式功率放大器是一个D级功率放大器。
6.如权利要求1所述的数字射频发射器，其中，该切换式功率放大器是一个E级功率放大器。
7.如权利要求1所述的数字射频发射器，其中，该切换式功率放大器是一个F级功率放大器。
8.如权利要求1所述的数字射频发射器，其中，该第一频率是一个取样频率。
9.一种数字射频发射方法，包括以下步骤：
接收具有一个第一频率fs的一个N位的数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；
产生一个数字载频信号；
接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及
放大该发射信号。
10.如权利要求9所述的数字射频发射方法，其中，更包括以下步骤：
带通过滤该放大后的发射信号。
11.如权利要求9所述的数字射频发射方法，其中，该数字基带信号的调制方式为Sigma-Delta调制。
12.一种数字射频发射器，包括：
一个调制器，接收具有一第一频率fs的一个N位的数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有N倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；
一个本机振荡器，产生一数字载频信号；
一个数字混合器，接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生的一个发射信号；以及一个切换式功率放大器，将该发射信号放大。
13.如权利要求12所述的数字射频发射器，其中，更包括一滤波器，带通过滤该放大后的发射信号。
14.一种数字射频发射方法，包括以下步骤：
接收具有一第一频率fs的一个N位的数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有N倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；
产生一个数字载频信号；
接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及
放大该发射信号。
15.一种数字射频发射方法，包括以下步骤：
使用一噪声整型调制装置接收具有一第一频率fs的一个N位的数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；
使用一个区域振荡装置产生一数字载频信号；
使用一个数字混合装置接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；以及
使用一个切换式功率放大装置将该发射信号放大。
16.如权利要求15所述的数字射频发射方法，其中，该第一频率是一个取样频率。
17.如权利要求15所述的数字射频发射方法，其中，该噪声整型调制装置包括一个噪声整型量化装置。
18.如权利要求15所述的数字射频发射方法，其中，该噪声整型调制装置包括一个过取样装置。
19.一种数字射频发射器，包括：
一个噪声整型调制器，接收具有一第一频率(取样频率)fs的一个N位的数字基带信号，并对该数字基带信号进行调制而得到具有M倍fs频率的一个1位的调制后基带信号；
一个本机振荡器，产生一数字载频信号；
一个数字混合器装置，接收该调制后基带信号及该数字载频信号，并进行该调制后基带信号及该数字载频信号的乘法运算后产生一个发射信号；
一个切换式功率放大装置，将该发射信号放大；以及
一个滤波器，带通过滤该放大后的发射信号。
20.如权利要求19所述的数字射频发射器，其中，该数字基带信号的调制方式是一Sigma-Delta调制。
21.如权利要求19所述的数字射频发射器，其中，该切换式功率放大器是一个D级功率放大器。
22.如权利要求19所述的数字射频发射器，其中，该切换式功率放大器是一个E级功率放大器。
23.如权利要求19所述的数字射频发射器，其中，该切换式功率放大器是一个F级功率放大器。
24.如权利要求19所述的数字射频发射器，其中，该噪声整型调制器包括一个噪声整型量化装置。
25.如权利要求19所述的数字射频发射器，其中，该噪声整型调制器包括一个过取样装置。
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