ES2427093T3

ES2427093T3 - Modulador en cuadratura que emplea cuatro portadoras desplazadas 90 grados

Info

Publication number: ES2427093T3
Application number: ES04757606T
Authority: ES
Inventors: Gary J. Ballantyne
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2013-10-28
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: EP1665709B1; CA2519366A1; RU2382510C2; EP2228963A3; JP2011151820A; CA2519366C; RU2005132157A; JP5350415B2; EP2228963A2; EP1665709A1; US20040184559A1; EP2228963B1; TW200507553A; TWI342699B; JP2006521062A; WO2004084514A1; US6983024B2

Abstract

Un aparato que comprende: medios para modular (230a) una primera señal portadora con una primera señal de entrada para proporcionaruna primera señal de salida; medios para modular (230b) una segunda señal portadora con una segunda señal de entrada paraproporcionar una segunda señal de salida; en el que las señales de entrada primera y segunda son deducidasen base a una primera señal de modulación AI(t); medios para modular (230c) una tercera señal portadora con una tercera señal de entrada para proporcionaruna tercera señal de salida; medios para modular (230d) una cuarta señal portadora con una cuarta señal de entrada para proporcionar unacuarta señal de salida, en el que las señales de entrada tercera y cuarta son deducidas en base a una segundaseñal de modulación AQ(t); medios para combinar (240) las señales primera, segunda, tercera y cuarta para proporcionar una señalmodulada; en el que: cada uno de los medios para modular (230a, b, c, d) comprende medios para modular en amplitud de laseñal portadora respectiva; y la primera y tercera señales portadoras tienen un desplazamiento de fase de 90 grados; y caracterizado porque: la primera, segunda, tercera y cuarta señales de entrada tienen un valor de desplazamiento, K, y sonpositivas para evitar la inversión de fases de las señales portadoras primera, segunda, tercera ycuarta, respectivamente, y cada una de las trayectorias de señal segunda y cuarta pueden incluir uninversor, de modo que las señales de salida primera, segunda, tercera y cuarta, X1(t), X2(t), X3(t) yX4(t) respectivamente, satisfagan las siguientes ecuaciones: X1(t) >= 1/2 (K + AI(t)) cos (t), X2(t) >= 1/2 (- K + AI(t)) cos (t), X3(t) >= 1/2 (- K + AQ(t)) sen (t),y X4(t) >= 1/2 (K + AQ(t)) sen (t).;y la señal modulada comprende una componente en fase formada por primera la señal de modulacióny una componente en cuadratura formada por la segunda señal de modulación.

Description

Modulador en cuadratura que emplea cuatro portadoras desplazadas 90 grados

Antecedentes

I. Campo

La presente invención se refiere, en general, a circuitos electrónicos y, más especialmente, a un modulador cuadripolar para su uso en sistemas de comunicaciones.

II. Antecedentes

En un sistema de comunicaciones típico, los datos de tráfico se procesan en primer lugar digitalmente para obtener datos codificados. Los datos codificados se usan a continuación para modular una señal portadora para obtener una señal modulada que es más adecuada para la transmisión sobre un enlace de comunicaciones. La modulación se puede definir ampliamente como un proceso por el que se varían una o más características de una señal portadora de acuerdo con una onda de modulación (véase también, el Diccionario Normalizado del IEEE de Términos Eléctricos y Electrónicos). La señal portadora es típicamente una señal periódica (por ejemplo, una señal sinusoidal) de una frecuencia particular. La onda de modulación se puede deducir a partir de los datos codificados y se puede proporcionar como una señal de modulación en fase (I) y una señal de modulación en cuadratura (Q). Típicamente, la amplitud y/o la fase de la señal portadora se varían por las señales de modulación. La información residiría entonces en los cambios en la amplitud y/o la fase de la señal portadora.

Se pueden usar diversas arquitecturas o esquemas para modular una señal portadora con datos. Estas arquitecturas incluyen las arquitecturas de amplitud en cuadratura (QAM), polar, y amplificación lineal con componentes no lineales (LINC). De estas tres arquitecturas de modulador, la arquitectura QAM es la más sencilla de implementar porque puede aceptar las señales de modulación I y Q sin ningún procesamiento previo. Sin embargo, esta arquitectura puede sufrir de un funcionamiento pobre respecto al ruido y la potencia. La arquitectura polar requiere un procesamiento previo complejo de las señales de modulación I y Q, pero si se implementa adecuadamente, puede proporcionar un buen funcionamiento respecto al ruido y la potencia. La arquitectura LINC también requiere un procesamiento previo complejo de las señales de modulación I y Q y no está en uso comercial en el momento actual. Estas arquitecturas del modulador se describen con detalle adicional más adelante.

Cada una de las tres arquitecturas del modulador descritas anteriormente usa diferente circuitería para realizar la modulación y tiene ciertas ventajas e inconvenientes con relación a la complejidad de implementación y funcionamiento. Sería entonces altamente deseable tener una arquitectura de modulador que se pueda implementar fácilmente y también pueda proporcionar un buen funcionamiento respecto al ruido y la potencia.

La Patente de los Estados Unidos Nº 6.275.688 desvela un mezclador doble equilibrado que se puede usar como un modulador ortogonal, en el que las señales portadoras complementarias en fase se suministran a un primer mezclador de modulación y las señales de portadora ortogonales complementarias se suministran a un segundo mezclador de modulación. El primer mezclador de modulación genera en primer lugar señales de modulación mezclando las primeras señales banda base con las señales en portadora y el segundo mezclador de modulación genera las segundas señales de modulación mezclando las segundas señales de banda base con señales portadoras ortogonales. La primera y la segunda señales de modulación se combinan. La Patente de los Estados Unidos Nº 5.559.457 también desvela un circuito mezclador de doble equilibrio.

Sumario

Se proporciona un modulador cuadri-polar en este documento que tiene ventajas claves tanto respecto a los moduladores QAM como los moduladores polares. En particular, el modulador cuadri-polar es simple de implementar ya que puede aceptar las señales de modulación I y Q sin requerir un procesamiento previo complicado de estas señales. El modulador cuadri-polar también puede proporcionar buen funcionamiento respecto al ruido y la potencia de salida comparable al del modulador polar.

Una realización proporciona un circuito integrado comprendido de cuatro moduladores de amplitud y un combinador usado para implementar un modulador cuadri-polar. Cada modulador de amplitud recibe y modula en amplitud una

señal portadora respectiva Wi(t) con una señal de entrada respectiva Vi(t) para proporcionar una señal de salida respectiva Xi(t), donde i = 1, 2, 3, 4. El combinador combina a continuación las cuatro señales de salida a partir de los cuatro moduladores de amplitud para proporcionar una señal modulada Y(t). Cada modulador de amplitud se puede implementar con un amplificador de conmutación, tal como un amplificador de clase E modulado por la fuente.

Dos de las cuatro señales de entrada se pueden obtener sumando separadamente la señal de modulación de I, Ai(t), y una señal de modulación de I invertida, -Ai(t), con un valor de desplazamiento. Las otras dos señales de entrada se pueden obtener sumando separadamente la señal de modulación de Q, AQ(t), y la señal de modulación de Q

invertida, -AQ(t), con el valor de desplazamiento. El valor de desplazamiento se puede seleccionar en base a la magnitud esperada de las señales de modulación de I y Q. Las cuatro señales portadoras están mutuamente en cuadratura (es decir, con relación a una señal portadora, las otras señales portadoras están en 90, 180 y 270 grados).

El modulador cuadri-polar se puede usar para diversos sistemas de comunicaciones inalámbricas (por ejemplo, los sistemas CDMA, los sistemas GSM, y así sucesivamente). La señal modulada puede ser una señal de CDMA, una señal GSM o alguna otra señal para algún otro sistema.

A continuación se describen con detalle adicional diversos aspectos y realizaciones de la invención.

Breve descripción de los dibujos

Las características, naturaleza y ventajas de la invención resultarán más evidentes a partir de la descripción detallada mostrada a continuación cuando se toma en conjunción con los dibujos en los que, los mismos caracteres de referencia identifican los elementos correspondientes de principio a fin y en los que:

la FIG. 1 muestra un diagrama de bloques de una unidad de transceptor que se puede usar para la comunicación inalámbrica;

las FIG. 2A y 2B muestran diagramas de bloques de dos realizaciones de un modulador cuadri-polar;

la FIG. 3 muestra un diagrama esquemático de un diseño para el modulador cuadri-polar;

la FIG. 4 muestra una realización de un proceso 400 para la realización de la modulación en base a la arquitectura cuadri-polar; y

la FIG. 5 muestra un diagrama de bloques de un sistema de retroalimentación que se puede usar para el modulador cuadri-polar.

Descripción detallada

La FIG. 1 muestra un diagrama de bloques de una realización de una unidad de transceptor 120 que se puede usar para la comunicación inalámbrica. La unidad de transceptor 120 incluye un transmisor para la transmisión de datos y un receptor para la recepción de datos. La unidad de transceptor 120 se puede usar en un terminal (por ejemplo un teléfono celular o aparato telefónico) o una estación base en un sistema CDMA, y también se puede usar en otros dispositivos para otros sistemas de comunicaciones.

En la trayectoria de transmisión, un procesador digital de señales (DSP) 110 proporciona datos de tráfico como flujos de datos de I y Q, que se denominan como DI(n) y DQ(n). Los flujos de datos I y Q se convierten en señales

analógicas de I y Q por convertidores de digital a analógico (DAC) 122, se filtran por los filtros 124 para eliminar las imágenes causadas por la conversión de digital a analógico, y se amplifican por los amplificadores (AMP) 126 para proporcionar las señales de modulación de I y Q, que se denominan como AI(t) y AQ(t).

Un modulador 130 recibe las señales de modulación de I y Q desde los amplificadores 126 y una señal TX_LO desde un generador de oscilador local (LO) de transmisión (TX) 128. El modulador 130 modula la señal TX_LO con las señales de modulación de I y Q para generar una señal modulada que se denomina como Y(t). la señal modulada se amplifica a continuación por un amplificador de ganancia variable (VGA) 132, se filtra por un filtro 134, y se amplifica adicionalmente por un amplificador de potencia (PA) 136 para generar una señal de salida modulada. La señal de salida modulada se encamina a continuación a través de un duplexor (D) 138 y se transmite desde una antena 140.

Sobre la trayectoria de recepción, se recibe una señal transmitida por la antena 140, se encamina a través del duplexor 138, se amplifica por un amplificador de bajo ruido (LNA) 142, se filtra por un filtro 144, y se almacena por la memoria intermedia (BUF) 146 para proporcionar una señal recibida, que se denomina como R(t). Se proporciona un demodulador 150 con la señal recibida R(t) por la memoria intermedia 146 y una señal RX_LO por un generador de LO de recepción (RX) 148. El demodulador 150 demodula a continuación la señal recibida R(t) con la señal

RX_LO para obtener las señales de banda base de I y Q, que se denominan BI(t) y BQ(t). Las señales banda base de I y Q se amplifican a continuación por los VGA 152, se filtran por los filtros 154 y se digitalizan por los convertidores de analógico a digital (ADC) 156 para proporcionar muestras de datos. Las muestras de datos se proporcionan a continuación a un procesador digital de señales 110 para un procesamiento adicional.

Los osciladores controlados por voltaje (VCO) 162 y 164 proporcionan señales VCO usadas para generar las señales TX_LO y RX_LO, que se usan para la modulación y demodulación respectivamente. Cada señal de VCO y cada señal LO es una señal periódica con una frecuencia fundamental particular y puede ser de cualquier tipo de forma de onda (por ejemplo, ondas sinusoidales, cuadradas, en diente de sierra, y así sucesivamente). En un sistema CDMA, se usan diferentes frecuencias para el enlace directo (es decir el enlace descendente) y el enlace inverso ( es decir, el enlace ascendente). Las señales de VCO procedentes de los VCO 162 y 264 pueden tener la

misma o diferentes frecuencias, dependiendo del diseño de la unidad de transceptor 120. Una unidad de bucle de fijación de fase (PLL) 160 recibe información de temporización desde el procesador de señal digital 110, y retroalimentación desde los VCO 162 y 164, y proporciona controles usados para ajustar la frecuencia y/o la fase de los VCO 162 y 164.

La FIG. 1 muestra un diseño de transceptor específico. En un transceptor típico, el acondicionamiento de las señales en las trayectorias de transmisión y recepción se pueden realizar por una o más etapas de amplificador, filtro y así sucesivamente. Estos componentes pueden estar dispuestos en un modo diferente al mostrado en la FIG. 1, como se conoce en la técnica. Además se pueden usar también otros bloques de circuitos no mostrados en la FIG. 1 para acondicionar las señales en las trayectorias de transmisión y recepción.

Por simplicidad, la FIG. 1 también muestra la conversión directa que se usa tanto para las trayectorias de transmisión como de recepción. En la trayectoria de transmisión, se muestra la modulación como si se realizase directamente en RF para obtener la señal modulada de salida en la frecuencia de RF deseada. En la trayectoria de recepción, se muestra la demodulación como si se realizase directamente en RF sobre la señal recibida para obtener las señales banda base de I y Q. Para una arquitectura de transceptor superheterodino (no mostrado en la FIG. 1), la modulación y la demodulación se realizan en una frecuencia intermedia (IF) en lugar de en RF. En este caso, en la trayectoria de transmisión, el modulador proporcionaría una señal modulada de IF, que a continuación se convertirá hacia arriba en frecuencia para obtener la señal modulada de salida de RF. En la trayectoria de recepción, la señal recibida de RF se convertiría hacia abajo en frecuencia para obtener una señal recibida de IF, que a continuación se demodularía por el demodulador para proporcionar las señales banda base de I y Q.

La FIG. 2A muestra un diagrama de bloques de una realización de un modulador cuadri-polar 130x, que se puede usar para el modulador 130 en la FIG. 1. El modulador cuadri-polar 130x puede estar diseñado para operar en IF o RF, dependiendo del diseño de la unidad de transceptor.

Dentro del modulador cuadri-polar 130x, se proporciona la señal de modulación de I, AI(t) a un amplificador inversor 210a y a un sumador 220a. El sumador 220a suma la señal AI(t) con un valor de desplazamiento K para proporcionar una primera señal intermedia V1(t). Un sumador 220b recibe y suma una señal de modulación de I invertida, -AI(t), desde el amplificador 210a con el valor de desplazamiento K para proporcionar una segunda señal intermedia, V2(t). De forma similar la señal de modulación de Q, AQ(t) se proporciona a un amplificador de inversión 210b y un sumador 220d. Un sumador 220c recibe y suma una señal de modulación de Q invertida, -AQ(t),

procedente del amplificador 210b con el valor de desplazamiento K para proporcionar una tercera señal intermedia V3(t). El sumador 220d suma la señal AQ(t) con el valor de desplazamiento K para proporcionar una cuarta señal intermedia V4(t). Las cuatro señales intermedias se pueden expresar como:

V1(t) = K + AI(t) ,

V2(t) = K -AI(t) , Ecuación (1)

V3(t) = K – AQ(t) , y

V4(t) = K + AQ(t) ,

El valor del desplazamiento K se selecciona de modo que la magnitud esperada de las señales intermedias sea mayor que un voltaje mínimo particular. Esta condición se puede dar como V1(t), … V4(t) > Vmin > 0, para todo t donde Vmin es el voltaje mínimo (o corriente) requerido para que los moduladores de amplitud 230 funcionen

correctamente. El valor de desplazamiento K se puede seleccionar de este modo en base a la magnitud esperada de las señales de modulación de I y Q. En general, se selecciona un valor más pequeño para K para señales de modulación de I y Q más pequeñas y se selecciona un valor mayor para K para mayores señales de modulación. El valor del desplazamiento K puede ser un valor constante (es decir, un valor fijo). Como alternativa, el valor de desplazamiento de K puede ser un valor variable que se ajusta en base a la magnitud esperada de las señales de modulación (por ejemplo, el valor de desplazamiento de K se puede ajustar en base a la señal de control de potencia).

Las cuatro señales intermedias, de V1(t), a V4(t) se proporcionan respectivamente a cuatro moduladores de amplitud de 230a a 230d, que también reciben respectivamente cuatro señales portadoras de W1(t) a W4(t), desde un divisor en cuadratura 250x. Las cuatro señales de portadora, de W1(t) a W4(t), son versiones desplazadas 90º entre si (es

decir, en cuadratura), y se pueden expresar como:

w1(t) = ½ cos (wt),

w2(t) = - ½ cos (wt), Ecuación (2)

w3(t) = - ½ sen (wt), y

w4(t) = ½ sen (wt),

donde w = 2n . fLO y fLO es la frecuencia de la señal TX_LO.

Cada uno de los moduladores de amplitud 230 realiza la modulación de amplitud sobre su señal portadora Wi(t) con su señal intermedia Vi(t) y proporciona una señal de salida correspondiente Xi(t), donde i = 1, 2, 3, 4. Las cuatro señales de salida de X1(t) hasta X4(t) procedentes de los cuatro moduladores de amplitud de 230a a 230d se

pueden expresar como:

X1(t) = ½ (K + AI(t)) cos (wt),

X2(t) = ½ (- K + AI(t)) cos (wt), Ecuación (3)

X3(t) = ½ (- K + AQ(t)) sen (wt), y

X4(t) = ½ (K + AQ(t)) sen (wt).

Un sumador 240 recibe y suma las cuatro señales de salida procedentes de los moduladores de amplitud de 230a a 230d para proporcionar la señal modulada Y(t), que se puede expresar como:

Y(t) = X1(t) + X2(t) + X3(t) + X4(t) =

= AI(t) cos (wt) + AQ sen (wt) Ecuación (4)

La ecuación (4) muestra la señal Y(t) que tiene la modulación en cuadratura deseada de la señal TX_LO.

La FIG. 2B muestra un diagrama de bloques de otra realización de un modulador cuadri-polar 130y, que también se puede usar para el modulador 130 en la FIG. 1. El modulador cuadri-polar 130y es similar al modulador cuadri-polar 130x en la FIG. 2A, pero incluye además (1) un amplificador inversor 210c acoplado entre la salida del modulador de amplitud 230b y la segunda entrada del sumador 240 y (2) un amplificador inversor 210d acoplado entre la salida del modulador de amplitud 230d y la cuarta entrada del sumador 240. El amplificador inversor 210c permite usar la misma señal portadora W1(t) para ambos moduladores de amplitud 230a y 230b, y el amplificador inversor 210d permite usar la misma señal portadora W3(t) para ambos moduladores de amplitud 230c y 230d. donde W3(t) está desplazada 90º en fase con respecto a W1(t). Esto puede simplificar el diseño de un divisor de cuadratura 250y usado para proporcionar las señales de portadora W1(t) y W3(t) para el modulador cuadri-polar 130y. Los amplificadores inversores 210c y 210d se pueden implementar simplemente invirtiendo las señales de salida X2(t) y X3(t) proporcionadas al sumador 240 (por ejemplo, invirtiendo el acoplamiento del transformador descrito en la FIG.

3 dada a continuación).

Otras realizaciones del modulador cuadri-polar se pueden diseñar por la alteración de los signos de las sumas / multiplicaciones aunque proporcionando la señal modulada deseada Y(t).

Las componentes de los moduladores cuadri-polares 130x y 130y se pueden implementar de diversas formas. Los amplificadores inversores 210a y 210b se pueden implementar con diversos tipos de amplificadores lineales, como es conocido en la técnica. Los sumadores de 220a a 220d y el sumador 240d y el sumador 240 se pueden implementar con circuitos activos o pasivos, dependiendo de la implementación del modulador cuadri-polar. Los divisores de cuadratura 250x y 250y se pueden implementar con divisores de cuadratura convencionales. Por ejemplo, los divisores de cuadratura 250x y 250y se pueden implementar con un desplazador de 90º de fase que recibe una señal LO de entrada diferencial y proporciona dos señales LO de salida diferencial que están en cuadratura entre sí.

Los moduladores de amplitud de 230a a 230d se pueden implementar con amplificadores de conmutación, otros tipos de amplificadores, multiplicadores, mezcladores, u otros circuitos. Por ejemplo, los moduladores de amplitud 230 se pueden implementar con amplificadores de conmutación que tienen una fuente de alimentación que se puede modular. Los amplificadores de conmutación pueden ser amplificadores de clase D, de clase E o de clase F, todos ellos descritos por H. Krauss et al en el libro titulado "Solid State Radio Engineering", de John Wiley e Hijos , 1980. Los amplificadores de conmutación también pueden ser amplificadores de clase F inversa, que se describen por Wei et al en un documento titulado "Analysis and experimental waveform study on inverse class class-F mode of microwave power FETs" del Digest Simposio de Microondas Internacional MTTS IEEE 2000, volumen 1, 2000, páginas 525 – 528. Un ejemplo de un amplificador de conmutación de una clase E/F-inversa híbrido (clase E/Fimpar) que se puede usar para cada modulador de amplitud 230 se describe por I. Acki y otros en un documento titulado "Fully Integrated CMOS Power Amplifier Design Using the Distributed Active – Transformer Architecture", Diario de IEEE de Circuitos de Estado Sólido, 37(3), de Marzo de 2002, páginas 371 – 383. Si se usa un amplificador de

conmutación para cada modulador de amplitud 230, entones se puede usar la señal portadora Wi(t) para conmutar el amplificador y la señal intermedia Vi(t) se puede usar para modular el suministro de voltaje (o corriente) al amplificador.

Una característica clave de un modulador de amplitud es que modula una señal portadora sin invertir la fase de la señal portadora. Esto contrasta con un amplificador de cuatro cuadrantes, tal como un multiplicador de célula de Gilbert, que puede invertir la fase de la señal portadora cuando la señal de modulación invierte la polaridad o cae por debajo de un umbral particular.

Las FIG. 2A y 2B muestran representaciones simbólicas de un modulador cuadri-polar, que se puede implementar con diversos diseños de circuitos. Dependiendo del diseño específico, se pueden usar diferentes circuitos y señales para implementar el modulador cuadri-polar. Además, el flujo de señal puede ser diferente del mostrado en las FIG. 2A y 2B.

La FIG. 3 muestra un diagrama esquemático de una porción de un modulador cuadri-polar 130z, cuando es una

realización del modulador cuadri-polar 130x en la FIG. 2A. Por simplicidad, la circuitería usada para generar las cuatro señales intermedias de V1(t) a V4(t) , (es decir, los amplificadores inversores 210a y 210b y los sumadores de 220a a 220d en la FIG. 2A) no se muestran en la FIG. 3.

En la realización mostrada en la FIG. 3, cada uno de los moduladores de amplitud 230 se implementa con una clase de amplificador de conmutación de clase E/F impar de fuente modulada. El amplificador de conmutación incluye un par diferencial 310, un condensador 316, e inductores 318 y 320. El par diferencial 310 se forma por dos transistores 312 y 314 que tienen fuentes que se acoplan la tierra de corriente alterna, puertas que reciben una señal portadora

diferencial Wi(t), y drenadores que se acoplan a los dos extremos del condensador 316. Un extremo del inductor 318 se acopla al drenador del transistor 312 y el otro extremo se acopla a la fuente del amplificador. Un extremo del inductor 320 se acopla al drenador del transistor 314 y el otro extremo se acopla a la fuente del amplificador. La

fuente del amplificador se proporciona con la señal intermedia Vi(t). Para superar ciertos aspectos prácticos, cada uno de los moduladores de amplitud 230 puede ser un compuesto circular de varias etapas de push-pull, como se describe en el documento mencionado anteriormente de Aoki y otros.

Cada uno de los amplificadores de conmutación 230 se controla por una señal portadora diferencial respectiva Wi(t)

proporcionada por un divisor en cuadratura 250z y modulado en amplitud además por una señal intermedia respectiva Vi(t). El condensador 316 y los inductores 318 y 320 forman un circuito tanque que está sintonizado a la frecuencia de la señal TX_LO. El circuito tanque opera para (1) pasar las componentes deseadas a la frecuencia a la que está sintonizado, (2) filtrar las componentes no deseadas de otras frecuencias y otras señales espurias y ruido, y (3) conformar las formas de onda de acuerdo con la técnica de la clase E/Fimpar.

Para la realización mostrada en la FIG. 3, las cuatro señales de salida, de X1(t) a X4(t), procedentes de los cuatro moduladores de amplitud de 230a a 230d se combinan a través de un transformador 330 para obtener la señal modulada Y(t). El transformador 330 se puede fabricar como un bucle metálico que recoge el campo magnético generado por los inductores 318 y 320 dentro de los cuatro moduladores de amplitud de 230a a 230d. Las señales de salida también se pueden combinar de otros modos. Por ejemplo, las señales de salida de los cuatro pares diferenciales de 310a a 310d se pueden combinar por un circuito activo (por ejemplo, un amplificador sumador) para proporcionar la señal modulada Y(t).

El divisor de cuadratura 250z proporciona cuatro señales portadoras diferenciales, de W1(t) a W4(t) para los cuatro

moduladores de amplitud de 230a a 230d, respectivamente. El primer par de señales portadoras W1(t) y W2(t), se pueden derivar de una primra señal portadora diferencial (con las líneas de señal intercambiadas), y el segundo par de señales portadoras W3(t) y W4(t), también se puede derivar de una segunda señal portadora diferencial que está

despasada 90º con la primera señal portadora diferencial.

La FIG. 3 muestra un diseño específico por el que se implementa el modulador cuadri-polar 130z con transistores de canal N. El modulador cuadri-polar también se puede implementar con otros diseños de circuitos, y esto está dentro del alcance de la invención. En general, el modulador cuadri-polar se puede implementar usando cualquier tecnología de proceso incluyendo el semiconductor de óxido metal complementario (CMOS), bipolar, bipolar - CMOS (BICMOS), arsenuro de galio (GaAs), transistor bipolar de hetero-union (HBT), y así sucesivamente. El modulador cuadripolar también se puede implementar con conmutadores micro-electromecánicos (MEMS) para los amplificadores de conmutación.

Por simplicidad, los moduladores cuadri-polares 130x, 130y, y 130z en las FIG. 2A, 2B y 3 respectivamente, se muestran incluyendo divisores de cuadratura 250x, 250y, y 250z, respectivamente. Sin embargo, el divisor de cuadratura puede ser parte del generador de TX_LO 128.

El modulador cuadri-polar se puede usar en un transmisor en el que se necesita controlar el nivel de potencia de la señal modulada de RF. El control de potencia se puede conseguir, para una extensión, ajustando el nivel de señal

de las señales de modulación I y Q, AI(t) y AQ(t), proporcionadas al modulador cuadri-polar. Para conseguir un buen resultado, el valor del desplazamiento K se puede ajustar en la forma correspondiente en base al nivel de señal esperado de AI(t) y AQ(t). En particular, el valor de desplazamiento K se puede seleccionar para ser tan pequeño como sea posible mientras que se cumple con la condición V1(t), … V4(t) > Vmin > 0.

La Fig. 4 muestra una realización de un procedimiento 400 para realizar la modulación en base a la arquitectura cuadri-polar. La primera señal portadora W1(t) se modula en amplitud con la primera señal intermedia V1(t) para

proporcionar la primera señal de salida X1(t) (etapa 412). La segunda señal portadora W2(t) se modula en amplitud con la segunda señal intermedia V2(t) para proporcionar la segunda señal de salida X2(t) (etapa 414). Las señales de entrada primera y segunda se pueden deducir en base a la primera señal de modulación A1(t), por ejemplo, como se muestra en la ecuación (1).

La tercera señal portadora W3(t) se modula en amplitud con la tercera señal intermedia V3(t) para proporcionar la tercera señal de salida X3(t) (etapa 416). La cuarta señal portadora W4(t) se modula en amplitud con la cuarta señal intermedia V4(t) para proporcionar la cuarta señal de salida X4(t) (etapa 418). Las señales de entrada tercera y

cuarta se pueden deducir en base a la segunda señal de modulación AQ(t), por ejemplo, como se muestra en la ecuación (1). La primera, segunda, tercera y cuarta señales de salida se combinan a continuación para proporcionar la señal modulada, por ejemplo como se muestra en la ecuación (4) (etapa 420).

La primera, segunda, tercera y cuarta señales portadoras se pueden deducir como se muestra en la ecuación (2). Alternativamente, las señales portadoras primera y segunda pueden ser una señal portadora, y las señales portadoras tercera y cuarta pueden ser otra señal portadora, por ejemplo, como se muestra en la FIG. 2B. Se pueden usar diferentes señales intermedias y portadoras para las diferentes topologías del modulador cuadri-polar, por ejemplo, como se muestra en las FIG. 2A y 2B.

El modulador cuadri-polar se puede usar en un sistema de retroalimentación negativo controlado por el error. La retroalimentación negativa se puede usar para obtener diversos beneficios, tales como una linealidad mejorada para la circuitería del transmisor usada después del modulador cuadri-polar en la trayectoria de transmisión.

La FIG. 5 muestra un diagrama de bloques de una realización de un sistema de retroalimentación 500 que se puede usar para el modulador cuadri-polar. El sistema 500 implementa retroalimentación Cartesiana y acepta las señales de modulación I y Q, que están sobre un sistema de coordenadas Cartesianas (es decir, en cuadratura u ortogonales).

Para el sistema 500, las señales de modulación I y Q, AI(t) y AQ(t), se proporcionan respectivamente a los sumadores 510a y 510b, que también reciben respectivamente las señales demoduladas I y Q, I(t) y Q(t), desde un demodulador de cuadratura 550. El sumador 510a resta la señal demodulada I, BI(t), de señal de demodulación de I, AI(t), para proporcionar una señal de error de I, EI(t). De forma similar, el sumador 510b resta la señal demodulada Q(t), de la señal de demodulación de Q, AQ(t), para proporcionar la señal de error de Q, EQ(t).

Un modulador cuadri-polar 530 recibe las señales de error de I y Q, EI(t) y EQ(t), de los sumadores 510a y 510b y la señal TX_LO. El modulador cuadri-polar 530 realiza a continuación la modulación en el modo descrito anteriormente y proporciona la señal modulada (t). El modulador cuadri-polar 530 se puede implementara con el modulador cuadri-polar 130x en la FIG. 2A, el modulador cuadri-polar 130y en la FIG. 2B, o el modulador cuadri-polar 130z en la FIG. 3. La señal modulada (t) se procesa adicionalmente (por ejemplo, se filtra, se amplifica, se convierte hacia arriba en frecuencia y así sucesivamente) por una unidad transmisora 540 para proporcionar una señal modulada de RF. Por ejemplo, la unidad transmisora 540 puede incluir el VGA 132, el filtro 134, el amplificador de potencia 136, y el duplexor 138 mostrados en la FIG. 1. Los circuitos dentro de la unidad de transmisión 540 pueden estar asociados con una alinealidad que se puede remediar (en cierta medida) por el uso de la retroalimentación negativa.

El demodulador en cuadratura 550 recibe la señal modulada de RF desde la unidad de transmisión 540 y realiza la demodulación de cuadratura usando la señal DEMOD_LO para proporcionar las señales demoduladas de I y Q I(t) y Q(t). La señal DEMOD_LO y la señal TX_LO pueden tener diferentes frecuencias, por ejemplo, si la conversión

hacia arriba en frecuencia se realiza por la unidad transmisora 540.

Como se muestra en la FIG. 5, el modulador cuadri-polar 530 se controla con las señales de error de I y Q en lugar de las señales de modulación de I y Q. Las señales de error se generan de modo que se pueden compensar para la alinealidad en la trayectoria directa, incluyendo la alinealidad en la unidad transmisora 540. El demodulador de cuadratura 550 en la trayectoria de retroalimentación será de alta calidad paa conseguir buenos resultados.

La arquitectura cuadri-polar descrita en este documento consigue los objetivos conjuntos de minimizar el procesamiento previo de las señales de modulación de I y Q mientras que proporciona un buen funcionamiento respecto al ruido de salida y respecto a la potencia de salida. Como se muestra en las FIG. 2A y 2B y las ecuaciones de (1) a (3), solo se requiere un procesamiento previo limitado y simple de las señales de modulación de I y Q con

amplificadores de inversión y sumadores para el modulador cuadri-polar. Se puede conseguir fácilmente una potencia de salida elevada cuando se emplean amplificadores de conmutación como moduladores de amplitud en el modulador cuadri-polar.

También se espera que el modulador cuadri-polar tenga un funcionamiento respecto al ruido similar al del modulador polar. Se puede mostrar que el ruido de salida en la señal modulada Y(t) es la suma del ruido de los cuatro moduladores de amplitud de 230a a 230d. Consideramos que el ruido en la señal TX_LO es una sinusoide en un desplazamiento de frecuencia particular. Si el desplazamiento de frecuencia no es demasiado grande, entonces la sinusoide del ruido se modula en amplitud del mismo modo que la señal TX_LO.

Si la contribución del ruido del divisor de cuadratura y los moduladores de amplitud es despreciable, entonces la relación de portadora a ruido (C/N) en la salida del modulador cuadri-polar es aproximadamente la misma que la C/N de la señal TX_LO. En un modulador polar convencional, que a menudo se implementa con un modulador de fase y un modulador de amplitud, la relación C/N en la salida del modulador polar es también aproximadamente la misma que la de la señal TX_LO. Esto asume que el modulador de fase (por ejemplo, un bucle de fijación de fase (PLL)) y el modulador de amplitud (por ejemplo, un amplificador de clase E de fuente modulada) contribuye con un ruido despreciable. El modulador cuadri-polar puede conseguir de este modo un funcionamiento respecto al ruido comparable al del modulador polar, aunque sin requerir un procesamiento previo complicado de las señales de modulación I y Q.

Para la arquitectura QAM, se usan las señales de modulación I y Q para modular directamente las señales portadoras I y Q para obtener una señal modulada S(t), que se puede expresar como:

S(t) = AI(t) cos (wt) + AQ(t) sen(wt). Ecuación (5)

Para un modulador QAM, las señales de modulación I y Q se usan para modular directamente las señales portadoras de I y Q, respectivamente, con multiplicadores de cuatro cuadrantes (por ejemplo, mezcladores) para obtener las componentes moduladas I y Q. Las componentes moduladas están en cuadratura (es decir, desfasadas entre si 90º) y, cuando se combinan, resulta la señal modulada S(t) que está modulada tanto en amplitud como en fase. La arquitectura QAM es simple de implementar pero sufre de un pobre funcionamiento respecto al ruido de banda ancha y baja potencia de salida, lo que da como resultado limitaciones de los circuitos mezcladores.

Para la arquitectura polar la señal modulada S(t) se puede expresar en una forma para mostrar de forma explicita la modulación de amplitud y fase, como sigue:

S(t) = A(t) cos (wt + 4(t)), Ecuación (6)

donde

, y Ecuación (7)

4(t) = arctan

Ecuación (8)

Como se muestra en las ecuaciones de (6) a (8), para la arquitectura polar, las señales de modulación I y Q necesitan procesarse anteriormente para obtener las señales A(t) y 4 (t), que se usan a continuación para modular la amplitud y la fase, respectivamente, de la señal portadora cos (wt). Este procesamiento previo complica el diseño del modulador polar y lo hace poco atractivo para muchas aplicaciones.

Para la arquitectura LNC, la señal modulada S(t) se puede expresar de otra forma como sigue:

S(t) = ½ AMAX cos (wt + /1(t)) + ½ AMAX cos (wt + /2(t)) Ecuación (9)

donde AMAX es una constante seleccionada cuidadosamente,

/1(t) = 4(t) + arctan

, y Ecuación (10)

/2(t) = 4(t) - arctan

Ecuación (11)

Las ecuaciones de (9) a (11) indican que la señal modulada S(t) se compone de dos señales portadoras moduladas en fase y amplitud constante. La modulación de fase /i(t) sobre cada señal portadora se determina por la modulación de amplitud A(t) y la modulación de fase 4(t) deseadas sobre la señal portadora cos (wt).

Como se muestra en las ecuaciones de (9) a (11), para la arquitectura LINC, las señales de modulación I y Q necesitarían procesarse anteriormente para obtener las señales /1(t) y /2(t), que se usan a continuación para modular la fase de las dos versiones de la señal portadora cos (wt). Este procesamiento previo también complica el diseño del modulador de LINC y limita su uso

En resumen, un modulador QAM tiende a ser ruidoso y tener una baja potencia de salida, cuando se implementa con mezcladores, mientras que los moduladores polares y cuadri-polares pueden ser menos ruidosos y tener una mayor potencia de salida cuando se implementa con amplificadores de conmutación. Los amplificadores de conmutación, cuando se usan como moduladores de amplitud, no pueden invertir la fase. Esta limitación no es un problema para un modulador polar, pero las señales de modulación de amplitud y fase para el modulador polar son difíciles de calcular. El modulador cuadri-polar permite el uso de amplificadores de conmutación (lo que puede proporcionar un buen funcionamiento respecto al ruido y alta potencia de salida) sin la computación difícil.

El modulador cuadri-polar descrito en este documento se pueden usar para diversos esquemas de modulación de portadora única o multi-portadora incluyendo (pero sin limitarse a estos) la codificación por desplazamiento bi-fase (BPSK), la codificación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK), la codificación por desplazamiento de fase de orden M (M-PSK), la modulación de amplitud en cuadratura de orden M (M-QAM), múltiplex por división de frecuencias ortogonales (OFDM), y codificación de desplazamiento mínimo Gaussiano (GMSK). Estos esquemas de modulación son todos conocidos en la técnica.

El modulador cuadri-polar descrito en este documento se puede usar también para diversos sistemas y aplicaciones. Por ejemplo, el modulador cuadri-polar se puede usar en sistemas de comunicaciones inalámbricas, tal como los sistemas celulares, los sistemas de acceso múltiple por división de frecuencias ortogonales (OFDMA), sistemas OFDM, sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), redes de área local inalámbricas (LAN), y así sucesivamente. Los sistemas celulares incluyen los sistemas CDMA y GSM, y los sistemas CDMA incluyen IS-95, IS-2000, IS-856, y W-CDMA, una señal GSM para un sistema GSM, una señal OFDM para un sistema OFDM o OFDMA, o cualquier otro tipo de señal para cualquier otro sistema.

El modulador cuadri-polar descrito en este documento se puede implementar dentro de un circuito integrado (IC), un circuito integrado de aplicación específica (ASIC), un procesador digital de señales (DSP), un dispositivo de procesamiento digital de señales (DSPD), un dispositivo lógico programable (PLD), una red de puertas programables en campo (FPGA), u otras unidades electrónicas diseñadas para realzar las funciones descritas en este documento.

La descripción anterior de las realizaciones desveladas se proporciona para posibilitar a cualquier persona experta en la materia realizar o usar la presente invención. Diversas modificaciones a estas realizaciones serán fácilmente evidentes para los expertos en la materia, y los principios genéricos definidos en este documento se pueden aplicar a otras realizaciones sin apartarse del alcance de la invención. De este modo, no se pretende limitar la presente invención a las realizaciones mostradas en este documento sino que está de acuerdo con el más amplio alcance consistente con los principios y características novedosas desveladas en este documento.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un aparato que comprende:

medios para modular (230a) una primera señal portadora con una primera señal de entrada para proporcionar una primera señal de salida; 5 medios para modular (230b) una segunda señal portadora con una segunda señal de entrada para

proporcionar una segunda señal de salida; en el que las señales de entrada primera y segunda son deducidas en base a una primera señal de modulación AI(t); medios para modular (230c) una tercera señal portadora con una tercera señal de entrada para proporcionar una tercera señal de salida;

10 medios para modular (230d) una cuarta señal portadora con una cuarta señal de entrada para proporcionar una

cuarta señal de salida, en el que las señales de entrada tercera y cuarta son deducidas en base a una segunda señal de modulación AQ(t); medios para combinar (240) las señales primera, segunda, tercera y cuarta para proporcionar una señal modulada;

15 en el que:

cada uno de los medios para modular (230a, b, c, d) comprende medios para modular en amplitud de la señal portadora respectiva; y la primera y tercera señales portadoras tienen un desplazamiento de fase de 90 grados; y caracterizado porque:

20 la primera, segunda, tercera y cuarta señales de entrada tienen un valor de desplazamiento, K, y son positivas para evitar la inversión de fases de las señales portadoras primera, segunda, tercera y cuarta, respectivamente, y cada una de las trayectorias de señal segunda y cuarta pueden incluir un

inversor, de modo que las señales de salida primera, segunda, tercera y cuarta, X1(t), X2(t), X3(t) y X4(t) respectivamente, satisfagan las siguientes ecuaciones:

25 X1(t) = ½ (K + AI(t)) cos (wt),

X2(t) = ½ (- K + AI(t)) cos (wt),

X3(t) = ½ (- K + AQ(t)) sen (wt),

y

X4(t) = ½ (K + AQ(t)) sen (wt).

30 ;y

la señal modulada comprende una componente en fase formada por primera la señal de modulación y una componente en cuadratura formada por la segunda señal de modulación.
2. Un circuito integrado que comprende el aparato de la reivindicación 1, comprendiendo el circuito:

un primer modulador de amplitud (230a) operativo para modular la primera señal portadora con la primera

35 señal de entrada para proporcionar la primera señal de salida; un segundo modulador de amplitud (230b) operativo para modular la segunda señal portadora con la segunda señal de entrada para proporcionar la segunda señal de salida; un tercer modulador de amplitud (230c) operativo para modular la tercera señal portadora con la tercera señal de entrada para proporcionar la tercera señal de salida;

40 un cuarto modulador de amplitud (230d) operativo para modular la cuarta señal portadora con la cuarta señal de entrada para proporcionar la cuarta señal de salida; y un combinador (240) operativo para combinar las señales de salida primera, segunda, tercera y cuarta para proporcionar la señal modulada:
3. El circuito integrado de la reivindicación 2, que comprende además:

45 un primer sumador (220a) operativo para sumar la primera señal de modulación con el valor de desplazamiento para proporcionar la primera señal de entrada; un segundo sumador (220b) operativo para sumar una versión invertida de la primera señal de modulación con el valor de desplazamiento para proporcionar la segunda señal de entrada; un tercer sumador (220c) operativo para sumar la segunda señal de modulación con el valor de

50 desplazamiento para proporcionar la tercera señal de entrada; y un cuarto sumador (220d) operativo para sumar versión invertida de la segunda señal de modulación con el valor de desplazamiento para proporcionar la cuarta señal de entrada;
4.

El circuito integrado de la reivindicación 3, en el que el valor de desplazamiento es seleccionado en base a una magnitud esperada de las señales de modulación primera y segunda.
5.

El circuito integrado de la reivindicación 4, en el que el valor de desplazamiento es un valor fijo.
6.

El circuito integrado de la reivindicación 4, en el que el valor de desplazamiento es un valor variable.
7.

El circuito integrado de la reivindicación 2, en el que los moduladores de amplitud primero, segundo, tercero, y cuarto son amplificadores de conmutación.
8.

El circuito integrado de la reivindicación 2, en el que cada uno de los moduladores de amplitud primero, segundo,

tercero y cuarto es implementado con un amplificador de fuente modulada de clase E, de clase D, de clase F, de clase inversa F, o de clase E/Fimpar.
9.

El circuito integrado de la reivindicación 2, que comprende además:

un divisor de cuadratura (250x, y, z) operativo para recibir un oscilador local (LO) y proporcionar las señales portadoras primera, segunda, tercera y cuarta señales portadoras.
10.

El circuito integrado de la reivindicación 2, en el que las señales portadoras primera, segunda, tercera y cuarta están desfasadas 90 grados entre si.
11.

El circuito integrado de la reivindicación 2, en el que los moduladores de amplitud primero, segundo, tercero y cuarto son implementados en un semiconductor de óxido metal complementario (CMOS).
12.

El circuito integrado de la reivindicación 2, en el que la señal modulada es una señal de CDMA.
13.

El circuito integrado de la reivindicación 2, en el que la señal modulada es una señal de GSM.
14.

El circuito integrado de la reivindicación 2, en el que la primera señal de entrada comprende una versión no invertida de la primera señal de modulación, la segunda señal de entrada comprende una versión invertida de la primera señal de modulación, la tercera señal de entrada comprende una versión invertida de la segunda señal de modulación y la cuarta señal de entrada comprende una versión no invertida de la segunda señal de modulación.
15.

El circuito integrado de la reivindicación 7, en el que las señales de entrada primera, segunda, tercera y cuarta varían las fuentes de potencia de los amplificadores de conmutación para los moduladores de amplitud primero, segundo, tercero y cuarto, respectivamente.
16.

El circuito integrado de la reivindicación 2, en el que cada uno de los moduladores de amplitud primero, segundo, tercero y cuarto comprende un primero y un segundo transistores operativos para recibir y amplificar la señal portadora para el modulador de amplitud, y un bloque de circuito operativo para recibir la señal de entrada para el modulador de amplitud y variar el voltaje de alimentación para los transistores primero y segundo.
17.

El circuito integrado de la reivindicación 16, en el que el bloque de circuito para cada modulador de amplitud comprende un circuito tanque operativo para recibir la señal de entrada para el modulador de amplitud y para variar el voltaje de alimentación para los transistores primero y segundo.
18.

El circuito integrado de la reivindicación 17, en el que el circuito tanque para cada modulador de amplitud es operativo además para pasar las componentes deseadas en una frecuencia designada y para filtrar las componentes no deseadas en otras frecuencias.
19.

Un dispositivo (130x, y, z) que comprende:

un divisor en cuadratura (250x, y, z) operativo para recibir una señal de oscilador local (LO) y proporcionar las señales primera, segunda, tercera y cuarta, en el que las señales portadoras primera y tercera tienen un desplazamiento de fase de 90 grados; y un modulador cuadri-polar que comprende el circuito integrado de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 18.
20.

El dispositivo de la reivindicación 19, en el que las señales de entrada primera, segunda, tercera y cuarta son deducidas en base a las señales de modulación primera y segunda y los valores de desplazamiento, y en el que el valor de desplazamiento es seleccionado en base a la magnitud esperada de las señales de modulación primera y segunda.
21.

Un procedimiento (400) de realización de la modulación en un sistema de comunicaciones inalámbricas, que comprende:

modular (412) una primera señal portadora con una primera señal de entrada para proporcionar una primera señal de salida: modular (414) una segunda señal portadora con una segunda señal de entrada para proporcionar una segunda

señal de salida, en el que las señales de entrada primera y segunda son deducidas en base a la primera señal de modulación AI(t); modular (416) una tercera señal portadora con una tercera señal de entrada para proporcionar una tercera señal de salida.

5 modular (418) una cuarta señal portadora con una cuarta señal de entrada para proporcionar una cuarta señal de salida, en el que las señales de entrada tercera y cuarta son deducidas en base a una segunda señal de modulación AQ(t); y

combinar (420) las señales de salida primera, segunda, tercera y cuarta para proporcionar una señal modulada; en el que:

10 cada una de las etapas de modulación (412, 414, 416, 418) comprende la modulación de amplitud de la señal portadora respectiva; la señales portadoras primera y tercera tienen un desplazamiento de fase de 90 grados; y

caracterizado porque:

las señales de entrada primera, segunda, tercera y cuarta tienen un valor de desplazamiento K, y son

15 positivas para evitar invertir las fases de las señales portadoras primera, segunda, tercera y cuarta, y cada una de las trayectorias de señal segunda y cuarta puede incluir un inversor, de modo que las señales de salida primera, segunda, tercera y cuarta X1(t), X2(t), X3(t) y X4(t) respectivamente, satisfacen las siguientes ecuaciones:

X1(t) = ½ (K + AI(t)) cos (wt),

20 X2(t) = ½ (- K + AI(t)) cos (wt),

X3(t) = ½ (- K + AQ(t)) sen (wt),

y

X4(t) = ½ (K + AQ(t)) sen (wt).

y

25 la señal modulada comprende una componente en fase formada por la primera señal de modulación y una componente en cuadratura formada por la segunda señal de modulación.