数字正交传送器与其操作方法 |
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申请号 | CN201310181398.9 | 申请日 | 2013-05-16 | 公开(公告)号 | CN103812450B | 公开(公告)日 | 2016-10-26 |
申请人 | 晨星半导体股份有限公司; | 发明人 | 克伦·慕翰梅德; 伯纳德·金纳堤; 丹尼斯·马宏利; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及数字 正交 传送器与其操作方法。根据本发明一 实施例 ,一连串同相与正交调制 信号 的取样被输入到一射频数字模拟转换器中以进行升频转换。根据该多对同相与正交调制信号取样中的一取样对的两符号所对应的一象限值,选取出一局部震荡器信号的一 相位 。将上述选出的局部震荡器信号的相位提供至该射频数字模拟转换器,以将该同相与正交调制信号取样进行升频转换。 | ||||||
权利要求 | 1.一种适用于一数字正交传送器的操作方法,包含: |
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说明书全文 | 数字正交传送器与其操作方法技术领域背景技术[0002] 想要使用高端半导体制程实作出无线或有线传送器的时候,相当适合采用数字技术。当需要在高输出功率及低噪声的情况下输出一宽频信号时,在低操作电压的限制条件下,欲实作出传统线性的同相正交(in-phase(I)quadrature(Q))调制器,相当地具有挑战性。对于A级别或AB级别的放大器而言,要在低电压的操作环境下产生较大的线性输出功率有其困难度。此外,这类放大器的能源转换效率并不是太好。 [0003] 相较之下,数字功率放大器使用E级别的操作样态来产生输出功率。数字功率放大器依靠开启晶体管的数量来控制输出的功率大小。开启或关闭的晶体管的数量将决定输出功率的大小。图1示出了一个升频转换器(upconverter),其后将会连接到一传统的功率放大器驱动电路,一般多简称为功率放大器。升频转换器的输出信号转换到射频频率,接着被馈入到A级别或AB级别的功率放大器驱动电路以驱动输出信号。 [0004] 升频转换的过程可以使用数学方程式描述如下: [0005] [0006] 该方程式描述多(complex)型态的调制信号I(t)+jQ(t)可以使用一个多的指数波形(coswct+ jsinwct)进行频域上的频率转换,其中wc=2πfc。图2A示出的方波被广泛地使用在商业产品上。这种以局部震荡器(local oscillator, LO)信号来表示的波形,包含了基本的波形(coswct+jsinwct)与其奇次谐波(odd harmonics)。 [0007] 升频转换的过程也可以使用图2B中显示的,具有25%工作周期波形的局部震荡器信号。该25%工作周期波形的谐波与50%工作周期波形的谐波不同,不过两者都有相同的基本频率。 [0008] 具有25%工作周期的局部震荡器进行升频转换所产生的同相正交输出信号,依序会是-I、-Q、I、Q、-I、-Q,以此类推。同相与正交信号的变化率与信号的调制频宽有关。例如全球移动通信系统(GSM)的信号调制频宽为200kHz,而长期演进(LTE)系统的信号调制频宽为20MHz。升频转换程序的输出信号将在混频器中变频为局部震荡器频率的四倍。一般可以利用射频数字模拟转换器(RFDAC)进行前述的升频转换程序以便提供前述的输出信号,据此将输入的信号升频到所欲输出的载波频率。所以,一混频器与一功率放大驱动电路的功能,可以使用单一个射频数字模拟转换器来代替。 [0009] 射频数字模拟转换器(RFDAC)在某一时刻n接收同相正交调制信号的输入信号I(n)与Q(n),接着将所接收的调制信号升频转换为四倍的局部震荡器频率,也就是将其转为I、Q、-I、-Q等四个调制信号,这四个调制信号都处在同一个局部震荡器的工作周期内。前述冠上负号的调制信号值的产生方式,是将输出电流以与冠上正号的调制信号值相反的方向通过一输出负载。 [0010] 请参考图3所示,其为一射频数字模拟转换器10的一示意图。多个晶体管元件以并联的方式连接,当这些晶体管元件处于开启状态时,会产生输出电流流经输出负载。图3示出有多个晶体管12(1)至12(N),位于该射频数字模拟转换器10的正号的一侧,也另有多个晶体管14(1)至14(N)位于该射频数字模拟转换器10的负号的一侧。流经输出负载的电流量与所开启的晶体管数量呈现正比。这些晶体管根据同相或正交的调制信号而轮流开启。升频转换则是以局部震荡器信号的适当相位以及同相正交信号进行和运算(AND operation)产生。因此,局部震荡器同相信号(LOI)是由同相信号I来闸控,而局部震荡器正交信号(LOQ)是由正交信号来闸控。 [0011] 上述的同相信号在局部震荡器同相信号(LOI)的上升沿之前应该是稳定的,同相信号I也应该在局部震荡器同相信号(LOI)的下降沿之前保持稳定。同样的道理,上述的正交信号Q在局部震荡器正交信号(LOQ)的上升沿之前应该是稳定的,正交信号Q也应该在局部震荡器正交信号(LOQ)的下降沿之前保持稳定。信号传播的延迟通常会分散于时间轴上以各种情况发生。然而,当局部震荡器信号上升并维持在高电位时,所开启的晶体管数量应该不会有改变。这可以确保在频率高于调制信号频宽的情况下,局部震荡器信号的相位噪声将会决定射频输出信号的频谱表现。 [0012] 因为单一个射频数字模拟转换器RFDAC仅能根据调制码的选择来开启或关闭一定数目个晶体管,所以此射频数字模拟转换器RFDAC只能提供正向输出信号。也就是说,此射频数字模拟转换器RFDAC仅能改变流经输出负载的电流量,使得负载输出的范围落在零与某个最大功率之间。为了要在输出端提供负值,必须要使用第二个射频数字模拟转换器,其包含了多个晶体管14(1)至14(N)。当这些晶体管开启之后,会提供流经输出负载的反向电流。因此,开启信号LOP供开启正向射频数字模拟转换器中的一定数量的晶体管元件12(1)至12(N)时,使得产生正值的输出信号。开启信号LOM供开启负向射频数字模拟转换器中的一定数量的晶体管元件14(1)至14(N),使得产生负值的输出信号。当关闭所有元件时,输出信号为零。透过对某一晶体管元件的开关进行时间颤化(time dithering)则可以得到最大输出功率的一部份。 发明内容[0013] 根据本发明一实施例,一连串同相与正交调制信号的取样被输入到一射频数字模拟转换器中以进行升频转换。根据该多对同相与正交调制信号取样中的一取样对的两符号所对应的一象限值,选取出一局部震荡器信号的一相位。将上述选出的局部震荡器信号的相位提供至该射频数字模拟转换器,以将该同相与正交调制信号取样进行升频转换。 [0014] 根据本发明另一实施例,使用一电流操控数字模拟转换器来对同相与正交调制信号的取样进行升频转换。使用正号的同相与正交调制信号取样产生负号的同相与正交调制信号取样。将操作频率四倍于局部震荡器信号的时钟信号应用在一个两位元的计数器与一电流操控数字模拟转换器上。根据该计数器的位元状态,在正号与负号的同相与正交调制信号取样当中选出一个以便输出到上述的电流操控数字模拟转换器。 附图说明[0016] 图1为传统的一升频转换器与接续其后的一功率放大驱动电路的一示意图。 [0017] 图2A为传统上输出方型波的局部震荡器信号的一波形示意图。 [0018] 图2B为具有25%工作周期波形的局部震荡器信号的一波形示意图。 [0019] 图3为射频模拟数字转换器的一示意图。 [0020] 图4为本发明一实施例的一数字升频转换系统的一方块示意图。 [0021] 图5为调制信号的象限位置与局部震荡信号的相位之间对应关系的一示意图。 [0022] 图6为根据本发明另一实施例的一数字升频转换系统的一方块示意图。 [0023] 图7为图4至图6所示的实施例的数字升频转换方法的一流程图。 [0024] 图8为根据本发明更一实施例的一数字升频转换系统的一方块示意图。 [0025] 图9为图8所示的实施例的一数字升频转换方法的一流程图。 [0026] 符号说明 [0027] 10 射频数字模拟转换器 [0028] 12(1)~12(N) 晶体管 [0029] 14(1)~14(N) 晶体管 [0030] 20 数字同相正交升频转换系统 [0031] 20’ 数字同相正交升频转换系统 [0032] 22 调制器 [0033] 24 升频取样器 [0034] 26(a)~26(b) 绝对值计算模块 [0035] 28(a)~28(b) 积分三角调制器 [0037] 32 射频数字模拟转换器 [0038] 34 锁相回路 [0039] 36 相位选择器 [0040] 50~54 步骤 [0041] 60 数字调制暨升频转换系统 [0042] 62 电流操控的数字模拟转换器 [0043] 64 计数器 [0044] 66 多工器 [0045] 67(a)~67(b) 反向器 [0046] 70~76 步骤 具体实施方式[0047] 本发明的概念与精神将透过下述实施例的描述来传达,这些实施例的细节将和附属的图形一同教示。其中,相类的元件符号将代表着类似的元件。在本申请中所使用的发明一词,涵盖着下述实施例所包含的发明概念与精神,但不限于实施例本身。上位化的发明概念将不限于下述实施例所描述的细节,本申请应该以前述说明的方式来解读。 [0048] 此外,在此包含的数学表示方式与其表示的原则应该以整体描述为原则。应该理解到数学描述用于表现本申请要解释的原理,除非另有说明,否则说明书中的数学表示方式并非对发明范围隐含的限制。在本申请中,仅仅利用数学表示方式来描述本发明各个实施例中的原理。本领域的普通技术人员将可以理解到,有许多实作上的技术可以执行这些用数学方式表现的原理。 [0049] 首先,请参考图4,其为使用具25%工作周期的局部震荡器信号的一数字同相正交升频转换系统20的一方块示意图。上述的数字同相正交升频转换系统20包含了一调制器(modem)22、一升频取样器(upsampler)24、分别相应于同相信号路径与正交信号路径的绝对值计算模块(Abs)26(a)与26(b)、分别相应于同相信号路径与正交信号路径的积分三角调制器(sigma-delta modulator)28(a)与28(b)、分别相应于同相信号路径与正交信号路径的温度解码器(thermometer decoder)30(a)与30(b)、以及一射频数字模拟转换器32。上述的射频数字模拟转换器32可以为上述图3所示的形式。锁相回路34提供局部震荡器信号LO的多个相位供该射频数字模拟转换器32的正号(P)与负号(M)两侧使用,也就是局部震荡器同相正信号(LOIP)、局部震荡器同相负信号(LOIM)、局部震荡器正交正信号(LOQP)、与局部震荡器正交负信号(LOQM)。一相位选择器36耦接到锁相回路34与射频数字模拟转换器32,用来根据一对同相信号值与正交信号值,自上述局部震荡器信号的多个相位中选出一个相位,其细节将会在后面探讨。 [0050] 上述的调制器22以同相与正交信号的形式输出调制信号。该升频取样器24增加取样率,以比调制器22的输出信号更高的频率取样出同相与正交调制信号。上述的绝对值计算模块26(a)与26(b)分别计算上述同相与正交调制信号的绝对值。该积分三角调制器28(a)与28(b)分别增加上述同相与正交调制信号的解析度。据此,上述的积分三角调制器28(a)与28(b)的输出信号被分别视为同相与正交调制信号的较高解析度版本。实际上可以使用任何形式的时间颤化(time dithering)方法来增加同相与正交调制信号的解析度。积分三角调制器用于平滑化输出信号的量化噪声(quantization noise),以使得此噪声符合调频到载波频率后拉大的噪声底线。 [0051] 例如,上述的积分三角调制器28(a)与28(b)每次进行时间颤化时仅仅采取一个最低有效位元(least significant bit)(对应于射频模拟数字转换器当中的一个晶体管元件,或称为细胞(cell)),即使在其他已知的方法当中,最低有效位元其实可以在数据的其他位元中轮替。举例而言,最低有效位元可以位于一独立列或独立行中。该最低有效位元可以乱数化的顺序在该列或行中轮替,称之为动态元素匹配(dynamic element matching)。在另一种范例中,最低有效位元可以是信号码中的最后一个位元。换言之,当信号码为7个位元时,则第七个细胞被选来做时间颤化。当信号码为22个位元时,第二十二个细胞被选来做时间颤化,用于产生信号的分数值以便增加信号的解析度。 [0052] 为了使输出频谱表现符合需求,可以使用具零值的有限脉冲响应(finite impulse response)滤波器来解决频段中的频偏。另一种解决方式是利用一积分三角调制器在程式化频偏处提供零值。它的原理是在量化噪声转移函数中加入零值或以零值进行替换。 [0053] 在不重视较高频偏的量化噪声时,可以采用另外一种时间颤化的技术。无论如何,上述的三角积分调制器28(a)与28(b)透过使用时间颤化的操作,分别产生同相与正交调制信号的较高解析度取样版本。 [0054] 上述温度码解码器30(a)与30(b)分别转译上述的同相与正交调制信号取样,以输出温度编码值,其可以用来选择上述射频数字模拟转换器32当中的晶体管/细胞。举例来说,若输出的温度编码值为零,则不选择上述射频数字模拟转换器32中的任何晶体管/细胞;而一个最大的温度编码值则对应到选择射频数字模拟转换器32中的所有晶体管/细胞。 [0055] 与二进位编码的数字模拟转换器不同,温度解码器应用每个都有具同样(权重)大小的细胞,以至于当温度编码值从3到4、从7到8、或从15到16等增加的时候,不会产生伪波或脉冲干扰(glitch)。反观当编码增加情况发生于二进位编码的数字模拟转换器时,当某些数量的位元被关闭以及一个具有较高权重的细胞被打开时,往往就会产生伪波或脉冲干扰(glitch)。输出的匹配误差可以导致严重的动态噪声增加问题,进而导致在输出端产生频域飘移越界(spectral violation)的情况。 [0056] 为了让射频数字模拟转换器32产生非常低噪声的输出而带来的实体限制,使得射频数字模拟转换器32的输入值被修改为只能是正的数值,所以必须在可能是正号或负号的同相与正交调制信号取样上,进行取绝对值的操作程序。所以,输入到射频数字模拟转换器32的信号会是|I|、|Q|,接下来还是同样的|I|、|Q|顺序,以此类推。换言之,同相与正交调制信号取样将以绝对值的形式重复,先是同相调制信号取样的绝对值,接着是正交调制信号取样的绝对值。射频数字模拟转换器32根据来自调制信号的正负符号来决定选择使用正号的一侧或是负号的一侧。 [0057] 相位选择是由上述的相位选择器36来进行。当上述的同相与正交调制信号的取样输入到射频数字模拟转换器32之后,就不需要在乎它们的正负符号。因此,该绝对值计算模块26(a)与26(b)拿掉了正负符号。输入到相位选择器36的信号是用来选择局部震荡器信号正确相位的象限讯息(quadrant information)。换言之,根据已经升频转换的同相与正交调制信号取样对的正负符号,可用于决定一象限值,进而用于选择局部震荡器信号的相对应相位。而被选择出来的相位会被输入到射频数字模拟转换器32当中。上述选择相位的一个例子在表1与图5中示出,其中第一象限对应到相位0(第一相位),而第二象限对应到相位1(第二相位),以此类推。 [0058] 表1相位选择的范例 [0059] [0060] 如图5与表1所示的一个范例中,上述的相位选择器36会根据同相与正交调制信号的取样对,来进行下列选择: [0061] 当同相调制信号的取样大于零与正交调制信号的取样大于零时,选择局部震荡器同相正信号,亦即相位0(第一相位); [0062] 当同相调制信号的取样小于零与正交调制信号的取样大于零时,选择局部震荡器正交正信号,亦即相位1(第二相位); [0063] 当同相调制信号的取样小于零与正交调制信号的取样小于零时,选择局部震荡器同相负信号,亦即相位2(第三相位); [0064] 当同相调制信号的取样大于零与正交调制信号的取样小于零时,选择局部震荡器正交负信号,亦即相位3(第四相位)。 [0065] 所以在一实施例中,的相位选择器36可以使用一查找表来映射同相与正交调制信号取样对的符号的可能组合与局部震荡器信号相位的对应关系。 [0066] 信号(|I|或|Q|)是以局部震荡器信号四倍速率的分时方式输入到射频数字模拟转换器32。由上述相位选择器36所选出的相应的局部震荡器信号LO相位也被馈入到射频数字模拟转换器32。选出的LO相位被用作闸控信号,用于开启对应的射频数字模拟转换器32内(正号侧或是负号侧)所需数量的晶体管。 [0067] 在图4的范例当中,绝对值计算模块26(a)与26(b)所负责的绝对值计算程序在积分三角调制器28(a)与28(b)所执行的时间颤化程序之前进行。上述的相位选择器36在绝对值计算模块26(a)与26(b)进行绝对值计算与积分三角调制器28(a)与28(b)进行时间颤化程序之前,接收到同相与正交调制信号的取样。因此,时间颤化程序将是对同相与正交调制信号取样的绝对值进行。然而,以上的描述仅只是众多实施例当中的一个。图6所示为本发明另一个实施例的数字升频转换系统20’。在图6的实施例中,绝对值的计算是针对同相与正交调制信号取样的较高解析度版本进行,亦即在积分三角调制器28(a)与28(b)进行时间颤化程序之后进行绝对值的计算。此种作法将会在数字信号处理的过程中,减少同相与正交调制信号取样与相位选择电路之间的延迟到最低的程度。 [0068] 请参考图7,其为根据图4至图6所示的实施例的数字升频转换方法的一流程图。于步骤50当中,(可以由一调制与解调制器)产生同相与正交调制信号的取样,以便后续交由一射频数字模拟转换器来进行升频转换的程序。此程序可以用下列顺序来进行:同相调制信号的绝对值|I|、正交调制信号的绝对值|Q|,以此类推。在步骤52包含根据同相与正交调制信号取样对的符号所对应的一象限值选出一局部震荡器信号的一相位。最后于步骤54当中,将选出的局部震荡器信号的相位输入到一射频数字模拟转换器。 [0069] 如同上述,被选择的相位被当成一闸控信号来闸控那些已经被接收的同相与正交信号,并且用来开启射频数字模拟转换器内(正号边或是负号边)所需数量的晶体管。射频数字模拟转换器可以包含多个晶体管以供给射频数字模拟转换器的正向输出,也可以包含多个晶体管以供给射频数字模拟转换器的负向输出。据此,相位选择步骤牵涉到根据射频数字模拟转换器正号输出边的晶体管数量,或是射频数字模拟转换器负号输出边的晶体管数量以供选择出局部震荡器信号的一个相位。 [0070] 前述的说明是基于具25%工作周期波形的局部震荡器信号的解决方案,然而在此所描述的技术可以适用于一较短工作周期与非重迭波形的方案。上述实施例采用具90度的相位差的局部震荡器信号的系统。本发明也可以适用于非90度相位差的局部震荡器信号的解决方案。 [0071] 并不是所有的应用方案都需要升频转换到非常高的频率。然而,市场上可能需要在GHz频段操作的电流操控(current steering)数字模拟转换器。现在请参考图8,其描绘了一个数字调制暨升频转换系统60,其可以直接将调制信号升频转换高达500MHz。上面关于图4-7段落中所描述的原理可以用于直接驱动一电流操控数字模拟转换器62,其可以处理正号与负号的输入信号。系统60包含负责输出同相与正交调制信号的调制器22、用于升频转换取样该同相与正交调制信号的升频取样器24、以及连接到该升频取样器24输出端的积分三角调制器28(a)与28(b)。上述的电流操控数字模拟转换器62透过一个两位元的计数器64与多工器66接收一段不断重复的序列:I、Q、-I、-Q。反向器67(a)与67(b)分别用来自正号的同相与正交调制信号取样产生负号的同相与正交调制信号取样。该计数器64以四倍于局部震荡器信号的时脉频率运作。用于该计数器64的时脉频率同样地当成将多工器66输出的信号馈入上述的电流操控数字模拟转换器62的时脉频率。多工器66根据该计数器64的计数状态,自正号与负号的同相与正交调制信号的取样中间选出一个,并将其以上述的序列I、Q、-I、-Q输入到电流操控数字模拟转换器62。此处输入的数据序列将会自动地将多输入信号I+jQ升频转换到局部震荡器信号LO的频率。该系统60同样地可以适用于一超外差传送器(super heterodyne transmitter),以便简化第一级升频转换电路的设计。在一实施例当中,系统60可以使用一电流操控数字模拟转换器将输出信号直接提升到大约500至600MHz的频率。接下来后一级的升频转换器更可以将前一级的输出信号提升到一射频频段的频率,例如900MHz、2.4GHz、或甚至是60GHz。如此就可以实作出超外差的传送器。 [0072] 图9所示为图8所示的实施例的一数字升频转换方法的一流程图。于步骤70,(可以由一调制器)产生同相与正交调制信号的取样,以便后续进行升频转换的程序。于步骤72当中,使用正号的同相与正交调制信号取样产生负号的同相与正交调制信号取样。于步骤74当中,将操作频率四倍于局部震荡器信号的时脉信号应用在一个两位元的计数器与一电流操控数字模拟转换器上。于步骤76当中,根据该计数器的位元状态,在正号与负号的同相与正交调制信号取样当中选出一个以便输出到电流操控数字模拟转换器。上述的选择步骤将使得同相与正交调制信号取样轮流地被依照下列顺序选取:正号的同相调制信号取样、正号的正交调制信号取样、负号的同相调制信号取样、以及负号的正交调制信号取样。 [0073] 本发明各实施例所描述的电路设计与信号处理方法具有几种好处。诸如在图4-6实施例所提到的射频数字模拟转换器以及图8与图9实施例所提及的电流操控数字模拟转换器,这类的数字功率放大器需要进行预失真校正(pre-distortion)以便调整由晶体管开关所导致的阻抗。使用数字功率放大器之前的数字同相正交调制程序需要应用到绝对值Abs(I+Q)与绝对值Abs(I-Q)。在Abs/(I+Q)/Abs(I-Q)的范围内设计预失真校正的电路是相当具有挑战性的。但如果调制信号处在Abs(I)与Abs(Q)(也包含Abs(-I)与Abs(-Q))的范围内,那么对数字功率放大器的预失真校正处理就可以大幅度简化。 [0074] 本发明特定实施例所提供的功能性元件可以被制造、运输、行销、与/或销售,也可以是电脑可读取介质中非暂态(non-transitory)编码后的处理器指令。例如,在其中的一种电脑可读取介质中可以提供一电路制造程序,其包含可被符合一电子自动化设计(EDA)介面的处理器执行的处理器指令,使得本发明一实施例的一图形表现形式可以在一显示装置中提示给一使用者。透过电子自动化设计的介面,电路设计者可以将本发明融入到一个较大的电路设计蓝图中。一旦电路设计完成之后,另一种非暂态的电脑可读取介质可储存另外的处理器指令,例如硬体描述语言(HDL),以便提供给一设计数据实现处理器。该设计数据实现处理器可以将上述指令转换为另一种处理器指令。当一电路制造系统执行这一种处理器指令后,可以制造出实体的积体电路来。上述的实作数据可以包含建造元件的数据与互联线路的光罩、元件摆放位置的数据、封装的数据、以及其他在制程中帮助完成电路产品的数据。其他的实作数据可以包含铣床的指令与打线的指令。上述实作数据的特定形式和本发明实施例的电路型态相关。 [0075] 可以理解到上述电脑可读取介质可以是任何储存非暂态数据的媒体,其包含的指令或处理器指令可实作出本发明所提供的信号处理方法,这些指令可以被一处理器编码、提取、解码、与执行。上述的介质包含电、磁、与光储存装置。上述的非暂态电脑可读取介质包含但不限于只读存储器、随机存取存储器、以及其他的电储存媒体、CD-ROM光碟、DVD光碟、以及其他的光储存媒体、磁带、软盘、硬盘、以及其他的磁储存媒体。这些处理器指令可以由采用不同的程式语言编写出的演算法所产生,其可实现上述由各实施例所说明的本发明。 [0076] 上述的描述内容用于描绘本发明的概念与其可能的实作方是,但并不用于限制本发明的范围。本领域的普通技术人员阅读了本申请书之后,可以理解到本发明可以适用于许多不同的实作方式、修改方式、与另类作法。例如,可以使用等效于实施例中所提供或揭露的电路的元件,个别描述的元器件与方法也可以被合并,在说明书中描述为独立存在的元器件,也可以分散到许多元件当中。本发明所界定的范围不应该被说明书的内容所限制,而应该由附属的权利要求范围与其等效范围所界定。 |