[发明专利]直接数字射频调制器

说明书

技术领域

本发明一般涉及无线电设备领域，且更具体地涉及无线电设备的直接数字射频调制器。

背景技术

无线电发射机是无线系统的重要部分。由于CMOS技术的快速改进，模拟射频(RF)发射机现在可与复杂基带处理器一起集成到CMOS中。然而，对模拟RF设计很重要的CMOS晶体管的参数(如输出阻抗、电源对阈值比或本征增益)通常随CMOS技术节点的进步而变差。此外，现代通信方案对无线电发射机施加强硬要求。在RF工作的发射机必须组合强制要求(如RF带宽、线性度、以及带外噪声)，同时维持高效率。结果，模拟RF发射机从一个技术节点迁移到另一节点是复杂的且因而很慢且昂贵。因而，发射机需要具有尽可能小的模拟电路系统。另外，对无线电发射机而言，随CMOS技术的进步而能够容易地伸缩是合乎需要的。

为了解决模拟RF发射机的问题，采用了新的一族RF发射机，包括直接数字RF调制器(DDRM)的数字发射机。数字发射机以数字电路系统为主导特征，数字电路系统更好地适于高级CMOS技术且随各CMOS技术节点伸缩得更好。与它们的模拟对应物相反，数字发射机的性能随CMOS技术的伸缩而内在地改进。

在实际实现中，DDRM包括按可与DAC矩阵相比的矩阵布局的单位放大器单元，如图1所示。数字数据流D和各本地振荡器相位LO两者必须被路由到矩阵中的所有单位放大器单元。由于单位单元的很大数量和LO开关的大小，本地振荡器(LO)路径的负载是很大的。实际上，DDRM的总功耗的主贡献者是LO信号到各DDRM单位放大器单元的分布。确实，因为这些单元必须向天线提供功率，所以每一单元中对应的开关晶体管相对很大且到DDRM单元的路由相对很长。与LO到各单元的分布相关的功率因而是相当可观的。

第一数字发射机基于极性架构，其中调相LO被馈送到多个DDRM单位且振幅调制通过启用或禁用(打开或关闭)这些DDRM单位放大器并随后将它们的输出功率组合以形成经调整的RF模拟信号来执行。后来，包括用于调制具有相应LO相位的同相(I)和正交(Q)信号的两个这样的数字振幅调制器的笛卡尔DDRM架构也被采用在数字发射机中。这两个数字振幅调制器的输出在馈送到天线以供传输之前被求和。

为了获得高效率，DDRM单位放大器的设计通常从开关放大器架构开始，如逆D类放大器。在实践中，理想开关行为实际上只在全输出功率时为真。为了执行调制，开关放大器的大开关被拆分成多个(N个)小单位。实际上，为了以此方式达成调制，非理想开关的串联电阻必须被考虑。在数字调制器中，具有小串联电阻的大开关实际上被构建成具有较大串联电阻(由于每一开关的较小器件大小)的多个小开关的并联组合。在全功率时，所有开关并联打开，从而造成小电阻。明显地，该系统目标是使N个开关的总电阻尽可能小。

将大开关放大器拆分成数字调制器中的多个较小开关类似于创建数字可调谐电阻器。在实践中，上述数字发射机包含并联的可被打开或关闭的多个小电阻器，如图1所示。如果单个开关晶体管的电阻是Ri，则在所有N个晶体管开关被打开时，以全功率获得最小电阻Rmin＝Ri/N。对于给定负载阻抗Zload和给定供电电压Vdd，这一数字发射机的负载阻抗上的输出摆幅Vout通过给定Zload和经调制(开关)电阻之间的比率来确定。这是由下式给出的高度非线性关系：

Vout=ZloadZload+Rin---(1)]]>

其中n是确定活动单位的数量的基带码。这一非线性关系需要所传送的信号的大量的预失真。同一非线性关系也在基于笛卡尔的DDRM实现中观察到。对应的互补数字处理造成固有面积增加，且更重要地，造成功率惩罚。