专利名称：使用数字至rf转换的rf发射机的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种数模转换器，并且更特别地涉及一种用于在RF信号发生中使用的数模转换器。
背景技术：
在无线电通信应用中，设计一直追求更简单且更便宜的无线电架构，以提高移动终端的一体化水平。传统地，直接上变频发射机至少具有I/Q调制器、RF混频器、滤波器和功率放大器。所述I/Q调制器是一种产生调相信号的有效途径。其依赖两个正交信号，I(同相)和Q(正交)，以产生信号复波形。在直接上变频中，I/Q调制器将每个正交输入信号的频谱转换成RF载波频率。同样的，需要两个数模(D/A)转换器以将数字基带转化成模拟基带，如图1a所示。在这样的传统直接上变频发射机中，基带数字数据被分解成同相分量和正交分量。然后利用单独的数模转换器将这些数据流转换成模拟、低通、基带信号。这些量化的模拟信号然后由低通重构滤波器滤波，以去除以集中在基带时钟频率的谐波的信号副本。滤波后的模拟信号被用作I/Q调制器的输入。如图1a所示，I/Q调制器包括两个基带至RF上变频混频器，其中它们的输出信号加合。I/Q调制器具有两个基带输入以及两个本地振荡器输入，其中在所述振荡器输入(cosωlt和sinωlt，其中ωl本地振荡器的频率)之间存在90°相移。I/Q调制器的输出是RF信号。
为了构成完整的发射机，满足真实无线标准的需求，该发射机必须包括下列组件-功率放大器(PA)，以将输出功率提高到所需水平；-带通滤波器，以抑制噪声和/或寄生；以及-功率控制模块，以通过一个或多个下列手段来获得动态范围能力1)功率放大器增益调节；2)可变增益放大器增益调节；和3)I/Q调制器输出功率调节。
作为这样的直接上变频发射机的实例如图1b所示。与使用I/Q调制器的直接上变频发射机有关的基本问题是1.I/Q调制器模块中的高功率消耗；2.I/Q调制器中的模拟分量中的非理想性能，例如基带放大器的非线性、由于失配效应导致的载波馈通(carrier feed-through)；3.由模拟基带电路限制的带宽；和4.整合所有功能所需要的较大死区。
电流导引型D/A转换器可以解决一些上面提到的与转换上变频发射机关联的问题。传统的电流导引型D/A转换器包括多个并联单元单体，其被分成两个或更多个子块，如图2所示。在图中，转换器呈现为典型的分段配置，其中LSB(最低有效位)单体中的电流利用并联的二元加权单元产生，而MSB(最高有效位)子块具有一元编码单体组。一元编码单体的个数是(2m-1)，其中m为MSB子块中的位数。因此，用于MSB子块中的第一位的电流在一个一元编码单体中产生，用于MSB子块中的第二位的电流在两个一元编码单体中产生，而用于第m位的电流则是在2m-1个单体中产生。所述D/A转换器具有两个电流路径，用于传送差分电流Iout和Ixout，这样模拟信号输出Vout可以利用两个外部负载电阻(未示出)来形成。
典型地，每个并联单元单体都包括串联到共发共基(cascode)电流源的差动开关对，如图3所示。该差动开关对具有两个连接到D/A转换器的输出终端Vo和Vxo的电流控制路径Q1和Q2。这些路径中的电流由互补信号VLN+和VLN-控制，该互补信号由数控逻辑提供并且表示信号N的值。该共发共基电流源具有两个晶体管Q3和Q4，以允许单体中的电流由DC偏压4来调节。
D/A转换器和I/Q调制器是复杂且高性能的模拟元件。这些模拟元件的要求通常限制了RF发射机的灵活性。
理想地，数字无线电发射机是独立于无线电标准的，并且可被用在所有调制方案和信号频率中。在实践中，这需要一种能够在所用标准的最大无线电频率的至少两倍频率处工作的D/A转换器。与在RF产生过程中使用的D/A转换器有关联的主要的问题之一是高采样频率。如果产生1.8GHz的RF信号，那么数字基带中的采样频率必须至少为3.6GHz。此外，为了有效过滤采样频率和数字信号频率之间的频率差附近的镜像分量，需要更高的采样频率。由于高成本和高功率消耗的原因，具有这样高采样频率的D/A转换器是难以实施的。由于这个原因，D/A转换器通常用在基带或低IF范围。这些转换器与高性能模拟混频器一同使用，用于RF生成。这些I/Q混频器很容易地消耗数十毫安的DC电流。此外，即使当D/A转换器用在基带和IF范围时，由于数百兆赫的高数据速率而导致噪声电流尖峰发生。这些噪声尖峰会限制RF发射机的性能。
因此，提供一种用于执行与RF产生关联的数模转换的有成本效益的方法和设备是有利的且期望的。与此同时，功率消耗也被降低。
Yuan(EP1338085)公开了一种直接数字幅度调制器，其中使用了上变频类型的转换器单元。在Yuan中，根据数字输入信号和延迟或非延迟时钟信号的合并，许多子切换电流源单元被开启或关闭，以在由延迟时钟信号精确控制的时刻产生或取消量化的RF、IF或DC电流和/或电压。这样，由于在将电流源开启后电流源中的电流的较慢稳定，所以该电路的性能较低。
提供一种用于直接数字幅度调制的方法和设备是有利且期望的，这其中避免了电流的截断。
发明内容
本发明使用两个数字至RF转换设备，以将数字基带信号转换成RF信号。所述数字至RF转换设备通过RF载波或IF信号而合并了D/A转换功能和上变频功能。该设备包括多个并联单元单体，它们中的每一个都是混频器单体类型转换器，具有与差动LO开关对串联的差动数据开关部件。所述差动LO开关还与电流源串联。每个单元单体适于接收指示数据信号值的控制电压。
因此，本发明的第一方面提供一种RF发射机。该发射机包括数字至RF转换器，用于将数字基带信号转换成RF信号；带通滤波器，用于对RF信号进行滤波；以及功率放大器，响应于滤波后的RF信号，用于提供放大后信号以供传输，其中数字基带信号包括第一数字基带信号和具有相对于第一数字基带信号的相移的第二数字基带信号，第一和第二数字基带信号中的每一个均具有多个数据位，并且其中数字至RF转换器包括用于接收所述第一数字基带信号的第一转换组件和用于接收所述第二数字基带信号的第二转换组件，第一和第二转换组件中的每一个对相应的数据位进行转换，以提供由载波信号调制的差分输出信号，所述载波信号提供在两个载波信号端之间，其中差分输出信号利用电流负载形成并提供在两个输出端之间，每个转换组件包括多个并联的转换单元，每个单元适于接收指示数据信号值的控制电压，该控制电压提供在两个控制电压端之间，每个单元包括第一差动开关部件，具有两个输入电流路径，每个输入电流路径操作性地连接到不同的输出端；和两个差动开关对，连接到控制电压端，用于在两个输入电流路径中传送指示数据信号值的差分电流；第二差动开关部件，具有两个控制电流路径，每个控制电流路径操作性地串联到两个差动开关对中的一个不同差动开关对，该控制电流路径操作性地并且单独地连接到不同的载波信号端，以利用载波信号调制差分电流；以及电流源，操作性地串联到第二差动开关部件，用于进一步对控制电流路径中的电流进行控制。
根据本发明，电流源包括至少一个具有控制端子的电流调节组件，该电流调节组件操作性地连接到偏置电压水平，用于调节流经该电流调节组件的电流。
根据本发明，第二差动开关部件包括两个设置在不同控制电流路径间的电流开关组件，每个电流开关组件具有操作性地连接到载波信号端中的不同载波信号端的控制端子。
根据本发明，第一差动开关部件包括第一差动开关对和第二差动开关对，每对都具有操作性地连接到控制电压端中的不同控制电压端的两个电流开关。
根据本发明，所述发射机还包括可变增益放大器，响应于RF信号，用于向带通滤波器提供放大后RF信号，该带通滤波器响应于该放大后RF信号提供滤波后RF信号。
根据本发明，所述发射机进一步包括功率控制模块，其操作性地连接到数字至RF转换器，用于调节RF信号的输出水平。功率控制模块进一步操作性地连接到功率放大器，用于调节放大的信号的功率水平以进行传输，并且功率控制模块操作性地连接到可变增益放大器，用于调节放大的RF信号的信号水平。
根据本发明的第二个方面，提供一种数字至RF转换设备，用于转换具有多个数据位的数字信号以提供由载波信号调制的差分输出信号，所述载波信号提供在两个载波信号端之间，其中差分输出信号由电流负载形成，并且提供在两个输出端之间。该设备包括多个并联的转换单元，每个单元适于接收指示数字信号值的控制电压，该控制电压提供在两个控制电压端之间，每个单元包括第一差动开关部件，具有两个输入电流路径，每个输入电流路径操作性地连接到不同的输出端；以及两个差动开关对，连接到控制电压端，用于在两个输入电流路径中传送指示数据信号值的差分电流；第二差动开关部件，具有两个控制电流路径，每个控制电流路径操作性地串联到两个差动开关对中的一个不同差动开关对，该控制电流路径操作性地并且单独地连接到不同的载波信号端，以利用载波信号调制差分电流；以及电流源，操作性地串联到第二差动开关部件，用于进一步对控制电流路径中的电流进行控制。
根据本发明，电流源包括至少一个具有控制端子的电流调节组件，该电流调节组件操作性地连接到偏置电压水平，用于调节流经该电流调节组件的电流。
根据本发明，第二差动开关部件包括两个设置在不同控制电流路径间的电流开关组件，每个电流开关组件具有操作性地连接到载波信号端中的不同载波信号端的控制端子；并且第一差动开关部件包括第一差动开关对和第二差动开关对，每对都具有两个操作性地连接到不同控制电压端的电流开关。
根据本发明的第三个方面，提供一种用于直接数字至RF转换的方法，用于转换具有多个数字位的数字信号，以提供由载波信号调制的差分输出信号，该载波信号提供在两个载波信号端之间，其中差分输出信号由电流负载形成并且提供在两个输出端之间。该方法包括以下步骤1)提供多个并联的转换单元，每个单元适于接收指示数字信号值的控制电压，该控制电压提供在两个控制电压端之间，每个单元包括第一差动开关部件，具有两个输入电流路径，每个输入电流路径操作性地连接到不同的输出端；以及两个差动开关对，连接到控制电压端，用于在两个输入电流路径中传送指示数据信号值的差分电流；以及第二差动开关部件，具有两个控制电流路径，每个电流路径操作性地串联到两个差动开关对中的一个不同差动开关对；2)将控制电流路径操作性地并且单独地连接到不同的载波信号端，用于利用载波信号调制差分电流；以及3)将电流源操作性地串联到第二差动开关部件，用于进一步对控制电流路径中的电流进行控制。
通过结合附图4-8阅读说明书，本发明将会更清楚。
图1a是示出传统直接上变频发射机的框图；图1b是示出具有可变增益放大器和功率控制模块的传统直接上变频发射机的框图；图2是表示现有技术D/A转换器的示意图；图3是示出现有技术D/A转换器中的并联单元单体的电路；图4是表示根据本发明的数字至RF转换器的示意图；图5是示出根据本发明的数字至RF转换器中的并联单元单体的电路；图6是示出关于数字至RF转换器的输入和输出信号的功能框图；图7是示出用于抑制上变频信号中镜像分量的电路的框图；图8是示出根据本发明的直接上变频发射机的框图。
具体实施例方式
根据本发明，数字至RF转换器借助载波(LO)合并了D/A转换功能和上变频功能，载波可以为RF或IF。如图4所示，数字至RF转换器10包括多个并联单元单体201、202...、20N、...。该上变频器10具有分段结构，包括LSB子块和MSB子块。LSB子块中的电流是利用并行二元加权单元生成，而MSB子块中的电流是在一组一元编码单体中生成。一元编码也可以被用在LSB子块中。通过如图1所示的变换D/A转换器，数字至RF转换器10的MSB子块中的一元编码单体的个数也是2m-1，其中m为MSB子块中的位数。数字至RF转换器10具有两个差分电流路径，用于传送差分电流Iout和Ixout，从而可以利用两个外部负载电阻R形成调制后的输出信号RFout。调制后的输出信号提供在两个端子Vo和Vxo处。通过将来自本地振荡器的载波信号(LO)应用到每个并联单元单体20可以执行上变频。
每个并联单元单体20为Gilbert-单体类型的转换器。它包括串联到差动LO开关对和电流源的差动数据开关部件，如图5所示。所述差动数据开关部件具有两个差动开关对(Q1、Q2)和(Q3、Q4)。每个差动数据开关对具有两个连接到输出端Vo和Vxo的电流控制路径IN和IXN。这些路径中的电流由互补信号VLN+和VLN-控制，该互补信号由数控逻辑(未示出)提供并且指示信号N的值。如图5所示，该控制电压VLN+用于控制Q1和Q4中的电流，而控制电压VLN-用于控制Q2和Q3中的电流。因此，电流路径Q1并联到电流路径Q3。同样，电流路径Q2并联到电流路径Q4。
每个差动数据开关对串联到差动LO开关Q5或Q6，这样来自本地振荡器(图4中的LO)的差分信号LO+和LO-可以被用于调制差动数据开关对中的电流。由Q5和Q6形成的差动LO开关串联到电流源Q7，从而允许在单体20中产生的电流由DC偏压7来调节。
应该注意到，图5中示出的Q1至Q7为MOS晶体管，但是它们中的任何一个都可以用其他类型的晶体管代替。
图6是D/A上变频器10的功能性框图。在图中，DATA是来自数字基带的数据，CLKBB是采样时钟，而CLKRF是来自LO的信号。
应该注意到，在直接数字至RF转换中，镜像分量由D/A转换功能产生为fCLK，RF±n*(fCLK，BB±fsignal)，其中fCLK，RF是LO信号的频率，n是正整数，fCLK，BB是采样频率，而fsugnal则是数字数据的频率。此外，D/A转换器的SINC函数产生对fCK，RF±n*fCLK，BB的陷波(notch)。如果窄带数字信号在基带(0Hz)生成，则D/A转换功能的镜像频率落入SINC函数的陷波，并且镜像分量显著减少。RF输出信号中的上变频功能的镜像分量可以通过使用如图7所示的I/Q调制器架构50来抑制。在这个镜像抑制架构中，使用了两个D/A上变频器10来上变频数字数据。
根据本发明的利用数字至RF转换器的直接上变频发射机如图8所示。如图所示，该发射机100包括数字至RF转换器50，其具有接受I和Q数字基带信号的两个基带输入51和52，还具有接收来自基带频率发生器40的时钟信号的时钟输入54。所述I和Q数字基带信号直接穿过两个D/A转换器10(见图4和7)。数字至RF转换器50也具有两个本地振荡器输入55和56，用于接收I和QLO信号。该I和QLO信号被传送到相应的D/A转换器10，以用于RF上变频。该发射机100进一步包括可变增益放大器60、带通滤波器80和功率放大器90。为了满足无线标准的需求，功率控制模块70操作性地连接到数字至RF转换器50、可变增益放大器60和功率放大器90，从而调节功率放大器90的增益、可变增益放大器60的增益和RF信号在输出58处的输出水平。
本发明的优点包括1.基本消除了D/A上变频器、低通重构滤波器和I/Q调制器基带放大器中的模拟信号处理；2.相较于传统I/Q调制器，减小了非理想效应，获得了基带信号放大中改善的线性、改善的带宽、改善的镜像依赖和改善的载波馈通；3.降低了电流消耗；以及4.由于死区的降低从而降低了产品成本。
虽然已经参考本发明的优选实施方式描述了本发明，但是本领域普通技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在形式上以及细节上进行前述的和各种其他的修改、省略和偏移。
权利要求
1.一种RF发射机，其特征在于数字至RF转换器，用于将数字基带信号转换成RF信号；带通滤波器，用于对所述RF信号进行滤波；以及功率放大器，响应于所述滤波后的RF信号，用于提供放大的信号以供传输，其中所述数字基带信号包括第一数字基带信号和具有相对于第一数字基带信号的相移的第二数字基带信号，所述第一和第二数字基带信号中的每一个均具有多个数据位，并且其中所述数字至RF转换器包括用于接收所述第一数字基带信号的第一转换组件和用于接收所述第二数字基带信号的第二转换组件，所述第一和第二转换组件中的每一个对相应的数据位进行转换，以提供由载波信号调制的差分输出信号，所述载波信号提供在两个载波信号端之间，其中所述差分输出信号利用电流负载形成并提供在两个输出端之间，所述RF发射机的特征在于每个所述转换组件包括多个并联的转换单元，每个单元适于接收指示数据信号值的控制电压，所述控制电压提供在两个控制电压端之间，每个单元包括第一差动开关部件，具有两个输入电流路径，每个所述输入电流路径操作性地连接到不同的输出端；和两个差动开关对，连接到所述控制电压端，用于在所述两个输入电流路径中输送指示所述数据信号值的差分电流；第二差动开关部件，具有两个控制电流路径，每个所述控制电流路径操作性地串联到所述两个差动开关对中的一个不同差动开关对，所述控制电流路径操作性地且单独地连接到不同的载波信号端，以利用所述载波信号来调制所述差分电流；以及电流源，操作性地串联到所述第二差动开关部件，用于进一步对所述控制电流路径中的电流进行控制。
2.根据权利要求1所述的RF发射机，其特征在于，所述电流源包括至少一个具有控制端子的电流调节组件，该电流调节组件操作性地连接到偏置电压水平，用于调节流经所述电流调节组件的电流。
3.根据权利要求1或2所述的RF发射机，其特征在于，所述第二差动开关部件包括设置在所述控制电流路径中的不同控制电流路径的两个电流开关组件，每个所述电流开关组件具有操作性地连接到载波信号端中的不同载波信号端的控制端子。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的RF发射机，其特征在于，所述第一差动开关部件包括第一差动开关对和第二差动开关对，每对都具有操作性地连接到控制电压端中的不同控制电压端的两个电流开关。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的RF发射机，其特征还在于，可变增益放大器，响应于所述RF信号，用于向所述带通滤波器提供放大的RF信号，所述带通滤波器响应于所述放大的RF信号而提供所述滤波后的RF信号。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的RF发射机，其特征还在于，功率控制模块，操作性地连接到所述数字至RF转换器，用于调节所述RF信号的输出水平。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的RF发射机，其特征还在于，功率控制模块，操作性地连接到所述功率放大器，用于调节所述放大的信号的功率水平以进行传输。
8.根据权利要求5所述的RF发射机，其特征还在于功率控制模块，操作性地连接到所述可变增益放大器，用于调节所述放大的RF信号的信号水平。
全文摘要
一种RF发射机，具有两个数字至RF转换设备，该设备通过RF载波或IF信号合并D/A转换功能和上变频功能。该设备包括多个并联的单元单体，它们中的每一个是具有差动数据开关部件的混频器单体类型转换器，该差动数据开关部件串联到差动LO开关对。该差动LO开关还串联到电流源，每个单元单体适用于接收指示数据信号值的控制电压。
文档编号H04LGK101057413SQ200480044392
公开日2007年10月17日 申请日期2004年12月1日 优先权日2004年11月12日
发明者N·萨克萨夫特, J·H·弗普萨莱南, P·T·厄洛朗塔, P·M·瑟皮南 申请人:诺基亚公司