一种多模式蓝牙数字发射机及其控制方法与流程

本公开属于蓝牙通信、射频集成电路和数字发射机，尤其涉及一种多模式蓝牙数字发射机及其控制方法。

背景技术：

1、蓝牙系统凭借低成本、低功耗和较高集成度，已经广泛应用于耳机、可穿戴设备、物联网终端和短距离无线连接设备。发射机是蓝牙芯片中功耗和面积占比较高的模块之一，其线性度、效率和数字可配置能力直接影响发射功耗、误差矢量幅度（evm）、频谱模板以及邻道泄漏等指标。

2、传统蓝牙发射机通常采用模拟正交调制、polar架构、数字功率放大器（dpa）或混合架构。对于恒包络调制，例如bdr/gfsk调制，polar架构具有较高效率，因为幅度通路基本恒定，主要由相位通路承载调制信息。但polar架构对相位通路带宽、dco调制线性度以及两点调制配合提出较高要求。

3、对于edr等非恒包络调制，信号同时包含幅度和相位变化。若完全采用polar架构，幅度和相位通路之间的延迟、带宽和增益误差会恶化线性度；若完全采用iq架构，则需要较大的iq复用数字功率放大器阵列和较高动态范围，功耗和面积增加。尤其在数字pa采用有限bit数量化时，i路和q路复用同一发射阵列会面临幅度溢出、clip失真和阵列码字利用率之间的折中。

4、因此，需要一种多模式蓝牙数字发射机，使同一套数字发射硬件能够根据调制方式、线性度要求和功耗目标，在极性调制高效率模式、混合极性-正交高线性度模式、正交复用dpa模式以及相位跳变辅助模式之间切换，从而在小面积、低功耗和高线性度之间取得更好的折中。

5、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、为了解决上述问题中的至少一个问题，以及其他潜在问题中的一个或多个问题，例如，本公开旨在克服现有技术的不足，提出一种多模式蓝牙数字发射机及其控制方法，通过数字算法控制模块统一配置幅度通路、相位通路、坐标旋转数字计算（cordic）变换、dpa码字映射和dco调制方式，使发射机能够针对bdr、edr以及其他不同线性度/功耗需求的工作模式选择最合适的发射路径。

2、本公开进一步希望通过iq复用dpa和码字约束算法减小iq复用数字功率放大器阵列面积，通过混合极性-正交（polar-iq）分解降低相位通路带宽需求，通过90度相位切换/象限补偿降低相位通路跳变幅度，并通过数字校准补偿幅相失配，从而降低功耗并改善线性度。

3、在本公开的第一方面，提出了一种多模式蓝牙数字发射机，包括基带i/q输入端口、坐标旋转数字计算（cordic）模块、幅度通路、相位通路、数字功率放大器（dpa）阵列以及锁相环/数字控制振荡器（pll/dco）控制接口，其还包括：多模式数字算法控制模块、混合极性-正交（polar-iq）处理模块、正交-极性（iq-polar）处理模块、选择器以及iq复用数字功率放大器（dpa）阵列；所述坐标旋转数字计算（cordic）模块用于将输入的基带复信号s[n]= i[n]+ jq[n]转换为幅度信号a[n]和相位信号φ[n]；所述多模式数字算法控制模块根据蓝牙工作模式和/或性能指标，控制所述选择器选通极性调制（polar）发射路径和/或混合极性-正交（polar-iq）发射路径；所述混合极性-正交（polar-iq）处理模块用于将所述相位信号φ[n]分解为低带宽相位分量φ_p[n]和残余相位分量φ_r[n]，其中φ[n] = φ_p[n]+ φ_r[n]，并将所述幅度信号a[n]和所述残余相位分量φ_r[n]重新映射为更新后的正交（i/q）码字：i_new[n]= a[n]·cos(φ_r[n])，q_new[n] = a[n]·sin(φ_r[n])；所述相位通路处理所述低带宽相位分量φ_p[n]，所述更新后的正交（i/q）码字被送入所述iq复用数字功率放大器（dpa）阵列；所述iq复用数字功率放大器（dpa）阵列中，i路码字和q路码字共享同一物理单元阵列，数字域对所述i路码字和q路码字施加码字约束，使两路码字对单元阵列的总占用不超过阵列最大量程（即iq复用数字功率放大器阵列最大码字）。

4、进一步地，在一些实施例中，所述码字约束为：

5、|c_i[n]| + |c_q[n]| ≤ c_max；

6、其中c_i[n]和c_q[n]分别为i路和q路码字，c_max为iq复用数字功率放大器（dpa）阵列最大码字。

7、进一步地，在一些实施例中，当码字超过所述最大码字c_max时，采用比例归一化：

8、α[n] = min(1, c_max / m[n])；

9、c_i'[n] = α[n]·c_i[n]；

10、c_q'[n] = α[n]·c_q[n]；

11、其中m[n]根据所选码字约束对应取曼哈顿度量。

12、进一步地，在一些实施例中，所述iq复用数字功率放大器（dpa）阵列中，i路码字和q路码字分别通过各自的单元填充译码器（cell-fill decoder）从不同方向映射至同一物理单元阵列；所述数字域在进入单元使能译码之前对i/q码字进行缩放、限幅或误差反馈，以保证两路总占用不超过阵列单元总数。

13、进一步地，在一些实施例中，所述的多模式蓝牙数字发射机还包括限幅失真抑制模块，所述限幅失真抑制模块采用软限幅函数c'[n] = c_max·tanh(c[n]/c_max)或分段线性压缩函数替代硬限幅；或者，所述限幅失真抑制模块将限幅误差e[n] = c[n]- c'[n]经高通或噪声整形滤波后反馈至后续采样点。

14、进一步地，在一些实施例中，所述多模式数字算法控制模块还用于：当检测到相位通路的相位增量|dφ[n]|大于预设阈值时，启用相位跳变辅助模式，将所述相位增量拆分为dφ[n]= k·π/2 + dφ_p[n]，其中k为整数象限补偿量，|dφ_p[n]| ≤ π/2；所述整数象限补偿量j^k通过i/q交换和符号翻转实现，所述相位通路仅处理残余相位dφ_p[n]。

15、在本公开的第二方面，还提出了一种多模式蓝牙数字发射机的控制方法，其包括以下步骤：

16、步骤s1：接收基带正交（i/q）信号，通过坐标旋转数字计算（cordic）将所述基带正交（i/q）信号转换为幅度信号a[n]和相位信号φ[n]；

17、步骤s2：根据当前蓝牙调制模式，选择发射工作模式：

18、若为恒包络调制模式，则选择极性调制（polar）模式，幅度通路输出恒定或近似恒定的幅度码字，相位通路承载相位调制信息；

19、若为非恒包络调制模式，则选择混合极性-正交（polar-iq）模式；

20、步骤s3：在所述混合极性-正交（polar-iq）模式下，对所述相位信号φ[n]进行低通滤波和/或限幅处理，得到低带宽相位分量φ_p[n]和残余相位分量φ_r[n]，其中φ[n]=φ_p[n] + φ_r[n]，将所述低带宽相位分量φ_p[n]送入相位/数字控制振荡器（dco）通路；

21、步骤s4：将所述幅度信号a[n]与所述残余相位分量φ_r[n]通过坐标旋转数字计算（cordic）或查找表重新映射为更新后的正交（i/q）码字i_new[n]和q_new[n]；

22、步骤s5：将所述更新后的正交（i/q）码字复用至同一数字功率放大器（dpa）单元阵列，并对i路码字和q路码字施加量程约束，使两路码字对单元阵列的总占用不超过阵列最大量程（即iq复用数字功率放大器阵列最大码字c_max）；

23、步骤s6：实时监测相位增量|dφ[n]|，当|dφ[n]|大于预设阈值时，执行相位跳变辅助操作：将所述相位增量拆分为整数倍象限切换和残余相位，通过i/q交换和符号翻转实现所述整数倍象限切换，所述相位通路仅处理所述残余相位。

24、进一步地，在一些实施例中，所述步骤s5中，所述量程约束为： |c_i[n]| + |c_q[n]| ≤ c_max；当码字超过所述最大码字c_max时，采用比例归一化α[n] = min(1, c_max/ m[n])对i/q码字进行等比例压缩，其中m[n]根据所选约束对应取曼哈顿度量。

25、进一步地，在一些实施例中，所述步骤s5中，还包括对限幅失真进行抑制的步骤：采用软限幅函数c'[n] = c_max·tanh(c[n]/c_max)或分段线性压缩替代硬限幅；和/或，将限幅误差e[n] = c[n]- c'[n]经高通或噪声整形滤波后反馈至后续采样点，将量化/限幅噪声推出有效调制带宽。

26、进一步地，在一些实施例中，所述步骤s2中，所述恒包络调制模式包括bdr/gfsk调制；所述非恒包络调制模式包括edr调制；所述步骤s3中所述低通滤波的带宽和/或限幅阈值为可配置参数，由多模式数字算法控制模块根据相位通路带宽能力、误差矢量幅度（evm）指标和dpa量程进行动态调整，在相位通路带宽需求与i/q通路动态范围之间取得折中。

27、进一步地，在一些实施例中，所述步骤s6中所述预设阈值为π/2；所述相位跳变辅助操作不限于90度象限切换，能够扩展为180度、270度或其他任意角度象限切换。

28、进一步地，在一些实施例中，当所述步骤s2中选择所述极性调制（polar）模式且相位通路带宽不足时，采用两点调制方式：将低频相位信息送入pll（锁相环，phase-lockedloop）/dco（数控振荡器，digital controlled oscillator）控制端，将高频相位信息送入调制补偿端，以通过所述低频相位信息与所述高频相位信息的合成覆盖原始相位信号的调制带宽，也即可使h_low(z) + h_high(z)≈1。

29、本公开对比现有技术有如下的有益效果：

30、在一些实施例中，同一套蓝牙数字发射机可以根据调制方式和性能需求在多种模式之间切换，实现了低功耗和高线性度的灵活折中。另外，在一些实施例中，通过i/q复用数字功率放大器（dpa）阵列，减少了发射单元数量，显著降低了芯片面积和静态/动态功耗。在一些实施例中，通过码字归一化、限幅或限幅映射算法，保证i路和q路的绝对值之和（即|ci|+|cq|）不超过dpa最大量程，避免阵列溢出。在一些实施例中，对于bdr等恒包络调制，可采用极性调制模式，使幅度通路保持基本恒定，主要通过相位通路完成调制，提高发射效率。在一些实施例中，对于edr等非恒包络调制，可采用混合极性-正交模式，将高频或残余相位信息转移到幅度/iq通路，降低相位通路带宽和dco调制压力。在一些实施例中，通过90度相位跳变检测和i/q切换补偿，将较大的相位跳变拆分为象限切换和较小残余相位调制，降低相位通路的瞬态幅度。