一种连续变频的多模式全数字发射机

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种连续变频的多模式全数字发射机电路。


背景技术：

2.近年来，随着语音视频、虚拟现实技术、可穿戴电子等领域的兴起，无线通信技术也发挥着越来越重要的作用。远程办公、在线课程教育、视频会议等应用极大的改变了人们的生活方式，无线通信技术已经变成人类不可或缺的一部分。多场景应用、高数据吞吐率、覆盖广、高可靠性等应用需求的增加，也对无线通信技术提出了更高的需求。为了提高数据传输性能，满足低功耗、广覆盖、多终端接入等需求，物联网概念走进人们的视野并经历了爆发式发展。
3.应用于物联网通信的协议主要包括低功耗蓝牙（ble）通信协议、zigbee通信协议、802.11ah通信协议以及窄带物联网（nb-iot）通信协议。ble和zigbee协议广泛应用于2.4ghz频段，但是受制于调制方式，这两种通信协议的覆盖范围较小。频谱利用率低，抗干扰和抗衰减性能弱，这极大限制了其应用场景。802.11ah通信协议采用ofdm调制方式，极大提高了频谱利用率。灵活的带宽、更广的覆盖范围以及低的信道干扰，使得802.11ah能够满足多种应用需求。窄带物联网（nb-iot）通信协议是针对物联网领域的发展而迭代出的一种新型通信协议。nb-iot具有更广的覆盖范围，并且支持更多的终端接入。nb-iot协议的复杂度，具有多载波频段，兼容性强，同时能够实现超低功耗及低成本，广泛地应用于多种通信场景。
4.无线通信协议的不断发展以及应用场景的不断变化，对发射机的设计也是一个极大的挑战。智能电子设备的多种应用场景以及不同协议所规定的不同的指标与性能，要求发射机可以兼容多种协议，支持多种工作模式。而数字基带电路作为射频发射机前端的重要模块，其性能的好坏直接影响整个发射机系统的性能。数字基带的主要功能是实现数据采样率转换，并保证高的信噪比、信号的完整性和有效性。在送入功率放大器之前，信号必须满足协议所规定的带外抑制度、错误矢量误差（evm）等指标。
5.基于以上分析，本发明提出了一种多模式、可重构带宽、可以实现高精度连续变频的全数字发射机架构。本发明发射机的射频频率覆盖0.7ghz-2.43ghz，信号带宽覆盖180khz-15mhz，可兼容多种通信协议，比如窄带物联网协议（nb-iot）、低功耗蓝牙协议（ble）等。该发射机片上集成采样、变频模块（120）、分频器（130）、全数字功率放大器（140）、天线（210）、全数字锁相环（adpll）（310）、串行外设接口（spi）（410）等电路模块。整个架构通过全数字的方式实现，可极大地降低系统的功耗和成本，且整个系统架构高度集成，结构简单。另外，本发明所提出的发射机架构支持不同的信号带宽，兼容多种协议，支持不同的工作模式，可灵活地应用于多种工作场景。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种多模式、可重构带宽、可以实现高精度连续变频的全数字发射机。
7.本发明提供的连续变频的多模式全数字发射机，其系统架构如图1所示。不需要系统提供额外的变频时钟，该全数字发射机便能实现高精度的连续变频。包括基带信号处理模块（110）、采样、变频模块（120）、分频器（130）、全数字功率放大器（140）、天线（210）、全数字锁相环（adpll）（310）、串行外设接口（spi）（410）等电路模块；其中：所述基带信号处理模块（110）主要是针对不同的带宽的通信协议对信号进行限幅、量化、裁剪等操作，以满足发射机输入信号的采样率和全数字功率放大器（140）所需要的复用编码等要求；所述采样、变频模块（120）包括采样滤波、削波、数字变频等子模块，对基带信号进行采样率转换、滤除镜像信号、削波限幅、连续滑动中频转换等操作；所述全数字锁相环（310）基于本振信号，为发射机系统提供不同通信协议所规定的载波信号。
8.所述串行外设接口（410）通过写入串行控制字，依次读出至并行控制端口，为发射机系统提供复位、使能及延迟控制等信号，用于控制发射机的工作模式，使发射机灵活应用于不同的工作场景，兼容多种协议；多模式全数字发射机的信号处理流程为（即各部分的链接关系）：基带调制信号i/q经过基带信号处理模块（110）对信号进行裁剪、限幅，以满足全数字功率放大器（140）的复用编码要求；经过初步处理后的基带调制信号被送入采样、变频模块（120）：信号经过可控采样、滤波子模块处理后，提高了信号的信噪比和抗干扰程度，并满足协议规定的带外抑制度的要求；接着信号被送入削波字模块削波处理，以解决滤波器的非线性运算造成的数据溢出的问题；经过削波处理之后的信号被送入数字变频子模块，该子模块能够实现对信号的高精度、连续滑动、可配置的变频处理。此时的调制信号满足协议所规定的带外抑制度及evm等要求，同时保证了原始调制信号的完整性和有效性。然后，变频后的基带信号被送入全数字功率放大器（140），完成复用逻辑编码及功率合成等操作。最终，信号经天线发射出去。
9.本发明中，采样子模块是基于farrow结构的两级可配置架构，实现任意倍数的小数倍采样；数字变频子模块采用矢量旋转算法（cordic），实现高精度的连续变频。
10.本发明中，所述采样、滤波子模块采用两级可配置架构，包括第一级小数倍采样、滤波模块（520）和第二级的采样、滤波模块（530）。采样通过插值操作提高信号的采样率，将镜像信号推离带内信号，提高信号的抗干扰能力，并降低信号的带内噪声功率，提高信号的信噪比。经过小数倍采样、滤波模块（520）（第一级采样滤波）的处理之后，调制信号的信噪比和带外抑制度已经有了较大的改善。通过控制使能信号来配置第二级采样、滤波模块（530）的开启与关断，从而对指标要求较高的协议信号进行进一步处理。
11.在数字发射机系统中，信号的载波频率通常是不同的，因此全数字锁相环（310）提供给发射机系统的载波信号也是随着应用场景的变化而不断改变的。为了使采样后的信号能够与载波信号相匹配，在小数倍采样、滤波模块（520）（第一级采样滤波）模块中引入可控的、任意倍数的小数倍采样，该小数倍采样基于farrow架构，通过配置插值位置来实现任意
倍数的采样，避免外灌额外的时钟信号，简化了电路结构。滤波电路能够滤除采样操作所造成的镜像信号，提高信号的带外抑制度。经过采样、滤波处理后的基带信号，具有良好的信噪比、抗干扰能力，并且满足协议规定的频谱掩模板（mask）和evm的指标，同时保证了信号的完整性和有效性。
12.本发明中，所述的数字变频子模块包括相位生成器（570）、单元数字控制振荡器（580）、正交混频器（590），能够实现高精度的、连续滑动的中频转换，对信号的频谱进行搬移。传统的实现方法有查找表等，但是受限于样本值、存储器资源，往往所实现的中频转换精度不够高，不能够连续地实现中频转换。本发明所涉及的数字变频模块引入单元数字控制振荡器（580），基于矢量旋转的cordic算法，实时计算三角函数值。为了在有限的的字长提高算法精度，将四象限平面划分为八相位区域，大大提高了数字变频的精度。经过削波子模块（550）处理后的正交信号与单元数字控制振荡器（580）所产生的数字正余弦波形进行正交混频操作，最终实现中频的连续变换。本发明所涉及的数字变频精度高，能够实现任意频率的、连续滑动的中频变换，针对不同的通信协议，能够灵活且高精度地调节载波频段范围。在有限字长的限制下，八相位区域的划分不仅提高了计算精度，同时减小了迭代次数，降低了系统功耗。
13.本发明涉及的采样、变频子模块能够支持多种信号带宽、兼容多种协议，同时通过配置控制信号，具有多模式的特点，能够节省芯片资源，降低系统功耗。
14.本发明中，所述数字选择器（540），对经过一级采样滤波或二级采样率波的基带信号进行选择，以满足不同工作模式下的发射机的需求。
15.本发明中，所述削波子模块（550），通过削波、限幅，采用坐标点垂直移位的算法，将基带信号数据点划分为8个区域，将溢出点拉回至全数字功率放大器（140）复用编码所规定的范围内。用以解决滤波器的非线性运算所造成的数据点溢出的问题，保证复用编码的逻辑的正确性。
16.本发明中，所述串行外设接口（410）还为相位生成器（570）提供可配置的初始相位，控制相位生成器（570）所产生的相位信息。
17.本发明中，所述相位生成器（570），根据串行外设接口（410）所配置的初始相位，通过累加的方法，产生数字变频操作所需要的相位信息。
18.本发明中，所述数字变频模块，基于矢量旋转（cordic）的算法，划分八象限，利用旋转迭代的方法实现连续滑动的中频变换。旋转方向由象限标志信号决定。
19.本发明中，所述正交混频器（590），对处理好的基带信号和单元数字控制振荡器（580）所产生的数字正余弦波形进行正交混频操作，最终实现对基带信号的连续变频。
20.本发明所述的连续变频的多模式全数字发射机是基于结构对称的正交架构，结构简单，对称性良好，不需要额外的校准电路，架构的线性度高，易于匹配。发射机的射频频率覆盖0.7ghz-2.43ghz，信号带宽覆盖180khz-15mhz，可兼容多种通信协议，比如窄带物联网（nb-iot）、低功耗蓝牙（ble）等，能够支持不同带宽的调制信号。该发射机片上集成采样、变频模块（120）、分频器（130）、全数字功率放大器（140）、天线（210）、全数字锁相环（adpll）（310）、串行外设接口（spi）（410）等电路模块。此架构不需要额外提供变频时钟，能够高精度地实现连续变频功能。整个架构通过全数字的方式实现，可极大地降低系统的功耗和成本，且整个系统架构高度集成，结构简单，具有良好的线性度和对称性。另外，本发明所提出
的发射机架构支持不同的信号带宽，兼容多种协议，支持不同的工作模式，可灵活地应用于多种工作场景。
21.有益效果本发明的连续变频的多模式全数字发射机是基于结构对称的正交架构，其结构简单，i和q两路信号完全对称，易于匹配。同时线性度好，线性计算功率合成，能够支持更宽的带宽，且不存在频谱扩展等问题，避免给频谱掩模板（mask）带来威胁。
22.本发明所涉及的发射机的射频频率覆盖范围是0.7ghz-2.43ghz，信号带宽覆盖范围是180khz-15mhz，可兼容多种通信协议，比如窄带物联网（nb-iot）、低功耗蓝牙（ble）等，能够支持不同带宽的调制信号。通过串行外设接口（spi）（410）控制发射机的使能开关信号，可针对不同协议信号，灵活配置发射机的工作模式，不仅能够灵活应用于多种场景，还能够节省资源，降低系统功耗。
23.本发明所涉及的发射机采用任意倍数的小数倍采样、滤波模块（520），能够与不同协议所对应的不同频率的载波信号相匹配，避免引入额外的时钟信号，简化电路结构，使系统高度集成。同时，对比其他采样方式，本发明所采用的小数采样模块具有一定的带外抑制功能，能够提高信号频谱的带外抑制度。
24.本发明所涉及的发射机引入数字变频模块，能够实现对信号中频连续滑动变换的功能。基于cordic算法的单元数字控制振荡器（580）将四象限平面划分为八相位平面，精度提高了一倍，能够在有限的字长限制下，提高系统的运算精度，同时降低了迭代次数，节省了硬件资源，降低了系统功耗和面积。整个数字变频模块精度高，与理论相比，最大相位误差仅为0.0035
°
。数字变频模块能够高精度地、灵活地调节不同协议信号的载波覆盖范围；能够连续滑动实现中频变换；能够有效避免零中频时，信号直流分量造成的漏电流。
25.片上集成采样、变频模块（120）、分频器（130）、全数字功率放大器（140）、天线（210）、全数字锁相环（adpll）（310）、串行外设接口（spi）（410）等电路模块。整个架构高度集成，通过全数字的方式实现，可极大地降低系统的功耗和成本，同时具有效率高、面积小等优势。
附图说明
26.图1为连续变频的多模式全数字发射机结构图。
27.图2为采样、变频处理结构图。
28.图3为连续变频的多模式全数字发射机的应用实施举例。
29.图4为削波模块作用机理示意图。
30.图5为不同协议带宽的连续变频的输出频谱图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
32.本发明所述的连续变频的多模式全数字发射机是基于结构对称的正交架构，结构简单，对称性良好，不需要额外的校准电路，架构的线性度高，易于匹配。发射机的射频频率覆盖0.7ghz-2.43ghz，信号带宽覆盖180khz-15mhz，可兼容多种通信协议，比如窄带物联网（nb-iot）、低功耗蓝牙（ble）等，能够支持不同带宽的调制信号。本发明所述的连续变频的
多模式全数字发射机片上集成采样、变频模块（120）、分频器（130）、全数字功率放大器（140）、天线（210）、全数字锁相环（adpll）（310）、串行外设接口（spi）（410）等电路模块。其中，采样、变频模块由两级采样滤波模块、削波模块及数字变频模块共同作用，实现任意倍数的小数倍采样及高精度的连续变频等功能。
33.如图1所示，基带信号处理模块对调制信号进行裁剪、限幅，以满足数字编码要求。其对调制信号的处理过程要保证信号的完整性，并且达到较好的信号特性。根据不同的输入信号的位宽，处理过程将调制信号量化至位宽所对应的幅值。另外，如图4所示，根据复用调制模块的编码逻辑，需要将调制信号限制在全数字功率放大器（140）编码所规定的范围内，以保证编码逻辑的正确性，实现模块复用的功能。
34.如图2所示，任意小数倍采样、滤波模块（120）对信号进行可配置的采样率转换并完成滤波功能。采样通过插值操作提高信号的采样率，将镜像信号推离带内信号，提高信号的抗干扰能力。并且，采样能够扩宽信号的频带范围，此过程能够降低信号的带内噪声功率，提高信号的信噪比。在数字发射机系统中，信号的载波频率通常是不同的（另外，不同的通信协议也规定了不同的载波频段），因此全数字锁相环（adpll）（310）提供给发射机系统的载波信号也是随着应用场景的变化而不断改变的。为了使进入数字功率放大器的信号频率与全数字锁相环（adpll）（310）所提供的载波信号频率一致，本发明引入了小数倍采样模块，通过控制频率转换因子，能够灵活实现任意倍数的小数倍频率转换。本发明所涉及的发射机架构采用低通滤波器实现滤除镜像信号的功能，从而提高信号的带外抑制度，满足频谱mask的要求。
35.为了兼容不同的通信协议并且尽可能节省资源，降低功耗，如图2所示，本发明采样、滤波模块采用两级可配置结构。经过小数倍采样、滤波模块（520）（第一级采样滤波）的处理之后，调制信号的信噪比和带外抑制度已经有了较大的改善。通过控制使能信号来配置第二级采样、滤波模块（530）的开启与关断，能够对协议指标较高的信号进行进一步处理，而对于经过第一级采样、滤波处理已经满足协议指标的信号，则关断第二级采样、滤波模块。此架构能够很好地适配多种协议，结构简单，易于实现。
36.如图2所示，数字变频模块包括相位生成器（570）、单元数字控制振荡器（580）、正交混频器（590）。其中，相位生成器（570）根据串行外设接口（410）所配置的初始相位，通过累加的方法，产生数字变频操作所需要的相位信息。单元数字控制振荡器（580）通过迭代的矢量旋转算法实时计算正余弦的值，相位生成器为单元数字控制振荡器（580）提供相位信息。通过控制相位生成器的初始相位，能够生成不同频率的变频所需要的相位信息，从而能够实现不同频率的连续滑动变频。
37.如图2所示，单元数字控制振荡器（580），基于矢量旋转（cordic）算法，产生可控的数字波形，对经过采样、滤波、削波的调制信号进行频谱搬移，实现数字变频的功能。利用矢量旋转、迭代的方式，实时准确地计算三角函数值，再通过与i/q信号的正交混频操作，完成信号的连续中频的转换；其中，旋转的方向由每次迭代之后的象限标记符所决定的（正向旋转或者逆向旋转）。最终，经过一定的迭代次数后，计算值无限接近于理论值；另外，将四象限平面划分为八相位平面，精度提高了一倍，能够在有限的字长限制下，提高系统的运算精度，同时降低了迭代次数，节省了硬件资源，降低了系统功耗和面积。
38.本发明所述的连续变频的多模式全数字发射机第应用举例为如图3所示，兼容多
种通信协议（如低功耗蓝牙协议ble或者窄带物联网协议nb-iot）。此时，发射机的配置模式为：频率覆盖范围0.7ghz-2.43ghz，信号带宽范围180khz-15mhz，通过spi写入控制字来配置第二级采样、滤波模块关断或导通。该模式所用到的片上电路模块有：采样、变频模块（120）、分频器（130）、全数字功率放大器（140）、天线（210）、全数字锁相环（adpll）（310）、串行外设接口（spi）（410）等电路模块。具体实施过程为：数字基带芯片（610）（ble/nb-iot）将调制信号送入配置好模式的连续变频的多模式全数字发射机（620），在发射机片内进行基带信号处理、采样滤波、削波、中频转换、功率放大等处理，然后再将处理好的信号通过片外天线（650）发射出去。在这种应用模式下，片外模块包括：数字基带芯片（510）、晶振（530）、控制单元（540）和天线（550）。
39.为了验证上述高可靠性低噪声放大器的有益效果，将不同协议信号的不同变频结果展示如图5所示。图5（a）展示了nb-iot连续变频的结果；图5（b）展示了ble连续变频的结果。结果表明，本发明所述全数字发射机适应多种协议，能够高精度的实现中频转换，其最大相位误差仅为0.0035
°
，保证了信号的完整性同时满足协议规定的频谱mask要求，并留有较大余量。
40.本发明的连续变频的多模式全数字发射机支持多种模式，兼容多种通信协议，同时能够实现连续滑动的中频转换，能够灵活可控地实现不同频率的频谱搬移。此外，此发射机结构具有高度集成、低功耗、多模式可重构等特点。
41.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述具体实施方式。上述实施例仅为示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启发下，不脱离本发明宗旨，还可做出诸多变形，均属于本发明保护之内。