КВАДРАТУРНЫЙ МОДУЛЯТОР, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ЧЕТЫРЕ НЕСУЩИЕ СО СДВИГОМ ПО ФАЗЕ НА 90 ГРАДУСОВ Российский патент 2010 года по МПК H04L27/36 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится, в целом, к электронным схемам, и, более конкретно к квадрополярному модулятору для использования в системах связи.

Уровень техники

В типичной системе связи для того, чтобы получить закодированные данные, данные трафика сначала обрабатываются в цифровой форме. Затем закодированные данные используются для модулирования сигнала несущей частоты с целью получить модулированный сигнал, который является наиболее подходящим для передачи по линии связи. Модуляция может быть определена в широком смысле как процесс, посредством которого одна или более характеристик сигнала несущей частоты изменяются, в соответствии с модулирующим колебанием (см. также IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms). Сигнал несущей частоты представляет собой обычный периодический сигнал (например, синусоидальный сигнал) конкретной частоты. Модулирующее колебание может быть получено из закодированных данных и может быть обеспечено в качестве синфазного (I) модулирующего сигнала и квадратурного (Q) модулирующего сигнала. Типично амплитуда и/или фаза сигнала несущей частоты варьируется посредством модулирующих сигналов. После этого информация содержится в сдвигах по амплитуде и/или фазе сигнала несущей частоты.

Для модулирования сигнала несущей частоты с данными могут быть использованы различные структуры или схемы. Эти структуры включают в себя структуру квадратурной амплитудной модуляции (QAM), полярную структуру и структуру линейного усиления с нелинейными компонентами (LINC). Из этих трех структур модулятора структура QAM является самой удобной для реализации, так как она может принимать I и Q модулирующие сигналы без какой-либо предварительной обработки. Однако эта структура подвержена отрицательному влиянию плохих шумовых характеристик и плохих характеристик выходной мощности. Полярная структура требует сложной предварительной обработки I и Q модулирующих сигналов, но если ее реализовать должным образом, то можно обеспечить оптимальные шумовые характеристики и оптимальные характеристики выходной мощности. Структура LINC также требует сложной предварительной обработки I и Q модулирующих сигналов и в настоящее время не находится в коммерческом использовании. Эти структуры модулятора подробно описаны ниже.

Каждая из трех структур модулятора, описанных выше, использует различные схемы для выполнения модуляции и имеет определенные преимущества и недостатки, касающиеся сложности реализации и исполнения. Таким образом, было бы весьма желательно получить структуру модулятора, которая может быть легко реализована и также сможет обеспечить оптимальные шумовые характеристики и оптимальные характеристики выходной мощности.

Раскрытие изобретения

Представленный здесь квадрополярный модулятор имеет ключевые преимущества по сравнению как с QAM, так и с полярными модуляторами. В частности, квадрополярный модулятор является простым в реализации, так как он может принимать I и Q модулирующие сигналы, не требуя сложной предварительной обработки этих сигналов. Также квадрополярный модулятор может обеспечить оптимальные шумовые характеристики и оптимальные характеристики выходной мощности, сопоставимые с характеристиками полярного модулятора.

Вариант осуществления предоставляет интегральную схему, состоящую из четырех амплитудных модуляторов и блока объединения, используемого для реализации квадрополярного модулятора. Каждый амплитудный модулятор принимает и амплитудно модулирует соответствующий сигнал W _i (t) несущей частоты с соответствующим входным сигналом V _i (t) для обеспечения соответствующего выходного сигнала X _i (t), где i=1, 2, 3, 4. Затем блок объединения объединяет четыре выходных сигнала от четырех амплитудных модуляторов для обеспечения модулированного сигнала Y(t). Каждый амплитудный модулятор может быть реализован как коммутирующий усилитель, например, в модуляционном усилителе класса E.

Два из четырех входных сигналов могут быть получены посредством суммирования отдельно I модулирующего сигнала A _I (t) и отдельно инвертированного I модулирующего сигнала -A _I (t) со значением сдвига. Другие два входных сигнала могут быть получены посредством суммирования отдельно Q модулирующего сигнала A _Q (t) и отдельно инвертированного Q модулирующего сигнала -A _Q (t) со значением сдвига. Значение сдвига может быть выбрано на основании предполагаемой величины I и Q модулирующих сигналов. Четыре сигнала несущей частоты находятся во взаимной квадратуре (то есть относительно одного сигнала несущей частоты другие три сигнала несущей частоты сдвинуты на 90, 180 и 270 градусов).

Квадрополярный модулятор может быть использован для различных систем беспроводной связи (например, систем CDMA, систем GSM, и так далее). Модулированный сигнал может быть сигналом CDMA, сигналом GSM или неким другим сигналом для некой другой системы.

Различные аспекты и варианты осуществления изобретения подробно описаны ниже.

Краткое описание чертежей

Особенности, сущность и преимущества данного изобретения станут более очевидными из подробного описания, изложенного ниже совместно с чертежами, на которых аналогичные номера позиций обозначают соответствующие во всех чертежах, и где

Фиг.1 изображает блок-схему модуля приемопередатчика, который может быть использован для беспроводной связи;

Фиг.2A и 2B изображают блок-схемы двух вариантов осуществления квадрополярного модулятора;

Фиг.3 изображает принципиальную схему конструкции для квадрополярного модулятора;

Фиг.4 изображает вариант осуществления процесса 400 для выполнения модуляции на основании квадрополярной структуры; и

Фиг.5 изображает блок-схему системы с обратной связью, которая может быть использована для квадрополярного модулятора.

Осуществление изобретения

Фиг.1 изображает блок-схему варианта осуществления модуля 120 приемопередатчика, который может быть использован для беспроводной связи. Модуль 120 приемопередатчика включает в себя передатчик для передачи данных и приемник для приема данных. Модуль 120 приемопередатчика может быть использован в терминале (например, сотовом телефоне или телефонной трубке) или в базовой станции в системе CDMA, а также может быть использован в других устройствах для других систем связи.

В передающем тракте передачи процессор 110 цифровой обработки сигналов (DSP) обеспечивает данные трафика в виде I и Q потоков данных, которые обозначены как D _I (n) и D _Q (n). I и Q потоки данных преобразовываются в аналоговые I и Q сигналы посредством цифроаналоговых преобразователей 122 (DACs), фильтруются фильтрами 124 для устранения эффектов, вызванных цифроаналоговым преобразованием, и усиливаются посредством усилителей 126 (AMPs) для обеспечения I и Q модулирующих сигналов, которые обозначены как A _I (t) и A _Q (t).

Модулятор 130 принимает I и Q модулирующие сигналы от усилителей 126 и сигнал TX_LO от передающего (TX) гетеродинного (LO) генератора 128. Модулятор 130 модулирует сигнал TX_LO с I и Q модулирующими сигналами для формирования модулированного сигнала, который обозначен как Y(t). Затем модулированный сигнал усиливается посредством усилителя 132 с регулируемым коэффициентом усиления (VGA), фильтруется фильтром 134 и затем усиливается усилителем 136 мощности (PA) для формирования модулированного выходного сигнала. Затем модулированный выходной сигнал маршрутизируется через дуплексор 138 (D) и передается через антенну 140.

В приемном тракте переданный сигнал принимается посредством антенны 140, маршрутизируется через дуплексор 138, усиливается посредством малошумящего усилителя 142 (LNA), фильтруется фильтром 144 и буферизируется посредством буфера 146 (BUF) для обеспечения принятого сигнала, который обозначен как R(t). Буфер 146 предоставляет демодулятору 150 принятый сигнал R(t) и также предоставляется сигнал RX_LO от LO генератора 146 приема. Затем демодулятор 150 демодулирует принятый сигнал R(t) с сигналом RX_LO для получения I и Q модулирующих сигналов, которые обозначены как B _I (t) и B _Q (t). Затем I и Q модулирующие сигналы усиливаются посредством VGAs 152, фильтруются фильтрами 154 и оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями 156 (ADCs) для обеспечения выборки данных. Затем выборка данных предоставляется процессору 110 цифровой обработки сигналов для дальнейшей обработки.

Генераторы 162 и 164, управляемые напряжением (VCOs), обеспечивают сигналы VCO, используемые для формирования сигналов TX_LO и RX_LO, которые используются для модуляции и демодуляции соответственно. Каждый сигнал VCO и каждый сигнал LO представляет собой периодический сигнал с конкретной основной частотой, и могут иметь любой тип формы сигнала (например, синусоидальный, прямоугольной волны, пилообразный и так далее). В системе CDMA используются различные частоты для прямой линии связи (то есть нисходящей линии связи) и обратной линии связи (то есть восходящей линии связи). Сигналы VCO от VCOs 162 и 164 могут иметь одинаковые или различные частоты, в зависимости от конструкции модуля 120 приемопередатчика. Модуль 160 фазовой автоматической подстройки частоты принимает информацию о синхронизации от процессора 110 цифровой обработки сигналов и обратной связи от VCOs 162 и 164 и обеспечивает средства управления для регулировки частоты и/или фазы VCOs 162 и 164.

Фиг.1 изображает конкретную конструкцию приемопередатчика. В типичном приемопередатчике предварительное формирование сигналов в трактах передачи и приема может быть выполнено одним или более каскадами усилителя, фильтра и так далее. Эти компоненты могут быть размещены способом, отличным от способа, изображенного на Фиг.1, как известно в данной области техники. Кроме того, другие блоки схемы, не показанные на Фиг.1, также могут быть использованы для формирования сигналов на этапах приема и передачи.

Для простоты Фиг.1 также изображает прямое преобразование, используемое и для этапа приема и для этапа передачи. В тракте передачи модуляция показана в качестве выполняемой непосредственно под RF, с целью получить модулированный выходной сигнал с желательной частотой RF. На этапе приема демодуляция показана в качестве выполняемой непосредственно под RF принятого сигнала, с целью получить I и Q модулирующие сигналы. Для структуры супергетеродинного приемопередатчика (не показанной на Фиг.1) модуляция и демодуляция выполнены на промежуточной частоте (IF) вместо RF. В этом случае, в тракте передачи, модулятор обеспечил бы IF модулированный сигнал, частота которого затем повышается для получения RF модулированного выходного сигнала. В тракте приема частоту принятого сигнала RF понижают для получения IF принятого сигнала, который затем демодулируется демодулятором для обеспечения I и Q модулирующих сигналов.

Фиг.2A изображает блок-схему варианта осуществления квадрополярного модулятора 130x, который может быть использован для модулятора 130, изображенного на Фиг.1. Квадрополярный модулятор 130x может быть сконструирован для работы на IF и RF, в зависимости от конструкции модуля приемопередатчика.

В квадрополярном модуляторе 130х I модулирующий сигнал A _I (t) подается в инвертирующий усилитель 210a и сумматор 220a. Сумматор 220a суммирует сигнал A _I (t) со значением К сдвига для обеспечения первого промежуточного сигнала V ₁ (f). Сумматор 220b принимает и суммирует инвертированный I модулирующий сигнал -A _I (t) от усилителя 210a со значением К сдвига для обеспечения второго промежуточного сигнала V ₂ (t). Точно так же Q модулирующий сигнал A _Q (t) подается в инвертирующий усилитель 210b и сумматор 220d. Сумматор 220c принимает и суммирует инвертированный Q модулирующий сигнал -A _Q (t) от усилителя 210b со значением К сдвига для обеспечения третьего промежуточного сигнала V ₃ (t). Сумматор 220d суммирует сигнал A _Q (t) со значением К сдвига для обеспечения четвертого промежуточного сигнала V ₄ (t). Четыре промежуточных сигнала могут быть выражены как

Уравнение (1)

Значение К сдвига выбрано из условия, чтобы предполагаемая величина промежуточных сигналов была больше, чем конкретное минимальное напряжение. Это условие может быть задано как: V ₁ (t)…V ₄ (t)›V _min›0, для всех t, где V _min представляет собой минимальное напряжение (или ток), требуемое для работы амплитудных модуляторов 230. Таким образом, значение К сдвига может быть выбрано на основании предполагаемой величины I и Q модулирующих сигналов. В общем меньшее значение выбирается для К меньшего I и Q модулирующих сигналов и большее значение выбирается для К большего модулирующих сигналов. Значение К сдвига может быть постоянным значением (то есть неизменным значением). Альтернативно значение К сдвига может быть переменным значением, которое корректируется на основании предполагаемой величины модулирующих сигналов (например, значение К сдвига может быть откорректировано на основании сигнала регулирования мощности).

Четыре промежуточных сигнала V ₁ (t)-V ₄ (t) соответственно обеспечиваются на четыре амплитудных модулятора 230a-230d, которые также соответственно принимают четыре сигнала W ₁ (t)-W ₄ (t) несущей частоты от квадратурного сплиттера 250x. Эти четыре сигнала W ₁ (t)-W ₄ (t) несущей частоты являются сдвинутыми по фазе на 90 градусов друг от друга (то есть в квадратуре), и могут быть выражены как

Уравнение (2)

где и f _LO - частота сигнала TX_LO.

Каждый амплитудный модулятор 230 выполняет амплитудную модуляцию его сигнала W _i (t) несущей частоты его промежуточным сигналом V _i (t) и обеспечивает соответствующий выходной сигнал X _i (t), где i=l, 2, 3, 4. Четыре выходных сигнала X ₁ (t)-X ₄ (t) от четырех амплитудных модуляторов 230a-230d могут быть выражены как

Уравнение (3)

Сумматор 240 принимает и суммирует четыре выходных сигнала от амплитудных модуляторов 230а-230d для обеспечения модулированного сигнала Y(t), который может быть выражен как

Уравнение (4)

Уравнение (4) показывает модулированный сигнал Y(t), имеющий требуемую квадратурную модуляцию сигнала TX_LO.

Фиг.2B изображает блок-схему другого варианта осуществления квадрополярного модулятора 130y, который также может быть использован в качестве модулятора 130, изображенного на Фиг.1. Квадрополярный модулятор 130y подобен квадрополярному модулятору 130x, изображенному на Фиг.2A, но дополнительно включает в себя (1) инвертирующий усилитель 210c, подсоединенный между выходом амплитудного модулятора 230b и вторым входом сумматора 240 и (2) инвертирующий усилитель 210d, подсоединенный между выходом амплитудного модулятора 230d и четвертым входом сумматора 240. Инвертирующий усилитель 210c позволяет тому же самому сигналу W ₁ (t) несущей частоты быть использованным и для амплитудного модулятора 230a, и для амплитудного модулятора 230b, а также инвертирующий усилитель 210d позволяет тому же самому сигналу W ₃ (t) несущей частоты быть использованным и для амплитудного модулятора 230c, и для амплитудного модулятора 230d, где W ₃ (t) сдвинут по фазе на 90 градусов относительно W ₁ (t). Это может упростить конструкцию квадратурного сплиттера 250y, используемого для обеспечения сигналов W ₁ (t) и W ₃ (t) несущей частоты квадрополярному модулятору 130y. Инвертирующие усилители 210c и 210d могут быть осуществлены посредством простого реверсирования выходных сигналов X ₂ (t) и X ₃ (t), подаваемых в сумматор 240 (например, реверсирование трансформаторной связи, изображенное ниже на Фиг.3).

Другие варианты осуществления квадрополярного модулятора могут быть сконструированы посредством изменения знаков сложения/умножения во время обеспечения желательного модулированного сигнала Y(t).

Компоненты квадрополярных модуляторов 130x и 130y могут быть осуществлены различными способами. Инвертирующие усилители 210a и 210b могут быть осуществлены с различными типами усилителей с линейными характеристиками, известными в данной области техники. Сумматоры 220a - 220d и сумматор 240 могут быть осуществлены с активными или пассивными схемами, в зависимости от исполнения квадрополярного модулятора. Квадратурные сплиттеры 250x и 250y могут быть осуществлены с обычными квадратурными сплиттерами. Например, квадратурные сплиттеры 250x и 250y могут быть осуществлены с 90° фазосдвигающей схемой, которая принимает дифференциальный входной сигнал LO и обеспечивает два дифференциала выходных сигналов LO, которые находятся в квадратуре друг к другу.

Амплитудные модуляторы 230a-230d могут быть осуществлены в виде коммутирующего усилителя, других типов усилителей, умножителей, преобразователей частоты или других схем. Например, амплитудные модуляторы 230 могут быть осуществлены как коммутирующие усилители, имеющие электропитание, которое может быть модулировано. Коммутирующие усилители могут быть усилителями класса D, класса E или класса F, каждый из которых описан H.Krauss и др. в книге, названной "Solid State Radio Engineering", John Wiley & Sons, 1980. Коммутирующие усилители также могут быть усилителями обратного класса F, которые описаны Wei и др. в документе, названном "Analysis and experimental waveform study on inverse class class-F mode of microwave power FETs", 2000, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, издание 1, 2000, страницы 525-528. Пример коммутирующего усилителя класса E/обратного-F гибрида (класс E/F_odd), который может быть использован для каждого амплитудного модулятора 230, описан I.Aoki и др. в документе, названном "Fully Integrated CMOS Power Amplifier Design Using the Distributed Active-Transformer Architecture," IEEE Journal of Solid State Circuits, 37(3), март 2002г., страницы 371-383. Эти книги и документы включены в настоящее описание в качестве ссылки. Если коммутирующий усилитель используется для каждого амплитудного модулятора 230, то сигналы W _i (t) несущей частоты могут быть использованы для коммутации усилителя, и промежуточный сигнал V _i (t) может быть использован для модулирования напряжения питания (или тока) усилителя.

Ключевой характеристикой амплитудного модулятора является то, что он модулирует сигнал несущей частоты, не инвертируя фазу сигнала несущей частоты. Это, в отличие от четырехквадрантного умножителя, например умножителя Гилберта, который может инвертировать фазу сигнала несущей частоты, когда модулирующий сигнал реверсирует полярность или уменьшается ниже конкретного порога.

Фиг.2A и 2B изображают символические представления квадрополярного модулятора, который может быть осуществлен с различными конструкциями интегральных схем. Для осуществления квадрополярного модулятора, в зависимости от определенной конструкции, могут быть использованы различные схемы и сигналы. Кроме того, сигнальный поток может отличаться от изображенного на Фиг.2A и 2B.

Фиг.3 изображает принципиальную схему части квадрополярного модулятора 130z, которая является вариантом осуществления квадрополярного модулятора 130x, изображенного на Фиг.2A. Для простоты схема используется для формирования четырех промежуточных сигналов V ₁ (t)-V ₄ (t), (то есть инвертирующие усилители 210a и 210b и сумматоры 220a-220d, изображенные на Фиг.2A) не показаны на Фиг.3.

В варианте осуществления, изображенном на Фиг.3, каждый амплитудный модулятор 230 осуществлен в виде коммутирующего усилителя о класса E/F_odd с модуляцией по питанию. Коммутирующий усилитель включает в себя дифференциальную пару 310, конденсатор 316 и катушки 318 и 320 индуктивности. Дифференциальная пара 310 сформирована посредством двух транзисторов 312 и 314, исток которых соединен с «землей» переменного тока, затворы на которые поступает разностный сигнал W _i (t) несущей частоты, и стоков, соединенных с двумя концами конденсатора 316. Один конец катушки 318 индуктивности соединен со стоком транзистора 312, а другой конец соединен с источником питания усилителя. Один конец катушки 320 индуктивности соединен со стоком транзистора 314, а другой конец соединен с источником питания усилителя. Питание усилителя обеспечивается в виде промежуточного сигнала V _i (t). Для обеспечения определенной практичности каждый амплитудный модулятор 230 может быть выполнен в виде нескольких двухтактных каскадов, как описано в вышеупомянутом документе Aoki и др.

Каждый коммутирующий усилитель 230 управляется соответствующим разностным сигналом W _i (t) несущей частоты, обеспеченным квадратурным сплиттером 250z, а также амплитудно модулированным соответствующим промежуточным сигналом V _i (t). Конденсатор 316 и катушки 318 и 320 индуктивности образуют параллельный резонансный контур, который настроен на частоту сигнала TX_LO. Параллельный резонансный контур работает для (1) пропускания требуемых компонентов на частоте, на которую он настроен, (2) фильтрации нежелательных компонентов на других частотах и других паразитных сигналов и шума, и (3) формирования формы сигналов, согласно методике класса E/F_odd.

В варианте осуществления, изображенном на Фиг.3, четыре выходных сигнала X ₁ (t)-X ₄ (t) от четырех амплитудных модуляторов 230a-230d объединяются посредством трансформатора 330 с целью получить модулированный сигнал Y(t). Трансформатор 330 может быть изготовлен в виде металлической петли, содержащей магнитное поле, сформированное катушками 318 и 320 индуктивности в четырех амплитудных модуляторах 230a-230d. Также выходные сигналы могут быть объединены другими способами. Например, выходные сигналы от четырех дифференциальных пар 310a-310d могут быть объединены активной схемой (например, суммирующим усилителем) для обеспечения модулированного сигнала Y(t).

Квадратурный сплиттер 250z обеспечивает четыре разностных сигнала W ₁ (t)-W ₄ (t) несущей частоты для четырех амплитудных модуляторов 230a-230d соответственно. Первая пара сигналов W ₁ (t) и W ₂ (t) несущей частоты может быть получена из первого разностного сигнала несущей частоты (с перестановленными сигнальными линиями), а вторая пара сигналов несущей частоты W ₃ (t) и W ₄ (t) также может быть получена из второго разностного сигнала несущей частоты, который является несовпадающим по фазе на 90 градусов с первым разностным сигналом несущей частоты.

Фиг.3 изображает конкретную конструкцию, посредством которой квадрополярный модулятор 130z осуществлен с N-канальными транзисторами. Также квадрополярный модулятор может быть осуществлен в виде других схем, и это находится в рамках объема изобретения. В общих чертах, квадрополярный модулятор может быть осуществлен, используя любую технологию, включая комплементарный металлооксидный полупроводник (CMOS), биполярная структура, биполярная-CMOS структура (Bi-CMOS), арсенид галлия (GaAs), биполярный гетеротранзистор (HBT) и так далее. Также квадрополярный модулятор может быть осуществлен в виде микроэлектромеханических (MEMS) коммутаторов в качестве коммутирующих усилителей.

Для простоты квадрополярные модуляторы 130x, 130y и 130z, изображенные на Фиг.2A, 2B, и 3 соответственно, показаны включающими в себя квадратурные сплиттеры 250x, 250y и 250z соответственно. Однако квадратурный сплиттер может быть частью генератора 128 TX_LO.

Квадрополярный модулятор может быть использован в передатчике, в котором необходимо регулирование уровня мощности модулированного сигнала RF. Регулирование мощности может быть достигнуто, в некоторой степени, посредством регулирования уровня сигнала I и Q модулирующих сигналов A _I (t) и A _Q (t), подаваемых в квадрополярный модулятор. Для достижения оптимального результата значение К сдвига может быть откорректировано соответственно на основании предполагаемого уровня сигнала A _I (t) и A _Q (t). В частности, значение К сдвига может быть выбрано как можно меньшим, соответствуя условию V ₁ (t) … V ₄ (t)> V _min > 0.

Фиг.4 изображает вариант осуществления процесса 400 для выполнения модуляции на основании квадрополярной структуры. Первый сигнал W ₁ (t) несущей частоты амплитудно модулируется первым промежуточным сигналом V ₁ (t) для обеспечения первого выходного сигнала X ₁ (t) (этап 412). Второй сигнал W ₂ (t) несущей частоты амплитудно модулируется вторым промежуточным сигналом V₂ (t) для обеспечения второго выходного сигнала X ₂ (t) (этап 414). Первый и второй входные сигналы могут быть получены на основании первого модулирующего сигнала A _I (t), например, как показано в уравнении (1).

Третий сигнал W ₃ (t) несущей частоты амплитудно модулируется третьим промежуточным сигналом V ₃ (t) для обеспечения третьего выходного сигнала X ₃ (t) (этап 416). Четвертый сигнал W ₄ (t) несущей частоты амплитудно модулируется четвертым промежуточным сигналом V ₄ (t) для обеспечения четвертого выходного сигнала X ₄ (t) (этап 418). Третий и четвертый входные сигналы могут быть получены на основании второго модулирующего сигнала A _Q (t), например, как показано в уравнении (1). Затем первый, второй, третий и четвертый выходные сигналы объединяются для обеспечения модулированного сигнала, например, как показано в уравнении (4) (этап 420).

Первый, второй, третий и четвертый сигналы несущей частоты могут быть получены, как показано в уравнении (2). Альтернативно первый и второй сигналы несущей частоты могут быть одним сигналом несущей частоты, а третий и четвертый сигналы несущей частоты могут быть другим сигналом несущей частоты, например, как изображено на Фиг.2B. Для различных топологий квадрополярного модулятора могут быть использованы различные промежуточные сигналы и сигналы несущей частоты, например, как изображено на Фиг.2A и 2B.

Квадрополярный модулятор может быть использован в системе с отрицательной обратной связью по ошибке. Отрицательная обратная связь может использоваться с целью получить различные преимущества, такие как улучшенная линейность для схемы передатчика, используемой после квадрополярного модулятора на этапе передачи.

Фиг.5 изображает блок-схему варианта осуществления системы 500 с обратной связью, которая может быть использована для квадрополярного модулятора. Система 500 реализует Декартову обратную связь и принимает I и Q модулирующие сигналы, которые находятся в Декартовой (то есть квадратурной или ортогональной) системе координат.

В системе 500 I и Q модулирующие сигналы А _I (t) и А _Q (t) соответственно обеспечиваются сумматорам 510a и 510b, которые также соответственно принимают I и Q демодулированные сигналы и от квадратурного демодулятора 550. Сумматор 510a вычитает I демодулированный сигнал из I модулирующего сигнала A _I (t) для обеспечения I сигнала E _I (t) ошибки. Точно так же сумматор 510b вычитает Q демодулированный сигнал из Q модулирующего сигнала A _Q (t) для обеспечения Q сигнала E _Q (t) ошибки.

Квадрополярный модулятор 530 принимает I и Q сигналы E _I (t) и E _Q (t) ошибки от сумматоров 510a и 510b и сигнал TX_LO. Затем квадрополярный модулятор 530 выполняет модуляцию вышеописанным способом и обеспечивает модулированный сигнал . Квадрополярный модулятор 530 может быть осуществлен в виде квадрополярного модулятора 130x, изображенного на Фиг.2A, квадрополярного модулятора 130y, изображенного на Фиг.2B, или квадрополярного модулятора 130z, изображенного на Фиг.3. Затем модулированный сигнал обрабатывается (например, фильтруется, усиливается, преобразуется с повышением частоты и так далее) модулем 540 передатчика для обеспечения RF модулированного сигнала. Например, модуль 540 передатчика может включать в себя VGA 132, фильтр 134, усилитель 136 мощности, и дуплексор 138, изображенный на Фиг.1. Схемы модуля 540 передатчика могут быть связаны с нелинейностью, которая может быть исправлена (до некоторой степени) при помощи отрицательной обратной связи.

Квадратурный демодулятор 550 принимает RF модулированный сигнал от модуля 540 передатчика и выполняет квадратурную демодуляцию, используя сигнал DEMOD_LO для обеспечения I и Q демодулированных сигналов и . Сигнал DEMOD_LO и сигнал TX_LO могут иметь различные частоты, например, если модулем 540 передатчика выполнено частотное преобразование.

Как показано на Фиг.5, квадрополярный модулятор 530 управляется I и Q сигналами ошибки вместо I и Q модулирующих сигналов. Сигналы ошибки сформированы так, что они могут компенсировать нелинейность на этапе передачи, включая нелинейность в модуле 540 передатчика. Для достижения хороших результатов квадратурный демодулятор 550 на этапе обратной связи должен иметь высокое качество.

Квадрополярная структура, описанная здесь, достигает уменьшения предварительной обработки I и Q модулирующих сигналов, в то же время обеспечивая оптимальные характеристики выходного шума и выходной мощности. Как показано на Фиг.2A и 2B и в уравнениях (1)- (3), для квадрополярного модулятора требуется только ограниченная и простая предварительная обработка I и Q модулирующих сигналов с инвертирующими усилителями и сумматорами. Высокая выходная мощность достигается в том случае, когда в квадрополярном модуляторе используются коммутирующие усилители в качестве амплитудных модуляторов.

Квадрополярный модулятор, также как предполагается, будет иметь шумовые характеристики, подобные шумовым характеристикам полярного модулятора. Можно показать, что выходной шум в модулированном сигнале Y(t) представляет собой сумму шумов от четырех амплитудных модуляторов 230a-230d. Рассмотрим шум в сигнале TX_LQ, который является синусоидой с определенным сдвигом частоты. Если сдвиг частоты не является слишком большим, то шумовая синусоида представляет собой амплитуду, модулированную тем же самым способом, как и сигнал TX_LO.

Если вклад по шуму от квадратурного сплиттера и амплитудных модуляторов незначителен, то отношение мощности (сигнала на) несущей к шуму (C/N) на выходе квадрополярного модулятора приблизительно такое же как C/N сигнала TX_LO. В обычном полярном модуляторе, который часто осуществляется в виде фазового модулятора и амплитудного модулятора, C/N на выходе полярного модулятора приблизительно такое же, как и для сигнала TX_LO. Это указывает на то, что фазовый модулятор (например, фазовая автоматическая подстройка частоты (PLL)) и амплитудный модулятор (например, усилитель класса Е, с модуляцией по питанию) вносят незначительный шум. Таким образом, квадрополярный модулятор может достигнуть шумовых характеристик, сопоставимых с шумовыми характеристиками полярного модулятора, при этом не требуя сложной предварительной обработки I и Q модулирующих сигналов.

В структуре QAM I и Q модулирующие сигналы используются для непосредственного модулирования I и Q сигналов несущей частоты с целью получить модулированный сигнал S(t), который может быть выражен как

Уравнение 5

В модуляторе QAM I и Q модулирующие сигналы используются для непосредственного модулирования I и Q сигналов несущей частоты соответственно с помощью четырехквадрантных умножителей (например, преобразователей частоты), с целью получить I и Q модулированные компоненты. Модулированные компоненты находятся в квадратуре (то есть рассогласованы по фазе на 90 градусов относительно друг друга) и, после объединения, результат в модулированном сигнале S(t) является и модулированной амплитудой, и модулированной фазой. Структуру QAM просто осуществить, но она имеет низкие широкополосные шумовые характеристики и низкую выходную мощность, что следует из ограничений схем преобразователя частоты.

В полярной структуре модулированный сигнал S(t) может быть выражен в форме, явно показывающей амплитудную и фазовую модуляции, следующим образом

Уравнения 6, 7, 8

Как показано в уравнениях (6)-(8), в полярной структуре I и Q модулирующие сигналы должны быть предварительно обработаны, с целью получить сигналы A(t) и ϕ(t), которые затем используются для модулирования амплитуды и фазы соответственно сигнала cos(ωt) несущей частоты. Эта предварительная обработка усложняет конструкцию полярного модулятора и делает это непривлекательным для многих применений.

В структуре LINC модулированный сигнал S(t) может быть выражен в другой форме следующим образом

Уравнение 9

где A_MAX - тщательно выбранная константа,

Уравнение 10

Уравнение 11

Уравнения (9)-(11) указывают, что модулированный сигнал S(t) составлен из двух сигналов фазомодулированной несущей с постоянной амплитудой. Фазовая модуляция ϕ ₁ (t) на каждом сигнале несущей частоты определяется посредством требуемой амплитудной модуляции А(t) и требуемой фазовой модуляции сигнала cos(ωt) несущей частоты.

Как показано в уравнениях (9)-(11), в структуре LINC, I и Q модулирующие сигналы должны предварительно обрабатываться, с целью получения сигналов ϕ ₁ (t) и ϕ ₂ (t), которые затем используются для модулирования фазы двух версий сигнала cos(ωt) несущей частоты. Эта предварительная обработка также усложняет конструкцию модулятора LINC и ограничивает его использование.

В заключении, QAM модулятор, при осуществлении с преобразователями частоты, имеет тенденцию быть зашумленным и иметь низкую выходную мощность, тогда как полярные и квадрополярные модуляторы, при осуществлении с коммутирующими усилителями, могут быть менее зашумленными и иметь большую выходную мощность. Коммутирующие усилители, при использовании в качестве амплитудных модуляторов, не могут инвертировать фазу. Это ограничение не является проблемой для полярного модулятора, но амплитуду и фазу модулирующих сигналов для полярного модулятора сложно вычислить. Квадрополярный модулятор учитывает использование усилителей коммутации (которые могут обеспечить оптимальные шумовые характеристики и высокую выходную мощность) без сложного вычисления.

Квадрополярный модулятор, описанный здесь, может быть использован для схем модуляции с единственной несущей и множеством несущих, включая (но не ограничиваясь) двухпозиционную фазовую манипуляцию (BPSK), фазовую манипуляцию с четвертичными (фазовыми) сигналами (QPSK), многоуровневую фазовую манипуляцию (М- PSK), многоуровневую квадратурную амплитудную модуляцию (М-QAM), мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) и гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GМСК). Эти схемы модуляции общеизвестны в данной области техники.

Квадрополярный модулятор, описанный здесь, также может быть использован для различных систем и приложений. Например, квадрополярный модулятор может быть использован в системах беспроводной связи, таких как система сотовой связи, система множественного доступа с ортогональным разделением частот (OFDMA), системы OFDM, система со многими входами и многими выходами (MIMO), локальная вычислительная сеть (LAN) и так далее. Системы сотовой связи включают в себя системы CDMA и GSM, а системы CDMA включают в себя системы IS-95, IS-2000, IS-856 и W-CDMA. Модулированный сигнал Y(t), обеспеченный квадрополярным модулятором, может быть сигналом CDMA для системы CDMA, сигнал GSM для системы GSM, сигнал OFDM для системы OFDM или OFDMA, или некоторого сигнала другого типа для некоторой другой системы.

Квадрополярный модулятор, описанный здесь, может быть осуществлен в интегральной схеме (IC), специализированной интегральной схеме (ASIC), процессоре цифровой обработки сигналов (DSP), цифровом устройстве обработки сигналов (DSPD), программируемом логическом устройстве (PLD), вентильной матрице с программируемой пользователем (FPGA) или других электронных модулях сконструированных для выполнения описанных здесь функций.

Предыдущее описание раскрытых вариантов осуществления обеспечивается, чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники сделать или использовать данное изобретение. Различные модификации к этим вариантам осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники, и общие принципы, определенные здесь, могут быть применены к другим вариантам осуществления, не отступая от сущности или возможностей изобретения. Таким образом, данное изобретение не предназначено для ограничения представленными здесь вариантами осуществления, но должно рассматриваться в самом широком смысле совместимом с принципами и новыми особенностями, раскрытыми в настоящем описании.

Изобретение относится к системе связи. Технический результат: получение оптимальных шумовых характеристик и выходной мощности. Квадрополярный модулятор включает в себя четыре амплитудных модулятора и блок объединения. Каждый амплитудный модулятор модулирует соответствующий сигнал несущей частоты соответствующим входным сигналом для обеспечения соответствующего выходного сигнала. Затем блок объединения объединяет четыре выходных сигнала от четырех амплитудных модуляторов для обеспечения модулированного сигнала. Каждый амплитудный модулятор может быть реализован с коммутирующим усилителем, например усилителем класса Е с модуляцией по питанию. Два входных сигнала получают посредством отдельного суммирования синфазного (I) модулирующего сигнала и инвертированного модулирующего сигнала I со значением сдвига. Другие два входных сигнала получают посредством отдельного суммирования квадратурного (Q) модулирующего сигнала и инвертированного модулирующего сигнала Q со значением сдвига. Значение сдвига может быть выбрано на основании предполагаемой величины модулирующих сигналов. Эти четыре сигнала несущей частоты находятся в квадратуре друг к другу. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Интегральная схема для осуществления модуляции, содержащая
первый амплитудный модулятор, служащий для модулирования первого сигнала несущей частоты первым входным сигналом для обеспечения первого выходного сигнала, причем фаза первого сигнала несущей частоты не инвертируется первым входным сигналом;
второй амплитудный модулятор, служащий для модулирования второго сигнала несущей частоты вторым входным сигналом для обеспечения второго выходного сигнала, причем первый и второй входные сигналы получены на основании первого модулирующего сигнала, причем фаза второго сигнала несущей частоты не инвертируется вторым входным сигналом;
третий амплитудный модулятор, служащий для модулирования третьего сигнала несущей частоты третьим входным сигналом для обеспечения третьего выходного сигнала, причем фаза третьего сигнала несущей частоты не инвертируется третьим входным сигналом;
четвертый амплитудный модулятор, служащий для модулирования четвертого сигнала несущей частоты четвертым входным сигналом для обеспечения четвертого выходного сигнала, причем третий и четвертый входные сигналы получены на основании второго модулирующего сигнала причем фаза четвертого сигнала несущей частоты не инвертируется четвертым входным сигналом; и
блок объединения, служащий для объединения первого, второго, третьего и четвертого выходных сигналов, для обеспечения модулированного сигнала, причем упомянутый модулированный сигнал содержит синфазную компоненту, формируемую первым модулирующим сигналом, и квадратурную компоненту, формируемую вторым модулирующим сигналом.

2. Интегральная схема по п.1, дополнительно содержащая
первый сумматор, служащий для суммирования первого модулирующего сигнала со значением сдвига, для обеспечения первого входного сигнала;
второй сумматор, служащий для суммирования инвертированной версии первого модулирующего сигнала со значением сдвига, для обеспечения второго входного сигнала;
третий сумматор, служащий для суммирования второго модулирующего сигнала со значением сдвига, для обеспечения третьего входного сигнала; и
четвертый сумматор, служащий для суммирования инвертированной версии второго модулирующего сигнала со значением сдвига, для обеспечения четвертого входного сигнала.

3. Интегральная схема по п.2, в которой значение сдвига выбирают на основании предполагаемой величины первого и второго модулирующих сигналов.

4. Интегральная схема по п.3, в которой значение сдвига представляет собой постоянное значение.

5. Интегральная схема по п.3, в которой значение сдвига представляет собой переменное значение.

6. Интегральная схема по п.1, в которой первый, второй, третий и четвертый амплитудные модуляторы являются коммутирующими усилителями.

7. Интегральная схема по п.1, в которой каждый из первого, второго, третьего и четвертого амплитудных модуляторов осуществлен в виде усилителя класса Е, класса D, класса F, класса F с инверсией или класса E/F_odd с модуляцией по питанию.

8. Интегральная схема по п.1, дополнительно содержащая квадратурный сплиттер (делитель), служащий для приема сигнала гетеродина (LO) и обеспечения первого, второго, третьего и четвертого сигналов несущей частоты.

9. Интегральная схема по п.1, в которой первый, второй, третий и четвертый сигналы несущей частоты являются несовпадающими по фазе на 90 градусов относительно друг друга.

10. Интегральная схема по п.1, в которой первый, второй, третий и четвертый амплитудные модуляторы реализованы в виде структуры КМОП комплементарного металлооксидного полупроводника (CMOS).

11. Интегральная схема по п.1, в которой модулированный сигнал представляет собой сигнал CDMA.

12. Интегральная схема по п.1, в которой модулированный сигнал представляет собой сигнал GSM.

13. Устройство для осуществления модуляции, содержащее: квадратурный сплиттер (делитель), служащий для приема сигнала гетеродина и обеспечения первого, второго, третьего и четвертого сигналов несущей частоты; и
квадрополярный модулятор, служащий для приема и амплитудной модуляции первого, второго, третьего и четвертого сигналов несущей частоты первым и вторым модулирующими сигналами, для обеспечения модулированного сигнала, причем фазы первого, второго, третьего и четвертого сигналов несущей частоты не инвертируются первым и вторым модулирующими сигналами, и модулированный сигнал содержит синфазную компоненту, формируемую первым модулирующим сигналом, и квадратурную компоненту, формируемую вторым модулирующим сигналом.

14. Устройство по п.13, в котором квадрополярный модулятор включает в себя
первый амплитудный модулятор, служащий для модулирования первого сигнала несущей частоты первым входным сигналом, для обеспечения первого выходного сигнала,
второй амплитудный модулятор, служащий для модулирования второго сигнала несущей частоты вторым входным сигналом, для обеспечения второго выходного сигнала, причем первый и второй входные сигналы получены на основании первого модулирующего сигнала,
третий амплитудный модулятор, служащий для модулирования третьего сигнала несущей частоты третьим входным сигналом, для обеспечения третьего выходного сигнала,
четвертый амплитудный модулятор, служащий для модулирования четвертого сигнала несущей частоты четвертым входным сигналом, для обеспечения четвертого выходного сигнала, причем третий и четвертый входные сигналы получены на основании второго модулирующего сигнала, и
блок объединителя, служащий для объединения первого, второго, третьего и четвертого выходных сигналов, для обеспечения модулированного сигнала.

15. Устройство по п.14, в котором первый, второй, третий и четвертый амплитудные модуляторы являются коммутирующими усилителями.

16. Устройство по п.14, в котором первый, второй, третий и четвертый входные сигналы получены на основании первого и второго модулирующих сигналов и значения сдвига, причем значение сдвига выбрано на основании предполагаемой величины первого и второго модулирующих сигналов.

17. Устройство по п.13, в котором модулированный сигнал представляет собой сигнал CDMA.

18. Устройство для осуществления модуляции, содержащее
средство для амплитудного модулирования первого сигнала несущей частоты первым входным сигналом, для обеспечения первого выходного сигнала, причем фаза первого сигнала несущей частоты не инвертируется первым входным сигналом;
средство для амплитудного модулирования второго сигнала несущей частоты вторым входным сигналом, для обеспечения второго выходного сигнала, причем первый и второй входные сигналы получены на основании первого модулирующего сигнала, причем фаза второго сигнала несущей частоты не инвертируется вторым входным сигналом;
средство для амплитудного модулирования третьего сигнала несущей частоты третьим входным сигналом, для обеспечения третьего выходного сигнала, причем фаза третьего сигнала несущей частоты не инвертируется третьим входным сигналом;
средство для амплитудного модулирования четвертого сигнала несущей частоты четвертым входным сигналом, для обеспечения четвертого выходного сигнала, причем третий и четвертый входные сигналы получены на основании второго модулирующего сигнала, причем фаза четвертого сигнала несущей частоты не инвертируется четвертым входным сигналом; и
средство для объединения первого, второго, третьего и четвертого выходных сигналов, для обеспечения модулированного сигнала, причем упомянутый модулированный сигнал содержит синфазную компоненту, формируемую первым модулирующим сигналом, и квадратурную компоненту, формируемую вторым модулирующим сигналом.

19. Устройство по п.18, дополнительно содержащее
средство для суммирования первого модулирующего сигнала со значением сдвига, для обеспечения первого входного сигнала;
средство для суммирования инвертированной версии первого модулирующего сигнала со значением сдвига, для обеспечения второго входного сигнала;
средство для суммирования второго модулирующего сигнала со значением сдвига, для обеспечения третьего входного сигнала; и
средство для суммирования инвертированной версии второго модулирующего сигнала со значением сдвига, для обеспечения четвертого входного сигнала.

20. Устройство по п.18, в котором модулированный сигнал представляет собой сигнал CDMA.

21. Способ выполнения модуляции в системе беспроводной связи, заключающийся в том, что
выполняют амплитудную модуляцию первого сигнала несущей частоты первым входным сигналом для обеспечения первого выходного сигнала, причем фаза первого сигнала несущей частоты не инвертируется первым входным сигналом;
выполняют амплитудную модуляцию второго сигнала несущей частоты вторым входным сигналом для обеспечения второго выходного сигнала, причем первый и второй входные сигналы получены на основании первого модулирующего сигнала, причем фаза второго сигнала несущей частоты не инвертируется вторым входным сигналом;
выполняют амплитудную модуляцию третьего сигнала несущей частоты третьим входным сигналом для обеспечения третьего выходного сигнала, причем фаза третьего сигнала несущей частоты не инвертируется третьим входным сигналом;
выполняют амплитудную модуляцию четвертого сигнала несущей частоты четвертым входным сигналом для обеспечения четвертого выходного сигнала, причем третий и четвертый входные сигналы получены на основании второго модулирующего сигнала, причем фаза четвертого сигнала несущей частоты не инвертируется четвертым входным сигналом; и
объединяют первый, второй, третий и четвертый выходные сигналы для обеспечения модулированного сигнала, причем упомянутый модулированный сигнал содержит синфазную компоненту, формируемую первым модулирующим сигналом, и квадратурную компоненту, формируемую вторым модулирующим сигналом.