專利名稱：：一種實(shí)現(xiàn)16正交幅度調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于射頻集成電路領(lǐng)域，具體涉及一種新的實(shí)現(xiàn)16正交幅度調(diào)制(QAM)器，該調(diào)制電路可以用于短距離高速通信系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
：在無線通信系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸是非常重要的。功耗、數(shù)據(jù)率和調(diào)制效率是高效數(shù)據(jù)傳輸中的重要指標(biāo)。功耗是非常重要的指標(biāo)，降低功耗不僅能夠節(jié)約能源，提高電池壽命和便攜設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，同時(shí)也能提高設(shè)備的穩(wěn)定性；數(shù)據(jù)率是指在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量(比特?cái)?shù))，高數(shù)據(jù)率傳輸已經(jīng)是非常重要的產(chǎn)品需求；而調(diào)制效率是指被調(diào)制后的載波每個(gè)字符(symbol)所能攜帶的比特?cái)?shù)(Mt)，高效率的調(diào)制不僅能夠充分利用有限帶寬，提高數(shù)據(jù)率，也能降低功耗?，F(xiàn)在主流的無線通信系統(tǒng)中，頻率綜合器件是必不可少的。頻率綜合器為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)提供調(diào)制和解調(diào)的載波信號(hào)。頻率綜合器主要包括壓控振蕩器(VC0)，分頻器(divider)，鑒相/鑒頻器(PFD)，電荷泵(CP)和低通濾波器(LPF)等，如圖1所示。這一系列的電路模塊需要較大的功耗，同時(shí)設(shè)計(jì)難度也較大。為了能夠進(jìn)行高質(zhì)量的調(diào)制和解調(diào)，要求頻率綜合器有較低的相位噪聲，而壓控振蕩器是重要的噪聲貢獻(xiàn)電路，通常以犧牲功耗換取噪聲。在單通道通信系統(tǒng)中，注入鎖定技術(shù)是一種較好的替補(bǔ)方案，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功耗較低，相位噪聲由注入的低頻信號(hào)的相位噪聲決定，因此相位噪聲較好，不需要以功耗換取。數(shù)據(jù)率和調(diào)制效率是分不開的。對(duì)于同樣的符號(hào)率(symbolrate)，調(diào)制效率加倍，數(shù)據(jù)率也加倍。調(diào)制效率為I的調(diào)制方式包括幅移鍵控(ASK)、相移鍵控(PSK)和頻移鍵控(FSK)等，其調(diào)制實(shí)現(xiàn)容易，但效率較低，對(duì)于有限的帶寬不能進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。正交相移鍵控(QPSK)的調(diào)制效率為2，即對(duì)于相同的帶寬(相同的符號(hào)率)，QPSK的數(shù)據(jù)率是ASK、PSK和FSK的兩倍。8PSK的調(diào)制效率為3，在相同的帶寬情況下，其數(shù)據(jù)率是QPSK的1.5倍。16QAM的調(diào)制效率為4，數(shù)據(jù)率進(jìn)一步增加。隨著調(diào)制效率的增加，設(shè)計(jì)的難度也逐漸增加，同時(shí)數(shù)據(jù)的誤碼率也在增加。基于注入鎖定技術(shù)的發(fā)射機(jī)已經(jīng)獲得了極大的關(guān)注，主要原因是其調(diào)制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，功耗較低?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表的文章有I(S.Diao，etal.,“A50_Mb/sCMOSQPSK/O-QPSKTransmitterEmployingInjectionLockingforDirectModulation，，，IEEETransactiononMicrowaveTheoryandTechniques,vol.60，n0.1，pp.120—130，Jan.2012.)和2(M-M.1zadandC_H.Heng，"A17pJ/bit915MHz8PSK/0_QPSKTransmitterforHighDataRateBiomedicalApplications,〃inProc.1EEECustomIntegratedCircuitsConf.，Sep.2012，pp.1-4.)等，如圖2所示。其調(diào)制效率分別為2和3，數(shù)據(jù)率分別為50bps和55Mbps，能量消耗分別為120pJ/bit和17pJ/bit。而基于頻率綜合器的發(fā)射機(jī)已經(jīng)不勝枚舉，在注入鎖定技術(shù)應(yīng)用到發(fā)射機(jī)中之前，大部分發(fā)射機(jī)中要有頻率綜合器，比如3(Y.-H.Liu,C.-L.Li,andT.-H.Lin,“A200_pJ/bMUX-basedRFtransmitterforimplantablemultichannelneuralrecording,”IEEETransactiononMicrowaveTheoryandTechniques,vol.57，n0.10，pp.2533-2541，Oct.2009.)，其調(diào)制效率為2，數(shù)據(jù)率為17.5Mbps，能量消耗為200pJ/bit?？梢钥闯龌谧⑷腈i定的發(fā)射機(jī)有高數(shù)據(jù)率，低能耗的優(yōu)點(diǎn)?；谧⑷腈i定技術(shù)的、更高調(diào)制效率的發(fā)射機(jī)是有可能實(shí)現(xiàn)的，這可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)率和降低單比特功耗。參考文獻(xiàn)1-2中調(diào)制方式只涉及到相位，基于注入鎖定技術(shù)的發(fā)射機(jī)沒有關(guān)于幅度調(diào)制的文章發(fā)表，本發(fā)明就是在8QPSK的基礎(chǔ)上引入幅度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)16QAM?，F(xiàn)有的基于注入鎖定技術(shù)的發(fā)射機(jī)的都是相位調(diào)制(PSK)，最高階的調(diào)制為8PSK，在幅度調(diào)制上沒有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實(shí)現(xiàn)16正交幅度調(diào)制器，在相同的帶寬的情況下，提高數(shù)據(jù)率，以滿足現(xiàn)在無線通信設(shè)備的高速率、低功耗的要求。本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種實(shí)現(xiàn)16正交幅度調(diào)制器，包括:注入鎖定振蕩器1、注入電流源陣列2、本振電流源陣列3、開關(guān)電容陣列4、反向電路5、控制邏輯電路6和輸出緩沖電路7;所述注入電流源陣列2由四路可開關(guān)的電流源并聯(lián)后接在注入鎖定振蕩器I的注入管的共源端和地之間，在四路可開關(guān)的電流源中有一路可開關(guān)的電路源的開關(guān)一直處于關(guān)閉狀態(tài)；所述本振電流源陣列3由四路可開關(guān)的電流源并聯(lián)后接在注入鎖定振蕩器I的負(fù)阻管的共源端和地之間，在四個(gè)可開關(guān)的電流源中有一路可開關(guān)的電流源的開關(guān)一直處于關(guān)閉狀態(tài)；所述開關(guān)電容陣列4的兩端分別接在注入鎖定振蕩器I的差分輸出兩端；所述反向電路5的輸入端和注入鎖定振蕩器I的差分輸出端相連，反向電路5的輸出端與輸出緩沖器7相連；控制邏輯電路6的輸入端由四路單比特并行數(shù)據(jù)即要被調(diào)制的信號(hào)和四路控制字組成；控制邏輯電路6的輸出端輸出3位注入電流源陣列3的控制信號(hào)、3位本振電流源陣列3的控制信號(hào)、開關(guān)電容陣列4的控制信號(hào)和反向電路5的控制信號(hào)；控制邏輯電路6分別與注入電流陣列電流源2的開關(guān)，本振電流源陣列電流源開關(guān)，開關(guān)電容陣列4的開關(guān)和反向電路5開關(guān)相連。注入鎖定振蕩器I起到頻率綜合器的作用，注入電流相位作為參考相位；通過開關(guān)電容陣列4和反向電路5來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，通過注入電流陣列2和本振電流陣列3來實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制；輸入數(shù)據(jù)通過控制邏輯電路6轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂茢?shù)據(jù)，控制注入電流陣列2、本振電流陣列3、開關(guān)電容陣列4和反向電路5。本發(fā)明的原理:本發(fā)明通過調(diào)節(jié)開關(guān)電容陣列實(shí)現(xiàn)4種相位，再通過反向電路實(shí)現(xiàn)總共8種相位，通過控制注入電流陣列和本振電流陣列實(shí)現(xiàn)2種輸出幅度。如圖3中的16點(diǎn)星座圖，可以將注入的電流相位作為參考相位，將參考相位附近的8個(gè)點(diǎn)歸類為第一部分，剩下的8個(gè)點(diǎn)歸類為第二部分，可以看出第二部分的8個(gè)點(diǎn)是可以通過將第一部分的8個(gè)點(diǎn)反向?qū)崿F(xiàn)的，所以在電路中引入反向電路，也就是說要實(shí)現(xiàn)調(diào)制效率為4的調(diào)制，只要實(shí)現(xiàn)參考相位附近第一部分的8個(gè)點(diǎn)即可。第一部分的8個(gè)點(diǎn)包括4中相位和2種幅度。對(duì)于注入鎖定技術(shù)，在注入頻率、振蕩器LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)(Q)確定和注入強(qiáng)度一定的條件下，輸出的相位和振蕩器的自由振蕩頻率為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以要實(shí)現(xiàn)這4種相位，一定要有4種自由振蕩頻率，因此在調(diào)制電路結(jié)構(gòu)中引入了開關(guān)電容陣列和4種控制字，對(duì)于不同的點(diǎn)，設(shè)置不同的控制字，實(shí)現(xiàn)不同的自由振蕩頻率。對(duì)于第一部分的內(nèi)圓中的四個(gè)點(diǎn)，雖然四種控制字實(shí)現(xiàn)了4種相位，但是靠近參考相位的兩個(gè)點(diǎn)輸出幅度與遠(yuǎn)離參考相位的兩個(gè)點(diǎn)的輸出幅度卻是不一樣的。這是因?yàn)樵谧⑷牒捅菊耠娏饕欢ǖ那闆r下，輸出信號(hào)的幅度隨相位偏差的變化而變化，偏差越大，輸出幅度越小。另外可以認(rèn)為輸出的幅度和相位是偶函數(shù)關(guān)系，即對(duì)大小相同、方向相反的輸出相位偏移，可以認(rèn)為輸出信號(hào)的幅度是相同的。因此，四個(gè)控制字、一或兩種注入電流和兩種本振電流就可以實(shí)現(xiàn)星座圖中第一部分內(nèi)圈的四個(gè)點(diǎn)。和內(nèi)圈的四個(gè)點(diǎn)相比，外圈的四個(gè)點(diǎn)只是輸出的幅度變大，相位并沒有發(fā)生變化，因此可以在內(nèi)圈四個(gè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大的輸出幅度即可。對(duì)于工作在電流受限區(qū)的振蕩器，通過同比例增大注入和本振電流的幅度即可實(shí)現(xiàn)輸出幅度的同比例增加，并且保證相位幾乎不變。這是因?yàn)楫?dāng)振蕩器工作在電流受限區(qū)時(shí)，輸出的幅度和偏置電流成正t匕，即輸出和偏置電流是線性關(guān)系，所以可以確保注入電流、本振電流和合成電流的矢量圖只在幅度上同比例伸縮，而電流矢量之間的夾角不變。因此將第一部分內(nèi)圈四個(gè)點(diǎn)的注入電流和本振電流同比例增加，即可實(shí)現(xiàn)第一部分外圈中的四個(gè)點(diǎn)。綜上所述，通過四個(gè)控制字、二或四種注入電流、四種本振電流和一個(gè)反向網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)星座圖中的16個(gè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)效率為4的調(diào)制方式。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于:(I)本發(fā)明引入了幅度調(diào)制功能，提高的調(diào)制效率、頻譜利用率和數(shù)據(jù)率?，F(xiàn)有基于注入鎖定技術(shù)的發(fā)射結(jié)構(gòu)只有相位調(diào)制，沒有幅度調(diào)制，調(diào)制方式為QPSK或者8PSK(見參考文獻(xiàn)1-2)，而本發(fā)明通過將注入鎖定振蕩器的注入電流和本振電流都擴(kuò)展為電流源陣列，在現(xiàn)有相位控制的基礎(chǔ)上引入幅度控制，在調(diào)制效率為3的8PSK的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制效率為4的16QAM，提高了數(shù)據(jù)率。(2)本發(fā)明降低了單比特?cái)?shù)據(jù)所需的能量，即相同的功耗可以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)率。相比現(xiàn)有的基于注入鎖定技術(shù)的QPSK調(diào)制方法，本發(fā)明的控制邏輯電路復(fù)雜度會(huì)稍微增力口，但其增加的功耗對(duì)總功耗的貢獻(xiàn)是非常小的，幅度調(diào)制的引入使注入和本振電流同時(shí)增加，輸出幅度增加，這就增加了整體的功耗，但是在確保一定誤差向量幅度(EVM)的情況下，數(shù)據(jù)率加倍，功耗是不必要加倍的，因而降低了單比特所需的能量。相比基于頻率綜合器的16QAM，本發(fā)明提出的調(diào)制電路結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，降低了功耗，對(duì)短距離低功耗無線通信設(shè)備有很好的應(yīng)用前景。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的QPSK發(fā)射機(jī)，其中包括頻率綜合器，混頻器，移相器等；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中基于注入鎖定技術(shù)直接調(diào)制的QPSK/0-QPSK的發(fā)射機(jī)，見參考文獻(xiàn)I；圖3為本發(fā)明要進(jìn)行調(diào)制信號(hào)的星座圖，及其實(shí)現(xiàn)方式；圖4為本發(fā)明提出的新的調(diào)制結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)圖；圖5A為本發(fā)明中開關(guān)電容陣列的實(shí)現(xiàn)形式；圖5B為本發(fā)明中開關(guān)電容陣列的單元電路實(shí)現(xiàn)形式。具體實(shí)施例方式以下參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。在圖3本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的星形16QAM星座圖中，包括16個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)用4個(gè)比特表示，16個(gè)點(diǎn)中有8個(gè)相位，2個(gè)幅度，因而分為內(nèi)圓和外圓。內(nèi)圓中相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的相位差為45度，每一點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為1，內(nèi)圓與外圓的半徑差為內(nèi)圓中相鄰兩點(diǎn)之間的間距。在注入鎖定技術(shù)中，注入電流和本振電流矢量疊加得到總的電流，總的電流和LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在注入頻率處的阻抗決定電壓輸出幅度，而輸出電壓的相位和本振電流相同。一般情況下，注入鎖定振蕩器的振蕩頻率在LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的自諧振頻率附近，可以認(rèn)為L(zhǎng)C并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在注入頻率處的阻抗與在自諧振頻率處的阻抗相同，所以電壓的輸出幅度由(注入與本振疊加得到的)總電流決定。在本發(fā)明實(shí)施實(shí)例中，可以將注入電流作為參考，通過改變LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的自諧振頻率來改變本振電流的相位，即改變輸出電壓的相位。注入頻率與LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)自諧振頻率之間的差值決定本振電流與總電流之間的相位差，而注入電流和本振電流決定合成電流大小，也影響著輸出電壓的大小和相位?？梢缘贸觯ㄟ^改變LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的自諧振頻率以及注入電流與本振電流的實(shí)現(xiàn)輸出電壓的不同相位和不同幅度，即實(shí)現(xiàn)QAM調(diào)制。對(duì)于一個(gè)注入鎖定振蕩器，有公式權(quán)利要求1.一種實(shí)現(xiàn)16正交幅度調(diào)制器，其特征在于包括:注入鎖定振蕩器(I)、注入電流源陣列(2)、本振電流源陣列(3)、開關(guān)電容陣列(4)、反向電路(5)、控制邏輯電路(6)和輸出緩沖電路(7);所述注入電流源陣列(2)由四路可開關(guān)的電流源并聯(lián)后接在注入鎖定振蕩器(I)的注入管的共源端和地之間，在四路可開關(guān)的電流源中有一路可開關(guān)的電路源的開關(guān)一直處于關(guān)閉狀態(tài)；所述本振電流源陣列(3)由四路可開關(guān)的電流源并聯(lián)后接在注入鎖定振蕩器(I)的負(fù)阻管的共源端和地之間，在四個(gè)可開關(guān)的電流源中有一路可開關(guān)的電流源的開關(guān)一直處于關(guān)閉狀態(tài)；所述開關(guān)電容陣列(4)的兩端分別接在注入鎖定振蕩器(I)的差分輸出兩端；所述反向電路(5)的輸入端和注入鎖定振蕩器(I)的差分輸出端相連，反向電路(5)的輸出端與輸出緩沖器(7)相連；控制邏輯電路(6)的輸入端由四路單比特并行數(shù)據(jù)即要被調(diào)制的信號(hào)和四路控制字組成；控制邏輯電路(6)的輸出端輸出3位注入電流源陣列(3)的控制信號(hào)、3位本振電流源陣列(3)的控制信號(hào)、開關(guān)電容陣列(4)的控制信號(hào)和反向電路(5)的控制信號(hào)；控制邏輯電路(6)分別與注入電流源陣列(2)的電流源的開關(guān)、本振電流源陣列(3)的電流源開關(guān)、開關(guān)電容陣列(4)的開關(guān)和反向電路(5)開關(guān)相連。全文摘要一種實(shí)現(xiàn)16正交幅度調(diào)制器，包括注入鎖定振蕩器，注入電流陣列，本振電流陣列，開關(guān)電容陣列，反向電路，控制邏輯電路和輸出緩沖電路；注入鎖定振蕩器起到頻率綜合器的作用，注入電流相位作為參考相位；通過開關(guān)電容陣列和反向電路來實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，通過注入電流陣列和本振電流陣列來實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制；輸入數(shù)據(jù)通過控制邏輯電路轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂茢?shù)據(jù)，控制注入電流陣列、本振電流陣列、開關(guān)電容陣列和反向電路。16點(diǎn)星型星座圖中參考相位附近的八個(gè)點(diǎn)包括四種相位和兩種幅度，可以通過4路多比特控制字來設(shè)定開關(guān)電容陣列，實(shí)現(xiàn)輸出與參考相位的差；可以通過注入電流陣列和本振電流陣列來實(shí)現(xiàn)不同的幅度；這八個(gè)點(diǎn)通過反向電路可以實(shí)現(xiàn)星座圖中另外八個(gè)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)16正交幅度調(diào)制(QAM)。文檔編號(hào)H03C1/02GK103199796SQ201310085160公開日2013年7月10日申請(qǐng)日期2013年3月18日優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日發(fā)明者朱光,刁盛錫,朱瑾,林福江申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)