一种实现16正交幅度调制器

摘要

一种实现16正交幅度调制器，包括注入锁定振荡器，注入电流阵列，本振电流阵列，开关电容阵列，反向电路，控制逻辑电路和输出缓冲电路；注入锁定振荡器起到频率综合器的作用，注入电流相位作为参考相位；通过开关电容阵列和反向电路来实现相位调制，通过注入电流阵列和本振电流阵列来实现幅度调制；输入数据通过控制逻辑电路转变为控制数据，控制注入电流阵列、本振电流阵列、开关电容阵列和反向电路。16点星型星座图中参考相位附近的八个点包括四种相位和两种幅度，可以通过4路多比特控制字来设定开关电容阵列，实现输出与参考相位的差；可以通过注入电流阵列和本振电流阵列来实现不同的幅度；这八个点通过反向电路可以实现星座图中另外八个点，从而实现16正交幅度调制（QAM）。

说明书

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，具体涉及一种新的实现16正交幅度调制（QAM）器， 该调制电路可以用于短距离高速通信系统中。

背景技术

在无线通信系统中，能够实现高效的数据传输是非常重要的。功耗、数据率和调制效率 是高效数据传输中的重要指标。功耗是非常重要的指标，降低功耗不仅能够节约能源，提高 电池寿命和便携设备的续航时间，同时也能提高设备的稳定性；数据率是指在单位时间内能 够传输的数据量（比特数），高数据率传输已经是非常重要的产品需求；而调制效率是指被 调制后的载波每个字符（symbol）所能携带的比特数（bit），高效率的调制不仅能够充分利 用有限带宽，提高数据率，也能降低功耗。

现在主流的无线通信系统中，频率综合器件是必不可少的。频率综合器为接收机和发射 机提供调制和解调的载波信号。频率综合器主要包括压控振荡器（VCO），分频器（divider）， 鉴相/鉴频器（PFD），电荷泵（CP）和低通滤波器（LPF）等，如图1所示。这一系列的电 路模块需要较大的功耗，同时设计难度也较大。为了能够进行高质量的调制和解调，要求频 率综合器有较低的相位噪声，而压控振荡器是重要的噪声贡献电路，通常以牺牲功耗换取噪 声。在单通道通信系统中，注入锁定技术是一种较好的替补方案，因为其设计简单，功耗较 低，相位噪声由注入的低频信号的相位噪声决定，因此相位噪声较好，不需要以功耗换取。

数据率和调制效率是分不开的。对于同样的符号率（symbol rate），调制效率加倍，数据 率也加倍。调制效率为1的调制方式包括幅移键控（ASK）、相移键控（PSK）和频移键控 （FSK）等，其调制实现容易，但效率较低，对于有限的带宽不能进行高速的数据传输。正 交相移键控（QPSK）的调制效率为2，即对于相同的带宽（相同的符号率），QPSK的数据 率是ASK、PSK和FSK的两倍。8PSK的调制效率为3，在相同的带宽情况下，其数据率是 QPSK的1.5倍。16QAM的调制效率为4，数据率进一步增加。随着调制效率的增加，设计 的难度也逐渐增加，同时数据的误码率也在增加。

基于注入锁定技术的发射机已经获得了极大的关注，主要原因是其调制实现简单，功耗 较低。现在已经发表的文章有【1】（S.Diao,et al.,“A50-Mb/s CMOS QPSK/O-QPSK  Transmitter Employing Injection Locking for Direct Modulation,”IEEE Transaction on  Microwave Theory and Techniques,vol.60,no.1,pp.120-130,Jan.2012.）和【2】（M-M.Izad and  C-H.Heng,"A17pJ/bit915MHz8PSK/O-QPSK Transmitter for High Data Rate Biomedical  Applications,"in Proc.IEEE Custom Integrated Circuits Conf.,Sep.2012,pp.1-4.）等，如图2 所示。其调制效率分别为2和3，数据率分别为50bps和55Mbps，能量消耗分别为120pJ/bit 和17pJ/bit。而基于频率综合器的发射机已经不胜枚举，在注入锁定技术应用到发射机中之 前，大部分发射机中要有频率综合器，比如【3】（Y.-H.Liu,C.-L.Li,and T.-H.Lin,“A200-pJ/b  MUX-based RF transmitter for implantable multichannel neural recording,”IEEE Transaction on  Microwave Theory and Techniques,vol.57,no.10,pp.2533–2541,Oct.2009.），其调制效率为2， 数据率为17.5Mbps，能量消耗为200pJ/bit。可以看出基于注入锁定的发射机有高数据率，低 能耗的优点。基于注入锁定技术的、更高调制效率的发射机是有可能实现的，这可以进一步 提高数据率和降低单比特功耗。参考文献【1-2】中调制方式只涉及到相位，基于注入锁定 技术的发射机没有关于幅度调制的文章发表，本发明就是在8QPSK的基础上引入幅度调制， 实现16QAM。

现有的基于注入锁定技术的发射机的都是相位调制（PSK），最高阶的调制为8PSK，在 幅度调制上没有相关的文献报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种实现16正交幅度调制器，在 相同的带宽的情况下，提高数据率，以满足现在无线通信设备的高速率、低功耗的要求。

本发明技术解决方案：一种实现16正交幅度调制器，包括：注入锁定振荡器1、注入电 流源阵列2、本振电流源阵列3、开关电容阵列4、反向电路5、控制逻辑电路6和输出缓冲 电路7；所述注入电流源阵列2由四路可开关的电流源并联后接在注入锁定振荡器1的注入 管的共源端和地之间，在四路可开关的电流源中有一路可开关的电路源的开关一直处于关闭 状态；所述本振电流源阵列3由四路可开关的电流源并联后接在注入锁定振荡器1的负阻管 的共源端和地之间，在四个可开关的电流源中有一路可开关的电流源的开关一直处于关闭状 态；所述开关电容阵列4的两端分别接在注入锁定振荡器1的差分输出两端；所述反向电路 5的输入端和注入锁定振荡器1的差分输出端相连，反向电路5的输出端与输出缓冲器7相 连；控制逻辑电路6的输入端由四路单比特并行数据即要被调制的信号和四路控制字组成； 控制逻辑电路6的输出端输出3位注入电流源阵列3的控制信号、3位本振电流源阵列3的 控制信号、开关电容阵列4的控制信号和反向电路5的控制信号；控制逻辑电路6分别与注 入电流阵列电流源2的开关，本振电流源阵列电流源开关，开关电容阵列4的开关和反向电 路5开关相连。

注入锁定振荡器1起到频率综合器的作用，注入电流相位作为参考相位；通过开关电容 阵列4和反向电路5来实现相位调制，通过注入电流阵列2和本振电流阵列3来实现幅度调 制；输入数据通过控制逻辑电路6转变为控制数据，控制注入电流阵列2、本振电流阵列3、 开关电容阵列4和反向电路5。

本发明的原理：本发明通过调节开关电容阵列实现4种相位，再通过反向电路实现总共 8种相位，通过控制注入电流阵列和本振电流阵列实现2种输出幅度。如图3中的16点星座 图，可以将注入的电流相位作为参考相位，将参考相位附近的8个点归类为第一部分，剩下 的8个点归类为第二部分，可以看出第二部分的8个点是可以通过将第一部分的8个点反向 实现的，所以在电路中引入反向电路，也就是说要实现调制效率为4的调制，只要实现参考 相位附近第一部分的8个点即可。第一部分的8个点包括4中相位和2种幅度。对于注入锁 定技术，在注入频率、振荡器LC并联网络的品质因数（Q）确定和注入强度一定的条件下， 输出的相位和振荡器的自由振荡频率为一一对应关系，所以要实现这4种相位，一定要有4 种自由振荡频率，因此在调制电路结构中引入了开关电容阵列和4种控制字，对于不同的点， 设置不同的控制字，实现不同的自由振荡频率。对于第一部分的内圆中的四个点，虽然四种 控制字实现了4种相位，但是靠近参考相位的两个点输出幅度与远离参考相位的两个点的输 出幅度却是不一样的。这是因为在注入和本振电流一定的情况下，输出信号的幅度随相位偏 差的变化而变化，偏差越大，输出幅度越小。另外可以认为输出的幅度和相位是偶函数关系， 即对大小相同、方向相反的输出相位偏移，可以认为输出信号的幅度是相同的。因此，四个 控制字、一或两种注入电流和两种本振电流就可以实现星座图中第一部分内圈的四个点。和 内圈的四个点相比，外圈的四个点只是输出的幅度变大，相位并没有发生变化，因此可以在 内圈四个点的基础上实现大的输出幅度即可。对于工作在电流受限区的振荡器，通过同比例 增大注入和本振电流的幅度即可实现输出幅度的同比例增加，并且保证相位几乎不变。这是 因为当振荡器工作在电流受限区时，输出的幅度和偏置电流成正比，即输出和偏置电流是线 性关系，所以可以确保注入电流、本振电流和合成电流的矢量图只在幅度上同比例伸缩，而 电流矢量之间的夹角不变。因此将第一部分内圈四个点的注入电流和本振电流同比例增加， 即可实现第一部分外圈中的四个点。综上所述，通过四个控制字、二或四种注入电流、四种 本振电流和一个反向网络即可实现星座图中的16个点，实现效率为4的调制方式。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

（1）本发明引入了幅度调制功能，提高的调制效率、频谱利用率和数据率。现有基于 注入锁定技术的发射结构只有相位调制，没有幅度调制，调制方式为QPSK或者8PSK（见 参考文献【1-2】），而本发明通过将注入锁定振荡器的注入电流和本振电流都扩展为电流源 阵列，在现有相位控制的基础上引入幅度控制，在调制效率为3的8PSK的基础上，实现了 调制效率为4的16QAM，提高了数据率。

（2）本发明降低了单比特数据所需的能量，即相同的功耗可以实现更好的数据率。相 比现有的基于注入锁定技术的QPSK调制方法，本发明的控制逻辑电路复杂度会稍微增加， 但其增加的功耗对总功耗的贡献是非常小的，幅度调制的引入使注入和本振电流同时增加， 输出幅度增加，这就增加了整体的功耗，但是在确保一定误差向量幅度（EVM）的情况下， 数据率加倍，功耗是不必要加倍的，因而降低了单比特所需的能量。相比基于频率综合器的 16QAM，本发明提出的调制电路结构大大简化，降低了功耗，对短距离低功耗无线通信设 备有很好的应用前景。

附图说明

图1为现有技术中传统的QPSK发射机，其中包括频率综合器，混频器，移相器等；

图2为现有技术中基于注入锁定技术直接调制的QPSK/O-QPSK的发射机，见参考文献 【1】；

图3为本发明要进行调制信号的星座图，及其实现方式；

图4为本发明提出的新的调制结构的实现图；

图5A为本发明中开关电容阵列的实现形式；

图5B为本发明中开关电容阵列的单元电路实现形式。

具体实施方式

以下参照附图详细描述本发明的具体实施方式。

在图3本发明要实现的星形16QAM星座图中，包括16个点，每个点用4个比特表示， 16个点中有8个相位，2个幅度，因而分为内圆和外圆。内圆中相邻两个点之间的相位差为 45度，每一点到坐标原点的距离为1，内圆与外圆的半径差为内圆中相邻两点之间的间距。

在注入锁定技术中，注入电流和本振电流矢量叠加得到总的电流，总的电流和LC并联 网络在注入频率处的阻抗决定电压输出幅度，而输出电压的相位和本振电流相同。一般情况 下，注入锁定振荡器的振荡频率在LC并联网络的自谐振频率附近，可以认为LC并联网络 在注入频率处的阻抗与在自谐振频率处的阻抗相同，所以电压的输出幅度由（注入与本振叠 加得到的）总电流决定。在本发明实施实例中，可以将注入电流作为参考，通过改变LC并 联网络的自谐振频率来改变本振电流的相位，即改变输出电压的相位。注入频率与LC并联 网络自谐振频率之间的差值决定本振电流与总电流之间的相位差，而注入电流和本振电流决 定合成电流大小，也影响着输出电压的大小和相位。可以得出，通过改变LC并联网络的自 谐振频率以及注入电流与本振电流的实现输出电压的不同相位和不同幅度，即实现QAM调 制。

对于一个注入锁定振荡器，有公式其中ω₀和Q分别为LC并 联网络的自谐振频率和品质因子，ω_inj为注入的频率，K为注入强度，即注入电流和本振电 流之比（I_inj/I_osc，其中I_inj为注入电流，其相位为参考相位，I_osc为本振电流，其相位为输出 相位），θ为本振电流的与参考相位之差，即输出电压的相位。可以看出，对于一个给定的Q 和ω_inj，可以通过改变ω₀来实现不同的θ。另外有与ω₀之比远远小于1，即 ω₀≈ω_inj，可以将等式右边的ω₀换成ω_inj。所以要实现-θ，只要调节ω₀实现即可。I_inj与 I_osc的合成电流大小为所以输出的电压大小由I_osc，I_inj和θ决定。图3 中给出了实现第一部分中正相位的四个点的方法。0010点由I_{inj_1}与I_{osc_1}合成，I_{osc_1}与I轴 夹角45度，即输出电压与参考相位夹角22.5度。同比例放大I_{inj_1}与I_{osc_1}，由I_{osc_2}与I_{osc_2}合 成即可实现1010点。对于0000点，可以由I_{inj_1}和I_{osc_3}实现，I_{osc_3}要和I轴垂直，即输出电 压和参考相位面夹角67.5度。由于θ变大，所以要I_{osc_3}＞I_{osc_1}，最终得到相同大小的合成电 流。对于点1000，同比例放大I_{inj_1}和I_{osc_3}即可，即由I_{inj_2}和I_{osc_4}合成。而实现第一部分中 负相位的4个点，只需要改变其关于参考相位面对称的点的ω₀即可。所以第一部分中的8 个点用了4个ω₀，2个I_inj和4个I_osc实现。另外也可以通过个4个ω₀，4个I_inj和4个I_osc来 实现，这样增加了设计的灵活度。第二部分的8个点可以通过其关于原点对称的第一部分中 的点进行反向实现，即增加180度的相移。

具体的实现电路在图4中，实现8种相位和2种幅度，包括注入锁定振荡器1、注入电 流源阵列2、本振电流源阵列3、开关电容阵列4、反向电路5、控制逻辑电路6和输出缓冲 电路7。

图4中四个控制字Con_word来设定开关电容阵列4的c[1:n]，从而产生4个ω₀，而注 入电流源阵列2中的四个电流源和本振电流源阵列3中的四个电流源用来实现在不同相位下 的两种幅度。注入电流源阵列2中的一个电流源的开关一直是关闭的，其他电流源为差值， 具体见图4。一个开关一直关闭是为了提高电流镜电路的对称性。本振电流源阵列3和注入 电流源阵列2是相同工作原理的。所有输入数据到控制数据的映射都是通过控制逻辑电路6 实现的，控制逻辑电路6可以通过列真值表得到。

上面的电路描述中，电流源，开关，开关电容阵列都是成熟技术，可以有不同的实现方 式，所以只是用电流源，开关和开关电容阵列来说明，没有涉及到具体实现。控制逻辑电路 6根据具体的实施方式设定，下面给出一个具体的实现例子：

真值表：

Data_1 Data_2 Data_3 Data_4 a[1:3] b[1:3] K c[1:n] 0 0 0 0 100 100 0 Con_word_1 1 0 0 0 111 111 0 Con_word_1 0 0 1 0 000 000 0 Con_word_2 1 0 1 0 110 110 0 Con_word_2 0 0 1 1 000 000 0 Con_word_3 1 0 1 1 110 110 0 Con_word_3 0 0 0 1 100 100 0 Con_word_4 1 0 0 1 111 111 0 Con_word_4 0 1 0 1 100 100 1 Con_word_1 1 1 0 1 111 111 1 Con_word_1 0 1 1 1 000 000 1 Con_word_2 1 1 1 1 110 110 1 Con_word_2 0 1 1 0 000 000 1 Con_word_3 1 1 1 0 110 110 1 Con_word_3 0 1 0 0 100 100 1 Con_word_4 1 1 0 0 111 111 1 Con_word_4

图5A为开关电容阵列4，其开关电容单元的个数和单位电容的大小由所需调频的精度 决定和调频的范围决定。在开关电容阵列4中也可以加入一个变容管单元，以便达到更好的 精度。

图5B为开关电容阵列中的一个单元，这种开关可以减小晶体管导通电阻对整个LC并 联网络的品质因数的影响。

通过上述分析可以看出，在现有技术的基础上加入注入电流阵列和本振电流阵列，实现 的调幅功能，进而结合已有的调相技术，实现的16正交幅度调制（QAM）。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

应当指出，以上实施只是应用的一种，实际应用中并不局限于此。在现实应用中，只要 通过改变注入电流和本振电流来实现注入锁定的幅度变化，都属于本发明的保护内容。