一种全集成低成本高速高精度异相调制器制造技术

本发明专利技术公开了一种全集成低成本高速高精度异相调制器，所述的高速异相调制器能够将一路调幅调相(如QAM、OFDM等)的高速(采样频率＞1GHz)数字基带信号分解为两路恒包络调相信号，在保证线性度的情况下，大幅提高毫米波功放系统的功率效率和输出功率。所述的高速异相调制器由输入级幅相计算模块、中间级异相角计算模块和两路输出级I、Q计算模块构成。所述的高速异相调制器基于CORDIC算法实现，精度可以通过调整迭代次数提高，由于CORDIC算法只使用加法器实现运算，不使用乘法器，不需要查表，使得吞吐速率得以提升，且片上面积得以减小，基于CMOS等芯片制造工艺可大幅降低制造成本。

A fully integrated low cost high speed and high precision out of phase modulator

The invention discloses a fully integrated low-cost high-speed high-precision out of phase modulator, which can decompose a high-speed (sampling frequency > 1GHz) digital baseband signal of amplitude and phase modulation (such as QAM, OFDM, etc.) into two channels of constant envelope phase modulation signal, and greatly improve the power efficiency and output power of millimeter wave power amplifier system under the condition of ensuring linearity. The high-speed out of phase modulator is composed of an input stage amplitude and phase calculation module, an intermediate stage out of phase angle calculation module and two output stages I and Q calculation modules. The high-speed out of phase modulator is realized based on CORDIC algorithm, and the accuracy can be improved by adjusting the number of iterations. Because CORDIC algorithm only uses adder to realize the operation, does not use multiplier, does not need to look up the table, so the throughput rate can be increased, and the area on chip can be reduced. Based on CMOS chip manufacturing process, the manufacturing cost can be greatly reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种全集成低成本高速高精度异相调制器
本专利技术涉及一种全集成低成本高速高精度异相调制器，属于电子电路设计
，特别适用于超高速数字电路设计以及毫米波系统中功率放大器设计。
技术介绍
5G时代正在走来，由于毫米波的诸多优点，毫米波无线系统正在变得愈发具有吸引力。在毫米波高速数据传输中，毫米波线性功放是不可或缺的。然而，毫米波功放设计正面临一个巨大挑战——大功耗和低效率问题。异相调制技术(Outphasing)是提升毫米波功率放大器效率的一项十分具有前景的技术。其技术的核心在于将一个幅度、相位都不断变化的信号(如QAM、OFDM等调制产生的基带数字信号)分解为两个包络恒定、相位变化的调相信号，并分别对两路信号进行功率放大，最后再合成原始信号。这样可以降低对两路功率放大器的线性度要求，使其工作区间接近晶体管饱和区，从而达到高输出功率和高功率效率。现有的采用采用异相调制技术的功率放大器可以实现约10％的效率提升。然而，利用该技术需要高速高精度异相调制器，将用于毫米波通信系统应用的超高速(GSample/s)基带数字信号分解为两路幅度相等、相位不同的异相信号，这是该技术的一项难点。
技术实现思路
近年来，随着毫米波通信技术的发展，对毫米波功率放大器效率的要求也越来越高，同时，毫米波的大带宽特性要求高速(采样频率＞1GHz)数字处理速率，本专利技术需要解决这两个技术难题。现有毫米波线性功率放大器难以实现高效率的瓶颈在于，根据线性功率放大器的特性，功率放大器工作在晶体管饱和区附近才具有高效率，然而在饱和区附近线性度差，从而造成输出信号失真。所以，现有的毫米波功率放大器的动态范围从1dB压缩点进行一定的回退，以保证良好的线性度。然而，回退带来了输出信号峰值平均功率比(PAPR)的降低，从而造成了输出功率和功率效率的降低。异相调制技术将幅度、相位变化的输入信号分解成两路幅度不变、相位变化的支路信号，让两路毫米波功放持续工作在饱和区附近，使功放的输出效率得到大幅度提升(约10％)，输出功率大幅提高，同时保证良好的线性度。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种全集成低成本高速高精度异相调制器，以CORDIC算法为基础，包括输入级幅相计算模块、中间级异相角计算模块和两路输出级I、Q计算模块，所述的输入级幅相计算模块包括I、Q输入端、象限判断单元和反正切计算单元；所述的中间级异相角计算模块包括初始位置判断单元、反余弦计算单元和相位计算单元；所述的输出级I、Q计算模块分为结构相同的两路，每路包括正、余弦计算模块和I、Q输出端。该方案使用CORDIC算法作为设计指导思想，只通过加法器实现运算，不使用乘法器。所述的移位器在每级中右移固定位数，直接通过走线实现移位，不使用逻辑器件。其中，所述的输入级幅相计算模块包括I、Q输入端、象限判断单元和反正切计算单元。所述的反正切计算单元为工作在向量模式下的CORDIC算法电路，由N级典型的CORDIC单迭代单元级联构成。其中N与所需输出数据精度有关。其中，所述的中间级异相角计算模块包括初始位置判断单元、反余弦计算单元和相位计算单元。所述的反余弦计算单元为经过改进的、工作在向量模式下的CORDIC算法电路，由N级改进的CORDIC双迭代单元级联构成。其中N与所需输出数据精度有关。其中，所述的两路输出级I、Q计算模块包括结构完全相同的两路正、余弦计算单元和I1,2、Q1,2输出端。每路正、余弦计算单元为工作在旋转模式下的CORDIC算法电路。所述的工作在旋转模式下的CORDIC处理单元由N级典型的CORDIC单迭代单元级联构成。其中N与所需输出数据精度有关。进一步的，所述典型的CORDIC单迭代单元，包括3输入3输出，3个加减器和2个移位器，3个输入分别为N位同相输入xi，N位正交输入yi，和N位角度输入ωi,3个输出分别为xi和经过移位的yi通过加减器相加或相减得到的值xo，yi和经过移位的xi通过加减器相加或相减得到的值yo，以及ωi和已知N位角度的相加或相减得到的值ωo，加减通过一位控制码控制，控制码由输入决定；所述改进的CORDIC双迭代单元(502)，由两个CORDIC单迭代单元级联并简化构成，包括4输入4输出，1个比较器、1个加法器、5个加减器和5个移位器，4个输入分别为N位同相输入xi，N位正交输入yi，N位参考值ti，和N位角度输入ωi；xi和经过移位的yi通过加减器相加或相减得到中间结果xt，yi和经过移位的xi通过加减器相加或相减得到中间结果yt，4个输出分别为xt和经过移位的yt通过加减器相加或相减得到的值xo，yt和经过移位的xt通过加减器相加或相减得到的值yo，ti自身和经过移位的ti通过加减器相加或相减得到的值to，以及ωt和已知N位角度的相加或相减得到的值ωo，加减通过一位控制码控制，控制码由输入xi和ti经过比较器的输出决定。更进一步的，所述的移位器在每级中右移固定位数，直接通过走线实现移位，不使用逻辑器件，不额外消耗资源。更进一步的，所述的典型的CORDIC单迭代单元、改进的CORDIC双迭代单元之间采用流水线设计，最大化系统运行速度。一种全集成低成本高速高精度异相调制器的实现方法，所述调制器以CORDIC算法为基础，包括输入级幅相计算模块、中间级异相角计算模块和两路输出级I、Q计算模块，具体实现步骤如下：第一步，输入级幅相计算模块计算输入的I、Q路信号S(t)的幅度A和相位角θ：将(I,Q)变换到第1、4象限成为(I′,Q′)，再利用CORDIC向量模式计算幅度(k为伪旋转带来的实系数)和相位角第二步，中间级异相角计算模块(计算出分解后两个分量S1(t)和S2(t)的异相角首先利用CORDIC双向量模式计算(R为输出信号幅度，是实系数)，然后判断初始(I，Q)的象限，若初始位置在1、4象限，则输出若初始位置在第2、3象限，则第三步，两路输出级I、Q计算模块分别计算出S1(t)对应的I1，Q1和S2(t)对应的I2，Q2：利用CORDIC旋转模式计算为提升运算速度，上述所有式子的实系数均不参与实际计算，在后续模拟电路部分统一进行归一化。本专利技术的特性在于，所有的运算只使用到加法器，因此只需要优化加法器延时即可优化关键路径延时，以达到毫米波应用要求。进一步的，所述第一步输入级幅相计算模块计算输入的I、Q路信号S(t)的幅度A和相位角θ，具体实现过程如下：步骤11)，对于输入的I、Q路信号，判断(I,Q)所属象限，若属于1、4象限，则输出q＝0，I’＝I，Q’＝Q，若属于2、3象限，则输出q＝1，I’＝-I，Q’＝-Q，其中q为象限标志，其逻辑值等于I的符号位值；步骤12)，将I′、Q′、0分别作为初始的x、y和ω输入反正切计算单元(401)中，每次迭代中，若yi为正，则xi+1＝xi-(yi>>i)，yi+1＝yi+(xi>>i)，相当于(I′,Q′)围绕原点逆时针伪旋转角度，若yi为负，则xi+1＝xi+(yi>>i)，yi+1＝yi-(xi>>i)，相当于(I′,Q′)围绕原点顺时针伪旋转角度，同时ωi加上旋转角度，以逆时针为正；经过N次迭代之后，最终yN趋向于0，输出的xN为伪幅度值kA，k为伪旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全集成低成本高速高精度异相调制器，其特征在于：高速高精度异相调制器包括输入级幅相计算模块(301)、中间级异相角计算模块(302)和两路输出级I、Q计算模块(303、304)，所述中间级异相角计算模块(302)设置在输入级幅相计算模块(301)和两路输出级I、Q计算模块(303、304)之间，所述输入级幅相计算模块包括I、Q输入端、象限判断单元和反正切计算单元(401)，所述中间级异相角计算模块包括初始位置判断单元、反余弦计算单元(501)和相位计算单元，所述的两路输出级I、Q计算单元包括结构完全相同的两路正、余弦计算单元(601)和I1,2、Q1,2输出端。

【技术特征摘要】
1.一种全集成低成本高速高精度异相调制器，其特征在于：高速高精度异相调制器包括输入级幅相计算模块(301)、中间级异相角计算模块(302)和两路输出级I、Q计算模块(303、304)，所述中间级异相角计算模块(302)设置在输入级幅相计算模块(301)和两路输出级I、Q计算模块(303、304)之间，所述输入级幅相计算模块包括I、Q输入端、象限判断单元和反正切计算单元(401)，所述中间级异相角计算模块包括初始位置判断单元、反余弦计算单元(501)和相位计算单元，所述的两路输出级I、Q计算单元包括结构完全相同的两路正、余弦计算单元(601)和I1,2、Q1,2输出端。2.根据权利要求1所述的一种全集成低成本高速高精度异相调制器，其特征在于：所述输入级幅相计算模块(301)包括I、Q输入端、象限判断单元和反正切计算单元(401)，所述反正切计算单元为工作在向量模式下的CORDIC算法电路，由N级典型的CORDIC单迭代单元(402)级联构成，其中N与所需输出数据精度有关。3.根据权利要求2所述的一种全集成低成本高速高精度异相调制器，其特征在于：所述中间级异相角计算模块(302)包括初始位置判断单元、反余弦计算单元(501)和相位计算单元；所述反余弦计算单元为经过改进的、工作在向量模式下的CORDIC算法电路，由N级改进的CORDIC双迭代单元(502)级联构成，其中N与所需输出数据精度有关。4.根据权利要求3所述的一种全集成低成本高速高精度异相调制器，其特征在于：所述两路输出级I、Q计算模块(303、304)包括结构完全相同的两路正、余弦计算单元(601)和I1,2、Q1,2输出端，每路正、余弦计算单元为工作在旋转模式下的CORDIC算法电路，所述工作在旋转模式下的CORDIC处理单元由N级典型的CORDIC单迭代单元(602)级联构成，其中N与所需输出数据精度有关。5.根据权利要求3或4所述的一种全集成低成本高速高精度异相调制器，其特征在于：所述典型的CORDIC单迭代单元(402、602)，包括3输入3输出，3个加减器和2个移位器，3个输入分别为N位同相输入xi，N位正交输入yi，和N位角度输入ωi,3个输出分别为xi和经过移位的yi通过加减器相加或相减得到的值xo，yi和经过移位的xi通过加减器相加或相减得到的值yo，以及ωi和已知N位角度的相加或相减得到的值ωo，加减通过一位控制码控制，控制码由输入决定；所述改进的CORDIC双迭代单元(502)，由两个CORDIC单迭代单元级联并简化构成，包括4输入4输出，1个比较器、1个加法器、5个加减器和5个移位器，4个输入分别为N位同相输入xi，N位正交输入yi，N位参考值ti，和N位角度输入ωi；xi和经过移位的yi通过加减器相加或相减得到中间结果xt，yi和经过移位的xi通过加减器相加或相减得到中间结果yt，4个输出分别为xt和经过移位的yt通过加减器相加或相减得到的值xo，yt和经过移位的xt通过加减器相加或相减得到的值yo，ti自身和经过移位的ti通过加减器相加或相减得到的值to，以及ωt和已知N位角度的相加或相减得到的值ωo，加减通过一位控制码控制，控制码由输入xi和ti经过比较器的输出决定。6.采用权利要求1-5任意一项所述的一种全集成低成本高速高精度异相调制器的实现方法，所述调制器CORDIC算法为基础，包括输入级幅相计算模块301、中间级异相角计算模块和两路输出级I、Q计算模块，具体实现步骤如下：第一步，输入级幅相计算模块(301)计算输入的I、Q路信号S(t)的幅度A和相位角θ：将(I,Q)变换到第1、4象限成为(I′,Q′)，再利用CORDIC向量模式计算幅度(k为伪旋转带来的实...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵涤燹，李迪威，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32