阅读说明：本技术 适用于蓝牙装置的功率放大系统和相关功率放大方法 (Power amplification system suitable for Bluetooth device and related power amplification method ) 是由 邓平援 于 2019-04-16 设计创作，主要内容包括：功率放大系统包含压控振荡器、除频器、混频器和加法放大器。该压控振荡器用以提供频率为一预定频率的非整数倍的输入讯号；该除频器耦接于该压控振荡器,用以接收该输入讯号并且对该输入讯号进行除频,以分别产生对应于该输入讯号的同相讯号和正交讯号；该混频器分别耦接于该压控振荡器和该除频器,用以对该压控振荡器传来的该输入讯号和该除频器传来的该同相讯号进行混频,以输出混频后讯号；该加法放大器分别耦接于该混频器和该除频器,用以对该混频后讯号和该正交讯号进行整合,以产生具有预定频率的输出讯号。(The power amplification system comprises a voltage-controlled oscillator, a frequency divider, a mixer and a summing amplifier. The voltage-controlled oscillator is used for providing input signals with the frequency being a non-integral multiple of a preset frequency; the frequency divider is coupled to the voltage-controlled oscillator and used for receiving the input signal and dividing the frequency of the input signal to respectively generate an in-phase signal and a quadrature signal corresponding to the input signal; the frequency mixer is respectively coupled with the voltage-controlled oscillator and the frequency eliminator and is used for mixing the input signal transmitted by the voltage-controlled oscillator and the in-phase signal transmitted by the frequency eliminator to output a mixed signal; the summing amplifier is coupled to the mixer and the frequency divider respectively for integrating the mixed signal and the quadrature signal to generate an output signal with a predetermined frequency.)

适用于蓝牙装置的功率放大系统和相关功率放大方法

技术领域

本发明是关于功率放大器的应用，尤指关于蓝牙(Bluetooth)传输的功率调整。

背景技术

对于传统的直接升频发射机(direct-up transmitter)，压控振荡器(voltagecontrolled oscillator,VCO)的频率如果选择在功率放大器(power amplifier,PA)的偶次谐波(even harmonic)的相同频率上，VCO频率就有可能被功率放大器的频率所影响，又称功率放大器牵引效应(PA-pulling)，使得误差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)变差，进而使得通讯品质恶化。以2.4GHz的蓝牙发射器为例，当VCO的讯号为2.4GHz或其倍数(例如4.8GHz、9.6GHz)时，就会产生上述功率放大器牵引效应。

目前已有一些先前技术着手于解决上述问题，为了有更具体的概念，以下将对这些关技术作概括性的介绍：

请参阅图1，图1是为先前技术的蓝芽发射器的示意图，更多细节可参阅“H.Darabi,et al.,“A Dual-Mode 802.11b/Bluetooth Radio in 0.35um CMOS,”IEEEJ.Solid State Circuits,pp.698-706.Mar.2005”。在图1所示的蓝牙本地振荡器(localoscillator，LO)产生架构中，为了避免造成对VCO的功率放大器牵引效应，VCO频率会选择在LO频率(2.4GHz)的2/3处，即1.6GHz；其中混频器(Mixer)是采用双边带混波器(doublesideband mixer，DSB)架构。此作法的缺点在于：在此混频器的输出端除了有2.4GHz信号外，还会额外的有非理想突刺(spur)在800MHz处，导致功率放大的特性大受影响。

请接着参阅图2，图2是为先前技术的分数型倍频器的示意图(细节可参阅“A.Bevilacqua“A 2.7-6.1GHz CMOS Local Oscillator Based on FrequencyMultiplication by 3/2,”2011NORCHIP”)，其中，当VCO刻意选取为2.4G的2/3倍以避免产生功率放大器牵引效应效应时，最后混频器的输出需要再经过3/2倍的还原才能得到2.4G的讯号。为了达到此目的，此文献先透过除频器将VCO的频率除以二后，再透过乘频的方式造出乘三倍的效果，最后得到VCO倍频1.5倍的输出频率。然而，上述方法必须使用到奇数的乘频架构，而奇数乘频架构在设计上不但非常复杂，也会增加大量的成本，因此这样的在输出端直接以倍数还原的方式并不理想。

美国公开号US20110140746A1揭示了以单边带(single sideband，SSB)混频器架构作为混频器(Mixer)的技术，其技术虽然可额外抑制非理想突刺，但缺点是混频器的两个输入端都需要同相/正交(In-phase/Quadrature，简称I/Q)的讯号。

接着，请参阅图3，美国专利号US7894778揭示了一种多频带(Multiband)LO产生器，可将频率调整为1.5倍或1.25倍，藉此缩小VCO的调频范围。然而，上述作法的缺点是非理想突刺会随着小数化的程度，离想要的输出频率变近。

此外，美国专利号US9548774揭示一种N路滤波器(N-path filter)架构，用以透过N-path filter产生带拒(band reject)频率响应，输出端采用双边带(double sideband，DSB)混频器将非理想突刺滤除，但缺点是需要产生N路滤波所需要的时脉，倘若N＝4，则需要产生25％责任周期(duty cycle)的时脉，若要有好的滤波效果则必须提高阶数。上述作法的缺点是阶数扩充不易，且阶数越高，运行的责任周期(duty cycle)越小，也因此越耗电。

另外，美国专利号US7515931、US8121214提出利用带通滤波器(Band-passfilter，BPF)来滤除非理想突刺，带通滤波器虽然相对简单，但缺点是会占用较大的面积，这无疑是一种成本上的增加。

综上所述，诸多先前技术无法在不产生副作用的情况下改善功率放大器牵引效应的问题，因此实有需要一种新颖的方法及相关电路来改善上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于蓝牙装置的功率放大系统以及相关方法，以在不产生副作用的情况下解决先前技术所面临的瓶颈。

本发明的至少一实施例提供了一种适用于蓝牙装置的功率放大系统，该功率放大系统用以产生一预定频率的输出，该功率放大系统包含一压控振荡器、一除频器、一混频器以及一加法放大器。该压控振荡器用以提供频率为该预定频率的一非整数倍的输入讯号；该除频器耦接于该压控振荡器，用以接收该输入讯号并且对该输入讯号进行除频，以分别产生对应于该输入讯号的一同相(in-phase)讯号以及一正交(quadrature)讯号；该混频器分别耦接于该压控振荡器以及该除频器，用以对该压控振荡器传来的该输入讯号以及该除频器传来的该同相讯号进行混频，以输出一混频后讯号；以及，该加法放大器分别耦接于该混频器以及该除频器，用以对该混频后讯号以及该正交讯号进行整合，以产生具有该预定频率的倍频的第一输出讯号。

本发明的至少一实施例提供了一种适用于蓝牙装置的功率放大方法，该功率放大系统用以产生一预定频率的输出，该功率放大方法包含：提供频率为该预定频率的一非整数倍的输入讯号；对该输入讯号进行除频，以分别产生对应于该输入讯号的一同相讯号以及一正交讯号；对该压控振荡器传来的该输入讯号以及该除频器传来的该同相讯号进行混频，以输出一混频后讯号；以及对该混频后讯号以及该正交讯号进行整合，以产生具有该预定频率的倍频的第一输出讯号。

综上所述，本发明主要透过前向回馈(Feed forward)的方式来产生反向的突刺讯号以消除突刺，此作法不仅混频器不需要I/Q相位，输出端也不需要高阶数滤波或设置电感，即可消除混频器非理想突刺。换言之，本发明能够以较低成本实现所需的PA效果，消除非理想突刺。

附图说明

图1至图3是为先前技术针对谐波干扰而设计的滤波器。

图4是为根据本发明一实施例的适用于蓝牙装置的功率放大系统的示意图。

图5是为根据本发明一实施例的图4功率放大系统的振幅相位控制器的示意图。

图6是为根据本发明一实施例的图4的加法放大器的示意图。

图7是为将图4所示的功率放大系统应用于2.4GHz蓝牙传输的示意图。

图8是为根据本发明一实施例的适用于蓝牙装置的功率放大方法的流程图。

符号说明：

400 功率放大系统

410 压控振荡器

420 除频器

430 混频器

440 加法放大器

450 振幅相位控制器

460 同相/正交产生器

S1 输入讯号

S2 同相讯号

S3 正交讯号

S4 调整后正交讯号

S5 混频后讯号

S6、S7、S8 输出讯号

PI_1、PI_2 同相路径

PQ_1、PQ_2 正交路径

R1、R2 电阻

802～810 步骤

具体实施方式

在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬体制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」是为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

从对于先前技术的介绍可知，这些技术在解决功率放大器牵引效应的同时，也在设计上和成本上付出沈重的代价。本发明提出一种简明的设计，主要透过前向回馈(Feedforward)技巧造出反向的突刺讯号来消除非理想突刺，不仅混频器不需要I/Q相位(亦即不需要把收到的讯号再分成同相(in-phase)讯号和正交(quadrature)讯号)，输出端也不需要设置高阶数滤波器来进行高阶滤波或设置电感，即可消除混频器非理想突刺。有别于所谓的反馈(feedback)技术，本发明所运用的前馈技术大致上可理解为：在干扰对系统造成影响之前就加以预测、应对。

请参考图4，图4是为根据本发明一实施例的适用于蓝牙装置的功率放大系统400的示意图，为了解决上述先前技术的问题，一开始，本发明会先将VCO频率设置在PA谐波非整数(non-integer)频率上，是将VCO频率以及VCO除2的频率送到混波器(Mixer)，来产生所需要的本地振荡频率(LO frequency)。功率放大系统400用以产生一预定频率(LO)的输出，其中该预定频率可例如是两倍的本地震荡器频率(2LO)，但本发明不限于此。功率放大系统400可包含一压控振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)410、一除频器420、一混频器430、一加法放大器440、一振幅相位控制器450以及一同相/正交(In-phase/Quadrature，I/Q)产生器460。压控振荡器410是用以提供频率为该预定频率的一非整数倍的输入讯号(亦即不是LO的整数倍的讯号)，在本实施例中，压控振荡器410是提供频率为4/3LO的输入讯号S1。

除频器420是耦接于压控振荡器410，用以接收压控振荡器410所传来的频率为4/3LO的输入讯号，并且会对输入讯号S1进行除频以分别产生对应于输入讯号S1的一同相(in-phase)讯号S2以及一正交(quadrature)讯号S3。除频电路420可为一除2电路(在图中标示为“/2”)，且同相讯号S2与正交讯号S3的相位是相差90度，但本发明不限与此，举例来说，除频电路420可置换为一除4电路。

混频器430是分别耦接于压控振荡器410以及除频器420，用以对压控振荡器410传来的输入讯号S1(频率为4/3LO)以及除频器420传来的同相讯号S2(频率为2/3LO)进行混频，以输出一混频后讯号S5，其中混频后讯号S5的频率为2LO并且在频率2/3LO处带有非理想突刺(在图中标示为“(2LO),(2/3LO)”)，这是后难以避免的现象。混频器430可用双边带(double sideband mixer，DSB)混频器来实作，但本发明不以此为限，而双边带混频器属于本领域熟知的架构，细节不另赘述。

振幅相位控制器450是耦接于加法放大器440与除频器420之间，用以接收由除频器420传来的正交讯号S3，并且据以产生频率为2/3LO的调整后正交讯号S4(标示为“-(2/3LO)”)，其中，正交讯号S3已经与同相讯号S2在相位上相差90度，而透过振幅相位控制器450的适当调整，可使得调整后正交讯号S4能够产生频率相同、相位相反(差180度)的反相突刺讯号，用以抵消混频后讯号S5中的突刺成份。除了正交讯号S3已经提供了90度的相位延迟，振幅相位控制器450与加法放大器440之间的路径提供一定程度的相位上的延迟(例如45度的相位延迟)，再透过适当调整振幅相位控制器450(例如产生45度的相位延迟)，可使调整后正交讯号S4的最终相位延迟达到180度。

图5是为根据本发明一实施例的图4功率放大系统400的振幅相位控制器450的示意图。如图5所示，为本发明振幅与相位控制器的基础架构，透过N位元讯号来控制差动放大器的增益，可达到调整讯号振幅的效果；此外，透过M位元讯号来控制差动放大器输出的低通滤波器电容，可达到调整讯号相位的效果。一般来说，振幅相位控制器450用一阶低通滤波器来实即可，倘若电路产生的寄生电容不足以产生所需的延迟，可采用更高阶的低通滤波器，例如二阶低通滤波器。

加法放大器440分别耦接于混频器430以及振幅相位控制器450，用以对混频后讯号S5以及处理后正交讯号S4进行相加，以产生具有预定频率的倍频(2LO)输出讯号S6。其中，加法放大器440可用图6的架构来实现，图6是为根据本发明一实施例的图4的加法放大器440的示意图，其中，加法放大器440是以双输入端差动放大器来实现，透过将混频器430所输出的非理想突刺会与反相的波形(亦即相差180度的处理后正交讯号S4)相加而抵消，可达到抑制非理想突刺以及放大想要的讯号的效果。如图6所示，加法放大器440的负载使用电阻R1、R2可节省整体面积，然而若想得到进一步提升抑制突刺的效果，可将图6中的电阻用电感来取代。

同相/正交讯号产生器460是耦接于加法放大器440的输出端，用以处理加法放大器440的输出讯号(2LO)以产生至少一具有该预定频率(LO)的输出讯号。其中，从同相路径PI_2、正交路径PQ_2的输出可分别得到具有预定频率(LO)的输出讯号S7、S8。由于同相/正交讯号产生器460的目只是为了让加法放大器440的输出讯号的频率降低1倍，在某些情况下亦可省略同相/正交讯号产生器460的设置。

为了对本发明有更好的理解，以下将套用比较实际的例子来作说明。请参见图7，图7是为将图4所示的功率放大系统400应用于2.4GHz蓝牙传输的示意图。如先前所提到，若VCO讯号为2.4G的倍频时(例如2.4GHz、4.8GHz、9.6GHz)时会面临功率放大器牵引效应(PApulling)的问题，因此于图7中，当目标的本地震荡讯号(LO)为2.4GHz时，压控振荡器410是提供3.2GHz的输入以避免遭遇上述问题，然而本发明不限于此。混频器430接着会分别收到来自压控振荡器410的3.2GHz讯号以及同相路径PI_1传来的除2后的1.6GHz讯号，并将两者进行混频。于混频之后，混频器会产生4.8GHz以及1.6GHz讯号(即非理想突刺，必须在产生LO讯号前使其衰减或滤除)。另一方面，振幅相位控制器450会根据正交路径PQ_1传来的除2后的1.6GHz讯号来产生振幅相同、相位延迟180度的反相1.6GHz突刺讯号。由于使用除2的除频器420电路可以直接获得延迟90度的相位，故可减少振幅相位控制器450的相位调整范围，进而降低相位调整的阶数。最后，经过加法器440相加后，因为非理想突刺已经抵消，故可得到干净的4.8GHz讯号，再经过460处理后，即可得到所需的2.4GHz输出。

图8是为根据本发明一实施例的适用于蓝牙装置的功率放大方法的流程图。请注意，假若可获得实质上相同的结果，则这些步骤并不一定要遵照图8所示的执行次序来执行。图8所示的方法可被图4的功率放大系统400所采用，并可简单归纳如下：

步骤802：提供频率为预定频率的非整数倍的输入讯号；

步骤804：对该输入讯号进行除频，以分别产生对应于该输入讯号的一同相讯号以及正交讯号；

步骤806：对该压控振荡器传来的该输入讯号以及该除频器传来的该同相讯号进行混频，以输出混频后讯号；

步骤808：对该混频后讯号以及该正交讯号进行整合，以产生具有该预定频率的输出讯号；

步骤810：结束。

由于熟习技艺者在阅读完以上段落后应可轻易了解图8中每一步骤的细节，为简洁之故，在此将省略进一步的描述。

综上所述，本发明透过前向回馈的方式来产生反向的突刺讯号以消除突刺，可有效解决先前技术所面临的问题，例如，可在不增加大量成本的情况下(不需采用高阶滤波器或带通滤波器)消除输出讯号中的突波。此外，虽然说明书的内容主要强调本发明适用于蓝牙系统，但本发明不限于此。举例来说，在相同/相仿的概念下，本发明的功率放大系统以及功率放大方法亦可应用于无线保真(Wireless Fidelity，WiFi)架构，诸如WiFi2.4G/5G的架构，能够有效改善其中的功率放大器牵引效应，进而提升WiFi的通讯品质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。