CN1003342B - 角度调制载波信号恢复时钟信号装置 - Google Patents

Abstract

一个从具有调制指数ｍ＝０．５的角度调制载波信号恢复频率１／Ｔ的时钟信号装置，包括一倍频器，一从倍频信号发生时钟信号分量的电路，一选择发生的时钟信号分量的时钟滤波器和一产生时钟脉冲信号的脉冲形成器。倍频器包括一硬的限制器，一联到限制器的第一通带滤波器，一联到限制器和第一通带滤波器的平衡调制器，及第二通带滤波器，发生电路包括一变频器，一带阻滤波器，及一连接到带阻滤波器的方波形成电路。

Description

角度调制载波信号恢复时钟信号装置

本发明涉及一种用于从角度调制的载波信号恢复接收机中的时钟信号的装置，此角度调制的载波信号具有响应于给定时钟频率1/T的数据信号而产生的载频f_c和调制指数m＝0.5。该装置包括一个上述的已调信号倍频用的倍频器;一个用于从倍频的已调信号产生时钟频率1/T的信号分量的发生电路;一个用于选择产生的时钟信号分量的时钟滤波器;以及一个用于响应选择的信号分量而产生时钟脉冲信号的脉冲形成器。

德布达（De Buda）在1972年6月的（美国）电机与电子工程师学会通信学报的通信类20卷3期第429-435页上，关于快速频移键控的文章中叙述了这种装置（参看图4）。具有调制指数m＝0.5的快速频移键控信号本身的功率密度谱只有连续的信号传递分量，但倍频作用提供了一个调制指数m＝1的快速频移键控信号，它既包括连续的信号传递分量，也包括频率为2f_c-1/（2T）和2f_c+1/（2T）的离散分量。现有技术的装置利用了后者的因素以产生一时钟频率1/T的信号分量。该信号分量是通过借助于窄通带滤波器在发生电路中选择这两个离散的分量，在一混频电路中彼此叠加这二个选择的离散分量，然后借助于一低通滤波器从混频结果的和频4f_c中分离出差频1/T而产生的。用这种简单的方法，时钟和载波信号参考可以从接收到的快速频移键控信号本身恢复，并且这些参考借助于正交相干解调和同步数据符号检波和再生，能用于数据信号的最佳检波。从要求这些参考为恒幅的观点，现有技术装置中的窄通带滤波器是以一个锁相环（PLL）的形式实现的。

这一现有技术的恢复时钟和载波信号参考的方法，特别适用于数据信号是连续地发送，或至少是在一较长时间间隔内是连续地发送的应用场合，但这种方法不太适于数据信号在相对比较短的时间间隔内发送的无线电通信系统中应用，诸如在时分多址联接（TDMA）或跳频（FH）的系统中，并且接收机必须在这已经很短的时间间隔的很小的起始部分前沿，在适当的频率和以正确的相位来恢复参考，因为在已获得正确相位之前不可能可靠地完成相干解调或同步符号检波。已知的装置之所以不太适用于参考相位的快速获取的理由是：在接收机的中频段通常选择为频率范围从几百千赫至大约10兆赫，以及数据信号的时钟频率1/T的通常值不大于几十千赫的情况下，从由倍频所得的频移键控信号中选择这二个离散分量需要二个在这个中频范围内的很窄的带通滤波器，因为它们的中心频率只差一个等于时钟频率1/T的量。用一个很窄的通带滤波器，不仅需要十分精确的调谐，而且随之而来的是延缓了获取正确参考相位，当这种窄带通滤波器如现有技术装置中是以一个锁相环来实现时，这最后提及的问题还要进一步恶化，因为当初始相位误差很接近于相位检波器特性曲线的不稳定的零值，因而相位检波器输出信号很小时，锁相环可能在一个延长时间内定位在不正确的相位上。快速捕获载波相位的问题可以通过使用一个非相干解调器，如鉴频器来克服，但快速捕获时钟相位的问题仍然存在。

虽然就快速频移键控信号叙述了上述的问题，但它们存在于非常一般的方法中。更特别的是那种产生到了一个具有调制指数m＝0.5和恒幅的角度调制载波信号的那样一类调制方法。这类恒包络调制方法对于在无线电通信系统中应用是特别有吸引力的，因为他们经济地应用了有效的带宽和借助于具有非线性振幅传递函数的电路元件而获得的高功率效率的适应性。这类调制方法的已知代表是平滑频率调制（Tamed Frequency Modulation）、高斯最小漂移键控和通用平滑频率调制。这些已分别在1978年5月的电机与电子工程师学会通信学报，通信类26卷第5期的534～542页上，和1981年7月的通讯类29卷第7期的1044～1050页上，以及菲利浦研究通报的1982年的37卷第4期的165～177页上叙述了。

本发明的目的在于提供在本文开头一段中所叙述的那种类型的装置，此装置在开始接收信号后比较短的时间内产生一个时钟信号，以完成足够可靠的符号检波与再生，并且其在所使用的电路功能的设计和实际实施上没有特殊要求。

根据本发明的装置的特征在于倍频器包括：

一个用于所述已调信号的硬的限制器，

一个连接至该限制器，并调谐到载波频率f_c且具有品质因数Q≤10的第一带通滤波器，

一个连接到该限制器和该第一带通滤波器的平衡调制器，

以及一个连接到该调制器，并调谐到2倍载波频率f_c，和有品质因数Q≤10的第二带通滤波器;

其特征在于发生电路包括：

一个连接至倍频器，以将滤波、倍频后的已调信号转换成频带在两倍时钟频率2/T数量级的较低的载波频率f_o附近的变频器，

一个连接到变频器并调谐至较低的载波率f_o，且具有品质因数Q≤10的带阻滤波器，

以及一个连接至该带阻滤波器的方波形成电路。

现通过举例并参照附图来详细地说明本发明的一个实施例及其优点，其中

图1示出了角度调制载波信号接收机的概略方框图。

图2示出了适用于图1接收机的，从有调制指数m＝0.5的角度调制载波信号来恢复时钟信号的现有技术装置的方框图。

图3示出了一些说明图2装置的工作的频谱图。

图4示出了适用于图1接收机的，从有调制指数m＝0.5的角度调制载波信号来恢复时钟信号的根据本发明的装置的一个实施例的方框图。

图5示出了一些说明图4装置工作的频谱图。

图4的装置可连接至其他一些角度调制载波信号接收机电路，图6示出了说明其连接方法的方框图。

图1示出了响应于具有时钟频率1/T的数据信号而产生的有载频F的角度调制载波信号接收机的概略方框图。在天线1和数据检波器2之间的该接收机的主信号通道包括包含射频和中频级4，5的输入段3（前端）的级联装置，用以将具有在射频带的载频F_c的接收到的信号转换成有中频带载频f_c的信号，并放大该中频信号，一个由鉴频器构成的非相干信号解调器6和低通滤波器7用以衰减数据信号基带以外的信号分量。

另外，图1的接收机包括一个用以恢复具有频率1/T的时钟信号的装置8，数据检波器2利用这个时钟信号以控制同步数据符号的检波和恢复。时钟恢复装置8可如图1虚线所示那样连接到鉴频器6的输出端，这在上述关于通用平滑频率调制的刊物的A段中已有介绍（参看图8）。但从快速捕获时钟信号的观点，装置8在图1中连接到中频级5输出端上，以便尽可能地取得为恢复时钟信号在主信号通路中的不可避免的信号传输延迟的利益。这样的联接模式，正如可从上述提及的关于快速频移键控的刊物（参看图3）所得知的那样。

图2示出了从调制指数m＝0.5的角度调制载波信号来恢复时钟信号的装置8的方框图。该装置可应用于图1中的接收机，且在上面说到的刊物中已有介绍（参看图4）。

图2的装置8包括一个倍频器10，在倍频器10中对具有调制指数m＝0.5和载波频率f_c在中频带的已调信号进行矩形脉冲成形处理，以获得调制指数m＝1的已调信号。m＝0.5的已调信号的功率密度谱P通常只有通续的信息传递分量，但m＝1的倍频已调信号的功率密度谱P除此之外，还有在频率2f_c-1/（2T）和2f_c+1/（2T）处的离散的分量。图3的a图中示出了这种功率密度谱P的例子，更准确地说是关于参数B＝0.62和r＝0.36的通用平滑频率调制信号情况的。这种类型的通用平滑频率调制信号是借助于发射机中的预调制滤波器来表征的，该发射机由一个具有3个系数A、B、A的横波滤波器（此处2A+B＝1）和一个低通滤波器组成，此低通滤波器满足第三乃奎斯特（Nyquist）判据，并且这种信号是以一个有上升余弦的特性和满足第一乃奎斯特判据的滚降因子r的低通滤波器为基础的（参考所述关于通用平滑频率调制的刊物上的第2节）。

现在图2中装置8利用了在倍频器10的输出信号中存在的两个离散分量，以产生一个具有时钟频率1/T的信号分量。为此目的，发生电路11连接至倍频器10，该发生电路借助于二个窄带通滤波器12和13来选择这两个离散分量，它们的中心频率分别等于2f_c-1/（2T）和2f_c+1/（2T），它们各自的滤波器特性H₁（f）和H₂（f）在图3的b图中示意示出。在发生电路11中，在滤波器12和13的输出端的选出的信号分量在混频电路14中彼此叠加，此后利用一个简单的低通滤波器15从混频结果和频4f中分离出差频1/T。利用一个时钟滤波器16从差频1/T的混频结果中选出时钟信号分量，时钟滤波器16衰减邻近的信号分量，以获得一个足够小的相位跳动的时钟信号。时钟滤波器16衰减邻近的信号加到脉冲成形器17上，以产生一个适合于控制图1中的数据检波器2的时钟脉冲信号。

正如上面已经说及的那样，结合数据传输用的时钟频率1/T的常规范围的接收机中频带（载频f_c在其中）的通常选择的结果，是图2中两个滤波器12、13必须有很窄的通带。因它们的中心频率大致处在较高的2倍载频2f_c上，相互的距离为等于较低的时钟频率1/T。如此极窄的带通滤波器12、13在建立并维持精确的调谐方面要求很严格，而且造成信号传播的显著的延迟，以致在低带通滤波器15的输出端捕获时钟信号分量的适当相位只能很缓慢地进行。当这些滤波器12、13为锁相环型式时，调谐问题就变得不太重要。但捕获问题更恶化，因为锁相环的存在，除了它的正常惯性外，还有一种可表现为“中止”的效应。这种现象的出现是由于初始相位误差落在极近于相位检波器特性曲线的不稳定的零点。因此，由相位检波器产生的误差信号非常小。相锁环回到稳定的零点的速度取决于该误差信号：若误差信号很小，则恢复速度很慢。由于初始相位误差极近于不稳定的零点，于是在最后拉入正确相位之前（与稳定零点有关），相锁环趋向于在错误相位驻留一个延长的时间。这个“中止”效应意味着该捕获企图的一部分慢得反常地进行。这种性质在以极短的时间间隔发射数据信号（时分多址联接中的短脉冲，跳频中传输跳动），以及在该极短的时间间隔的小的起始沿前部分要求快速捕获的无线电通信系统中应用是不容许的。

图4示出了根据本发明的装置8的方框图，它在开始信号接收后的很短的时间内产生一个合适的时钟信号，以在数据检波器2中实现一个足够可靠的符号检波和重新产生。这个装置8，在设计和所用的各种电路功能的实际实现中不附加特殊的要求。图4中对应于图2的各部分元件有相同的参考标号。

图4中的倍频器10包括一个用于载频f_c和调制指数m＝0.5的角度调制信号的硬的限制器20。硬的限制器20连接到品质因数Q≤10的第一带通滤波器21，滤波器21用于选择频率f_c的硬的限制信号的基波。滤波器21与限制器20的输出信号分别加到平衡调制器22的信号和载波输入端。平衡调制器22连接到也具有品质因数Q≤10的第二带通滤波器23上，该滤波器23用以选择频率2f_c的具有调制指数m＝1的倍频已调信号。

图4中的发生电路11包括一个变频器24，它连接到倍频器10，使被选择的频率2f_c的已调信号转换成频带在两倍时钟频率2/T数量级的较低载波频率f_o附近。因而图4中的变频器24包括一个电源25，以便产生一个恒幅、恒频（2f_c+f_o）的载波信号。这个信号与频率2f_c的倍频器10的输出信号在混频电路26中叠加。然后用一个简单的低通滤波器27，从和频4f_c+f_o的混频结果中分离出差频f_o的混频结果。在图4的发生电路11中，一个具有品质因数Q≤10的带阻滤波器28连接至变频器24，用于衰减具有调制指数m＝1的变频的已调信号的频率为f_o的中心部分的信号分量。为了产生一个有时钟频率1/T的信号分量，现对带阻滤波器28的输出信号进行平方处理，为此目的，一个平方电路29连接到图4中的带阻滤波器28。这平方电路29可以是平衡调制器的型式，其信号和载波输入端均接收带阻滤波器28的输出信号。

和图2中的方法类似，产生的时钟信号分量在图4中是借助于时钟滤波器16衰减邻近的信号分量来选择的，以获得一个相位抖动足够低的时钟信号，然后将选出的时钟信号加到脉冲形成器17上，以产生时钟脉冲信号，来控制图1中的数据检波器2。

现参照图5的曲线图来说明图4中装置8的工作。更具体地说，此曲线图是关于参数B＝0.62和r＝0.36的通用平滑频率调制信号情况的曲线图。因此，具有调制指数m＝1和在中频段载波频率2f_c的倍频后的已调信号（其波谱P示于图3的a图中）又出现在图4中的倍频器10的输出端上。在变频器24中频率变换的结果，产生出具有调制指数m＝1的已调信号，并且其波谱P和图3中a图的形状相同，但现具有更低的载频f_o。这个波谱P示于图5中的a图中（对f_o＝2/T的情况），而离散分量结果发生在下列频率处：

f_o-1/（2T）＝2/T-1/（2T）＝3/（2T）

f_o+1/（2T）＝2/T+1/（2T）＝5/（2T） （1）

通过将变频器24的输出信号加到中心频率为f_o的带阻滤波器28上（以dB表示的该滤波器的特性H₃（f）在图5的b图中示出，是对于f_o＝2/T及Q＝10的情况），平方电路29得到一个输入信号S（t），它有频谱Ps，其图形如图5的c图所示。

假设该信号S（t）可以设想为两个双边带调制信号的和，它们有各自的载频f_o＝1/（2T）和f_o+1/（2T），并认为有图5中c图的频谱Ps那样形状，则该信号S（t）可写成：

S（t）＝A（t）·sin〔π（2f_o-1/T）t+φ（t）〕+B（t）·sin〔π（2f_o+1/T）t·+θ（t）〕 （2）

此处A（t）与B（t）表示各自的振幅变化，它们随数据信号的时间曲线变化，而φ（t）和θ（t）表示各自的相位调制，它们也随这个数据信号时间曲线变化。易于检验，平方（2）式的信号S（t），结果产生信号〔S（t）〕²。它除了有频率f＝0，2f_o-1/T，2f_o+1/T的项之外，还有一个频率f＝1/T的C（t）项，它是：

C（t）＝A（t）·B（t）·Cos〔2πt/T+θ（t）-φ（t）〕 （3）

当选取f_o＝2/T时，下一个高次项处于频率f＝2f_o-1/T＝3/T处，因此，对于选择（3）式的信号C（t），只要有中等数值的品质因数Q（Q～30）的时钟滤波器16就够了。

在数据传输的正常情况时，被发送的数据符号的可能值有相等的可能性（这是通过使用日期编码器（date scrambler）来保证，关于这点，对更多实际应用的数据传输系统也都加以规定）。A（t）与B（t）的平均值实际上相等，而差值θ（t）-φ（t）的平均值非常近似于常数。因而由时钟滤波器16选取的（3）式的信号C（t），对图1中数据检波器2的可靠控制来说，正如广泛实验所证实的那样，总是有足够高的幅值和足够低的相位抖动值。

此外，图4中装置8的该时钟信号，在开始信号接收后极短时间内就已可用。这个优点对需快速获得可靠的时钟信号的时分多址联接或频跳系统是特别重要的，它是图4装置8直接导致的结果，和图2中装置8相反，它不需要用具有非常窄的通带和因而有非常高的品质因数Q的、因而在信号输送中产生长时间时延的滤波器，然而能限定其本身要有低值的品质因数Q（对于滤波器21、23及28，Q≤10）或中值的品质因数Q（对于时钟滤波器16，Q～30），因而在信号传输中产生的时延极小。使用这种低值或中值品质因数Q的滤波器的另一优点是：在建立与保持精确调谐方面几乎没有重大的附加要求，因为那时滤波器的输出信号对调谐偏差的敏感性极小。在这种电路中，其优点还在于可将品质因数Q～30的时钟滤波器16用每个有品质因数Q～6的两个滤波器的级联电路形式来实现。

利用限制器20作为图4中装置8的输入电路将可得到进一步的利益，因为特别是在移动式无线电通迅系统中，接收到的信号的强度可能在一个很大的动态范围内变动，而应用硬的限制器就避免了需要其他与时钟恢复有关的电路也必须在这样一个很大的动态范围内工作。因而显著地简化了图4的装置8中一些功能电路的设计与实际的实施。对于这里所考虑的调制方法，例如通用平滑频率调制和高斯最小偏移键控，装置8的输入信号可以看作一个窄带频率调制信号，并且如众所周知，那时硬的限制器并不影响信号中所含有的信息。此外，一个硬的限制器几乎不影响输入信号的信燥比SNR，因为限制器的输出的信燥比SNRo对输入的信燥比SNRi的比值为K时，K的变化仅从SNRo→0的K＝π/4变化到SNRi→∞的K＝2。

如果考虑到上述理由和图6所示的模式，在接收机主信号通道上已有一个在鉴频器6前面的硬限制器30，则装置8的倍频器10不需应用如图4那样的分离限制器20。而第一带通滤波器21可连接至已示出的限制器30的输出端。

图6进一步示出了如何用一简单的方法来获得稳固的被恢复的时钟信号的长期稳定性。这个简单的办法是将一个合适的锁相环电路31连接至装置8的输出端，并且通过一个双位开关32将装置8的输出端和锁相环电路31的输出端连接到数据检波器2的时钟输入端。在锁相环电路31的较长的捕获时间中，在装置8输出端的时钟信号直接加到数据检波器2上，而在这个时期之后，时钟信号加到锁相环电路31的输出上。因目前大多数的锁相环电路也产生锁定指示信号，这锁定指示信号可用以控制开关32。

为了说明用根据本发明的方法所得到的优点，若干述及的测量结果是按照图6的电路图的通用平滑频率调制接收机对于时钟频率1/T＝16千赫的二进制数据信号的实际实施发现的，在限制器30的输出端和装置8的输出端之间的时钟信号通道中的测得的总时延约等于10T，它大部分是由于时钟滤波器16引入的，而在限制器30的输出端和数据检波器2之间的主信号通道上测得的时延约等于3T，因而可靠的信号检波能在大约7T之后已开始。原则上讲，这一特别低的7T值，还可以用减小时钟滤波器16的品质因数Q来进一步降低，但实际上这种降低片几乎没有意义，因为当减小品质因数Q时，恢复的时钟信号的相位跳动随之增加，为此，一个小于T/10的峰值被发现处于时钟滤波器16的品质因数Q～30的地方。

Claims (15)

1、一种用于从角度调制载波信号恢复接收机中时钟信号的装置，该角度调制载波信号具有响应于有给定时钟频率1/T的数据信号而产生的载波频率f_c和调制指数m＝0.5;该装置包括：

一个用于将所述已调信号的频率加倍的倍频器;

一个用于从已倍频的已调信号产生一个时钟频率1/T的信号分量的发生电路;

一个用于选择所产生的时钟分量的时钟滤波器;

一个用于响应所选择的信号分量而产生一个时钟脉冲信号的脉冲形成器;

其特征在于，上述倍频器包括：

一个用于所述已调信号的硬限制器;

一个连接至所述限制器并调谐至载波频率f_c和具有品质因数Q≤10的第一带通滤波器;

一个连接至该限制器和该第一带通滤波器的平衡调制器，以及

一个连接至所述调制器并且调谐至2倍载波频率2f_c和具有品质因数Q≤10的第二带通滤波器;

上述发生电路包括：

一个连接至所述倍频器，以将滤波、倍频后的已调信号转换成一个频带在2倍时钟频率2/T数量级的一个较低的载频f_o附近的变频器;

一个连接至变频器并调谐至较低载波频率f_o，且具有品质因数Q≤10的带阻滤波器;以及

一个连接至所述带阻滤波器的方波形成电路。

2、一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倍频器的硬限制器是由一个设置在接收机的主信号通道中，且在所述已调信号用的解调器前面的限制器构成。

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