CN100477653C - 二进制移频键控解调器及其频率电压转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BFSK信号解调器及其频率电压转换电路，所述解调器包括三路频率电压转换电路，BFSK调制信号和经反相器反相后的调制信号、载波信号分别输入第一、二、三路频率电压转换电路，产生电压Vo、参考电压V_ref，该电压经滤除高频噪声后连接至比较器的正向输入端和反向输入端。电压Vo和参考电压V_ref经过比较器比较和驱动电路驱动后输出解调后的信号。带有充电时间控制的频率电压转换电路，增大BFSK信号中频率差解调后对应的电位差，有效地改善了误码率。本发明不需要芯片外部元件的支持，电路结构简单，芯片面积小，集成度高，可实现高数据速率的信号解调。可用于无线通信接收机的中频部分。

Description

二进制移频键控解调器及其频率电压转换电路

技术领域

本发明涉及一种无线通信接收设备，特别是涉及一种用于无线接收装置的中频率二进制移频键控解调器。本发明还涉及一种用于该解调器的频率电压转换电路。

背景技术

在无线通信设备中，解调器是接收装置中重要的组成部分。它用于无线接收装置的后端，将前端变频后的调制信号解调出来，使解调后的信号与发射原始信号一致。误码率是衡量解调器的一个重要指标。现有的BFSK(binary frequency-shift keying，二进制移频键控)信号解调方式分为非相干解调和相干解调两类。非相干解调抗干扰性能差；而在相干解调的多种实现方式中，差分解调具有结构简单，误码率低的特点，它不需要本地提供载波，对晶振的精度要求低，由载波引起的相位误差小，是最为普遍的一种解调方式，其结构如图1所示。

由图1可知现有的差分解调器主要是把调制信号与它的延迟信号相乘(延迟时间一般为T/4)，然后通过低通滤波器将解调后的信号与2ω_1F信号分开，再与一个基准电压相比较变为数字信号给基带。相移电路一般是在芯片外通过RLC网络实现，需要多次调试才能达到比较精确的相移，特别是由于分立元件的参数分散性，实现更不容易。另外，比较的基准电压非常重要，它直接影响误码率，因此要与调制信号随着外界环境以及工艺的变化趋势相一致。这种差分解调器的缺点是，会使芯片的面积增大，增加功耗，而且需要在芯片外部提供一个相移电路，使芯片的集成度降低，易受外界环境因素的影响。特别是当信号频率与载波频率相近时，差分解调器对解调后的滤波器要求很高，实现比较困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种BFSK信号解调器，它不需要芯片外部元件的支持，而且电路结构简单，芯片面积小，集成度高，可实现高数据速率的信号解调。为了降低误码率，本发明还要提供一种用于该解调器的频率电压转换电路。

为解决上述技术问题，本发明的BFSK信号解调器，包括三路频率电压转换电路，BFSK调制信号输入第一路频率电压转换电路，BFSK调制信号经过反相器反相后的调制信号输入第二路频率电压转换电路，第一、二路频率电压转换电路的输出端相连并与电容Co相连，电容Co的另一端与地相连；第一、二路频率电压转换电路与电容Co共同作用，在第一、二路频率电压转换电路的输出端产生电压Vo，电压Vo经第一低通滤波器滤除高频噪声后作为输入信号连接至比较器的正向电压输入端；载波信号输入第三路频率电压转换电路，该第三路频率电压转换电路的输出端与电容C₄相连，电容C₄的另一端与地相连；载波信号经转换后产生的电压经第二低通滤波器滤除高频噪声后形成参考电压V_ref，连接至比较器的反向电压输入端；电压Vo和参考电压V_ref经过比较器比较和驱动电路驱动后输出解调后的信号。

为了降低误码率，本发明提供的用于该解调器的频率电压转换电路，包括第一直流电流源I_in、第一PMOS开关管M_p1、第一NMOS开关管M_n2、第二NMOS开关管M_n3、第三NMOS开关管M_n4和电容C₁；

输入信号F_in输入至第一PMOS开关管M_p1、第一NMOS开关管M_n2的栅极的连接点，第一PMOS开关管M_p1的源极和第一NMOS开关管M_n2的漏极与第一直流电流源I_in连接；第一PMOS开关管M_p1的漏极与用于对电容C₁放电的第二NMOS开关管M_n3的漏极、第三NMOS开关管M_n4的漏极和电容C₁相连接；第一信号φ₁输入第二NMOS开关管M_n3的栅极，第二信号φ₂输入第三NMOS开关管M_n4的栅极；第三NMOS开关管M_n4的源极形成频率电压转换电路的输出端；所述第一NMOS开关管M_n2和第二NMOS开关管M_n3的源极及电容C₁的另一端与地线连接；第一直流电流源I_in用于提供电容C₁的充电电流；

它还包括第二PMOS开关管M_p5、第四NMOS开关管M_n6以及一个充电时间控制电路；第二PMOS开关管M_p5的源极与第三NMOS开关管M_n4的漏极连接，第二PMOS开关管M_p5的漏极与开关管M_n4源极连接，第二PMOS开关管M_p5的栅极与反相后的第二信号Φ₂连接；第二PMOS开关管M_p5是为了消除第三NMOS开关管M_n4开关时的电荷注入效应；第四NMOS开关管M_n6的漏极与第二开关管M_n3的漏极连接，第四NMOS开关管M_n6的源极连接地线；所述充电时间控制电路连接在输入信号F_in与第四NMOS开关管M_n6的栅极之间；该充电时间控制电路通过第四NMOS开关管M_n6控制第一直流电流源I_in对电容C₁的充电时间。

由于采用上述结构，本发明的BFSK信号解调器，不需要一个相移电路提供支持，可以实现整个电路集成，集成度高。

相对于现有的差分解调器而言，它取消了解调后将信号与载波分离的低通滤波器，而且仅用一个相对简单的电路生成比较器的参考电压。该参考电压与调制信号对应的电压一样，都是通过相同的频率电压转换电路产生的，因此它们对于外界环境及工艺的变化趋势是一样的。所以本发明电路结构简单，集成后的芯片面积小，工艺上易于实现。

带有充电时间控制的频率电压转换电路，增大BFSK信号中频率差解调后对应的电位差，有效地改善了误码率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有的BFSK信号差分解调器原理框图；

图2是本发明BFSK信号解调器原理框图；

图3是现有的频率电压转换电路原理图；

图4是本发明改进的频率电压转换电路原理图；

图5是图4中的充电时间控制电路原理图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的BFSK信号解调器，包括三路频率电压转换电路。频率电压转换电路的作用是将不同频率的信号对应转换成不同的电压信号。BFSK调制信号和其经过反相器反相后的调制信号分别输入第一路频率电压转换电路和第二路频率电压转换电路，第一、二路频率电压转换电路的输出端相连并与电容Co相连，电容Co的另一端与地相连。第一、二路频率电压转换电路与电容Co共同作用，在第一、二路频率电压转换电路的输出端产生电压Vo，电压Vo经第一低通滤波器滤除高频噪声后作为输入信号连接至比较器的正向电压输入端。将BFSK调制信号反相，并用相同的的频率电压转换电路进行转换，是为了增加电荷平均分配的次数，在调制信号的正半周期和负半周期均可对电容充电；这样，经过频率电压转换电路进行转换输出的电压真实反映频率的变化，使之适用于数据速率与载波频率相近的接收机。

载波信号输入第三路频率电压转换电路，该第三路频率电压转换电路的输出端与电容C₄相连，电容C₄的另一端与地相连；经转换后产生的电压经第二低通滤波器滤除高频噪声后形成参考电压V_ref，连接至比较器的反向电压输入端；电压Vo和参考电压V_ref经过比较器比较和驱动电路驱动后输出解调后的信号。

相对于现有的差分解调器而言，它取消了解调后将信号与载波分离的低通滤波器，而且仅用一个相对简单的电路生成比较器的参考电压。该参考电压与调制信号对应的电压一样，都是通过相同的频率电压转换电路产生的，因此它们对于外界环境及工艺的变化趋势是一样的。

图3是现有技术中一种频率电压转换电路。由图3可知，电容Co上的电压即频率为f的调制信号对应的电压，由电荷守恒定律可知：电容Co越小，电容C₁充电的次数越多，则电容Co上的电压越接近电容C₁的初始电压，正比于T/2。但如果电容Co太小，则寄生电容的存在不可忽略，输出电压的波形必然不稳定，存在由寄生电容引起的一些毛刺，直接影响最终的误码率。

为此，本发明在图3所示现有技术的频率电压转换电路的基础上提供一种改进的频率电压转换电路。

如图4所示，所述改进的频率电压转换电路，包括第一直流电流源I_in、第一PMOS开关管M_p1、第一NMOS开关管M_n2、第二NMOS开关管M_n3、第三NMOS开关管M_n4和电容C₁。

输入信号F_in输入至第一PMOS开关管M_p1和第一NMOS开关管M_n2的栅极的连接点，第一PMOS开关管M_p1的源极和第一NMOS开关管M_n2的漏极与第一直流电流源I_in连接。第一PMOS开关管M_p1的漏极与用于对电容C₁放电的第二NMOS开关管M_n3的漏极、第三NMOS开关管M_n4的漏极和电容C₁相连接。第一信号φ₁输入第二NMOS开关管M_n3的栅极。第二信号φ₂输入第三NMOS开关管M_n4的栅极。第三NMOS开关管M_n4的源极形成频率电压转换电路的输出端。所述第一NMOS开关管M_n2和第二NMOS开关管M_n3的源极及电容C₁的另一端与地线连接。第一直流电流源I_in用于提供电容C₁的充电电流。第一信号φ₁和第二信号φ₂均为脉冲信号，第一信号φ₁用于电容C₁放电，第二信号φ₂用于传递电容C₁上的充电电压到频率电压转换电路的输出端。

它还包括第二PMOS开关管M_p5、第四NMOS开关管M_n6以及一个充电时间控制电路。第二PMOS开关管M_p5的源极与第三NMOS开关管M_n4的漏极连接，第二PMOS开关管M_p5的漏极与第三NMOS开关管M_n4的源极连接，第二PMOS开关管M_p5的栅极与反相后的第二信号Φ₂连接。第二PMOS开关管M_p5是为了消除第三NMOS开关管M_n4开关时的电荷注入效应。第四NMOS开关管M_n6的漏极与第二NMOS开关管M_n3的漏极连接，第四NMOS开关管M_n6的源极连接地线。所述充电时间控制电路连接在输入信号F_in与第四NMOS开关管M_n6的栅极之间。该充电时间控制电路通过第四NMOS开关管M_n6控制第一直流电流源I_in对电容C₁的充电时间。

所述充电时间控制电路包括第二比较器B₁，第三PMOS开关管M_p7的漏极与第六NMOS开关管M_n9的漏极及电容C₂连接的接点，与第二比较器B₁的反向输入端相接。第三PMOS开关管M_p7的源极与第五NMOS开关管M_n8的漏极连接第一直流电流源I_c。输入信号F_in输入至第三PMOS开关管M_p7和第五NMOSM_n8的栅极的连接点。所述第五NMOS开关管M_n8和第六NMOSM_n9的源极及电容C₂的另一端与地线连接。第二比较器B₁的正向输入端连接参考电压V_ref1，其输出端连接第四NMOS开关管M_n6的栅极。

当输入信号F_in为低电平时，第一PMOS开关管M_p1和第三PMOSM_p7均打开，第一信号φ₁和第二信号φ₂均为低电平，第二NMOS开关管M_n3、第三NMOS开关管M_n4、第六NMOS开关管M_n9和第二PMOS开关管M_p5均关闭，第一直流电流源I_in对电容C₁充电，第二直流电流源I_c对电容C₂充电，但此时电容C₂上的电压低于参考电压V_ref1，第二比较器B₁的输出端A点电压为高电平，第四NMOS开关管M_n6打开，电容C₁上电压为零。当电容C₂上的电压超过参考电压V_ref1时，第二比较器B₁的输出端A点电压为低电平，第四NMOS开关管M_n6关闭，电容C₁上的电压逐渐升高。当输入信号F_in为高电平时，第一PMOS开关管M_p1和第三PMOS开关管M_p7关闭，第一NMOS开关管M_n2和第五NMOS开关管M_n8打开，此时第二信号φ₂先变为高电平，第一信号φ₁仍为低电平，电荷在电容C₁、Co上重新分配，然后第二信号φ₂变为低电平，第一信号φ₁变为高电平，电容C₁放电至电压为零，第一信号φ₁和第二信号φ₂均为低电平，等待下一个信号周期。

对于频率为f的调制信号，其最终输出电压为：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{I_{\mathrm{in}}}{C_{1}f}-\frac{I_{\mathrm{in}}}{I_c}{V}_{\mathrm{ref}1}$

充电时间控制电路的作用是：在有限的电源电压下，调节电容C₁的充电斜率，扩大BFSK信号频偏Δf对应的电位差ΔV，增强解调器中的比较器抗噪性能，降低误码率。

Claims (3)

1.一种二进制移频键控信号解调器，其特征在于：它包括三路频率电压转换电路，二进制移频键控调制信号输入第一路频率电压转换电路，二进制移频键控调制信号经过反相器反相后的调制信号输入第二路频率电压转换电路，第一路频率电压转换电路和第二路频率电压转换电路的输出端相连并与电容Co相连，电容Co的另一端与地相连；第一路频率电压转换电路和第二路频率电压转换电路与电容Co共同作用，在第一路频率电压转换电路和第二路频率电压转换电路的输出端产生电压Vo，电压Vo经第一低通滤波器滤除高频噪声后作为输入信号连接至比较器的正向电压输入端；

载波信号输入第三路频率电压转换电路，该第三路频率电压转换电路的输出端与电容C₄相连，电容C₄的另一端与地相连；载波信号经转换后产生的电压经第二低通滤波器滤除高频噪声后形成参考电压V_ref，参考电压V_ref连接至比较器的反向电压输入端；电压Vo和参考电压V_ref经过比较器比较和驱动电路驱动后输出解调后的信号。

2.一种用于权利要求1所述的二进制移频键控信号解调器的频率电压转换电路，它包括第一直流电流源(I_in)、第一PMOS开关管(M_p1)、第一NMOS开关管(M_n2)、第二NMOS开关管(M_n3)、第三NMOS开关管(M_n4)和电容C₁；

输入信号F_in输入至第一PMOS开关管(M_p1)和第一NMOS开关管(M_n2)的栅极的连接点，第一PMOS开关管(M_p1)的源极和第一NMOS开关管(M_n2)的漏极与第一直流电流源(I_in)连接；第一PMOS开关管(M_p1)的漏极与用于对电容C₁放电的第二NMOS开关管(M_n3)的漏极、第三NMOS开关管(M_n4)的漏极和电容C₁相连接；第一信号(φ₁)输入第二NMOS开关管(M_n3)的栅极，第二信号(φ₂)输入第三NMOS开关管(M_n4)的栅极；第三NMOS开关管(M_n4)的源极形成频率电压转换电路的输出端；所述第一NMOS开关管(M_n2)、第二NMOS开关管(M_n3)的源极及电容C₁的另一端与地线连接；第一直流电流源(I_in)用于提供电容C₁的充电电流，第一信号(φ₁)和第二信号(φ₂)均为脉冲信号，第一信号(φ₁)用于电容C₁放电，第二信号(φ₂)用于传递电容C₁上的充电电压到频率电压转换电路的输出端；

其特征在于：它还包括第二PMOS开关管(M_p5)、第四NMOS开关管(M_n6)以及一个充电时间控制电路；第二PMOS开关管(M_p5)的源极与第三NMOS开关管(M_n4)的漏极连接，第二PMOS开关管(M_p5)的漏极与第三NMOS开关管(M_n4)的源极连接，第二PMOS开关管(M_p5)的栅极与反相后的第二信号(Φ₂)连接；第二PMOS开关管(M_p5)是为了消除第三NMOS开关管(M_n4)开关时的电荷注入效应；第四NMOS开关管(M_n6)的漏极与第二NMOS开关管(M_n3)的漏极连接，第四NMOS开关管(M_n6)的源极连接地线；所述充电时间控制电路连接在输入信号F_in与第四NMOS开关管(M_n6)的栅极之间；该充电时间控制电路通过第四NMOS开关管(M_n6)控制第一直流电流源(I_in)对电容C₁的充电时间。

3.如权利要求2所述的频率电压转换电路，其特征在于：所述充电时间控制电路包括第二比较器(B₁)，第三PMOS开关管(M_p7)的漏极与第六NMOS开关管(M_n9)的漏极及电容C₂连接的接点，与第二比较器(B₁)的反向输入端相接；第三PMOS开关管(M_p7)的源极与第五NMOS开关管(M_n8)的漏极连接第二直流电流源(I_c)；输入信号F_in输入至第三PMOS开关管(M_p7)和第五NMOS开关管(M_n8)的栅极的连接点；所述第五NMOS开关管(M_n8)和第六NMOS开关管(M_n9)的源极及电容C₂的另一端与地线连接；第二比较器(B₁)的正向输入端连接参考电压V_ref1，其输出端连接第四NMOS开关管(M_n6)的栅极；

当输入信号F_in为低电平时，第一PMOS开关管(M_p1)和第三PMOS开关管(M_p7)均打开，第一信号(φ₁)和第二信号(φ₂)均为低电平，第二NMOS开关管(M_n3)、第三NMOS开关管(M_n4)、第六NMOS开关管(M_n9)和第二PMOS开关管(M_p5)均关闭，第一直流电流源(I_in)对电容C₁充电，第二直流电流源(I_c)对电容C₂充电，但此时电容C₂上的电压低于参考电压V_ref1，第二比较器(B₁)的输出电压为高电平，第四NMOS开关管(M_n6)打开，电容C₁上电压为零；当电容C₂上的电压超过参考电压V_ref1时，第二比较器(B₁)的输出电压为低电平，第四NMOS开关管(M_n6)关闭，电容C₁上的电压逐渐升高；当输入信号F_in为高电平时，第一PMOS开关管(M_p1)和第三PMOS开关管(M_p7)关闭，第一NMOS开关管(M_n2)和第五NMOS开关管(M_n8)打开，此时第二信号(φ₂)先变为高电平，第一信号(φ₁)仍为低电平，电荷在电容C₁、Co上重新分配，然后第二信号(φ₂)变为低电平，第一信号(φ₁)变为高电平，电容C₁放电至电压为零，第一信号(φ₁)和第二信号(φ₂)均为低，等待下一个信号周期。

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