CN101043489A - 频移键控解调电路、频率调制解调电路及其方法 - Google Patents

Abstract

频移键控解调电路包含带通滤波器、自动校正回路、相位比较器及模拟至数字转换器。该带通滤波器用来作为该频移键控解调电路的相位偏移器，对输入的频移键控调制信号进行相位偏移。该自动校正回路是耦接于该带通滤波器，用来校正该带通滤波器。该相位比较器的第一输入端是耦接于该带通滤波器的输出端，第二输入端用来接收频移键控调制信号。该模拟至数字转换器是耦接于该相位比较器，用来将该相位比较器输出的结果转换成数字数据。

Description

频移键控解调电路、频率调制解调电路及其方法

技术领域

本发明是提供一种频移键控解调电路及频率调制解调电路，尤指一种利用带通滤波器来进行相位偏移的频移键控解调电路及频率调制解调电路。

背景技术

在整个芯片整合的趋势，除了容纳的逻辑元件数目提高的同时，另一方面也要求芯片的面积愈做愈小。目前芯片设计的趋势尽可能减少外部元件以降低成本及缩小电路板的面积。将传统设计必须外加的元件，如滤波器整合到芯片的内部，已成为一个必要的技术。

自十九世纪末电磁波的发现以来，无线通讯的发展可说是日新月异。无论在商业用途、人们的日常生活里几乎已经跟无线通讯脱离不了关系。由于人类可以听到声音频率范围约是20Hz到20kHz，若要使用无线电波传递这么低的频率是非常困难的，因此要用较高的频率来发射无线电波(称为载波)，然后将想要传递的消息巧妙的隐藏在载波中，接收者再把消息从载波中还原回来。利用对信号进行调制与解调，可以将信号传递至更远处，但于传递的过程中会有噪声的干扰，正确地解调还原原先的信号成为无线通讯中重要的一环。

请参考图1。图1为先前技术的频率调制(FM)解调电路10的示意图。频率调制解调电路10包含鉴频器12及乘法器14。鉴频器12包含电阻R、电容C及电感L。电阻R的第一端耦接至电容C的第一端与电感L的第一端，且耦接至乘法器14的第一输入端142；电阻R的第二端耦接至电容C的第二端与电感L的第二端，且耦接至地。频率调制信号FM输入至乘法器14的第二输入端144与鉴频器12的输入端122。鉴频器12具有中心频率为fc，中心频率fc＝1/(2*pi*sqrt(L*C))。当输入的频率调制信号FM的频率恰为fc时，鉴频器12输出的信号与输入的频率调制信号FM的相位差恰为90度；当输入的频率调制信号FM的频率为fc+fsig时，鉴频器12输出的信号与输入的频率调制信号FM的相位差为90+k*fsig度；当输入的频率调制信号FM的频率为fc-fsig时，鉴频器12输出的信号与输入的频率调制信号FM的相位差为90-k*fsig度。将鉴频器12输出的信号与输入的频率调制信号FM输入至乘法器14并相乘，可以检测出目前鉴频器12输出的信号与输入的频率调制信号FM的相位差是高于90度或低于90度，即可得到fsig的频率大小及其极性(正或负)，进而得知频率调制信号FM的频率(fc+fsig或fc-fsig)，再利用得到的频率还原频率调制信号FM的数据，完成FM的解调。

请参考图2。图2为先前技术一频移键控(FSK)解调电路20的示意图。频移键控解调电路20包含鉴频器12、乘法器14及模拟至数字转换器26。模拟至数字转换器26，耦接于乘法器14，用来将乘法器14输出的结果转换成数字数据。鉴频器12包含电阻R、电容C及电感L。电阻R的第一端耦接至电容C的第一端与电感L的第一端，且耦接至乘法器14的第一输入端142；电阻R的第二端耦接至电容C的第二端与电感L的第二端，且耦接至地。频移键控调制信号FSK输入至乘法器14的第二输入端144与鉴频器12的输入端122。鉴频器12具有中心频率为fc，中心频率fc＝1/(2*pi*sqrt(L*C))。当输入的频移键控调制信号FSK的频率恰为fc时，鉴频器12输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK的相位差恰为90度；当输入的频移键控调制信号FSK的频率为fc+fsig时，鉴频器12输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK的相位差为90+k*fsig度；当输入的频移键控调制信号FSK的频率为fc-fsig时，鉴频器12输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK的相位差为90-k*fsig度。将鉴频器12输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK输入至乘法器14并相乘，可以检测出目前鉴频器12输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK的相位差是高于90度或低于90度，即可得到fsig的频率大小及其极性(正或负)，进而得知频移键控调制信号FSK的频率(fc+fsig或fc-fsig)，再利用得到的频率还原频移键控调制信号FSK的数据，完成FSK的解调。

由于鉴频器12的中心频率fc＝1/(2*pi*sqrt(L*C))，在中心频率fc很低的情况下，需要使用很大的电容值与电感值来达成，以致于无法使用芯片内部的电容与电感来完成，需要使用芯片外部的电容与电感来完成，如此一来，不但会提高成本，又会浪费电路板的面积。

发明内容

本发明是提供一种内建带通滤波器的频移键控解调电路，其包含带通滤波器、自动校正回路、相位比较器及模拟至数字转换器。该带通滤波器用来作为频移键控解调电路的相位偏移器，对输入的频移键控调制信号进行相位偏移。该自动校正回路是耦接于该带通滤波器，用来校正该带通滤波器的中心频率以固定该带通滤波器对输入的该频移键控调制信号的相位偏移。该相位比较器的第一输入端是耦接于该带通滤波器的输出端，第二输入端用来接收该频移键控调制信号，该相位比较器用来比较二输入端所接收的该频移键控调制信号与相位偏移后的频移键控调制信号的相位差，并输出比较的结果。该模拟至数字转换器是耦接于该相位比较器，用来将该相位比较器输出的结果转换成数字数据。

本发明是提供一种内建带通滤波器的频率调制解调电路，其包含带通滤波器、自动校正回路以及相位比较器。该带通滤波器用来作为频率调制解调电路的相位偏移器，对输入的频率调制信号进行相位偏移。该自动校正回路是耦接于该带通滤波器，用来校正该带通滤波器的中心频率以固定该带通滤波器对输入的该频率调制信号的相位偏移。该相位比较器具有第一输入端是耦接于该带通滤波器的输出端，第二输入端用来接收该频率调制信号，该相位比较器用来比较二输入端所接收的该频率调制信号与相位偏移后的频移键控调制信号的相位差，并输出比较的结果。

本发明是提供一种频移键控解调的方法，其包含：对频移键控调制信号进行相位偏移；对中心频率进行校正以固定该频移键控调制信号的相位偏移；比较该频移键控调制信号与进行相位偏移后的频移键控调制信号的相位差，并输出比较的结果；以及将该比较结果转换成数字数据。

本发明是提供一种频率调制解调的方法，其包含：对频率调制信号进行相位偏移；对中心频率进行校正以固定该频率调制信号的相位偏移；以及比较该频率调制信号与进行相位偏移后的频率调制信号的相位差，并输出比较的结果。

附图说明

图1为先前技术一频率调制解调电路的示意图。

图2为先前技术一频移键控解调电路的示意图。

图3为本发明一频率调制解调电路的示意图。

图4为图3中的自动校正回路的示意图。

图5为本发明一频移键控解调电路的示意图。

[主要元件标号说明]

10、30    频率调制解调电路    12         鉴频器

14        乘法器              122        输入端

FM        频率调制信号        142、362   第一输入端

144、364  第二输入端          R          电阻

L         电感                C          电容

20、50    频移键控解调电路    26、56     模拟至数字转换器

FSK       频移键控调制信号

32        自动校正回路

34        带通滤波器          36         相位比较器

322       振荡器              324        积分器

325       振幅比较器          326        工作电压调整器

V1        工作电压            CLK        参考时钟信号

252       第一输入端          254        第二输入端

262       输入端              264        输出端

gm        转导器

具体实施方式

请参考图3。图3为本发明一频率调制解调电路30的示意图。频率调制解调电路30包含带通滤波器34、自动校正回路32及相位比较器36。带通滤波器34用来作为频率调制解调电路30的相位偏移器，对输入的频率调制信号FM进行相位偏移。带通滤波器34具有中心频率fc，当输入的频率调制信号FM的频率恰为fc时，带通滤波器34输出的信号与输入的频率调制信号FM的相位差恰为0度；当输入的频率调制信号FM的频率为fc+fsig时，带通滤波器34输出的信号与输入的频率调制信号FM的相位差恰为k*fsig度；当输入的频率调制信号FM的频率为fc-fsig时，带通滤波器34输出的信号与输入的频率调制信号FM的相位差恰为负k*fsig度。自动校正回路32是耦接于带通滤波器34，用来校正带通滤波器34以固定带通滤波器34对输入的频率调制信号FM的相位偏移。将带通滤波器34输出的信号输入至相位比较器36的第一输入端362，并将频率调制信号FM输入至相位比较器36的第二输入端364，可以检测出目前相位比较器36的二输入端所接收的频率调制信号的相位差是高于0度或低于0度，即可得到fsig的频率大小及其极性(正或负)，进而得知频率调制信号FM的频率(fc+fsig或fc-fsig)，再利用得到的频率还原频率调制信号FM的数据，完成FM的解调。其中带通滤波器34、自动校正回路32与相位比较器36是设于同一芯片上。且带通滤波器34与自动校正回路32是由相同的元件所构成。例如带通滤波器34是转导器-电容滤波器，自动校正回路可包含由转导器、电容构成的积分器。

请参考图4。图4为图3中自动校正回路32的示意图。自动校正回路32包含振荡器322、积分器324、振幅比较器325以及工作电压调整器326。于一实施例中，振荡器322为石英振荡器，用来产生频率为fc的参考时钟信号CLK，由于石英振荡器的频率特性十分稳定，因此适合作为比较的基准。积分器324是耦接于振荡器322，积分器324具有单增益频率fu，积分器324用来根据工作电压V1产生输出振幅，该输出振幅是相对应于单增益频率fu。振幅比较器325具有第一输入端252是耦接于积分器324，用来接收积分器324产生的该输出振幅，振幅比较器325的第二输入端254是耦接于振荡器322，用以接收参考时钟信号CLK，振幅比较器325用来比较积分器324的输出振幅与参考时钟信号CLK的振幅。工作电压调整器326的输入端262是耦接于振幅比较器325的输出端，而工作电压调整器326的输出端264是耦接于积分器324及带通滤波器34(未标示于图4)，用来根据振幅比较器325输出端所输出的比较结果调整输入积分器324及带通滤波器34(未标示于图4)的工作电压V1。其中，积分器324包含转导器gm以及电容C，转导器gm耦接于振荡器322与工作电压调整器326，用来根据振荡器322产生的参考时钟信号CLK与工作电压V1，产生驱动信号；电容C耦接于转导器gm，用来根据转导器gm产生的该驱动信号进行充放电，产生该输出振幅。

积分器324具有单增益频率fu，单增益频率fu由转导器gm及电容C所决定，单增益频率fu＝转导值/(2*pi*电容值)。因此，积分器324的单增益频率fu与带通滤波器34的中心频率fc是相同的(复制相同的转导器与电容，其中转导器gm与带通滤波器34的转导值皆相同)。只要同步调整积分器324与带通滤波器34，积分器324的单增益频率fu是对应于带通滤波器34的中心频率fc，当积分器324的单增益频率fu调整到正确值，带通滤波器34的中心频率fc也会调整到正确值。积分器324工作在频率为单增益频率fu时，其增益为1，意即输入电压Vin与输出电压Vout的振幅相同。当积分器324工作在频率为高于单增益频率fu时，其增益大于1，意即Vout＞Vin；当积分器324工作在频率为低于单增益频率fu时，其增益小于1，意即Vout＜Vin。可利用积分器324的此种特性来调整积分器324的单增益频率fu。经过自动校正回路32不断地调整，最后将频率fu调整至与频率fc相等，意即将积分器324的单增益频率fu调整至与带通滤波器34的中心频率fc相等。

请参考图5。图5为本发明一频移键控解调电路50的示意图。频移键控解调电路50包含带通滤波器34、自动校正回路32、相位比较器36及模拟至数字转换器56。模拟至数字转换器56，耦接于相位比较器36，用来将相位比较器36输出的结果转换成数字数据。带通滤波器34用来作为频移键控解调电路50的相位偏移器，对输入的频移键控调制信号FSK进行相位偏移。带通滤波器34具有中心频率fc，当输入的频移键控调制信号FSK的频率恰为fc时，带通滤波器34输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK的相位差恰为0度；当输入的频移键控调制信号FSK的频率为fc+fsig时，带通滤波器34输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK的相位差恰为k*fsig度；当输入的频移键控调制信号FSK的频率为fc-fsig时，带通滤波器34输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK的相位差恰为负k*fsig度。自动校正回路32是耦接于带通滤波器34，用来校正带通滤波器34以固定带通滤波器34对输入的频移键控调制信号FSK的相位偏移。将带通滤波器34输出的信号与输入的频移键控调制信号FSK输入至相位比较器36的第一输入端362，并将频移键控调制信号FSK输入至相位比较器36的第二输入端364，可以检测出目前相位比较器36的二输入端所接收的频移键控调制信号的相位差是高于0度或低于0度，即可得到fsig的频率大小及其极性(正或负)，进而得知频移键控调制信号FSK的频率(fc+fsig或fc-fsig)，再利用得到的频率还原频移键控调制信号FSK的数据，完成FSK的解调。其中带通滤波器34、自动校正回路32、相位比较器36与模拟至数字转换器56是设于同一芯片上。且带通滤波器34与自动校正回路32是由相同的元件所构成。例如带通滤波器34为转导器-电容滤波器，自动校正回路可包含由转导器、电容构成的积分器。

以上所述的实施例仅用来说明本发明，并不局限本发明的范畴。文中所提到带通滤波器34与自动校正回路32并不限定为特定元件，只要带通滤波器34与自动校正回路32由相同的元件构成，可以达到正确校正带通滤波器34的中心频率即属于本发明的范畴。且视使用者需求，可以外加其它电路来完成频移键控解调及频率解调，只要将带通滤波器34、自动校正回路32、相位比较器36与模拟至数字转换器56皆设于同一芯片上，避免将元件设于芯片外部即属于本发明的范畴。

由上可知，本发明提供一内建带通滤波器的频移键控解调电路及频率调制解调电路。无需使用芯片外部的电容与电感来作为相位偏移，既可以降低成本又不会浪费电路板的面积。且通过自动校正回路可以稳定带通滤波器的中心频率，得到更高质量的频移键控解调或频率解调。此外，检测相位差是高于0度或低于0度的电路也比检测相位差是高于90度或低于90度的电路简单。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种内建带通滤波器的频移键控解调电路，包含有：

带通滤波器，用来作为频移键控解调电路的相位偏移器，对输入的频移键控调制信号进行相位偏移；

自动校正回路，耦接于该带通滤波器，用来校正该带通滤波器的中心频率以固定该带通滤波器对输入的该频移键控调制信号的相位偏移；

相位比较器，其具有第一输入端是耦接于该带通滤波器的输出端，以及第二输入端是用来接收该频移键控调制信号，该相位比较器用来比较二输入端所接收的该频移键控调制信号与相位偏移后的频移键控调制信号的相位差，并输出比较的结果；以及

模拟至数字转换器，耦接于该相位比较器，用来将该相位比较器输出的结果转换成数字数据。

2.根据权利要求1所述的频移键控解调电路，其中该带通滤波器与该自动校正回路是由相同的元件所构成。

3.根据权利要求1所述的频移键控解调电路，其中该带通滤波器为转导-电容滤波器。

4.根据权利要求1所述的频移键控解调电路，其中该自动校正回路包含：

振荡器，用来产生参考时钟信号；

积分器，耦接于该振荡器，该积分器用来根据该参考时钟信号及工作电压产生输出振幅；

振幅比较器，其具有第一输入端是耦接于该积分器，以及第二输入端是耦接于该振荡器，该振幅比较器用来比较该积分器的该输出振幅与该振荡器的该参考时钟信号的振幅，并输出比较结果；以及

工作电压调整器，其具有输入端是耦接于该振幅比较器，以及输出端是耦接于该积分器及该带通滤波器，该工作电压调整器用来根据该振幅比较器输出的该比较结果调整输入至该积分器与该带通滤波器的该工作电压。

5.根据权利要求4所述的频移键控解调电路，其中该积分器具有单增益频率，该输出振幅是对应于该单增益频率。

6.根据权利要求5所述的频移键控解调电路，其中该积分器的该单增益频率是对应于该带通滤波器的中心频率。

7.根据权利要求4所述的频移键控解调电路，其中该积分器包含：

转导器，耦接于该振荡器与该工作电压调整器，用来根据该参考时钟信号与该工作电压，产生驱动信号；以及

电容，耦接于该转导器，用来根据该转导器产生的该驱动信号进行充放电，产生该输出振幅。

8.一种内建带通滤波器的频率调制解调电路，包含有：

带通滤波器，用来作为频率调制解调电路的相位偏移器，对输入的频率调制信号进行相位偏移；

自动校正回路，耦接于该带通滤波器，用来校正该带通滤波器的中心频率以固定该带通滤波器对输入的该频率调制信号的相位偏移；以及

相位比较器，其具有第一输入端是耦接于该带通滤波器的输出端，以及第二输入端用来接收该频率调制信号，比较该相位比较器二输入端所接收的该频率调制信号与相位偏移后的频移键控调制信号的相位差，并输出比较的结果。

9.根据权利要求8所述的频率调制解调电路，其中该带通滤波器与该自动校正回路是由相同的元件所构成。

10.根据权利要求8所述的频率调制解调电路，其中该带通滤波器为转导-电容滤波器。

11.根据权利要求8所述的频率调制解调电路，其中该自动校正回路包含：

振荡器，用来产生参考时钟信号；

积分器，耦接于该振荡器，具有单增益频率，该积分器用来根据该参考时钟信号及工作电压产生输出振幅；

振幅比较器，其具有第一输入端是耦接于该积分器，以及第二输入端是耦接于该振荡器，该振幅比较器用来比较该积分器的该输出振幅与该振荡器的该参考时钟信号的振幅，并输出比较结果；以及

工作电压调整器，其具有输入端是耦接于该振幅比较器，以及输出端是耦接于该积分器及该带通滤波器，该工作电压调整器用来根据该振幅比较器输出的该比较结果调整输入至该积分器与该带通滤波器的该工作电压。

12.根据权利要求11所述的频率调制解调电路，其中该积分器具有单增益频率，该输出振幅是对应于该单增益频率。

13.根据权利要求12所述的频率调制解调电路，其中该积分器的该单增益频率是对应于该带通滤波器的中心频率。

14.根据权利要求11所述的频率调制解调电路，其中该积分器包含：

转导器，耦接于该振荡器与该工作电压调整器，用来根据该振荡器产生的该参考时钟信号与该工作电压，产生驱动信号；以及

电容，耦接于该转导器，用来根据该转导器产生的该驱动信号进行充放电，产生该输出振幅。

15.一种频移键控解调的方法，包含：

对频移键控调制信号进行相位偏移；

对中心频率进行校正以固定该频移键控调制信号的相位偏移；

比较该频移键控调制信号与进行相位偏移后的频移键控调制信号的相位差，并输出比较的结果；以及

将该比较结果转换成数字数据。

16.根据权利要求15所述的方法，其中对中心频率进行校正以固定该频移键控调制信号的相位偏移包含：

产生参考时钟信号；

根据该参考时钟信号及工作电压产生输出振幅；

比较该输出振幅与该参考时钟信号的振幅，并输出比较结果；以及

根据该比较结果调整该工作电压。

17.根据权利要求16所述的方法，其中根据该参考时钟信号及工作电压产生输出振幅进一步包含：

根据该参考时钟与该工作电压产生驱动信号；以及

根据该驱动信号对电容进行充放电，以产生该输出振幅。

18.一种频率调制解调的方法，包含：

对频率调制信号进行相位偏移；

对中心频率进行校正以固定该频率调制信号的相位偏移；

比较该频率调制信号与进行相位偏移后的频率调制信号的相位差，并输出比较的结果。

19.根据权利要求18所述的方法，其中对中心频率进行校正以固定该频率调制信号的相位偏移进一步包含：

产生参考时钟信号；

根据该参考时钟信号及工作电压产生输出振幅；

比较该输出振幅与该参考时钟信号的振幅，并输出比较结果；以及

根据该比较结果调整该工作电压；

其中，通过调整后的工作电压进一步调整该中心频率。

20.根据权利要求19所述的方法，其中根据该参考时钟信号及工作电压产生输出振幅进一步包含：

根据该参考时钟与该工作电压产生驱动信号；以及

根据该驱动信号对电容进行充放电，以产生该输出振幅。

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