CN101110637A - 载频可调的无线通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种载频可调的无线通信系统，包括发射端、接收端、第一电压控制振荡器及第二电压控制振荡器。该第一电压控制振荡器作为该发射端的本地振荡器，该第二电压控制振荡器作为该接收端的本地振荡器，其中该第一及第二电压控制振荡器的振荡频率可调，以达成支持多频道的无线通信系统。本发明另提供一种载频可调的无线通信方法。

Description

载频可调的无线通信系统及方法

技术领域

本发明是关于一种载频可调的无线通信系统及方法，特别是关于一种利用电压控制振荡器产生可调载波频率的无线通信系统及方法。

背景技术

现有的无线通信系统，如图1所示，包括发射端80及接收端90。为使数据(data)信号能够经由空气传递，该发射端80必须将所接收的该数据信号经由调制器81(modulator)调制至载波信号(carrier signal)上以形成射频信号(RF signal)，因为该载波信号的频率较适合于空气的传播环境，其位于经许可使用的频段且在具有干扰的情形下能够稳定地被该接收端90所接收；接着，该射频信号经由功率放人器82放大后由发射天线ANT1发射至空气中。该接收端90经由接收天线ANT2接收该射频信号后，经由前端电路92(frontend)提供低噪声放大级(Low-Noise Amplifier，LNA)以放大所需的信号并去除干扰及噪声，最后，经由解调器91(demodulator)去除该载波信号后，输出预定接收的数据(data)信号。

在无线传输系统中，一般是利用晶体振荡器30、30’(crystal oscillator)作为本地振荡器(local oscillator)，以分别产生该调制器81及解调器91所需的载波信号，这是由于晶体振荡器具有准确的中心频率，使得该接收端90可以经设定而易于接收由该发射端80所输出的射频信号。然而在实际使用上，由于该晶体振荡器30、30’的频率调制范围很小，所以一般仅适用于单频道(single channel)的应用，而且其传输数据率(data rate)也因为晶体振荡器的频率范围难以调制而无法改变，如果需要改变载波频率时则必须更换该晶体振荡器中的晶体，因为不同的晶体具有不同的振荡频率。然而现今无线科技产品种类众多，使用单频道无线通信系统容易与其它产品使用相同频率而发生互相干扰的问题，且时常更换晶体更是不符合自动化的趋势，由此可知单频道无线系统并不符合实际使用需求。

现有解决此问题的方式为加入合成器83、93(synthesizer)用以改变频率，如图2所示，其接收该晶体振荡器30、30’单一频率的信号后，可产生倍频、三倍频或是更高倍频的输出频率，其关系如下式所示：

f_out＝f_cry*(1+X)

其中f_out表示该合成器83及93的输出频率；f_cry表示该晶体振荡器30及30’的振荡频率；X表示输出频率倍数，其依据产品需求可为整数(integer)或分数(fraction)。然而于实际使用上，加入合成器虽然能使无线通信系统具有多个可选择的载波频率以支持多频道(multi channel)系统，然而一般合成器由于价格较高，且功率消耗量大，因此并不符合低价格产品的应用，例如无线鼠标(wireless mouse)。

基于上述原因，其确实仍有必要进一步改良上述无线通信系统，从而降低成本并达到支持多频道的目的。

发明内容

本发明之一目的在于提供一种载频可调的无线通信系统及方法，通过电压控制振荡器产生载波信号，使本发明具有支持多频道系统的功能。

本发明另一目的在于提供一种载频可调的无线通信系统及方法，通过电压控制振荡器产生载波信号，使本发明的接收端支持自动扫频及锁频，而具有提高系统效能的功能。

本发明再一目的在于提供一种载频可调的无线通信系统及方法，通过电压控制振荡器产生载波信号，使本发明具有可程序化传输数据率的功能。

本发明再一目的在于提供一种载频可调的无线通信系统及方法，通过电压控制振荡器产生载波信号，从而降低无线通信系统的成本。

为达上述目的，本发明的载频可调的无线通信系统，其主要包括发射端，接收待传送的数据信号并产生射频信号；接收端，接收该射频信号并转换为待接收的数据信号；第一电压控制振荡器，作为该发射端的本地振荡器；以及第二电压控制振荡器，作为该接收端的本地振荡器；其中该第一及第二电压控制振荡器的振荡频率可调，该接收端利用扫频及锁频的方式来对准该发射端的中心频率。

本发明另提供一种载频可调的无线通信方法，包括下列步骤：输入待传送的数据信号至发射端，该发射端转换该待传送的数据信号并产生射频信号；提供接收端，以接收该射频信号并转换为待接收的数据信号；提供第一电压控制振荡器作为该发射端的本地振荡器；提供第二电压控制振荡器作为该接收端的本地振荡器；调整该第一及第二电压控制振荡器的振荡频率；以及利用扫频及锁频的方式使该接收端对准该发射端的中心频率。

附图说明

图1为现有的单频道无线通信系统的框图；

图2为现有的多频道无线通信系统的框图；

图3为本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法的框图；

图4为本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法的电压控制振荡器的电路图；

图5为本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法的详细实施方式的框图。

图6为本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法的接收端的信号频谱分布图；

图7为本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法的接收端进行扫频及锁频的流程图。

附图标记说明

10发射端                11调制器

12数据滤波器            13功率放大器

14天线匹配电路          20接收端

21天线匹配电路          22前端电路

23混合器                24滤波器

25放大器                26指示器

27控制器                28解调器

30晶体振荡器            30’晶体振荡器

40第一电压控制振荡器    40’第二电压控制振荡器

41振荡电路              410第一可变电容器

411第二可变电容器       412电感器

42起振电路              80发射端

81调制器                82功率放大器

83合成器                90接收端

91解调器                92前端电路

93合成器                ANT1发射天线

ANT2接收天线            S₁信号

S₂控制信号              A最大频谱强度

B₁频谱分布              B₂频谱分布

f_VCO振荡频率

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。

请参照图3所示，其揭示本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法，其包括发射端10、发射天线ANTl、接收天线ANT2、接收端20、第一电压控制振荡器40及第二电压控制振荡器40’。该发射端10接收待传送的数据(data)信号，并转换为射频信号(RF signal)后由陔发射天线ANT1发射至空气中传送，该接收天线ANT2接收该射频信号后转换为待接收的数据信号。该第一电压控制振荡器40作为该发射端10所需的本地振荡器(localoscillator)，提供该发射端10调制时所需的载波信号(carrier signal)，该第一电压控制振荡器40’作为该接收端20所需的本地振荡器，提供该接收端20解调时所需的载波信号，其中该第一及第二电压控制振荡器40、40’可选自LC振荡器或环振荡器(ring oscillator)，例如美国专利第6,876,266号所公开的电压控制振荡器。该第一及第二电压控制振荡器40、40’的振荡频率适用于小具标准规范的频段，例如27兆赫兹(MHz)。

请参照图4所示，其揭示本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法的电压控制振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)40、40’的一种实施方式，其主要包括振荡电路41及起振电路42(oscillator active circuitry)。该振荡电路41包括第一可变电容器410、第二可变电容器411及电感器4l2，该第一及第二可变电容器41O及41l优选为电压控制电容器(voltagecontrolled capacitor)，例如变容二极管(Varactor Diode)，其为一种特殊二极管，当外加顺向偏压时会产生大量电流，因而PN接面的空乏区变窄而电容变大；当外加逆向偏压时，电流量减小，因而PN接面的空乏区变宽而电容变小。由于LC振荡器的振荡频率由电容及电感值决定，亦即 $f_{\mathrm{out}}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$ ，因而通过改变该第二可变电容器411的大小即可调制该第一及第二电压控制振荡器40及40’的振荡频率，亦即可改变调制器及解调器所需的载波频率，因而可达成支持多频道系统的目的；通过改变该第一可变电容器410的大小可改变频率偏移(frequency deviation)范围，例如±2.5kHz、±5kHz及±10kHz等，以达成可程序化传输数据率(programmable data rate)的目的，且该第二可变电容器411大于该第一可变电容器410。此外，为使该接收端20在接收时达到自动扫频及锁频(auto scanning & locking)的功能，该第二电压控制器40’的频宽调整范围必须大于等于该第一电压控制器40的频宽调整范围，如此该接收端20的扫描频率才能包括发射端10的所有频段。该起振电路42则用以导引该振荡电路41进入稳定的振荡状态。

请参照图5至图7所示，其揭示本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法的详细实施方式。在图5中，该发射端10包括调制器11、数据滤波器12、功率放大器13、天线匹配电路14及发射天线ANT1，并利用第一电压控制振荡器40作为该发射端10的本地振荡器，以提供调制时的载波频率。该调制器11优选进行频率调制(FSK)，其接收该数据滤波器12的数据信号与该电压控制振荡器40的载波信号并进行调制后形成射频信号，并送至该功率放大器13放大，接着经过该天线匹配电路14后由该发射天线ANT1将该射频信号发射至空气中。

该接收端20，其包括天线匹配电路21、前端电路22、混合器23、滤波器24、放大器25、指示器26、控制器27、解调器28及接收天线ANT2，并利用第二电压控制振荡器40’作为该接收端20的本地振荡器，以提供解调时的载波频率。该接收天线ANT2接收由该发射端10发射的该射频信号后，经由天线匹配电路21将该射频信号送至该前端电路22(front end)，该前端电路22用以提供低噪声的放大级(Low-Noise Amplifier，LNA)以放大所需信号并去除干扰及噪声；该混合器23(mixer)用以将该放大的射频信号及该第二电压控制振荡器40’用以扫频的载波信号做差频，以符合该滤波器24的频带范围；该滤波器24优选为带宽滤波器(band pass filter)，可为一般市售的带宽滤波器，用以滤出经差频后的信号内预设频宽内的信号；该放大器25优选为限幅放大器(limiter amplifier)，用以放大经滤波后的信号；该指示器26优选为接收信号强度指示器(receive signal strength indication，RSSI)，其接收该放大后的射频信号，并对于该经放大的射频信号频谱中强度最大的频率，送出信号S₁至该控制器27；该控制器27可用以进行扫频及锁频的动作，其接收该指示器26的信号后，发出控制信号S₂至该第二电压控制振荡器40’，以决定锁频的中心频率，如此该接收端20即可达成自动扫频及锁频的目的；该解调器28用以进行解调经该放大器25放大后的该射频信号，并输出待接收的数据信号。

图6所示为该接收端20的信号频谱分布，其中B₁表示经过该前端电路22后的频谱分布、B₂表示经过该滤波器24及放大器25后的频谱分布、A表示扫频时该指示器26所检测的最大频谱强度，当该指示器26检测到该最大强度A时，便发出该信号S₁使该控制器27进行锁频。f_VCO表示该第二电压控制振荡器40’的振荡频率，其可在预设范围内变化以进行扫频的动作。

图7所示为该接收端20进行自动扫频及锁频的流程图，其中当射频信号经由该接收天线ANT2及天线匹配电路21接收后，接着进入该前端电路22以进行放大及去噪声，该混合器23将该放大后的射频信号及该电压控制振荡器40’的载波信号作差频后，分别经由该滤波器24滤波及该放大器25放大，其频谱如图6的B₂所示，接着该指示器26判别是否已检测到该最大强度A，若已检测到该最大强度A，则该指示器26将发出信号S₁至该控制器27表示已检测到该最大强度A，该控制器27接着发出信号S₂至该第二电压控制振荡器40’进行锁频，接着经锁频的射频信号经过该解调器28解调后可送出待接收的数据信号；若该指示器26尚未检测到该最大强度A，该指示器26将发出该信号S₁至该控制器27表示尚未侦测到该最大强度A，则该控制器27发出该信号S₂至该第二电压控制振荡器40’以继续进行扫频的动作，直至该指示器26检测到上述最大强度A为止，如此该接收端20可进行自动扫频及锁频，以增加系统效能。

如上所示，因图1所示的现有无线通信系统具有晶体振荡器的振荡频率不易改变的问题，如此会造成难以支持多频道系统，而不符合实际无线通信系统的需求；且图2所示的现有无线通信系统因具有合成器，亦具有成本较高及消耗功率过大的问题。相较于图1和图2的现有无线通信系统，本发明优选实施例的载频可调的无线通信系统及方法(如图3-图5所示)，通过电压控制振荡器其确实能改变载波频率及频率偏移范围，如此能支持多频道系统及可程序化传输数据率，并达成自动扫频及锁频的功能。

虽然本发明已以前述优选实施例揭示，然其并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做出各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (37)

1.一种载频可调的无线通信系统，该系统包括：

发射端，接收待传送的数据信号并发射射频信号；

接收端，接收所述射频信号并转换为待接收的数据信号，其特征在于，包括：

第一电压控制振荡器，作为所述发射端的本地振荡器，产生所述发射端所需的载波频率信号；及

第二电压控制振荡器，作为所述接收端的本地振荡器，产生所述接收端所需的载波频率信号；

其中，所述第一及第二电压控制振荡器其中至少一个的振荡频率可调，所述接收端利用扫频及锁频的方式来对准所述发射端的中心频率。

2.根据权利要求1所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述第一及第二电压控制振荡器为LC振荡器，该LC振荡器包括至少两个可变电容器及一个电感器，且该两个可变电容器的电容值不相同，所述LC振荡器通过改变电容值以调整振荡频率及频率偏差。

3.根据权利要求2所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述第一及第二电压控制振荡器的可变电容器为电压控制电容器。

4.根据权利要求1所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述第一及第二电压控制振荡器为环振荡器。

5.根据权利要求1所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述第二电压控制振荡器的载波频率的可调范围大于等于所述第一电压控制振荡器的载波频率的可调范围。

6.根据权利要求1所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述接收端包括：

前端电路，用以提供低噪声的放大级，放大所述射频信号；

混合器，用以将该放大的射频信号及所述第二电压控制振荡器用以扫频的载波信号做差频；

滤波器，用以滤出该经差频后的射频信号内预设频宽内的信号；

放大器，用以放大经滤波后的所述射频信号；

指示器，接收该放大后的射频信号后，并送出信号以表示该经放大的射频信号频谱中强度最大的频率；

控制器，接收所述指示器的信号后，发出控制信号至所述第二电压控制振荡器，以决定锁频的中心频率；及

解调器，用以进行解调经锁频后的所述射频信号，并输出所述待接收的数据信号。

7.根据权利要求6所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述滤波器为带宽滤波器。

8.根据权利要求6所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述放大器为限幅放大器。

9.根据权利要求6所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述指示器为接收信号强度指示器。

10.根据权利要求6所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述控制器用以进行扫频及锁频的控制。

11.根据权利要求1所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述第一及第二电压控制振荡器的振荡频率适用于不具标准规范的频段。

12.根据权利要求1所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述发射端还包括放大器以放大所述射频信号。

13.一种载频可调的无线通信发射器，该发射器包括：

调制器，接收待传送的数据信号并输出射频信号，其特征在于，包括：

电压控制振荡器，作为所述调制器的本地振荡器，产生所述调制器所需的载波频率信号；

其中，所述电压控制振荡器的频率可调。

14.根据权利要求13所述的载频可调的无线通信发射器，其特征在于，所述电压控制振荡器为LC振荡器，该LC振荡器包括至少两个可变电容器及一个电感器，且该两个可变电容器的电容值不相同，所述LC振荡器通过改变电容值以调整振荡频率及频率偏差。

15.根据权利要求14所述的载频可调的无线通信发射器，其特征在于，所述电压控制振荡器的可变电容器为电压控制电容器。

16.根据权利要求13所述的载频可调的无线通信发射器，其特征在于，所述电压控制振荡器为环振荡器。

17.根据权利要求13所述的载频可调的无线通信发射器，其特征在于，该发射器还包括放大器以放大所述射频信号。

18.一种载频可调的无线通信接收器，用以接收无线通信发射器所发射的信号，并利用扫频及锁频的方式来对准所述无线通信发射器的中心频率，该接收器包括：

解调器，接收射频信号并输出待接收的数据信号，其特征在于，包括：

电压控制振荡器，作为所述解调器的本地振荡器，产生所述解调器所需的载波频率信号；

其中所述电压控制振荡器的频率可调。

19.根据权利要求18所述的载频可调的无线通信接收器，其特征在于，所述电压控制振荡器为LC振荡器，该LC振荡器包括至少两个可变电容器及一个电感器，且该两个可变电容器的电容值不相同，所述LC振荡器通过改变电容值以调整振荡频率及频率偏差。

20.根据权利要求19所述的载频可调的无线通信接收器，其特征在于，所述电压控制振荡器的可变电容器为电压控制电容器。

21.根据权利要求18所述的载频可调的无线通信接收器，其特征在于，所述电压控制振荡器为环振荡器。

22.根据权利要求18所述的载频可调的无线通信接收器，其特征在于，该接收器还包括：

前端电路，用以提供低噪声放大级，放大所述射频信号；

混合器，用以将该放大的射频信号及所述电压控制振荡器用以扫频的载波信号做差频；

滤波器，用以滤出该经差频后的射频信号内预设频宽内的信号；

放大器，用以放大经滤波后的所述射频信号；

指示器，接收该放大后的射频信号后，并送出信号以表示该经放大的射频信号频谱中强度最大的频率；及

控制器，接收所述指示器的信号后，发出控制信号至所述电压控制振荡器，以决定锁频的中心频率，并将该锁频后的射频信号输送至所述解调器。

23.根据权利要求22所述的载频可调的无线通信接收器，其特征在于，所述滤波器为带宽滤波器。

24.根据权利要求22所述的载频可调的无线通信接收器，其特征在于，所述放大器为限幅放大器。

25.根据权利要求22所述的载频可调的无线通信接收器，其特征在于，所述指示器为接收信号强度指示器。

26.根据权利要求22所述的载频可调的无线通信接收器，其特征在于，所述控制器用以进行扫频及锁频的控制。

27.一种载频可调的无线通信方法，其特征在于，包括下列步骤：

输入待传送的数据信号至发射端，该发射端转换所述待传送的数据信号并产生射频信号；

提供接收端以接收所述射频信号并转换为待接收的数据信号；

提供第一电压控制振荡器做为所述发射端的本地振荡器，产生所述发射端所需的载波频率信号；

提供第二电压控制振荡器做为所述接收端的本地振荡器，产生所述接收端所需的载波频率信号；

调整所述第一及第二电压控制振荡器的振荡频率；以及

利用扫频及锁频的方式使所述接收端对准所述发射端的中心频率。

28.根据权利要求27所述的载频可调的无线通信方法，其特征在于，所述第一及第二电压控制振荡器为LC振荡器，该LC振荡器包括至少两个可变电容器及一个电感器，且该两个可变电容器的电容值不相同，所述LC振荡器通过改变电容值以调整振荡频率及频率偏差。

29.根据权利要求28的所述载频可调的无线通信方法，其特征在于，所述第一及第二电压控制振荡器的可变电容器为电压控制电容器。

30.根据权利要求27所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述第一及第二电压控制振荡器为环振荡器。

31.根据权利要求27所述的载频可调的无线通信方法，其特征在于，所述第二电压控制振荡器的载波频率的可调范围大于等于所述第一电压控制振荡器的载波频率的可调范围。

32.根据权利要求27所述的载频可调的无线通信方法，其特征在于，所述接收端包括：

前端电路，用以提供低噪声放大级，放大所述射频信号；

混合器，用以将该放大的射频信号及所述第二电压控制振荡器用以扫频的载波信号做差频；

滤波器，用以滤出该经差频后的射频信号内预设频宽内的信号；

放大器，用以放大经滤波后的所述射频信号；

指示器，接收该放大后的射频信号后，并送出信号以表示该经放大的射频信号频谱中强度最大的频率；

控制器，接收所述指示器的信号后，发出控制信号至所述第二电压控制振荡器，以决定锁频的中心频率；及

解调器，用以进行解调经锁频后的所述射频信号，并输出所述待接收的数据信号。

33.根据权利要求32所述的载频可调的无线通信方法，其特征在于，所述滤波器为带宽滤波器。

34.根据权利要求32所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述放大器为限幅放大器。

35.根据权利要求32所述的载频可调的无线通信方法，其特征在于，所述指示器为接收信号强度指示器。

36.根据权利要求32所述的载频可调的无线通信方法，其特征在于，所述控制器用以进行扫频及锁频的控制。

37.根据权利要求27所述的载频可调的无线通信系统，其特征在于，所述第一及第二电压控制振荡器的振荡频率适用于不具标准规范的频段。

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