CN101895305A - 一种多模半双工调频收发信机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多模半双工调频收发信机，属于通信领域。该多模半双工调频收发信机采用了直接数字合成形式的载波产生电路来产生发射时所需的已调载波和接收时末级下变频所需的本地载波，有效地解决了多模半双工窄带调频收发信机设计中存在的调制精度、线性度与频率稳定度、频率准确度之间的矛盾；该多模半双工调频收发信机，不但能兼容实现窄带的模拟和数字形式的FM调制方式，还能兼容实现模拟和数字形式的采用阶梯Chirp脉冲载波的FM/Chirp调制方式，从而进一步提高了该多模半双工调频收发信机的适应性。

Description

一种多模半双工调频收发信机
技术领域
本发明涉及一种多模半双工调频收发信机，属于通信领域。
背景技术
半双工调频收发信机的典型代表是手持式、车载式和背负式的调频对讲机，其采用的FM调制类型主要有窄带的模拟线性FM和数字FM调制方式两大类，其中的数字FM调制方式主要有2FSK、FFSK、4FSK、C4FM等，常用的载波信道带宽类型有25KHz、20KHz、12.5KHz和6.25KHz。
目前，采用窄带FM调制的对讲机大多设计成模拟线性FM调制和数字FM调制(如FFSK、4FSK)兼容并支持多种不同载波信道带宽的多种工作模式(简称多模)，以便于适应不同的应用需要。当采用不同的载波信道带宽时，意味着要求调制器能精确地实现不同的调制频偏；尤其是对于多元数字频率调制(如4FSK)而言，要求有更精确的频偏控制精确度。然而，采用一个典型的三极管频率调制电路来适应25KHz、20KHz、12.5KHz和6.25KHz中的3种或4种载波信道带宽和线性FM、FFSK、C4FM、4FSK中的3种或4种频率调制方式的要求，往往存在着调制精度、线性度和频率稳定度之间的尖锐矛盾；如果增加类似频率调制电路的数量，则会带来复杂度、成本和体积的增加，不利于小型化。
在本人向中国国家知识产权局提交的专利申请“基于扫频调制的复合调频方式及其实现方法和实现装置”(申请号：201010165630.6)中，提供了一种对扫频脉冲载波进行二次频率调制而形成的基于扫频调制的复合调频方式以及相应的调制方法、调制器、解调方法和解调器。为了便于后面的描述，将该基于扫频调制的复合调频方式进行重新命名：由于扫频调制又称Chirp调制，扫频脉冲载波又可称作Chirp脉冲载波；用FM统一代表对扫频脉冲载波进行二次频率调制可能使用的模拟和数字频率调制方式，由此将该基于扫频调制的复合调频方式称作FM/Chirp复合频率调制方式，或简称作FM/Chirp调制。按FM/Chirp复合频率调制方式产生的已调载波仍是恒包络的频率调制载波，可以与FM调制的已调载波共用相同的C类射频功率放大器，加之可沿用FM调制方式的调制器和解调器，因此便于实现与FM调制方式在调制器、解调器和射频功率放大器这3个方面的同时兼容。
直接数字合成(Direct Digital Synthesizer，简称DDS)技术和产品目前已经成熟，可以方便、精确地实现Hz级的频率调整和进行每秒几十K-几百K次的频率更新，将其用于频率调制的载波产生，可以有效地解决窄带调频多模对讲机设计中调制精度、线性度和频率稳定度、频率准确度之间的矛盾；同时，FM/Chirp调制允许使用直接数字合成(DDS)技术产生的阶梯Chirp脉冲载波，因此采用直接数字合成(DDS)来产生已调载波还可以兼容实现FM/Chirp复合频率调制方式，从而可以方便地构建具有更多工作模式、适应性更强的对讲机。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种多模半双工调频收发信机，不仅能兼容实现窄带的模拟和数字FM频率调制方式，还能兼容实现模拟和数字FM/Chirp调制方式，以进一步提高多模半双工调频收发信机的适应性。为了解决该问题，先提供一种兼容FM和FM/Chirp调制的多模半双工调频收发信机的组成结构，然后对其工作流程进行描述，并通过实施例进一步描述其工作原理。
一种多模半双工调频收发信机，由主时钟电路(101)、直接数字合成载波产生电路(102)、中频收发转换开关(103)、上变频器(104)、射频功率放大器(105)、发射带通滤波器(106)、射频转换开关(107)、天线(108)、接收预选滤波器(109)、低噪声放大器(110)、前级下变频器(111)、末级下变频器(112)、中频预放大器(113)、中频分配器(114)、多个支路窄带中频滤波器(115、116、117)、中频多路开关(118)、中频放大器(119)、频率解调器(120)、强度检测电路(121)、RSSI模/数转换器(122)、控制接口(123)、A-Modu模/数转换器(124)和微处理器(125)组成。
该多模半双工调频收发信机根据发收选择信号(T/R)的电平高、低状态来选择工作于发射或接收模式，并根据控制接口(123)输入至微处理器(125)的控制指令(Ctrl)来选择频率调制参数。该多模半双工调频收发信机中频率调制参数的种类有：模拟或数字频率调制类型选择参数、数字频率调制具体类型选择参数、FM或FM/Chirp调制类型选择参数、频偏大小选择参数、载波中心频率偏移量选择参数和阶梯Chirp脉冲载波类型选择参数。在直接数字合成载波产生电路(102)中，为了减小频率切换期间的频谱溅射，使用在不同频率间切换时能保持载波相位连续的直接数字合成(DDS)形式的载波产生电路。
当该多模半双工调频收发信机工作于发射模式时，微处理器(125)根据发收选择信号(T/R)的电平状态控制直接数字合成载波产生电路(102)产生的载波(SL(t))为发射已调载波(IFT(t))，中频收发转换开关(103)在发收选择信号(T/R)的控制下将直接数字合成载波产生电路(102)输出的发射已调载波(IFT(t))切换输出至上变频器(104)，上变频器(104)的输出经过射频功率放大器(105)进行功率放大和发射带通滤波器(106)进行带通滤波之后输入至射频转换开关(107)，射频转换开关(107)在发收选择信号(T/R)的控制下将由发射带通滤波器(106)输入至其中的信号切换输出至天线对外发射。
当该多模半双工调频收发信机工作于模拟式FM调制的发射模式时，根据A-Modu模/数转换器(124)输出的模拟调制波形A-Modu的数字式取值、所选择频偏大小以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制直接数字合成载波产生电路(102)产生相应频率的发射已调载波(IFT(t))的方式来实现相应的频率调制过程。
当该多模半双工收发信机工作于数字式FM调制的发射模式时，根据所输入数字调制码元D-Modu的取值、相邻的不同取值的码元间的频率过渡规律、所选择频偏大小以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制直接数字合成载波产生电路(102)产生相应频率的发射已调载波(IFT(t))的方式来实现相应的频率调制过程。
当该多模半双工调频收发信机工作于模拟式FM/Chirp调制的发射模式时，根据所使用类型阶梯Chirp脉冲载波的频率变化规律、A-Modu模/数转换器(124)输出的模拟调制波形A-Modu的数字式取值、所选择频偏大小以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制直接数字合成载波产生电路(102)产生相应频率的发射已调载波(IFT(t))的方式来实现相应的频率调制过程。
当该多模半双工收发信机工作于数字式FM/Chirp调制的发射模式时，根据所使用类型阶梯Chirp脉冲载波的频率变化规律、所输入数字调制码元D-Modu的取值、相邻的不同取值的码元间的频率过渡规律、所选择频偏大小以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制直接数字合成载波产生电路(102)产生相应频率的发射已调载波(IFT(t))的方式来实现相应的频率调制过程。
当该多模半双工调频收发信机工作于接收模式时，射频转换开关(107)在发收选择信号(T/R)的控制下将由天线(108)接收到的信号切换输出至接收预选滤波器(109)，接收预选滤波器(109)的输出经过低噪声放大器(110)的放大和前级下变频器(111)的下变频处理之后作为末级下变频器(112)的一路输入；微处理器(125)根据发收选择信号(T/R)的电平状态控制直接数字合成载波产生电路(102)产生的载波(SL(t))为接收本地载波(SLR(t))，中频收发转换开关(103)在发收选择信号(T/R)的控制下将直接数字合成载波产生电路(102)产生的接收本地载波(SLR(t))切换输出至末级下变频器(112)的另一个输入端；末级下变频器(107)输出的中频信号(IFR(t))经过中频预放大器(113)的放大之后再中频分配器(114)的分配输入至多个支路窄带中频滤波器(115、116、117)，多个支路窄带中频滤波器(115、116、117)的输出作为中频多路开关(118)相应的多路输入信号；微处理器(125)控制中频多路开关(118)将其某一路输入切换输出至中频放大器(119)，中频放大器(119)的输出作为频率解调器(120)和强度检测电路(121)的输入；频率解调器(120)输出的解调结果(DeModu)对外输出，强度检测电路(121)输出的强度检测结果(RSSI)经过RSSI模/数转换器(122)处理之后输入至微处理器(125)。
当该多模半双工调频收发信机工作于模拟或数字式FM调制的接收模式时，根据载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制直接数字合成载波产生电路(102)产生相应频率的接收本地载波(SLR(t))，并根据FM解调所使用的载波信道带宽控制中频多路开关(118)将其相应的某一路输入切换输出至中频放大器(119)。
当该多模半双工调频收发信机工作于模拟或数字式FM/Chirp调制的接收模式时，根据所使用类型的阶梯Chirp脉冲载波的频率变化规律、所使用类型的阶梯Chirp脉冲载波的初始相位以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制直接数字合成载波产生电路(102)产生相应初始扫频周期相位和相应频率变化规律的本地Chirp脉冲载波(SLR(t))；并且，微处理器(125)根据FM/Chirp解调所使用的解调中频压缩带宽控制中频多路开关(118)将其相应的某一路输入切换输出至中频放大器(119)；在该模式下，微处理器(125)还根据某种扫频周期同步方法，监测RSSI模/数转换器(122)输出的强度检测结果(RSSI)的数字式取值，调整其所使用的阶梯Chirp脉冲载波的扫频周期相位，实现本地Chirp脉冲载波(SLR(t))的扫频周期同步和同步保持。
与已有的采用FM调制的多模半双工收发信机相比，本发明提供的多模半双工调频收发信机，由于采用了直接数字合成载波产生电路(102)，不但有效地解决采用窄带调频制式的多模半双工收发信机设计中存在的调制精度、线性度和频率稳定度、频率准确度之间的矛盾，而且还可以兼容实现模拟和数字形式的采用阶梯Chirp脉冲载波的FM/Chirp调制方式的调制和解调，从而使多模半双工调频收发信机具有了更多的工作模式，进一步提高了其在应用中的适应性。
附图说明
图1所示为兼容FM和FM/Chirp调制的半双工调制解调器的组成结构；其中，101是主时钟电路，102是直接数字合成载波产生电路，103是中频收发转换开关，104是上变频器，105是射频功率放大器，106是发射带通滤波器，107是射频转换开关，108是天线，109是接收预选滤波器，110是低噪声放大器，111是前级下变频器，112是末级下变频器，113是中频预放大器，114是中频分配器，115是第1支路窄带中频滤波器，116是第2支路窄带中频滤波器，117是第N支路窄带中频滤波器，118是中频多路开关，119是中频放大器，120是频率解调器，121是强度检测电路，122是RSSI模/数转换器，123是控制接口，124是A-Modu模/数转换器和125是微处理器。
图2所示为实施例使用的一种多模半双工调频收发信机的组成结构；其中，201是主时钟，202是直接数字合成载波产生电路，203是低通滤波器，204是倍频器，205是中频收发转换开关，206是上变频器，207是射频功率放大器，208是发射带通滤波器，209是射频转换开关，210是天线，211是接收预选滤波器，212是低噪声放大器，213是前级下变频器，214是混频器，215是中频预滤波器，216是中频预放大器，217是中频分配器，218是第1支路窄带中频滤波器，219是第2支路窄带中频滤波器，220是第N支路窄带中频滤波器，221是中频多路开关，222是中频放大器，223是频率解调器，224是强度检测电路，225是微处理器。
具体实施方式
一种多模半双工调频收发信机如图2所示。在该设计方案中，201是主时钟，202是直接数字合成载波产生电路，203是低通滤波器，204是倍频器，由它们构成完整的载波产生电路；采用这种构成方案主要是使按直接数字合成(DDS)形式产生载波的杂散能满足应用要求，同时还使用在不同频率间切换时能保持载波相位连续的DDS芯片；采用倍频器，一方面是可以缩小直接数字合成(DDS)形式产生的载波所涵盖的频率范围(便于控制杂散水平)，另一方面是为了减少上/下变频级的数量和改善上/下变频过程中对未用边带分量的抑制度；例如，采用70MHz的主时钟，直接数字合成(DDS)形式产生载波频率在7MHz左右，经过3倍频之后SL(t)的频率在21MHz左右，再经过一级上/下变频就可满足工作于几百MHz频率范围内收发信机的要求。在图2中虚线框内的接收电路中，214是混频器，216是中频预放大器，222是中频放大器，223是频率解调器，224是强度检测电路，它们可以由目前现成的通用单片调频解调芯片来实现。该设计方案选用内置有模/数转换器的微处理器(225)，以进一步减少元器件数量、体积、成本和功耗。
图1和图2的主体结构和信号流程类似，在此不再重复；仅对有关调制实现的细节过程作进一步的详细描述。
当工作于窄带模拟线性FM调制的发射模式传输模拟话音时，微处理器(225)以数倍于模拟话音的最高频率的速率实时读取相应的模/数转换器的输出结果获得A-Modu波形的数字式样点值，并计算出相对于载波中心频率的增/减方向和幅度，根据所选择频偏大小和倍频器的倍频次数，计算出传输该样点值所使用的载波频率值，随后更新直接数字合成(DDS)形式的载波产生电路输出的载波频率；对于频率范围在300-3400Hz的模拟话音而言，以8KHz速率实时采样A-Modu波形和更新载波频率就能基本满足要求；如果微处理器(225)的模/数转换和数据处理速率可以更高，采用更高的采样速率能进一步改善所传输模拟话音的质量；如果微处理器(225)中的模/数转换的分辨力达到10位甚至更高，且直接数字合成载波产生电路(102)的频率调整的分辨力也能满足这种频率调整分辨力的要求，则可以进一步改善所传输模拟话音的质量。
当工作于窄带数字FM调制的发射模式传输二进制或四进制数字码元时，微处理器(225)以数倍于数字码元速率实时读取D-Modu波形输入端口的数字码元值，并根据该数字码元的取值计算出相对于载波中心频率的增/减方向和幅度，根据所选择频偏大小和倍频器的倍频次数，计算出传输该样点值所使用载波的频率值，随后更新直接数字合成形式的载波产生电路(102)输出的载波频率；为了降低窄带数字FM调制时的带外杂散水平，在相邻的不同码元的转换期间，可以按某种规律插入一定数量的过渡频率。
当工作于模拟线性FM/Chirp调制的发射模式传输模拟话音时，微处理器(225)以数倍于模拟话音的最高频率的速率实时读取相应的模/数转换器的输出结果获得A-Modu波形的数字式样点值，并计算出相对于载波中心频率的增/减方向和幅度，根据所选择频偏大小、倍频器的倍频次数和所使用类型阶梯Chirp脉冲载波在该采样点处的频率值，计算出传输该样点值所使用的载波频率值，随后更新直接数字合成形式的载波产生电路(102)输出的载波频率；类似的，对于频率范围在300-3400Hz的模拟话音而言，以8KHz速率实时采样A-Modu波形和更新载波频率就能基本满足要求，如果微处理器(225)中的模/数转换和数据处理速率可以更高，采用更高的采样速率能进一步改善所传输模拟话音的质量；如果微处理器(225)中的模/数转换的分辨力达到10位甚至更高，且直接数字合成载波产生电路(102)的频率调整的分辨力也能满足这种频率调整分辨力的要求，则可以进一步改善所传输模拟话音的质量。
当工作于数字FM/Chirp调制的发射模式传输二进制或四进制数字码元时，微处理器(225)以数倍于数字码元速率实时读取D-Modu波形输入端口的数字码元值，并根据该数字码元的取值计算出相对于载波中心频率的增/减方向和幅度，根据所选择频偏大小、倍频器的倍频次数和所使用类型阶梯Chirp脉冲载波在该采样点处的频率值，计算出传输该样点值所使用载波的频率值，随后更新直接数字合成(DDS)形式的载波产生电路输出的载波频率；为了降低数字FM/Chirp调制时带外杂散水平，在相邻的不同码元的转换期间，可以按某种规律插入一定数量的过渡频率。

Claims (2)

1.一种多模半双工调频收发信机，由主时钟电路(101)、载波产生电路(102)、中频收发转换开关(103)、上变频器(104)、射频功率放大器(105)、发射带通滤波器(106)、射频转换开关(107)、天线(108)、接收预选滤波器(109)、低噪声放大器(110)、前级下变频器(111)、末级下变频器(112)、中频预放大器(113)、中频分配器(114)、多个支路窄带中频滤波器(115、116、117)、中频多路开关(118)、中频放大器(119)、频率解调器(120)、强度检测电路(121)、RSSI模/数转换器(122)、控制接口(123)、A-Modu模/数转换器(124)和微处理器(125)组成；
该多模半双工调频收发信机根据发收选择信号(T/R)的电平高、低状态来选择工作于发射或接收模式，根据控制接口(123)输入至微处理器(125)的控制指令(Mode)来选择频率调制参数；该多模半双工调频收发信机的频率调制参数种类有模拟或数字频率调制类型选择参数、数字频率调制具体类型选择参数、频偏大小选择参数和载波中心频率偏移量选择参数；
当选择工作于发射模式时，微处理器(125)根据发收选择信号(T/R)的电平状态控制载波产生电路(102)产生的载波(SL(t))为发射已调载波(IFT(t))，中频收发转换开关(103)在发收选择信号(T/R)的控制下将载波产生电路(102)输出的发射已调载波(IFT(t))切换输出至上变频器(104)，上变频器(104)的输出经过射频功率放大器(105)进行功率放大和发射带通滤波器(106)进行带通滤波之后输入至射频转换开关(107)，射频转换开关(107)在发收选择信号(T/R)的控制下将由发射带通滤波器(106)输入至其中的信号切换输出至天线对外发射；
当选择工作于接收模式时，射频转换开关(107)在发收选择信号(T/R)的控制下将由天线(108)接收到的信号切换输出至接收预选滤波器(109)，接收预选滤波器(109)的输出经过低噪声放大器(110)的放大和前级下变频器(111)的下变频处理之后作为末级下变频器(112)的一路输入；微处理器(125)根据发收选择信号(T/R)的电平状态控制载波产生电路(102)产生的载波(SL(t))为接收本地载波(SLR(t))，中频收发转换开关(103)在发收选择信号(T/R)的控制下将载波产生电路(102)产生的接收本地载波(SLR(t))切换输出至末级下变频器(112)的另一个输入端；末级下变频器(107)输出的中频信号(IFR(t))经过中频预放大器(113)的放大之后再经中频分配器(114)的分配输入至多个支路窄带中频滤波器(115、116、117)，多个支路窄带中频滤波器(115、116、117)的输出作为中频多路开关(118)相应的多路输入信号；微处理器(125)控制中频多路开关(118)将其某一路输入切换输出至中频放大器(119)，中频放大器(119)的输出作为频率解调器(120)和强度检测电路(121)的输入；频率解调器(120)输出的解调结果(DeModu)对外输出，强度检测电路(121)输出的强度检测结果(RSSI)经过RSSI模/数转换器(122)处理之后输入至微处理器(125)；其特征在于：
所述载波产生电路(102)为直接数字合成(DDS)形式的载波产生电路；
该多模半双工调频收发信机根据控制接口(123)输入至微处理器(125)的控制指令(Ctrl)来选择的频率调制参数还有：FM或FM/Chirp调制类型选择参数、阶梯Chirp脉冲载波类型选择参数和FM/Chirp解调中频压缩带宽类型选择参数；
当该多模半双工调频收发信机工作于模拟式FM调制的发射模式时，根据A-Modu模/数转换器(124)输出的模拟调制波形A-Modu的数字式取值、所选择频偏大小以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制载波产生电路(102)产生相应频率的发射已调载波(IFT(t))的方式来实现相应的频率调制过程；
当该多模半双工调频收发信机工作于数字式FM调制的发射模式时，根据所输入数字调制码元D-Modu的取值、相邻的不同取值的码元间的平滑过渡规律、所选择频偏大小以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制载波产生电路(102)产生相应频率的发射已调载波(IFT(t))的方式来实现相应的频率调制过程；
当该多模半双工调频收发信机工作于模拟式FM/Chirp调制的发射模式时，根据所使用类型阶梯Chirp脉冲载波的频率变化规律、A-Modu模/数转换器(124)输出的模拟调制波形A-Modu的数字式取值、所选择频偏大小以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制载波产生电路(102)产生相应频率的发射已调载波(IFT(t))的方式来实现相应的频率调制过程；
当该多模半双工调频收发信机工作于数字式FM/Chirp调制的发射模式时，根据所使用类型阶梯Chirp脉冲载波的频率变化规律、所输入数字调制码元D-Modu的取值、相邻的不同取值的码元间的平滑过渡规律、所选择频偏大小以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制载波产生电路(102)产生相应频率的发射已调载波(IFT(t))的方式来实现相应的频率调制过程；
当该多模半双工调频收发信机工作于模拟或数字式FM调制的接收模式时，根据载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制载波产生电路(102)产生相应频率的接收本地载波(SLR(t))，并根据FM解调所使用的载波信道带宽控制中频多路开关(118)将其相应的某一路输入切换输出至中频放大器(119)；
当该多模半双工调频收发信机工作于模拟或数字式FM/Chirp调制的接收模式时，根据所使用类型的阶梯Chirp脉冲载波的频率变化规律、所使用类型的阶梯Chirp脉冲载波的初始相位以及载波中心频率偏移量，微处理器(125)通过控制载波产生电路(102)产生相应初始扫频周期相位和相应频率的本地Chirp脉冲载波(SLR(t))；并且，微处理器(125)根据所使用FM/Chirp解调中频压缩带宽控制中频多路开关(118)将其相应的某一路输入切换输出至中频放大器(119)；在该模式下，微处理器(125)还根据某种扫频周期同步方法，监测RSSI模/数转换器(122)输出的强度检测结果(RSSI)的数字式取值，调整其所使用的阶梯Chirp脉冲载波的扫频周期相位，实现本地Chirp脉冲载波(SLR(t))的扫频周期同步和同步保持。
2.根据权利要求1所述的多模半双工调频收发信机，其特征在于，所使用的直接数字合成(DDS)形式的载波产生电路是在不同频率间切换时能保持载波相位连续的直接数字合成(DDS)形式的载波产生电路。
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