CN104242929B

CN104242929B - 一种带调制深度补偿的频率调制系统

Info

Publication number: CN104242929B
Application number: CN201410437098.7A
Authority: CN
Inventors: 郭斌
Original assignee: CHANGSHA JINGJIA MICROELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: CHANGSHA JINGJIA MICROELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2018-09-25
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: CN104242929A

Abstract

本发明公开了一种带调制深度补偿的频率调制系统，其包括频率合成器（100）和模拟调制电压产生模块（200）；频率合成器通过信道选择设置可编程小数分频器（6），产生对应频率的载波信号，然后编程可配置环路滤波器（3）实现环路断开；模拟调制电压产生模块通过信道选择设置数模转换器的量化电压范围，数模转换器（8）将数字调制信号转换为模拟电压信号并通过低通滤波器（7）进行滤波，然后由调制电容实现电压特性到电容特性转换，最后LC振荡器（4）实现频率调制功能。本发明内置调制深度补偿功能，实现多码率、多信道单一调制深度通信，调制时环路断开降低了频率合成器环路带宽的设计约束，同时降低了载波抖动和信号失真度。

Description

一种带调制深度补偿的频率调制系统

技术领域

本发明主要涉及频率调制设计领域，特别是涉及使用频率合成器进行频率调制，实现多信道、单一频率调制深度的频率调制系统结构。

背景技术

随着无线通讯技术的日益发展，射频芯片工作的频率范围不断扩大，通信信道数量的不断增加，导致同一码率、同一通信协议条件下如何实现频率调制深度一致成为了收发系统设计中主要面临的问题。

传统的频率调制功能主要采用PLL结构进行实现。首先，根据信道选择信号确定载波信号频率，并通过PLL产生对应频率的高频载波信号；然后，基于数字处理模块进行初始数据调制，产生对应的数字调制信号，并将调制信号施加到PLL环路的压控振荡器的频率控制端。通常，在数字通信应用中，调制信号跨越从低频到高频的范围时必须具有良好的平坦特性，保证通信过程中传输数据不失真。

传统频率调制结构，难以实现调制深度比PLL环路带宽低的频率调制功能。在这种情况下，虽然变窄PLL的环路带宽能够实现较低调制深度的频率调制，但是低环路带宽往往会减弱PLL的环路响应速度，增大数据传输延迟。

另外，当在较宽的载波范围内实现多信道、单一调制深度时，对于传统频率调制结构而言，随着信道不断改变其对应的载波频率也在变化，但是用于频率调制的调制电容或者调制电压的变化量却没有变化，即而导致信道越多，调制深度变化越大，数字信号处理带宽要求越大，加大了数字处理环节的设计难度。例如，当在全通信带宽内，调制深度为△f，数字调制信号从全“0”到全“1”对应的调制电容为△C，C₀为各信道对应载波的有效电容。因此，调制深度△f关于调制电容△C和载波有效容值C₀之间的关系可以表示为：

随着通信信道的不断增加，载波频率不断提高，使得载波频率对应的有效容值C₀也逐渐减小，但是实现频率调制的调制容值△C却始终不变，根据公式(1)可知调制深度会越来越大，导致数字处理模块工作带宽提高，设计难度增大。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种带调制深度补偿的频率调制系统，包括一个频率合成器100和模拟调制电压产生模块200；

所述频率合成器100由顺序连接的鉴频鉴相器1、电荷泵2、可配置环路滤波器3、LC振荡器4、后置固定预分频器5和可编程小数分频器6组成；

所述模拟调制电压产生模块200由顺序连接的查找表11、偏置电压产生模块9、数模转换器8、低通滤波器7和调制电容组成；

频率调制之前，频率合成器负责为频率调制系统提供正确频率的载波信号；

频率调制之前，模拟调制电压模块产生其输出电压范围的中间值；

频率调制时，频率合成器通过编程可配置环路滤波器实现环路断开，并由数模转换器将数字模块产生的数字调制信号转换为模拟信号，施加到控制LC振荡器振荡频率的调谐电容上，实现在载波上进行频率调制；

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种带调制深度补偿的频率调制系统，该频率调制系统能够实现多码率、多信道单一调制深度通信，提高了频率调制系统的复用率，同时用于提供载波信号的频率合成器环路带宽不受调制深度影响，降低了频率合成器的带宽设计约束。

为实现上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种带调制深度补偿的频率调制系统，其特征在于：包括一个频率合成器100和模拟调制电压产生模块200；

频率调制之前，频率合成器负责为频率调制系统提供载波信号；

频率调制时，采用模拟方式调制，由数模转换器将数字模块处理的数字调制信号转换为模拟信号，并通过LC振荡器调制到载波上；

所述的频率合成器，其特征在于：由顺序连接的鉴频鉴相器1、电荷泵2、可配置环路滤波器3、LC振荡器4、后置固定预分频器5和可编程小数分频器6组成；

所述的模拟调制电压产生模块，其特征在于：由顺序连接的查找表11、偏置电压产生模块9、数模转换器8、低通滤波器7和调制电容组成；

作为本发明的进一步改进，所述的频率合成器在频率调制之前，其输入端接外部参考时钟，根据信道选择信号和分频因子查找表设置可编程小数分频器6，编程可配置环路滤波器3，实现闭环模式，产生于信道选择信号对应的载波信号；

频率调制时，频率合成器环路处于断开状态；

对于模拟调制电压产生模块，频率调制之前，所述模拟调制电压产生模块根据信道选择信号和量化电压范围查找表，设置DAC量化电压范围，数模转换器8根据量化电压范围以及数字调制信号DATA<N>～DATA<0>的初始值‘100…00’，产生量化电压范围的中间值给低通滤波器；

频率调制时，数模转换器8根据量化电压范围以及数字调制信号DATA<N>～DATA<0>，产生对应的模拟调制电压信号，然后经过低通滤波器7提供给调制电容，实现模拟调制电压到电容特性的变化；

所述的偏置电压产生模块，其特征在于：偏置电压产生模块根据信道选择信号和量化电压范围查找表，产生对应模拟电压作为DAC的量化电压范围的最大值和最小值；

所述的调制电容，其特征在于：频率调制系统工作时，其输入信号为低通滤波器输出电压，实现模拟电压到电容特性的改变，最后实现调制LC振荡器的频率，实现频率调制功能；

所述的调制电容，其特征在于：采用变容管实现，变容管栅极接LC的输出端，源漏接低通滤波器7的输出；

所述的分频因子查找表，其特征在于：根据信道选择信号确定对应的载波频率，并结合参考时钟确定对应的分频因子；

所述的量化电压范围查找表，其特征在于：根据信道选择信号确定对应载波频率所属的工作频段，并结合调制深度确定相应的DAC量化电压范围。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、实现多码率、多信道单一调制深度通信。与传统的频率调制结构相比，本发明采用了调制深度补偿技术，可以实现多码率、多信道单一调制深度通信。

2、实现频率合成环路带宽不受调制深度约束。与传统的基于频率合成结构实现的频率调制结构相比，本发明首先在调制前通过频率合成器产生载波频率，然后调制时将环路断开，通过调制电压控制LC振荡器的频率控制端，实现频率调制，避免了环路带宽与调制深度的设计冲突。

3、设计灵活性强。与传统频率调制结构相比，本发明只需要根据通信协议要求确定好不同信道对应的载波频率及对应的小数分频器分频因子，同时确定对应数模转化器的量化电压范围，并以查找表的形式呈现于各种可编程存储体中，实现基于测试结果进行微调，设计灵活性强。

附图说明

图1是传统频率调制系统的结构示意图；

图2是本发明频率调制系统的结构示意图；

图3是本发明频率调制系统的频率合成器结构示意图；

图4是本发明频率调制系统频率调制模式结构示意图；

图5是本发明频率调制系统中可编程小数分频器结构示意图；

图6是本发明频率调制系统中调制电容结构示意图；

图7是本发明频率调制系统中模拟调制电压产生模块示意图；

图8是本发明频率调制系统中偏置电压产生模块示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图2所示，本发明的带调制深度补偿频率调制系统包括一个频率合成器和一个模拟调制电压产生模块。

结合图2所示，所述的频率调制系统与现有的频率调制系统相同，采用频率合成器提供高频载波信号，模拟调制电压施加到调制电容，最后LC振荡器实现频率调制。

参见图3所示，对于给定的信道选择信号CH1，通过查找表确定可编程小数分频器的分频因子以及DAC量化电压范围，可以得到频率调制之前的频率合成器的工作结构示意图，此时频率合成器输入信号为参考时钟、可编程小数分频器的分频因子以及模拟调制电压，经过环路锁定，最后产生与信道CH1对应的高频载波信号。

参见图4所示，当频率调制功能使能后，系统通过编程可配置环路滤波器实现频率合成器环路断开，避免频率调制导致环路失锁而引入噪声。作为模拟调制电压产生模块的输入信号，数字调制信号通过数模转换器产生模拟调制电压，然后通过低通滤波器滤除高频噪声，输出的模拟电压DAC_OUT施加到LC振荡器的频率控制模块的输入端——调制电容的漏源端，最后调制LC振荡器的频率，实现频率调制。

当通信信道由CH1向低信道CH2转变时，其目标载波频率将会降低，即而可编程小数分频器的分频因子也需重新设置；同时，为了实现相同的频率调制深度，用于实现频率调制的调制电容需要增大，即DAC的输出电压范围需要扩大。因此，在DAC量化电压范围查找表中对应的值必须产生较大电压范围。

当通信信道由CH1向高信道CH3转变时，其目标载波频率将会增大，即而可编程小数分频器的分频因子也需重新设置；同时，为了实现相同的频率调制深度，用于实现频率调制的调制电容需要减小，即DAC的输出电压范围需要减小。因此，在DAC量化电压范围查找表中对应的值必须产生较小电压范围。

表一给出了一种DAC量化电压范围控制码与信道选择信号的查找表例子，数模转换器的量化电压范围由N<3～0>确定，其中量化电压范围的最大值由N<3>进行设置，量化电压范围的最小值由N<2～0>进行设置。根据所有信道对应的载波频率以及调制深度，将信道分为5组，每组的DAC量化电压范围相同。

表一

信道	N<0>	N<1>	N<2>	N<3>
					1～10	0	0	0	0
11～30	0	0	0	1
					31～51	0	0	1	0
52～65	0	0	1	1
					66～80	0	1	0	0

表二给出了一种不同信道对应DAC量化电压范围的查找表例子，随着信道的不断增加，DAC量化电压范围也在逐步减小，即而满足不同信道调制深度一致，其中V1为最低信道对应的量化电压范围，K表示相邻信道段的DAC量化电压范围变化量，二者的具体值可以结合系统进行确定。

表二

信道	N<2～0>	N<3>	DAC输出范围	修调电压
					1～10	000	0	V1	0
11～30	000	1	V1-K*V1	-K*V1
					31～51	001	0	V1-2K*V1	-2K*V1
52～65	001	1	V1-3K*V1	-3K*V1
					66～80	010	0	V1-4K*V1	-4K*V1

表三给出一种不同信道对应的载波频率和分频因子查找表例子，其中Fre_Carray表示信道对应的载波频率，单位GHz；Fre_Reg<11～0>是载波频率值对应的寄存器值，单位为MHz；

Fra_N表示频率合成器提供载波频率所要求的可编程小数分频器的分频因子，Fra_Reg<11～0>是实现目标小数分频双模分频器的P和S寄存器值，其中Fra_Reg<11～4>表

表三

信道	Fre_Carray(GHz)	Fre_Reg<11～0>	Fra_N	Fra_Reg<11～0>
					1	2.401	100101100001	600.25	100101010001
2	2.402	100101100010	600.5	100101000010
					3	2.403	100101100011	600.75	100100110011
…	…	…	…	…
					N	2.4+0.001*N	XX	XX	XX
80	2.48	100110110000	607.5	100110110000

示小分频因子4的计数器值P，Fra_Reg<3～0>表示大分频因子4.25对应的计数器值S，例如对应第一信道的分频因子600.25可以表示为：

Fra_Reg<11～4>*4+Fra_Reg<3～0>*4.25＝149*4+1*4.25＝600.25

参见图5所示，所述的可编程小数分频器主要采用吞脉冲小数分频器实现，其中双模分频器包括4和4.25两个分频因子，通过控制分频因子4.25的脉冲计数器S和分频因子4的脉冲计数器P来实现小数分频；首先，输入时钟F_IN通过采用大分频因子4.25进行分频，P和S计数器同时进行计数，当S计数器计满后，分频因子由4.25转变为4，P计数器继续进行计数；当P计数器计满后，产生P计数器、S计数器以及双模分频器复位信号，重新开始进行分频，其分频因子可以表示为：

Fra_Div＝S*4.25+P*4

参见图6所示，所述的模拟调制电容主要包括左右两条支路，VAR_1和VAR_2为容值关于电压变化的变容管电容，其中CLK和CLKBAR分别连接LC振荡器的差分输出端，EN端连接模拟调制电压产生模块的使能端，DAC_OUT连接模拟调制电压产生模块的低通滤波器输出端；当EN为数字电平“1”时，调制电容模块正常工作，其有效容值随着DAC_OUT的变化而改变，改变LC振荡器输出信号的频率，即而实现频率调制功能；

参见图7所示，给出了一种所述的模拟调制电压产生模块实现例子，其主要包括信道分段逻辑，其输入信号为信道选择信号，输出信号提供给偏置电压产生模块，分别用于确定DAC量化电压范围的最大和最小值，DAC模块根据数字调制信号以及量化电压范围提供正确的模拟调制电压给模拟调制电容；

参见图8所示，给出了一种偏置电压产生模块的实现例子，最大电压值通过K1和K2开关进行选择，最小电压值通过S1～S8进行选择，其中K1～K2由图6中的N<3>编码产生，S1～S8由图6的N<2～0>编码产生，即而最终可以通过选N<3～0>设置DAC量化电压范围；

以上实施例所示的电路是为了详细说明本发明专利，但本发明不局限于上述实施例，将器件简单地替换所引起的电路变化亦属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权力要求书为准。

Claims

1.一种带调制深度补偿的频率调制系统，其特征在于：包括一个频率合成器（100）和产生单一量化范围的模拟调制电压产生模块（200）；

频率调制之前，模拟调制电压产生模块基于目标调制深度设置相应的量化电压范围的最大值和最小值，同时输出对应电压范围的中间值；

频率调制时，通过设置可配置环路滤波器（3）使得频率综合器（100）环路断开，然后基于模拟调制电压产生模块（200）产生的模拟信号对LC振荡器进行频率调节，实现频率调制；频率调制时，偏置电压产生模块根据信道选择信号、量化电压范围查找表（13），产生目标调制深度对应DAC的量化电压范围的最大值和最小值，实现频率调制深度补偿。

2.如权利要求1所述的频率调制系统，其特征在于：所述的频率合成器由顺序连接的鉴频鉴相器（1）、电荷泵（2）、可配置环路滤波器（3）、LC振荡器（4）、后置固定预分频器（5）和可编程小数分频器（6）组成。

3.如权利要求1所述的频率调制系统，其特征在于：所述的模拟调制电压产生模块由顺序连接的查找表（11）、偏置电压产生模块（9）、数模转换器（8）、低通滤波器（7）和调制电容组成。

4.如权利要求2所述的频率调制系统，其特征在于：频率调制之前，所述频率合成器的输入端接外部参考时钟，根据信道选择信号和分频因子查找表设置可编程小数分频器（6），编程可配置环路滤波器（3），实现闭环模式，产生与信道选择信号对应频率的载波信号；频率调制时，频率合成器环路处于断开状态。

5.如权利要求3所述的频率调制系统，其特征在于：频率调制之前，所述模拟调制电压产生模块根据信道选择信号和量化电压范围查找表，设置DAC量化电压范围，数模转换器（8）根据量化电压范围以及数字调制信号DATA<N~0>的初始值‘100…00’，产生量化电压范围的中间值给低通滤波器；频率调制时，数模转换器（8）根据量化电压范围以及数字调制信号DATA<N~ 0>，产生对应的模拟调制电压信号，然后经过低通滤波器（7）提供给调制电容，实现模拟调制电压到电容特性的变化。

6.如权利要求3所述的频率调制系统，其特征在于：偏置电压产生模块根据信道选择信号和量化电压范围查找表，产生对应模拟电压作为DAC的量化电压范围的最大值和最小值。

7.如权利要求3所述的频率调制系统，其特征在于：频率调制系统工作时，其输入信号为低通滤波器输出电压，实现模拟电压到电容特性的改变，最后调制LC振荡器的频率，实现频率调制功能。

8.如权利要求3所述的频率调制系统，其特征在于：采用变容管实现，变容管栅极接LC的输出端，源漏接低通滤波器（7）的输出。

9.如权利要求4所述的频率调制系统，其特征在于：根据信道选择信号确定对应的载波频率，并结合参考时钟确定对应的分频因子。

10.如权利要求5所述的频率调制系统，其特征在于：根据信道选择信号确定对应载波频率所属的工作频段，并结合调制深度确定相应的DAC量化电压范围。