CN1043596C - 合成多个输入信号的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种合成多个输入信号的方法和设备。第一积分器积分输入信号的第一信号和第二积分器积分输入信号的第二信号。一个求和器连接到第一积分器和第二积分器，然后对积分的第一和第二信号求和，并提供组合的积分信号。

Description

合成多个输入信号的方法和设备

本发明涉及信号处理，具体涉及模拟信号的求和与积分。

在许多应用中共同需要对各种模拟信号求和与积分，通常是在频率调制器中使用，在频率调制器中几个输入信号在引入到相位调制器之前必须求和和求积分。可是，积分器具有很高的DC增益，这使积分器会对与该输入信号有关的DC偏置(offset)电压进行放大。如果不减少的话，该DC偏置电压将使该积分器内的电路元件饱和，从而减小了输出信号的动态范围。为此，现在需要一种降低DC偏置电平的技术，来防止积分器内的电路元件不致饱和并增加输出信号的动态范围。

图1示出现有技术的求和器/积分器电路。如现有技术所知，两个或多个输入信号110首先由求和器115求和。求和器120的输出连接到隔直流电容130。因为这种电路通常在集成电路芯片上实施，又因为隔直流电容尺寸要比合理地实施在集成电路芯片上的电容大得多，因而隔直流电容是放在集成电路芯片外部的一个分立的电容器。从隔直流电容器到集成电路芯片的连接分别由输入和输出引线脚125和135提供。电阻器140用于设置由电阻器和隔直流电容产生的高通滤波器的极点位置。最后，积分器150(如现有技术所知的)积分该信号并提供输出信号155。

结合如下附图阅读详细的描述将会对本发明的许多结构和特点更加明了。

图1示出现有技术的、用以提供求和积分功能的基本电路图。

图2示出本发明的电路配置的原理方框图。

图3示出本发明的积分器频率响应图。

图4示出本发明的频率调制器的原理方框图。

图5和6示出本发明的提供转换电容器电路配置的原理图。

图7示出本发明所构成的无线发送机的原理方框图。

本发明能够提供如下的和其它的特点，因而能够解决上述的和其它的问题，亦即，本发明执行对多个输入信号的求和和积分，而无需使用大的隔直流电容器。

根据本发明，这里提供一种如图2所示的电路结构。输入信号须根据在每个出现的频率内容进行分组。具有较低频内容的含量那些输入信号分在输入信号组205中，而具有较高频内容的含量的输入信号分在输入信号组210中。该低频组和高频组分别在求和器215和220被求和。求和后的低频信号由低极点频率积分器225积分，而高频信号由高极点频率积分器230积分。两个积分器的输出在求和器235中，在输出端240输出其求和结果。

高频和低频输入信号组都有与其相关的DC电压偏差。为了排除对于隔直电容器的需求，必须降低这些DC电压偏差的影响。本发明通过设定高频和低频积分器的极点频率，以降低这些偏差的影响。本发明提供一个全集成电路用于对多个输入信号积分。这样可以避免使用芯片外的大电容量的隔直流电容，还避免了从一个集成电路引出两个输入/输出引线脚。

图3示出说明高和低极点频率积分器的频率特性的频率响应图。输入信号的低频组具有频率内容，要求低频极点积分器所需的低频极点315。这个极点确定低频极点积分器305的DC增益。输入信号的高频组不要求这种低频极点，以使高极点频率积分器具有较高频率极点320。这就允许高极点频率积分器310的DC增益低于低极点频率积分器的DC增益。通过降低这个积分器的增益，与输入信号的高频组相关的DC电压偏差也就降低了。这就消除了对隔直流电容器的要求。

图4示出根据本发明构成的频率调制器。三个输入信号分为一组，该组具有两个低频内容含量信号405和一个高频内容含量信号410。根据本发明，任何数目的输入信号或输入信号组是可能的。多个积分器根据输入信号的频率内容和所形成的组，可能具有不同结构，其中一些具有或没有求和的输入。

每个积分器应有一个极点频率，它与输入信号相关频率相匹配。低频内容的信号在求和器415中被加在一起，然后求和器的输出在积分器417中被积分，该积分器具有低极点频率。高频输入在积分器420中被积分，该积分器具有高极点频率。由此产生的两个积分信号在求和器425中相加，并将该求和器的输出馈送到一个相位调制器430。该相位调制器430具有积分和求和的组合应用，以对低频内容含量的信号执行频率调制。该相位调制器的输出是由输入信号的和调制的频率调制信号。

图5和6示出根据本发明的切换电容器电路配置。切换电容器电路的元件是一些开关，它们可能是N或P一型MOSFETS或二者的组合，其中电容器和运算放大器的所有那些设计在现有技术中已公知。对于许多种实施，求和器用于对输入信号组求和，可以与积分器电路的输入部分相组合，以提供一个电路，如图5所示。

图5示出两个积分器，第一积分器具有一个求和的输入，第二积分器具有一个非求和输入，如图4所示。低频含量输入信号503和515通过各自的开关506和518首先被引入到该电路。开关506和518由双相时钟φ启动，该时钟由一个源(未示出)始发。该源可以是例如无线发射机之类设备的内设装置。双相时钟φ是非重叠的，并具有两个相位φ₁和φ₂。输入信号503和515被分别取样，施加到输入电容器512和524上。在φ₁时，开关509、521和545闭合，以清除输入电容器的电荷。当开关506、518和527闭合时，在时钟相位φ₂期间，输入样值被积分，施加到积分器的电容器530上。由反馈电容器536和530提供负反馈。当开关539闭合时，在时钟相位φ₂期间，输出被取样，施加到反馈电容器536上。在下一个输出样值期间，开关533和545清除反馈电容器536的电荷。积分器的极点频率由反馈电容器536与积分电容器530的比值确定。每个输入信号的DC增益由各自的输入电容器512和524与反馈电容器536的比值确定。

开关545是一个自动零开关，它允许抵消运算放大器542的输入参考偏移电压。在φ₁期间，通过将放大器542的输出548短路到其输入，该偏移电压被取样，施加到输入电容器512和524和反馈电容器536上。在φ₂期间，从放大器542减去存储的偏移电压，从而抵消其偏差。

图5所示的第二积分器类似于第一积分器。但是，相加的输入不提供给第二积分器的输入。输入信号551通过开关554取样，施加到输入电容器560上。由开关557和581清除这个电容器的电荷。输入信号被积分，通过开关563加到积分电容器566上。输出信号584通过开关575和积分电容器566，再通过反馈电容器569被反馈。由开关572和581清除反馈电容器569的电荷，自动-零开关581允许运算放大器578的输入参考偏差的抵消。

如图5所示，有损耗的开关电容器积分器的Z-域转移函数如下： $H\left(z\right)=\frac{-M}{R+Q-R*z^{-1}}$

这里：

M=输入电容的容量

R=积分电容的容量

Q=切换反馈电容的容量

输入信号将是DC偏移和希望信号的组合，表示如下：

V₅₀₃=在503处的输入信号=V₅₀₃-DC+V_503-SIG

V₅₁₅=在515处的输入信号=V₅₁₅-DC+V_515-SIG

V₅₅₁=在515处的输入信号=V₅₅₁-DC+V_551-SIG

这里：

V_n-DC=出现在输入信号n的DC偏移，

V_n-SIC=出现在输入信号n的希望信号，

n=503、515、548、551和584

把式1用于输入信号得出： $V_{548-\mathrm{SIG}}=\frac{-M_{512}V_{503-\mathrm{SIG}}^{*}}{R_{530}+Q_{536}-R_{{530}^{*}}{z}^{-1}}+\frac{-M_{524}V_{515-\mathrm{SIG}}^{*}}{R_{530}+Q_{536}-R_{530^{*}}{z}^{-1}}$ $V_{548-\mathrm{DC}}=\frac{-M_{512}V_{503-\mathrm{DC}}^{*}}{Q_{536}}+\frac{-M_{524}V_{515-\mathrm{DC}}^{*}}{Q_{536}}$ 和： $V_{584-\mathrm{SIG}}=\frac{-M_{560}V_{551-\mathrm{SIG}}^{*}}{R_{566}+Q_{569}-R_{566^{*}}{z}^{-1}}$ $V_{584-\mathrm{DC}}=\frac{-M_{560}V_{551-\mathrm{DC}}^{*}}{Q_{569}}$ 这里比值：是通过它们的各个积分器的输入信号路径的DC增益。因为较高极点积分器的DC增益相对于较低极点积分器的增益明显地被降低，而且由于输入信号551明显地降低，输出的DC偏移影响较高极点积分器。偏移的降低允许除去在现有技术中使用的大的外部隔直流电容器。

图5和6能实施在一个集成电路芯片上。与积分器相关的电容器的尺寸将取决于许多可变数。例如，对于具有32KHz的φ，具有1Hz的极点的第一积分器，具有15Hz极点的第二积分器，具有15的DC增益的第一积分器和具有1的DC增益的第二积分器，电容器的大小计算如下。电容器的生产小到0.01皮法拉(pf)在现有技术中是熟知的。对于比积分器极点频率大得多的取样频率转换电容器的等效电阻近似为： $\mathrm{Req}=\frac{1}{F_S*C}$

这里

Req=等效电阻

Fs=φ的时钟频率

C=开关电容的容量对于1Hz极点，积分电容器和反馈电容器间的比值可求解确定： $1\mathrm{Hz}=\frac{1}{2*\mathrm{\π}*R_{\mathrm{eq}}*R_1}$ 这里： $R_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{F_S*Q1}$ R₁用于第一积分器的积分电容器的容量。Q₁=用于第一积分器的开关反馈电容器的容量，这就得出： $\frac{R1}{Q1}=\frac{F_S}{2*\mathrm{\π}}$ 积分器的DC增益由输入电容器M和开关反馈电容器Q的比来确定：

DC增益=M/Q对于第一积分器，设置Q=0.01pf并用上述方法将产生R₁=50。93pf和M₁=0.15pf，这里M₁是对于第一积分器的输入电容器。

类似地，对于第二积分器，这里Q₂,R₂和M₂分别是反馈，积分和输入容量，设置Q=0.01pf和用上述方法得R₂=3.40pf和M₂=0.01pf。以这种方式，两个积分级的总的相加容量约为55pf。

对于一些应用，对每个积分器的增益紧密地互相跟踪是重要的，以便通过积分保持相对的输入信号电平。通过在具有匹配的开关电容器积分器的相同积分电路上实现多个积分，要求匹配的精确度是容易达到的。

图6示出求和器电路的切换电容器的实施。该求和器是一个两个输入全通级。积分器548和584的输出直接地馈送到连续时间电容器593和611，以及分别被取样，施加到切换电容器596和614上。输入开关587和605对积分器的输出取样，施加到切换输入电容器上，而开关602和620允许充电转移到运算放大器635的求和节点上。开关590、599、608和617使输入样值从开关输入电容器上放电。输出信号638存储在电容器632上，和输出信号利用反馈电容器623和632和开关626和629来反馈。求和器的Z-域转移函数为： $H\left(z\right)=\frac{-(M+P)+(P*z^{-1})}{R+Q-R*z^{-1}}$

这里

M=开关的输入电容容量

P=连续的输入电容容量

R=积分的电容容量

Q=开关的反馈电容容量检查上式，如果： $\frac{P}{R}=\frac{M}{Q}$ 则极点和零点准确地抵消，产生平的频率响应，其增益为：

本发明的进一步地可能的实施例表示一个无线发送机，如图7所示。具有频率内容含量在50Hz到100Hz范围的低频数据信号705和具有频率内容含量在10Hz至10KHz范围的辅助输入信号710被引入到具有1Hz极点频率的求和器/积分器725。具有频率内容含量在300Hz至3KHz范围的声音信号715和具有频率内容含量在600Hz到1600Hz的DTMF信号720被引入到具有15Hz极点频率的求和器/积分器730。1Hz极点和15Hz极点积分器的产生的输出在求和器735中相加。求和器735的相加输出引入到相位调制器745。相位调制器745根据求和器735的相加输出信号调制基准信号740。然后，这个调制的信号被馈送到由相位检测电路750，低通滤波器755，压控振荡器760和分频器765构成的频率合成器。两个输入信号组在求和器775中被加在一起，并馈送到压控振荡器，以提供对其输出的直接频率调制。频率合成器的输出在发送元件770上(例如无线)被发送出去。

虽然在上文说明了和在附图中表示了本发明，但是应当理解，这种描述说明仅是一个例子，本领域的技术人员不脱离本发明的真实精神和范围可进行多种改变和修改。不同组的输入信号可由相加的和单个输入积分器的不同结构进行处理。本发明还能全部地或部分地以数字处理器代替模拟信号处理电路来实现。

Claims (10)

1．一种用于合成多个输入信号以提供一个频率调制信号的设备，包括：

一个第一积分器，具有一个第一极点频率，用于积分至少一个输入信号和提供一个第一积分信号，其中所述的第一积分器包含一个第一开关式电容积分器；

一个第二积分器，具有一个第二极点频率，它不同于第一极点频率积分至少另一个输入信号并提供第二积分信号，其中所述的第二积分器包含一个第二开关式电容积分器；

一个求和器，可操作地耦合到所述第一积分器和所述第二积分器，用于接收所述的第一和第二积分信号以提供一个复合积分信号，其特征在于：

一个相位调制器，可操作地耦合到所述的求和器，用于从所述的求和器接收所述的复合积分信号并提供所述的频率调制信号。

2．根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的第一和第二积分器中的至少一个包括用于对第一组输入信号求合的装置，以提供各自的第一或第二输入信号。

3．根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的第一和第二输入信号具有不同的频率内容含量；和

所述的第一和第二积分器具有相应于第一和第二输入信号的频率内容含量的极点。

4．根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的第一积分器、所述的第二积分器和所述的求和器被集成在至少一个集成电路基底上。

5．根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的第一输入信号包括低频数据信号，和其中所述的第二输入信号包括声音信号。

6．根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的设备还提供频率调制，用于无线发送机，所述设备进一步包括一个相位调制器，可操作地被耦合用于从所述的求和器接收所述的复合积分信号并提供频率调制信号。

7．一种用于求和与积分多个输入信号以提供频率调制信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)对多个输入信号之中的至少一个信号积分，所述的输入信号包括低频数据信号和声音信号，通过至少对所述的低频数据信号积分来提供一个第一积分信号；

(b)对多个输入信号中的至少另一个信号积分，该信号具有与一个与所述步骤(a)不同时间常数，通过至少对声音信号积分来提供第二积分信号；和

(c)对所述的步骤(a)和(b)所提供的第一和第二积分信号求和，来提供一个复合积分信号；及

(d)对步骤(c)的所述的复合积分信号进行相位调制以提供频率调制信号。

8．根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述的多个输入信号包括低频数据信号和声音信号；

所述步骤(a)包括(a1)子步骤，(a1)子步骤用于至少对所述的低频数据信号积分；和

所述步骤(b)包括(b1)子步骤，(b1)子步骤用于至少对所述的声音信号积分。

9．根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)或(b)的至少一个步骤包括对所述的多个输入信号的第一组求和的子步骤。

10．根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用一个不同的极点频率在所述的步骤(a)中进行积分，还使用不同的时间常数在所述步骤(b)中执行积分。

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