CN111917411A - 一种基于模拟电路的类数字qpsk调制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及植入式生物医疗领域，具体而言，涉及一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路。本发明采用模拟电路具体实现，包括载波产生模块、基带信号转换模块、信号调制模块；载波产生模块由低频参考信号得到相位稳定的高频载波；基带信号转换模块用于将基带信号进行串‑并转换；信号调制模块将由载波产生模块得到的载波信号与两路基带信号进行正交相移键控调制。本发明结构流程清晰，由于采用模拟电路低功耗技术实现，具有更高的能量效率。

Description

一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路
技术领域
本发明涉及植入式生物医疗领域，具体而言，涉及一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其为可植入式收发机的调制电路。
背景技术
据全球市场研究公司Allied Market Research发布的《植入式医疗器械市场报告》显示，由于全球老年人口增加、心血管疾病发病率持续上升，以及技术不断创新，2016年至2020年，植入设备市场预计以7.1％的复合年率增长，到2022年，全球市场规模预计将达到1163亿美元。
在国内，我国多次出台相关文件，指导植入式医疗器械产业良性发展。特别近些年来，随着医疗技术和CMOS技术的发展，一些可植入设备被广泛在临床上应用，包括心脏起搏器、胰岛素泵、神经刺激器等。它们具有数据采集、无线连接、远程监控、近场通信等功能，不仅可以监测各种人体健康指标，还可以治疗疾病和修复人体机能。由于这些设备植入人体，当设备的内部电池电量耗尽时，需要将其取出并通过手术更换。但是替换期间感染的风险是最初植入时的三倍，目前的植入式设备要求至少能够工作10年，这对功耗提出了严格的要求。
当前使用的植入式收发机大部分采用数字电路实现，导致无线数据传输图像等数据所消耗的功率可能占总功耗的一半以上。另外，为了满足植入设备的可靠性和精度要求，一些多通道高分辨率采样的植入系统越来越多应用到这些设备上。例如，在2016的IEEE期刊Transactions on Biomedical Circuits and Systems上就有人提出了8通道，5-bit分辨率，100kSample/s采样率的植入式刺激器，其需要的数据收发率已达到4Mb/s，因此如何提高调制器的能量效率是一个值得研究的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路。本发明的电路可在高噪声通道下保持较低误码率，且功耗低，从而可以作为可植入式收发机的调制电路。
本发明的技术方案是：一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，包括载波产生模块、基带信号处理模块、信号调制模块，其特征在于：载波产生模块，所述的载波产生模块由低频的输入参考信号通过一个锁相环和移相器后得相位稳定的高频载波信号；基带信号处理模块，所述基带信号处理模块用于对基带信号进行串-并转换；信号调制模块，所述信号调制模块对基带信号处理模块的输出进行正交相移键控调制。
根据如上所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：载波产生模块包括锁相环和移相器，锁相环的主要包括鉴相器，电荷泵，滤波器，压控振荡器和除频器，压控振荡器的输出频率由输入Vctrl控制，除频器的输入信号是压控振荡器的输出信号FOUT，鉴相器的两个输入信号是参考信号FREF和除频器的反馈输出FB，鉴相器比较FB和FREF的相位误差，以产生相位误差信号Pe，然后误差信号Pe由电荷泵转换为电流信号，并由低通滤波器进行滤波以消除高频噪声，从而调节Vctrl的大小，借此校正VCO的输出信号FOUT的频率，压控振荡器的输出FOUT经移相器后得到相位相差90°的载波信号I，IB，Q和QB。
根据如上所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：参考信号FREF为8MHz。
根据如上所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：压控振荡器的输出信号FOUT为64MHz。
根据如上所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：信号调制模块由两级组成，第一级由两个开关混频器分别实现I路和Q路的信号调制，第二级用混合器实现两路调制后的信号进行相加，从而得到最终的调制信号。
根据如上所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：基带信号处理模块包含解复用器单元，解复用器单元根据奇数和偶数将基带信号数据分为两路分别为Data_I和Data_Q。
本发明的技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益结果：第一本方案采用模拟电路实现，因此具有较好的能量效率。第二本方案采用满足人体通道无线通信载波要求，可以减小数据传输过程中的功耗。调制器总功耗为3.67mW与当前的调制器相比功耗降低了15％～30％。当数据率为10Mb/s时，每bit消耗0.365nJ，相对于2017年的IEEE Journal ofSolid-State Circuits论文【1】的0.55nJ/bit降低了33.6％。第三本方案采用QPSK调制方式，能够提高频带利用率到1.6bps/Hz。第四在数据率为10Mb/s的条件下，该系统可在10dB的高斯噪声通道下保持低于10-4的误码率。
【1】W.Saadeh,M.A.B.Altaf,H.Alsuradi and J.Yoo,"A 1.1-mW Ground Effect-Resilient Body-Coupled Communication Transceiver With Pseudo OFDM for Headand Body Area Network,"in IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.52,no.10,pp.2690-2702,Oct.2017,doi:10.1109/JSSC.2017.2713522.
附图说明
图1为本发明的架构图。
图2为本发明实施的基带信号处理模块示意图。
图3为本发明实施的载波产生模块示意图。
图4为本发明实施的信号调制模块示意图。
图5为本发明载波产生模块的输出仿真图。
图6为本发明调制仿真图。
附图标记说明：基带信号处理模块1、载波产生模块2、信号调制模块3、
具体实施方式
名词解释：QPSK：指正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，如图1所示，主要包括基带信号处理模块1、载波产生模块2、信号调制模块3。载波产生模块2将低频的参考信号。经过一个锁相环回路得到高频的载波信号，然后由移相器进行相位调整后得到四个相位相差90°的高频载波信号；基带信号处理模块1通过解复用器将基带信号按奇偶位分解为两路信号Data-I和Data-Q。信号调制模块3实现正交相移键控调制。本方案的QPSK调制方式使用相位差为90°的载波来表示逻辑00、01、10和11数据，该系统在PSK系列中具有更好的降噪能力。
具体地，如图2，基带信号通常为二进制01序列，必须将二进制数据转换为四进制数据才能实现正交相移键控调制。本发明采用的方法是用包含解复用器(DEMUX)单元的基带信号处理模块1对基带信号进行预处理。其中，解复用器单元根据奇数和偶数将基带信号数据分为两路分别为Data_I和Data_Q，共有四个组合(00、01、10、11)，每个组合称为双位符号。每个组合由两个二进制位组成，分别表示四元系统中四个符号之一。因此，QPSK可以在每个调制中发送两位信息。
具体地，发明提出的载波产生模块的主要功能是生成具有精确频率和相位的多组载波信号，提供给信号调制模块。如图3所示，整个载波产生模块包括锁相环和移相器。其中锁相环的主要包括鉴相器，电荷泵，滤波器，压控振荡器和除频器。利用稳定的参考信号，可以将锁相环的的输出信号稳定在载波频率。压控振荡器(VCO)的输出FOUT是周期信号，其输出频率由输入Vctrl控制。除频器的输入信号是压控振荡器的输出信号FOUT。根据预设的分频参数N，除频器可以获得输出信号FB＝FOUT/N。鉴相器(PFD)的两个输入信号是参考信号FREF和除频器的反馈输出FB。鉴相器比较FB和FREF的相位误差，以产生相位误差信号Pe。然后误差信号Pe由电荷泵(CP)转换为电流信号，并由低通滤波器(LPF)进行滤波以消除高频噪声，从而调节Vctrl的大小，借此校正VCO的输出信号FOUT的频率。当FB和FREF之间的相位差固定时，环路被锁定，并且压控振荡器输出具有稳定频率的高频载波信号。接着，压控振荡器的输出FOUT经移相器后得到相位相差90°的载波信号I，IB，Q和QB。这里我们选择输入参考信号FREF为8MHz，FOUT为64MHz。根据IBC的特性选择载波频率为64MHz，可以大大降低采用IBC的无线通信系统的功耗，并且植入式生物医学电子设备可以具有更好的稳定性，符合人体通道通信要求。
具体地，如图4，信号调制模块的结构分两级，第一级由两个开关混频器组成，第二级为一个多路混合器。首先第一级由基带信号处理模块得到的两路Data-I和Data-Q信号与高频载波信号分别进行混频调制。然后将Q路和I路的调制信号用多路混合器进行相加混合最后得到最终的QPSK调制信号。
图5为载波产生模块输出仿真图。参考信号为8MHz，输出频率为64MHz相位相差90°的载波信号。
图6为调制器的仿真结果图。图中第一列为已调制的I路和Q路信号相加混合之后所得的最终调制信号；第二列为I路的调制信号；第三列为Q路的调制信号；第四列为两路基带信号。根据下面公式可以算出数据率，其中S为数据率，T(T＝1/f)为码元传输速率，N为进制数。由于采用正交相移键控调制方式为四进制所以这里N＝4，信号源输入频率f为5MHz矩形波，输出占空比为50％时，数据率S为10Mb/s。
Figure BDA0002615312930000051
可以理解的是，此处描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不用于限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，包括载波产生模块、基带信号处理模块、信号调制模块，
其特征在于：载波产生模块，所述的载波产生模块由低频的输入参考信号通过一个锁相环和移相器后得相位稳定的高频载波信号；基带信号处理模块，所述基带信号处理模块用于对基带信号进行串-并转换；信号调制模块，所述信号调制模块对基带信号处理模块的输出进行正交相移键控调制。
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：载波产生模块包括锁相环和移相器，锁相环的主要包括鉴相器，电荷泵，滤波器，压控振荡器和除频器，压控振荡器的输出频率由输入Vctrl控制，除频器的输入信号是压控振荡器的输出信号FOUT，鉴相器的两个输入信号是参考信号FREF和除频器的反馈输出FB，鉴相器比较FB和FREF的相位误差，以产生相位误差信号Pe，然后误差信号Pe由电荷泵转换为电流信号，并由低通滤波器进行滤波以消除高频噪声，从而调节Vctrl的大小，借此校正VCO的输出信号FOUT的频率，压控振荡器的输出FOUT经移相器后得到相位相差90°的载波信号I，IB，Q和QB。
3.根据权利要求2所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：参考信号FREF为8MHz。
4.根据权利要求2所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：压控振荡器的输出信号FOUT为64MHz。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：信号调制模块由两级组成，第一级由两个开关混频器分别实现I路和Q路的信号调制，第二级用混合器实现两路调制后的信号进行相加，从而得到最终的调制信号。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于模拟电路的类数字QPSK调制电路，其特征在于：基带信号处理模块包含解复用器单元，解复用器单元根据奇数和偶数将基带信号数据分为两路分别为Data_I和Data_Q。
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