CN1143287A - 含集成高通滤波器的频率倒置扰频器 - Google Patents

含集成高通滤波器的频率倒置扰频器 Download PDF

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Abstract

无绳电话中的频率倒置扰频器利用位于第一级低通滤波器和调制器之间的集成高通滤波器来降低滤波器的阶数，同时保持音频信号低的群时延。第一级低通滤波器和高通滤波器从滤波后的音频信号中去除高频分量及任何DC偏移。调制器将滤波后的信号频谱转换成和差频率。第二级低通滤波器去除频谱的高端，使所得的频谱倒置，以防止的传输被窃听。母机中的另一个倒置电路将频谱重新倒置回原始状态，由电话线路传输出去。

Description

含集成高通滤波器的频率倒置扰频器
本发明通常涉及无绳电话系统，特别涉及无绳电话中的频率倒置扰频器。
无绳电话由于具有用户在通话期间能随便离开母机(basewnit)一段距离的便利性而广泛地应用于家用和商用环境中。用户对子机的话筒说话，语音数据通过射频(RF)链路发送到母机。母机经硬线(hard-wire)电话线路将语音数据传送到另一端的用户方。来自另一方的语音数据同样由母机接收并通过RF链路发送到手机，从而实现双向通话。
许多无绳电话的一个共同的问题是在通话中缺乏安全性和保密性。非用户方可能接收到同一RF通信链路，例如通过附近的另一个无绳电话或其它RF接收器，并听到私人的通话。在早先的技术中，频率倒置扰频器已用来对经RF链路发送的语音数据进行扰频，以增加电话通话的保密性。简而言之，频率倒置扰频器将发送的频谱倒置，以使有标准无绳电话的非用户方不能理解这个通话。子机的母机将频谱再次倒置以将语音数据解扰回其原始状态，再经电话线路传输出去。
频率倒置扰频器的一种现有技术的实现例含有一个接收音频信号的低通滤波器和一个位于该低通滤波器和一个调制器之间的串联电容。该串联电容按适当调制的要求阻塞音频信号中的任何直流(DC)偏移。该调制产生关于调制频率的和差频率。调制的音频在传输到母机前再经低通滤波去除调制频率及更高的频率。剩余的频谱相对于原始音频信号进行倒置，因而不能为标准的无绳电话所理解。母机包括一个同样的低通滤波器和接至调制器的串联电容，以将频谱去倒置到其原始状态。另一个连接到调制器输出端的低通滤波器去除调制频率和更高的频率，并提供在常规电话线路上传输和基带语音数据。
频率倒置扰频器中的低通滤波器一般是高阶的，比如说10到14阶，以提供适当的频率响应。为了隔离例置的频谱，调制器后的低通滤波器应为高阶，以抑制调制频率和更高的频率。遗憾的是，较高阶的滤波器还往往使通过滤波器的群时延增大，这会降低语音质量。使调制频率远离基带并使用一个较低阶的低通滤波器是不实际的，因为低频的语音数据会因受限的频率工作带宽而丢失。另外，串联电容要足够大这样就要求外部的放置位置和相关的集成电路(IC)管脚。
因此，对含有较低阶滤波器的频率倒置扰频器存在一种要求：在保持对调制频率和更高频率的充分抑制的同时降低群时延。
图1是说明频率倒置扰频器的框图；且
图2-7是在解释图1时所要用到的波形曲线图。
从图1可见，一个用于无绳电话的频率倒置扰频器电路10被示出。频率倒置扰频器10包括接收无绳电话子机话筒(未示出)产生的作为音频数据的模拟输入信号TX IN的低通滤波器12。低通滤波器12和输出端连接到高通滤波器14的输入端。高通滤波器14的输出端连接到调制器16的第一输入端。调制器16的第二输入端接收一个工作于3.96KHZ的频率调制信号。调制器16的输出端连接到低通滤波器18的输入端。低通滤波器18的输出端连接到调频(FM)发送器20的输入端，该调频发送器通过传输媒介22，如波(airways)，将通常为46至49MHz的调制的RF信号发送至无绳电话母机的FM接收器24。FM接收器24的解调输出端连接到低通滤波器30的输入端。低通滤波器30的输出端连接到高通滤波器32的输入端。高通滤波器32的输出端连接到调制器34的第一输入端。调制器34的第二输入端接收一个同样工作于3.96KHZ的频率调制信号。调制器34的输出端连接到低通滤波器36的输入端。低通滤波器36的输出端为RX OUT提供输出语音数据，输出语音数据经常规的插塞(TIP)和振铃电话线路(未示出)传送出去。
频率倒置扰频器10的功能是对发送的音频信号进行扰频，使之不被操纵其它无绳电话、小型监听器、RF扫描器或其它任何工作于与该无绳电话相同频率范围的FM接收器所理解。在多数应用中，无绳电话使用两个频率倒置扰频器，一个在子机中，一个在母机中。低通滤波器12、高通滤波器14、调制器16、低通滤波器18和FM发送器20是无绳电话子机发送端的组成部分。FM接收器24、低通滤波器30、高通滤波器32、调制器34和低通滤波器36是无绳电话母机接收端的组成部分。可见，无绳电话母机的发送端和子机的接收端还再需要一个频率倒置扰频器，即从电话线通过母机到子机的听筒。
频率倒置扰频器10的工作如下进行。假设子机的用户在电话通话期间对着话筒说话。音频带宽内约0.3到3.3KHZ的语音信号声耦接至话筒，由其辅助电路放大后作为TX IN施加于低通滤波器12的输入端。TX IN信号经过低通滤波器12，在其中高于音频带宽的频率被衰减。低通滤波器12是一个四阶椭圆开关电容滤波器，转角频率(Corner frequency)为3.5KHZ。转角频率决定RXOUT的末级频率响应的高频转角(corner)，并选择为稍高于3.3KHZ，以避免因处理偏差而消除任何有用的频谱。低通滤波器12的转角频率应从调制频率中充分地去除，这样无需使用大量可能增加群时延并降低语音质量的极点(Poles)就可使调制信号衰减。低通滤波器12在其通带内的波动为0.4dB，阻带的衰减为30dB。通过低通滤波器12的群时延是0.12ms。低通滤波器12可以差分或单端形式实现，低通滤波器12的电压增益(Av)对差分形式为2，对单端形式为1。一个2作于165.16KHZ的时钟信号控制开关电容(未示出)。构造一个四阶低通椭圆开关电容滤波器的细节由上述说明来确定。
作为本发明的一部分，低通滤波器12输出端的低通滤波后的信号施加于集成的高通滤波器14上。在本实施例中，高通滤波器14是一个转局频率为165HZ的集成二阶契比舍夫开关电容滤波器。高通滤波器14的转角频率设置在最低的理想低频响应以下，以降低音频带宽内的群时延。高通滤波器14在其通带内的波动为0.4dB，群时延为0.03ms，对差分和单端应用均为Av＝1。一个工作于23.59KHZ的时钟信号控制开关电容。高通滤波器14将低频衰减到低于音频范围以下，并阻止音频信号中的任何DC偏移。高通滤波器14包括一个自动回零(auto-zero)特性，以降低任何内部DC偏移。通过使用一个集成的高通滤波器，省去了现有技术中通常使用的两个IC管脚和一个外部电容。构造一个集成二阶高通契比舍夫开关电容滤波器的细节由上述说明来确定。
图2介绍了高通滤波器14的输出端的音频信号频谱。交于3.5KHZ和低于165HZ的频率如上所述被衰减。负频谱代表正频率音频信号的镜像。
高通滤波器14输出的滤波后的信号施加于双平衡调制器16，在其中它与一个稍大于基带频谱高频转角的调制频率混频。在本例中，调制频率是3.96KHZ。调制器18将滤波后的输入信号的频谱转换成等于调制频率与滤波后输入到调制器的信号的频率相加和减所得的频率。调制器18通常具有2/π的电压增益。图3说明了由低通滤波器12和交通滤波器14所限定的频谱中所有频率混频的响应。7.46KHZ的转折点(break)来自3.96KHZ＋3.5KHZ，而460HZ的转折点则由3.96KHZ－3.5KHZ而得。
调制器16的输出施加于低通滤波器18。低通滤波器18的转角频率由末级响应RX OUT的理想的低频转角确定，其中低频转角为调制频率和低通滤波器18的转角频率之差，如3.96KHZ－3.7KHZ。结果，低通滤波器18的转角频率可设置在比低通滤波器12更高的跟踪频率上，以优化低频性能达到而对群时延又不产生不利影响。
在本实施例中，低通滤波器18是一个转角频率为3.7KHZ的六阶椭圆开关电容滤波器。低通滤波器18在其通带内的波动为0.6dB，阻带内的衰减为50dB。通过低通滤波器18的群时延是0.175ms且Av＝π/2以抵消调制器16的2/π的电压增益。一个工作于165.16KHZ的时钟信号控制开关电容。构造一个六阶低通椭圆开关电容滤波器的细节由上述说明来确定。
图4示出了低通滤波器18的输出端所得到的频谱。注意该频谱是音频输入信号TX IN处频谱的反像。频率倒置扰频信号是利用常规技术调频至RF的，且由子机中的FM发送器20经由传输媒介22发送出去，并被母机中的FM接收器24所接收。任何操纵附近的标准无绳电话或其它RF接收器的非用户方，将不能理解频率倒置后的音频信号。通话因此得以维持保密。
母机所接收到的频率倒置扰频信号首先由FM接收器24解调回基带。母机中低通滤波器30、高通滤波器32、调制器34和低通滤波器36的功能是通过实施另一次频率倒置将音频信号去倒置，还原为其原始状态，以通过电话线路传输出去。
低通滤波器30是一个转角频率等于3.7KHZ的二阶椭圆开关电容滤波器。低通滤波器30衰减3.7KHZ以上的频率，以消除任何在传输期间引入的高频，同时使附加的群时延减至最小。低通滤波器30在其通带内的波动为0.6dB，阻带内的衰减为22dB。通过低通滤波器30的群时延是0.04ms，且对于差分应用Av＝2，对于单端应用Av＝1。一个工作于165.16KHZ的时钟信号控制开关电容。构造一个二阶低通椭圆开关电容滤波器的细节由上述说明来确定。
作为本发明的另一部分，低通滤波器30输出端的低通滤波后的信号施加于集成高通滤波器32。在本实施例中，高通滤波器32是一个转角频率为165HZ的集成二阶契比舍夫开关电容滤波器。高通滤波器32的转角频率设置在低于最低理想低频响应(260HZ)的转角频率上，以降低音频带宽内的群时延。高通滤波器32在其通带内的波动为0.4dB，群时延为0.03ns，且Av＝1。一个工作于23.59KHZ的时钟信号控制开关电容。高通滤波器32衰减低于音频范围的低频并阻止音频信号中的任何DC偏移。高通滤波器32包括一个自动回零特性以降低任何内部DC偏移，这是众所周知的。通过使用一个集成高通滤波器，省去了现有技术中通常使用的两个IC管脚以及一个外部耦合电容。构造一个集成二阶高通契比舍夫开关电容滤波器的细节由上述说明来确定。
图5说明了低通滤波器30的输出端的频谱，它与低通滤波器18的输出端的频谱相似。3.7KHZ以上和460HZ以下的频率如上所述被衰减。
高通滤波器32输出的滤波后的信号施加于双平衡调制器34，在其中它与一个稍大于基带频谱的高频转角的调制频率混频。在本例中，调制频率是3.96KHZ。调制器34将滤波后的输入信号的频谱转换为等于调制频率与滤波后输入调制器的信号频率相加和相减所得的频率。调制器34的电压增益一般为2/π。图6说明了由低通滤波器30和高通滤波器32所限定的频谱中所有频率混频的响应。注意频谱的较低的转角已由调制频率和低通滤波器18和30的转角频率之差来确定。7.66KHZ的转折点来自3.96KHZ＋3.7KHZ，而260HZ的转折点则由3.96KHZ－3.7KHZ而得。
调制器34的输出施加于低通滤波器36。低通滤波器36的转角频率决定末级频率响应的高频转角，并选择为稍高于3.3KHZ，以避免由于处理的偏差而消除任何有用的频谱。低通滤波器36的转角频率应从调制频率中充分地消除，以充分抑制调制频率，同时通过避免不必要的长的群延时来保持语音质量。
在本实施例中，低通滤波器36是一个转角频率为3.5KHZ的八阶椭圆开关电容滤波器，它用来规定末极频率响应RX OUT的上转角。低通滤波器36去除任何调制频率、基带频率或交调产物损坏(breakthrough)并因此提高语音质量。低通滤波器36在其通带内的波动为0.6dB，阻带内的衰减为50dB。通过低通滤波器18的群时延是0.25ms且Av＝π/2以抵消调制器34的电压增益。在调制频率3.96KHZ的频率响应中设置一个零点(Zero)以进一步衰减调制频率。一个工作于165.16KHZ的时钟信号控制开关电容。构造一个八阶低通椭圆开关电容滤波器的细节由上述说明来确定。
图7示出了低通滤波器36的输出端所得到的频谱。注意频谱已被重新转换回其原始形式。音频信号RX OUT经由普通电话线路传输出去。母机的发送端和子机的接收端还再需要一个频率倒置扰频器来完成双向保密的通信。
至此可见，已提供了一种具有第一级低通滤波器和调制器之间的集成高通滤波器的频率倒置扰频器。具有高通滤波器的频率倒置扰频器在使用较低阶的低通滤波器的同时，通过降低群时延来提高语音质量。此外，高通滤波器的集成化特性减小了模片的尺寸并省去了在现有技术中常用的外部电容和相关的IC管脚。
尽管已示出和描述了本发明的特定实施例，但本领域的技术人员也可进行更多的修改和改进。应当理解，本发明并不局限于所示的具体形式，所附的权利要求意在覆盖所有不偏离本发明的精神和范围的修改。

Claims (7)

1.一个集成频率倒置扰频器电路，其特征在于：
第一低通滤波器(12)，它具有一个用来接收音频输入信号的输入端；
第一高通滤波器(14)，它具有一个连接到所述第一低通滤波器输出端的输入端；
第一调制器(16)，它具有第一及第二输入端和一个输出端，所述第一输入端连接到所述第一高通滤波器的输出端，所述第二输入端用来接收第一调制信号；和
第二低通滤波器(18)，它具有一个连接到所述第一调制器的所述输出端的输入端，并具有一个提供频率倒置的音频信号的输出端。
2.根据权利要求1所述的集成频率倒置扰频器电路，还包括一个FM发送器(20)，该FM发送器具有一个连接到的所述第二低通滤波器的所述输出端的输入端，并具有一个用来发送RF频率倒置的音频信号的输出端。
3.一种在一个集成电路中进行频率倒置扰频的方法，其特征在于以下步骤：
将音频输入信号进行低通滤波，以提供第一滤波信号；
将所述第一滤波信号进行高通滤波，以提供第二滤波信号；
将所述第二滤波信号与第一调制信号混频以提供第一混频滤波信号；和
将所述第一混频滤波信号进行低通滤波以提供频率倒置的音频信号。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括经一个RF链路将所述频率倒置的音频信号作为RF频率倒置的音频信号发送的步骤。
5.在一个无绳电话子机中，一个第一集成频率倒置扰频器电路，其特征在于：
一个第一低通滤波器(12)，它具有一个用来接收音频输入信号的输入端；
一个第一高通滤波器(14)，它具有一个连接到所述第一低通滤波器输出端的输入端；
一个第一调制解调器(16)，它具有第一及第二输入端和一个输出端，所述第一输入端连接到所述第一高通滤波器的输出端，所述第二输入端用来接收第一调制信号；
一个第二低通滤波器(18)，它具有一个连接到所述第一调制器的所述输出端的输入端，并具有一个提供频率倒置的音频信号的输出端；和
一个FM发送器(20)，它具有一个连接到所述第二低通滤波器的所述输出端的输入端，并具有一个发送RF频率倒置的音频信号的输出端。
6.根据权利要求5所述的无绳电话，还包括一个具有一个FM接收器(24)的母机，该FM接收器具有一个用来接收所述RF频率倒置的音频信号的输入端。
7.根据权利要求6所述的无绳电话的母机，还包括一个第二集成频率倒置扰频电路(30-36)。
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