CN114978206B - 准平衡频移键控调制方法及准平衡调频发射机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种准平衡频移键控调制方法及准平衡调频发射机。其中，该方法包括：将符号0调制成载波中心频率fc；将符号1依次调制成载波中心频率加固定频偏fc+Δf、载波中心频率减固定频偏fc‑Δf；准平衡调频发射机包括混合型整数锁相环和开关功率放大器；混合型整数锁相环，用于通过压控振荡器的数字控制信号将数据调制成射频信号；开关功率放大器，用于将射频信号放大并上传到天线发射。本发明实施例通过混合型整数锁相环带宽为1MHz，不影响直接注入压控振荡器的调制。锁相环输出频率为8GHz，参考频率为83.3MHz。需要指出的是，锁相环采用混合型是为了减少参考杂散，提高信号质量。

Description

准平衡频移键控调制方法及准平衡调频发射机

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种准平衡频移键控调制方法及准平衡调频发射机。

背景技术

频移键控调制是一种以数字信号控制载波频率变化的调制方法，其优势在于实现简单，具有较好的抗噪声与抗衰减的性能，适用于恶劣环境的无线通信。

对于常规的二进制频移键控，其难以实现高数据率的通信。如图1所示，如果采用直接开环调制振荡器或者注入牵引振荡器的发射机结构，可以提高数据率，但是存在负载牵引的问题。功率放大器会干扰振荡器引入额外的噪声，恶化误码率。如果采用基于锁相环的闭环调制振荡器，由于有限的锁相环带宽和延时失配等问题，其数据率较低。如果为了提高数据率而提高锁相环带宽，二进制频移键控调制将出现数据模式依赖等问题，载波的中心频率会漂移，影响解调。

实现低功耗、高数据率和高带宽效率是基于频移键控的无线通信的设计目标。

低功耗是为了应用于电量受限的移动端设备，高数据率是为了提高用户体验，高带宽效率是为了减少通信占用的无线频谱，提高同时通信的用户数量。基于频移键控的调制方式具有更好的误码率曲线，抗干扰能力强、通信范围大。

发明内容

为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种准平衡频移键控调制方法及准平衡调频发射机。

第一方面，本发明实施例提供了一种准平衡频移键控调制方法，所述准平衡频移键控调制方法通过准平衡调频发射机调制，包括：

将符号0调制成载波中心频率fc；

将符号1依次调制成载波中心频率加固定频偏fc+Δf、载波中心频率减固定频偏fc-Δf；

所述准平衡调频发射机包括混合型整数锁相环和开关功率放大器；

所述混合型整数锁相环，用于通过压控振荡器的数字控制信号将数据调制成射频信号；

所述开关功率放大器，用于将射频信号放大并上传到天线发射。

第二方面，本发明实施例提供了一种准平衡调频发射机，用于实现准平衡频移键控调制方法，包括混合型整数锁相环和开关功率放大器：

所述混合型整数锁相环，用于通过压控振荡器的数字控制信号将数据调制成射频信号；

所述开关功率放大器，用于将射频信号放大并上传到天线发射；

所述开关功率放大器的放大器类型包括：D类、E类或F类开关功率放大器。

本发明实施例提供的准平衡频移键控调制方法及准平衡调频发射机，通过混合型整数锁相环带宽为1MHz，不影响直接注入压控振荡器的调制。锁相环输出频率为8GHz，参考频率为83.3MHz。需要指出的是，锁相环采用混合型是为了减少参考杂散，提高信号质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

图1示出了现有技术中的开环调制振荡器的结构示意图；

图2示出了本发明实施例基于分数锁相环的调制方法的结构示意图；

图3示出了本发明实施例两点调制方法的结构示意图；

图4示出了本发明实施例混合型整数锁相环中射频支路的压控振荡器的结构示意图；

图5示出了本发明实施例混合型整数锁相环中射频支路的二分频模块的结构示意图；

图6示出了图5的二分频模块中锁存器的原理示意图；

图7示出了本发明实施例混合型整数锁相环中模拟控制支路的鉴频鉴相器的结构示意图；

图8示出了本发明实施例混合型整数锁相环中模拟控制支路的电荷泵的结构示意图；

图9示出了本发明实施例的调频发射机的结构示意图；

图10示出了本发明实施例各类型功率功率放大器的性能示意图；

图11示出了本发明实施例准平衡频移键控的波形示意图；

图12示出了本发明实施例中，四种频移键控的频谱对比分析示意图；

图13示出了本发明实施例数据模式依赖对二进制频移键控和准平衡频移键控频谱影响分析示意图。

具体实施方式

下面将参照本发明实施例的方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质的流程图和/或方框图描述本发明实施例。

为了解决负载牵引的技术问题，需要采用基于锁相环的闭环调制方法，相比开环调制具有低相位噪声、旁瓣小、频谱质量佳、抗PVT(工艺、电压、温度)变化的优点，但其数据率还是难以突破100M比特率。基于锁相环的闭环调制方法，包括：基于分数锁相环的调制、直接注入压控振荡器的调制和两点调制等方法。

如图2所示，基于分数锁相环的调制是将调制信号注入分频器中，自注入点到压控振荡器输出为低通滤波的频率响应，由于调制信号会被鉴相器之后的低通滤波器滤波，无法在高数据率下应用。

直接注入压控振荡器的调制是将调制信号注入压控振荡器的用于控制开关电容阵列的数字信号，自注入点到压控振荡器输出为高通滤波的频率响应，其与锁相环仅过滤压控振荡器噪声低频成分的原理相同，较适合传送高数据率。但因为随机数据中会出现局部的长0或长1的数据，这种低频分量也会被滤除。锁相环输出频率无法一直保持在一个偏离中心频率的其他频率，锁相环会试图将该频点向中心频率校正，导致调整信号出现频率偏移问题，影响信号质量。

如图3所示，两点调制是上述基于分数锁相环的调制和直接注入压控振荡器的调制两者相结合的调制方法，通过低通与高通相结合实现全通带的频率响应，但是两边注入信号存在延时失配的问题，容易受到工艺偏差的影响。延时失配(延时不匹配)将导致调制信号的误差矢量幅度恶化，数据率越高该失配的干扰越大。因此，两点调制的调制方法无法实现高于100M比特率的数据传输任务。

本发明实施例提出了一种准平衡频移键控调制方法，该调制方法能较好的抑制牵引效应、数据模式等非理想因素的影响，具有高数据率、高带宽效率、低功耗的特点。

为实现高数据率的频率调制，采用直接注入压控振荡器的调制方法解决数据依赖问题是较可行的方案。

如图11所示，本发明实施例提出了一种准平衡频移键控调制方法，将符号0调制成载波中心频率fc，符号1依次调制成载波中心频率加固定频偏fc+Δf、载波中心频率减固定频偏fc-Δf，实现局部时段内射频信号频谱中心频率稳定在fc上。在数据出现长0时，锁相环输出一直保持在中心频点fc，不会发生频率偏移。在数据出现长1时，锁相环输出一直在fc+Δf与fc-Δf之间跳转，其整体频谱中心依然是fc，不会发生频率偏移。数据本质上是1、-1来回交替，无低频分量，不受低通滤波影响。因而该种调制方法无数据依赖的问题。

上述直接注入压控振荡器的调制方法是目前基于锁相环的频率调制方法中，唯一能到100Mbps以上数据率的方案。

如图9所示，本发明实施例提出了一种准平衡调频发射机10，用于实现上述准平衡频移键控调制方法。本发射机包括：混合型整数锁相环，用于控制压控振荡器1100的数字信号将数据调制成射频信号；开关功率放大器100，用于将射频信号放大并传到天线，提供足够的增益对抗传播损耗。

在本发明实施例中，如图10所示，恒包络的调频(FM)调制对幅度失真不敏感，因此开关功率放大器100为开关类型即可，故开关功率放大器100为D类、E类和F类的开关功率放大器均可，用于放大射频信号。

本发明实施例的准平衡调频发射机10，通过调制混合型整数锁相环的压控振荡器1100产生射频信号，再通过开关功率放大器100将信号传到天线发射。由于采用了混合型整数锁相环，本发明实施例的准平衡调频发射机10能够较好的抑制牵引效应的影响。由于调制信号在频谱上关于载波中心频率准对称，本发明实施例的准平衡调频发射机10能较好的抑制数据模式引发的载波中心频率漂移的问题。由于调制信号频率变化的间隔与符号周期一致，该调制具有高带宽效率的特点；同时，本发明实施例的准平衡调频发射机10由于采用直接注入压控振荡器1100的调制方法，对数据信号的调制类似于高通滤波器，能实现较高的传输速率。

在本发明的实施例中，上述混合型整数锁相环包括射频支路、模拟控制支路、数字控制支路。

在本发明的实施例中，上述混合型整数锁相环的射频支路包含压控振荡器1100、电流模分频器200、差分转单端模块300、数字分频器400。压控振荡器1100的输出端与电流模分频器200的输入端相连，电流模分频器200的输出端与差分转单端模块300的输入端相连，差分转单端模块300的输出端与数字分频器400的输入端相连，数字分频器400的输出端分别与模块控制支路和数字控制支路的输入端相连。其中，数据通过编码器1200输入给压控振荡器1100。

在本发明的实施例中，编码器1200控制压控振荡器模块1100的电容阵列开关，控制其输出频率，对混合型整数锁相环是直接注入压控振荡器的调制。

编码器1200是简单的数字电路，将符号0转为7位二进制数A，将符号1依次转为7位二进制数B、C，其中2*A＝B+C，A、B、C的具体数值可以通过片外控制。

其中，压控振荡器1100是传统的LC振荡器结构，如图4所示，其数字控制部分基于开关电容阵列，7比特FSK信号为注入的数据信号，余下的数字控制信号用于粗调压控振荡器1100的频带。除八的电流模分频器200为3个二分频模块级联，该二分频模块为传统的包括两个锁存器的级联结构，如图5所示；锁存器为电流模实现的正反馈模块，如图6所示。低频除十二的数字分频器400为传统的多模分频器来实现。为了避免共模干扰，电流模分频器200的输出为差分输出，经过差分转单端模块300后转换为单端信号模式的低频率数字信号输送给数字分频器400，该数字信号幅度够大，可以承受共模干扰。

上述混合型整数锁相环的模拟控制支路为传统的电荷泵型锁相环结构，包含鉴频鉴相器500、电荷泵600、低通滤波器700。

其中，鉴频鉴相器500为传统的结构，如图7所示；电荷泵600为传统的差分结构，如图8所示；低通滤波器700为一阶RC结构的无源低通滤波器。鉴频鉴相器500的输入端与数字分频器400的输出端相连，鉴频鉴相器500的输出端与电荷泵600的输入端相连，电荷泵600的输出端与低通滤波器700的输入端相连，低通滤波器700的输出端与压控振荡器1100的输入端相连。

上述混合型整数锁相环的数字控制支路为Bang-Bang型锁相环结构，包含二进制鉴相器800、有限状态机900、差分积分调制器1000。二进制鉴相器800的输入端与数字分频器400的输出端相连，二进制鉴相器800的输出端与有限状态机900的输入端相连，有限状态机900的输出端与差分积分调制器1000的输入端相连，差分积分调制器1000的输出端与压控振荡器1100的输入端相连。

其中，二进制鉴相器800为1个D触发器，有限状态机900具有累加器功能，能实现低通滤波。有限状态机900用于产生16位数字信号，差分积分调制器1000为一阶MASH结构，用于将有限状态机900产生的16位数字信号转换为6位数字信号，用来控制压控振荡器1100的数字开关。

需要说明的是，上述有限状态机900和差分积分调制器1000是通过verilog代码+物理综合工具来设计实现。

本发明实施例中通过混合型整数锁相环实现准平衡频移键控调制，由于该调制方法是高数据率的宽带调制，因此频率间隔比较大，采用整数型锁相环即可满足频率合成的需求。

鉴于参考杂散是整数型锁相环中影响信号质量的一个主要因素，本发明实施例采用混合型整数锁相环可以更好地减少参考杂散，提升信号质量。

如果采用纯模拟锁相环，由于其存在大的积分电容，因此漏电比较严重，会导致较大的referencespur，滤波性能不够，而采用本发明实施例的数字滤波效果会更好。

本发明实施例中通过混合型整数锁相环带宽为1MHz，不影响直接注入压控振荡器的调制。锁相环输出频率为8GHz，参考频率为83.3MHz。需要指出的是，锁相环采用混合型是为了减少参考杂散，提高信号质量。

本发明实施例提出的准平衡频移键控调制方法，将符号0调制为载波中心频率fc，符号1依次调制为载波中心频率加固定频偏fc+Δf、载波中心频率减固定频偏fc-Δf。基于该调制方法实现的准平衡调频发射机，通过混合型整数锁相环直接注入压控振荡器的调制产生射频调制信号，通过开关功率放大器放大到天线。该准平衡调频发射机能够较好的抑制牵引效应、数据模式等非理想因素的影响；同时，直接注入压控振荡器的调制方法能够实现高数据率传输。

如图12所示，准平衡频移键控调制方法将信号调制到3个频率上，频率间隔为频偏Δf，符号1依次调制在高频率点和低频率点，用于实现频域的平衡，不存在数据模式依赖的问题。在频偏Δf等于数据率DR时，准平衡频移键控调制方式的带宽是4倍数据率。

二进制频移键控调制方法将信号调制到2个频率上，频率间隔为2Δf，在频偏Δf等于数据率DR时，二进制频移键控调制方式的带宽是3倍数据率。但该调制方式存在数据依赖的问题，发射机系统工作时会出现中心频率的漂移，影响信号质量，恶化误码率。

二进制频域开关键控调制方法将信号调制到3个频率上，符号1在前半个周期调制在高频率点，后半个周期调制在低频率点，实现了频域的平衡，二进制频域开关键控调制方法的带宽是6倍数据率，带宽效率较低。

基于曼彻斯特码的频移键控调制方法将信号调制到2个频率上，频率间隔为2Δf，符号0在前半个周期调制在高频率点，后半个周期调制在低频率点；符号1在前半个周期调制在低频率点，后半个周期调制在高频率点，实现了频域的平衡，基于曼彻斯特码的频移键控调制方法的带宽是6倍数据率，带宽效率较低。

图13示出了数据模式依赖对二进制频移键控和准平衡频移键控频谱影响分析示意图，验证本发明实施例准平衡频移键控调制方法能够解决数据模式依赖的问题，进而实现更高的数据率传输。

如图13所示，二进制频移键控在混合型整数锁相环调制下功率峰将比开环调制恶化8dB，其原因在于数据在局部出现长0或长1时，锁相环的频率会漂移，导致功率峰的数据大幅恶化，影响接收机的解调，如果仅采用开环调制又存在负载牵引的问题。准平衡频移键控调制方法在开环调制和锁相环调制的两种模式下频谱基本没有变化。

以上所述，仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种准平衡频移键控调制方法，其特征在于，所述准平衡频移键控调制方法通过准平衡调频发射机调制，所述准平衡调频发射机包括混合型整数锁相环和开关功率放大器，所述准平衡调频发射机调制包括：

将符号0调制成载波中心频率fc；

将符号1依次调制成载波中心频率加固定频偏fc+Δf、载波中心频率减固定频偏fc-Δf，实现局部时段内射频信号频谱中心频率稳定在fc上；

在数据出现长0时，混合型整数锁相环输出一直保持在中心频率fc，不会发生频率偏移；

在数据出现长1时，混合型整数锁相环输出一直在fc+Δf与fc-Δf之间跳转，整体中心频率依然是fc，不会发生频率偏移；

所述混合型整数锁相环，用于通过压控振荡器的数字控制信号将数据调制成射频信号；

所述开关功率放大器，用于将射频信号放大并上传到天线发射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述数据出现长0时，所述混合型整数锁相环输出保持在中心频点fc。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述数据出现长1时，所述混合型整数锁相环输出在fc+Δf与fc-Δf之间跳转。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合型整数锁相环包括射频支路、模拟控制支路、数字控制支路：

所述射频支路包括压控振荡器、电流模分频器、差分转单端模块、数字分频器；

所述压控振荡器的输出端与所述电流模分频器的输入端相连，所述电流模分频器的输出端与所述差分转单端模块的输入端相连，所述差分转单端模块的输出端与所述数字分频器的输入端相连，所述数字分频器的输出端分别与所述模拟控制支路和数字控制支路的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模拟控制支路包括鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器：

所述鉴频鉴相器的输入端与所述数字分频器的输出端相连，所述鉴频鉴相器的输出端与所述电荷泵的输入端相连，所述电荷泵的输出端与所述低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述数字控制支路包括二进制鉴相器、有限状态机、差分积分调制器：

所述二进制鉴相器的输入端与所述数字分频器的输出端相连，所述二进制鉴相器的输出端与所述有限状态机的输入端相连，所述有限状态机的输出端与所述差分积分调制器的输入端相连，所述差分积分调制器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开关功率放大器的放大器类型包括：D类、E类或F类开关功率放大器。

8.一种准平衡调频发射机，其特征在于，用于实现准平衡频移键控调制方法，包括混合型整数锁相环和开关功率放大器：

所述混合型整数锁相环，用于通过压控振荡器的数字控制信号将数据调制成射频信号；

所述开关功率放大器，用于将射频信号放大并上传到天线发射；

所述开关功率放大器的放大器类型包括：D类、E类或F类开关功率放大器；

当符号0调制成载波中心频率fc，符号1依次调制成载波中心频率加固定频偏fc+Δf、载波中心频率减固定频偏fc-Δf时，实现局部时段内射频信号频谱中心频率稳定在fc上；在数据出现长0时，混合型整数锁相环输出一直保持在中心频率fc，不会发生频率偏移；在数据出现长1时，混合型整数锁相环输出一直在fc+Δf与fc-Δf之间跳转，整体中心频率依然是fc，不会发生频率偏移。

9.根据权利要求8所述的发射机，其特征在于，所述混合型整数锁相环包括射频支路、模拟控制支路、数字控制支路：

所述射频支路包括压控振荡器、电流模分频器、差分转单端模块、数字分频器；

所述压控振荡器的输出端与所述电流模分频器的输入端相连，所述电流模分频器的输出端与所述差分转单端模块的输入端相连，所述差分转单端模块的输出端与所述数字分频器的输入端相连，所述数字分频器的输出端分别与所述模拟控制支路和数字控制支路的输入端相连。

10.根据权利要求9所述的发射机，其特征在于，所述模拟控制支路包括鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器：

所述鉴频鉴相器的输入端与所述数字分频器的输出端相连，所述鉴频鉴相器的输出端与所述电荷泵的输入端相连，所述电荷泵的输出端与所述低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连；或者，

所述数字控制支路包括二进制鉴相器、有限状态机、差分积分调制器：

所述二进制鉴相器的输入端与所述数字分频器的输出端相连，所述二进制鉴相器的输出端与所述有限状态机的输入端相连，所述有限状态机的输出端与所述差分积分调制器的输入端相连，所述差分积分调制器的输出端与所述压控振荡器的输入端相连。