CN1161609A - 扩频时钟调制 - Google Patents

Abstract

通信设备(104)包括接收已调接收信号的接收机电路(108)。基准振荡器(132)以第一频率产生第一时钟信号，该第一时钟信号具有多个谐波。连接到基准振荡器和接收机的电路(130)响应该第一时钟信号产生该接收机使用的信号，以降低调制信号的频率。一个扩频电路(134)也连接到基准振荡器，利用扩频信号调制该第一时钟信号，以产生包括已调谐波频率成分的一个已调时钟信号。所述扩频电路选择地把扩频信号与该第一时钟信号组合。控制电路(114)控制扩频电路，当所选接收信号包括第一时钟信号之谐波时，用该扩频信号调制该第一时钟信号。

Description

扩频时钟调制

本发明涉及时钟调制，特别是涉及用于降低噪声的频率扩展。

射频(RF)通信系统由经共享的通信链路通信的各设备组成。在RF无线通信系统中的通信链路被典型地称作信道。所述信道由其中心频率限定，并落在一预定带宽内。为了发送信息，用具有该信道中心频率的载波信号对信息信号进行调制。

在有线系统中，通信链路由双扭线对，同轴电缆，或类似电缆限定。在该有线链路上，通过具有特定公共频率的载波信号，信息信号被发送到位于该通信链路不同端的设备处。

在有线和无线系统中，使用发送机和接收机经通信链路进行通信。发送机包括调制器，接收机包括解调器。调制器用于使用一载波信号对信息信号进行调制，以便经链路发送。解调制器用于通过去除载波信号和输出信息信号对从通信链路接收的信号进行解调。

除了解调器之外，RF接收机典型地使用了若干滤波器，以去除所需带宽外侧的噪声，和一个检测器，以将解调信号转换成可由通信设备中数字电路使用的信号。所述数字电路由高频时钟信号驱动。该高频时钟信号包含产生谐波频率成分即谐波的有效谱能量。这些谐波的频率是驱动所述数字电路的时钟信号的频率的倍数。

如果信道频率和谐波信号相等或彼此很靠近，时钟频率之谐波中的辐射能会明显地干扰由接收机滤波器通过的频率内的信息信号。如果该能量相对于接收信号较大，则辐射能可能会淹没信息信号，从而导致不良的信息接收。在这种方式中，检测器灵敏度恶化所导致的不良信息接收被称作退敏。

一种用于克服退敏的特别有利的电路利用了扩频信号发生器和信号调制器。该调制器利用一扩频信号对时钟信号进行调制，产生一个合成信号。该合成信号之谐波的功率电平在一个比接收滤波器之带宽宽的频带上扩展，以便能够减小由于谐波造成的退敏作用。虽然所述电路大大地改进了接收机的性能，但还需要能在接收机中提供其他的改进。

图1是说明一个无线电话系统的电路图。

图2是说明扩频电路的电路图。

图3是说明用于图1的电路的扩频电路的电路图。

图4示出了图3中电路的信号。

通信设备包括接收处于一第一带宽内的已调接收信号的接收机电路。基准振荡器以一第一频率产生第一时钟信号，该第一时钟信号具有多个谐波。连接到所述基准信号发生器和接收机的合成器电路响应第一时钟信号对已调接收信号进行解调。一个扩频电路也被连接到基准振荡器，利用一个扩频信号有选择地调制所述第一时钟信号，以产生一个具有扩展已调谐波频率成分的已调时钟信号。该扩频电路选择地把所述扩频信号与第一时钟信号组合，以将该第一时钟信号的谐波在一个大于第一带宽的频带上扩展。一个控制电路与扩频电路连接，以接收所述已调时钟信号和并在该已调时钟信号的频率工作。这样，所述电路选择地产生一个已调时钟信号，以便当主时钟信号谐波不处在当前所选接收机信道中时，谐波频率信号不被扩展到多个信道。

无线电话系统100(图1)包括经通信链路106通信的通信设备102和104。所述通信设备可以是诸如MODEM(具有调制器和解调器的设备)的任意两个或多个兼容设备，电话，无绳或蜂窝无线电话，双工无线电设备，无线电设备，基站，无绳电话基站，无线转接中心，无线发送站，等类似设备。正如这里所使用的，“通信设备”指的是上述设备和其等效物中的每一种。所示的通信设备102和104经无线通信链路106交换信息。然而，通信链路106可以是双扭线对，同轴电缆，卫星链路，或类似链路。因此，作为这里所采用的“通信链路”是指上述链路和其等效物中的每一种。

所示通信设备104(无线电话)包括一个含检测器112的接收机108，一个发送机110，和一个控制器114。所述接收器经天线116从通信链路106接收已调信号，和向检测器112输出具有被降低频率的信号。检测器112解调该被降低频率的信号，产生输入到控制器114的信号。控制器114可为数字信号处理器、微处理器，诸如可从摩托罗拉公司得到的HC-11，或类似器件，和市场上可买到的公知的组合电路。

控制器114响应从检测器112接收的声频信号，产生驱动扬声器115的模拟信号。控制器114响应来自麦克风117的声频信号，输出信号到发送机110。发送机110根据由控制器114输出的信号产生已调信号，该已调信号被输入到天线116，经通信链路106通信。

所示接收机电路108是一个双外差接收机，但也可以是任何通常的接收机电路。所示接收机包括滤波器120，混合器122，滤波器124，混合器126和检测器112。一个合成器电路130连接到接收机电路108，以便向混合器122提供一个信道选择信号，和向混合器126提供一个振荡信号。

一个基准振荡器132被连到合成器电路130和连接到扩频电路134。基准振荡器132产生一个基准信号，即时钟信号。该时钟信号被输入到合成器电路130作为基准信号和输入到扩频电路134作为时钟信号。扩频电路134把该时钟信号与扩频信号相组合产生一个组合时钟信号。

现在将参考所示的无线电话系统100对通信设备104的工作进行描述。在RF无线系统中的通信链路106由一预定频率范围限定，该频率范围包括在其中进行信号通信的多个不同信道。所述频率范围为宽带通滤波器120所通过。例如，用于移动通信的全球系统(GSM)中的上行链路信道全部位于从925MHz至960MHz的频带内，该频带为滤波器120所通过。滤波器120的通带外侧的信号为到达接收机的噪声，并由滤波器120衰减，以从输入到检测器112的信号中将其除去。

混合器122把为滤波器120所通过的信道之一的频率降低到与滤波器124相应的一特定中频频率。滤波器124的带宽比滤波器120窄，并最好与一个信道的带宽相等。这样，滤波器124仅通过来自滤波器120的一个信道，其中心频率为滤波器124的中心频率。例如，GSM系统中的信道具有被留有200KHz间隔的中心频率，并位于大约200KHz的通带内。因此，用于GSM的滤波器124具有大约200KHz的带宽。

响应来自合成器电路130的信道选择信号，混合器122选择可被滤波器124通过的信道。可被滤波器120通过的频带中的每个信道拥有唯一的中心频率。从合成器电路130输入到混合器122的信道选择信号是一个振荡信号，该振荡信号与来自滤波器120的信号组合，以减小即降低由滤波器120输出的信号频率。信号被降低的量由来自合成器电路130的信号频率确定。通过改变输入到混合器122的信道选择信号的频率，不同信道的中心频率被降到能为滤波器124所通过。重要的是，该信道选择信号的频率是精确的，以便所需信道的中心频率被降到滤波器124的频率的中心，和在该信道中的所有信息都被通过到达检测器112。

滤波器124的输出被输入到混合器126，它将该已滤波信号与来自合成器电路130的另一信号组合。混合器126把由滤波器124输出的中频信号降到检测器112以此工作的基带频率。重要的是，混合器126可靠地降低用于检测器112的信息信号，以便信息不会被接收机电路108丢失。

拥有晶体的基准振荡器132用来产生一个本地基准信号。合成器电路130被连接到基准振荡器132和连接到控制器114。该合成器响应所述本地基准信号和来自控制器114的一个信道号，产生用于混合器122和126的信号。扩频电路134也被连接到基准振荡器132和连接到控制器114。扩频电路134响应本地基准信号产生一个用于控制器114的时钟信号，和选择地对该时钟信号的谐波进行扩展。因为扩频电路和合成器被连接到同一个基准振荡器，这两个电路可以使用一个公共晶体，从而减少了通信设备所需的振荡器数量。这使得设备的成本和重量都得到降低。

控制器114包括在通信设备104内的数字电路。控制器114由与由扩频电路134输出的主时钟信号同步工作的电路组成。

扩频电路134包括输入缓冲器202(图2)，求和器206，开关电路208，和输出缓冲器210。输入缓冲器202隔离输入到合成器电路130的基准信号，即时钟信号，生成一个被输入到求和器206的缓冲时钟信号。来自输入缓冲器202的信号被表明经电阻204连接到求和器206，电阻204设定了输入到求和器的缓冲时钟信号的电平。也可以使用单一的导线，滤波器，或类似器件来代替电阻。

开关电路208接收来自合成器电路130的扩频信号和来自控制器114的偏置信号。偏置信号使开关电路208“接通”和“断开”。当开关电路接通时，该扩频信号被输入到求和器206并与缓冲时钟信号求和，复合信号被送到输出缓冲器210。当开关电路208断开时，缓冲时钟信号被独自送到输出缓冲器210。输出缓冲器210可采用比较器，限制电路，以其1/2逻辑阈值(例如对于5伏反相器为2.5伏)偏置其输入直流的逻辑反相器，或类似电路。

当开关电路208接通时，输出缓冲器210接收求和信号和输出一个具有相位调制的信号，该信号由缓冲时钟信号与缓冲时钟信号相加产生的。以这种方式，缓冲时钟信号被扩频信号调制，以产生一个已调时钟信号。当开关电路208打开时，因为该扩频信号将不改变缓冲时钟信号，所以输出缓冲器210将不输出实质上的已调信号。这样，当开关电路208断开时，缓冲时钟信号通过扩频电路而不被调制。

通过改变调制信号的幅度，偏置信号的电平还对调制度进行调整。开关电路可采用任何合适的开关，诸如继电器，场效应晶体管(FET)，npn(负-正-负)双级晶体管，pnp(正-负-正)双级晶体管，包括发光二极管(LET)和光敏元件的光开关，等类似器件实现。

图3示出了用于无线电话的扩频电路134和合成器电路130的一个实施例。基准振荡器132拥有一个与晶体304连接的振荡器电路302。振荡器电路302调整基准振荡器输出，以便在接点305的本地基准信号，即时钟信号具有一固定的预定频率。基准信号被输入到合成器电路130中的除法器350，锁相环352，和锁相环353。除法器350产生在输入端312输入到扩频电路1134的扩频信号。锁相环352产生输入到混合器126的振荡信号。锁相环353产生输入到混合器122的信道选择信号。

锁相环353包括一个可编程分频器356，响应来自数字电路342的信道信号，根据被选取的信道输出一个下分频信号。相位检测器360把可编程分频器的相位与来自基准振荡器132的基准信号比较。相位检测器比较这些信号和输出一个指示其差的信号。环路滤波器358对该信号滤波，为振荡器354产生一个控制信号。该振荡器频率由自滤波器358输入其的控制输入设定。该信号被反馈到可编程分频器。锁相环353将对受控振荡器的频率进行调整，直到由相位检测器360检测的相位差基本为零。除了锁相环352不包括接收信道信号的可编程分频器外，锁相环352与锁相环353相同。

来自振荡器电路302的基准信号被输入到输入缓冲器202，其输出为缓冲时钟信号，它是一个具有固定预定频率的方波时钟信号。输入缓冲器202的输出由滤波器306被转变成一个正弦信号A。滤波器206由电阻316和电容318构成。电阻316设定了在输出缓冲器210的输入端被求和的缓冲时钟信号的电平。如果主时钟信号为正弦信号，则电容318可去掉。

在数字电路342的输出端的偏置信号被连接到电阻320，该电阻被连接到一个晶体管322的集电极。电阻320是由晶体管322和相关元件构成的放大器电路的负载电阻。该电阻的阻抗能被改变，以改变放大器的增益。通过选择该放大器的增益，扩频调制信号的幅度被设定。该扩频信号输入312经包括电容328和电阻330的串联元件被连接到晶体管322的基极。电容328除去自该调制信号移出的任何直流成分。电阻324连接在晶体管322的集电极和基极之间，电阻326连接在晶体管322的基极与发射极之间。晶体管322的集电极连接到电阻332，该电阻经电容334连接到一个求和接点308，在该接点处，来自开关电路208和低通滤波器306的电压被求和。求和接点308被连接到具有阈值电平Vth的输出缓冲器210。当在求和接点308的信号大于该阈值Vth时，输出缓冲器210的输出具有一高逻辑电平。当在求和接点308的信号低于该Vth时，输出缓冲器210的输出具有一低逻辑电平。该Vth电压电平通常这样来选取，即来自输出缓冲器210的输出信号的占空比为50％。复合已调信号被输入到数字电路342作为该数字电路工作的时钟信号。

在工作中，并参考图1，3和4，由输入缓冲器202输出的缓冲信号输出在滤波器306中被滤波，在输出缓冲器210中被再缓冲一次，并被送到用于多个信道的数字电路342。并不使用扩频信号对缓冲时钟信号进行调制，因为所述偏置信号具有零电压电平，这防止了开关电路208把扩频信号通到接点308。然而，对于包括有主时钟信号的谐波的那些信道，通过在输出端310输入一个偏置信号使晶体管电路偏置成一个放大器，使开关电路208闭合。随后，在输入端312的扩频信号与位于输出缓冲器210输入端的缓冲时钟信号组合。正如图4所示，该缓冲时钟信号V_A具有一固定频率。扩频信号V_B具有一个比缓冲时钟信号低得多的频率。例如，缓冲时钟信号可以是大约13MHz，而扩频信号的频率可以是大约500KHz，这两个信号都可从基准振荡器132获得。当开关电路208闭合时，组合信号V_c被输入到输出缓冲器210，相反，当开关电路208打开时，仅输入振荡主时钟信号。

输出缓冲器210的输出信号V_D是用于数字电路342的主时钟信号。当开关电路208打开时，该主时钟信号是一个由缓冲时钟信号和阈值电压Vth设定的固定频率信号。当开关电路208接通时，该主时钟信号是一个方波信号，该方波信号是以缓冲时钟信号为基频的相位已调信号。因为调制量被乘以谐波数，所以该已调时钟信号在各谐波产生宽带调制。相位已调信号的平均频率将接近缓冲时钟信号频率。将合成主时钟信号的较高次谐波扩展，以便它们将基本上不会对在一单一信道中接收的信号产生干扰。可以想象，选取该调制信号和阈值信号的幅度，以便当开关电路闭合时合成已调时钟信号的脉冲占空比从45％变化到55％。如果占空比降到45％以下，数字处理器跟随时钟信号可能会有困难。

现在将参考图4中的波形V_A，V_B，V_c，Vth和V_D对调制进行描述。波形V_A是以频率f_A工作的缓冲时钟信号。波形V_B是扩频信号，它是以频率f_B工作的正弦信号。波形V_c是通过求和V_A和V_B产生的信号。Vth是输出缓冲器210(图3)的截止幅度。V_D是使波形V_c通过输出缓冲器210产生的已调时钟信号。如在图4中所能看到的，通过与扩频信号求和在第一时钟信号V_A之幅度中的变化导致了已调时钟信号中相位，即相位调制的变化。

具有A伏峰值幅度，频率为f_A的第一时钟信号的电压V_A作为时间t的函数描述如下：

V_A＝A^*Sin{(2π^*f_A)^*t}

类似地，具有B伏峰值幅度，频率为f_B的扩频信号的电压V_B作为时间t的函数描述如下：

V_B＝B^*Sin{(2π^*f_B)^*t}

求和信号电压V_C为V_A和V_B之和。该求和信号描述如下：

V_C＝A^*Sin{(2π^*f_A)^*t}+B^*Sin{(2π^*f_B)^*t}

如果没有调制波形存在，这样扩频信号V_B的电压为零，则输出缓冲器210输出波形V_E为没有任何相位调制，占空比为50％的方波。在这种情况下，比较器输出幅度D描述如下： $V_D=\left(5^{*}D\right)+(2^{*}D/\mathrm{\π})\underset{n=1}{\overset{\∞}{*}}\mathrm{\Σ}\left\{\right\{1/\left[{(2}^{*}n\right)-1\left]{\}}^{*}\mathrm{Sin}\right\{\left[\right(2^{*}n-1{]}^{*}\left(2^{*}{\mathrm{\π}}^{*}{f}_A\right\}\}$

利用具有非零值的扩频信号，可以产生调制。然而，必须实现谐波幅度的抑制而不导致已调时钟信号V_D中基波的过多相位失真。失真基波是该方波占空比的峰值百分比偏差。选择扩频信号V_B的幅度，以便已调时钟信号V_D的占空比是在50％+/-。如果扩频信号的频率f_B大大地低于第一时钟信号频率f_B，则V_B由下式确定：

V_B＝V_A ^*Sin[.5^*(/100)^*π]

典型地，我们需要峰值百分比相位偏差为低于5％。这给出了对于＝5％的一个.079的V_BV_A比率要求。

已调时钟信号可被描述如下，其中J_m表示第一类的第m阶Bessel函数： $V_D=\left(5^{*}D\right)+{(2^{*}D/\mathrm{\π})}^{*}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\right\{1/[\left(2^{*}n\right)-1]{\}}^{*}\left\{J_m\right[n^{*}5(/100]\}$

^*Sin{[(2^*n-1]^*(2^*π^*f_A)+m^*(2^*π^*f_B)}}

对一个小的，第n个时钟谐波的抑制量是近似等于10^*Log{J_o[n^*.5(/100]}。例如，如果＝5％和n＝80，则抑制量为10^*Log[J_o(2)]＝6.5dB。

在用于GMS的实际处理中，时钟信号是大约13MHz，调制信号大约500KHz。这造成了对信道5和70中接收信号的干扰。这两个信道分别位于936和949MHz，它们是主时钟信号的72nd和73rd谐波。该电路在退敏方面提供了约7dB改进，这是一个超过没有扩频的系统的大大的改进。此外，相对于没有扩频的电路来说，这种改进是以很低的附加成本实现的。

时钟调制技术的困难之一是把各谐波扩展到其它信道能够使好的信道变成退敏。如果这种情况出现，可以提供开关电路208。该开关电路通过仅当所选信道与主时钟之谐波一致时使扩频发生消除了这种问题。在上面说明的实际处理中，通过仅对信道5和70闭合开关电路208使扩频电路启动。如果开关电路208被除去，在输入端312的调制时钟信号可通过一个电阻和一个电容耦合到输出缓冲器210，通过一个单独的电容，或容性或感性耦合的传输线。

为了减少由开关电路208引起的电流泄漏(在电池供电的设备中这是所需的，以改善电池的工作时间)可以采用附加准则确定何时该开关电路被闭合。这样，仅当所选信道与主时钟之谐波一致和接收机正工作在其灵敏度极限附近时，该开关电路才能被闭合。这后一条件可根据比特差错率确定，或作为GMS无线电话中的例子，根据RX_LEV或RX_QUAL信号确定。RX_QUAL信号由无线电话产生，并具有从0至4的范围。0的RX_QUAL对应0.0和0.2％之间的比特差错率；1的RX_QUAL对应0.2和0.4％之间的比特差错率；2的RX_QUAL对应0.4和0.8％之间的比特差错率；3的RX_QUAL对应0.8和1.6％之间的比特差错率；而4的RX_QUAL对应1.6和3.2％之间的比特差错率。RX_LEV范围从0到100，并与包括干扰的接收信号的功率相对应。范围0到100对应着-110至-10dB的输入电平。可以使用这样一个准则，即当RX_QUAL信号大于1且所选信道是第一时钟信号的谐波时，仅使用扩频电路134调制缓冲时钟信号。可以使用另一准则，即当RX_QUAL很弱，诸如例如低于15，和所选信道包括缓冲时钟信号之谐波时，仅使用扩频电路调制缓冲时钟信号。在这种方式中，只有当信号电平的改进成为必须时，该开关电路才被闭合，由此减少由开关电路208引起的电流泄漏。

可以看到，以上公开了一种提供有效频率扩展的电路。该电路在利用不多的电路元件和比以前使用的电路低的成本实现的电路中提供了时钟谐波扩展。此外，通过仅对在包括主时钟信号之谐波的信道中的时钟信号进行调制，有可能避免由于扩频导致的好信道的退敏。

Claims (10)

1.一种通信设备包括：

在一第一带宽内接收已调接收信号的接收机电路；

以第一频率产生第一时钟信号的基准信号发生器，该第一时钟信号具有多个谐波；

与基准信号发生器和接收机电路连接、响应第一时钟信号产生由所述接收机电路使用的信号的电路，用以减小已调接收信号之频率；

控制电路；和

连接在所述基准信号发生器与控制电路之间的扩频电路，用于利用扩频信号对第一时钟信号进行调制，以产生一个包括已调谐波频率成分的已调时钟信号，其中该第一时钟信号的谐波频率成分的功率电平在比第一带宽大的频率带宽中扩展，从而对第一带宽内已调接收信号的干扰被减小；

所述控制电路与扩频电路连接，以接收所述已调时钟信号，和根据该已调时钟信号以一频率工作。

2.根据权利要求1的通信设备，进一步包括一个与扩频电路连接的开关电路，以便不能使用扩频信号进行调制。

3.根据权利要求2的通信设备，其中所述开关电路接收一个偏置信号和一个扩频调制信号，该偏置信号使所述开关电路接通和断开，以选择地通过所述扩频调制信号。

4.根据权利要求3的通信设备，其中开关电路包括一个由所述偏置信号偏置的晶体管，对该偏置信号的幅度进行调整，以调整由该开关电路输出的扩频信号的幅度。

5.根据权利要求3的通信设备，其中控制电路连接到所述开关电路以提供偏置信号，和连接到控制接收机电路的电路以从一组可能的信道中选择一个信道，其中选择偏置信号以使开关电路不能作用，以便仅对所述可能信道组的一预定子组利用该扩频调制信号对第一时钟信号进行调制。

6.根据权利要求2的通信设备，其中扩频电路包括一个求和器，该求和器连接到开关电路和基准信号发生器，用于将所述开关电路的输出与第一时钟信号组合。

7.根据权利要求1的通信设备，其中扩频信号是一个基本恒定频率信号，它具有实际上比第一时钟信号之频率低的频率。

8.根据权利要求1的通信设备，其中当已调信号具有接近第一时钟信号的谐波之频率时，控制电路控制扩频电路用扩频信号调制第一时钟信号，和当已调信号具有基本上不同于第一时钟信号的谐波之频率时，控制扩频电路不用扩频信号调制第一时钟信号。

9.根据权利要求8的通信设备，其中扩频电路包括一个具有偏置控制输入的开关电路和一个耦合接收该扩频信号的输入端。

10.根据权利要求10的通信设备，其中控制电路连接到所述开关电路以提供该偏置信号，和连接到接收机电路以控制接收机电路从一组可能信道中选择一个信道，和其中偏置信号控制开关电路以仅对可能信道组的一个子组使扩频信号通过。

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