CN1187915A - 使用一个中频和一个单独的本机振荡器的宽带零中频正交解调器 - Google Patents

使用一个中频和一个单独的本机振荡器的宽带零中频正交解调器 Download PDF

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Abstract

一个低功率零中频选呼接收机有一个本机振荡器(106),该振荡器产生一个用于第一混频器(104)的注入信号,和产生一对与正交相位有关的注入信号(122,124)用于一对第二混频器(112,114)。第一混频器把接收的载波信号(102)变换为一个中间信号(108)。一个数字的移相器/除法器(116)与本机振荡器(106)相耦合,在中间信号频率(108)上产生一对与正交相位有关的注入信号(122,124),中间信号的频率也等于本机振荡器(106)的频率被一个大于1的整数所除。一对第二混频器(112,114)与数字的移相器/除法器(116)相耦合,把中间信号(108)的同相的和正交的分量(122,124)变换为对应的同相的和正交的相位的基带信号(126,128)。

Description

使用一个中频和一个单独的本机 振荡器的宽带零中频正交解调器
这个发明一般地涉及一个直接变换的接收机，更准确地说，涉及低功率的直接变换的寻呼接收机。
在便携式的用电池工作的产品中，例如一个选呼接收机，直接变换的接收机，只有少数级，当用于低功率的个人寻呼接收机中时，具有许多优点。减少级数对延长电池的寿命和缩小实际的体积都是有帮助的。虽然这些优点是重要的，当和其它的接收机，例如超外差接收机相比较时，在直接变换的接收机的设计中所展现的难点和直接变换的接收机性能的降低，有时就比这些优点更为重要。
直接变换的接收机需要在等于所要的接收机载波频率上产生一个本机振荡器的频率。这个相对较强的本机振荡器信号，必须妥善地和接收机的输入端及天线隔离开。否则，本机振荡器信号的泄漏进入接收机的信号通道，可能使接收机中灵敏度高的级过载，和在检波器的输出中产生一个强的直流分量。这种情况会导致灵敏度变得很差和抑制杂散信号的能力下降。直流分量的出现也必须在基带放大器中加以抑制，进一步使基带放大器的设计复杂化。为了正常的高频运作所需的隔离程度，在大的非便携的接收机中是难于达到的，在一个非常小的个人接收机中就更难于做到了。
在直接变换的接收机中，一般所用的正交检波器要求一个本机振荡器有两个输出；包括一个同相位的和一个正交相位的输出信号。为了得到对杂散信号有良好的抑制能力，这两个信号的正交相位和振幅的关系必须非常精确地相互匹配。获得这些正交信号所需精确度的早先的技术方法，是和现代的零件数量少和功耗低的设计任务不相适应的，这种设计是以价格和性能竞争的个人电池供电的设备所需要的。
按常规，用于注入信号的一个正交关系是从一个无源的相移网络或有正交输出的类似的网络得到的。这种模拟的移相器一般只在一个十分有限的带宽内维持正交。依靠更为复杂的程度和增加零件的数量，可以获得更宽的频带。
为了在一个更宽的频带中运行，设计了数字的移相器，但是这种移相器要求本机振荡器在所需的注入频率的某些整倍率上运行，通常是4倍。结果，一个低功耗的930兆赫的寻呼接收机的本机振荡器引出了一个在3720兆赫上运行的系统。该系统将会使振荡器和数字移相器所需要的功率大大增加。
因此，所需要的是一个低功率的直接变换的接收机，该接收机实现了数字合成的零中频接收机的优点，而不会由于使用早先技术的高频振荡器或附加的外差级去得到频率变换而引起成本和功耗方面的不良后果。
简单地说，根据本发明，提供了一种低功率的零中频选呼接收机，该机解决了与直接变换接收机有关的一些问题，同时维持了利用最少变换级的优点，结果达到了低的功率消耗和高效率的运作。一个第一混频器和一个本机振荡器的运行去把接收的载波信号变换为一个中间信号。同一个本机振荡器还被一个数字的移相器/除法器用于得出两个正交的信号，这两个信号被一对第二混频器用于把中间信号解调为两个正交的基带信号。
图1是一个详细的方框图，表示出第一混频器，单独的本机振荡器，宽带移相器/除法器，而第二和第三个混频器是按照本发明构成的。
图2是一个定时图，表示出在数字移相器/除法器中的信号之间的关系。
图3是一个详细的方框图，表示出用某些平衡的元件和平衡的信号线来代替不平衡的元件和信号线。
图4是一个定时图，表示出在数字的移相器/除法器中的平衡信号之间的关系。
图5是一个包括图3的元件的一个选呼接收机。
本发明克服了许多与一个直接变换接收机有关的缺点。参阅图1，本发明通过包括一个第一混频器104克服了这些缺点，该混频器把一个接收到的载波信号102变换成一个中间信号108，而不会有增加一个第二晶体振荡器引起的成本和功耗的不良后果。本发明是以这样的方法设计接收机来达到这个目的的，即让接收的载波信号102(fC)，一个本机振荡器106的频率(fLO)，中间信号108的频率(fIF)，和一个同相位的注入信号122的频率和一个正交相位注入信号124的频率有一种特殊的关系。以这种特殊的频率关系来运行接收机避免了本机振荡器在接收机的载波频率上运行，和由于这个高电平的信号直接耦合进入接收机的灵敏的那些级，导致性能的降低。以这种方式运行接收机也能降低本机振荡器106(fLO)的工作频率，和数字移相器/除法器116的工作频率，减少功耗和降低对这些电路中使用的零件的技术要求。
这个专门的关系能通过图1表示出来。接收的载波信号102和来自本机振荡器106的一个本机振荡器信号110被耦合到第一混频器104。第一混频器104产生具有频率fIF的中间信号108，其中fIF＝fC-fLO。当fIF＝fLO-fC或fIF＝fC+fLO时，也能利用同样的关系，这是可以理解的。中间信号108被耦合到第二混频器112和第三混频器114(一对混频器)。本机振荡器信号110还耦合到数字移相器/除法器116。数字移相器/除法器116包括一个第一D型锁存器120和一个第二D型锁存器118，构成一个约翰逊计数器(Johnson counter)。与约翰逊计数器有关的信号表示在图2中。本机振荡器信号110，为了方便起见被表示在图2中，就像本机振荡器信号波形202那样的方波。约翰逊计数器的运行对于熟悉数字电路设计技术的人来说是众所周知的。经过查看，显然同相位的注入信号122被表示成一个同相位的注入波形信号204，而正交的相位注入信号124被表示成一个正交的相位注入信号波形206(一对正交的相关注入信号)，两者之间有一个正交的相位关系。更为明显的是同相位的注入信号122的频率和正交相位的注入信号124的频率(fINJ)是等于fLO/N。为了用图例说明，表示在图1中的约翰逊计数器有N＝4。同相位的注入信号122被耦合到第二混频器112而正交的相位注入信号124被耦合到第三混频器114。第二混频器112和第三混频器114产生了许多信号。有意义的信号是分别由第二混频器112和第三混频器114产生的一个同相位的基带信号126和一个正交相位的基带信号128，和被变换成调制在接收的载波信号102上的信息的正交分量。为了第二混频器112和第三混频器114的正常运行，fINJ必须是基本上等于fIF。如果
fINJ＝fIF和
fINJ＝fLO/N和
fIF＝fC-fLO，就可以得出这些频率的特殊关系是如下式所示：
fC＝fLO〔(N+1)/N〕和
fIF＝fLO/N
就象在一个常规的带有一个混频器和一个固定的中频放大器的接收机中一样，中频信号108是不固定的，而是随着接收的载波信号102的变化而变化。以这个方式变化的中间信号的频率被称为移动的中频信号。
图3表示出图1的电路，它对同相位的注入信号122和正交的相位注入信号124的不良的耦合和辐射的降低是一个改进。其中的数字式移相器/除法器116已经被一个具有平衡输出302的数字式移相器/除法器所取代。携带同相位注入信号122的导线被携带平衡相位的注入信号304的导线所取代。携带正交相位的注入信号124的导线被携带平衡的正交相位的注入信号306的平衡的导线所替代，第二混频器112被一个有平衡输入的第二混频器310所取代，而第三混频器114被一个有平衡输入的第三混频器308所取代。
图4表示的信号波形是现在改进后的电路中的波形。平衡的同相位注入信号304现在用一对波形来表示，即一个平衡的0°相位注入信号波形402和一个平衡的180°相位注入信号波形404，而平衡的正交的相位注入信号波形308现在用一对波形来表示，即一个平衡的90°相位注入信号波形406和一个平衡的270°相位注入信号波形408。注意一下每一对中的两个波形是如何彼此互补的，每一对信号是一起被发送的，使得从一根导线产生的任何电磁场对其它电路的不良耦合被另一根导线的电磁场所抵消。
第一混频器104，第二混频器112，第三混频器114，有平衡输入的第二混频器310和有平衡输入的第三混频器308可以由下列之一来组成，但不仅只限于这些：一个非线性的半导体混频器，一个开关式的混频器，或一个吉尔伯特光电元件(Gilbert cell)。
本机振荡器106可以是一个石英晶体控制的振荡器或如图5中所示的利用数字逻辑和锁相环路技术的频率合成器508。有许多频率的生成技术适合于这个用途，这是可以理解的。
数字的移相器/除法器116和带有平衡输出的数字移相器/除法器302可以由下列之一组成，但不限于下列这些：互补的金属氧化物半导体逻辑或发射极耦合逻辑。另外，在最佳的实例中全部的电路是以正的和负的电位之间不大于一个单独的二极管电位降来设计的，这样得出的电路在一伏特或小于一伏特，就能实现全部功能。
一个选呼的寻呼接收机如图5中所示，它包含了图3的一个宽带移相器/除法器的解调器506。本机振荡器已经被一个提供本机振荡器信号110的频率合成器所取代。在这个例子中，一个载波被一个天线502所截获，并耦合到高频放大器504。高频放大器504的输出，向宽带的移相器/除法器解调器506提供接收的载波信号102。从宽带的移相器/除法器解调器506来的同相位基带信号126和一个正交相位的基带信号128被耦合到一个解码器512。解码器512提供所用信号的类型和调制以适当的信号处理。在一种POCSAG(邮政总局寻呼码标准化咨询组)协议的情况下，信号是一个数字的两状态频移键控信号。可以理解的是通过采用适当的信号处理，许多不同类型的调制和信号是可以被处理的。解码器512被耦合到一个控制器514。控制器514被耦合到频率合成器508，一个代码插头510和一个用户接口516。控制器514提供选呼的寻呼接收机的各种功能的基本控制，一般由微处理器，存储器，和所需的输入输出装置组成。代码插头510存放了控制器实现选呼功能所必需的唯一识别信息。用户接口516提供用户一个表示接收了信息的声音的，图象的或机械的信号，而且还可以包括一个显示器和按钮，供用户去输入命令去控制接收机。
在本发明的一个替换的实例中，本机振荡器106，第一混频器104，有平衡输入的第二混频器310和有平衡输入的第三混频器308和有平衡输出出的数字移相器/除法器302可以被集成在一个单独的集成电路中。通过包括图5中所示的频率合成器508，这个集成电路能被进一步改进。

Claims (14)

1.一个低功率零中频的选呼接收机包括：
一个在第一频率(fLO)产生一个注入信号的本机振荡器；
一个第一混频器耦合到本机振荡器用于变换一个第二频率(fC)的一个接收的载波信号为一个第三频率(fIF)的一个中间信号，在那里，与中间信号有关的第三频率(fIF)是第一频率(fLO)和第二频率(fC)的和数或差值之一；
一个数字的移相器/除法器耦合到本机振荡器和第一混频器，数字的移相器/除法器在第三频率(fIF)上产生一对与正交相位相关联的注入信号，该第三频率(fIF)等于第一频率(fLO)除以一个大于1的整数。
一对第二混频器耦合到数字移相器/除法器和第一混频器。这对第二混频器在响应一对与正交相位有关的注入信号的一个同相位和正交的分量时，分别地把中间信号的一个同相位分量变换为一个同相位的基带信号，而且把中间信号的一个正交分量变换为一个正交的基带信号。
2.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的本机振荡器包括一个分立的晶体控制的单独的频率振荡器。
3.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的本机振荡器包括一个频率合成的晶体控制的振荡器。
4.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的本机振荡器包括一个频率合成的谐振器控制的振荡器。
5.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的第一混频器包括一个非线性的半导体混频器。
6.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的第一混频器包括一个开关型的混频器。
7.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的数字移相器/除法器包括一个约翰逊计数器。
8.根据权利要求7的低功率零中频选呼接收机，其中的约翰逊计数器是利用发射极耦合逻辑的布局技术来实现的，而且在1伏特的直流电压下是能充分运行的。
9.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的第二混频器包括非线性的半导体混频器。
10.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的第二混频器包括开关型的混频器。
11.根据权利要求1的低功率零中频选呼接收机，其中的本机振荡器、第一混频器、数字移相器/除法器，和一对第二混频器，是作为一个单独的集成电路来生产的。
12.一个低功率零中频的选呼接收机包括：
一个在第二频率接收一个载波信号的第一混频器，和在一个第一频率响应一个本机振荡器的注入信号时，在一个第三频率产生一个移动的中频信号；
一个直接变换的正交解调器从第一混频器接收移动的中频信号，并至少产生两个输出信号，代表载波信号中被调制信息的实数部分和虚数部分；
一个本机振荡器在第一频率上运行去向第一混频器提供第一本机振荡器的注入信号，和在第三频率上去向直接变换的正交解调器提供一个第二本机振荡器的注入信号，该第三频率等于第一频率被一个大于1的整数N除，而且还等于第一和第二频率的一个和数或差值。
13.根据权利要求12的低功率零中频选呼接收机，其中的直接变换的正交解调器包括：
一个第二混频器与第一混频器和一个数字的移相器/除法器相耦合，第二混频器在响应第二振荡器信号的一个同相位的注入分量时，把一个同相位的移动中频信号的分量变换成一个同相位的基带信号；和
一个第三混频器与第一混频器和数字的移相器/除法器相耦合，第三混频器在响应第二振荡器信号的一个正交注入分量时，把一个移动的中频信号的正交分量变换成一个正交的基带信号。
14.根据权利要求12的低功率零中频选呼接收机，其中的直接变换正交解调器包括：
一对第二混频器与一个数字移相器/除法器和第一混频器相耦合，这对第二混频器在响应第二振荡器信号的一个同相位的和一个正交的分量时，分别地，把移动的中频信号的一个同相分量变换为一个同相基带信号和把移动的中频信号的一个正交分量变换为一个正交的基带信号。
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