CN1258259C

CN1258259C - 利用波形发生器的频率调制器

Info

Publication number: CN1258259C
Application number: CNB018137989A
Authority: CN
Inventors: 纳迪姆·赫拉特
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2021-07-16
Also published as: EP1178601A1; US20040090909A1; WO2002013369A1; KR20030028561A; AU2001276404A1; KR100861669B1; CN1451202A; JP2004506364A; DE60018177D1; JP4383046B2; DE60018177T2; ATE289458T1; EP1178601B1; US6873218B2

Abstract

本发明公开了一种多模式环路频率调制器(10)，其用于根据不同的调制脉冲整形和数据信号来调制载波信号以提供调制后的输出信号(VCOout)，所述多模式环路频率调制器包括：波形发生器(12)和两个多路复用器(14，38)，执行不同的脉冲整形滤波和/或响应于双端口调制或单端口调制使脉冲整形滤波器脉冲预失真。波形发生器(12)也能够提供内插值到输入频率偏移，也能够为由晶振(30)和参考除法器(28)提供的各种不同的参考频时钟提供放大。低通滤波器(22)被用来提供PLL环路滤波，也作为高端口DAC(18)的平滑滤波器。

Description

利用波形发生器的频率调制器

技术领域

本发明涉及一种频率调制器，具体地说，涉及使用波形发生器的频调制器。

背景技术

诸如蜂窝、无绳和数据传输系统的许多数字无线通信系统使用FSK、GFSK(高斯频移键控)或者GMSK(高斯均值键控)调制技术。实际上，这些调制技术是用恒定的射频(RF)信号封装进行简单的频率调制(FM)。

由于在这些调制技术中没有涉及到幅度调制(AM)，正如在常规模拟FM发射机，诸如在模拟蜂窝系统中一样，可以用基带信号直接调制压控振荡器(VCO)频率。直接调制VCO频率可以显著地减少成本。在低成本为关键因素的情况下，在数字应用中尤其希望这种配置。例如，诸如DECT的数字方案的整个成本必须很低以与公知的、诸如CT0的模拟系统竞争。

为了避免破坏视图的任何的内部码元干扰和降低数字系统中的传输误码率，在基带信号的整个频谱上，必须保持幅度传递函数和调制通路上的群延迟恒定。这就要求锁相环(PLL)的传递函数必须足够大以使整个调制频谱能通过。而且，为了满足应用的无线规范，为了避免噪声和获得调制精度，应当尽可能维持要发射的RF信号源的频谱纯度靠近载波信号，并且应当尽可能维持其远离载波信号以较少谐波、固有噪声电平和离散的寄生信号。因此，PLL的传递函数必须足够小以滤掉噪声。

称为双端口调制的技术是公知的、提供产生低端口调制信号和高端口调制的能力。低端口调制信号被用来驱动控制PLL的分频器的噪声整形电路，而同时高端口频率调制信号被用来作为到高端口通路的输入，高端口通路利用数字-模拟转换器(DAC)来直接驱动压控振荡器(VCO)的输入电压。双端口调制的作用是提供用于参考时钟和噪声整形电路产生的噪声的低通传递函数，并且提供对输入频率偏移的全通函数。

现有的双端口调制电路存在几种问题。首先，直接连接DAC输出到VCO输入可在VCO的输出端产生噪声。其次，在DAC输出端需要平滑滤波器以滤掉DAC产生模拟输出。第三，对于给定的频率调制，需要几种查询表来存储频率偏移脉冲整形值。一些频率调制要求不同的石英钟来驱动PLL，或者对于给定的石英钟要求用于PLL的不同参考时钟，已提供不同的带宽(例如，专用移动无线系统)。如果必须修改参考时钟，对于各个参考时钟，必须增加查找表的数目，这导致系统成本增加。

美国专利说明书5548541描述了一种数据传输系统，其包括用于对数据信号进行预失真的正交相移键控(QPSK)调制器，将预失真数据信号预载波信号结合起来产生调制的输出信号，但是没有提出使用双端口调制电路。

发明内容

根据本发明，所提供的如下：

频率调制器，其根据调制数据信号调制载波信号以提供调制的输出信号，所述频率调制器包括：

波形发生器，连接来接收调制数据信号来以选择的方式预测调制数据信号，以提供至少一个预测的调制数据信号；和

电路，连接来接收至少一个预测的调制数据信号，以产生和在输出端提供调制后的输出信号所述电路(11)包括：

环路滤波器(22)；和

VCO(24)，被连接来接收来自所述环路滤波器的输入，以在所述VCO的输出端产生所述调制后的数据信号，

其中，所述至少一个预失真的调制数据信号包括高端口频率偏移信号(54)和低端口频率偏移信号(56)，所述高端口频率偏移信号和低端口频率偏移信号之间的抽取比率是可编程的，

所述高端口频率偏移信号不直接提供给所述VCO作为输入，而是所述高端口频率偏移信号通过所述环路滤波器来影响所述VCO。

附图简要说明

现在以示例方式、参考附图介绍根据本发明的频率调制器，其中：

图1为根据本发明一个实施例的多模式环路FM调制器的方框图；

图2为根据本发明的一个实施例的、图1的电阻性衰减器20和环路滤波器22的一个实施例的原理图；

图3为根据本发明一个实施例的、图1的电阻性衰减器20和环路滤波器22的替换实施例的原理图；

图4和图5一起组成根据本发明的一个实施例的图1的波形发生器12部分的方框图。

具体实施方式

图1示出多模式环路FM调制10的一个实施例。在本发明的一个实施例中，FM波形发生器12初始频率偏移43，其用于提供初始频率偏移值。FM波形发生器12也利用输入数据端口40来接收输入数据。选择跨度45、重复采样选择42、抽取选择44和脉冲整形系数输入46被用来提供控制和选择信息给FM波形发生器12。FM波形发生器12被用来产生高端口频率偏移信号54，其被提供给多路复用器14的第一输入。提供一个零频输入信号作为到多路复用器14的第二输入。提供模式选择信号48以选择将多路复用器14的哪一个输入提供给可编程延迟电路16。可编程延迟电路的编程机制可以是软件或硬件(未示出)。可编程延迟电路16的输出连接到数字-模拟转换器(DAC)18的输入端。在本发明的一些实施例中，DAC18的增益是可以编程的。DAC18的输出提供给电阻性衰减器20，而电阻性衰减器20的输出提供给环路滤波器22。环路滤波器22的输出提供给压控振荡器(VCO)24。VCO24的输出称为VCO输出41的信号，其为多模式环路FM调制器10的输出。VCO输出信号41也被提供给分频器32的输入端，在本发明的一个实施例中，分频器32可将VCO输出信号41除以可编程值N。可以用软件或硬件将值N提供给分频器32(未示出)。分频器32的输出提供给噪声整形器34和相位检测器和电荷泵电路26。噪声整形器34使用分频器32的输出作为时钟信号。在本发明的一个实施例中，噪声整形器34使用时钟来给噪声器34内的一个或多个累加器计时。相位检测器和电荷泵26接收来自分频器电路28的信号。分频器电路28从晶振30接收信号，相位检测器和电荷泵26也接收用来打开或关闭电荷泵的模式选择信号48。相位检测器和电荷泵26的输出提供给环路滤波器22。

FM波形发生器12的第二输出端为低端口频率偏移56。低端口频率偏移56提供一个输入给多路复用器38，多路复用器也接收作为输入的零频信号。模式选择作为一个选择信号被提供给多路复用器38，以选择哪一个输入作为多路复用器38的输出来提供给加法器36。加法器36也接收信道输入50和用于晶振输入的自动频率纠正52。可利用信道输入50来改变在其上提供VCO输出41的信道。用于晶振的自动频率纠正53可以是加到加法器36的一个输入，以补偿晶振30的标称频率和实际频率之间的偏移。加法器36的输出提供给噪声整形电路34。

图2说明图1的电阻性衰减器20和环路滤波器22的一个实施例。在一个实施例中，电阻性衰减器20包括电阻62和电阻61。电阻61的第一端连接到电阻62的第一端和电容60的第一端。电阻62的第二端连接来接收来自DAC18的输出。电阻61的第二端连接到第一电源电压。在本发明的一个实施例中，第一电源电压大约为地电位。电容60的第二端连接到节点70。节点70也连接到相位检测器和电荷泵26、电容63的第一端、电阻64的第一端和电阻66的第一端。电阻66的第二端连接到电阻68的第一端和电容67的第一端。电阻68的第二端连接到电容69的第一端，也作为输入提供给VCO24。电阻64的第二端连接到电容65的第一端。电容63的第二端、电容65的第二端、电容67的第二端和电容69的第二端都连接到第一电源电压。

图3说明图1的电阻性衰减器20和环路滤波器22的替换实施例。电阻衰减器20包括电阻82。电阻82的第一端被提供给DAC18的输出。电阻82的第二端连接到电容80的第一端、电阻84的第一端和电容85的第二端。电阻84的第二端连接到第一电源电压。电容85的第一端连接到电容83的第一端和电阻86的第一端。电容83的第二端连接到第一电源电压。电阻86的第二端连接到节点91。节点91也连接到电容87的第一端和电阻88的第一端。电阻88的第二端连接到电容89的第一端，并提供给VCO24。电容87的第二端和电容89的第二端都连接到第一电源电压。电容83的第一端连接到相位检测器和电荷泵电路26。电容80的第二端连接到节点91。

图4说明FM波形发生器12的一部分。尽管图4说明本发明的替换实施例的四阶系统，可以使用其它的阶数系统。在图4中说明的本发明的实施例中，由电路100-109和150产生第一阶导数。使用多路复用器100来确定是否从脉冲整形系数输入46或者从在存储电路107的输出端处的反馈输出加载系数。在本发明的一个实施例中，使用存储电路102-107来存储脉冲整形滤波器的脉冲响应的第一阶导数。乘法器108将系数值乘以在存储电路147的输出端处产生的输入数据值。乘法器108的输出提供给求和电路(symation circuit)109。求和电路109的输出提供给存储电路150。存储电路150的输出作为另一个输入反馈到求和电路109。存储电路150的输出也提供给存储电路167。

在本发明的一个实施例中，求和电路109和存储电路150执行累加功能。(请求填入第二、第三和第四阶导数)。

输入数据40被作为一个到多路复用器140的一个输入，多路复用器140的低数据选择输入选择是否在多路复用器的输出端处提供输入数据40或是否在在多路复用器140的输出端处提供来自存储电路147的反馈通路。多路复用器140的输出连接到存储电路142。存储电路142的输出连接到存储电路143的输入。存储电路143的输出连接到多路复用器141的第一输入端。多路复用器141的第二输入连接到多路复用器140的输出。多路复用器141的输出连接到存储电路144的输入。存储电路144的输出连接到存储电路145的输入。存储电路145的输出连接到存储电路146的输入。存储电路146的输出连接到存储电路147的输入。存储电路147的输出连接到多路复用器140的输入，和连接到多路复用器138、128、118和108。注意，尽管图4的实施例中允许在标准选择长度中选择4或6，在本发明的替换实施例中可以使用更多或更少的多路复用器来允许选择的长度以很多方式变化。

参见图1，利用位于FM调制器10中的波形发生器12允许不同的且可编程脉冲滤波器被用于各种频率调制方案。例如，可以使用波形发生器12来预补偿(predistort)整个双端口传递函数，使得组合的预失真和双端口传递函数在整个频率上具有减少的增益和相位的脉动。注意，可以使用FM波形发生器12来进行内插，或可以另外用来进行滤波和内插。如果仅仅使用波形发生器12来进行内插，则可使用诸如数字信号处理器的另一个集成电路(未示出)来进行滤波，且可以将输入数据40提供给波形发生器12。

现有技术的方法经常使用查找表来执行内插。波形发生器12的使用得到显著的灵活性，这是现有技术的查找表所没有的。可以使用波形发生器12来预补偿到高端口(高端口频率偏移信号54)和低端口(低端口频率频移信号56)的输入信号。波形发生器12的输出可以缩放作为(be scaled as)参考频率的函数。这可以用来调整不同频率的晶振的使用或者调整分频器28的值M的改变。这种缩放(scaling)是通过在脉冲整形系数输入46中为波形发生器12选择不同系数来完成。注意，可以由波形发生器12使用在输入46处的适当选择的脉冲整形系数值和在输入42处的适当选择的重复采样选择值来在输入40处提供的输入数据值之间内插入值。可使用重复采样选择输入42来选择对在输入40中的每一对输入数据之间内插入多少点。

本发明的另一个特征在于：环路滤波器22对DAC18的输出进行滤波。在现有技术的方法中，DAC18的输出旁路(bypassed)环路滤波器22，并且直接提供给VCO24的输入。在本发明的另一个实施例中，利用电阻性衰减器20将DAC18的输出提供给环路滤波器22，因此对DAC18的输出进行滤波。结果，环路滤波器22提供了双功能，因为它对到VCO24的输入信号和DAC18的输出进行滤波。

在本发明的一个实施例中，高端口频率偏移54和低端口频率偏56相互关联，因为低端口频率偏移56为高端口频率偏移54的抽取。可利用到波形发生器12的抽取选择输入44来对高端口频率偏移54和低端口频率偏移56之间的抽取关系进行编程。

图2和图3说明可将DAC18连接到环路滤波器22的另一种方法。此外，可以不同的方法实现电阻性衰减器20和环路滤波器22的特定电路。重要的是，如果DAC18直接连接到VCO24的输入并且旁路环路滤波器22，环路滤波器22至少提供对DAC18的输出进行一些滤波，则在VCO输出端41产生更多的噪声。在一个实施例中，本发明将DAC18的输出连接到环路滤波器22内的一些点，使得环路滤波器22有双重功能：对DAC18的输出进行滤波，和对相位检测器和电荷泵26提供的信号进行滤波。

本发明的另一个实施例可以以不同方式将DAC18连接到环路滤波器22。例如，图3中的电路允许去掉电阻61(见图2)，因为环路滤波器22内的电阻84起相似的衰减功能。尽管图2和图3已经示出将DAC18连接到环路滤波器22的另一个实施例，有各种方法来进行连接。注意，已经将电容60加到图2的电路中，以连接电阻性衰减器20和环路滤波器22。已经在相似的方式中将电容80加到图3的电路中以将电阻性衰减器20连接到滤波器22。同样注意，本发明的替换实施例可以很多不同的方法连接DAC18到滤波器。

利用环路滤波器22将DAC18连接到VCO24，FM调制器10的传递函数对频率不再是恒定。这就产生一个可由波形发生器12解决的问题。可以利用输入46提供的脉冲整形系数来对波形发生器12进行编程，从而以显著地减少由于直接将DAC18连接到环路滤波器22引起的失真来使传递函数失真。这是通过将波形发生器12加到FM调制器10，提供了灵活性的另一个例子。

注意，波形发生器12也可用来执行滤波功能，以减少FM调制器10对VCO24的增益变化的灵敏度。这种由波形发生器12执行的滤波可以由任意类型的线性相位滤波器来执行，例如，由诸如贝塞尔滤波器来执行。注意，这种线性相位滤波器是为了附加预失真，也由波形发生器12执行的脉冲整形滤波。在本发明的一个实施例中，线性相位滤波、预失真、和脉冲整形滤波都可以利用波形发生器12内的一个滤波器来执行。本发明的替换实施例可能采用位于波形发生器12内的多个滤波器。此外，本发明的替换实施例可在波形发生器12内执行更少的、更多的、或者不同的滤波和波形整形功能。

下面的几段介绍如何使用位于波形发生器12内的一个滤波器来执行线性相位滤波、预失真、和脉冲整形滤波。

对于一般的双端口的情况，我们可以将VCO输出频率Fout对输入频率偏移Fin表示为：

Gcl, dp (s) = \frac{Fout}{Fin}

(方程1)

式中，Kv为VCO斜率，单位为Mhz/V。

式中，N为分频器32的编程值。

式中，Icp为电荷泵26电流值，单位为mA。

式中，Kdacatt为DAC 18和衰减器20的增益。

式中，Zlpf(s)为电荷泵26的输出和环路滤波器22的输出之间的环路滤波器低端口阻抗传递函数，单位为V/mA。

式中，Vhpf(s)为衰减器20的输出和环路滤波器22的输出之间的环路滤波器高端口传递函数，单位为V/V。

式中，s为拉普拉斯变换变量。

为了使方程1相对频率是不变的，这就要求在有用的信号频谱上Kdacatt*Vhpf(s)*Kv＝1(方程2)。

请注意，在直接加在VCO输入的理想双端口中，结果让Vhpf(s)＝1，则要求Kdacatt*Kv＝1，这是与频率无关的。

当Vhpf(s)为频率的函数时，方程2不能满足于有用的信号频谱。一种可能的方案是用位于高端口通路的预失真来补偿Vhpf(s)，然而，这样要求将另一个可编程波形发生器加到波形发生器的顶端上的高端口，连接到低端口通路。

通过实现组合了预失真传递函数Hpd(s)的脉冲整形滤波器传递函数即F(s)*Hpd(s)，使用单个波形发生起来驱动高端口和低端口，其中

预失真传递函数可以减少所有的增益波动和组延迟波动，由于在两个端口上进行预失真，没有完全消除这种波动以避免使用量个波形发生器。

使用带有FM调制器10的波形发生器12的重要优点在于：可以多种不同方法对波形发生器12进行编程以根据在调制器10的电路内的不同变化而调整调制器10的性能。因此，多模式环路FM调制器10的设计者现在有大量的灵活性来调整滤波和内插，这可以在FM调制10内进行。注意，本发明的另一个实施例可能使用量个多路复用器14和38，也可以仅仅使用他们其中之一，或者可以都不使用他们。同样，注意，通过将零输入送给多路复用器14和38，FM调制器10的用户可以选择一个系统，其中由高端口单独驱动VCO24，由低端口单独驱动VCO24，或者由高端口和低端口共同驱动。

在另一个实施例中，通过工作的放大器(未示出)，DAC18可旁路环路滤波器22，且可以连接到VCO24的输入端。然而，这种方法的一个缺点是：工作的放大器可能显著地增加成本，且将噪声引入FM调制器10。此外，不再由环路滤波器22对DAC18的输出进行滤波。

图4说明图1的波形发生器12的一部分的一个实施例。在图4的实施例中，选择跨度信号45选择是否旁路存储电路102和103。因此，选择跨度45确定是否将跨度选择为4(使用存储电路104-107)或者是否将跨度选择为6(使用存储电路102-107)。本发明的另一个实施例可使用多个多路复用器(例如，100，101)，或者多路复用器放置在不同于图4的位置。例如，类似于多路复用器101的另一个多路复用器可连接于存储电路105和106之间，以允许选择跨度45选择为2，4或6。跨度确定了波形发生器12的滤波器在给定的时间内使用的前面的数据输入值的数量。不同的预确定协议要求不同的跨度。因此，图4中的波形发生器12可用于不同的协议，因为跨度是可编程的。

波形发生器12的另一个特征是乘法器108，118，128，和138以输入数据速率乘以在输入端45选择的选择跨度来工作。输入数据速率为在输入40处提供的输入数据的频率。在现有技术中，为在跨度内的每一个存储电路(例如，102-107)使用单独的乘法器是很平常的。因此，本发明允许以更高的似中频率重复使用一个乘法器，而现有技术要求多个乘法器，他们以较低的时钟频率工作。

通过改变重复采样时钟181并且将数个输入移入移位器162，165和168，本发明允许对重复采样速率编程。注意，积分电路200执行积分功能，其中最后一级接收初始频率偏移值43，该功能允许FM调制器10被设置为预定的初始值。积分电路200使用重复采样时钟181来积分输入数据40的导数。积分器200产生和提供高端口偏移信号154和低端口频率偏移信号56。N移位电路162，165和168可用来调整重复采样时钟和输入数据速率之间的差值。注意，使用简单的移位电路，假设重复采样时钟和输入数据时钟的关系为2的数幂。移位电路162，165和168的移位量可以是可编程的值N。注意，在输入端提供给存储电路171的低端口时钟182可被用来执行抽取功能。因此，在本发明的一个实施例中，低端口频率信号是从高端口频率偏移信号154的抽取。本发明的另一个实施例可以另外的方式进行抽取，或者不使用抽取。换言之，只有高端口频率偏移信号54的X个值中的一个被实际提供并且通过作为低端口频率偏移信号56的一部分。

尽管在图4中已经说明了波形发生器12的一个实施例，有很多的波形发生器的实施例可以用于本发明。例如，尽管已经说明的波形发生器12主要是使用硬件来实现的，需要注意，本发明的替换实施例可以在实现波形发生器12中采用更多的软件。

Claims

1.一种频率调制器(10)，其根据调制数据信号(40)来调制载波信号以提供调制后的输出信号(41)，所述频率调制器包括：

波形发生器(12)，其连接来接收所述调制数据信号，以按照选定的方式来使所述调制数据信号预失真，以提供至少一个预失真的调制数据信号(54，56)；和

电路(11)，其连接来接收所述至少一个预失真的调制数据信号，以产生并在输出端提供所述调制后的输出信号，所述电路(11)包括：

环路滤波器(22)；和

2.根据权利要求1的频率调制器，其中所述波形发生器执行内插。

3.根据权利要求1的频率调制器，其中所述波形发生器执行滤波。

4.根据权利要求1的频率调制器，其中所述波形发生器的跨度(45)是可编程的。

5.根据权利要求1的频率调制器，其中所述波形发生器包括至少一个移位电路(162，165，168)，其调整所述调制数据信号的频率和重复采样时钟(181)的频率之间的差值。

6.根据权利要求1的频率调制器，其中所述波形发生器具有可编程的重复采样速率(42)。

7.根据权利要求1的频率调制器，其中所述波形发生器包括以所述调制数据信号的频率工作的乘法器电路(108，118，128，138)。

8.根据权利要求1的频率调制器，其中所述波形发生器包括以所述调制数据信号的频率工作的至少一个加法器电路(160，163，166，169)。

9.根据权利要求1的频率调制器，其中所述波形发生器能够缩放作为参考频率(30)的函数的所述至少一个预失真的调制数据信号。