CN1385000A - 具有使用解调比特率的本机振荡器频率设置的收发信机 - Google Patents

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Abstract

通信系统从基带调制提取接收的调制频率。该频率用作控制可变频率振荡器的输出的基准。可变频率振荡器的输出可以用来生成发射上变频频率,并且还可以在接收操作期间执行从IF到基带的下变频。

Description

具有使用解调比特率的本机振荡器频率设置的收发信机
技术领域
本发明涉及无线通信，特别是从接收的无线发送检索频率信息。
背景技术
无线通信已变成从一地到另一地传送信息的最常用的方式之一。与电话系统，计算机局域网，以及诸如因特网之类的计算机广域网相联系的无线通信链路的应用日益普及，并且大量商用制造商提供面向这些市场的无线通信设备。
图1说明了常规无线通信技术的一些基本原理。在某些形式的无线通信中，对选用的消息进行编码的基带信号10与高频正弦波载波在上变频器14中组合。例如，在FM发射中，载波信号的频率根据基带消息信号10的内容所定义的方式而改变。然后发射调制的载波16，并且在适当的消息目的地通过下变频器电路18接收。上变频器14和下变频器18具有作为执行上变频和下变频进程的输入的基准频率信号12，20。在某些情况中，由下变频器18产生的基带消息信号22是初始消息信号10的再现，但是只要从下变频器18输出的消息内容是可解码的，情况就不一定是这样。
在广播系统中，如广播电视，只有中央台包含信号发射的电路系统。然而，为了例如中央的中枢和若干远程单元之间的双向通信，中枢和远程单元都要包含用于接收操作的下变频电路系统和用于发射操作的上变频电路系统。在这种情况下，远程单元还必须生成用于将消息发射到中枢的上变频基准频率，虽然是双向通信，但根据消息方向，载波频率可以不同。
在如图1所示的大量的通信系统中，使上变频基准信号12的频率和下变频基准信号20的频率相互一致并准确的联系是非常重要的，以产生易于说明的下变频器输出22，并允许对分配的频率优化使用。另外，政府管理机构要求在非常严格的容限内用于发射的载波信号的频率等于具体指定的分配频率。
这些目标有时是通过在链路两端安装高度精确和稳定的振荡器以便在链路两端生成基准信号12，20来实现的。图2说明了用于双向通信系统的一个实例。在这个系统中，通过卫星抛物面天线23接收的信号通过一个系列的两个混频器24a，24b进行下变频。第一混频器24a可以置于室外固定单元26中，并且将接收信号的中心频率下变频为中频(IF)。第二混频器24b可以置于室内固定单元28中，并且将IF信号下变频为由模拟数字转换器30采样的调制基带输出。把模拟数字转换器30的输出路由选择到数字处理电路系统，以便解调基带信号和再现包含接收数据的比特。
在发射过程中，信号发生器32的输出由另一对混频器33a，33b上变频，其中第一个混频器可以置于室内单元28中，第二个可以置于另一个室外单元34中。
每个混频器从相关联的锁相环(PLL)36a，36b，36c，36d接收基准频率信号。每个PLL又从振荡器37接收基准频率，从振荡器37得到其输出频率。控制器38耦合到用于数字化设置内部循环除法器的PLL，以便即使它们都从振荡器37接收公共基准频率，每个PLL也能够输出不同的频率信号。
在这种系统中，振荡器37是自激振荡，并且随着温度变化等情况在一段时间应尽可能地准确和稳定。通常，起到该功能作用的能够保证质量的自激振荡器是该系统中最贵的部件。另外，即使利用高质量振荡器，也会出现与理想的基准频率的偏差。在某些系统中，这些偏差可以在比特编码过程中通过分析基带接收信号的特征来检测。测量基带信号从0Hz中心频率起的偏差，并且是起因于从振荡器37的理想输出的偏差。一旦在接收操作过程中确定这个偏差，即使检测的振荡器37出现偏差，可更新发射PLL36b，36c中的循环除法器以使这些PLL的输出变得准确。
在某些系统中，双向通信链路的一端可以通过从链路另一端接收的调制载波信号直接生成合适的基准频率。然而，从接收的调载频中提取稳定的基准频率所需的电路系统也很昂贵。随着无线通信扩展到更广泛的使用领域，因此需要用较便宜的技术生成这些基准频率。
发明内容
本发明包含通信系统中频率生成的方法和装置。在一个实施例中，根据本发明的通信设备包含上变频电路，下变频电路，以及基准频率发生器。在该实施例中，基准频率发生器耦合在下变频电路和上变频电路的输出之间。基准频率发生器可以包含压控振荡器和相位比较器。
本发明还提供了生成用于发射器的上变频频率信号的方法。在包含发射器和接收器的无线通信装置中，这种方法可以包含从由接收器接收的信号中提取调制频率，以及从调制频率获得发射上变频频率。
附图说明
图1是通信信道的方框图。
图2是双向无线通信链路一端的方框图。
图3是包括基准频率生成环路的通信信道的方框图。
图4是本发明认为有利应用的多址无线通信系统的示意图/方框图。
图5是根据本发明的一个实施例可以提供给图4的远程单元之一的无线接收和发射电路的示意图/方框图。
图6是根据本发明的一个实施例的基准频率生成方法的流程图。
具体实施方式
下面参考附图来描述本发明的实施例，其中相同的标号始终表示相同的单元。说明书中使用的技术术语不应仅是因为结合本发明的具体实施例的详细描述使用而将其作为任何限定的或限制方式说明。此外，本发明的实施例可包括几个新特征，没有任何一个单个特征完全决定着其所希望的属性，或是实施在此描述的发明所必需的。
图3说明了在双向无线通信系统的单元中的发射和接收电路部分。当该单元正在接收时，由产生入站基带信息信号42的下变频器电路40接收入站调制载频信号39。当该单元正在发射时，将出站基准信息信号43传送给生成出站调制载频46的上变频器44。另外，还提供具有稳定和准确频率信号输出48的频率发生器47。在该实施例中，这个稳定的频率信号路由选择到上变频器44，它可以用来生成准确的载波信号。另外，基准频率发生器47的输出48路由选择到下变频器44，它可以用来生成所需的基准频率或下变频的频率。
在本发明的该实施例中，基准频率发生器47使用入站基带信息信号作为在线路49的输入。因此，用接收的基带信号作为准确和稳定的频率基准源。由于即使已经清除了固定频率载波这也是可能的，因此仍然以接收数据时的速率部分定义的方式来调制基带信号。当发射系统最初调制载波时，将该速率固定在高精度。
已经了解和使用了大量载波调制方案。通常，将数据比特编码成，例如，载波相移，频移，幅移或他们的组合，并且可以从基带信号中提取调制频率。在“M进制”调制方案中，载波的已选相位，频率和振幅状态可以组成2，4，甚至6或更多比特的编码。然而，在任何载波调制方案中，接收的基带信号与和输入数据速率有关的调制频率结合。在某些情况下，调制频率与“码元频率”相对应，其中码元是编码为载波的定义相位，频率，和/或振幅状态的一个或多个比特。在许多系统中，调制频率被准确地固定并稳定在某个速率之间，例如1和30MHz之间，但是可以使用其它频率。该调制频率包括可以有助于用来生成用于发射上变频的基准频率以及下变频基准频率的输入定时信息。
图4是说明实施于本发明的实例系统的方框图。图4中的系统通过卫星链路提供了高速，可靠的因特网通信业务。特别是，在图4中，内容服务器50耦合到因特网52，因特网52又与中枢站54耦合，以使中枢站54能够从内容服务器50请求和接收数字数据。中枢站54还通过卫星56与多个远程单元58A-58N通信。例如，中枢站54通过前向上行链路60向卫星56发射信号。卫星56从前向上行链路60接收信号并且通过前向下行链路62将它们转发。前向上行链路60和前向下行链路62统称为前向链路。远程单元58A-58N监视包括前向链路的一个或多个信道，以便接收特定的远程单元和从中枢站54广播消息。
以类似的方式，远程单元58A-58N通过反向上行链路64向卫星56发送信号。卫星56从反向上行链路64接收信号并且通过反向下行链路66将它们转发。反向上行链路64和反向下行链路66统称为反向链路。中枢站54监视包含反向链路的一个或多个信道，以便从远程单元58A-58N提取消息，。
在示例系统的一个实施例中，每个远程单元58A-58N耦合到多个系统用户。例如，在图4中，所示的远程单元58A耦合到局域网67，局域网67再与一组用户终端68A-68N耦合。用户终端68A-68N可以是多种局域网节点中的一种，如个人或网络计算机，打印机，数字计量读取设备等。当通过指定给用户终端68A-68N之一的前向链路接收消息时，远程单元58A通过局域网67将该消息传送到合适的用户终端68。同样，用户终端68A-68N可通过局域网67向远程单元58A发射消息。
在示例系统的一个实施例中，远程单元58A-58N为多个用户提供到因特网的接入。例如，假设用户终端68A是一台为了访问万维网(WorldWide Web)而执行浏览器软件的个人计算机。当浏览器从用户处接收对网页或嵌入对象的请求时，用户终端68A根据熟知的技术生成请求消息。用户终端68A同样利用熟知的技术通过局域网67将请求消息传送到远程单元58A。根据该请求消息，远程单元58A生成一条无线链接请求并通过反向上行链路64和反向下行链路66中的信道发射该。中枢站54通过反向链路接收到该无线链接请求。根据该无线链路无线链接请求，中枢站54通过反向链路接收该无线链接请求。中枢站54根据该无线链接请求通过因特网52将该请求消息传递给合适的内容服务器50。
作为响应，内容服务器50通过因特网52将所请求的网页或对象传送到中枢站54。中枢站54接收所请求的网页或对象并且生成无线链接响应。中枢站通过前向上行链路60和前向下行链路62中的信道发射无线链接响应。
远程单元58A接收该无线链接响应并且通过局域网67将相应的响应消息传送到用户终端68A。这样，在用户终端68A和内容服务器50之间建立了双向链路。
本发明的频率生成有助于与图4中的一个或多个远程单元58A-58N结合。图5中更详细地说明了远程单元的本实施例。
现在参见该图，用于无线接收和发射功能的电路置于分离的单元中，其中一个或多个电路放置于室外，称之为“室外单元”72，74，并且其中一个或多个置于室内，称之为“室内单元”90。卫星抛物面天线70用于通过卫星转发器发射和接收信号。卫星抛物面天线70与位置非常靠近卫星抛物面天线70的发射和接收电路耦合。在一个实施例中，卫星抛物面天线70位于建筑物屋顶，并且室外单元72，74直接位于安装到建筑物外部的卫星抛物面天线70的组件。接收室外单元74包括位于非常靠近卫星抛物面天线70的低噪音放大器76和下变频混频器78。这样有助于降低从卫星抛物面天线70到放大器76的路径损耗，并且保持系统的噪音系数。发射室外单元72包括同样位于非常靠近卫星抛物面天线70的上变频混频器82和功率放大器84，以便降低功率放大器84和卫星抛物面天线70之间的路径损耗，并避免增加功率放大器84所需的输出。
该系统还包括含有位置不必非常靠近卫星抛物面天线70的电路的室内单元90。在一个实施例中，室内单元由系统管理员放置在允许更方便接入的常规位置。室内单元通过电缆92与室外单元72，74相连。
虽然本发明不需要进行实践，但是将通信单元分离为室外单元72，74和室内单元90允许将他们独立制造并在工厂测试。例如，室外单元72，74最好由RF设计室制造。而室内单元90最好由专业的通信公司生产。在一个实施例中，室内单元90被设计成可以同以各种不同频率工作的并且由多个不同厂商生产的各种不同室外单元兼容。当放置在野外时，室外单元72，74和室内单元90可以分别提供服务，替换或升级。在其它实施例中，一个或多个室外单元可以布置得比图5中所说明的更实用。
卫星抛物面天线70与直接式收发转换器(OMT)92或用于提供发射和接收信号能量分离的其它设备相耦合。OMT92将从卫星抛物面天线70接收的信号耦合到低噪音放大器76。OMT92还将来自功率放大器84的发射信号耦合到卫星抛物面天线70。如上简述，低噪音放大器76耦合到将接收的信号下变频到中频的混频器78。混频器78的输出通过电缆92耦合到室内单元90。在室内单元90中，执行下面要进一步描述的接收信号处理。室内单元中的控制器96通过室内和室外发射和接收电路提供控制功能。
在发射过程中，在控制器96的控制下，信号发生器98接收来自系统用户的数字数据，并且对数据进行编码以便发射。信号发生器98还生成已调制的基带消息信号。该基带信号由混频器100与IF信号混频，把来自混频器100的已调制IF输出信号耦合到可变增益放大器102。可变增益放大器102的增益由控制器96控制。来自可变增益放大器102的输出IF信号通过电缆92传递到室外单元72。
在室外单元72中，混频器82将IF信号上变频到适合于发射的RF频率。例如，在一个实施例中，RF中心频率在Ku波段，Ka波段或其它合适的波段中。将混频器82的输出输入到功率放大器84。功率放大器84可以例如包含一个甲类放大器。在启用时，功率放大器84通过OMT92向卫星抛物面天线70输出大功率RF信号。
在许多应用中，由卫星抛物面天线接收的已调制载波具有10-12GHz的中心频率。通过将10-12GHz的输入信号与自激振荡器144产生的大约9-11GHz的基准信号组合并且通过使用低通或带通滤波器108滤波来对其进行下变频，以产生大约1GHz的中频(IF)信号。由第二混频器110将IF信号进一步下变频为基带信号(正常为0Hz中心频率)并且用低通滤波器112进一步滤波。模拟数字转换器114对该基带信号采样。把从模拟数字转换器114输出的数字采样路由选择到解调器116，以便重新构成发射的比特流。
发射和接收过程都需要产生基准信号，以便将基带信号转换成用于发射的高频已调制载波，和将接收的高频已调载波转换成基带信号。由与混频器82，100，110相关联的锁相环或锁频环(PLL)120，122，124生成这些基准信号。锁相环包括内部可编程循环除法器，并且配置其能产生具有通常等于输入信号的频率乘以选定的整数比值p/q的频率的输出信号。选定的比值通过在锁相环中设置循环除数值由控制器96进行数字化控制。
发射锁相环120，122的输出的准确性和稳定性很重要，这样才能使发射载波频率也能准确和稳定。如上面参考图2所述，在常规的通信系统中，这通常是通过提供耦合到PLL120，122的输入的昂贵的自激振荡器，并且在接收操作期间通过分析下变频的基带信号纠正任何剩留的振荡器偏差来实现的。然而，在图5所说明的本发明的实施例中，不需要这种昂贵的结构。取而代之的是来自锁定的可变频率振荡器130的PLL120，122的输入。在某些有利的实施例中，可变频率振荡器130包含压控振荡器。
通过将压控振荡器130的输出频率锁定到接收的调制频率可以将其设置到严格的容限。在该实施例中，这可以通过将数字采样从模拟数字转换器114路由选择到调频提取器132来完成。调频提取器132处理采样值以监测基带调制。调频提取器132利用该信息生成具有接近于接收的调制频率的频率的模拟输出信号。可以理解，基带调制可以具有各种不等于码元频率或比特率的各种频率分量，但该频率分量可以按各种预定义方式与接收的码元频率有关。可由调频提取器132提取这些调频分量中的任何一个。实际上，在解调器116执行基带解调处理期间，通过已经产生了与比特率和/或调制频率有关的定时信号。在这些实施例中，调频提取器132是现有解调器的一部分。
调频提取器132的模拟输出通过循环除法器135向相位比较器134提供一个输入。相位比较器134还通过另一个循环除法器136从压控振荡器130接收第二个输入。用低通滤波器对相位比较器134的输出滤波，并且将其作为输入路由选择到压控振荡器130。利用该闭环控制，压控振荡器130的输出频率等于调频提取器132的输出频率乘以由可以由控制器96数字化设置的两个循环除法器135，136的设置确定的整数比值。这通常有利于使滤波器138的截止频率比调制频率低得多，以使压控振荡器130的输出基于接收的调制频率的相对长期运行平均值。虽然为了解释的目的说明了一个特定的电路，应该理解，本领域技术人员可使用各种已知的锁相环设计，锁频环设计，或其它信号合成电路将基准频率锁定到调频提取器132的输出。
由于可以以各种不同的标称速率接收数据，所以控制器96能够根据当前标称数据速率更新循环除法器135，136。这样，即使系统可以在不同的输入数据速率下使用，压控振荡器130的输出频率仍能够保持恒定。用压控振荡器130的输出作为到PLL120，122的输入，PLL120，122提供用于上变频由卫星抛物面天线70输出的基带调制信号频率。如图5中所示，可用压控振荡器130的输出作为到PLL124的输入，PLL124将IF信号下变频为基带。
本发明的该实施例的一个优点在于是它可以使用结合自激振荡器144的室外接收单元74作为其下变频到IF的频率基准。这种特性的自激下变频器为投入卫星电视广播市场而大量生产，并且非常便宜。然而，它们还未在双向数字数据通信应用中使用。而是使用定制的并且相对昂贵的室外单元。其中一个原因是因为自激振荡器在下变频到IF的步骤中会产生不可估量的下变频差错。由于下变频的量值被用来计量振荡器的偏差，所以不可能纠正为发射上变频提供基准的分离振荡器(如图2中指定的37)中的频率偏差。由于由基带调制提供基准频率标准，它不受室外接收单元74中的自激振荡器144中的差错的影响，所以图5中的实施例不具有这种缺陷。
另外，图5的实施例允许纠正因自激振荡器144的不准确造成的接收过程中的下变频差错。这些差错可以在由解调器116执行解调过程中被检测到，并且控制器可以调整与第二接收下变频相关联的PLL124中的循环除法器以补偿这些差错。
现在参考图6，它是本发明一个实施例从开始的操作，在方框150，利用自激振荡器将接收的已调制载波信号下变频为中频。接下来，在方框152，利用可变频率振荡器将中频信号下变频为基带信号。在方框154，分析该基带信号并提取调制频率。在方框156，将可变频率振荡器的输出频率锁定到提取的调制频率。在步骤158，用锁定的可变频率振荡器生成发射上变频频率。
因此，可从接收的基带调制提取的调制频率具有高准确性和稳定性，并且可以用作上变频和下变频过程中的基准。利用这种目的的调制频率允许通过消除对高成本的内部振荡器的需要来降低成本。在本发明中，可以使用自激振荡器来下变频到IF。这种自激振荡器为广播电视产业提供了大批量的生产，并且价格非常便宜，而且还未曾在高速双向数字数据通信环境使用中。
在不脱离本发明精神或实质特征的情况下可以用任何其它具体形式实施本发明。应将所描述的实施例仅看作是说明性的而不是限制性的，因此，本发明的范围由所附的权利要求表示，而不是由上述说明表示。落入权利要求等同物的含义和范围内的所有改变都包括在其范围内。

Claims (21)

1.一种在无线通信系统中生成发射上变频频率的方法，包括：
接收已调制载波；
从所述已调制载波获得调频频率；
将振荡器输出频率锁定到所述调频频率；和
使用所述振荡器输出频率生成所述发射上变频频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
下变频所述已调制载波以产生中频信号；和
下变频所述中频信号以产生基带信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述获取过程包括从所述基带信号获得所述解调频率。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于利用自激振荡器执行向中频信号的所述下变频。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于利用从所述振荡器输出频率获得的基准频率执行产生基带信号的所述下变频。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述锁定包括利用锁相环或锁频环控制到压控振荡器的输入电压。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从卫星接收所述已调制载波。
8.一种通信装置，包括：
具有由已调制的载波信号组成的输入和由第一基带信号组成的输出的下变频电路；
包括可变频率振荡器的基准频率发生器，其中所述基准频率发生器具有作为输入的所述第一基带信号，其中所述可变频率振荡器具有从所述第一基带信号获得的输出频率；和
具有由所述可变频率振荡器的输出频率组成的输入的上变频电路。
9.根据权利要求8所述的通信装置，其特征在于所述可变频率振荡器输出还耦合到所述下变频电路。
10.根据权利要求8所述的通信装置，其特征在于所述可变频率振荡器包括压控振荡器。
11.根据权利要求8所述的通信装置，其特征在于所述基准频率发生器包括具有作为第一输入的调频信号和作为第二输入的所述可变频率振荡器输出的相位比较器。
12.根据权利要求11所述的通信装置，其特征在于所述相位比较器的输出通过低通滤波器耦合到所述可变频率振荡器的输入。
13.一种通信设备，包括：
上变频电路；
下变频电路；和
基准频率发生器，其中所述基准频率发生器耦合在所述下变频电路和所述上变频电路的输出之间。
14.根据权利要求13所述的通信设备，其特征在于所述基准频率发生器包括可变频率振荡器。
15.根据权利要求14所述的通信设备，其特征在于所述可变频率振荡器包括压控振荡器。
16.根据权利要求14所述的通信设备，其特征在于所述基准频率发生器包括具有耦合到所述下变频电路的所述输出的第一输入和具有耦合到所述可变频率振荡器的输出的第二输入的相位比较器。
17.根据权利要求16所述的通信设备，其特征在于所述相位比较器包括耦合到所述可变频率振荡器的输出，以便控制所述可变频率振荡器的输出频率。
18.一种无线通信装置，包括：
接收机；
发射机；
耦合到所述接收机并且具有从所述调制频率获得的输出信号作为输出的调频提取器；
生成可变频率基准信号的装置；
将所述可变频率基准信号锁定到所述调频提取器的输出信号的装置；和
从所述可变频率基准信号生成发射上变频信号的装置。
19.根据权利要求18的无线通信装置，其特征在于用于生成可变频率基准信号的所述装置包括压控振荡器。
20.根据权利要求19的无线通信装置，其特征在于用于锁定所述可变频率基准的所述装置包括具有作为第一输入的所述调频提取器的所述输出信号和作为第二输入的所述可变频率基准信号的相位比较器。
21.在包括发射机和接收机的无线通信装置中，产生供所述发射机使用的发射上变频频率的方法包括：
从由所述接收器接收的信号提取调制频率；和
从所述调制频率获得所述发射上变频频率。
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