CN1801632A - 用于产生和检测发射信号的方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种用于产生和检测用于调频(FM)音频发射系统特别是用于音频无线发射系统的发射信号的方法，包括：发射包括音频信息的第一信号成分(有用信号)，以及发射包含状态信息和/或控制信息的第二信号成分(额外信号)，其中在调频解调之后，该第二信号成分包括位于发射信号基带内的音频信息有用频谱之下的主要频谱成分。该方法可以使用包括确定发射频率的可编程锁相环(PLL)的电路来实现，锁相环的除法器和/或计数器寄存器由微控制器以发射频率的未调制载波周期性地从其基本频率处偏离这样一种方式周期性地进行重新编程。

Description

用于产生和检测发射信号的方法和电路

技术领域

本发明涉及用于产生和检测用于调频(FM)音频发射系统、尤其是用于音频无线发射系统的发射信号的方法和电路，其中该信号不仅包括包含音频信息的第一信号成分(有用信号)，还包括包含状态和/或控制信息的第二信号成分(额外信号)。

背景技术

已知许多用于发射和接收装置的不同设计对发射信号中的额外信息、诸如控制和状态信息进行发射和检测。这些设计包括例如“静噪音(tone squelch)”和“导频音(pilot tone)”方法。这些方法要求至少一个专用振荡器，它产生一个或者多个在调制阶段之前叠加在音频信号上或者在调制阶段后叠加在调频信号上的控制信号(例如，正弦频率)。在调频调制之前或者在调频解调之后，这些额外信号(音调)通常位于基带频谱内的音频范围之中(例如，67Hz到250Hz)或者音频范围之上(通常18KHz-25KHz)，并且必须由用于检测的接收机进行选择。如果信号没有被识别出来，则检测到的信号控制例如接收机的静音；或者如果信号被识别出来，则控制立体声解码器的激活。

上面引用作为现有技术的方法具有一系列的缺点：

-如果控制信号位于基带有用频谱内，则有用的信号不可以在这些频率范围内发射，这破坏或者减少了有用频谱。

-如果在调制前向音频信号提供位于基带有用频谱之上的控制信号，即它们是调频的，则导致发射信道需要增加的带宽，以便能够同时发射音频信号而不降低质量，并且能够唯一地识别控制信号。对于一个给定的发射信道带宽来说，这要求降低调制系数，会导致可获得的信噪比下降。

-使用在调制阶段后交织到调频频谱中或者在一个单独的频带上发射的各个导频音，要求额外的发射功率，并且取决于设计而要求额外的带宽。额外的发射功率导致发射机的功率损耗增加，并且，在电池工作或者蓄电池工作的设备中，会导致最大可用工作时间缩短。

因此，需要一种用于产生发射信号的方法和电路，其中该发射信号不仅包括音频有用信号，而且还包括具有状态和/或控制信息的额外信号，并且不具有上述缺点。

发明内容

本发明的一个目的是创建上述类型的方法和电路，其确保有用信号和额外信号同时发射而不对有用信号产生不利的影响。

本发明的另一个目的是创建上述类型的方法和电路，其确保在发射信号解调之后对额外信号的可靠抑制。

本发明的另一个目的是创建上述类型的方法和电路，其不要求发射信号带宽的任何显著增大。

本发明的另一个目的是创建上述类型的方法和电路，其还将确保电池或蓄电池工作的较长工作时间。

最后，本发明的一个目的是创建可以使用最少数目的组件实现的上述类型的方法和电路。

这些目的通过这样一种方法来实现，该方法包括发射包括音频信息的第一信号成分(有用信号)，以及发射包含状态信息和/或控制信息的第二信号成分(额外信号)，其中，在调频解调后，第二信号成分包括在发射信号基带中的音频信息有用频谱之下的主要频谱成分。并且这些目的通过这样一种电路来实现，该电路包括确定发射频率的可编程锁相环(PLL)，该锁相环(PLL)的除法器和/或计数器寄存器由微控制器以使发射频率的未调制载波周期性地从其基本频率处偏离这样一种方式周期性地进行重新编程。

为了满足同步高质量音频发射的要求而不会在20Hz-20KHz的频率范围内减少或者损坏音频频谱，根据本发明，产生位于音频有用频谱之下的调制频率，优选地低于20Hz，并且特别优选地在5Hz的区域范围内。

接收和调频解调根据本发明产生的具有有用信号部分和额外信号部分的发射信号，与用于纯音频信号发射的标准收发机设计并无显著的区别。提供给基带中信号的耦合电容必须仅以如下方式进行设计：具有最低频率的信号成分(即，将要检测的额外信号的信号成分)具有足够的振幅。在调频解调以及足够的信号放大之后，根据本发明，音频有用信号和额外信号(包含控制和/或状态信息)通过频率滤波彼此分离开来。

尽管音频有用信号可以进一步由接收机以标准方式进行处理，但是为了可靠的识别，适当地准备额外信号、例如为了控制目的和/或者状态显示是有利的。这里，必须特别注意这个事实：发射信道中的干扰或者发射机调制器的短期不稳定能够导致对很低频率的频谱部分的非故意性接收。这些低频频谱部分还可以位于控制信道的滤波器通带内，并且可以因此使得可靠的识别更加困难。因为可以假设这些干扰仅在短期基础上发生，因此根据本发明，通过较长的信号观察时间提高了检测的可靠性。

在根据本发明的发射机侧电路的有利具体实施例中，确定发射频率的可编程锁相环的除法器和/或计数器寄存器由微控制器以未调制载波周期性地从其基本频率处偏离这样一种方式周期性地进行重新编程。这种偏离可以对称地发生，例如具有交换序列[fo，(fo+df)，fo，(fo-df)]和/或[fo，(fo+df)，(fo-df)，(fo+df)，(fo-df)，...，fo]，或者非对称地发生，例如具有序列[fo，(fo+df)]和/或[fo，(fo-df)]。(其中fo＝未调制发射信号的载波中心频率，df＝固定频率差。在非对称控制的情况下，利用载波中心频率的相关平移，必须注意保持要求的频差容限。)

锁相环合成器的可调频率光栅决定了最小频率平移。最大频率偏移主要由锁相环合成器中的除法器变化来决定。此时，锁相环环路滤波器和用于控制压控振荡器(VCO)的锁相环合成器电荷泵(chargepump)的调整影响了锁相环系统的瞬间响应，该锁相环系统本身对VCO中产生的频率偏移具有直接的影响。环路滤波器和电荷泵的调整必须以如下方式进行优化：在除法器和/或计数器寄存器的周期变化期间不会引起VCO频率的突增，并且抑制VCO控制信号中的泛音(基本频率的谐振频率)。根据本发明，由锁相环合成器通过调整电压进行调制的产生的VCO信号，在VCO输出具有调制的FM信号的特性特征。

总之，由于下列优点，本发明区别于现有技术：

-能够将额外信号与音频有用信号的高质量发射同步地进行发送，而不减少或者损坏在20Hz-20KHz的典型频率范围内的音频频谱(有用信号完整性)。

-在接收机中，能够在解调之后以不能由用户通过电声传感器察觉的方式对控制信号进行电抑制。无论音频有用信号是否同步发射，这都可以应用(控制信号抑制/有用信号完整性)。

-发射信号的带宽一定不能为额外信号显著地扩大。因此，解调的音频有用信号的信噪比也保持几乎不受影响(要求的带宽/信噪比)。这通常导致需要2KHz的额外带宽，相对于标准的200KHz信道带宽来说这可以认为是不重要的(参见附图描述)。

-发射机的能量损耗与额外信号的发射无关，这对电池工作或者蓄电池工作的设备的最大工作时间产生了有利的影响(最大工作时间)。

-产生和检测额外信号不需要额外的振荡器，这对组件和能量要求产生了有利的影响(组件成本/最大工作时间)。

本发明的前述和其它目的和优点将从下面的描述中体现出来。在描述中，参考形成本文一部分的附图，并且在附图中通过图解的方式示出了本发明的优选实施例。但是，这种实施例不一定表示本发明的全部范围，并且因此参考权利要求以解释本发明的范围。

附图说明

图1表示了根据本发明的电路的信号产生部分(发射机侧)的一个具体实施例的方框图；

图2表示了根据本发明的电路的信号分离部分(接收机侧)的一个具体实施例的方框图；

图3表示了根据本发明产生的并且由发射机发射的、具有1KHz信号偏移(在1KHz光栅中转换)的发射信号的频谱；

图4表示了由接收机接收的、具有1KHz信号偏移(在1kHz光栅中转换)的、图3中的调频解调的发射信号(即接收信号)的基带频谱；

图5表示了根据本发明产生的并且由发射机发射的、由音频信号和额外信号同时调制的发射信号的频谱；

图6表示了由接收机接收的、图5中的调频解调的组合发射信号(即接收信号)的基带频谱；

图7表示了由发射机发射的、由音频信号进行调制的发射信号的频谱；以及

图8表示了由接收机接收的、图7中的调频解调的发射信号(即接收信号)的基带频谱。

具体实施方式

图1以方框图的形式表示了根据本发明的电路的发射机侧电路部分的一个具体实施例，其中该电路用于产生用于调频(FM)音频发射系统、特别是音频无线发射系统的发射信号。发射信号不仅包括包含音频信息的第一信号成分(有用信号)，而且还包括包含状态和/或控制信息的第二信号成分(额外信号)。图2也以方框图的形式表示了根据本发明的电路的接收机侧电路部分的一个具体实施例，该电路用于检测在图1的发射机侧电路部分中产生的发射信号。

在图1的电路部分中，确定发射频率的可编程锁相环(PLL)的除法器和/或计数器寄存器由微控制器以未调制载波周期性地从其基本频率处偏离这样一种方式周期性地进行重新编程。这种偏离可以对称地发生(例如，具有交换序列[fo，(fo+df)，fo，(fo-df)]或[fo，(fo+df)，(fo-df)，(fo+df)，(fo-df)，...，fo])，或者可以非对称地发生(例如，具有序列[fo，(fo+df)]或[fo，(fo-df)])(其中fo＝未调制的发射信号的载波中心频率，df＝固定频率差。在非对称控制的情况中，利用载波中心频率的相关平移，必须注意保持要求的频差容限)。锁相环合成器的可调频率光栅决定了最小频率偏移。最大频率偏移主要由锁相环合成器中的除法器变化决定。

此时，锁相环环路滤波器和用于控制压控振荡器(VCO)的锁相环合成器电荷泵的调整影响了锁相环系统的瞬间响应，该锁相环系统本身对在VCO中产生的频率偏移具有直接影响。环路滤波器和电荷泵的调整必须最大可能地进行优化，以使得在除法器和/或计数器寄存器的周期变化期间不会引起VCO频率的突增，并且抑制VCO控制信号中的泛音(基本频率的谐振频率)。然后，根据本发明，由锁相环合成器通过调整电压调制的产生的VCO信号在VCO输出具有调制的FM信号的特性特征。

为了在20Hz-20KHz的有用频率范围内保证同步的高质量音频发射而不减少或者损坏音频信号频谱，根据本发明，产生位于音频有用频谱范围以下的VCO调制频率。在图1的示例实施例中，调制频率例如是5Hz。

图3和图4表示了发射信号(图3)和由接收机接收的调频解调的发射信号(接收信号)(图4)的频谱，其中具有1kHz的发射机侧频率光栅，以及锁相环合成器以具有50ms交换间隔(环路滤波器和电荷泵电流优化)的交换序列[+1，-1，-1，+1]进行周期性的除法器寄存器变化或计数器寄存器变化。所述的发射信号具有带有1kHz频率偏移的典型调频频谱。

解调后的接收信号仅表现出一条位于5Hz的有意义的频谱线。剩余频谱实际上不包含额外的频谱成分。如果压控振荡器(VCO)形成了音频调频调制器的一部分，例如在输入音频信号通过震荡器谐振电路中的变容二极管失谐于VCO频率，则确定载波频率的两个信号在振荡器谐振电路中被叠加起来，以形成组合的调频发射信号。

图5和6表示了上述发射信号(图5)和调频解调的接收信号(图6)的频谱，其中具有1kHz的发射机侧频率光栅，锁相环合成器以具有50ms交换间隔的交换序列[+1，-1，-1，+1]进行周期性的除法器寄存器变化或计数器寄存器变化，并且具有额外的音频调制(7kHz正弦)。图6表示了在基带频谱中的调频解调的接收信号。7kHz音频信号以及由锁相环合成器中的除法器和/或计数器寄存器的转换产生的5Hz信号是非常明显的。频谱的剩余部分不包含有意义的频谱成分。

相比之下，图7和图8说明了仅当7KHz音频信号用于调制时发射信号和解调的接收信号的情况。该比较表明：对于在这个具体应用示例中根据本发明的控制信号的发射，需要大约2KHz的额外带宽、即双锁相环频率光栅。2KHz的额外带宽需求与标准的200KHz信道带宽相比可以认为是微不足道的。

通过调整不同的频率光栅，频率偏移并且因此额外带宽需求可以改变和/或可以适合于发射需求(检测安全、信噪比，等等)。特别地，利用相同频率光栅的对称控制可以将额外带宽的需求减半。利用非对称控制以及载波中心频率的相关平移，必须注意保持要求的频差容限。

本发明的基本构思还包括产生中频(IF)的组合发射信号；在这种情况下，产生的频谱必须在下面的步骤中首先被平移到实际发射频带中(例如，利用混频器的帮助)。

根据本发明的发射信号以及音频信号的接收和调频解调，和用于纯音频发射的标准接收机设计并无显著区别。必须注意提供给基带内信号的耦合电容仅以如下方式进行设计：具有最低频率的信号成分(具体来说，将要检测的控制信号的信号成分)具有足够的振幅。

在调频解调和足够的信号放大之后，通过频率滤波将音频信号和额外信号分离开来。尽管音频有用信号可以进一步以标准方式进行处理，但是为了可靠识别，适当地准备本发明的额外信号，例如用于控制目的和/或者状态显示，是必要的。此时，需要特别注意这个事实：发射信道中的干扰或者发射机调制器的短期不稳定能够导致很低频率的频谱部分的非故意接收。这些低频频谱部分还可以位于控制信道的滤波器通带内，并且会由此使可靠的识别更加困难。因为可以假设这些干扰仅在短期基础上发生，所以根据本发明通过较长的信号观察时间提高了检测可靠性。

在图2的示例性实施例中，其后跟随双稳态触发器元件级的具有高边缘陡度的5Hz低通滤波器用于在调频解调和足够的信号放大之后检测状态信号或控制信号。该触发器元件以这样一种方式来设计：仅有两个稳定输出电平状态存在，其中一个电平状态位于低(LOW)信号的数字判定阈值之下，而另外一个电平状态位于高(HIGH)信号的数字判定阈值之上，使得连接的微控制器可以在其数字输入端口解释变化，具体来说是解释高信号和低信号的变化频率。如果发射信号包括在低通滤波器的通带内的频谱成分，则在控制器输入针脚上的状态相对于邻接频率进行改变。通过在一个延长的时间段内对记录的状态变化进行计数、并且将它们与在同样时间段内额外信号的预期状态变化进行比较，根据本发明，可以唯一地检测额外信号。本发明的基本思想还包括其它检测方案，例如解调信号的模数转换以及后续的数字处理。

为了将解调的音频信号与额外信号分离开来，在进一步的音频信号处理之前，提供具有例如20Hz的较低截止频率的、具有足够边缘陡度的高通或者带通滤波。

尽管已经示出和描述了目前所认为的本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说显然可以进行各种变化和修改而不脱离由附属权利要求定义的本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于产生和检测用于调频音频发射系统特别是音频无线发射系统的发射信号的方法，所述方法包括：

发射包括音频信息的第一信号成分——有用信号，以及

发射包含状态信息和/或控制信息的第二信号成分——额外信号，其中，在调频解调之后，第二信号成分包括在所述发射信号基带内低于音频信息有用频谱的主要频谱成分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在调频解调之后，所述第二信号成分的所述主要频谱成分位于20Hz以下。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在调频解调之后，所述第二信号成分的所述主要频谱成分优选地位于大约5Hz处。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在接收机侧使用比正常信号观察时间长的信号观测时间，以提供调频解调的第二信号成分的提高的检测可靠性。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二信号成分连续进行发射，并且仅当这个信号成分要触发接收机的功能时才被中断，其中接收所述发射信号的接收机以负逻辑的方式对无法识别信号做出反应。

6.根据权利要求1的所述方法，其特征在于：所述第二信号成分仅当在接收机中将要触发功能时才进行发射，其中接收所述发射信号的接收机以正逻辑的方式对信号识别做出反应。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在所述接收机做出反应时，发生包含音频信息的第一音频静音信号成分的静音。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在所述接收机做出反应时，指示发射机的具体状态。

9.一种用于产生和/或检测包括第一和第二信号成分的发射信号的电路，所述电路包括：

确定发射频率的可编程锁相环，其除法器和/或计数器寄存器由微控制器以所述发射频率的未调制载波周期性地从其基本频率处偏离这样一种方式周期性地进行重新编程。

10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于：所述载波由压控振荡器产生，在压控振荡器中将所述发射信号施加到输出。

11.根据权利要求9所述的电路，其特征在于：包括产生用于压控振荡器的所述控制电压的、并且将锁相环合成器的相位检测器输出连接到确定压控振荡器的振荡器频率的输入上的环路滤波器。

12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于：用于产生所述发射信号的所述环路滤波器以这样一种方式进行优化：所述发射信号的调频解调仅包括一个位于基带内的所述有用音频频谱之下的有意义的频谱成分。

13.根据权利要求9所述的电路，其特征在于：所述锁相环包括用于确定相位检测器输出电流的可调电荷泵。

14.根据权利要求13所述的电路，其特征在于：对所述电荷泵进行调整，以及由此对提供调频解调后的发射信号的提高的可检测性的所述相位检测器输出电流进行调整。

15.根据权利要求9所述的电路，其特征在于：对所述除法器和/或计数器寄存器的重新编程进行选择，使得所述发射信号进行相对于基本频率和/或未调制的压控振荡器频率的对称或非对称频率偏移，其中指定最小和最大频率偏移的时间间隔，使得在调频解调之后，包括所述状态和/或控制信息的所述第二信号成分的主要频谱成分位于基带内所述音频有用频谱之下。

16.根据权利要求10所述的电路，其特征在于：为了通过应用音频信号使所述压控振荡器的谐振电路失谐，使得频率调制的信号出现在所述压控振荡器的输出，所述压控振荡器是具有一个音频输入的音频调频调制器的一部分。

17.根据权利要求9所述的电路，其特征在于：在所述接收侧的调频解调之后，提供信号路径的分离，将其分成用于所述第一信号成分的音频信号路径和用于所述第二信号成分的控制/状态信号路径。

18.根据权利要求17所述的电路，其特征在于：用于信号选择的优选具有高边缘陡度的低通滤波器位于所述信号路径中，其包括低于有用信号频谱的截止频率。

19.根据权利要求18所述的电路，其特征在于：双稳态触发器元件连接到所述低通滤波器，其中将所述输出设计为只接收能够由微控制器解释的逻辑状态高和逻辑状态低。

20.根据权利要求19所述的电路，其特征在于：所述微控制器使用高状态和低状态的变化频率作为用于控制/状态信号检测的标准。

21.根据权利要求17所述的电路，其特征在于：包括高于所述控制/状态信号频谱的截止频率的用于信号选择的高通滤波器位于音频信号路径中。

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