CN1894859A - 时间信号接收器和解码器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种时间信号接收器和解码器，其接收、检测并存储来自例如WWV、WWVH、WWVB(美国)、JJY(日本)、MSF(英国)和类似物的时间信号的时间信息。所述时间信号可用于自设定时钟，且所述时钟可用作时间敏感应用、设备和系统中的基准。所述时间信号接收器可使用高质量状态可变带通滤波器或反陷波滤波器以用于在关注的时间信号频率处进行选择。所述解码器耦合到所述时间信号接收器，解码所接收时间信号中的时间信息并可存储解码的时间信息。

Description

时间信号接收器和解码器
技术领域
本发明一般涉及利用时间信号来精确设定时间的设备，且更特别地说，涉及时间信号低频无线电接收器和解码器。
背景技术
需要精确的时间信息的装置和系统可以是例如(但不限于)时钟、分时计、交通灯；公交车、火车和飞机行程安排装置；结合全球定位卫星(GPS)设备使用的速度测量仪表、定时器、停车计费表和类似物。用于接收时间信号的低成本并敏感的射频接收器的市场非常巨大，但当前的技术方案相当昂贵。低频(LF)接收器可用于自设定时钟，所述自设定时钟接收美国国家标准局(NIST)WWVB时间信息并用于高端用户和工业应用。这些接收器的成本使这种技术与例如能量计和低端用户电子器件的庞大市场无缘。
各种射频用于发射这个时间标准。NIST无线电站WWVB以60kHz的超低频(VLF)进行发射，且在整个北美大陆中将标准时间信息有效分配地好于1秒。其他VLF时间标准发射地点是远东-JJY(日本)和欧洲-MSF(英国)。NIST WWV还以高频(HF)无线电频谱发射时间信息。
NIST无线电站(例如WWV、WWVH、WWVB)连续用于准确的频率和时间校准，随着制造商不断创造出新的、低成本的产品，致力于将“原子时间”带入每个家庭和办公室中，对准确的频率和时间校准的需求一直在增长。然而高度精确并自动设定时间用具的接受度很大程度上取决于成本和实施的简易性。集成电路技术已减少了时间测量、记录和显示系统(例如数字时钟、停车计费表)的成本。然而，复杂并昂贵的接收设备目前用于从NIST无线电站接收时间信号。现有的低频无线电时钟信号接收器是基于带有晶体滤波器的高增益放大器以实现良好的频率选择性，例如直接转换接收器。晶体滤波器是昂贵的，且难以调谐到与时间信号频率精确相符的频率。
因此，所需要的是低成本时间信号接收器，其从NIST无线电站和类似物接收时间信号，且通过时间信号解码而使准确的时间可用作解码的时间信息。另外，需要在集成电路中容易制造低成本和敏感的时间信号接收器。
发明内容
本发明通过提供用于接收时间信号并从中产生有用的和精确的时间信息的时间信号接收器和解码器而克服上文确定的问题以及现有技术的其他短处和缺陷。所述时间信号接收器可以是直接转换接收器，包含配置成带通电路的高增益反陷波滤波放大器。所述解码器可以是耦合到所述时间信号接收器的解调输出端的数字处理器。所述时间信号接收器接收并解调来自例如WWVB(美国)、JJY(日本)、MSF(欧洲)和类似物的时间信号的时间信息。所述数字处理器(例如微控制器、微处理器、可编程逻辑阵列(PLA)、特殊应用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)和类似物)可解码时间信号中的时间信息并存储解码的时间信息。数字处理器还可控制时间信号接收器的特征以进一步改进其接收性能并/或控制可执行解调时间信号的时间解码的独立的逻辑电路。
时间信号接收器和解码器还用于向需要精确的时间测定的装置和系统提供精确的时间，所述装置和系统可例如为时钟、分时计、交通灯；公交车、汽车和飞机行程安排装置；结合全球定位卫星(GPS)设备使用的速度测量仪表、定时器、停车计费表和类似物。
根据本发明的示范性实施例，直接转换调谐式射频接收器使用可变增益放大器(VGA)、高Q状态可变带通滤波器和振幅调制(AM)包络检测器来以例如60kHz-WWVB的某一射频接收时间信号。高Q状态可变带通滤波器可包含三个放大器状态可变滤波器，其具有中心频率(Fc)和Q的独立控制。高Q状态可变带通滤波器可用作无需晶体带通滤波器便具有极高Q的窄带滤波器。AM包络检测器可包括全波桥式整流器，随后为低通滤波器、数据电压比较器、高信号比较器和低信号比较器。AM包络检测器还可具有可微分的载波频率时钟输出，和检测的包络输出。可控制调谐网络可耦合到调谐式并联谐振天线电路，从而改进直接转换调谐式射频接收器的操作接收敏感度。可利用数字处理器来控制时间信号接收器。
根据本发明的另一示范性实施例，直接转换调谐式射频接收器使用谐振反陷波滤波器以例如60kHz-WWVB的某一频率来接收时间信号。本发明的反陷波滤波器包含与例如运算放大器的高增益放大器结合的桥式微分电路。所述桥式微分电路允许独立调节电路Q和谐振频率(Fc)。所述桥式微分电路可用作无需晶体带通滤波器便具有极高Q的窄带滤波器。解码器可包括混合式信号解码器，其包含频率一电压转换器、低通滤波器和电压比较器。所述解码器还包含定时器和数字滤波器。
本发明可制造在一个或一个以上集成电路芯片中，所述集成电路芯片可以是引线框或衬底上未封装的集成电路芯片，或为密封在塑料、环氧树脂和/或陶瓷集成电路封装中的集成电路芯片，所述封装例如为PDIP、SOIC、MSOP、TSSOP、QSOP和类似物。
本发明的技术优势是将接收器制造在集成电路中。另一技术优势是低功率操作。另一技术优势是有效检测以数字形式调制的数据信号例如WWVB。另一技术优势是独立调节质量(Q)和中心频率调谐。另一技术优势是信号载波频率测定。另一技术优势是直接转换接收器的电路的高和低信号强度保护。
通过出于揭示目的并结合附图的实施例的以下描述，本发明的特征和优势将显而易见。
附图说明
通过参看结合附图的以下描述可获得本发明揭示内容和其优势的更完整的理解。
图1根据本发明的示范性实施例说明时间信号接收器和解码器的一般示意性方框图；
图2说明NIST无线电站WWVB的时间代码格式。
图3根据本发明的示范性实施例说明时间信号接收器的示意性方框图；
图4说明图3的时间信号接收器的高Q状态可变带通滤波器的示意图；
图5说明图3的时间信号接收器的振幅调制包络检测器和信号强度测定电路的示意图；和
图6根据本发明的另一示范性实施例说明时间信号接收器信号频率带通滤波器的反陷波电路的示意电路图。
虽然本发明很容易受各种修改和替代形式影响，但通过图式中的实例来显示其特定示范性实施例且在本文详细描述。然而应了解，本文特定实施例的描述并非期望将并本发明限制为所揭示的特别形式，相反，本发明将涵盖由附加权利要求书所界定的本发明的精神和范畴内的所有修改、等效物和替代物。
具体实施方式
现在参看图式，示意性说明本发明的示范性实施例的详细内容。图式中相同的数字代表相同的元件，且通过相同的数字带有小写字母下缀来代表类似的元件。
参看图1，根据本发明的示范性实施例来描绘时间信号接收器和解码器的一般示意方框图。可在天线102上接收例如WWV、WWVH、WWVB(美国)；JJY(日本)、MSF(英国)和类似格式的时间信号，所接收时间信号112耦合到时间信号接收器104的输入，所述时间信号接收器104分离时间信号和其他不想要的信号，并放大所需的时间信号以足够用于其调制和解码。放大的时间信号114施加到解调器106，其从放大的时间信号114解调时间信号信息。可通过解码器108将解调的时间信号116解码为描绘精确时间的时间信号信息118。解码的时间信号信息118可存储在时间寄存器110中以供外部设备(未图示)使用。在时间寄存器110的输出120上可得到精确的时间信息。时间信号接收器104和解码器108可制造在集成电路芯片中，一般用数字100表示。芯片100可位于引线框上，未封装或密封在集成电路封装中，例如PDIP、SOIC、MSOP、TSSOP、QSOP和类似物。所涵盖并处于本发明的范畴内的是解码器108可执行时间信号的解调/检测以及时间信号解码来获得时间信息。时间寄存器110也是可选的，因为需要时间信息的设备或系统可直接从解码器108得到时间信息。
参看图2，描绘NIST无线电站WWVB的时间代码格式。时间信号接收器104以60kHz接收WWVB时间编码信号，且解调器106解调时间信号和解码器108的WWVB时间代码格式，并检测解调的脉冲振幅和来自解调时间信号的脉冲时序。
参看图3，根据本发明的示范性实施例描绘时间信号接收器的示意方框图。一般由数字100a表示的时间信号接收器包含天线350、可变增益放大器(VGA)304、高Q状态可变带通滤波器306和时间信号检测器308。另外，时间信号接收器100a还可包括天线调谐和Q控制单元302和数字处理器310。
天线350包含离散外部电感器352。电容器354可在外部和/或内部，这取决于所需的电路配置。优选地，电感器352和电容器354经配置成并联谐振调谐式电路。优选地，电感器352可以是磁铁核心上的绝缘导线闭合绕组。在所需频率谐振的天线350用于根据时间信号的磁分量产生感应电流。可选的天线调谐器302可用于改变天线350的谐振频率和/或所接收时间信号的最大信号强度的调谐。天线350还可通过天线调谐和Q控制单元302通过电阻性负载而“去Q”，从而限制额外的电压而防止损坏接收器输入电路，且还可用于增加接收器100a的动态信号范围。
天线350和高Q状态可变带通滤波器306可调谐成所需的射频时间信号。频率调谐范围优选从约38kHz到约77kHz。
VGA 304可具有高阻抗输入和低阻抗输出。高阻抗输入用于耦合到并联谐振调谐式电路天线350。可利用天线调谐器302和/或前述电阻性负载通过来自例如(但不限于)数字处理器310的增益控制输入322来控制VGA 304增益和/或衰减。时间信号强度在很广的动态范围上变化，这取决于时间接收器100a的位置和延迟时间。VGA 304维持输出到高Q状态可变带通滤波器306的基本恒定的信号电平。VGA 304还可位于低功率非活动或“睡眠”状态以用于例如停车计费表、气量表、时钟、远程信标的电池供电时间系统中的功率节省。选择VGA 304的增益和/或衰减以用于使用时间信号接收器100a的应用中期望的动态范围的时间信号强度。VGA 304的增益和/或衰减步进值可以是任何增量，例如1dB、2.5dB、6dB等，这取决于所需的动态范围和增益控制输入322处有效的控制位数。
数字处理器310(例如微控制器、微处理器、可编程逻辑阵列(PLA)、特殊应用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)和类似物)可控制VGA 304、高Q状态可变带通滤波器306和天线调谐和Q控制单元302。时间信号检测器308可向数字处理器310提供解调的时间信号信息，且另外提供例如高和低的检测的信号强度和/或信号载波频率的信息信号。
参看图4，描绘图3的接收器的示范性高Q状态可变带通滤波器的示意图。示范性高Q状态可变带通滤波器306可实施为(例如)三个放大器状态可变滤波器或四个放大器双二阶滤波器(图4中仅显示状态可变滤波器电路)，其基本上独立控制中心频率(Fc)和Q(带宽)。可从高Q状态可变带通滤波器306获得优良的频率选择性而无需晶体滤波器。无需晶体滤波器来进行频率选择允许高Q状态可变带通滤波器306容易地并经济地在覆盖全世界的任何时间信号标准的频率范围上使用。
通过调节两个积分放大器504和506、状态可变带通滤波器306的电阻器-电容器(RC)时间常数可实现中心频率(Fc)的改变。可在不同阶段中执行中心频率(Fc)调节，在阶段之间具有某些重叠以克服经由可调电阻器512、可调电容器526、可调电阻器520和可调电容器522的大单调范围没有重叠。可以数字形式控制频率调节以用于广泛的频率调节范围和其调节期间频率步进值的精细粒度。
可通过改变由可调电阻器516和518确定的电压反馈比率来调节高Q状态可变带通滤波器306的Q(带宽)。可以数字形式控制可调电阻器516和518。可以小的步进值调节高Q状态可变带通滤波器306的Q(带宽)，优选从约数百到约数千。最好从约200的Q到约2000的Q。
电阻器508和510设定放大器502的增益。电阻器514设定高Q状态可变带通滤波器306的积分放大器的总增益。Vref可以是高稳定精度带隙基准，如共同拥有的美国第6,384,670号专利中更全面地描述，在此其以引用的方式并入本文中。
现在参看图5，描绘图3的时间信号接收器的振幅调制包络检测器和信号强度测定电路的示意图。时间信号检测器308包含振幅调制(AM)包络检测器650、包含电阻器640和电容器642的低通滤波器，和数据比较器656。另外，高信号强度比较器654、低信号强度比较器658，和具有微分时钟输出680的时间信号载波频率比较器652可和时间信号检测器308包括在一起。
AM检测器650矫正来自放大和选择滤波的时间信号316的调幅包络。调幅包络含有时间信号信息，通过电阻器640和电容器642的低通滤波器来过滤所述时间信号信息，从而移除时间信号载波频率分量并产生与所接收时间信号的信号强度成比例的直流电压。数据比较器656比较AM检测的时间信号与电压基准电平666，且具有输出676，且由适合与数字逻辑电路一起使用的高和低逻辑电平来表示时间信号信息。在节点672处可得到模拟的时间信号包络信息。
比较器652可用于调整时间信号频率以用于其他数字逻辑(未图示)进行的测量。微分数字逻辑电平时钟信号680可用于此目的。
数据比较器656优选在界定的输入信号范围上最有效地工作。在这点上，无论模拟时间信号包络信息(节点672)何时高于某一低电压电平，低信号强度比较器658的输出678将处于高逻辑电平，且无论模拟时间信号包络信息(节点672)何时低于某一高电压电平，高信号强度比较器654的输出674将处于低逻辑电平。如果模拟时间信号包络信息(节点672)不处于某一低电压电平与某一高电压电平之间，可通过数字处理器310使用来自高信号输出674和低信号输出678的逻辑信息来改变VGA 304和/或天线调谐和Q控制单元302(图3)的增益。
数字处理器310还可基于输出678和674的逻辑电平、来自微分输出680的频率和/或来自输出676的时间信号信息来调节高Q状态可变带通滤波器306的中心频率(Fc)。数字处理器310可自动关联来自输出676的时间信号信息以用于调谐高Q状态可变带通滤波器306。可通过以数字形式交叉关联解调时间信息和已知的时间信息来执行解调时间信息的自动关联。数字处理器310还可分别基于输出674和678的高和低信号强度和来自输出676的数据信息的自动关联来调节高Q状态可变带通滤波器306的Q。增加的Q将导致高Q状态可变带通滤波器306较窄的带宽和时间信号的改进的接收。
参看图6，根据本发明的其他示范性实施例描绘时间信号接收器104的反陷波滤波器电路的示意图。一般由数字220表示的反陷波滤波器电路可用于改进超再生接收器的前沿选择性，例如其优选实施例在2003年9月25日由RuanLourens申请的题为“Q-Quenching Super-Regenerative Receiver”的序列号为10/670,619的共同拥有的待决美国专利申请案中有更全面的描述，在此其全文以引用的方式并入本文。
反陷波滤波器电路220可配置成调谐式射频(TRF)接收器，结合合适的信息检测电路和解码逻辑，例如解调器106和解码器108。图6中描绘的反陷波滤波器电路经配置成桥式微分电路。所描绘的反陷波滤波器电路220可基本上独立控制(调节)质量(Q)和中心频率。电阻器710可用于独立于中心频率Fc来调节电路Q。通过改变由电阻器718a和718b的串联组合表示的分压计718分接点来调节中心频率。当电阻器710＜6(电阻器718a+电阻器718b)时，图6中描绘的电路包含高增益、窄带放大器704。当电阻器710接近6(电阻器718a+电阻器718b)时，电路的Q和增益增加。只要反馈保持为负，中心频率Fc处的最大增益实质上就是Fc处放大器704的开环增益。
当电阻器710＞6(电阻器718a+电阻器718b)时，反陷波滤波器电路220还可用作高Q谐振器。在此谐振区之前的过渡区中，可获得比放大器704的正常开环增益高的增益。另外，还可达到非常高的Q。本文所揭示的电路良好地适合在集成电路中制造。可通过调节电容器712、714或716、或电阻器720、708或722中的一者来消除寄生效应。图6中说明的电路构造允许在无需昂贵的晶体滤波器的情况下得到良好的频率选择性。
图6描绘耦合在输出反馈回路中的桥式电路。输入信号可耦合在节点702或328处(702和328可在信号输入端与地面之间交替)，且可从图6中描绘的电路节点730得到输出信号。
因此，本发明良好用于执行目标，且得到所提到的结果和优势，以及其中固有的其他方面。虽然已描绘完本发明，且通过参看本发明的示范性实施例而进行界定，但此参考并非暗示限制本发明，且不会推出有这样的限制。如所属领域和获得本揭示内容益处的技术人员将进行的，本发明能在形式和功能上作出大量修改、替代和等同。所描绘和描述的本发明的实施例仅仅是示范性的，且并没有详细列出本发明的范畴，因此，本发明仅期望受附加权利要求书的精神和范畴的限制，其在所有方面提供对等同物的全面理解。

Claims (32)

1.一种用于接收并解码一射频时间信号的装置，包含：
一时间信号接收器，其调谐到一时间信号的频率并放大所述时间信号；
一解调器，其耦合到所述时间信号接收器，其中所述解调器解调所述放大的时间信号；
一解码器，其耦合到所述解调器，其中所述解码器解码所述解调的时间信号；且其中所述时间信号接收器、解调器和解码器被制造在一集成电路芯片上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述时间信号接收器耦合到一天线以用于所述时间信号的接收。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述时间信号接收器是一具有一反陷波滤波器电路的调谐式射频接收器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述调谐式射频接收器具有一放大器，所述放大器具有一反相输入、一非反相输入和一输出，且所述反陷波电路是一桥式电路。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述桥式电路在一耦合到所述放大器输出的反馈路径中。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述桥式电路在一耦合到所述放大器反相输入的反馈路径中。
7.根据权利要求4所述的装置，其中所述桥式电路在一耦合到所述放大器反相输入的信号路径中。
8.根据权利要求3所述的装置，其中所述反陷波滤波器电路的质量(Q)和中心频率的调节基本上是独立的。
9.根据权利要求3所述的装置，其中所述反陷波滤波器电路是一具有高质量(Q)的带通滤波器电路。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述放大器是一运算放大器。
11.根据权利要求1所述的装置，进一步包含一时间寄存器，以用于存储来自所述解调和解码时间信号的时间信息。
12.根据权利要求1所述的装置，进一步包含将所述集成电路芯片封装在一集成电路封装中。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述集成电路封装是从由PDIP、SOIC、MSOP、TSSOP和QSOP组成的群中选择的。
14.一种用于接收并解码一射频时间信号的方法，所述方法包含以下步骤：
调谐一调谐到一时间信号的时间信号接收器；
利用所述时间信号接收器放大所述时间信号；
解调所述放大的时间信号；和
解码所述解调的时间信号；
其中所述时间信号接收器是一具有一反陷波滤波器电路的调谐式射频接收器。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包含存储来自所述解码的时间信号的时间信息的步骤。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述调谐式射频接收器具有一放大器，所述放大器具有一反相输入、一非反相输入和一输出，且所述反陷波电路是一桥式电路。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述桥式电路在一耦合到所述放大器输出的反馈路径中。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述桥式电路在一耦合到所述放大器反相输入的反馈路径中。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述桥式电路在一耦合到所述放大器反相输入的信号路径中。
20.根据权利要求16所述的方法，其中调节所述反陷波滤波器电路的质量(Q)和中心频率的所述步骤基本上是独立的。
21.一种用于接收并解码一射频时间信号的系统，所述系统包含：
一天线，其用于接收一射频时间信号；
一可变增益放大器，其耦合到所述天线；
一状态可变带通滤波器，其耦合到所述可变增益放大器，其中所述状态可变带通滤波器经调谐到所述射频时间信号载波频率；
一时间信号检测器，其用于解调来自所述射频时间信号的时间信息，所述时间信号检测器耦合到所述状态可变带通滤波器；和
一数字处理器，其耦合到并控制所述可变增益放大器和所述状态可变带通滤波器，所述数字处理器接收来自所述时间信号检测器的所述解调的时间信号，
其中所述可变增益放大器、所述状态可变带通滤波器、所述接受信号检测器和所述数字处理器被制造在一集成电路芯片上。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述天线在所述射频时间信号载波频率处并联谐振。
23.根据权利要求21所述的系统，进一步包含一高电平信号强度逻辑电路和一低电平信号强度逻辑电路，以用于确定所述射频时间信号的接收何时小于一低信号电平和高于一高信号电平。
24.根据权利要求23所述的系统，其中：
当所述射频时间信号小于或等于所述高信号电平时，所述高电平信号强度逻辑电路处于一第一逻辑电平，且当所述射频时间信号大于所述高信号电平时，所述高电平信号强度逻辑电路处于一第二逻辑电平；且
当所述射频时间信号小于或等于所述低信号电平时，所述低电平信号强度逻辑电路处于一第一逻辑电平，且当所述射频时间信号大于所述低信号电平时，所述低电平信号强度逻辑电路处于一第二逻辑电平。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述高电平信号强度逻辑电路和所述低电平信号强度逻辑电路用于控制所述可变增益放大器放大耦合到所述状态可变带通滤波器的所述射频时间信号的量。
26.根据权利要求21所述的系统，进一步包含一耦合在所述天线与所述可变增益放大器之间的天线调谐器，其中所述天线调谐器受所述数字处理器控制。
27.根据权利要求21所述的系统，其中所述数字处理器是从由微控制器、微处理器、可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)和数字信号处理器(DSP)组成的群中选择的。
28.根据权利要求21所述的系统，其中所述数字处理器控制所述状态可变带通滤波器到所述射频时间信号的所述载波频率的调谐。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述数字处理器将所述解调的时间信息与一已知的时间信息格式自动关联以用于调谐所述状态可变带通滤波器。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述解调的时间信息的所述自动关联是通过以数字形式交叉关联所述解调的时间信息和所述已知的时间信息来执行的。
31.根据权利要求21所述的系统，其中所述数字处理器控制所述状态可变带通滤波器带宽(Q)。
32.根据权利要求21所述的系统，其中所述状态可变带通滤波器可从约38kHz调谐到约77kHz。
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