FI88559C - Anordning foer detektering av en FM- eller PM-modulerad signal - Google Patents

Description

1 88559

Laite FM- tai PM-moduloidun signaalin ilmaisemiseksi -Anordning för detektering av en FM- eller PM-modulerad signal 5

Keksinnön kohteena on suoraan aikavälimittaukseen perustuva, FM- tai PM-moduloidun signaalin ilmaisuun tarkoitettu laite.

Vaihe- tai taajuusmoduloitua lähetettä on tunnettua ilmaista 10 useilla eri tavoilla. Tavallisimpia ilmaisimia ovat vaihelu-kot, kvadratuuri-ilmaisimet tai, kun muutokset ovat riittävän hitaita, taajuuslaskurit.

Vaihe- tai taajuusmoduloitua lähetettä ilmaistaan usein 15 vaihelukolla, joka koostuu vaihevertailijasta, silmukkasuo-dattimesta ja ohjattavasta oskillaattorista, joka lukkiutuu samalle taajuudelle tulosignaalin kanssa. Tällöin oskillaattorin ohjaussignaalia käytetään ilmaistuna signaalina. Vaihelukon voi toteuttaa analogisena tai digitaalisena.

20 Analogisen vaihelukon ominaisuuksiin vaikuttavat mm. jänni-teohjatun oskillaattorin säätöalue ja lineaarisuus sekä silmukkasuodattimen lähtökohina. Digitaalisen vaihelukon ohjattavan oskillaattorin voi helpommin suunnitella lineaariseksi kuin analogisen oskillaattorin, mutta digitaalinen .25 vaihelukko voi lukkiutua vain diskreeteille taajuuksille, jolloin ilmaistuun signaaliin jää vaihekohinaa oskillaattorin vaihdellessa kahden lähimmän taajuuden välillä. Lisäksi digitaaliset vaihelukot toimivat vain kohtuullisen pienillä taajuuksilla.

30

Vaihelukko on epälineaarinen, takaisinkytketty systeemi, jonka käyttäytymisen analysointi on vaikeaa. Ominaisuuksien optimointia rajoittaa takaisinkytkentälenkki, jonka on pysyttävä stabiilina. Tällöin signaalin suodattamiseen .••35 käytettävät keinot ovat huomattavan rajalliset. Analogiset vaihelukot kuluttavat jatkuvasti virtaa ja usein niissä käytetään keloja, jotka ovat tuotantoteknisesti hankalia komponentteja. Moderneissa käytetään usein digitaalisia 2 88559 suodattimia, jolloin ilmaistu signaali on muutettava erillisellä analogia-digitaalimuuntimella digitaaliseksi. Digitaaliset vaihelukot vaativat suuren kellotaajuuden.

5 Yleisesti käytetty kvadratuuri-ilmaisin perustuu viritettyyn resonanssipiiriin, jolla aiheutetaan signaaliin taajuusriip-puva vaihesiirto ennen kuin se kerrotaan itsellään. Myös kvadratuuri-ilmaisimet kuluttavat jatkuvasti virtaa, ja niiden resonanssipiirissä käytetään viritettäviä keloja, 10 jotka ovat tuotantoteknisesti hankalia ja kalliita komponentteja.

Staattisten tai hitaasti ryömivien taajuuksien mittaamiseen on tunnettua käyttää aikavälimittauksia. Niissä mitataan 15 taajuus tai vaihe käyttäen yleensä digitaalista taajuuslas-kuria, jossa on sisäinen referenssioskillaattori ja laskuri, joka laskee referenssioskillaattorin jaksoja mitattavan signaalin jakson ajan. Koska referenssioskillaattori ei käytännön syistä voi olla kovin suuritaajuinen, on laskuri-20 periaatteen kertamittausresoluutio huono eikä sitä näin ollen ole käytetty nopeasti muuttuvien taajuuksien mittaamiseen. Julkaisussa IEEE Spectrum, July 1988, Chu, David, "Phase digitizing sharpens timing measurements" on kuvattu vaihemodulaation mittaamiseen tarkoitettu mittalaite, jonka 25 haittana on, että käytetyn oskillaattorin suuren kellotaajuuden vuoksi se kuluttaa paljon tehoa. Myös patenttijulkaisussa US-3 548 328, Breikss, esitetyn ilmaisinrakenteen käytännön ongelmana on, että se vaatii hyvin suuritaajuisen kellon. Molempien etuna kuitenkin on, että ilmaistu tulos 30 saadaan suoraan digitaalisena, jolloin erillistä A/D-muun- ninta ei tarvita, jos signaalia on käsiteltävä digitaalisesti (esim. modernien suodattimet ovat usein digitaalisia).

Väliulosotoin käytettyä viivelinjaa käyttämällä voidaan 35 ajanmittauksen resoluutiota parantaa kasvattamatta silti tehonkulutusta. US-patenttijulkaisussa 4 593 266, Palmer, on esitetty FM-ilmaisimena käytettävä integroitava viivelin-ja, jossa uuden ja viivästetyn pulssin koinsidenssinä saa- 3 88559 daan jaksonpituuden puolikas, josta edelleen lasketaan hetkellinen taajuus. Tämän rakenteen käytännön toteutusta vaikeuttaa kuitenkin merkittävästi kaksi seikkaa: Ensinnäkin, kun signaalinmodulaatio on pieni keskitaajuuteen ver-5 rattuna, jaksonpituuden mittaavasta viivelinjasta tulee hyvin pitkä ja epätaloudellinen. Esim. matkapuhelimissa käytetään yleensä enintään 5 kHz deviaatiota 455 kHz keski-taajuuden ympärillä, jolloin 1000-asteisella viivelinjalla ei saataisi kuin n. 10 kvantisointitasoa itse signaalista.

10 Teknologian nykytasolla yli 256-asteisen (8-bittisen) integroidun viivelinjan valmistaminen siten, että sen lineaa-risuusvirhe olisi alle 1 viive-elementti, on erittäin vaikeaa. Toiseksi, pulssin pituuden säilyttäminen tarkasti määrämittaisena viivelinjassa on osoittautunut ongelmalliseksi, 15 jolloin mainitussa patentissa esitetty, tarkasti vakiolevyi-seen ajoituspulssiin perustuva ilmaisu on hyvin vaikea toteuttaa.

Tässä keksinnössä esitetään laite, jolla FM- tai PM-moduloi-20 tu signaali voidaan ilmaista suoraan ilman edellä kuvattuja analogisen tai digitaalisen vaihelukon haittoja. Laitteella saavutetaan suoran digitaalisen ilmaisun edut ilman suuri-:.r. taajuista oskillaattoria tai epäkäytännöllisen pitkää viive-• linjaa. Laite ei sisällä takaisinkytkentälenkkiä, jolloin : :"25 mittaustulosten käsitteleminen on vapaampaa kuin vaihelukko-ja käytettäessä.

Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

30

Laite ilmaisee signaalin siten, että moduloidun tulosignaa-lin hetkellinen jaksonpituus mitataan suoralla aikaväliini t-tauksella, jossa käytetään laskuria ja viivelinjaa, joka on lyhyempi kuin mitattavan signaalin jaksonpituus. Jakson-.'"35 pituudesta voidaan laskea vaihe ja hetkellinen taajuus.

Koska laite vaatii ajanmittaukselta suurempaa erottelukykyä kuin normaaleilla taajuuslaskureilla on saavutettavissa kohtuullista kellotaajuutta käyttäen, parannetaan mittaus- 4 88559 herkkyyttä keksinnön mukaisesti siten, että käytetään viive-linjaa laskurin laskemien jaksojen murto-osien kvantisoimi-seksi. Viivelinja voidaan toteuttaa eri tavoilla, kuten jäljempänä kuvataan ja epäitsenäisistä vaatimuksista ilme-5 nee.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin viitaten keksinnön periaatetta selventäviin oheisiin kuviin, joissa: 10

Kuva 1 keksinnön mukaisen laitteen lohkokaavio, kuva 2 referenssikelloon perustuva ajanmittaus yhdistetyllä laskurilla ja viivelinjalla, kuva 3 viivelinjan käyttö aikavälin mittauksissa, 15 kuva 4 esimerkki viivelinjan kalibrointiin tarkoitetusta kytkennästä, kuva 5 referenssikelloon perustumaton ajanmittaus viive-linjalla ja laskurilla.

20 Kuvan 1 mukaisesti keksinnön mukainen signaalin ilmaisu perustuu moduloidun tulosignaalin hetkellisen jaksonpituuden mittaamiseen suoralla aikavälimittauksella aika-digitaa-limuunninta käyttäen. Signaalin 1 jaksonpituus 3 mitataan aikavälimittauslaitteella 2. Signaali demoduloidaan lohkossa 25 4. Hetkellinen taajuus 5 saadaan hetkellisen jaksonpituuden käänteislukuna, vaihemodulaatio havaitaan hetkellisinä jaksonpituuden muutoksina. Ilmaistu signaali 5 viedään edelleen käsiteltäväksi suodatin- ja rajoitinlohkoon 6. Mittausmenetelmä ei sisällä takaisinkytkentälenkkiä, jolloin 30 mittaustulosten käsitteleminen on vapaampaa kuin vaihelukko-·*' ja käytettäessä. Tulos saadaan myös valmiiksi digitaalisena.

Keksinnön mukaisessa laitteessa vaaditaan ajanmittaukselta hyvin suurta erottelukykyä. Koska pelkän taajuuslaskurin 35 käyttö vaatii kohtuuttoman suurta kellotaajuutta ja toisaalta jaksonpituuden mittaaminen pelkällä viivelinjalla edellyttää epärealistisen pitkää viivelinjaa, keksinnön mukaisessa laitteessa käytetään kuvan 2 mukaista kaksiosaista i.

5 88559 aikavälinmittausta. Signaalin 8 jaksonpituus kvantisoidaan karkeasti laskemalla laskurilla 12 tunnetun referenssikellon 15 jaksoja, jotka on kuvattu pulssipiikkeinä vasemman puoleisessa kuvassa, ja tarkemmin kvantisoimalla kellojakson 5 murto-osat 10, 11 yhden tai kahden viivelinjan 13, 14 avulla. Mikäli viive-elementit ovat säädettäviä, samalla refe-renssikellolla voidaan kalibroida viivelinjan kokonaispituus vastaamaan referenssikellon jaksonpituutta, jolloin laskurin 12 tulos ja viivelinjasta 13, 14 saatu murto-osa voidaan 10 suoraan yhdistää toisiinsa. Mikäli ilmaistavan signaalin jaksoon mahtuu useita referenssikellon 15 jaksoja, voidaan viivelinjan kalibrointi kellosignaalilla hetkellä 16 limittää ilmaistavan signaalin kahden nollaylityskohdan 17, 18 väliin kuvan 2 mukaisesti.

15

Kuvassa 3 on esitetty esimerkinomaisesti viive-elementeistä kootun viivelinjan käyttöperiaate aikavälimittauksissa: aikavälin alkuhetkellä viivelinjaan 19 lähetetään pulssi tai sen reuna 20, joka edetessään viive-elementeistä ΔΤ 20 koostuvaa viivellnjaa asettaa kiikkujen 21 datatulot. Aikavälin loppuessa viivelinjan tila talletetaan esim. kellosignaalista saatavalla loppumerkillä STOP ja viimeisen asettuneen kiikun paikasta koodataan kooderilla 22 aikavälin pituus. Käyttämällä viive-elementteinä nopeita logiikkaport-'.'.25 teja menetelmällä on mahdollista päästä alle nanosekunnin kertamittausresoluutioon.

Viivelinjan toteutukseen on useita vaihtoehtoja. Voidaan käyttää joko kuvan 2 rakennetta tai viive-elementit itse 30 voivat olla kiikkuja, joiden viivettä käytetään yksikkövii-veenä. Aikavälin loppumerkille voi olla myös oma, alkumerkin . . viivelinjaa nopeampi viivelinjansa tai alkumerkki ja loppumerkki voivat edetä samassa viivelinjassa, mutta eri nopeuksilla.

' 35 .*. Viive-elementtien viive voi myös olla säädettävä, jolloin viivelinjan kokonaispituus ja erottelukyky voidaan asettaa halutuksi. Viivelinjan kokonaisviive voidaan esimerkiksi 6 88559 kalibroida kuvan 4 mukaisesti automaattisesti referenssikel-lon jakson pituiseksi kellosignaalilla S. Kiikulla 19 annetaan kalibrointisignaali viivelinjaan 25. Signaalia viivästetään kiikulla 24 tasan yhden kellojakson verran, ja vii-5 västetyn signaalin ja viivelinjan lähdön ajoitusta verrataan vaihevertailijalla 26, joka säätää viivelinjan säätö-jännitettä 27 siten, että viivelinjan kokonaisviiveeksi tulee yksi kellojakso.

10 Viivelinjaa pitempiä jaksonpituuksia voidaan mitata myös siten, että signaali 28 kiertää kuvan 5 mukaisesti viivelinjan 29 läpi useampaan kertaan, jolloin laskurilla 30 kerätään kokonaisten kierrosten lukumäärä. Tällaisessa rakenteessa muuntimen herkkyyden tarkka kalibroiminen voi olla 15 vaikeampaa, mutta sovelluksissa, joissa signaalin absoluut-titasolla ei ole merkitystä (esim. puhelimessa), muunnin voidaan jättää kokonaan kalibroimatta ja signaali voidaan ilmaista myöhemmin esim. siten, että käytetään jaksonpituu-den pitkäaikaista keskiarvoa kertataajuuden estimaattina, 20 johon hetkellistä arvoa verrataan.

Mitattu jaksonpituus tai sen poikkeama keskitaajuuden jak-sonpituudesta muutetaan hetkelliseksi taajuudeksi tai taa-juuspoikkeamaksi esimerkiksi korjaustaulukon avulla. Jos 25 tulosignaalin taajuusdeviaatio Af on riittävän pieni keski-taajuuteen f0 verrattuna, voidaan taajuusdeviaatiota arvioida suoraan myös hetkellisenä jaksonpituuden poikkeamana ΔΤ keskitaajuuden jaksonpituudesta l/fQ: 30 AT = l/(f0 + Af) - l/f0 , josta ratkaistaan Af:ksi,

Af = - AT fQ2 / (l+fQ AT)

Taajuusdeviaation ollessa riittävän pieni tämä ei aiheuta liiallista säröä (tyypillisessä matkapuhelinympäristössä 35 n. 1 %), Jolloin voidaan kokonaan välttää julkaisuissa [2] ja [3] mainittu korjaustaulukon tai aritmetiikkayksikön käyttö.

i 7 88559

Pientä taajuuspoikkeamaa voidaan siis arvioida suoraan jaksonpituuden poikkeamalla käyttämättä korjaustaulukoita tai laskentaa.

5 On selvää, että menetelmää sovelletaan niin, että tunnetun modulaation ylittävät tai muutoin soveltumattomat aikavälin mittaustulokset voidaan hylätä, rajoittaa tai korvata muilla arvoilla ja että mainittuja mittaustuloksia voidaan keskiar-voistaa, suodattaa tai muutoin käsitellä siten, että signaa-10 lissa esiintyvät häiriöt saadaan minimoitua.

Rakennetuissa viivelinjoissa etenee pelkkä signaalin nouseva reuna, jolloin vältytään pulssin leveyden muutoksien aiheuttamalta ongelmalta. Eräässä koerakenteessa on myös hyödyn-15 netty pulssinleveyden muuttumista rakentamalla viivelinja, jonka nousevan reunan viivettä voidaan säätää siten, että ajoituspulssi kapenee kussakin viive-elementissä hallitun ja halutun määrän, jolloin aikaväli voidaan määrittää kertomalla nousu- ja laskuviiveiden erotus sen viive-elementin 20 järjestysnumerolla, jossa tulopulssin leveys on kaventunut nollaan. Säädettävän viivelinjan järjestäminen siten, että ajoituspulssin leveys säilyisi muuttumattomana, kuten tekniikan tasossa esitetään, on kuitenkin hyvin vaikeaa.

.'•25 Keksinnön mukaisella laitteella saavutetaan tuotantoteknisesti helppo, kohtuullisesti tehoa kuluttava suora ilmaisu, joka ei aiheuta rajoituksia signaalissa esiintyvien häiriöiden poistoon käytettäville keinoille. Ilmaistu tulos on valmiiksi digitaalinen, jolloin erillistä analogia-digitaa-30 limuunninta ei tarvita.

Claims (6)

1. Laite taajuus- tai vaihemoduloidun signaalin ilmaisemiseksi kantoaallosta käyttäen välineitä (4), joilla tulosig-naalin jaksonpituudesta voidaan laskea hetkellinen taajuus 5 tai vaihe, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi välineet (2), joilla mitataan tulosignaalin hetkellinen jakson-pituus suoralla aikavälimittauksella laskurin (12) ja mitattavan signaalin jaksonpituutta lyhyemmän viivelinjan avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että laskuri (12) laskee määrätyn aikavälin ajan referens-sitaajuuden jaksoja ja jaksojen murto-osat kvantisoidaan yhden tai useamman viivelinjan (13, 14) avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että aikavälimittaus suoritetaan viivelinjalla (29), jonka läpi signaali etenee mittauksen aikana useaan kertaan siten, että kiertokertojen määrä ilmaistaan laskurilla (30).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että viivelinjan viive-elementit ovat säädettäviä ja sen kokonaisviive voidaan kalibroida tunnetun suuruiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, 25 että viivelinjan viive-elementit eivät ole säädettäviä, vaan tulos korjataan laskennallisesti.

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että tulosignaalin taajuusdeviaatio saadaan 30 suoraan jaksonpituuden poikkeamana tunnetusta arvosta tai mitatusta pitkäaikaisesta keskiarvosta.