TW201521397A - 頻移鍵控接收裝置 - Google Patents

Abstract

一種頻移鍵控接收裝置，包含一低雜訊放大器及一頻移鍵控解調器。該頻移鍵控解調器包括：一注入鎖定式震盪電路、一相位偵測電路，及一低通濾波電路。該注入鎖定式震盪電路接收一輸入信號，並輸出一傾向於追隨該輸入信號的鎖定信號，並於本身的自振頻率大於/小於該輸入信號的頻率時，輸出與該輸入信號的相位差小於/大於0度的該鎖定信號。該相位偵測電路根據該輸入信號及該鎖定信號之相位差進行解調以輸出一基頻信號。藉由設置該注入鎖定式震盪電路及該相位偵測電路，可以大幅減少電路元件數量及電路複雜度，進而降低整體電路的功耗。

Description

頻移鍵控接收裝置

本發明是有關於一種接收裝置，特別是指一種頻移鍵控接收裝置。

在無線感測網路(Wireless sensor network)應用中，各個節點的感測器之耗電量為最重要的考量因素之一，而無線收發裝置則為感測器的主要功耗來源之一。

參閱圖1，為習知一種採用直接轉換(direct conversion)接收架構的無線收發裝置，此架構包括一低雜訊放大器11、二混波器12、一震盪器13、二濾波器14。

該低雜訊放大器11接收一無線訊號後放大後輸出，該震盪器13提供相位差為90度的兩個相位訊號，該等混波器12接收該等相位訊號及放大後的該無線訊號，將該無線訊號分為同相(In-phase，簡寫為I)及正交(Quadrate，簡寫為Q)兩路，並降頻為具有較低頻率的一接收訊號，再經由該濾波器14濾波後以進行後續的處理。

然而，習知架構需要穩定且精確的震盪器13，導致電路設計難度高、複雜度增加，而將該無線訊號分為同相正交(IQ)兩路進行處理，也使電路元件數量難以降低、成本較高，且增加電路功耗。

因此，本發明之目的，即在提供一種能有效降低整體功耗的頻移鍵控接收裝置。

於是本發明頻移鍵控接收裝置，包含一低雜訊放大器及一頻移鍵控解調器。

該低雜訊放大器接收一頻移鍵控信號，並將該頻移鍵控信號放大後輸出為一輸入信號。

該頻移鍵控解調器包括：一注入鎖定式震盪電路、一相位偵測電路，及一低通濾波電路。

該注入鎖定式震盪電路電連接該低雜訊放大器，接收該輸入信號並輸出一傾向於追隨該輸入信號的鎖定信號，於該注入鎖定式震盪電路的一自振頻率大於該輸入信號的頻率時，輸出與該輸入信號的相位差小於0度的該鎖定信號，於該注入鎖定式震盪電路的該自振頻率小於該輸入信號的頻率時，輸出與該輸入信號的相位差大於0度的該鎖定信號。

該相位偵測電路分別電連接該低雜訊放大器及該注入鎖定式震盪電路，分別接收該輸入信號及該鎖定信號，並根據該輸入信號及該鎖定信號之相位差進行解調以輸出一基頻信號，於該鎖定信號與該輸入信號的相位差小於0度時，輸出對應於邏輯低準位的該基頻信號，於該鎖定信號與該輸入信號的相位差大於0度時，輸出對應於邏輯高準位的該基頻信號。

該低通濾波電路接收該基頻信號，並於濾除該 基頻訊號之高頻雜訊後輸出。

本發明之功效在於：藉由設置該注入鎖定式震盪電路及該相位偵測電路，可以取代習知技術中需要精確的震盪器及混波器，且可直接進行處理而不需要再將訊號分為同相正交兩路，可以大幅減少電路元件數量及電路複雜度，進而降低整體電路的功耗。

2‧‧‧低雜訊放大器

3‧‧‧頻移鍵控解調器

31‧‧‧相位調整電路

32‧‧‧注入鎖定式震盪電路

M1‧‧‧第一耦合電晶體

M2‧‧‧第二耦合電晶體

M3‧‧‧第一輸入電晶體

M4‧‧‧第二輸入電晶體

Cvar‧‧‧電容

Vctr‧‧‧控制信號

R‧‧‧電阻

Ld‧‧‧電感

Vdd‧‧‧電源電壓

Φ _in ‧‧‧輸入相位

Φ _out ‧‧‧輸出相位

33‧‧‧相位偵測電路

331‧‧‧第一追隨模組

332‧‧‧第一鎖定模組

333‧‧‧第二追隨模組

334‧‧‧第二鎖定模組

331a~334a‧‧‧第一輸入端

331b~334b‧‧‧第二輸入端

331c~334c‧‧‧第一輸出端

331d~334d‧‧‧第二輸出端

M1~M8‧‧‧輸入電晶體

M9~M12‧‧‧電流電晶體

Dn+/-‧‧‧數據訊號

CK+/-‧‧‧時脈訊號

Vo1‧‧‧第一輸出電壓

Vo2‧‧‧第二輸出電壓

34‧‧‧低通濾波電路

341‧‧‧濾波模組

341a‧‧‧輸入端

341b‧‧‧輸出端

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

Vout‧‧‧輸出信號

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是習知一種無線收發裝置的示意圖；圖2是本發明頻移鍵控接收裝置之一較佳實施例的示意圖；圖3是該較佳實施例的一注入鎖定式震盪電路的電路示意圖；圖4是該較佳實施例的一相位偵測電路及一低通濾波電路的電路示意圖；圖5是一波形圖，說明該較佳實施例的該相位偵測電路。

參閱圖2，本發明頻移鍵控接收裝置之較佳實施例包含一低雜訊放大器2及一頻移鍵控解調器3。

該低雜訊放大器2接收一頻移鍵控信號，並將該頻移鍵控信號放大後輸出為一輸入信號。

該頻移鍵控解調器3包括：一相位調整電路31、一注入鎖定式(injection-locking)震盪電路32、一相位偵測電路33，及一低通濾波電路34。

該相位調整電路31電連接於該低雜訊放大器2，接收該輸入信號並將該輸入信號相位調整180度後輸出一移位輸入信號。

該注入鎖定式震盪電路32電連接該低雜訊放大器2及該相位調整電路31，分別接收呈差動訊號的該輸入信號及該移位輸入信號，並輸出傾向於追隨該輸入信號的一鎖定信號，及一與該鎖定信號相位相差180度之移位鎖定信號，該鎖定信號與該移位鎖定信號亦呈差動訊號，於該注入鎖定式震盪電路32的一自振頻率(free-running frequency，亦稱為自由震盪頻率)大於該輸入信號的頻率時，輸出與該輸入信號的相位差小於0度的該鎖定信號，於該注入鎖定式震盪電路32的該自振頻率小於該輸入信號的頻率時，輸出與該輸入信號的相位差大於0度的該鎖定信號，且該注入鎖定式震盪電路32迴路的總相位移趨向於向0度移動。

參閱圖2及圖3，該注入鎖定式震盪電路32並具有：一第一耦合電晶體M1、一第二耦合電晶體M2、一第一輸入電晶體M3、一第二輸入電晶體M4、串聯的二電容Cvar、一電阻R，及二電感Ld。

該第一耦合電晶體M1具有一第一端、一接地的第二端，及一控制端。

該第二耦合電晶體M2具有一電連接該第一耦合電晶體M1的控制端的第一端、一接地的第二端，及一電連接該第一耦合電晶體M1的第一端的控制端。

該第一輸入電晶體M3具有一輸出該鎖定信號的第一端、一第二端，及一接收該輸入信號的控制端。

該第二輸入電晶體M4具有一輸出該移位鎖定信號的第一端、一電連接該第一輸入電晶體M3的第二端的第二端，及一接收該移位輸入信號的控制端。

於本實施例中，該第一耦合電晶體M1、該第二耦合電晶體M2、該第一輸入電晶體M3，及該第二輸入電晶體M4皆為N型金氧半場效電晶體(N-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，縮寫為N-MOSFET)，且該等第一端為汲極(Drain)、第二端為源極(Source)、控制端為閘極(Gate)，但亦可為其他形式之電晶體，並不限於此。

該等電容Cvar具有一電連接該第一輸入電晶體M3的第一端的第一端、一連結端，及一電連接該第二輸入電晶體M4的第一端的第二端，其中，該等電容Cvar為可調電容器，該連結端接收一呈直流電壓的控制信號Vctr，該等電容Cvar受該控制信號Vctr控制以調整電容值。

該電阻R並聯於該等串聯之電容Cvar，並具有分別電連接該串聯之等電容Cvar的第一端及第二端的一第一端及一第二端。

該等電感Ld分別具有一接收一電源電壓Vdd 的第一端，及一分別電連接該電阻R的第一端及第二端的第二端。

參閱圖2及圖4，該相位偵測電路33分別電連 接該低雜訊放大器2、該相位調整電路31及該注入鎖定式震盪電路32，分別接收該輸入信號及該移位輸入信號以作為內部之數據訊號Dn+/-，並接收該鎖定信號及該移位鎖定信號以作為內部之時脈訊號CK+/-，並根據該輸入信號及該鎖定信號之相位差進行解調以輸出一基頻信號，於該鎖定信號與該輸入信號的相位差小於0度時，輸出對應於邏輯低準位的該基頻信號，於該鎖定信號與該輸入信號的相位差大於0度時，輸出對應於邏輯高準位的該基頻信號。

該相位偵測電路33包括一第一追隨模組 331(tracking stage)、一第一鎖定模組332(latch stage)、一第二追隨模組333，及一第二鎖定模組334。

該第一追隨模組331、第一鎖定模組332、第二 追隨模組333，及第二鎖定模組334分別具有一第一輸入端331a~334a、一第二輸入端331b~334b、一第一輸出端331c~334c、一第二輸出端331d~334d、一對輸入電晶體M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8，及一電流電晶體M9、M10、M11、M12，並定義該第一追隨模組331的第一輸出端331c與該第二輸出端331d間的電壓差為第一輸出電壓Vo1、該第二追隨模組333的第一輸出端333c與該 第二輸出端333d間的電壓差為第二輸出電壓Vo2(亦即該基頻信號)。

該第一追隨模組331的第一輸入端331a及第二 輸入端331b分別接收該輸入信號及該移位輸入信號(即數據訊號Dn+/-)。

該第一鎖定模組332的第一輸入端332a電連接 該第二輸出端332d及該第一追隨模組331的第二輸出端331d，該第二輸入端332b電連接該第一輸出端332c及該第一追隨模組331的第一輸出端331c。

該第二追隨模組333的第一輸入端333a及第二 輸入端333b分別電連接該第一鎖定模組332的第二輸出端332d及第一輸出端332c。

該第二鎖定模組334的第一輸入端334a電連接 該第二輸出端334d及該第二追隨模組333的第二輸出端333d，該第二輸入端334b電連接該第一輸出端334c及該第二追隨模組333的第一輸出端333c。

於本實施例中，該相位偵測電路33採用電流模 式D型正反器作為實施，但亦可依實際需求而採用各式的正反器，並不限於此。

該低通濾波電路34接收該基頻信號，並於濾除 該基頻訊號之高頻雜訊後輸出為一輸出信號Vout，該低通濾波電路34包括二分別具有一輸入端341a及一輸出端341b的濾波模組341，該等濾波模組341的輸入端341a分別電連接該第二鎖定模組334的第一輸出端334c及第二輸 出端334d，該等輸出端341b之電壓差則為該輸出信號Vout，每一濾波模組341還具有：並聯於該輸入端341a與接地端間的一第一電阻R1及一第一電容C1、串接於該輸入端341a與該輸出端341b間的一第二電阻R2，及串接於該輸出端341b與接地端間的一第二電容C2。

一般使用時，該低雜訊放大器2接收該頻移鍵 控信號後，將該頻移鍵控信號放大後輸出為對應的該輸入信號，該相位調整電路31接收該輸入信號後，將該輸入信號相位調整180度後輸出該移位輸入信號。

該注入鎖定式震盪電路32分別接收該輸入信號 及該移位輸入信號，並輸出該鎖定信號及該與該鎖定信號相位相差180度之移位鎖定信號。

值得一提的是，在頻移鍵控調變技術中，是使 用兩個不同的頻率來分別表示二進制訊號0和1，而該注入鎖定式震盪電路32的該自振頻率則必須介於上述兩個不同的頻率之間，由於頻移鍵控調變技術為此業界所熟悉的內容，故在此並不贅述。

參閱圖2及圖3，其中，該等電容Cvar、該電 阻R，及該等電感Ld形成LC共振腔，該輸入信號及該移位輸入信號注入LC共振腔，當該輸入信號的頻率非常接近該注入鎖定式震盪電路32本身的自振頻率時，該注入鎖定式震盪電路32所輸出的該鎖定信號的頻率會鎖定在該輸入信號的頻率上，同時該鎖定信號的相位也會隨著該輸入信號而變化，由於該注入鎖定式震盪電路32的頻率鎖定範 圍與本身的Q值成反比，因此藉由在LC共振腔中設置一個並聯的大電阻R來降低Q值，可提升該注入鎖定式震盪電路32的頻率鎖定範圍，再者，藉由使用可調電容器來實施該等電容Cvar，可以藉由控制該控制信號Vctr來改變該等電容Cvar的電容值以調整該注入鎖定式震盪電路32的自振頻率，如此可增加應用上的靈活度，其相關公式如下：該注入鎖定式震盪電路32的頻率鎖定範圍與Q值之關係式：

LC共振腔中RLC並聯諧振電路的Q值公式：

其中，ω _L 為頻率鎖定範圍，ω _o 為該注入鎖定式震盪電路32的振盪頻率，Q為品質因素，ω為該自振頻率，R、L、C則分別代表該電阻R、該電感Ld、該電容Cvar之值。

定義該輸入信號的相位為一輸入相位Φ _in ，該鎖定信號的相位為一輸出相位Φ _out ，由於該注入鎖定式震盪電路32的總相位移趨向於向0度移動，因此當該輸入信號的輸入相位Φ _in 改變時，會使該輸入信號的輸入相位Φ _in 與該鎖定信號的輸出相位Φ _out 產生相位差θ，若該相位差θ在該注入鎖定式震盪電路32的頻率鎖定範圍內，該注入鎖定式震盪電路32會調整該鎖定信號的輸出相位Φ _out 去追隨該輸入 信號的輸入相位Φ _in ，直到達成相位鎖定為止，由於該注入鎖定式震盪電路32在自振頻率大於該輸入信號的頻率時輸出與該輸入信號的相位差小於0度的該鎖定信號，於該自振頻率小於該輸入信號的頻率時輸出與該輸入信號的相位差大於0度的該鎖定信號，因此可以透過判斷該輸入相位Φ _in 及該輸出相位Φ _out 間的相位差θ來判斷該頻移鍵控信號中所夾帶的二進制訊號。

接著由該相位偵測電路33分別接收該輸入信 號、該移位輸入信號、該鎖定信號及該移位鎖定信號，並根據該輸入信號及該鎖定信號之相位差進行解調以輸出該基頻信號。

參閱圖2、圖4及圖5，假設該輸入信號的輸入 相位Φ _in 領先該鎖定信號的輸出相位Φ _out 且該第二輸出電壓Vo2的初始值(default value)為邏輯低準位，詳述各個時間的電路表現如下：時間t1~t2：此時該時脈訊號CK(即該鎖定信號)切換至邏輯高準位，該第一追隨模組331、該第二鎖定模組334的電流電晶體M9、M12導通，該第一鎖定模組332、該第二追隨模組333的電流電晶體M10、M11不導通，使該第一追隨模組331作動、該第二追隨模組333不作動，此時間區段中，該第一輸出電壓Vo1追隨(tracking)該數據訊號Dn(即該輸入信號)而改變。

時間為t2~t3：此時該時脈訊號CK切換至邏輯低準位，該第一追隨模組331、該第二鎖定模組334的電 流電晶體M9、M12不導通，該第一鎖定模組332、該第二追隨模組333的電流電晶體M10、M11導通，使該第一追隨模組331不作動、該第二追隨模組333作動，此時間區段中，由於該第一輸出電壓Vo1受到鎖定(latch)而固定在邏輯低準位，因此該第二輸出電壓Vo2追隨該第一輸出電壓Vo1改變也為邏輯低準位。

時間為t3~t4：此時該時脈訊號CK再次切換至 邏輯高準位，該第一追隨模組331、該第二鎖定模組334的電流電晶體M9、M12導通，該第一鎖定模組332、該第二追隨模組333的電流電晶體M10、M11不導通，使第一追隨模組331作動、該第二追隨模組333不作動，此時間區段中，該第一輸出電壓Vo1隨該數據訊號Dn而改變，該第二輸出電壓Vo2維持在邏輯低準位。

時間為t4~t5：此時該時脈訊號CK再次切換至 邏輯低準位，該第一追隨模組331、該第二鎖定模組334的電流電晶體M9、M12不導通，該第一鎖定模組332、該第二追隨模組333的電流電晶體M10、M11導通，使該第一追隨模組331不作動、該第二追隨模組333作動，此時間區段中，由於該第一輸出電壓Vo1受到鎖定仍固定在邏輯低準位，因此該第二輸出電壓Vo2追隨該第一輸出電壓Vo1也仍為邏輯低準位。

最後，經由該低通濾波電路34接收該第二輸出 電壓Vo2(即該基頻訊號)並濾除高頻雜訊後即可輸出供後續使用。

經由以上的說明，可將本實施例的優點歸納如下：

一、藉由設置該注入鎖定式震盪電路32及該相位偵測電路33，可以取代習知技術中需要精確的震盪器及混波器，且藉由該注入鎖定式震盪電路32直接處理相位相差180度的鎖定信號及該移位鎖定信號，可以不需要如習知技術中需要將訊號分為同相正交兩路進行處理，可以大幅減少電路元件數量及電路複雜度，進而降低整體電路的功耗。

二、藉由在LC共振腔中設置一個並聯的大電阻R來降低Q值，及藉由控制該控制信號Vctr來改變該等電容Cvar的電容值以調整該注入鎖定式震盪電路32的自振頻率，可以提升該注入鎖定式震盪電路32的頻率鎖定範圍，及增加應用上的靈活度。

綜上所述，本發明可以減少電路元件數量及電路複雜度、降低整體電路功耗，還可提升頻率鎖定範圍，及增加應用上的靈活度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧低雜訊放大器

Φ _out ‧‧‧輸出相位

3‧‧‧頻移鍵控解調器

33‧‧‧相位偵測電路

31‧‧‧相位調整電路

34‧‧‧低通濾波電路

32‧‧‧注入鎖定式震盪電路

Φ _in ‧‧‧輸入相位

Claims (8)

1. 一種頻移鍵控接收裝置，包含：一低雜訊放大器，接收一頻移鍵控信號，並將該頻移鍵控信號放大後輸出為一輸入信號；及一頻移鍵控解調器，包括：一注入鎖定式震盪電路，電連接該低雜訊放大器，接收該輸入信號並輸出一傾向於追隨該輸入信號的鎖定信號，於該注入鎖定式震盪電路的一自振頻率大於該輸入信號的頻率時，輸出與該輸入信號的相位差小於0度的該鎖定信號，於該注入鎖定式震盪電路的該自振頻率小於該輸入信號的頻率時，輸出與該輸入信號的相位差大於0度的該鎖定信號，一相位偵測電路，分別電連接該低雜訊放大器及該注入鎖定式震盪電路，分別接收該輸入信號及該鎖定信號，並根據該輸入信號及該鎖定信號之相位差進行解調以輸出一基頻信號，於該鎖定信號與該輸入信號的相位差小於0度時，輸出對應於邏輯低準位的該基頻信號，於該鎖定信號與該輸入信號的相位差大於0度時，輸出對應於邏輯高準位的該基頻信號，及一低通濾波電路，接收該基頻信號，並於濾除該基頻訊號之高頻雜訊後輸出。
2. 如請求項1所述的頻移鍵控接收裝置，還包含一電連接 於該低雜訊放大器及該注入鎖定式震盪電路間的相位調整電路，該相位調整電路接收該輸入信號並將該輸入信號相位調整180度後輸出一移位輸入信號；該注入鎖定式震盪電路分別接收該輸入信號及該移位輸入信號，並輸出該鎖定信號及一與該鎖定信號相位相差180度之移位鎖定信號。
3. 如請求項2所述的頻移鍵控接收裝置，其中，該注入鎖定式震盪電路具有：一第一耦合電晶體，具有一第一端、一接地的第二端，及一控制端，一第二耦合電晶體，具有一電連接該第一耦合電晶體的控制端的第一端、一接地的第二端，及一電連接該第一耦合電晶體的第一端的控制端，一第一輸入電晶體，具有一輸出該鎖定信號的第一端、一第二端，及一接收該輸入信號的控制端，一第二輸入電晶體，具有一輸出該移位鎖定信號的第一端、一電連接該第一輸入電晶體的第二端的第二端，及一接收該移位輸入信號的控制端，串聯的二電容，具有一電連接該第一輸入電晶體的第一端的第一端、一連結端，及一電連接該第二輸入電晶體的第一端的第二端，一電阻，並聯於該等串聯之電容，及二電感，分別具有一接收一電源電壓的第一端，及一分別電連接該電阻兩端的第二端。
4. 如請求項3所述的頻移鍵控接收裝置，其中，該等電容為可調電容器，該連結端接收一控制信號，該等電容受該控制信號控制以調整電容值。
5. 如請求項3所述的頻移鍵控接收裝置，其中，該相位偵測電路電連接該相位調整電路，並接收該鎖定信號及該移位鎖定信號以作為內部之時脈訊號，該相位偵測電路包括一第一追隨模組及一第一鎖定模組，該第一追隨模組及第一鎖定模組分別具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端，及一第二輸出端，該第一追隨模組的第一輸入端及第二輸入端分別接收該輸入信號及該移位輸入信號，該第一鎖定模組的第一輸入端電連接該第二輸出端及該第一追隨模組的第二輸出端，該第二輸入端電連接該第一輸出端及該第一追隨模組的第一輸出端。
6. 如請求項5所述的頻移鍵控接收裝置，其中，該相位偵測電路還包括一第二追隨模組及一第二鎖定模組，該第二追隨模組及第二鎖定模組分別具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端，及一第二輸出端，該第二追隨模組的第一輸入端及第二輸入端分別電連接該第一鎖定模組的第二輸出端及第一輸出端，該第二鎖定模組的第一輸入端電連接該第二輸出端及該第二追隨模組的第二輸出端，該第二輸入端電連接該第一輸出端及該第二追隨模組的第一輸出端。
7. 如請求項6所述的頻移鍵控接收裝置，其中，該相位偵 測電路為電流模式D型正反器。
8. 如請求項6所述的頻移鍵控接收裝置，其中，該低通濾波電路包括二分別具有一輸入端及一輸出端的濾波模組，該等濾波模組的輸入端分別電連接該第二鎖定模組的第一輸出端及第二輸出端，每一濾波模組還具有：一第一電阻及一第一電容，並聯於該輸入端與接地端間，一第二電阻，串接於該輸入端與該輸出端間，及一第二電容，串接於該輸出端與接地端間。