TW457762B - High-speed power-saving encoded M-bit FSK modulator - Google Patents

Description

【發明說明】 【發明領域】 本發明係關於頻移鍵（frequen ‘ 碼化Μ元FSK調變器。 电峪化之鬲速七電式編 【習知技術】 ” 的快速發展及半導體之持續進步，使得 二=f泛地使用在生活的各個角落。除了熟悉 的無，電·ordless phone)，大哥大(ceiiuiar p 器(pager)，汽車防盜器(car 等之 L iii 線電產品正以前所未有之速度擴散至人 二中。這種持續性的發展趨勢，使得無線電產 ;列幾U、短、小之外’必須以非常低的成本來實現 :歹】幾員的電路功能:⑴低功率消耗、⑴高效率的傳輸 功率、（3)南靈敏度的接收感度、（4)抗干擾能力。滿足上 j的條件，不僅能做高品質的無線電傳輸，亦能延長電池 舜命，捋合環保要求。據此，吾人採用習知的M元fsk α 兀frequency shift keying)調變技術，設計新型的^^元 FSK調變器，利用FSK先天的抗干擾能力，完成低成本，高 速切換變化頻率，並具高效率（1)C_t〇_RF 〇utput p〇wer) 之Μ元FSI[調變器。 已知且常用的F1 S K調變技術可歸納成下列幾種方式： 鎖相迴路（phase-locked-loop ’ PLL)電子技術、微波電磁 感應技術、數位直接合成器（Direct digital

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修正 _. rrris，DDS)、以及電子方^控制共振腔（⑴酿如） ㈣ϊ:ϊ路電子技術的基本原理乃利用其迴路中的壓控 振盛器之輸出信號’經若干除頻電路後，用相位比較J控 (Phase comparat〇r)和一個極穩定之信號源比較相差。此 相位比較器之輸出信號經低通遽波器做適#之處理後，產 t植Ϊ緩5變化而幾近直流之信號去控制壓控振盪器之輸 出頻率。#此負迴路電路之動作，壓控振盪器得以藉除頻 器之設定而調整壓控振盪器之頻率。這種數位式的設定可 利用輸入之電子碼產生FSK跳頻信號。這種利用pLL產生之 FSK信號的最大缺點是其跳頻之速^受到pLL迴路之濾波器 的時間常數所限制。例如，若FSK信號之頻道間距^ Uhannel spacing)為200KHz，為了要能正確且精準地調 變出FSK信號，一個典槊的PLL迴路時間常數大約需要 0.5ms ’使FSK信號能變化（跳頻）至所指定之頻率β這大幅 地限制FSK跳頻速率，而此時典型的迴路帶寬（ι〇〇ρ bandwidth)為16. 5KHz，遠大於FS1(的資料逮率（data rate)。所以，此時的Pll便能正確且精準地調變出FSK信 號。但在此情形下的資料速率相當慢，無法充份利用" 2OOKHz之頻率間距，故頻道的使用率大幅地下降。 其次’微波電磁感應技術則是利用PIN二極體（di〇de) 或變容二極體（varactor diode)，藉開關動作或電容變化 之方式，透過電磁感應’將阻抗變化轉換至振蓋電路，進 而5周印5玄振盈盜之振盡條件’使仔頻率因此隨控制p I n -

HE 457762 _ 棄號89120508 年月日 修I--- 五、發明說明（3) 極體或變容二極體之信號而變動。這種方式之優點在可切 換頻率（Af )相對於fo之比例（Δί/〇可以很小，且切換速 率很快。其缺點是電磁電路不易積體電路化，因為尺寸和 工作頻率之波長接近，因此面積較大，往往需要混合 (Hybrid)MIC來實施。除了利用壓控的變容二極體外，用 PIN二極體之開關動作來控制共振腔頻率之方式亦被廣泛 地應用。當PIN二極體之開關動作導通（不導通）時可接上 (不接上）共振腔中之部份電感或電容值，進而改變振盈器 之輸出頻率。然而利用p IN二極體之開關電路仍需消耗額 外之DC電流來達成導通狀態，同時p I n二極體之裝程較不 適合導入當今常見的1C製程如CMOS·、雙極（bipolar)、或 GaAs FET 。 再者’數位直接合成器是利用數位IC之方式，將數位 累進器（digital accumulator)工作在高速的時序信號環 境下（high speed clocked condition)，同時把欲產生之 輸出信號波型’如正弦波（sine wave)或任何複合信號 (composite signal)之相位資料存入内。以正弦波輸 出為例’數位累進器依所指定之頻率，把合適之數位碼輸 出至數位至類比轉換器（DAC)之輸入端，產生所欲之類比 波形’並經由3111；卜&1丨&3;111§{111;冗濾掉。這種數位1(：所 合成之M tlFSK信號需要利用VLSI技術，因此消耗的功率常 狼大]在功率消耗必須受限的情況下，它即失去了優勢。 最後’電子方式控制共振腔之技術為一個振盪器可被 簡化成如圖5所示之的電路。振盪器中能提供放大信號的

457762 ___棄號 89120508___年月日___. 五、發明說明（4) 部份是以一個負阻抗（)來表示，而負貴調振的部份仍利 用一個並聯的Rr-Cr-Lr電路來代表調振的並聯式共振腔。 其中Rr代表共振腔之損耗’ Rr愈大代表損耗愈低。因此， Rr >卜R丨才能啟動振盪。改變Lr及Cr之數值即可改變振 盪器頻率。圖5之共振腔並不限並聯式，亦可用串聯方式 來形成共振腔。此時之啟動振盪條件有Rr〈卜R I。常用 的直接調整頻率方式是利用變容二極體，改變電容值Cr進 而調整頻率。然而利用變容二極體調變FSK信號，其跳頻 之幅度△ f，往往受到變容二極體可變電容值大小之變化 而受到極大之限制，因為f〇隨著成反比，Cr是共 振腔之等效電容值。由於共振頻率和等效電容值Cr之平方 根成反比，需要較大的電容變化量才能做大幅的跳頻動 作’完成Μ元FSK之跳頻功能。第二個缺點即變化量較大的 變容二極體’不僅需要不同的偏壓（通常高出振盪器之偏 壓很多），價格較高且不易積體電路化。另外變容二極體 在積體電路中，Q值較低，因此損耗較大。美國第

6,078,226專利「FSK振盪器之積體電路實施」揭示Μ元FSK 之IC電路’如圖6所示。該電路利用電源切換FSK振盪器， 並利用開關改變SAW共振器之電抗值來達到高速切換動 作。然而，此電路共用一個SAW共振器，而用不同開關之 組合來改變電抗值來達成Μ元FSK之動作。但這種方式的調 變範圍已被SAW共振器大幅地限制住，因此跳頻之距離 C Δ f)不能過大，限制了資料速率。

第8頁 457762 --Μ號 8m?.nRnft_ 年月日_to___ 五、發明說明（5) 【發明概要】 有鑒於上述問題，本發明之目的是提供一種高速省電 式編碼化Μ元FSK調變器。 本發明之高速省電式編碼化Μ元FSK調變器包含一編碼 邏輯’可根據（Ν-1)位元控制信號產生Μ/2個格雷碼信號；. 以及Μ/2個開關式振盪電路。而每個開關式振盪電路分別 包含一複合式石英共振腔，具有第一端與第二端；一第一 開關’係由格雷碼信號控制，且一端連接於複合式石英共 振腔之第一端，另一端經由一等效負電阻電路接地；一第 二開關’係由一串列資料控制，一端連接於複合式石英共 振腔之第二端’另一端接地；以及一電容，一端連接於複 合式石英共振腔之第二端，而另一端接地。 藉以利用控制信號控制Μ/2個開關式振盪電路之其中 一個振盈電路動作，並藉由串列資料跳動該動作之振盪電 路之頻率’而達到Μ元之頻率跳動。 【實施例] 圖1為本發明高速省電式編碼化Μ元FSK調變器1 〇 〇之系 統方塊圖。該調變器100包含一編碼單元2〇〇、以及Μ/2個 開關式振盪電路700 ^編碼單元2〇〇接收個編碼信號， 並輸出Μ/2個位元之所謂袼雷碼（Gray c〇de)2i 〇。而開關 ^振盪電路70 0接收串列資料22〇(Serial Data)以及編碼 單TC200之格雷碼21〇。本實施例中，M &FSK調變器丨⑽所 要跳動的頻率’且M = V，其中N為正整數。 如圖1所示’開關式振盪電路7〇〇包含一複合式石英共

±___η 曰 修正 457762 五、發明說明（6) m 振腔400、控制該共振腔4〇〇動作之第一開關5〇〇、控制該 共振腔400共振頻率之第二開關3〇〇、調整該共振腔“ο共 振頻率之電容31〇、以及連接於第一開關5〇〇之等效負電阻 電路60 0 ^因此，每個開關式振盪電路7〇〇之第一開關5〇〇 連接於一位元之格雷碼21〇，並由格雷碼21()控制是否動 作。由於格雷碼210之輸出中僅有一位元為1，因此，Μ/2 個開關式振盪電路700中，同一時間亦僅有一個能啟動。 再者，第二開關300由串列資料220所控制。該串列資料 220為一系列之0與1信號，使得第二開關3〇〇根據該串列資 料220進行導通與斷路變化。因此，複合式石英共振腔4〇〇 的串接電容會隨著第二開關30 0之砵通與斷路改變，進而 改變複5式石英共振腔4〇〇之共振頻率。由於每個開關式 振盪電路700可提供兩個不同之共振頻率，因此Μ/2個開關 式振盪電路7 0 0共可提供μ個頻率。 .除了串列資料220及Ν-1個編碣信號外，編碼單元2〇〇 還具有一致能信號輸入。當致能信號為"r, 乜丨的） =η’編碼單元2 0 0 JL常產生格雷碼21〇，藉以控制M個跳頻 L號，當致能#號為"〇" ( i 〇g i c i 0W)時，編碼單元2⑽輸出 全部設定為” 0"。因此，所有開關式振盪電路7〇〇處於休止 狀態。當不需作無線傳輸時，致能信號可設為"〇"，此 時，M tlFSK處於休息狀態，且不消耗任何能量。 當欲產生八個頻率組合時，需設定M = 8，此時~_1=2， 編碼單元200具有兩個輸入控制信號’且有四個組合來控 制四個開關式振盪電路700。因為格雷碼21〇輪出之故，同

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二=有：個Γ關式振盈電路70 0在動作，其餘皆處於 關閉狀態。母一個開關式振盪電路又接受串列 控制產生二個頻率，因此共有八個頻率組合。 圖1所揭示之開關式振盪電路700可利用cm〇s(互補式 金氧半）和雙極電晶體的混成或積體電路製程來實現^圖公 顯示開關式振盪電路700之一個實施例的電路圖。該振 電路700只用二顆電晶體來做極低功率損耗的信號切換及 振盪器切換之動作原理。 ' 如圖2所示，開關式振盪電路7〇〇式利用電晶體3〇3扮 演圖1之開關300之角色。當串列資料22〇為,|〇|,(接地電壓 或低於NMOS之Vth)時，電晶體303 i法正向偏壓，故電晶 體303之集極及射極（汲極及源極）間形成非常高之阻抗， 亦即斷路狀態。於是複合式石英共振腔4〇 j之—端經串聯 電容402接地’形成第一共振頻率。 而當串列資料220為"1"時（一般是3V電壓），此信號經 電阻301及電容302所形成之低通濾波器接至電晶體3〇3之 基極（或NMOS之閘極），藉以導通電晶體3〇3之集極及射極 (或NMOS之汲極及源極端）。且由於複合式共振腔採用石英 晶體’它不能導通DC電流，只能允許通過極小的AC電流。 於是電晶體3 0 3只要有非常小之基極電流，即可讓電晶體

303進入飽和（saturation)區域。如果電晶體3 0 3是NMOS 時’數位"厂1之高電壓大於vth即已足夠讓NM0S進入導通狀 態°此時電晶體303幾乎不消耗任何能量即進入導通狀 態’其集極至射極（NMOS之汲極至源極）通常只有2至3 Ω或

第11頁 457762 案號 89120508 年 月_日修π1 ， 五、發明說明（8) 更小。因此複合式石英共振腔4〇 1之左端只看到幾乎短路 的阻抗，電容4 02被短路了。於是複合式石英共振腔4 〇1之 一端直接接地，形成第二共振頻率。 亦即，複合式石英共振腔401和電晶體603、電容 601、602及電阻604、501所形成的c〇lpitz振盪器會因為 串列資料之1¾低決定了振盪器的兩個不同之頻率。即一個 由複合式石英共振腔401串聯電容4 0 2所形成之第一共振頻 率及另一個由複合式石英共振腔4〇1所定義的另一個共振 頻率。 再者，圖2之電晶體603不僅做振盪器用，同時也扮演 開關的角色。當編碼單元200之格_碼21〇接至電阻501左 端為數位信號"111時，通常3 V左右，電晶體6 0 3得到適當偏 壓，其偏壓工作點由電阻501及電阻605決定。此時電晶體 603形成振盪器用，且振盪信號經由電容6〇5輸出。若格雷 碼210之信號為” 011時，則電晶體6〇3之基極及射極間無正 向偏壓，故電晶體603為不導通狀態，使得電晶體之集 極及射極間形成非常高之阻抗，形同開關電路之斷路狀 態。此時振盪器無法工作’而形成休息狀態並且幾乎不消 耗功率。電晶體603導通或不導通，只靠非常小的電晶體 6 0 3之基極電流經電阻5 〇 1就可控制。因此，其開關動作相 當快速。 藉著精密的模擬技術，採用Agiien1: ADS軟體及其電 晶體（NPN_2N2222A)資料庫之精密模型，圖3顯示致能信號 從0至3V跳動’且其上升時間及下降時間皆為1〇 #se{：時，

457762 __案號 89120508 车月 a 收 x_—___ 五、發明說明（9) 其間之串列資料220為5kbps ’由圖2之電晶體6〇3所形成之 振盪器’其啟動振盪時間及關閉振盪時間之模擬數據約為 5 " sec左右，比數位信號之上升時間及下降時間還小。因 此啟動及關閉振盪器之時間係由致能信號上升時間及下降 時間決定了 ’此時間遠比PLL等電路快速。 圖4顯示圖2之複合式石英共振腔4〇1的幾種典型設計 法。此複合式石英共振腔401係以石英共振腔（圖4(a))為 基礎，並可串聯單一電感（圖4(b))或串聯單一電容（圖 4(c))或串聯電感及電容（圖4(d))來改變fSK信號調變深 度。 【發明效果】 · 本發明提出一個高效率（省電）的高資料率M_FsK跳頻 設計。此新型設計，讓電晶體同時做振盪器及高速開關切 換的兩項動作，並將此開關式振盪器置於_個編碼式的電 路架構内（此編碼器可採用格雷碼編碼器，利用格雷碼一 次只改變一個位元（b i t)的特性來每次只高速啟動一組外 接的複和式石英振靈器（C〇mp0site Crystal O^ci 1 lator)) ’形成一個全部由電晶體組成的μ元FSK調變 器，適合積體電路化。特別適合對省電有特別要求的無線 電數位傳輸系統，譬如衛星通信或需要電池的高效率無 通信設備。 —以^雖以較佳實施例說明本發明之高速省電式編碼化 M tgFSK調變器，但並不因此限制本發明之範圍，只要不脫 離本發明之要旨’該行業者可進行各種變形或變更。

第13頁 457762 _案號89120508_年月日 修正_* 圖式簡單說明 圖1為本發明高速省電式編碼化Μ元FSK調變器之電路 方塊圖。 圖2為圖1之開關式振盪電路之電路圖的一個例子。 圖3(A)、（Β)為致能信號與振盪信號之關係圖。 圖4(A) ~(D)為複合式石英共振腔的幾種典型設計。 圖5為習知振盪器簡化的電路。 圖6為習知Μ元FSK振盪器之積體電路實施例子。 【圖式編號】 100 Μ元FSK調變器 2 0 0編碼早元 3 0 0、5 0 0 開關 ’ 4 0 0複合式石英共振腔 600等效負電阻電路 700開關式振盪電路 ‘

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Claims (1)

1. Μ歌891纽迎8 @年/月$日_修正— 457762 六、申請專利範圍 1. 一種高迷省電式編碼化Μ元FSK調變器，包含： 一編碼邏輯，可根據（Ν-1)位元控制信號產生Μ/2個格 雷碼信號，且Μ = 2Ν ;以及 Μ / 2個開關式振盪電路，分別包含： 一複合式石英共振腔，具有第一端與第二端； 一第一開關，係由前述格雷碼信號控制，且—端 於前述複合式石英共振腔之第一端，另一端經 電阻電路接地； 一第二開關，係由一串列眘粗缺座1 ^ 匕 ' ¥夕』育枓控制’一端連接於前述 複σ式石英共振腔之第二端，另一端接地；以及 # 2容二，於前述複合式石英共振腔之第二 端，而另一端接地； 藉以利用前述控制信號控制命 w 故夕让士 加足+ 風^制則述M/2個開關式振盪電 路之其中一個振盪電路動作，奸 ^ ^ ^ Α ^ Ύ 並藉由前述串列資料跳動該 動作之振盪電路之頻率，而逵刭μ _ > & + 运至丨之頻率跳動。 2 · 如申請專利範圍第1 I育所々@ ,,u - ^ ^ 乐貝所&己載之高速省電式編碼 化M/cFSK调變器，其中前述输成@ ⑴见綱碼邏輯還接收一致能信號， 該編碼邏輯在該致能信號不動 二收致月“貺 Q , ^ ^ ^ ^卜勒作^ ’輪出0信號。 3. 如申請專利範圍篦& ,UM . ΡΡΪ/ ^因弟1項所記載之高速省電式編碼 化Μ兀FSK調變器’其中前述開關彳 開關輸出振盪信號。 關式振邊電路經由前述第- 4, 如申凊專利範圍第1項所記載之高速省電式編碼 化Μ元FSK調變器，其中前述複人彳 #曰μ 串聯一電容。 I複。式石央共振腔為石英晶體 457762 _案號89120508_严年?月子a 修正_ . 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍苐1項所記載之南速省電式編碼 化Μ元FSK調變器，其中前述複合式石英共振腔為石英晶體 串聯一電感。 6, 如申請專利範圍第1項所記載之高速省電式編碼 化Μ元FSK調變器，其中前述複合式石英共振腔為石英晶體 串聯一電容及一電感。

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