TWI449345B - 具在低速率模式下高靈敏度的ｆｓｋ調變信號接收器 - Google Patents

Description

具在低速率模式下高靈敏度的FSK調變信號接收器

本發明係關於具在低速率模式下高靈敏度之用於FSK調變信號的接收器。

通常，發射器或接收器係針對短距資料或指令之發送或接收使用FSK(Frequency Shift Keying)調變。若RF載波頻率高，例如大於300MHz，則須為中間頻率選用相當高的頻寬，尤其是大於或等於100KHz時。在經調變信號中之調變頻移可以配合此頻寬而被調整。在此情形下，可以使用由本地震盪器供應之參考頻率，其並非非常精準也因此並不昂貴。然而，卻必須考慮熱雜訊功率，其正比於選取的頻寬。因此，寬頻的發送或接收系統通常沒有極佳的靈敏度。

FR第2711293號專利揭示一種射頻信號接收器，其頻寬可以被調整。此種超外差型態(superheterodyne type)的接收器可以將寬頻的經調變信號及窄頻信號解調。頻寬可以動態方式變化以獲取失真衰減及雜訊衰減間的最佳平衡。經第一頻率轉換後，濾波器將具有第一頻寬(寬頻)之中間信號濾波。接著，使用第二頻寬及第三頻寬之濾波器針對窄頻將中間信號進行濾波。最後，鑑頻器進行解調。

然而，在此接收器中並沒有特定的接收器配置可以依據進入之資料信號的經調變的資料速率來實施。結果，動態的頻寬變化就進入信號而言提供了失真衰減及雜訊衰減之間的良好妥協。此專利文件的接收器結構同樣相對地複雜，其意味者：安裝於小尺寸可攜式物件上的接收器的電功率耗損並不能被有效地降低。

因此本發明的目的在於提出一種FSK調變信號接收器，其可以以高靈敏度操作，且可以容易地依照經調變信號中之經調變的資料或指令速率而配置，而且也可以克服前述習知技術的缺點。

因此，本發明係關於一種FSK調變信號接收器，其包含的特點陳述於申請專利範圍第1項中。

此接收器的特別實施例則界定於申請專利範圍第2項至第7項。

依照本發明之FSK調變信號接收器的一個優點在於：其可以經配置而同時用於接收在中等或高速率模式下之經調變的資料或指令，以及用於接收在低速率模式下之經調變的資料或指令。較佳的是，以低速率模式配置此接收器，因為此接收器的高靈敏度有助於指令及資料之解調操作。為達此目的，濾波單元的運作使其在多相濾波器中針對第一、中等或高速率解調階段將中間信號濾波；或者是在多相濾波器中之二個去耦合之低通濾波器中針對第二、低速率解調階段將基頻中的中間信號濾波。

具有優勢的部分在於，在低速率模式下，由天線接收的信號直接由混合器轉換為中間、基頻信號。此舉簡化了在低速率模式下資料及指令的解調，因為簡單的D正反器可以在中央頻率在頻移頻率之窄帶帶通濾波器之後來進行解調。

根據至少一個以圖示之非限制性的實施例，本FSK調變信號接收器的目的、優點及特色將在以下的說明中顯得更為清晰。

在以下說明中，熟於此項技術領域的人士所熟知之頻率調變(FSK)信號接收器的所有部件，只以簡要的方式說明。該FSK調變信號接收器可以具優勢的被使用於如車輛之遠端控制系統或計數系統。

示於圖1之FSK調變信號接收器1，經配置以大於或等於100 kbits/s之中等或高速率資料或指令接收模式運作，或者更具優勢的是，以極靈敏、低速率之資料或指令接收模式運作。在具有低於10kbits/s，如約1 kbits/s之低、經調變指令或資料速率之較佳配置中，進入信號的功率通常集中在相對於信號載波頻率f₀ 之調變頻移Δf位準(正或負)。通常，在進入信號的頻率調變中，將載波頻率f₀ 加入調變頻移Δf成為f₀ +Δf定義為「1」調變狀態，而將載波頻率f₀ 減去調變頻移Δf成為f₀ -Δf定義為「0」調變狀態。當然，雖然將資料調變在f₀ +Δf及f₀ -Δf為較佳，吾人同樣可以想像，將載波頻率f₀ 定義為「0」調變狀態。

FSK調變信號接收器1包含用以接收短距RF信號之天線2，此RF信號的載波頻率可以大於或等於300 MHz。由天線2接收之FSK調變RF信號在低雜訊放大器LNA 3中被放大。此低雜訊放大器LNA 3亦可包含帶通濾波器(此未示出)。此經放大及濾波之RF信號在第一混合器4中被同相信號S_I 轉換頻率，此同相信號S_I 係由本地震盪器6所供應，以便產生中間同相信號I_m 。這些RF信號亦可在第二混合器5中被正交信號S_Q 轉換頻率，此正交信號係由本地震盪器6所供應，以便產生中間、正交信號Q_m 。第一混合器4及第二混合器5構成接收器的混合器單元的部分。

FSK調變信號接收器1包含積體電路，多數的接收器組件都被整合於其中。例如，此積體電路可以以0.18微米的CMOS製程被製造出來。

接續混合器4及混合器5，FSK調變信號接收器也包含多相位濾波器單元12，其可以配置成低通濾波器14及15的形式，用以以低速率模式將中間信號濾波；或者可以配置成多相位濾波器或帶通濾波器13的形式，用以以中等或高速率模式將中間信號濾波。在濾波單元12之後，接收器1包含第一、中等或高速率解調階段，此階段在中等或高速率模式下接收經濾波、中間信號，接收器1也包含第二、低速率解調階段，此階段在低速率模式下接收經濾波、中間信號。

在第二解調階段中，接收器1包含二個窄頻帶帶通濾波器24及25。這些帶通濾波器的中心頻率在調變頻率，特別是在+Δf及-Δf的頻移附近，用於在低速率模式下將經濾波、中間信號I_F 及Q_F 濾波。接著帶通濾波器24及25之後是D正反器26，用以解調資料或指令，低通濾波器27及資料擷取器28用以供應資料或指令D_OUT 。在第一解調階段中，在中等或高速模式選取期間，接收器1在用以供應資料或指令D_OUT 之低通濾波器21及資料擷取器22之後，也包含解調器20，用於包含在中間、經濾波信號I_F 及Q_F 中的資料或指令。

若選取的是中等或高速模式，則中間、經頻率轉換的信號I_m 及Q_m 的頻率仍然在1MHz附近，其具調變頻移+Δf，相對於此1MHz之經轉換的載波頻率，+Δf約為250kHz或更低。然而，在低速率接收模式下，只要進入信號的功率集中在各調變頻移+Δf的位準，中間信號I_m 及Q_m 可直接被轉換為在0Hz的基頻。當然，因為在整個頻寬範圍存在著從有用信號而來的大量能量及雜訊，頻率直接轉換成基頻一般不會想到用來在中等或高速率下接收FSK調變信號。如果直接的基頻轉換在0Hz下進行，可以觀察到資料遺失。

接收器的本地震盪器6主要包含鎖相及鎖頻迴路，其包含一個電壓控制震盪器VCO 11。電壓控制震盪器VCO 11可為不同型態的震盪器，以便產生二種高頻、同相及正交信號S_I 及S_Q 。這些同相及正交信號在鎖相及鎖頻迴路中被供應至多模式分頻器8。從分頻器8而來之經分頻的頻率在相位頻率偵測器9中被拿來與源於石英震盪器7之參考頻率Fref作比較。以已知方式控制電壓控制震盪器VCO之前，從相位頻率偵測器9而來之輸出信號在低通濾波器10中濾波。

若是本地震盪器6包含精確的石英共振器7，則有可能製作出具在低速率下(1 kbits/s)(通常小於10 kbits/s)高靈敏度之FSK調變信號接收器。因為在此速率下，在進入信號內的所有功率皆集中在相對於載波頻率f₀ 的頻移位準，即f₀ +Δf及f₀ -Δf。在此操作模式下，精確的石英是必要的。結果，如同上述般，有可能將進入的RF信號轉換頻率，以便直接在基頻內得到中間、同相及正交信號I_m 及Q_m 。然而，就中等或高速率之FSK調變信號接收器而言，石英共振器7無須要求精準，因為帶有雜訊之進入信號的功率在整個接收器的頻帶寬範圍內大致相似。頻帶寬度愈寬，熱雜訊愈大，此通常意味為了從進入的FSK調變信號將資料解調而不會有太大問題，頻帶寬度與熱雜訊之間需要找到妥協。

接收器1可以經配置在中等或高速率模式下或在低速率模式下藉由供應至本地震盪器6之控制信號C_m 轉換頻率。此控制信號C_m 使電壓控制震盪器VCO 11供應同相信號S_I 及正交信號S_Q ，此二者具有介於中等或高速率模式及低速率模式之間的不同頻率。此控制信號C_m 可依據多模式分頻器8或甚至是石英共振器7之參考頻率Fref來作用。例如，在低速率模式下，同相信號S_I 及正交信號S_Q 的精確頻率與天線2接收之RF信號的載波頻率f₀ 相同。此舉使得進入的RF信號直接被第一混合器4及第二混合器5轉換為基頻。然而，在中等或高速率模式下，同相信號S_I 及正交信號S_Q 的頻率較天線2接收的RF信號的載波頻率f₀ 低，比方說低1MHz。此意味著可以在1MHz左右的頻率得到中間信號I_m 及Q_m ，然後可以在解調器20中解調。

一旦該接收器的積體電路製造步驟完成，吾人也可以配置或設定接收器，使接收器可以在中等或高速率模式下運作，或在低速率模式下運作。因此，以相同的積體電路，可以在中等或高速率模式下或在低速率模式下使用本FSK調變信號接收器，視所設定的配置而定。

如上述，FSK調變信號接收器1仍包含具有多相濾波器12之濾波單元，用於將二個中間信號I_m 及Q_m 濾波。多相濾波單元12實質上包含多相濾波器13，其由二個耦合的低通濾波器14及15所組成，其中該第一低通濾波器14接收中間、同相信號I_m ，而該第二低通濾波器15則接收中間、正交信號Q_m 。當選取的是中等或高速率模式時，開關單元18由控制信號C_f 來控制關閉，而當此二個低通濾波器14及15藉由開關單元18耦合時，多相濾波器13可以在中間信號的載波頻率附近進行帶通濾波。例如，依照經選擇之調變頻移(Δf)，此帶通濾波的截止頻率可以界定在從中心頻率(如1MHz附近)算起約450 kHz之處。多相濾波器可以作為經頻移之低通濾波器，用於產生經濾波、中間同相信號I_F 及正交信號Q_F 。

要注意的是，藉由開關元件18耦合的二個低通濾波器14及15可以另外以「旋相器」(gyrator)定義之。然而，較佳的是，以習用之開關單元耦合此二個低通濾波器。

在中等或高速率模式下，經濾波、中間信號I_F 及Q_F 藉由由控制信號C_f 控制的二個開關16及17供應至第一、中等或高速率解調階段的解調器20。具有既知結構之解調器20在中等或高速率模式下將經濾波、中間信號I_F 及Q_F 解調。在解調器20之後，低通濾波器21去除從解調器20供應之資料或控制信號之所有的雜散頻率。此低通濾波器的截止頻率可以依據經調變的信號速率調整。最後，習知之資料擷取器被連接至低通濾波器之輸出，用以供應資料或控制信號D_OUT 。

較佳的是，在低速率模式下，將多相濾波器13轉換為習用之低通濾波器14及15，其可經由在開放狀態下由控制信號C_r 控制之開關單元18去耦合。在基頻中的中間、同相信號I_m 因此由第一低通濾波器14濾波，以便將經濾波、中間、同相信號I_F 供應至第二、低速率解調階段的第一帶通濾波器24。第一帶通濾波器24具有窄頻帶，其中央頻率在各頻移+Δf或-Δf上。-Δf頻移只是Δf頻移的反相相位，其有助於藉由簡單D正反器26解調，如以下所解釋。在基頻中的中間、正交信號Q_m ，由第二低通濾波器15濾波，以便將經濾波、中間、正交信號Q_F 供應至第二帶通濾波器25。此第二帶通濾波器亦具有窄頻帶，其中央頻率在各頻移+Δf或-Δf上。在低速率模式下由控制信號C_f 控制開關16及17，經濾波、中間信號I_F 及Q_F 各自分別經由開關16及17供應至第一帶通濾波器24及第二帶通濾波器25。

由第一帶通濾波器24供應之中間、同相信號I_D 被連接至D正反器26之D輸入，而由第二帶通濾波器25供應之中間、正交信號Q_D 被連接到該正反器26之時脈輸入CLK。以此方式，從中間、基頻信號而來的資料或指令可以容易地僅以D正反器26解調。當然，吾人可以設想將中間、正交的、資料信號供應至該正反器26之D輸入，以及將中間、同相的、資料信號供應至時脈輸入CLK。最後，在該正反器26之Q輸出的信號亦由具有低截止頻率之低通濾波器27濾波以供應資料或控制信號D_OUT ，此信號在進入資料擷取器28之前，係根據經調變之信號速率來被調整。

從前述的說明中可以清楚得知，相較於習用之接收器，本發明之FSK調變信號接收器主要的改良部分在於：當其配置成在低速率模式下接收資料或控制信號時，其可以容易地提供具高靈敏度及便利性之解調。因為資料信號的功率主要集中在調變頻率的頻移位準，窄頻之帶通濾波器可以被用來在基頻中的中間信號濾波，此則有助於資料的解調。

精熟此領域的人士從前述的說明中，可以設計出此FSK調變信號接收器的變化型態，而不會脫離本發明之申請專利範圍所界定之範圍。同樣的，此接收器可以經配置而可以在中等或高速率模式下或在低速率模式下由相同天線發送經調變之資料信號。

1．．．接收器

2．．．天線

3．．．放大器

3．．．低雜訊放大器

4．．．第一混合器

5．．．第二混合器

6．．．震盪器

7．．．共振器

8．．．分頻器

9．．．相位頻率偵測器

10．．．低通濾波器

11．．．電壓控制震盪器

12．．．濾波單元

13．．．多相位濾波器

14．．．低通濾波器

15．．．低通濾波器

16．．．開關

17．．．開關

18．．．開關單元

20．．．解調器

21．．．低通濾波器

22．．．資料擷取器

24．．．第一帶通濾波器

25．．．第二帶通濾波器

26．．．正反器

27．．．低通濾波器

28．．．資料擷取器

圖1係以簡要方式顯示依據本發明之FSK調變信號接收器的實施例。

1．．．接收器

2．．．天線

3．．．放大器

3．．．低雜訊放大器

4．．．第一混合器

5．．．第二混合器

6．．．震盪器

7．．．共振器

8．．．分頻器

9．．．相位頻率偵測器

10．．．低通濾波器

11．．．電壓控制震盪器

12．．．濾波單元

13．．．多相位濾波器

14．．．低通濾波器

15．．．低通濾波器

16．．．開關

17．．．開關

18．．．開關單元

20．．．解調器

21．．．低通濾波器

22．．．資料擷取器

24．．．第一帶通濾波器

25．．．第二帶通濾波器

26．．．正反器

27．．．低通濾波器

28．．．資料擷取器

Claims (7)

1. 一種用於FSK調變信號的低功率接收器，該低功率接收器包含：天線，用於接收經調變之資料或控制信號，至少一個低雜訊放大器，用以將該天線接收之信號放大及濾波，具有石英共振器的本地震盪器，該本地震盪器包含在鎖相及鎖頻迴路中之用於供應高頻信號之電壓控制震盪器，至少一個混合器單元，用以將該等進入、經濾波及放大的信號與該電壓控制震盪器所供應之該高頻信號混合，以產生中間信號，其頻率等於該高頻信號頻率及該等進入信號之載波頻率的差，及濾波單元，針對至少一個資料或控制解調階段，用以將該中間信號濾波，其中，該接收器經配置得以以中等或高速率接收經調變之資料或控制信號，或者以低速率接收經調變之資料或控制信號，且其中，該濾波單元將在多相濾波器中濾波的中間信號在中等或高速率模式下供應至第一解調階段，或者將在被轉換成至少一低通濾波器的該多相濾波器中濾波的中間、基頻信號在低速率模式下供應至第二解調階段。
2. 如申請專利範圍第1項之接收器，其中，該本地震盪器之該電壓控制震盪器將高頻同相信號供應至該混合器單元之第一混合器，用以將該等信號與該經濾波及放大之 進入信號混合，以便產生中間、同相信號，該本地震盪器的電壓控制震盪器並將高頻正交信號供應至該混合器單元的第二混合器，用以將該等信號與該經濾波及放大之進入信號混合，以便產生中間、正交信號，其中，在中等或高速率模式下，該濾波單元之該多相濾波器包含二個耦合的低通濾波器，用以將經濾波、中間同相及正交信號供應至該第一解調階段，且其中，在低速率模式下，該濾波單元之該多相濾波器的該二個低通濾波器經去耦合，使得第一低通濾波器將經濾波、中間、基頻、同相信號供應至該第二解調階段，及使得第二低通濾波器將中間、經濾波、基頻、正交信號供應至該第二解調階段。
3. 如申請專利範圍第1項之接收器，其中，該具有石英共振器之本地震盪器的該電壓控制震盪器經配置以第一頻率在中等或高速率模式下供應高頻、同相及正交信號，該第一頻率係高於或低於該經濾波及放大之進入信號之載波頻率，所以該中間、同相及正交信號所在的中間頻率對應於該高頻信號的頻率與該載波頻率的差，且其中，該電壓控制震盪器經配置，以第二頻率在低速率模式下供應高頻、同相及正交信號，該第二頻率等同於該經濾波及放大之進入信號之載波頻率，用以供應中間、基頻、同相及正交信號。
4. 如申請專利範圍第2或3項之接收器，其中，在低速率模式下，該第二解調階段包含：用於將該中間、經濾波的、基頻、同相信號濾波之第一帶通濾波器，及用於將 該中間、經濾波的、基頻、正交信號濾波之第二帶通濾波器，其中，在頻率轉換成該中間信號之基頻後，各個帶通濾波器之中心頻率為該資料或控制調變頻率。
5. 如申請專利範圍第4項之接收器，其中，各個帶通濾波器具有窄頻帶，其中心頻率位於各個正向及負向之調變頻率之頻移上。
6. 如申請專利範圍第4項之接收器，其中，該第二、低速率解調階段進一步包含：D正反器，其中，經該二個帶通濾波器濾波後之該中間、基頻信號的其中之一個信號被供應至該正反器之D輸入，而另一個該中間、基頻信號被供應至該正反器之時脈輸入。
7. 如申請專利範圍第6項之接收器，其中，該第二、低速率解調階段進一步包含：用以將該資料或控制信號濾波之另一個低通濾波器，該資料或控制信號係由該D正反器供應，該第二、低速率解調階段亦包含連接於該低通濾波器之輸出的資料擷取器。