TWI566554B - 用於相位調變信號的同步解調器電路 - Google Patents

用於相位調變信號的同步解調器電路 Download PDF

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Description

用於相位調變信號的同步解調器電路
本發明係有關一種用於相位調變信號的同步解調器電路。
將要被傳輸的資料信號之相位調變可以是二元相移鍵控(Binary Phase Shift Keying；簡稱BPSK)、四相相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying；簡稱QPSK)、或偏移四相相移鍵控(Offset Quadrature Phase Shift Keying；簡稱OQPSK)數位調變。在第一種情況中，以兩個相位值或狀態界定BPSK數位調變，這兩個相位狀態之間有180°的相移。在第二種情況中，以四個相位值或狀態界定QPSK數位調變，每一相位狀態之間有90°的相移。在頻率轉換以供傳輸QPSK調變信號之前，發射器中之此種調變通常使用彼此之間相移90°的兩個正交載波(quadrature carrier)信號。在第三種情況中，OQPSK數位調變類似於QPSK數位調變，但是在調變鏈中有放大器非線性時可能是更有利的。
舉例而言，第1圖的時域中示出此種類型的QPSK調變信號。第1圖示出以一同相資料信號I以及自該同相資料信號I相移90°的一正交資料信號Q之相移鍵控執行之2位元編碼。為了傳輸一相位調變信號，將資料信號I及Q加在一起。以1/TS界定該資料流，其中TS是一編碼狀態的持續時間。
可在一相位調變信號接收器中同步地執行此種類型的數位相位調變信號之解調。通常在對接收器的天線捕獲的相位調變信號執行至少一第一頻率轉換之後，可進行解調。為了能夠在同步模式中執行相位解調，必須恢復中頻信號或該天線直接捕獲的信號之載波頻率。
載波頻率恢復之後，即可提取調變信號。為了達到此一目的，已知將一柯斯塔迴路(Costas loop)用於恢復載波頻率，以便提取調變信號。J.Mark Steber在"Communications Edge by WJ Communications,Inc."發表的論文"PSK Demodulation(Part I)"(於2001年修訂)中也說明了對相位調變信號的解調。
第2圖示出一QPSK調變信號的該等相位狀態之一圖形或星座圖(constellation)。係在極坐標中以與用於同相資料信號I的一實軸以及用於正交資料信號Q的一虛軸有關之方式示出該等相位狀態。如果該電路的至少一轉換信號之載波頻率不等於將要被解調的該相位調變信號之載波頻率，則仍然存在一相位誤差Φ。如將於下文中說明的，必須在該電路中精確地恢復該載波頻率，以便能夠在 一控制迴路中將該相位調變信號解調且修正相位。在恢復了載波頻率之後，可提取對應於第2圖所示的點11、10、00、或01之該調變信號。
在第3圖所示的用於相位調變信號之一習知解調電路中，將中頻信號IF提供給一第一信號混頻器2及一第二信號混頻器3。在第一及第二信號混頻器2、3中以振盪信號執行該中頻信號IF的頻率轉換。將源自一電壓控制振盪器(Voltage Controlled Oscillator；簡稱VCO)8之一第一無相移振盪信號提供給第一混頻器2，且將源自VCO振盪器8且在移相器9中被相移90°之一第二振盪信號提供給第二混頻器3。第一混頻器2之輸出提供了一同相基頻信號I，而第二混頻器3之輸出提供了一正交基頻信號Q。兩個低通濾波器4及5對該同相及正交信號執行濾波，而提供一同相資料信號IOUT及一正交資料信號QOUT。
如果該等振盪信號之相位及頻率並不完全等於中頻信號IF的載波之相位及頻率，則仍然存在一頻率及相位誤差。一相位比較器6因而被用於比較同相資料信號IOUT及正交信號QOUT。經由一迴路濾波器7而將該相位誤差提供給一柯斯塔迴路中之電壓控制振盪器8的輸入，其中該迴路濾波器7是諸如一積分器(integrator)等的一標準濾波器。柯斯塔迴路的類比或數位實施例需要低通濾波器，而該等低通濾波器的截止頻率較低時，將有變得累贅的缺點。
因此，本發明之一目的在於提供一種用於相位調變信號之同步解調器電路，使其能夠執行同步資料解調，以便減少一般裝置之複雜性、尺寸、及功率消耗。
為了達到此一目的，本發明係有關一種包含申請專利範圍獨立項1所述的特徵之用於相位調變信號之同步解調器電路。
申請專利範圍附屬項2至9中界定了該電路的一些特定實施例。
該電路之一優點在於：並非如傳統之方式設有至少一混頻器及至少一低通濾波器，而是提供了一種結合混頻及低通濾波操作之離散傅利葉轉換(discrete Fourier transform)單元。由於設有離散傅利葉轉換單元，因而可執行相位調變信號之數位解調而提供至少一已去除了該相位調變信號的載波頻率之解調信號。
有利之處在於：係在單一頻率下執行離散傅利葉轉換，因而可簡化電路控制迴路中之數位濾波器的製造。
2‧‧‧第一信號混頻器
3‧‧‧第二信號混頻器
8‧‧‧電壓控制振盪器
9‧‧‧移相器
6、16‧‧‧相位比較器
7、17‧‧‧迴路濾波器
1‧‧‧電路
12‧‧‧離散傅利葉轉換單元
13‧‧‧核心
18‧‧‧相位累加器
21‧‧‧第一乘法器
23‧‧‧第二乘法器
22‧‧‧第一正負號指示器
24‧‧‧第二正負號指示器
25‧‧‧加法器
在前文之說明中已根據各圖式示出的一簡化的非限制性實施例而更清楚地解說了用於相位調變信號的該步解調器電路之目的、優點、及特徵，在該等圖式中：第1圖(已引用)示出用於指示由一同相調變信號及 一正交調變信號得到的編碼之一QPSK調變信號之一時間圖。
第2圖(已引用)示出一QPSK調變信號在極坐標上之一相位狀態圖。
第3圖(已引用)示出設有一先前技術的柯斯塔迴路的用於相位調變信號的同步解調器電路的組件之一簡圖。
第4圖示出設有一數位柯斯塔迴路的根據本發明的用於QPSK調變信號的同步解調器電路的組件之一簡圖。
第5圖示出根據本發明的第4圖的該電路中用於將解調同相信號與解調正交信號比較的一相位比較器的一實施例之一簡圖。
在下文的說明中，將只以簡化之方式說明熟悉此項技術領域者習知的用於相位調變信號之同步解調器電路之所有那些電子組件。
第4圖示出設有用於相位調變信號的同步解調器之一電路1。該電路1可構成諸如並未示出之一相位調變信號接收器或一相位調變信號接收及傳輸系統的一部分。包含至少一設有一同步解調器的電路1之該相位調變信號接收及傳輸系統可以是一種具有低資料流及高靈敏度之系統。可在將要被傳輸及接收之相位調變信號中對資料或命令執行相位調變。
電路1包含一被界定之離散傅利葉轉換單元(DFT) 12，該DFT 12接收一同相調變信號IF，以便對該相位調變信號執行同步數位解調。由於離散傅利葉轉換的濾波及正交特性，所以該離散傅利葉轉換單元12能夠執行混頻及低通濾波操作。離散傅利葉轉換單元12包含一核心13，其中係經由該核心13對該離散傅利葉轉換單元中接收及抽樣之該相位調變信號IF執行混頻操作。離散傅利葉轉換單元12之核心13包含一具有一查找表之記憶體，該查找表具有不同頻率之各種數位轉換信號，該等數位轉換信號是用於對該被抽樣之相位調變信號IF執行混頻操作的可被選擇性定址之數位餘弦及/或正弦信號。該混頻能夠自該相位調變信號去除載波頻率且輸出至少一解調信號。
在該離散傅利葉轉換期間，利用具有被界定的持續時間之一時間抽樣窗而經由核心13對至少一解調信號執行低通濾波。該濾波因而根據離散傅利葉轉換之一單一頻率而採用在一時間窗建立操作之後的sinc(f)形式。用於執行濾波的被決定之該時間窗之持續時間越長，低通濾波截止頻率將越低，且較短的時間窗持續時間將相反地有較高的低通濾波截止頻率。在對應於相位調變信號的載波頻率的單一頻率下之離散傅利葉轉換簡化了數位低通濾波。
離散傅利葉轉換單元12的核心13的被選擇之餘弦及/或正弦信號之頻率通常不直接等於用於核心13中之混頻操作的相位調變信號IF之載波頻率。必須在電路1中執行該載波頻率的恢復。必須在該電路的一控制迴路中由 載波頻率恢復裝置16、17、18調整該載波頻率以及相位。該控制迴路可以是一數位柯斯塔迴路。
電路1之該控制迴路包含可以是一相位比較器16之一頻率及/或相位提取單元16。該相位比較器16自離散傅利葉轉換單元12接收至少一解調信號。該解調信號直接代表與相位有關的資訊，且因而也代表無須後續處理即可使用的資料。該相位比較器因而可被視為一頻率及/或相位取器。如果該解調信號中仍然有相位誤差，則經由一迴路濾波器17將相位誤差資訊提供給一相位累加器18。該相位累加器可以一相位增量(phase increment)之形式直接告知離散傅利葉轉換單元12之核心13，以便根據該相位增量選擇一適當頻率下之餘弦及/或正弦信號。以數位方式執行相位及頻率調整，直到該數位柯斯塔迴路中相位鎖定或類似的頻率鎖定為止。
可將該相位累加器18及核心13之組合視為等同於諸如用於相位調變信號的類比解調電路的第3圖所示之該電壓控制振盪器等的一傳統振盪器。然而，係經由離散傅利葉轉換單元12而以數位方式執行本發明的該電路中之解調。
可針對BPSK調變信號的同步數位解調而配置本發明之電路1，但是亦可針對第4圖所示之QPSK或OQPSK調變信號的同步數位解調而配置本發明之電路1。在該例子中，於離散傅利葉轉換單元12的輸出上提供一第一解調同相信號IOUT及一第二解調正交信號QOUT。在離散傅 利葉轉換單元12中，對相位調變信號IF及來自核心13的一被定址之餘弦信號執行混頻及低通濾波，而得到該第一解調同相信號IOUT。在離散傅利葉轉換單元12中，對相位調變信號IF及來自核心13的一被定址之正弦信號執行混頻及低通濾波，而得到該第二解調正交信號QOUT。相位比較器16因而可比較該第一及第二解調信號IOUT及QOUT。經由迴路濾波器17將一相位誤差提供給相位累加器18。將對應於相位比較器16的該相位誤差之一相位增量提供給單元12之核心13而告知核心13，且選擇一修正後頻率下之一餘弦信號及一正弦信號。
對於數位混頻及低通濾波操作而言，執行一所謂的"滑動式"離散傅利葉轉換。在每一移動持續時間t下，在時間上連續地移動持續時間T的時間窗，其中持續時間t短於持續時間T，且尤其比持續時間T短四倍。該持續時間亦可取決於離散傅利葉轉換單元12中自一級振盪器的時脈信號產生之信號抽樣頻率，該級振盪器可在該單元12的外部。該抽樣頻率必須至少為載波頻率的兩倍，且最好是至少為載波頻率的四倍。例如，對於400千赫(kHz)的載波頻率而言，需要至少高於800kHz的抽樣頻率。
為了執行解調同相信號IOUT及正交信號QOUT的比較，可使用第5圖所示的一相位比較器16。該相位比較器16包含在一第一輸入上接收該解調同相信號IOUT之一第一乘法器21、以及在一第一輸入上接收該解調正交信 號QOUT之一第二乘法器23。該解調同相信號IOUT被連接到一第一正負號指示器22，且該解調正交信號QOUT被連接到一第二正負號指示器24。第一正負號指示器22之輸出被提供給第二乘法器23的一第二輸入，而第二正負號指示器24之輸出被提供給第一乘法器21的一第二輸入。
該第一及第二正負號指示器22及24被配置成提供該解調同相IOUT及正交QOUT信號的正負號。當該解調信號在時間上界定一高位準狀態(亦即，邏輯狀態"1")時，該指示器輸出上的正負號是正+1。當該解調信號在時間上界定一低位準狀態(亦即，邏輯狀態"0")時，該指示器輸出上的正負號是負-1。
第一乘法器21之用途是在第二指示器24提供一負號時改變解調同相信號IOUT之正負號，且第二乘法器23之用途是在第一指示器22提供一負號時改變解調正交信號QOUT之正負號。如果第一及第二正負號指示器22、24將一正號提供給對應的乘法器21、23，則不改變正負號。
在相位比較器16中，第一乘法器21之輸出被連接到一加法器25之一正輸入，且第二乘法器23之輸出被連接到該加法器25之一負輸入。在比較了解調同相信號IOUT及解調正交信號QOUT之後，該加法器在該數位柯斯塔迴路中傳送一相位誤差信號Errp。
如前文所述的第2圖所示，如果並未修正本地振盪器頻率(local oscillator frequency)，則每一次滑動式離散傅利葉轉換時的相位誤差Φ可能改變。視相位比較器16 中對解調同相信號IOUT及正交信號QOUT之比較而定，該相位累加器將告知該傅利葉轉換單元的該核心調整載波頻率及相位。該調整被連續地執行，直到恢復了載波頻率且該數位柯斯塔迴路中有了相位及頻率鎖定為止。
自已提供的說明可知，熟悉此項技術者可在不脫離申請專利範圍界定的本發明之範圍下想出用於相位調變信號的該同步解調器電路之數種變形。該同步解調器電路可被配置成將3位元或更多位元的相位調變信號解調。被提供給該電路的相位調變信號可能在設有該電路的一接收器之先前混頻器中已經歷了第一頻率轉換。
1‧‧‧電路
6‧‧‧相位比較器
12‧‧‧離散傅利葉轉換單元
13‧‧‧核心
17‧‧‧迴路濾波器
18‧‧‧相位累加器

Claims (8)

  1. 一種用於相位調變信號之同步解調器電路，其中該電路在一控制迴路中包含用於接收將要被解調的相位調變信號之一離散傅利葉轉換單元、以及用於恢復該相位調變信號的載波頻率之裝置，因而該離散傅利葉轉換單元結合地執行該被抽樣的相位調變信號與至少一經過頻率及相位調整後的數位轉換信號間之混頻及低通濾波操作，以便在該離散傅利葉轉換單元的輸出上供應至少一解調信號，以及其中該離散傅利葉轉換單元利用具有用於離散傅利葉轉換的被界定持續時間之一時間抽樣窗執行數位低通濾波。
  2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中恢復該相位調變信號的載波頻率之該裝置包含：用於接收該離散傅利葉轉換單元的該輸出上的至少一解調信號之一頻率及/或相位提取單元、被連接到該頻率及/或相位提取單元的輸出之一迴路濾波器、以及用於控制該離散傅利葉轉換單元中之載波頻率調整的被連接到該迴路濾波器的輸出之一相位累加器。
  3. 如申請專利範圍第2項之電路，其中該頻率及/或相位提取單元是一相位比較器。
  4. 如申請專利範圍第2項之電路，其中該離散傅利葉轉換單元包含一設有一記憶體之核心，該記憶體具有一查找表，該查找表設有係為數位餘弦及/或正弦信號的不同 頻率下之各種數位轉換信號，該相位累加器可選擇性地定址到該記憶體之每一數位轉換信號，以便執行與該被抽樣的相位調變信號間之該混頻操作。
  5. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該離散傅利葉轉換單元在對應於該相位調變信號的載波頻率之一單一頻率下執行一滑動式傅利葉轉換。
  6. 如申請專利範圍第3項之電路，其中該離散傅利葉轉換單元適應於根據一QPSK或OQPSK調變信號而提供一解調同相信號及一解調正交信號。
  7. 如申請專利範圍第6項之電路，其中該相位比較器使該解調同相信號及解調正交信號能夠被比較，以便將一誤差信號提供給該迴路濾波器及該相位累加器。
  8. 如申請專利範圍第7項之電路，其中該相位比較器包含：用於在一第一輸入上接收該解調同相信號之一第一乘法器，該解調同相信號被供應到一第一正負號指示器；以及用於在一第一輸入上接收該解調正交信號之一第二乘法器，該解調正交信號被供應到一第二正負號指示器；該第一正負號指示器之一輸出被供應到該第二乘法器之一第二輸入，以便根據該第一正負號指示器之輸出狀態而改變該解調正交信號之正負號，而該第二正負號指示器之一輸出被供應到該第一乘法器之一第二輸入，以便根據該第二正負號指示器之輸出狀態而改變該解調同相信號之正負號；且其中該第一乘法器之一輸出被連接到一加法器之一正輸入，而該第二乘法器之一輸出被連接到該加法器之一負輸入，該加法器供應一相位誤差信號。
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