TWI623220B - 數位調頻接收器及其解調方法 - Google Patents

Abstract

一種數位調頻接收器，包含一相位擷取器、一加法器、一數位濾波器及一相位估計單元。該相位擷取器用以根據一輸入訊號產生一第一相位值。該加法器耦接於該相位擷取器，用以將該第一相位值及一第二相位值相減以產生一相位差值。該數位濾波器，耦接於該加法器，用以將該相位差值進行一濾波運算以產生一頻率變化訊號。該相位估計單元，耦接於該數位濾波器及該加法器，用以根據該頻率變化訊號更新該第二相位值。

Description

數位調頻接收器及其解調方法

本案揭露一種數位調頻接收器，尤指一種具有鎖相迴路功能的數位調頻接收器。

調頻（frequency modulation；FM）解調（demodulation）接收器受到門限效應（threshold effect）限制，當噪聲（noise）振幅大於訊號振幅以致產生門限效應時，於360度的相位（phase）均受影響，頻譜上將產生複數棘波（spike）且訊雜比（signal noise ratio；SNR）亦急遽下降。若於調頻解調接收器中採用鎖相迴路器（phase loop locker；PLL），則門限效應較不易發生。習知採用鎖相迴路器之調頻解調接收器通常搭配壓控振盪器（voltage-controller oscillator；VCO），因鎖相迴路器及壓控振盪器為高價元件，故硬體成本居高不下，且電路之耗電較高。因此，本領域實需要兼具低成本、低耗電，且不易發生門限效應的調頻解調接收器。

本案一實施例揭露一種數位調頻接收器，包含一相位擷取器、一加法器、一數位濾波器及一相位估計單元。該相位擷取器用以根據一輸入訊號產生一第一相位值。該加法器耦接於該相位擷取器，用以將該第一相位值及一第二相位值相減以產生一相位差值。該數位濾波器，耦接於該加法器，用以將該相位差值進行一濾波運算以產生一頻率變化訊號。該相位估計單元，耦接於該數位濾波器及該加法器，用以根據該頻率變化訊號更新該第二相位值。

本案另一實施例揭露一種數位調頻接收器之解調方法，該方法包含根據一輸入訊號之相位產生一第一相位值、將該第一相位值與一第二相位值相減以產生一相位差值、將該相位差值進行一濾波運算以產生一頻率變化訊號、及根據該頻率變化訊號更新該第二相位值。

第1圖係本案實施例中數位調頻接收器100的示意圖。數位調頻接收器100包含相位擷取器110、加法器120、數位濾波器130及相位估計單元140。相位擷取器110用以根據輸入訊號Si產生第一相位值P1。加法器120耦接於相位擷取器110，用以將第一相位值P1及第二相位值P2相減以產生相位差值Pd。數位濾波器130耦接於加法器120，用以將相位差值Pd進行濾波運算以產生頻率變化訊號Sf。相位估計單元140耦接於數位濾波器130及加法器120，用以根據頻率變化訊號Sf更新第二相位值P2。

上述的輸入訊號Si可例如為來自頻道選擇濾波器(CSF)之選頻訊號，第一相位值P1可為實測相位值(measured phase)，第二相位值P2可為預期相位值(expected phase)。相位擷取器110可為(但不限於)坐標旋轉數字計算(coordinate rotation digital computer，其簡稱可為CORDIC)轉換器，以三角函數法擷取輸入訊號Si的相位。加法器120係用以執行減法運算之加法器，可將第一相位值P1減去第二相位值P2以求得差值，即相位差值Pd。相位估計單元140可根據估計頻率(estimated frequency)輸出第二相位值P2，又對應於新接收的輸入訊號Si計算求得新的第二相位值P2。由於第一相位值P1係對應於輸入訊號Si變化，故藉由加法器120執行第一相位值P1減去第二相位值P2產生相位差值Pd，再對應地更新第二相位值P2，即可持續求得第一相位值P1與所須的相位值之差距並持續據以校正，從而實現鎖相迴路器的功效。本案實施例揭露的數位調頻接收器100係以一系列的相位變化得知向量（vector）轉動的狀態，因量測輸入訊號Si時的取樣率（sample rate）係為已知之取樣率，故可得知每次取樣之間的相位變化，進而計算求得用於調頻解調的訊號。本案實施例揭露的數位調頻接收器，係為一回授系統（feedback system），當輸入訊號Si仍持續變化時，其進行鎖定之過程可對應地持續產生（例如不為0之）相位差值Pd，且持續更新第二相位值P2，故可持續跟隨輸入訊號Si之變化以求得其頻率變化，作為調頻解調之用。本案實施例揭露之架構可不須使用實體（physical）壓控振盪器產生時脈波形，亦可不須使用實體的鎖相迴路器，故可視為虛擬的（virtual）鎖相迴路器及壓控振盪器。關於噪聲，因噪聲的相位常是均勻分佈（spread）於頻譜上而不具有相干性（coherence），其造成的相位差值（phase error）大多為高頻成份，故數位濾波器130可例如為低通（low-pass）之環路濾波器，可濾除不需要的高頻成份，留下須追蹤（track）的低頻成份，以產生前述的頻率變化訊號Sf。頻率變化訊號Sf可具有頻率變化量之資訊，由於調頻訊號即利用頻率變化乘載所需傳遞之資訊，故頻率變化訊號Sf可用以進行調頻解調（FM demodulation）以產生例如為聲音訊號之解調訊號（demodulated signal），以助於使用者接收解調後的資訊，例如廣播節目之聲音等。

第2圖係本案另一實施例之數位調頻接收器200的示意圖。數位調頻接收器200相較於第1圖之數位調頻接收器100，更包含微分器250。微分器250耦接於相位估計單元140，用以對第二相位值P2進行微分以產生調頻訊號Sm，調頻訊號Sm係用以進行調頻解調，以產生例如為廣播節目聲音之解調訊號。

第3圖係本案另一實施例之數位調頻接收器300的示意圖，相較於第1圖，相位估計單元340更包含積分器3401，其耦接於數位濾波器130，用以對頻率變化訊號Sf進行積分以更新第二相位值P2。其中，積分器3401可例如執行Z轉換(Ztransform)運算，如算式(α)所示：X(Z)=Z^-1/(1-Z^-1)...(α)；第4圖係本案另一實施例之數位調頻接收器400之示意圖，相較於第3圖，數位調頻接收器300更包含微分器450，用以對第二相位值P2進行微分以產生調頻訊號Sm。

第5圖係本案另一實施例之數位調頻接收器500之示意圖。相較於第1圖，相位估計單元540更包含積分器5401及加法器5402。加法器5402耦接於數位濾波器130及載波源，用以將頻率變化訊號Sf及載波頻率fc相加以產生估計頻率fe。積分器5401耦接於加法器5402，用以對估計頻率fe進行積分以更新第二相位值P2，其算式可為(但不限於)上述之積分算式(α)。數位調頻接收器500產生的頻率變化訊號Sf、及估計頻率fe均帶有頻率變化之資訊，故均可用於調頻解調運算，以產生例如為廣播節目聲音之解調訊號，使用者可從頻率變化訊號Sf及估計頻率fe擇一予以進行調頻解調。

第6圖係本案另一實施例之數位調頻接收器600之示意圖，相較於第5圖，數位調頻接收器600更包含微分器650，用以對第二相位值P2進行微分以產生調頻訊號Sm。

第7圖係本案實施例之頻率變化訊號Sf對應之頻率波形圖。第8圖係第5圖的頻率變化訊號Sf對應之頻率、載波頻率fc及估計頻率fe之關係波形圖。從第7、8圖可見，藉由加法器5402將頻率變化訊號Sf及載波頻率fc予以相加以產生估計頻率fe，估計頻率fe相較於頻率變化訊號Sf對應之頻率可更增加載波頻率fc。載波頻率fc可為（但不限於）150k赫茲。

本案實施例揭露的數位調頻接收器100至600具有鎖相迴路功能，但不須採用實體的鎖相迴路器與壓控振盪器，亦不須產生時脈波形，故可降低成本與耗電量。其中第二相位值P2可為（但不限於）一組多位元的數位碼，例如十位元（10-bit）之數位碼，用以將360度角之相位分作1024部份，每一部份則為0.3515625度角，故可以此原理支援表示高精度之相位角度。

第9圖係本案實施例中數位濾波器130的示意圖。數位濾波器130可為二階低通濾波器，包含乘法器910、乘法器920、積分器930及加法器940。乘法器910可耦接於上述之加法器120，用以將相位差值Pd乘以參數K1以產生參考值Ref1。乘法器920可耦接於加法器120，用以將相位差值Pd乘以參數K2以產生參考值Ref2。積分器930可耦接於乘法器910，用以對參考值Ref1進行積分以產生參考值Ref3。加法器940可耦接於積分器930及乘法器920，用以將參考值Ref3及Ref2相加以產生頻率變化訊號Sf。其中，積分器930可執行Z轉換，其運算公式可為（但不限於）上述之積分算式（α）。

參數K1與K2可為2之冪次方以降低硬體成本，如1/2、1/4…1/32等，參數K1與K2可由使用者調校選用適當數值。若以參數K1=1/32、且參數K2=1/2為例，則第9圖所示之二階低通濾波器其對應的運算可如算式（γ）所示：

H（Z）

= [K2+（K1-K2）．Z^-1 ] /（1-Z^-1 ）

= [（1/2）+（15/32）．Z^-1 ] /（1-Z^-1 ）… (γ)；

以進行低通濾波之運算。

第10圖係本案另一實施例中數位濾波器130的示意圖。數位濾波器130可為三階低通濾波器，包含乘法器1010、乘法器1020、積分器1030、一階低通濾波器1040及加法器1050。乘法器1010耦接於加法器120，用以將相位差值Pd乘以參數M1以產生參考值Ref11。乘法器1020耦接於加法器120，用以將相位差值Pd乘以參數M2以產生參考值Ref12。積分器1030可耦接於乘法器1010，用以對參考值Ref11進行Z轉換以產生參考值Ref13。一階低通濾波器1040可耦接於乘法器1020，用以將參考值Ref12進行低通濾波以產生參考值Ref14。加法器1050可耦接於積分器1030及一階低通濾波器1040，用以將參考值Ref13及Ref14相加以產生頻率變化訊號Sf。參數M1與M2可為2之冪次方以降低硬體成本，如1/2、1/4…1/32等，參數M1與M2可由研發者調校選用適當數值。積分器1030可進行Z轉換，亦即積分運算，其運算公式可為（但不限於）算式（δ）所示：

A（Z） = 1/（1-Z^-1 ） … (δ)；

然而相較之上述之算式（α），算式（δ）可不含Z^-1 項，積分器1030之意義可為提供延遲（delay）。一階低通濾波器1040之運算公式可為（但不限於）算式（ε）所示：

B（Z） = 1/（1-a．Z^-1 ）… (ε)；

其中，參數a 的絕對值小於1，即|a|＜1。故第10圖所示之三階低通濾波器其對應之運算可如算式（ζ）所示：

H（Z）

= [M1/（1-Z^-1 ）] + [M2/（1-a．Z^-1 ）]

= [M1+M2-（M2+a．M1）Z^-1 ]/[（1-Z^-1 ）．（1-a．Z^-1 ）] …（ζ）；

以進行低通濾波之運算。

第9圖及第10圖所示的二階低通濾波器及三階低通濾波器，係本案實施例之數位調頻接收器包含的數位濾波器的內部架構示意圖，然而本案之數位調頻接收器包含的數位濾波器並不限於第9圖、第10圖所示之架構，使用者可根據實際規格需求，計算求得適用的濾波器規格，再以數位電路實現。

第11圖係本案實施例中輸入訊號Si為雙路訊號之波形示意圖。本案實施例之輸入訊號Si可為（但不限於）複數訊號（complex signal），例如具有I路訊號及Q路訊號之雙路訊號，其中I路訊號可為cos(ωt）波形，且Q路訊號可為sin(ωt) 波形，故可以下列算式（δ）求得前述之第一相位值P1：

tan(ωt) = sin(ωt) / cos (ωt) = Q/I；

P1 = ωt = arctan (Q/I) …（δ）；

藉此求得第一相位值P1，其中ω係角頻率（angular frequency），此即坐標旋轉數字計算演算法之基本原理，但本案用以求得第一相位值P1之方法亦可採用其他演算法。第11圖所示的I路訊號與Q路訊號，因雙路訊號的相位不同，故當Q路訊號由位置111爬升至位置112，其係位於向上爬升之上升緣，但若僅參考Q路訊號，當I路訊號由位置112移至位置113，難以辨明其相位位置已歷經上升又下降之過程，故若可搭配參考相位相異之I路訊號，則可提昇辨別輸入訊號Si之相位的精確度。然而，若取樣速率極高，亦可能藉由快速之取樣而辨明訊號之相位位置。此外，當相位變化量極小時，例如當第11圖之角度θ極小時，則sinθ≒θ，故亦可採用近似法求得訊號相位，例如以第11圖所示的數值x求得數值y。

第12圖係本發明實施例之數位調頻接收器100的解調方法1200的流程圖。解調方法1200包含：

步驟1210：根據輸入訊號Si之相位產生第一相位值P1；

步驟1220：將第一相位值P1與第二相位值P2相減以產生相位差值Pd；

步驟1230：將相位差值Pd進行濾波運算以產生頻率變化訊號Sf；

步驟1240：根據頻率變化訊號Sf更新第二相位值P2；及

步驟1250：將頻率變化訊號Sf進行調頻解調以產生解調訊號。

如上所述，本案揭露之數位調頻接收器係回授系統，故藉由採用解調方法1200，當輸入訊號Si仍持續變化時，其進行鎖定之過程可對應地持續產生相位差值Pd，且持續更新第二相位值P2，故可持續跟隨輸入訊號Si之變化以求得其頻率變化，作為調頻解調之用。步驟1250中的解調訊號，可例如為廣播節目之聲音內容等。

第13圖係本發明另一實施例之數位調頻接收器300的解調方法1300的流程圖，解調方法1300包含：

步驟1310：根據輸入訊號Si之相位產生第一相位值P1；

步驟1320：將第一相位值P1與第二相位值P2相減以產生相位差值Pd；

步驟1330：將相位差值Pd進行濾波運算以產生頻率變化訊號Sf；

步驟1340：將頻率變化訊號Sf進行積分以更新第二相位值P2；及

步驟1350：將頻率變化訊號Sf進行調頻解調以產生解調訊號。

解調方法1300可例如用於第3圖所示的數位調頻接收器300，其原理同前敘述故不重述。

第14圖係本發明另一實施例之數位調頻接收器500的解調方法1400的流程圖，解調方法1400包含：步驟1410：根據輸入訊號Si之相位產生第一相位值P1；步驟1420：將第一相位值P1與第二相位值P2相減以產生相位差值Pd；步驟1430：將相位差值Pd進行濾波運算以產生頻率變化訊號Sf；步驟1440：將頻率變化訊號Sf與載波頻率fc相加以產生估計頻率fe；步驟1450：對估計頻率fe進行積分以更新第二相位值P2；步驟1460：將頻率變化訊號Sf進行調頻解調以產生解調訊號。

解調方法1400可例如用於第5圖所示的數位調頻接收器500，其原理同前敘述故不重述。上述步驟1230、1330及1430可為將相位差值Pd序列進行低通濾波運算以產生頻率變化訊號Sf。解調方法1400中，因估計頻率fe亦帶有輸入訊號Si的頻率變化資訊，故步驟1460亦可改為對估計頻率fe進行調頻解調以產生解調訊號。

上述解調方法1300、1400及1500中，因第二相位值P2亦帶有輸入訊號Si的頻率變化資訊，故亦可對第二相位值P2進行微分以產生調頻訊號Sm；及對調頻訊號Sm進行調頻解調以產生解調訊號。此可對應於第2、4及6圖揭露的數位調頻接收器200、400及600，其中對第二相位值P2進行微分以產生調頻訊號Sm，係可使用微分器250、450或650。

綜上所述，本案實施例揭露的數位調頻接收器可為回授系統，藉由一系列的相位計算、與相位變化之追蹤，產生鎖相迴路功能，可不產生時脈波形且可不包含實體的鎖相迴路器與實體的壓控振盪器，故硬體成本與耗電量皆可大為降低，亦易於以數位電路實現，對於本領域實有助益。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、200、300、400、500、600‧‧‧數位調頻接收器
110‧‧‧相位擷取器
120、940、1050、5402‧‧‧加法器
130‧‧‧數位濾波器
140、340、540‧‧‧相位估計單元
Si‧‧‧輸入訊號
Sm‧‧‧調頻訊號
P1‧‧‧第一相位值
P2‧‧‧第二相位值
Pd‧‧‧相位差值
250、450、650‧‧‧微分器
930、1030、3401、5401‧‧‧積分器
Sf‧‧‧頻率變化訊號
fe‧‧‧估計頻率
fc‧‧‧載波頻率
910、920、1010、1020‧‧‧乘法器
1040‧‧‧一階低通濾波器
Ref1、Ref11、Ref2、Ref12、Ref3、Ref13、Ref14‧‧‧參考值
K1、M1、K2、M2‧‧‧參數
111、112、113‧‧‧位置
θ‧‧‧角度
x、y‧‧‧數值
t‧‧‧時間
1200、1300、1400‧‧‧解調方法
1210至1240、1310至1350、1410至1460‧‧‧步驟

第1圖係本案實施例中數位調頻接收器的示意圖。 第2圖係本案另一實施例之數位調頻接收器的示意圖。 第3圖係本案另一實施例之數位調頻接收器的示意圖。 第4圖係本案另一實施例之數位調頻接收器之示意圖。 第5圖係本案另一實施例之數位調頻接收器之示意圖。 第6圖係本案另一實施例之數位調頻接收器之示意圖。 第7圖係本案實施例之頻率變化訊號的頻率波形圖。 第8圖係第5圖的頻率變化訊號之頻率、載波頻率及估計頻率之關係波形圖。 第9圖係本案實施例中數位濾波器的示意圖。 第10圖係本案另一實施例中數位濾波器的示意圖。 第11圖係本案實施例中輸入訊號為雙路訊號之波形示意圖。 第12圖係本發明實施例之數位調頻接收器的解調方法的流程圖。

第13圖係本發明另一實施例之數位調頻接收器的解調方法的流程圖。

第14圖係本發明另一實施例之數位調頻接收器的解調方法的流程圖。

Claims (19)

1. 一種數位調頻接收器，包含：一坐標旋轉數字計算轉換器，用以根據一輸入訊號產生一第一相位值；一第一加法器，耦接於該坐標旋轉數字計算轉換器，用以將該第一相位值及一第二相位值相減以產生一相位差值；一數位濾波器，直接連接於該第一加法器，用以將該相位差值進行一濾波運算以產生一頻率變化訊號；及一相位估計單元，耦接於該數位濾波器及該第一加法器，用以根據該頻率變化訊號輸出該第二相位值。
2. 如請求項1所述之數位調頻接收器，該相位估計單元只根據該頻率變化訊號更新該第二相位值。
3. 如請求項1所述之數位調頻接收器，其中該輸入訊號係為頻道選擇所產生之一選頻訊號。
4. 如請求項1所述之數位調頻接收器，其中該調頻接收器更輸出該頻率變化訊號，以進行調頻解調而產生一解調訊號。
5. 如請求項1所述之數位調頻接收器，更包含：一微分器，耦接於該相位估計單元，用以對該第二相位值進行微分以產生一調頻訊號，該調頻訊號係用以進行調頻解調而產生一解調訊號。
6. 如請求項1所述之數位調頻接收器，其中該相位估計單元包含： 一第一積分器，耦接於該數位濾波器，用以對該頻率變化訊號進行積分以更新該第二相位值。
7. 如請求項1所述之數位調頻接收器，其中該相位估計單元包含：一第二加法器，耦接於該數位濾波器及一載波源，用以將該頻率變化訊號及一載波頻率相加以產生一估計頻率；及一第一積分器，耦接於該第二加法器，用以對該估計頻率進行積分以更新該第二相位值。
8. 如請求項7所述之數位調頻接收器，其中該數位調頻接收器更輸出該估計頻率，以進行調頻解調而產生一解調訊號。
9. 如請求項1至8中任一項所述之數位調頻接收器，其中該數位濾波器係為一二階低通濾波器，包含：一第一乘法器，耦接於該第一加法器，用以將該相位差值乘以一第一參數以產生一第一參考值；一第二乘法器，耦接於該第一加法器，用以將該相位差值乘以一第二參數以產生一第二參考值；一第二積分器，耦接於該第一乘法器，用以對該第一參考值進行積分以產生一第三參考值；及一第三加法器，耦接於該第二積分器及該第二乘法器，用以將該第三參考值及該第二參考值相加以產生該頻率變化訊號。
10. 如請求項1至8中任一項所述之數位調頻接收器，其中該數位濾波器 係為一三階低通濾波器，包含：一第一乘法器，耦接於該第一加法器，用以將該相位差值乘以一第一參數以產生一第一參考值；一第二乘法器，耦接於該第一加法器，用以將該相位差值乘以一第二參數以產生一第二參考值；一第二積分器，耦接於該第一乘法器，用以對該第一參考值進行積分以產生一第三參考值；一一階低通濾波器，耦接於該第二乘法器，用以將該第二參考值進行一低通濾波以產生一第四參考值；及一第三加法器，耦接於該第二積分器及該一階低通濾波器，用以將該第三參考值及該第四參考值相加以產生該頻率變化訊號。
11. 如請求項1至8中任一項所述之數位調頻接收器，其中該輸入訊號包含：一I路訊號，具有一I路相位；及一Q路訊號，具有一Q路相位；其中該坐標旋轉數字計算轉換器係比較該I路相位與該Q路相位、及取樣該I路訊號及該Q路訊號以求得該第一相位值。
12. 一種數位調頻接收器之解調方法，包含：以一坐標旋轉數字計算轉換器根據一輸入訊號之相位產生一第一相位值；以一加法器將該第一相位值與一第二相位值相減以產生一相位差值；以直接連接於該加法器之一數位濾波器將該相位差值進行一濾波運算以產生一頻率變化訊號；及 根據該頻率變化訊號輸出該第二相位值。
13. 如請求項12所述之方法，更包含：將該頻率變化訊號進行調頻解調以產生一解調訊號。
14. 如請求項12所述之方法，其中根據該頻率變化訊號更新該第二相位值係為：將該頻率變化訊號進行積分以更新該第二相位值。
15. 如請求項12所述之方法，其中根據該頻率變化訊號更新該第二相位值包含：將該頻率變化訊號與一載波頻率相加以產生一估計頻率；及對該估計頻率進行積分以更新該第二相位值。
16. 如請求項15所述之方法，更包含：對該估計頻率進行調頻解調以產生一解調訊號。
17. 如請求項12、14或15所述之方法，更包含：對該第二相位值進行微分以產生一調頻訊號；及對該調頻訊號進行調頻解調以產生一解調訊號。
18. 如請求項12所述之方法，其中該輸入訊號包含：一I路訊號，具有一I路相位；及一Q路訊號，具有一Q路相位； 其中以該坐標旋轉數字計算轉換器根據該輸入訊號之相位產生該第一相位值，係為以該坐標旋轉數字計算轉換器比較該I路相位與該Q路相位、及取樣該I路訊號及該Q路訊號以求得該第一相位值。
19. 如請求項12所述之方法，其中根據該頻率變化訊號更新該第二相位值係為只根據該頻率變化訊號更新該第二相位值。