TWI661703B - 幅解調器和解調輸入信號的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種振幅解調器。該振幅解調器用於解調使用振幅調變方案(例如幅移鍵控)調變的信號。該振幅解調器包括：時鐘提取器，用於從輸入信號中提取時鐘信號；移相器，用於通過對所述時鐘信號執行近似±nπ/2的相位偏移，以產生採樣信號，其中，n是奇數整數；並且採樣器，用於使用所述採樣信號採樣所述輸入信號。通過這種方式，可以在輸入信號的峰值(或者至少接近輸入信號的峰值)對輸入信號進行採樣，從而保證提取的資料的保真度。

Description

幅解調器和解調輸入信號的方法
本發明涉及通信技術領域，特別涉及一種振幅解調器和相關方法。
在無線通訊中常常使用振幅調變方案來發送發送器和接收器之間的信號。通過將基帶信號和載波混頻能夠產生振幅調變信號。在近場通信(Near-Field Communication，NFC)和在射頻識別(radio-frequency identification，RFID)系統中，也常常使用振幅調變方案。
本發明實施例提供一種振幅解調器和解調輸入信號的方法，能夠準確的從輸入信號中提取出資料。
本發明提供一種振幅解調器，包括：時鐘提取器，用於從輸入信號中提取時鐘信號；移相器，用於通過對所述時鐘信號執行近似±n π/2的相位偏移，以產生採樣信號，其中，n是奇數整數；以及採樣器，用於使用所述採樣信號採樣所述輸入信號。其中，該採樣器可以是用於使用所述採樣信號控制的時序採樣所述輸入信號。具體的，該採樣器可以是被配置為對應於採樣信號的一個或多個邊沿(諸如一個或多個下降沿)對輸入信號進行採樣。其中，所述輸入信號是通過繞組從無線通道接收的。
可選的，所述移相器是第一移相器，所述採樣信號是第一採樣信號，所述採樣器是第一採樣器，並且進一步包括：第二移相器和第二採樣器，其中，所述第二移相器用於通過對所述時鐘信號執行近似±m π/2的相位偏移，以產生 第二採樣信號，其中m是奇數整數，並且n和m的符號相反，所述第二採樣器用於使用所述第二採樣信號採樣所述輸入信號。
其中，第一採樣器可以是用於使用第一採樣信號控制的第一時序採樣所述輸入信號。第二採樣器用於使用第二採樣信號所控制的第二時序採樣所述輸入信號。
可選的，進一步包括：與所述採樣器耦接的類比到數位轉換器，用於將所述採樣器的輸出信號轉換成數位信號。
可選的，進一步包括：與所述時鐘提取器耦接的自動增益控制單元，所述自動增益控制單元用於對所述輸入信號的增益進行調整。
可選的，所述輸入信號以13.56MHz±7KHz的載波頻率被調變。
本發明另一實施例提供一種解調輸入信號的方法，包括：從輸入信號中提取時鐘信號；通過對所述時鐘信號執行近似±n π/2的相位偏移，產生採樣信號，其中，n是奇數整數；使用所述採樣信號採樣所述輸入信號。
可選的，所述從輸入信號中提取時鐘信號包括：當所述輸入信號大於閾值時產生第一值，當所述輸入信號小於所述閾值時產生第二值，所述時鐘信號包括所述第一值和所述第二值。
可選的，所述採樣信號是第一採樣信號，並且進一步包括：通過對所述時鐘信號執行近似±m π/2的相位偏移，產生第二採樣信號，其中m是奇數整數，並且n和m的符號相反；使用所述第二採樣信號採樣所述輸入信號。
其中，可以是使用第一採樣信號控制的第一時序採樣所述輸入信號並使用第二採樣信號控制的第二時序採樣所述輸入信號。
可選的，所述時鐘信號的頻率是13.56MHz±7KHz。
本發明提供的振幅解調器和解調輸入信號的方法通過對時鐘信號執行近似±n π/2的相位偏移，使得相位偏移後的時鐘信號(即採樣信號)的邊沿能 與輸入信號的峰值基本對齊，以這種方式，可以在輸入信號的峰值對輸入信號進行採樣，從而能準確的從輸入信號中提取出資料。
100‧‧‧通信系統
102‧‧‧調變器
104‧‧‧發射器
106‧‧‧通道
108‧‧‧接收器
110‧‧‧解調器
114‧‧‧基帶信號
116‧‧‧振幅調變信號
120‧‧‧繞組
122‧‧‧匹配網路
200‧‧‧解調器
202‧‧‧自動增益控制單元
204‧‧‧時鐘提取器
206，206N，206P‧‧‧移相器
210，210N，210P‧‧‧採樣器
212‧‧‧類比至數位轉換器
216‧‧‧振幅調變信號
218‧‧‧時鐘信號
220‧‧‧相位偏移的信號
222‧‧‧採樣得到的信號
302‧‧‧調變信號
304‧‧‧基帶信號
208‧‧‧鎖定振盪器
416‧‧‧振幅調變信號
418‧‧‧時鐘信號
419‧‧‧鎖定的信號
420‧‧‧移相器輸出的信號
422‧‧‧採樣得到的信號
516‧‧‧振幅調變信號
500‧‧‧解調器
518‧‧‧時鐘信號
520P，520N‧‧‧移相器輸出的信號
522P，522N‧‧‧差分信號
第1A圖是本發明一些實施例提供的通信系統結構圖；第1B圖是本發明一些實施例提供的基帶信號和振幅調變信號的曲線圖；第1C圖是本發明一些實施例提供的包括繞組和匹配網路的接收器的一部分的示意圖；第2A圖是本發明一些實施例提供的解調器的框圖；第2B圖是本發明一些實施例提供的時鐘提取器的代表性特性的曲線圖；第2C圖是本發明一些實施例提供的輸入信號，時鐘信號，相位偏移的信號和輸出信號的曲線圖；第3圖是本發明一些實施例提供的具有100%調變深度的輸入信號的曲線圖；第4A圖是本發明一些實施例提供的包括鎖定振盪器的解調器的框圖；第4B圖是本發明一些實施例提供的存在具有100%調變深度的輸入信號時的採樣信號的曲線圖；第5A圖是本發明一些實施例提供的包括一對移相器的解調器的框圖；第5B圖是本發明一些實施例提供的輸入信號，時鐘信號，一對相位偏移的信號和一對輸出信號的曲線圖。
本發明人已經開發了用於振幅解調的電路，其中失真和非線性效應被減小而不犧牲功耗。一些傳統的振幅解調器，例如使用信號整流器(rectifier)的包絡解調器，會遭受失真和非線性效應。結果，使用這些電路接收到的信號中可能會出現錯誤。其他傳統的振幅解調器使用複雜的校準電路，該校準電路 被配置成將採樣電路精確地對準到接收的調變信號。這樣的電路需要大量的功率。因此，它們的可用性大大受限。
由發明人開發的用於振幅解調的電路可以呈現低失真和高線性度而不犧牲功耗。一些實施例涉及包括時鐘提取器，移相器和採樣器的振幅解調器。時鐘提取器可以從接收的振幅調變信號中產生時鐘信號。至少在一些實施例中，所生成的時鐘信號可以具有與所接收的調變信號的載波相同的頻率。然後，產生的時鐘可以被相位偏移，例如被相位偏移近似π/2，近似-π/2或近似±n π/2，其中n是奇數。在本文中使用的關於一些相位的術語“近似”用於指示在特定相位的π/8內的範圍內。例如，近似π/2表示π/2-π/8與π/2+π/8之間的範圍，近似-π/2表示-π/2-π/8與-π/2+π/8之間的範圍，近似±n π/2表示在n π/2+π/8和n π/2-π/8之間的範圍或者在-n π/2+π/8和-n π/2-π/8之間的範圍。時鐘信號的相位被偏移的量可以使得所得到的信號的邊沿與所接收的振幅調變信號的峰值對齊(或至少近似地對齊)。然後可以使用被相位偏移的時鐘信號來對振幅調變信號進行採樣。以這種方式，振幅調變信號可以在其峰值(或其峰值附近)被採樣，從而增強提取的資料的保真度(fidelity)。
本文所描述的振幅解調的電路相對于一些傳統的振幅調變器可以呈現一個或者複數個優點。本發明提供的非限制性實施例的優點是能獲得改善的線性度，寬鬆的相位雜訊要求，更高的資料速率和更低的功耗。當然，也會出現這裡沒有列出的其他優點。
第1A圖是根據一些非限制性實施例的代表性通信系統的框圖。通信系統100包括調變器102，發射器(TX)104，通道106，接收器(RX)108和解調器110。在一些實施例中，調變器102可以用基帶信號調製載波信號。在一些實施例中，基帶信號可以用二進位資料編碼，雖然在一些實施例中可以使用類比基帶信號。調變方案可以是振幅調變。至少在一些實施例中可以使用的振幅 調變方案的示例是幅移鍵控(Amplitude Shift Keying，ASK)。當然，也可以使用其他類型的振幅調變方案，例如複數級振幅調變方案。
使用本文描述的振幅調變方案類型的調變的信號的例子如第1B圖所示。信號114表示有代表性的基帶信號。在該例子中，信號114包括2個1(用LevelH表示)然後兩個0(用LevelL表示)，接著又是2個1。當然，可以應用任何合適的連續的值。至少在一些實施例中，通過將信號114與載波信號混頻獲得振幅調變信號116。載波信號的頻率可以取決於不同因素，除了其他因素之外，包括所使用的通信協議的類型。例如，在NFC中，載波信號具有頻率13.56MHz±7KHz(例如在頻率13.553MHz和13.567MHz之間的頻率)，以及在RFID系統中，在工業，科學和醫療(ISM)無線頻帶中的頻率可以被使用。在一些實施例中所使用的ISM頻帶的例子可以包括6.765MHz-6.795MHz,26.957MHz-27.283MHz,40.66MHz-40.7MHz，和902MHz-928MHz。當然，任何其他載波頻率也可以被使用。
返回參考第1A圖，振幅調變信號可以被提供給發射器TX 104。TX 104可以包括濾波器，放大器和/或用於通過通道106發送信號的裝置。例如，在一些實施例中，通道106是無線通道。TX 104包括天線和磁耦合器(magnetic coupler)，例如電感器(inductor)。在其他例子中，通道106可以包括有線通道，例如雙絞線電纜(twisted-pair cable)或同軸電纜(coaxial cable)。在這些實施例中，TX104可以包括連接到電纜的一端的端子。
相似的，根據所使用的通道的類型，接收器RX 108可以包括天線，電感器或者其他端子。在一些實施例中，TX和RX被電磁耦合，RX 108可以包括用作電感器的一個或複數個繞組(例如，導線回路)。在第1C圖中描繪了用於RX 108的繞組的示例。在該例子中，繞組120耦接到匹配網路122，匹配網路122可以被配置為提供期望的諧振頻率和天線負載，以用於有效的功率傳輸。然後可 以使用解調器110來解調所接收的振幅調變信號。在解調之後，基帶信號被獲得。
第2A圖示出了本發明一些實施例提供的解調器的示例。解調器200可以包括自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)單元202，時鐘提取器204，移相器206，採樣器210以及可選的類比至數位轉換器(ADC)212。AGC202可以確保所接收的信號處於合適的動態範圍，諸如處於時鐘提取器204和/或採樣器210的動態範圍。這樣，AGC 202可以包括信號放大器和/或衰減器(attenuator)。
時鐘提取器204可以接收振幅調變信號，並且可以從振幅被調變的載波信號中提取時鐘。至少在一些實施例中，時鐘信號可以具有與調變信號的載波的頻率相同的頻率。在一些實施例中，時鐘提取器204可以根據第2B圖中描繪的輸入-輸出特性來實現。如第2B圖所示，橫軸表示輸入信號，縱軸表示輸出信號，當輸入信號的電平大於VT(在一些實施例中VT可能為零)時，輸出信號的電平可以等於VH。相比之下，當輸入信號的電平小於VT時，輸出信號的電平可以等於VL(在一些實施例中VL可以為零)。當然不是所有的實施例都需要以這種方式來實現。被配置為實現第2B圖的特性的電路在這裡被稱為“閾值電路”。
第2C圖是示出特定實施例中解調器200中出現的信號的曲線圖。信號216代表出現在時鐘提取器204的輸入處的信號。信號216代表由TX104發出的振幅調變信號。當然，因為雜訊或者其他不利影響可能沿著資料路徑(例如在通道中)被引入，所以接收的信號不需要是發射信號的精確複製信號。時鐘信號218代表時鐘提取器204產生的信號。在該例子中，時鐘信號的邊沿(上升沿和下降沿)與振幅調變信號的過零點時間一致。在其他例子中，邊沿相對於信號216的零點可以稍微偏移。這個偏移可以小於時鐘信號週期的1%，或者小於時鐘信號週期的5%，或者小於時鐘信號週期的10%或者小於時鐘信號週期的15 %。
移相器206(第2A圖中)可以對時鐘信號的相位進行偏移。在一些實施例中，相位可以被偏移一定量使得所得到的信號的邊沿(例如下降沿)基本對齊(例如具有小於時鐘信號的週期的1%，5%，10%或者15%的偏差)振幅調變信號的峰值。例如，時鐘信號的相位可以被偏移近似π/2，近似-π/2，或者近似±nπ/2，其中n為奇數整數。
在一些實施例中，移相器206可以對時鐘信號的相位執行偏移，以偏移絕對值近似為π/2的量(例如，時鐘信號可以被延遲近似π/2或被提前(anticipated)近似π/2)。
在第2C圖的例子中，移相器206產生信號220。在該例子中，信號220相對於時鐘信號218異相π/2，也就是說時鐘信號218和信號220的相位差為π/2。結果，信號220的邊沿與信號216的峰值對齊。應該注意的是，在一些實施例中，根據正弦函數(sinusoidal function)載波信號隨著時間變化，信號216的峰值可以落在兩個連續零點的中點(midpoint)。所以，將時鐘信號的相位偏移了近似π/2可以確保對應於輸入信號的峰值(或者接近峰值)對該輸入信號採樣。
在一些實施例中，被相位偏移的時鐘信號(如移相器206的輸出信號)可以被用於觸發採樣器210。也就是說，採樣器210可以對相位偏移的時鐘信號的邊沿(例如下降邊沿)所對應的振幅調變信號進行採樣。結果，採樣的信號可以呈現振幅等於或者至少基本等於振幅調變信號的峰值(例如，在振幅調變信號的峰值的99%，95%，90%，85%，80%，或者75%)。在第2C圖的例子中，採樣得到的信號222追蹤信號216的包絡。
在一些例子中，使用ADC212將採樣得到的信號轉換到數位域，如第2A圖所示。
本文描述的調變技術的類型可以被使用而不考慮所使用的調變深 度。發明人已經認識到，在一些場景下，使用的調變深度等於或者至少接近100%是可取的。這樣對應於邏輯0的調變信號的振幅基本為0(例如小於100mV，小於10mV，小於1mV，小於100uV，小於10uV)。這種情況在第3圖的例子中示出。信號302是通過用基帶信號304調製載波信號得到的。如圖所示，對應於邏輯0，信號302的振幅基本為0。在這種情況下，由於調變信號的振幅在一個時間段內(例如調變信號的一個或者複數個週期為0，其中週期為輸入信號的載波頻率的倒數)，基本為0，所以前面描述的時鐘信號的產生會由於缺少時鐘基準而被損害，也就是說在調變信號的振幅基本為0的時間段，不能正確的產生時鐘信號。
為此，本申請的一些實施例針對用於解調具有大的調變深度的信號的電路。例如，一些實施例包括鎖定振盪器(例如，鎖相環(Phase Locked Loop，PLL)或僅僅是壓控的鎖定振盪器(voltage-controlled locking oscillator))，其被配置為即使當振幅調變信號基本為零時也提供振盪信號(例如，時鐘)。
一個這樣的電路如第4A圖所示。相對於第2A圖中的解調器，包含了鎖定振盪器208。在一些實施例中，鎖定振盪器208可以以鎖相環PLL實現。在一些實施例中，鎖定振盪器208可以以鎖定的壓控振盪器實現。鎖定振盪器208可以被配置為支援高達100%的調變深度。雖然圖示的鎖定振盪器208被設置在時鐘提取器204和移相器206之間，其他的配置也是可能的。例如，鎖定振盪器可以被設置在移相器206和採樣器210之間。
至少在一些實施例中，第4B圖的曲線圖示出第4A圖中的解調器的操作。振幅調變信號416以100%的調變深度進行調變。因此在t1和t2之間呈現的振幅等於0。相應的，在這個時間段(即t1和t2之間，其中這個時間段可以是一個或者幾個週期)中，時鐘信號418停止振盪。時鐘信號418被提供作為鎖定振盪器的輸入，鎖定振盪器將輸出鎖定到t1之前的時鐘信號418的頻率，鎖定振盪器的輸出為第4B圖中的信號419。其中，信號419可以稱為鎖定的信號，所述鎖定 的信號具有時鐘信號418的頻率。因此信號419在信號416的振幅為零時會繼續振盪。這樣在輸入信號的振幅基本為0的時段之間鎖定振盪器208可以橋接振盪。應當理解的是，在一些實施例中，除了壓控的鎖定振盪器之外的電路也可以被用於執行橋接功能。正如前面所述，信號420可以通過對信號419進行相位偏移而獲得，信號420為移相器206的輸出，並且信號422可以通過使用信號420對信號416進行採樣獲得，信號422是採樣器210的輸出。
上面描述的一些實施例可以被配置為僅採樣輸入信號的正峰值(或者負峰值)。在其它實施例中，可以採樣正峰值和負峰值。以這種方式，獲得差分信號並且可以改善信噪比。
用於採樣正峰值和負峰值的代表性解調器在第5A圖中示出。解調器500可以包括AGC202，時鐘提取器204，移相器206N和206P以及採樣器210N和210P。出現在第5A圖的解調器中的信號被在第5B圖的例子中示出。信號516可以是具有任何合適的調變深度的振幅調變信號。如上所述，信號518可以使用時鐘提取器204來生成。信號520P和520N可以分別使用移相器206P和206N來生成。在一些實施例中，兩個移相器可以引入相對於彼此符號相反的相位偏移。例如，移相器206P可以對信號518的相位進行偏移，偏移了近似n π/2，並且移相器206N可以對信號518的相位進行偏移，偏移了近似m π/2，其中n和m是具有相反符號的奇數整數。以這種方式，信號520P的下降沿(或者上升沿)基本上與信號516的正峰值對齊，並且信號520N的下降沿(或者上升沿)基本上與信號516的負峰值對齊。因此，可以共同形成差分信號的信號522P和522N被獲得。
在一些實施例中，相對於僅僅一種類型的峰值(正峰值或者負峰值)被採樣的情況可以通過使採樣信號的頻率加倍，來實現採樣正峰值和負峰值。
本文描述的設備和技術的各個方面可以單獨使用，組合使用，或者以在前述描述中描述的實施例中沒有具體討論的各種佈置來使用，因此其應用 不限於在前面的描述中闡述的或者在附圖中所示出的組件的安排和細節。例如，一個實施例中描述的方面可以以任何方式與其他實施例中描述的方面組合。
申請專利範圍中用於修飾請求項要素的諸如“第一”，“第二”，“第三”等術語本身並不意味著一個請求項要素相對于另一個請求項要素的任何優先權，優先順序或順序或者執行方法的行為的時間順序，而僅用作標籤來區分具有特定名稱的一個請求項要素與具有相同名稱的另一個要素以區分請求項要素。
此外，這裡使用的措辭和術語是為了描述的目的，而不應被認為是限制性的。“包括”，“包含”，“具有”，“含有”或“涉及”是開放性用語。“包括”，“包含”，“具有”，“含有”或“涉及”及其變型的使用意在涵蓋其後列出的項目及其等同物以及附加項目。
“耦合”或“連接”的使用是指電路元件或信號，其直接相互連接或通過中間元件間接連接。
雖然已經通過示例描述了本申請，但是應當理解，本申請不限於此。在不脫離本申請的範圍和精神的情況下，所屬領域具有通常知識者仍然可以進行各種改變和修改。因此，本申請的範圍應由所附申請專利範圍及其等同物限定和保護。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。

Claims (9)

  1. 一種振幅解調器，包括：時鐘提取器，用於從輸入信號中提取時鐘信號；鎖定振盪器，用於鎖定所述時鐘信號的頻率，輸出鎖定的信號；其中，所述鎖定的信號具有所述時鐘信號的所述頻率；移相器，用於通過對所述鎖定的信號執行近似±nπ/2的相位偏移，以產生採樣信號，其中，n是奇數整數；以及採樣器，用於使用所述採樣信號採樣所述輸入信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的振幅解調器，其中，所述採樣信號的邊沿與所述輸入信號的峰值基本對齊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的振幅解調器，其中，在所述輸入信號的振幅基本為0的時間段內，所述鎖定振盪器輸出的所述鎖定的信號的頻率係該時間段之前的所述時鐘信號的頻率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的振幅解調器，進一步包括：與所述時鐘提取器耦接的自動增益控制單元，所述自動增益控制單元用於對所述輸入信號的增益進行調整，確保調整後的信號處於所述時鐘提取器的動態範圍。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的振幅解調器，其中，所述時鐘提取器包括閾值電路，其中所述閾值電路當所述輸入信號的電平大於閾值時，輸出第一值；當所述輸入信號的電平小於所述閾值時，輸出第二值，所述時鐘信號包括所述第一值和所述第二值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的振幅解調器，其中，所述移相器是第一移相器，所述採樣信號是第一採樣信號，所述採樣器是第一採樣器，並且進一步包括：第二移相器和第二採樣器，其中，所述第二移相器用於通過對所述鎖定的信號執行近似±mπ/2的相位偏移，以產生第二採樣信號，其中m是奇數整數，並且n和m的符號相反，所述第二採樣器用於使用所述第二採樣信號採樣所述輸入信號。
  7. 一種解調輸入信號的方法，包括：從輸入信號中提取時鐘信號；鎖定到所述時鐘信號的頻率，產生鎖定的信號，所述鎖定的信號具有所述時鐘信號的所述頻率；通過對所述鎖定的信號執行近似±nπ/2的相位偏移，產生採樣信號，其中，n是奇數整數；使用所述採樣信號採樣所述輸入信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中，當所述輸入信號的振幅在至少一個週期期間內基本為0時，對所述鎖定的信號執行近似±nπ/2的相位偏移以產生所述採樣信號，並使用所述採樣信號對所述輸入信號進行採樣。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中，所述採樣信號是第一採樣信號，並且進一步包括：通過對所述鎖定的信號執行近似±mπ/2的相位偏移，產生第二採樣信號，其中m是奇數整數，並且n和m的符號相反；使用所述第二採樣信號採樣所述輸入信號。
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