CN109004930B - 基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***及控制方法，其中***包括：放大输入的射频信号的放大模块；鉴相/鉴频模块，获取本地振荡器和放大后的射频信号的频率差异与相位差异；频带限制模块，频带限制模块和鉴相/鉴频模块相连，以根据频率差异和相位差异限制带宽并进行放大；可控增益放大模块，通过可控的方式调节频带限制模块输出信号的幅度；频率可控的频率合成器模块与可控增益放大模块和鉴频/鉴相模块相连，根据增益调节后的频率差异和相位差异信号产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪。该***具有在实现对常规频移键控解调的基础上，还能进行载波频率追踪和载波误差消除的优点，并且结构简单，功耗低，性能强。
Description
技术领域
本发明涉及频率解调技术领域，特别涉及一种基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***及控制方法。
背景技术
随着无线通讯***的逐渐发展，传统的频率调制信号如BFSK(Binary Frequency-Shift Keying，二分频移键控)、MSK(Minimum-Shift Keying，最小频移键控)、GFSK(Gaussfrequency Shift Keying，高斯频移键控)等，都难以再为通信***带来明显的性能的提升。最原始的BFSK通讯方式提供了最简单的***结构，较为复杂的MSK、GFSK提供了较好的频谱占用率，但是随着新的调制方式进入瓶颈，***结构也逐渐固化，***性能难以得到提升。
对于现有的***，主要都是由一次下变频接收机(零中频接收机)、二次下变频接收机构成，在电路结构上具有较大的限制——主要核心模块无法减少、功耗无法继续降低、结构无法继续简化。随着无线通讯***的逐渐发展，传统的频率调制信号如BFSK使用两个频率代表发送1还是0；MSK在信号过零时变换频率，保持相位连续；GFSK在MSK的基础上使用高斯包络等，都难以再为通信***带来明显的性能的提升。最原始的BFSK通讯方式提供了最简单的***结构，较为复杂的MSK、GFSK提供了较好的频谱占用率，但是随着新的调制方式进入瓶颈，***结构也逐渐固化，***性能难以得到提升。
主流接收机的结构主要由前置放大、下变频、信号解调三部分组成。前置放大和下变频部分由于使用了射频放大模块与本地振荡器，使得其功耗无法降低。而信号解调部分通常需要一个高性能的模拟-数字转换器或频率解调器将信号转换为二进制电平信号，功耗依然较高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，该***能够进行载波频率追踪和载波误差消除，消除了模数转换器或频率解调器，同时依然提供频率解调输出，结构简单，功耗低，性能强。
为达到上述目的，本发明提出了一种基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，包括：放大输入的射频信号的射频放大模块；鉴相/鉴频模块，所述鉴相/鉴频模块与射频放大模块和频率可控的频率合成器模块相连，以获取射频放大模块和频率可控的频率合成器模块二者所产生的信号的频率差异与相位差异；频带限制模块，所述频带限制模块与鉴频/鉴相模块相连，以限制频率差异与相位差异信号的带宽；可控增益放大模块，所述可控增益放大模块与所述频带限制模块相连，以将所述代表频率差异和相位差异的带宽限制信号进行线性放大；以及频率可控的频率合成器模块，所述频率可控的频率合成器模块与可控增益放大模块和鉴频/鉴相模块相连，接收所述代表频率差异和相位差异的信号，并根据这一信号控制自身的输出频率，以实现频率的调整和跟踪并进行频率负反馈。
本发明的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，通过鉴频/鉴相模块获取频率可控的频率合成器模块和经射频放大模块进行放大后的射频信号的频率差异与相位差异并通过频带限制模块和可控增益放大模块进行限制频带宽度及放大，根据两信号的频率差异和相位差异产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪，达到在实现对常规频移键控解调的基础上，进行载波频率追踪和载波误差消除的目的，并且结构简单，功耗低，性能强。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述频率可控的频率合成器模块为频率可控振荡器，频率可控的信号发生器或其他形式频率可以通过信号进行控制的信号源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述鉴相/鉴频模块为根据所连接的所述频率可控的频率合成器模块和所述射频放大模块接入的两个信号的频率差和相位差产生特定形式输出的电路模块或单元。输出信号与两个信号的频率差和相位差具有特定的线性或非线性关系，且这一关系需要是单调的，即当相位差或频率差绝对值较大时，产生的输出信号的幅度的绝对值需不低于相位差或频率差绝对值较小时的绝对值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，述频带限制模块，为一带宽高于所述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的环路带宽的低通滤波器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可控增益放大模块为可以调整输入信号与输出信号放大倍数的放大器，其中输出信号的幅度为输入信号的幅度的特定倍数，且这一倍数可进行调节。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述射频放大模块是工作于射频频段的放大器，对信号做线性放大。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：采集模块，用于采集所述可控增益放大模块的输出端的信号作为***解调的输出，这一信号既可以是电压也可以是电流。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述鉴相/鉴频模块所产生的信号可以是电压也可以是电流。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述鉴相/鉴频模块的输出单调性可以由两种方式实现：
数字实现方式：当两个信号中，射频放大模块输出的信号相位超前时给出高电平，相位落后时给出低电平；或反之。
模拟实现方式：当两个信号中，射频放大模块的输出信号相位超前时给出正电电压或电流，相位差越大，电压或电流的幅度也越大，射频放大模块的输出信号相位落后时给出负电压或电流，相位差越大，电压或电流的幅度也越大；或反之。
本发明的另一目的为了提出一种基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的控制方法，包括以下步骤：放大输入的射频信号；获取本地振荡器和放大后的射频信号的频率差异与相位差异；根据所述频率差异和所述相位差异限制带宽；根据所述经过带宽限制的频率差异和相位差异信号进行可控、可调节增益的放大；以及根据所述经过频带限制和可控可调节的增益放大后的频率差异和所述相位差异产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为传统一次下变频接收机***的结构示意图；
图2为一个可以区分并解调BFSK与GFSK信号的接收机的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的控制***的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例调试BFSK信号的调制方式的示意图；
图5为根据本发明一个实施例调试BFSK信号在低通滤波器输出端观测到的信号波形示意图；和
图6为根据本发明实施例的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
首先，在介绍本发明实施例提出的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***之前，先介绍在相关技术中的常见的解调频率调制信号的数字解调接收机与模拟解调接收机。图1为传统一次下变频数字解调接收机***结构示意图，如图1所示，信号从左边放大器输入，经过混频器变换到低频，再次经过低频放大器进行放大，经过模数转换器转换为数字信号后通过数字滤波器进行处理，得到被调制的基带信号。
但是，该变频接收机工作时，当接收机与发射机之间存在载波偏差时，混频器下变频的结果将不准确，导致经过模数转换器后，数字化滤波器的中心频点与下变频后信号各自的中心频点不同，无法有效解调。
进一步地，该变频接收机结构简单，但依然需要本地振荡信号生成，需要手动调整本地振荡信号与发射机同步，实际使用时只能靠预先约定，较为麻烦。且当***中存在偏差时，无法自动调整。
图2为一个可以区分并解调BFSK与GFSK信号的模拟解调接收机的结构示意图，如图2所示：信号经过放大、混频、再次放大后，经过鉴频器提取信号的频率信息，也可以理解为经过这一模块后信号的幅度代表了其频率，然后频率信息经过模数转换器翻译为数字信号。这一数字信号经过方波与高斯波的匹配滤波器，得到两路输出。用于对比的是，图1中使用数字滤波器得到了代表着频率信息的信号；图2中直接使用模拟的电路模块产生了这一信号，将这一信号通过模数转换器转换为数字信号后，即可直接输出。图2中模数转换器后所连接的滤波器仅为区分不同调制方式所用，不需要区分调制方式时可省略。图2中输出1对应方波匹配滤波器，输出1有效时，表示此时接收信号的频率变化类似方波，更加接近BFSK信号；输出2有效时，表示此时接收信号的频率变化类似高斯波，更加接近GFSK。同时观察输出1与输出2，可以比较得出当前接收到的信号是BFSK还是GFSK信号，同时可以得到信号的0/1码流(也即解调后的信号)。但是该接收机无法提供自动载波追踪，在发射机与接收机的本地频率不同时依然会产生性能下降，同时配置较为复杂。但由于图2的结构使用电路模块直接进行频率解调，其电路***中的模数转换器性能可适当放松，从而相比于1减小了***设计的压力。
本发明正是基于上述问题，而提出了一种基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***。
图3是本发明一个实施例的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***结构示意图。
如图3所示，该基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***10包括：射频放大模块100、鉴相/鉴频模块200、频带限制模块300、可控增益放大模块400和频率可控的频率合成器模块500。
放大输入的射频信号的射频放大模块100。
在本发明的一个实施例中，射频放大模块100是工作于射频频段的放大器，对信号做线性放大。
鉴相/鉴频模块200，鉴相/鉴频模块200与射频放大模块与频率可控的合成器模块相连，以获取本地振荡器和放大后的射频信号的频率差异与相位差异。
在本发明的一个实施例中，鉴相/鉴频模块200为根据所连接的频率可控的频率合成器模块和射频放大模块接入的两个信号的频率差和相位差产生特定形式输出的电路模块或单元。输出信号与两个信号的频率差和相位差具有特定的线性或非线性关系，且这一关系需要是单调的，即当相位差或频率差绝对值较大时，产生的输出信号的幅度的绝对值需不低于相位差或频率差绝对值较小时的绝对值。
在本发明的一个实施例中，鉴相/鉴频模块200所产生的信号可以是电压也可以是电流。
在本发明的一个实施例中，鉴相/鉴频模块200的输出单调性可以由两种方式实现：数字实现方式：当两个信号中，射频放大模块输出的信号相位超前时给出高电平，相位落后时给出低电平；或反之。模拟实现方式：当两个信号中，射频放大模块的输出信号相位超前时给出正电电压或电流，相位差越大，电压或电流的幅度也越大，射频放大模块的输出信号相位落后时给出负电压或电流，相位差越大，电压或电流的幅度也越大；或反之。
在本发明的一个实施例中，鉴相/鉴频模块200的输出是电压形式时，具备可调或预定义的共模电压，以协助后续模块的电路设计。
具体而言，在本发明的另一个实施例中，鉴相/鉴频模块200可以为鉴频器和/或鉴相器。在上述电路中使用鉴频器时，有可能会导致正反馈，造成不能建立稳定的频率负反馈的后果。但是使用鉴相器可避免这一问题，所以在上述电路结构中，可以只使用鉴相器；同时也可以在频率差异较大时(例如刚刚启动时)启动鉴频器，在反馈环路逐渐建立后，启动鉴相器。总之，环路可以在设置的结构下自动建立负反馈达到平衡。
频带限制模块300，频带限制模块300与鉴相/鉴频模块200相连，以根据频率差异和相位差异限制带宽。
在本发明的一个实施例中，频带限制模块300，为一带宽高于的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的环路带宽的低通滤波器。
可控增益放大模块400，可控增益放大模块100与频带限制模块相连300，以根据经过带宽限制的频率差异和相位差异信号进行可控、可调节增益的放大。
在本发明的一个实施例中，可控增益放大模块400为可以调整输入信号与输出信号放大倍数的放大器，其中输出信号的幅度为输入信号的幅度的特定倍数，且这一倍数可进行调节。
频率可控的频率合成器模块500，频率可控的频率合成器模块500与可控增益放大模块400和鉴相/鉴频模块200相连，以根据经过频带限制和可控可调节的增益放大后的频率差异和相位差异产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪。
在本发明的一个实施例中，频率可控的频率合成器模块500为频率可控振荡器，频率可控的信号发生器或其他形式频率可以通过信号进行控制的信号源。
具体而言，在本发明的一个实施例中，如图4和图5所示，在对BFSK信号调制时(假设欲发送信号为1011)，过程如下：当发射机与接收机存在频率偏移，且频率偏移在一定范围内时，可在低通滤波器输出端观测到与频率偏移成正比(或者具有某种关系的)信号表现。同时，在频率偏差得以跟踪后，这一现象消失。即，在突然产生频率偏移时，低通滤波器的输出端会有相应的变化，并有一短暂的“输出无效”时间。
可以理解的是，本地振荡器线性度决定鉴频线性度，使得上述鉴频器的设计大大简化，线性度极大地提高(对于数字化可控振荡器而言，线性调频曲线的得到较为容易)。
本发明的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，通过鉴频/鉴相模块获取频率可控的频率合成器模块和经射频放大模块进行放大后的射频信号的频率差异与相位差异并通过频带限制模块和可控增益放大模块进行限制频带宽度及放大，根据两信号的频率差异和相位差异产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪，达到在实现对常规频移键控解调的基础上，进行载波频率追踪和载波误差消除的目的，并且结构简单，功耗低，性能强。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的控制方法。
图6为根据本发明实施例的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***法的控制方法的流程图。
如图6所示，该基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的控制方法包括以下步骤：S101，放大输入的射频信号；S102，获取本地振荡器和放大后的射频信号的频率差异与相位差异；S103，根据频率差异和相位差异限制带宽；S104，可控增益放大模块，可控增益放大模块与频带限制模块相连，以根据经过带宽限制的频率差异和相位差异信号进行可控、可调节增益的放大；S105，频率可控的频率合成器模块，频率可控的频率合成器模块与可控增益放大模块和鉴相/鉴频模块相连，以根据经过频带限制和可控可调节的增益放大后的频率差异和相位差异产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪。
需要说明的是，前述对基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***实施例的解释说明也适用于该实施例的控制方法，此处不再赘述。
本发明实施例的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的控制方法，通过获取本地振荡器和放大后的射频信号的频率差异与相位差异并放大，根据频率差异和相位差异产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪，达到在实现对常规频移键控解调的基础上，进行载波频率追踪和载波误差消除的目的，并且结构简单，功耗低，性能强。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，其特征在于，包括：
射频放大模块，用于放大输入的射频信号；
鉴相/鉴频模块，所述鉴相/鉴频模块与所述射频放大模块相连，以获取本地振荡器和放大后的射频信号的频率差异与相位差异；
频带限制模块，所述频带限制模块与所述鉴相/鉴频模块相连，以根据所述频率差异和所述相位差异限制带宽；
可控增益放大模块，所述可控增益放大模块与所述频带限制模块相连，以根据经过带宽限制的频率差异和相位差异的信号进行可控、可调节的增益放大；以及
频率可控的频率合成器模块，所述频率可控的频率合成器模块分别与所述可控增益放大模块和所述鉴相/鉴频模块相连，以根据经过频带限制和可控可调节的增益放大后的频率差异和所述相位差异产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪；
其中，所述鉴相/鉴频模块为根据所连接的所述频率可控的频率合成器模块和所述射频放大模块接入的两个信号的频率差和相位差产生特定形式输出的电路模块或单元，输出信号与两个信号的频率差和相位差具有特定的线性或非线性关系，且这一关系需要是单调的，当相位差或频率差绝对值较大时，产生的输出信号的幅度的绝对值需不低于相位差或频率差绝对值较小时的绝对值；
其中，所述鉴相/鉴频模块的输出单调性由两种方式实现：
数字实现方式：当两个信号中，射频放大模块输出的信号相位超前时给出高电平，相位落后时给出低电平；或反之；
模拟实现方式：当两个信号中，射频放大模块的输出信号相位超前时给出正电电压或电流，相位差越大，电压或电流的幅度也越大，射频放大模块的输出信号相位落后时给出负电压或电流，相位差越大，电压或电流的幅度也越大；或反之。
2.根据权利要求1所述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，其特征在于，所述频率可控的频率合成器模块为频率可控振荡器、频率可控的信号发生器或通过信号进行控制的信号源。
3.根据权利要求1所述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，其特征在于，所述频带限制模块，为一带宽高于所述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的环路带宽的低通滤波器。
4.根据权利要求1所述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，其特征在于，所述可控增益放大模块为调整输入信号与输出信号放大倍数的放大器，其中输出信号的幅度为输入信号的幅度的预设倍数。
5.根据权利要求1述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，其特征在于，所述射频放大模块是工作于射频频段的放大器，对信号做线性放大。
6.根据权利要求1述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，其特征在于，还包括：
采集模块，用于采集所述可控增益放大模块的输出端的信号，所述信号作为***解调的输出，所述信号为电压或电流。
7.根据权利要求1述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，其特征在于，所述鉴相/鉴频模块所产生的信号为电压或电流。
8.一种基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的基于锁相环直接解调频率调制信号的电路***，其中，所述方法包括以下步骤：
放大输入的射频信号；
获取本地振荡器和放大后的射频信号的频率差异与相位差异；
根据所述频率差异和所述相位差异限制带宽；
根据经过带宽限制的频率差异和相位差异信号进行可控、可调节增益的放大；以及
根据经过频带限制和可控可调节的增益放大后的频率差异和所述相位差异产生相应的频率变化，以进行频率调整与追踪。
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2018
- 2018-09-29 CN CN201811150180.6A patent/CN109004930B/zh active Active
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| CN109004930A (zh) | 2018-12-14 |
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