FI87026C

FI87026C - Pao en digital faslaosningskrets baserad frekvensdetektor

Info

Publication number: FI87026C
Application number: FI895767A
Authority: FI
Inventors: Esko Kaarlo Juhani Stroemmer; Raimo Kalervo Kivari; Juha Heikki Tenhunen
Original assignee: Nokia Mobile Phones Ltd
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1992-11-10
Also published as: CA2031145A1; ATE118663T1; ES2069708T3; FI895767A; FI87026B; EP0430605A2; EP0430605B1; US5173927A; EP0430605A3; FI895767A0; CA2031145C; JPH03268521A; DE69016949D1

Description

1 87026

Digitaaliseen vaihelukkoon perustuva taajuusilmaisin - Pit en digital fasläsningskrets baserad frekvensdetektor

Keksinnön kohteena on radiopuhelimessa käytettävä taajuusil-5 maisin, joka käsittää piirin tutkittavasta signaalista muodostetun sakara-aaltomuotoisen tulosignaalin synkronoimiseksi kellotaajuuteen, digitaalisen vaihelukon (DPLL), joka tuottaa tutkittavasta synkronoidusta tulosignaalista regeneroidun digitaalisen lähtösignaalin, jonka vaihe-ero 10 tulosignaaliin nähden riippuu lineaarisesti synkronoidun tulosignaalin taajuuden ja vaihelukon valittavissa olevan keskitaajuuden erotuksesta, digitaalisen ilmaisinosan, joka ilmaisee onko taajuusilmaisimelle tuleva tutkittava signaali määrätyn taajuusalueen sisällä. Keksintöä on sovellettu 15 TACS-ja AMPS-matkapuhelimien modeemipiirin SAT-ilmaisimessa.

AMPS- ja TACS-radiopuhelinjärjestelmässä lähettää tukiasema puhelun aikana analogista sinimuotoista ohjaussignaalia ns. SAT-signaalia (supervisory audio tone), jonka tarkoitus 20 on tarkkailla yhteyden laatua liikkuvan puhelimen ja tukiasemien välillä. Liikkuvan aseman täytyy kyetä vastaanottamaan SAT-signaali, tulkita se oikein tietyksi nimellistaa-juudeksi ja lähettämään uudelleen muodostettu SAT-signaali takaisin tukiasemalle. SAT-signaalin nimellistaajuudet ovat 25 5970, 6000 tai 6030 Hz. Puhelua muodostettaessa ja hand- off-tilanteessa liikkuva puhelin saa tiedon käytettävästä SAT-taajuudesta tukiaseman lähettämästä digitaalisesta ohjaussanomasta, jossa oletettu taajuus on kerrottu. Ellei liikkuva puhelin saa tiettynä aikana lainkaan SAT-signaalia 30 tai jos vastaanotettu taajuus poikkeaa ohjaussanomassa ilmaistusta, puhelu katkeaa.

SAT-signaalin ilmaisuun tilaajalaitteen modeemipiirissä on tunnettua käyttää analogiseen vaihelukkoon ja sen lähtösig-35 naalin pulssien laskentaan perustuvaa kytkentää. Siinä tuleva SAT-signaali viedään STlF-kaistanpäästösuodattimen kautta analogiselle komparaattorille, jossa signaalista muodostetaan sakara-aalto. Tämän jälkeen signaali viedään 2 87026 analogiseen vaihelukkoon ja SAT-taajuuden ilmaisimeen. Ilmaisin toimii siten, että se vertaa vastaanottamansa sakara-aallon taajuutta modeemipiirin kidetaajuuteen. Vertailu tapahtuu laskuriketjun avulla ja modeemipiiri ilmoit-5 taa tuloksen kerran 85 mssssa. Tällaisen ratkaisun huonona puolena on liian alhainen tulosignaalin kohinansieto ja lähtevän signaalin vaihekohina, mikä näkyy spektrin levenemisenä SAT-taajuuden molemmin puolin, tarvittava suurehko komponenttimäärä, piirilevyn pinta-alatarve ja viritystarve 10 tuotannossa.

On myös tunnettua käyttää SAT-signaalin ilmaisussa digitaaliseen vaihelukkoon perustuvia ratkaisuja, joissa analogisen vaihelukon aiheuttamista ongelmista on yritetty päästä 15 eroon. Käytössä on esim. modeemipiiri, joka koostuu kolmesta mikropiiristä, joista yksi sisältää SAT-osat. Tämän piirin koko on noin 3000 porttiekvivalenttia ja se on pakattu 80-nastaiseen koteloon. Siinä ilmaisinosa tutkii vain vaihe-lukon lukkiutumisen ja se on melko kookas. Eräässä toisessa 20 modeemipiirissä on kaksi mikropiiriä, jotka tarvitsevat toimiakseen peräti seitsemäntoista ulkoista komponenttia. Digitaalisesta vaihelukosta huolimatta sen ilmaisinosa perustuu vaihelukon lukkiutumisen ilmaisemiseen analogisen integroinnin avulla. Myös muissa tunnetuissa ratkaisuissa 25 tarvitaan ulkoisia komponentteja.

Keksinnön tavoitteena on saada aikaan digitaaliseen vaihe-lukkoon perustuva SAT-ilmaisin, jossa ei tarvita ulkoisia komponentteja, joka on helposti integroitavissa yhteen 30 mikropiiriin ja jota ei tarvitse virittää ja testata tuotannon yhteydessä ja jonka toimivuus kohinaisella tulosignaa-lilla on parempi.

Keksinnölle on tunnusomaista, että taajuusilmaisimen il-35 maisinosa käsittää ilmaisuajastimen, joka muodostaa halutun pituisen ilmaisujakson, jonka lopussa ilmaisinosan lähtösig-naali päivitetään, ensimmäisen vaiheilmaisimen, jolla on ilmaisuikkuna, jossa se laskee ikkunaan sattuvia synkronoi- 3 87026 dun tulosignaalin (SSAT) nousevia tai laskevia reunoja, toisen vaiheilmaisimen, jolla on samoin oma ilmaisuikku-na, jossa se laskee ikkunaan sattuvia synkronoidun tulosignaalin nousevia tai laskevia reunoja, jotka ilmaisuikkunat 5 on muodostettu digitaalisen vaihelukon muodostamasta SAT-signaalista (SOI) ja sen harmonisista (S02, S04, S08), jolloin, mikäli ilmaisujakson lopussa ensimmäisen vaiheilmaisimen laskuri ylittää ja toisen vaiheilmaisimen laskuri alittaa määrätyt kynnysarvonsa, tulkitsee ilmaisinosa vastaan-10 otetun signaalin oikeaksi.

Tukiasema lähettää puhelun alussa tai handoff-tilanteessa (siirto tukiasemalta toiselle) digitaalisen ohjaussanoman, johon sisältyy SCC-koodi (SAT-colour code), joka ilmaisee 15 puhelun aikana käytettävän SAT-taajuuden seuraavasti: SCC1 SCCO SAT-taajuus 0 0 5970 Hz 0 1 6000 Hz 20 1 0 6030 Hz 1 1 ei käytössä Nämä koodit SCC1 ja SCCO viedään digitaaliselle ensimmäisen kertaluvun vaihelukolle, jolloin sen keskitaajuudeksi tulee 25 näiden kombinaation osoittama taajuus edellisen taulukon mukaan. Puhelimen modeemipiirin ilmaisimelle tulee analoginen tulosignaali, joka voi jonkin em. taajuisen SAT-signaa-lin lisäksi sisältää puhetta tai dataa. Tulosignaali suodatetaan kaistanpäästösuodattimella, kynnystetään komparaatto-30 rilla ja synkronoidaan esim. kiikkupiireillä ilmaisimen kellosignaaliin ja viedään tämän jälkeen digitaaliseen vaihelukkoon. Itse vaihelukko voi olla jokin standardipiiri, eikä sen rakenne kuulu tähän keksintöön. Vaihelukko tuottaa digitaalimuodossa regeneroidun SAT-signaalin sekä sen 2., 35 4. ja 8. harmonisen, joista voidaan muodostaa tukiasemalle lähetettävä analoginen regeneroitu SAT-signaali. Vaihelukol-ta saatu SAT-signaali viedään keksinnön mukaiseen ilmaisin- 4 87026 osaan, joka ilmaisujaksonsa lopussa antaa lähtösignalissaan tiedon, onko vastaanotettu oikean taajuinen SAT-signaali.

Keksintöä selostetaan lähemmin viittaamalla oheisiin kuviin, 5 joissa kuva 1 esittää taajuusilmaisimen lohkokaaviota, kuva 2 esittää taajuusilmaisimen ilmaisinosan lohkokaaviota, kuva 3 esittää vaiheilmaisimien ilmaisuikkunoiden tyypil-10 liset paikat ja leveydet, ja kuva 4 esittää taajuusilmaisimen toimintaa kohinaisella tulosignaalilla.

Kuvan 1 mukaisessa taajuusilmaisimen lohkokaaviossa IN-15 signaali on modeemipiirille tuleva ilmaisimen analoginen tulosignaali, joka SAT-signaalin lisäksi voi sisältää puhetta ja dataa. Tulosignaali suodatetaan kaistanpäästösuodatti-mella 1, kynnystetään komparaattorilla 2 (muutetaan sakara-aalloksi) ja synkronoidaan piirissä 3, joka voi olla kiikku-20 piiri, vaihelukon 4 kellosignaaliin. Kaistanpäästösuodatti-men 1 lähdön DC-tason on oltava sama kuin komparaattorin 2 DC-taso, koska kynnystetyn signaalin on oltava symmetrinen. Kellosignaalin ja IN-signaalin lisäksi ilmaisimelle tulee modeemipiirin komentosanalta signaali STS, joka toimii il-25 maisimen herkkyyden valintana (signaalilla valitaan toinen kahdesta mahdollisesta kohinatasosta, jolla ilmaisin toimii), sekä signaalit SCC1 ja SCCO, jotka määräävät vaihelukon keskitaajuuden, kuten jo edellä on esitetty. Vaihelukko 4 on ensimmäisen kertaluvun digitaalinen vaihelukko, jonka 30 keskeinen ominaisuus ilmaisinosan kannalta on se, että tulevan ja lähtevän signaalin välinen vaihe-ero riippuu lineaarisesti tulosignaalin taajuuden ja vaihelukon keskitaajuuden erotuksesta.

35 Vaihelukolta 4 saadaan digitaalimuodossa regeneroitu SAT-signaali (SOI) sekä sen 2., 4. ja 8. harmoninen (S02, S04, S08), joista voidaan muodostaa tukiasemalle lähetettävä analoginen SAT-signaali. Tarvittaessa voidaan vaihelukolta 5 87026 saada myös muita harmonisia komponentteja edellisten lisäksi .

Toiminnan kannalta keskeinen on keksinnön mukainen ilmai-5 sinosa 5, jonka lohkokaavio on esitetty kuvassa 2. Ilmai-sinosan tulosignaaleina ovat digitaalisen vaihelukon läh-tösignaalit SOI, S02, S04, S08 ja vastaanotettu ja kello-signaaliin synkronoitu SAT-sigaali SSAT, herkkyyden valin-tasignaali STS sekä kellosignaali 4,8 MHz. Ilmaisinosaan 10 kuuluu ilmaisuajastin 6, joka muodostaa halutun mittaisen ilmaisujakson, jonka lopussa oikeantaajuisen SAT-signaa-lin vastaanoton ilmaiseva ilmaisinosan 5 lähtösignaali SATVAL päivitetään. Ilmaisinosa 5 sisältää kaksi laskurei-hin perustuvaa vaiheilmaisinta VII ja VI2, joihin on vii-15 tattu viitenumeroilla 7 ja 8. Molemmilla ilmaisimilla VII ja VI2 on oma vaihelukolta saatavasta signaalista SOI ja sen harmonisista muodostettu ilmaisuikkuna. Ilmaisimet VII ja VI2 laskevat tulosignaalin SSAT niitä joko nousevia tai laskevia reunoja, jotka sattuvat ilmaisimen ikkunaan. Tässä 20 esimerkissä ne laskevat laskevia reunoja. Ikkunat on sijoitettu siten, että vaihelukon 4 ollessa lukkiutunut tietylle taajuusalueelle, joka on vaihelukon lukkiutumiskaistan sisäpuolella, VII laskee jatkuvasti ja VI2 on laskematta.

25 Vaiheikkunoiden tyypillistä leveyttä ja paikkaa tulevaan ja lähtevään signaaliin verrattuna vaihelukon 4 ollessa lukkiutuneena on havainollistettu kuvassa 3. Nähdään, että vaiheilmaisimen VII ikkuna on tulosignaalin SSAT laskevan reunan kohdalla ja VI2sn ikkuna on nousevan reunan kohdalla. 30 Vain VII laskee, koska vain laskevat reunat lasketaan.

Lisäksi tässä esimerkissä VII laskee vain yhden laskevan reunan ikkunaa kohti, vaikka niitä sattuisi useampia esim. kohinan vaikutuksesta. Ilmaisuajastin 6 määrää ilmaisujakson pituuden ja laskurit nollataan aina ilmaisujakson alussa.

35 Tulevan signaalin SSAT oleminen halutulla taajuusalueella voidaan nyt päätellä laskurien loppuarvosta ilmaisujakson lopussa, koska VII:n pitäisi olla laskenut kaikki tulosignaalin laskevat reunat ja Vl2:n ei pitäisi olla laskenut 6 87026 yhtäkään tulosisignaalin reunaa. Koska tulosignaalin SSAT reunojen paikat eivät kohinan vuoksi ole yleensä tarkasti ennustettavissa, valitaan VII:n laskurille jonkin verran tätä pienempi kynnysarvo ja VI2:n laskurille jonkin verran 5 tätä suurempi kynnysarvo. Jos ilmaisujakson lopussa VII:n laskuri ylittää ja Vl2:n laskuri alittaa kynnysarvonsa, antaa ilmaisinosa positiivisen tuloksen (eli että vastaanotettu signaali on todella SAT-signaali). Molempien mainittujen ehtojen täytyy olla yhtäaikaa voimassa. Ehto tarkiste-10 taan JA-portilla 9.

Taajuusilmaisimen ominaisuuksiin kuten taajuusalueeseen ja kohinaherkkyyteen voidaan vaikuttaa valitsemalla tietyt parametrit sopiviksi. Tällaisia parametrejä ovat seuraavat 15 (suluissa oleva arvo koskee nimenomaan SAT-sovellusta): - ilmaisujakson pituus (80 ms) - vaihelukon keskitaajuus (riippuu SCC0- ja SCC1 -signaalien tilasta, kuten edellä on esitetty) - vaihelukon kaistanleveys (+/- 31 Hz) 20 - VII:n ilmaisuikkunan leveys (90°) ja sen keskipisteen paikka (90° lähtösignaalin laskevan reunan jälkeen) - Vl2:n ilmaisuikkunan leveys (360° eli laskuri laskee kaikki reunat) ja sen keskipisteen paikka - Vllsn laskurin kynnysarvo (192 tai 224 STS-signaalin 25 tilasta riippuen ja VI2:n laskurin kynnysarvo (640) - ilmaisimen peruskellotaajuus (4,8 MHz).

Ilmaisujakson pituus joudutaan valitsemaan kompromissina ilmaisimen nopeuden ja kohinaominaisuuksien välillä. Vaihe-30 lukon keskitaajuudeksi kannattaa valita ilmaistavan taajuuskaistan keskitaajuus. Tällöin VII:n ilmaisuikkunan keskipisteen paikaksi on valittava 90° lähtösignaalin SOI laskevasta reunasta ja Vl2:n ilmaisuikkunan keskipisteen paikaksi on valittava 270° lähtösignaalin laskevasta reunasta, 35 kuten kuvassa 3 on esitetty. Vaihelukon kaistanleveyden on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin ilmaisukaistan leveys. Vaihelukon kaistan leventäminen nopeuttaa sen askelvastetta mutta kasvattaa lähtösignaalin kohinaa. Toisaalta jos vaihe- 7 87026 lukon kaistanleveys on hyvin lähellä ilmaisukaistan leveyttä, ovat kohinaominaisuudet ilmaisukaistan reunoilla selvästi huonommat kuin ilmaisukaistan keskellä. SAT-sovelluksessa sopivaksi vaihelukon kaistanleveydeksi on todettu ilmaisu-5 kaistan leveys kerrottuna kahdella. Kun sopiva vaihelukon kaistanleveys on valittu, valitaan VII:n ilmaisuikkunan leveys seuraavasta kaavasta: ilmaisukaistan leveys 10 VII:n ilmaisuikkunan leveys = - x 180° vaihelukon kaistanleveys

Vl2:n ilmaisuikkunan leveydelle ei ole tämän jälkeen ehdo-15 tonta vaatimusta ja se voidaan asettaa esim. yhtä suureksi kuin VII:n ikkunan leveys. Kun muut parametrit on valittu, voidaan laskureiden kynnysarvot määrätä kokeellisesti sellaisiksi, että halutut kohinaominaisuudet saavutetaan. Mitä suurempi on VII:n laskurin kynnysarvo ja mitä pienempi on 20 VI2:n laskurin kynnysarvo, sitä vähemmän kohinaa ilmaisin sietää.

Edellä esitetyn parametriluettelon ja kaavan 1 mukaan ilmaisukaistan leveys SAT-sovelluksessa on +/- 15 Hz.

25

Keksinnön mukaisen ilmaisimen toimintaa on tutkittu eri radiosignaalien tasoilla ja eri SAT-taajuuksilla ja saatu koekytkennällä kuvassa 4 esitetty käyrästö. Vaihelukon keskitaajuudeksi on valittu 6000 Hz ja VIl:n kynnysarvo 30 oli 192. Katkoviiva kuvaa käyrää, jonka alapuolella vaihe- lukko oli lukkiutunut. Alemman yhtenäisen viivan alapuolella SATVAL-signaali oli ylhäällä ja ylemmän yhtenäisen viivan yläpuolella SATVAL-signaali oli alhaalla. Näiden viivojen välissä SATVAL-signaali vaihteli tilaansa. Tämän kuvan 35 mukaisesti ilmaisin toimi vielä rf-signaalin tason ollessa -123 dBm. Piille integroidussa toteutuksessa herkkyys oli -125 dBm.

β 87026

Keksinnön mukainen ilmaisin on täysin digitaalisesta toteutuksesta johtuen kokonaan helposti integroitavissa yhteen mikropiiriin eikä sitä tarvitse virittää ja testata tuotannon yhteydessä. Modeemipiirin ulkoisten komponenttien pois-5 tuminen alentaa kustannuksia ja säästää työtä tuotannossa. Ratkaisu vähentää jonkin verran tarvittavaa pii-pinta-alaa, koska vaihelukolta saatavat SAT-taajuuden harmoniset komponentit mahdollistavat lähtevän SAT-signaalin analogiaosien toteuttamisen yksinkertaisemmin. Ratkaisulla lähtevän sig-10 naalin kohina on pieni ja SAT-signaalin tunnistus on hyvä myös tukiaseman kuuluvuusalueen reunoilla.

Vaikka edellä on selostettu keksintöä nimenomaan radiopuhelimen modeemipiirissä tapahtuvaan SAT-signaalin ilmaisuun, 15 on itsestään selvää, että sitä voidaan myös käyttää muissa yhteyksissä, joissa tarvitaan taajuusilmaisua. Tällaisia mahdollisia käyttöjä ovat erilaiset mittaus- ja tietoliikennesovellukset, joissa tarvitaan tieto, onko tulosignaali halutulla taajuusalueella vai ei. Mikäli taajuudesta ei 20 saada tietoa tulosignaalin kontrollisanomasta, kuten SAT-sovelluksessa tapahtuu, voidaan taajuusilmaisin modifioida sellaiseksi, että se etsii tulosignaalin taajuuden kokeilemalla eri peruskellon taajuuksilla, vaihelukon keskitaajuuk-silla ja ilmaisimen herkkyyksillä (VII- ja VI2 -laskurien 25 kynnysarvot sekä ilmaisuikkunoiden leveys).

Claims

9 87026 1.Taajuusilmaisin, etenkin radiopuhelinjärjestelmän SAT-taajuuden ilmaisin, joka käsittää piirin (1) tutkittavasta signaalista (IN) muodostetun sakara-aaltomuotoisen tulosig-5 naalin (DSAT) synkronoimiseksi kellotaajuuteen, digitaalisen vaihelukon (4), joka tuottaa tutkittavasta synkronoidusta tulosignaalista (SSAT) regeneroidun digitaalisen lähtösig-naalin (SOI), jonka vaihe-ero tulosignaaliin nähden riippuu lineaarisesti synkronoidun tulosignaalin (SSAT) taajuuden 10 ja digitaalisen vaihelukon (4) valittavissa olevan keskitaa-juuden erotuksesta, digitaalisen ilmaisinosan (5), joka ilmaisee onko taajuusilmaisimelle tuleva tutkittava signaali (SSAT) määrätyn taajuusalueen sisällä, tunnettu siitä, että taajuusilmaisimen ilmaisinosa (5) käsittää ilmaisuajastimen 15 (6)/ joka muodostaa halutun pituisen ilmaisujakson, jonka lopussa ilmaisinosan (5) lähtösignaali (SATVAL) päivitetään, ensimmäisen vaiheilmaisimen VII (7), jolla on ilmaisuikku-na, jossa se laskee ikkunaan sattuvia synkronoidun tulosignaalin (SSAT) nousevia tai laskevia reunoja, toisen vai-20 heilmaisimen VI2 (8), jolla on samoin oma ilmaisuikkuna, jossa se laskee ikkunaan sattuvia synkronoidun tulosignaalin (SSAT) nousevia tai laskevia reunoja, jotka ilmaisu-ikkunat on muodostettu digitaalisen vaihelukon muodostamasta SAT-signaalista (SOI) ja sen harmonisista (S02,

25 S04, S08), jolloin, mikäli ilmaisujakson lopussa ensimmäisen vaiheilmaisimen VII (7) laskuri ylittää ja toisen vaiheil-maisimen VI2 (8) laskuri alittaa määrätyt kynnysarvonsa, tulkitsee ilmaisinosa (5) vastaanotetun signaalin oikeaksi.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen taajuusilmaisin, tunnettu siitä että ilmaisinosan (5) tulosignaaleina ovat taajuusilmaisimen kellotaajuuteen synkronoitu kynnystetty tulosignaa-li (SSAT), kellosignaali, ilmaisuherkkyyden valintasignaali (STS) ja digitaalisen vaihelukon lähtösignaalit (SOI, S02,

35 S04, S08) ja lähtösignaali (SATVAL) on JA-portin (9) anto ilmaisujakson lopussa, jonka portin tulosignaaleina ovat ensimmäisen VII (7) ja toisen VI2 (8) vaiheilmaisimen anto ilmaisujakson lopussa. 10 87026
3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen taajuusilmaisin, tunnettu siitä, että vaihelukon (4) keskitaajuus on sama kuin ilmaistavan signaalin (IN) taajuuskaistan keskitaajuus ja ensimmäisen vaiheilmaisimen VII (7) ilmaisuikkunan keskipis- 5 teen paikka on 90° lähtösignaalin laskevan reunan jälkeen ja toisen vaiheilmaisimen VI2 (8) ilmaisuikkunan keskipisteen paikka on 270° lähtösignaalin laskevan reunan jälkeen.
4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen taajuusilmaisin, tunnet-10 tu siitä, että ensimmäisen vaiheilmaisimen VII (7) ilmaisu- ikkunan leveys (L) saadaan kaavasta ilmaisukaistan leveys leveys (L) = - x 180° 15 vaihelukon kaistanleveys ja toisen vaiheilmaisimen VI2 (8) ilmaisuikkunan leveys voidaan valita vapaasti. 20
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen taajuusilmaisin, tunnettu siitä, että sen ilmaisun herkkyyttä ja kohinan sietoa voidaan säätää muuttamalla ensimmäisen vaiheilmaisimen VII (7) ja toisen vaiheilmaisimen VI2 (8) laskurien kynnysarvoja 25 ja ilmaisuikkunoiden leveyksiä.
6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen taajuusilmaisin, tunnettu siitä, että sillä voidaan ilmaista eri taajuisia signaaleja muuttamalla peruskellon taajuutta 30 tai vaihelukon (4) keskitaajuutta ilman, että samalla tarvitsee muuttaa ilmaisinosan (5) muita parametreja.