CN1143432A - 消除本振器相位噪声的调制技术 - Google Patents

消除本振器相位噪声的调制技术 Download PDF

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Abstract

公开了一种数据传输系统，它包括一个数据信号源和相应于该数据信号的一个调制器，该调制器产生一个表示该数据信号的第一调制信号和表示同该数据信号相移180度的一个信号的第二调制信号，该第一和第二调制信号通过一传输信道来传送；一第一解调器(50，100)，对所传送的第一调制信号进行解调，一第二解调器(50，100)，对所传送的第二调制信号进行解调；一个相应于第一和第二解调器的减法器(60，70)，它产生一个表示该数据信号的信号。

Description

消除本振器相位噪声 的调制技术
本发明涉及一种使得本振器相位噪声消除的调制技术。
在任何数据传输系统中，都希望使最终的信号噪声比(SNR)达到最大。已经发现在传输载波数据的传输系统中限制了这个SNR值的主要噪声源是在发射器的调制器中和接收器的解调器中的本振器(LO)的相位不稳定性。通过减小相位不稳定性而改善最终的SNR的一项技术就是采用更精确控制的LO。这样的LO在其结构上采用更复杂的电路系统和更高品质的部件以便产生具有一个更加稳定的相位特性的信号。然而，这样的LO由于复杂的电路系统和高品质的元件而使得成本更昂贵。当然这就需要降低这种系统的成本，特别是对日用消费电子设备中的这种系统。于是，就需要一种调制技术能在LO相位不稳定的情况下改善最终SNR而不需要采用昂贵的高品质电路系统和元件。
根据本发明的原理，一种数据传输系统包括一个数据信号源和一个和该数据信号相对应的调制器，该调制器产生表示该数据信号的第一调制信号以及表示同该数据信号相移180度的一个信号的第二调制信号，该第一和第二调制信号经由一传输信道而被传送；一第一解调器，对传送的第一调制信号进行解调；一第二解调器，对传送的第二调制信号进行解调；一个相应于第一和第二解调器的减法器，其产生一个表示该数据信号的信号。
图1是根据本发明的一个发射器的方框图，
图2是在图1中所示的发射器产生的频谱图。
图3是根据本发明的一个接收器的方框图，该接收器可以和图1中的发射器连用。
图1是根据本发明的一个数据发射器的方框图。在图1中，一个数据信号X(t)源(未示出)同数据发射器的一个输入端5耦合。输入端5同一个方波压控振荡器(VCO)10的频率控制输入端相耦合。VCO10的一个输出端同一个混频器20的第一输入端耦合。混频器20的一个输出端同数据发射器的一个输出端15相耦合。输出端15同传输信道的近端(未示出)相耦合，该传输信道可以包括有无线电频率或光传输、或用于在输出端15向接收器(下面将详述)传送信号的任何其它方法的传输信道。一个传输载波的本振器(LO)30同混频器20的第二输入端相耦合。
图2是用于理解图1中所示发射器的工作的频率图。可以看到一个频率为fs的方波的双边频谱包括在频率±fs处的基频分量和在基频fs的奇数谐波处如±3fs、±5fs……等的其它分量，这些分量的幅值是递减的。另外，可以看到正向频谱和负向频谱的相应部分之间是180度相移的。在运行中，数据信号X(t)对VCO10所产生的方波信号进行频率调制。方波的每个分量都充当一个受数据信号X(t)调制的FM载波，且由其自身载上所有X(t)的信息。对FM调制来说，要选择最大的频率偏离以使各方波分量周围的边带是相对地窄而不会相互重迭。
包括所有上述边带分量的FM调制的方波信号于是就以熟知的方式通过混频器20和LO30向上变频到一个传输载波频率fa。如图2所示的该信号的频谱Y(f)是以频率fa 2为中心。在上边带中，第一能带4是以fa＋fs为中心，第二能带6是以fa＋3fs为中心。在下边带中，第一能带7是以fa－fs为中心，第二能带9是以fa－3fs为中心。还有其它能带，但没有示出。能带4和7，以及能带6和9之间分别相移180度。为此在能带4和6下以“+”作为标记，在能带7和9下以“－”作为标记。“+”和“－”仅仅是为了表示相应频带所代表的信号间的180度相位差而不表示任何绝对的数学关系。
由全部边带分量(图2的4-9)的FM调制方波信号在混频器20中作为一个单元来进行上变频。因此，由LO30所产生的载波信号中任何相位的不稳定性都会以非常相同的方式影响FM调制方波信号中的每个边带分量。LO30中任何相位不稳定所导致的噪声都可表现为组成FM调制方波信号的边带群的相位调制。每个边带分量都将以相同方式被进行相位调制，于是，相位调制在上下边带的所有能带(4-9)中都是同相的。这种LO30中的相位不稳定性产生调制信号中的噪声，从而降低SNR。
图3是相应于图1中所示的发射器的一个数据接收器的框图。在图3中，传输信道的远端(未示出)同数据接收器的一个输入端35耦合。输入端35同混频器20′的第一输入端耦合。中频(IF)LO30′同混频器20′的第二输入端耦合。混频器20′的一个输出端同带通滤波器(BPF)电路40的一个输入端耦合。BPF40的输出端分别同第一锁相环50的端入端和第二锁相环100的输入端相耦合，该第一和第二锁相环具有所熟知的结构且分别由相位检测器52、环路滤波器54和压控振荡器56，以及相位检测器102、环路滤波器104和压控振荡器106所构成。第一锁相环50的输出端同加法器60的反相输入端耦合，第二锁相环100的输出端同加法器60的非反相输入端耦合。加法器60的一个输出端同低通滤波器(LPF)80的输入端耦合。LPF80的一个输出端同数据接收器的输出端45相耦合。数据接收器的输出端45同传送数据信号(t)的应用电路(未示出)相耦合。
在运行操作中，输入端35接收所发射的调制信号(t)，并采用混频器20′和具有频率fa－fb的IF LO30′将其从传输载波频率fa周围向下变频到中频(IF)fb，这种向下变频信号的频谱同图2中所示的一样，只是中心频率2是fb而不是图2中所示的fa。于是相应于边带4的IF边带就以fb＋fs为中心，相应于边带7的IF边带就以fb－fs为中心，等等。
低通滤波器40具有一中心频率fb和合适的带宽以便仅仅使边带4和7通过。如上所述，每个这种边带本身就表示FM调制数据信号X(t)。PLL50的VCO 56具有中心频率fb＋fs，且PLL50对由上边带4所载的数据信号进行检测和解调。PLL100的VCO106具有中心频率fb－fs，且PLL100对由下边带7所载的数据信号进行检测和解调。加法器60作为一个减法器来工作。因为来自PLL50和PLL100的检测的数据信号是相移180度的(如上所述)，所以它们在加法器的输出端得到增强；并且因为由发射器LO30和接收器LO30′所产生的任何相位噪声在边带4和7中都是同相的(如上所述)，所以在加法器的输出端这个噪声分量被去掉了。LPF80就产生了去掉噪声的已接收的数据信号(t)。
上述的系统是作为一个去掉LO相位噪声的系统，然而，经过很小的改变该相同的系统便可以用来发射两个数据信号。在图1中，一个第二数据信号源Z(t)同数据发射器的第二输入端25相耦合。输入端25同LO30的频率控制输入端相耦合，正如图所示。该第二数据信号对LO信号进行FM调制。发射器的其它部分都按前面所述的方式来工作。第二FM调制数据信号所产生的频谱已表示在图2中。正如所看到的，每个边带(4-9)是一个包括了第二FM调制数据信号的分量3的复合信号。由这个分量所表示的数据信号在所有边带(4-9)中都是同相的。在图2所示的所有能带4-9中的第二FM调制数据信号的分量3下面，都以“+”符号为表示，正如上面所述的方式一样。
图3中的接收器以上面所述的方式来工作以便产生去掉了LO相位噪声的接收数据信号(t)，从该信号(t)中，第二数据信号也被去掉了。另外，PLL50和PLL100的输出端分别同加法器70的非反相输入端相耦合，正如图所示。因为来自PLL50和PLL100的第一数据信号彼此相移180度(如上所述)，因此它们在加法器70的输出端被去掉了。然而，由于来自PLL50和PLL100的第二数据信号以及任何LO相位噪声分量都是同相的，因而它们在加法器70的输出端得到加强。如图所示，低通滤波器(LPF)90同加法器70的输出端相耦合，且让接收的第二数据信号(t)和LO相位噪声分量通过。
在第二数据信号路径中没有去掉任何相位噪声。于是，对于需要更高的SNR的数据信号来说，就必须采用更高品质的LO。另外，第二数据信号路径只能用于具有较低最终SNR的信号。

Claims (14)

1、一种数据传输系统，它包括：
一个数据信号源(5，25)；
一个相应于所述数据信号的调制器(20)，它产生表示所述数据信号的第一调制信号以及表示与所述数据信号相移180度的一个信号的第二调制信号；
一个传输信道，它传送所述第一和第二调制信号；
一个第一解调器(50，100)，它同所述传输信道相耦合，并对所述传送的第一调制信号进行解调；
一个第二解调器(50，100)，它同所述传输信道相耦合，并对所述传送的第二调制信号进行解调；
一个减法器(60，70)，它与所述第一和第二解调器相耦合，并产生一个表示所述数据信号的信号。
2、如权利要求1所述的系统，其中：
所述调制器(20)产生作为FM调制的所述第一和第二调制信号；以及
每个所述第一和第二解调器(50，100)包括一个锁相环FM检测器；以及每个锁相环FM检测器包括：
一个相位检测器(52，102)，它具有相应于所传送的调制信号的第一输入端，和第二输入端；
一个环路滤波器(54，104)，它与所述相位检测器相耦合，并产生一个解调数据信号；以及
一个压控振荡器(56，106)，它具有一个同所述环路滤波器相耦合的频率控制输入端，和一个同所述相位检测器的所述第二输入端相耦合的输出端。
3、如权利要求2所述的系统，其中：
所述调制器(20)产生以第一频率为中心的所述第一FM调制信号和以第二频率为中心的所述第二FM调制信号；
所述第一解调器的所述压控振荡器(56，106)的中心频率是所述第一频率；以及
所述第二解调器的所述压控振荡器(56，106)的中心频率是所述第二频率。
4、如权利要求1所述的系统，它还包括一个低通滤波器(80，90)，它同所述减法器相耦合以使所述数据信号通过。
5、如权利要求1所述的系统，它还包括一个向下变频器(20′)和一个带通滤波器(40)，它们串连连接在所述传输信道以及所述第一和第二解调器之间，所述向下变频器(20′)将所述传送的第一和第二调制信号分别转换为第一和第二中频；所述带通滤波器(40)具有使所述转换的第一和第二调制信号通过的一个通带。
6、如权利要求1所述的系统，其中，所述调制器(20)包括具有一个同所述数据信号源耦合的频率控制输入端的一个压控方波振荡器(10)；所述调制器(20)还包括同所述方波振荡器耦合的一个向上变频器。
7、一种数据接收器，它包括：
一个第一调制信号和第二调制信号的信号源(35)，所述第一调制信号表示一数据信号，所述第二调制信号表示同所述数据信号相移180度的一个信号；
一个对所述第一调制信号进行解调的第一解调器(50，100)；
一个对所述第二调制信号进行解调的第二解调器(50，100)；
一个相应于所述第一和第二解调器的减法器(60，70)，它产生一个表示所述数据信号的信号。
8、如权利要求7所述的接收器，其中，所述信号源还包括：
一个相应于所述第一和第二调制频率的向下变频器(20′)，它将所述第一和第二调制信号分别转换为第一和第二中频；以及
一个同所述向下变频器耦合的带通滤波器(40)，它具有使所述转换的第一和第二调制信号通过的一个通带。
9、如权利要求8所述的接收器，其中：
所述信号源(35)产生作为FM调制的第一和第二调制信号；
每个所述第一和第二解调器(50，100)包括一个锁相环FM检测器，它包括：
一个相位检测器(52，102)，它具有同所述带通滤波器(40)相耦合的第一输入端，和第二输入端；
一个环路滤波器(54，104)，它同所述相位检测器(52，102)相耦合，并产生一个调制的数据信号；以及
一个压控振荡器(56，106)，它具有一个同所述环路滤波器耦合的频率控制输入端和一个同所述相位检测器的所述第二输入端耦合的输出端；
所述第一解调器的所述压控振荡器的中心频率是所述第一中频；以及
所述第二解调器的所述压控振荡器的中心频率是所述第二中频。
10、一种数据发射器，它产生表示一数据信号的第一调制信号和表示同所述数据信号相移180度的一个信号的第二调制信号，并且包括：
一个所述数据信号的信号源(5，25)；以及
一个压控方波振荡器(10)，它具有同所述数据信号源耦合的一个频率控制输入端。
11、如权利要求10所述的发射器，它还包括一个同所述方波振荡器(10)耦合的向上变频器(20)，该变频器包括：
一个发射器的本振器(30)；以及
一个混频器，它同所述方波振荡器(10)和所述本振器(30)相耦合，并产生所述第一和第二调制信号。
12、一种双数据信号传输系统，它包括：
一个第一数据信号的信号源(5，25)；
一个第二数据信号的信号源(5、25)；
一个相应于所述第一和第二数据信号的调制器(20)，它产生表示所述第一和第二数据信号的复合信号的第一调制信号，以及表示所述第二数据信号和同所述第一数据信号相移180度的一个信号的复合信号的第二调制信号；
一个传输信道，它传送所述第一和第二复合调制信号；
一个第一解调器(50，100)，它同所述传输信道相耦合，并对所传送的第一复合调制信号进行解调；
一个第二解调器(50，100)，它同所述传输信道相耦合，并对所传送的第二复合调制信号进行解调；
一个减法器(60、70)，它同所述第一和第二解调器相耦合，并产生一个表示所述第一数据信号的信号；以及
一个加法器(60，70)，它同所述第一和第二解调器相耦合，并产生一个表示所述第二数据信号的信号。
13、一种数据接收器，它包括：
一个第一调制信号和第二调制信号的信号源(5，25)，所述第一调制信号表示第一和第二数据信号的复合信号，所述第二调制信号表示所述第二数据信号和同所述第一数据信号相移180度的一个信号的复合信号；
一个第一解调器(50，100)，它对所述第一复合调制信号进行解调；
一个第二解调器(50，100)，它对所述第二复合调制信号进行解调；
一个减法器(60，70)，它同所述第一和第二解调器相耦合，并产生一个表示所述第一数据信号的信号；以及
一个加法器(60，70)，它同所述第一和第二解调器相耦合，并产生一个表示所述第二数据信号的信号。
14、如权利要求13所述的接收器，其中，所述信号源包括：
相应于所述第一和第二复合调制信号的一个向下变频器(20′)，它将所述第一和第二调制信号分别转换为第一和第二中频；
一个带通滤波器(40)，它同所述向下变频器相耦合，并具有使所转换的第一和第二复合调制信号通过的一个通带。
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