无线电发射机中自动调制校准的方法和装置

本发明一般涉及无线电发射机，特别涉及调制校准。 人们用无线电发射机发射信息，典型的是用信息信号通过调制载 波信号来实现的。对于调幅信号，载波信号的幅度随着信息信号的幅 度而变化。对于调频信号，载波信号的频率随着信息信号的频率而变 化。在典型的调频方式中，使用具有固定参考频率信号(或许用晶振 提供)的锁相环路(PLL)来同步载波频率。PLL的压控振荡器 (VCO)直接被信息信号调制得到已调载波，然后，该已调载波通 过天线发射。

在需要直流响应的系统中，即当信息信号包含非常低的频率成分 时，参考频率信号也用外加信号调制然后送至PLL。这个外加信号 随着要发送的信息而变化，它被用来补偿PLL的非直流响应。换句 话说，使用外加信号防止PLL在信息信号处于低频时导出信息信 号。

通常会发生外加信号与信息信号失配，是由于使用外加信号以避 免PLL校正信息信号引起的。这种失配通常在信息信号的幅度变化 和信息信号与外加信号之间不同的时延变化时发生，它能在已调载波 上引起瞬时尖峰(overshoot)和负尖峰(undershoot)，当尖峰和负 尖峰很高时，用于接收发射的载波信号的无线电设备不能可靠地对信 号进行译码，导致信号被错误地接收或者完全收不到。所以，必须用 外部校准仪来周期性校准已调载波。然而，在高数据率系统中，只有 非常精确的，但也是非常昂贵的校准仪能够检测到由尖峰和负尖峰引 起的错误。这种花费反映在发射设备的成本和复杂性上，导致更高价 格的发射系统和系统设备。

这样，就需要一种方法和装置，用于在不使用昂贵的外部校准仪 时纠正发射设备中已调载波的错误。

本发明提供了一种方法，用于在发射机中自动校准已调载波信号 中的错误。该方法包括以下步骤：激活发生器来产生一个低频方波以 用作数据；从调制信号和数据产生已调载波信号；将已调载波信号下 变频到具有稳态中频信号电平的中频(IF)信号；将表示稳态中频信号 电平的值存储到存储器中；不激活发生器；从数据源接收数据；将瞬 时IF信号电平和存储在存储器中的值进行比较，用以确定瞬时IF信 号电平与稳态IF信号电平之间的差是否超过预定值；当确定瞬时IF 信号电平与稳态IF信号电平之间的差超过预定值时，就调整调制信 号。

本发明还提供了用于自动校准有错的已调载波信号的发射机，它 包括：存储变量的存储器；用于产生响应于接收数据和第一个变量的 发射数据的控制器；连接到控制器的混频器，用于将发射数据和第二 个变量相乘以产生调制信号；用于从发射数据产生纠正信号的信号发 生器；用于使用纠正信号和调制信号产生用于发射的已调载波信号的 第一个锁相环路(PLL)；用于将已调载波信号下变频到中频信号的第 二个PLL和混频器；用于将瞬时中频信号电平和表示稳态中频信号电 平的预先存储值进行比较，以确定瞬时中频信号电平与稳态中频信号 电平之间的差是否大于某个预定值的监视电路，当瞬时中频信号电平 与稳态中频信号电平之间的差超过某个预定值时，控制器要校准至少 一个变量用以补偿误差。

图1是根据本发明的包括内部校准电路的发射机的电气方框图。

图2是说明根据本发明的引入到图1的发射机的已调载波信号中 的幅度变化误差的信号图。

图3是说明根据本发明的引入到图1的发射机的已调载波信号中 的不同时延误差的信号图。

图4-7是描述根据本发明的图1的发射机的处理器中形成错误信 号的信号图。

图8是描述根据本发明的图1的处理器工作过程的信号流程图。

图1是用来发射信号以使接收设备，例如寻呼机(图中未画出) 接收的无线电发射机100的电气方框图。发射机100最好包括一个数 据源105，该数据源可以是从其它设备接收数据的一个端口，或者 是用户输入信息用的键盘。另外，当发射机100产生自己的数据时， 该数据源105就在发射机100的内部。数据源105连接到控制器110 用于接收数据。连接到控制器110的还有存储器115，用于存储下列 变量：不同时延变化量(DIFF-DEL)、发射偏移变化量(TX-DEV)、 以及信号幅度变化量(SA)。根据接收数据，控制器110确定输入位是 低还是高。如果数据位是低，控制器110输出-SA；如果是高，就输 出+SA。

发射机100还包括数字滤波器120、混频器125、形成在其上提供 调制信号的第一个信号通道的D/A变换器130。还有信号发生器135、 延迟均衡器140、以及形成在其上提供第二个信号FADD的第二个信 号通道的另一个D/A变换器145。在发射机100内还包括一个提供 固定参考频率信号的参考频率发生器150，例如晶体振荡器。连接到 参考频率发生器150和第二D/A变换器145的调制器155以常规的方 法用FADD调制参考频率信号以产生已调参考频率信号FMR。然 后，连接到调制器155和第一D/A变换器130的常规锁相环路(PLL) 对FMR和调制信号进行处理以产生已调载波信号FTX，它根据 FADD的频率和调制信号的幅度在中心频率FC左右偏移。连接到 PLL160的输出端的天线170发射已调载波信号，以便包括发射机100 的通信系统在内的接收设备接收。

控制器110、存储器115、滤波器120、信号发生器135以及延迟 均衡器140可以使用数字信号处理器180，例如由Motorola公司制造 的数字信号处理器DSP56002来实现。D/A变换器130和145可以用 Maxim制造的190型变换器来实现。参考频率发生器150可以用 Motorola公司生产的KXN-1096A型发生器来实现。

正如在上文发明背景中所提及的，当调制信号频率较高时，信号 FADD不总是需要的。但是，当调制信号频率较低时，如果没有 FADD,PLL160就试图纠正调制信号。处理PLL160的低频响应的 信号FADD的使用防止了PLL160以一种本领域的普通技术人员熟知 的方法跟踪调制信号。调制器155以及信号FADD的计算和产生在于 1995年7月25日出版的美国专利申请No.5,436,599的专利申请系列 号为08/051,401，题为“用脉冲相加实现数字调制的方法和装置”的 文章中作了非常详细的描述，该专利被委托给代理人，并在此引用作 为参考。

尽管使用调制信号和FADD防止了PLL160纠正调制信号，但是 两者之间的失配可能在已调载波信号FTX中引起令人不需要的扰 动。这两个信号间的失配由调制信号和FADD之间的幅度变化和不同 时延变化所引起。

当硬件变化引起FTX的瞬时误差时出现幅度变化。当长期稳态 已调载波信号将由FADD控制，即将被纠正时，瞬时已调载波信号将 包含误差，如图2所示。图2是描述一个在硬件中存在幅度变化时已 调载波信号的瞬时误差的实例的信号图。如图中所示，当载波是正偏 移时，已调载波信号包含一个尖峰205；当载波是负偏移时，已调载 波信号包含一个负尖峰210。

在FADD和-FADD之间转换的同一瞬间，当调制信号没有发生转 换时，就产生不同的时延误差，如图3中所示的例子。在图中，已调载 波FC+/-TX-DEV的尖峰和负尖峰由不同的延时误差Δe引起。

在常规发射机中，当信号以高波特率发射时，由不同的时延和幅 度变化引起的误差能导致发射信号不能被接收设备解码。因此，在常 规发射机中，已调载波信号的误差必须用常规的外部校准仪周期性地 进行校准，该校准仪通常是很昂贵的。

相反，在根据本发明的发射机100中，使用内部校准电路而不使 用外部校准仪来自动地补偿失配误差。返回到图1，发射机100还进 一步包括方波发生器320，它通过控制线在预定时刻被控制器110激 活。方波发生器320被激活时将以非常低的波特率，例如10bps(比 特/秒)产生0和1的交替方波。用方波发生器代替数据源105，其 目的是产生一个测试模式，以获得上述的信号FTX。可以认为，通常 不需要发射由测试模式获得的信号FTX，所以当方波发生器320被 激活时，信号FTX的发射最好停止。这可以例如在PLL160和天线 170之间用一个开关(图1中未画)方便地实现，这里，开关由控制器 110控制，以便只有所需的信号才被发射。

发射机100还包括PLL300、混频器305和滤波器310，用于将已调 载波信号FTX变换到中频(IF)信号上，该中频信号可以在譬如50KHz的 量级上。模/数(A/D)变换器315连接到滤波器310的输出端，用于将 中频信号变换到能被数字信号处理器180识别的数字采样信号。发射机100 还包括监视电路325，用于测量IF信号的瞬时尖峰和负尖峰值与IF信号 的长期稳态电平之间的电压差。监视电路325此后产生五个可能输出中的 一个，对控制器110表示应该对变化量SA或DIFF_DEL作调整。根据 本发明，“调整”信号只有当中频信号的误差大于预定值，例如15Hz时才 向控制器110提供。

图4-7所示的信号图是表示可能由监视电路325接收的错误中频信 号。例如图4是表示当尖峰和负尖峰大于15Hz时，中频信号将使监视电路 325产生第一个调整信号，表示SA应该增加了。响应图5所示的信号的 接收，当误差大于15Hz时，监视电路的输出表示SA应该减少。对于图6 和图7所示的信号图，当误差大于15Hz时，监视电路将分别输出表示 DIFF_DEL应该增加或减少的信号。当中频信号误差小于15Hz时，监视 电路325输出第五个信号，表示当前的SA和DIFF_DEL值是可以接受 的，无需进行调整。

监视电路325和方波发生器320也可包含在数字信号处理器180之 中。A/D变换器315可用Motorola公司制造的56ADC16变换器来实现。 PLL160和300、混频器305和滤波器310例如可以用Motorola公司制造 的MC145170芯片和TTD1732A型压控振荡器来实现。

控制器110最好在发射机100一加电就开始校准过程。但是，在本发 明的一个可替代的实施例中，发射机100可进一步包括时钟330和编程输 入335，时钟330用于产生能确定一天的瞬时时间的时间值，编程输入 335，如键盘，用于接收存储在存储器115中的时间变量TIME。当变量 TIME和一天的瞬时时间相等时，控制器110激活方波发生器320以便校 准FADD和调制信号之间的失配。在这一可替代的实施例中，操作者可对 发射机100编程以便必要时自校准。再者，根据引起失配误差的部件老化 或其它因素，校准时间可以被很方便且简单地重新编程。

另外，根据本发明的另一个可替代实施例，监视电路325的比较过程 可根据标准的系统数据连续地进行，从而消除了稳态中频信号电平确定后 要求专门校准过程的需求。在这种情况下，监视电路325存储发射机100 加电首次校准时测得的长期稳态中频信号电平值，此后当从数据源105获 得的标准系统数据调制到载波FTX时，监视电路325连续地测量相对于长 期稳态中频信号电平的存储值的瞬时尖峰或负尖峰中频信号电平。当观察 到瞬时中频信号电平与存储的稳态中频信号电平之间的差大于某个预定值 时，监视电路325就向控制器110发送调整信号，如上述参考图4-7的描 述。

可以认为，根据本发明的发射机100最好包括用于自动校准调制信号 和FADD之间失配的内部校准电路。这样，发射机100不需要使用外部校 准电路来周期性地校准失配，因此发射机100不需暂时停机而完成校准。 另外，发射机100的内部校准电路是用常规的且现成的(off-the-shelf)部 件实现的，因此，发射机100要比需用非常昂贵的外部校准设备校准的普 通发射机廉价。当考虑发射机100的校准是自动地在某个时间，如加电启 动时或在正常系统数据上连续地完成的，而不需人工干预时，发射机100 的成本还可进一步降低。

图8是表示数字信号处理器180加电后校准发射机100工作的流程 图。在第505步，加电后，控制器110(图1)分别向混频器125和延时 均衡器140提供变量TX_DEV和DIFF_DEL。然后在第510步，控 制器110激活方波发生器320来接收测试模式。接下来在第515步，控制 器110确定从方波发生器320得到的输入数据位是高还是低，如果数据位 是低，控制器110在第520步就从存储器115(图1)中取出变量SA，并将-SA 提供给滤波器120和信号发生器135。当数据位是高时，控制器110在第 525步就将+SA提供给滤波器120和信号发生器135。此后，在第530步， 信号发生器135根据SA的符号，产生两个可能的FADD信号中的一个。 FADD信号延时DIFF_DEL后被提供给D/A变换器140。同时在第535 步，将经过滤波的SA和变量TX_DEV进行混合产生调制信号，该调制 信号送至D/A变换器130。

模拟FADD和模拟调制信号通过调制器155和锁相环路PLL处理， 如上图1之描述，产生已调载波信号FTX,FTX也送到混频器305用于 下变频至中频信号。

在第540步，当监视电路325接收采样中频信号时，监视电路325在 第545步测量相对于稳态中频信号电平的瞬时尖峰或负尖峰中频信号电 平。在第550步，当瞬时中频信号电平的误差小于预定值，如15Hz时，不 需对存储的变量进行调整。另一方面，当中频信号误差大于15Hz时，监视 电路325在第555步输出四个误差信号中的一个，为控制器110指示哪一 个变量应该被调整，以及该变量应该被增加还是减小；然后控制器110在 第560步对SA或DIFF_DEL进行适当的调整，正如前面所述。此后，在 第565步，控制器110撤消方波发生器320的激活并从数据源105接收数 据。这个数据经正常处理并被优先发射。

当数据被连续地监视以便校准时，即校准不是仅在系统启动时，数字 信号处理器180的操作过程基本上和图8所描述的一致。然而，补充一点， 在检验IF信号时，监视电路325存储长期稳态中频信号电平，如图1所示。 一旦控制器110从数据源105接收数据，就开始校准，如图8中描述，监 视电路325连续测量由数据源105的数据产生的中频信号的瞬时尖峰和负 尖峰。该测量利用存储的长期稳态中频信号电平精确地完成。通过向控制 器110发射信号，监视电路325能方便地影响存储器115中变量的不断的 更新，从而使得接收设备总是可以在信号范围内检测到发射信号。

总之，上面描述的发射机方便地包括将已调载波信号下变频到中频信 号的电路，通过检测中频信号确定它是否存在由于FADD和调制信号之间 的失配而引起的误差。如果存在误差，用于产生FADD和调制信号的变量 将自动地得到调整以减少失配，同时补偿已调载波信号中的误差。因此， 可以避免因已调载波包含有大量的错误而使系统中的寻呼机不能解码发射 信号的情况。

尽管常规的发射机为减小失配也能进行校准，但它必须使用非常昂贵 的外部校准仪。按照惯例，其成本将转移给顾客，使得发射机、寻呼机、 寻呼设备的价格较高。再者，因用于常规发射机的校准仪一般体积较大， 不便于运输，所以常规发射机可能很少被校准，导致误差越积越大，使得 寻呼机“丢失”由常规发射机所发射的寻呼信号(pages)。

另一方面，根据本发明的发射机可以方便地编程，使得它能在预定的 时间里自动地校准FADD和调制信号之间的失配，而不需人工干预。因 此，失配可经常性地被校准，以致误差不可能大到使接收机难以解码发射 信号。

另外，根据本发明的发射机可以编程，使得它能连续地监视中频信号， 只要在标准系统数据中出现了不希望有的扰动，就在已调载波信号中对这 些扰动进行自动补偿。

现在，可以认为这里已经提供了一种不依靠昂贵的、体积笨重且精度 不高的外部校准仪来校准有错的已调载波信号的方法和装置。