專利名稱：采用costas環部分改進發射頻率的穩定度的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及在半雙工發射方法的通信系統中采用costas環部分改進發射頻率的穩定度的裝置與方法，其中的一個接收終端上設置有一個A/D轉換器、一個D/A轉換器、一個開關電路及一個中央處理單元，從而在數據傳輸中通過costas環部分抽取一個基準頻率而無須安裝獨立的基準頻率抽取設施，借此改進發射頻率的穩定度。
通常在采用半雙工發射方法的衛星通信系統中，采用下述方法來確定數據傳輸中的發射頻率的穩定度。
首先，如果分析一下接收的信號，這些信號中包含稱作導頻的獨立信號。在衛星發送數據時，導頻是混在數據信號中發送的。在接收數據以后再次發送它們時，便將這一導頻用作基準頻率。
因此，當接收一組數據之后再發送它時，有兩種方法。其中之一為抽取導頻信號而采用所抽取的導頻信號作為基準信號來發送數據。另一種方法為從構成數據的時鐘中抽取基準信號。
此外，還有另一種方法。這便是，將攜帶數據的載波用作基準信號。在這一情況中，必須連續地跟蹤載波的頻率狀態，即載頻的偏移，而在數據傳輸期間反映它。
然而，在上述方法中，抽取導頻信號的方法必須設置有一個用于檢測導頻的附加電路，這一附加電路是具有完全獨立的構造的。
同時，在從形成數據的時鐘中抽取基準頻率的方法中，在數據傳輸期間，將所接收的時鐘用作振蕩器的基準頻率。因此，必須增加在傳輸中專用的一個振蕩器。為了使這一振蕩器與基準時鐘同步，需要許多部件。
同時，在利用載波的第三種方法中，有必須連續地跟蹤頻率偏移的麻煩。
同時，美國專利5,271,039中公開了關于基于半雙工發射方法的通信系統的接收終端的另一種技術。這一發明的裝置包括一個用于提供調相信號的裝置；一個用于提供抽樣頻率的本地振蕩器；通過利用本地振蕩器的抽樣時鐘將接收的調相信號轉換成數字信號的一個A/D轉換器；及一個解調與本地振蕩控制裝置，用于通過再生一個基準符號時鐘解調A/D轉換器的數字信號，及檢測該符號時鐘與本地振蕩器的抽樣時鐘之間的相位差來控制該本地振蕩器，使本地振蕩器生成一個預置的頻率。
在該先有技術中，利用該A/D轉換器及解調與本地振蕩控制裝置來控制接收端的一個本地振蕩器件。以這一方法，將抽樣時鐘與符號時鐘之間的相位差降低到零。從而通過建立一個精確的同步，便能精確地解調接收的數據。然而，在要再次發射數據時，則不能保證發射頻率的穩定度。
當然，如果采用抽取基準頻率(導頻信號)的一個獨立器件，則能將穩定度建立到一定程度，但如上所述會損害經濟性。
本發明旨在克服傳統技術的上述缺點。
因此，本發明的目的為提供改進發射頻率的穩定度的裝置與方法，其中在當前采用的接收終端的costas環中安裝了一個低成本設備，以便通過costas環而不用高成本的傳統基準頻率抽取設備便能從攜帶數據的載波中抽取發射基準頻率，借此改進發射頻率的穩定度。
為了達到上述的目的，按照本發明的采用costas來改進發射頻率的穩定度的裝置，在一個積分器與一個溫度補償電壓控制振蕩器之間包括一個開關，用于從一個積分器及一個D/A轉換器輸入的兩個信號中選擇一個信號；一個A/D轉換器，用于通過一個電壓調節器接收該開關的輸出模擬信號而將它們轉換成數字信號；一個電壓跟隨器，用于消除溫度補償電壓控制振蕩器與A/D轉換器之間的互相干擾，并用于將輸入各終端的電壓調節到同一電平上；一個中央處理單元，用于連續地存儲A/D轉換器的輸出及用于控制各轉換器25與30及開關；以及一個D/A轉換器，用于讀取中央處理單元的輸出值，在接收它們之后的數據轉發期間，將它們轉換成模擬值。
在描述本發明之前，首先描述用在本發明中的costas環。
圖1示出用于解調調制的信號的costas環的構成。
如圖1中所示，該costas環包括一個第一相位檢測器1，用于解調輸入信號；一個第二相位檢測器8；第一與第三低通濾波器2與9，用于通過第一與第二相位檢測器1與8的輸出端上低于截止頻率的頻率；一個乘法器3，用于輸出一個與第一與第三低通濾波器2與9的輸出信號的乘積成比例的輸出；一個第二低通濾波器4，用于濾波乘法器3的輸出；一個積分器5，用于輸出一個與第二低通濾波器2的濾過信號成比例的積分值；一個溫度補償電壓控制振蕩器(VCTCXO)6，用于利用控制電壓生成一個振蕩頻率并將其提供給各相位檢測器1與8；以及一個90度移相器7，用于移相溫度補償電壓控制振蕩器6的輸出并將輸出提供給第二相位檢測器8。
上述構造的costas環以下述方式操作。
首先將通過一個中間頻率裝置中形成的中間頻率fIF分別輸入到costas環的第一與第二相位檢測器1與8中。然后由各相位檢測器1與8對中間頻率進行相位比較。然后對應的相位檢測器1與8的輸出分別通過低通濾波器2與9，然后輸入到乘法器3在那里相乘。
第二低通濾波器4濾波經乘法器3相乘的信號，然后輸入到積分器5在那里積分。
然后將這些信號作為控制電壓Vt輸入溫度補償電壓控制振蕩器6，然后溫度補償電壓控制振蕩器6按照控制電壓Vt輸出一個振蕩頻率到相位檢測器1與8及一個頻率合成器。在這一條件下，將溫度補償電壓控制振蕩器6輸出的振蕩頻率不加修正地輸入到第一相位檢測器1，同時通過90度移相器7將該頻率提供給第二相位檢測器8。
從而最終從第一低通濾波器2輸出的信號被輸入到抽樣部分及一個時鐘發生器(未示出)中，供解調成完美的數字信號。
通常，在半雙工發射方法中，不能同時進行傳輸與接收，而是在時間上互相分開的。反之，在全雙工發射法中，傳輸與接收能同時進行，而全雙工發射法的構造與半雙工發射法相比顯得復雜。在全雙工發射法中，例如需要兩個頻率合成器來構成一個在傳輸與接收期間所需要的本地振蕩頻率。再者，在射頻設備與數據處理中，需要復雜的硬件與軟件。
因此，在沒有伴隨的音頻信息的簡單的數據傳輸與接收的情況中，半雙工發射法足以滿足所要求的功能。因此，為了傳輸與接收裝置的簡單化與緊湊性，最好用半雙工發射法而不是全雙工發射法。
采用半雙工發射法的數據傳輸期間，發射頻率的穩定度應符合給定的特征。
為了解決這一問題，首先考察發射頻率的特征。發射頻率相對于作為參照值的接收頻率具有一定的容差范圍。發射頻率的這一容差范圍通常遠小于接收頻率的偏移，這一點示出在圖2A與2B中。即，圖2A示出接收頻率的容差范圍。即圖2A示出基于接收信號的頻率fRX(②)的接收信號的頻率容差范圍ΔfRX。
圖2B示出發射信號的頻率容差范圍。即圖2B示出基于發射信號的頻率(①’)、(②’)與(③’)的頻率容差范圍±ΔfTX。
即，fRX＋f’＝fRX＋(fTX－fRX)，因此這對應于fTX(②′)，(fRX＋ΔfRX)＋f′＝(fRX＋ΔfRX)＋(fTX－fRX)，因此這對應于fTX＋ΔfRX(③′)，(fRX－ΔfRX)＋f′＝(fRX－ΔfRX)＋(fTX－fRX)，因此這對應于fTX－ΔfRX(①′)。
在上面的式子中，f′表示接收頻率與發射頻率之間的差，即fTX－fRX。
對應于接收頻率(①)、(②)與(③)的各發射頻率(①′)，(②′)與(③′)可分別具有容差范圍±ΔfTX。
通過參照附圖對本發明的較佳實施例的詳細描述，本發明的上述目的與其它優點將是顯而易見的，附圖中圖1為展示一個普通接收終端的costas環的構造的方框圖；圖2A與2B展示發射與接收頻率的容差范圍；圖3為展示按照本發明的裝置的構造的方框圖；圖4A與4B展示容易出現在A/D轉換器或D/A轉換器中的誤差。
下面參照附圖詳細描述在上述范圍內實行的本發明的一個較佳實施例。
這里，與傳統的部件具有相同的構造的部件將賦予相同的參照代碼。
圖3為展示本發明的構造的方框圖。
如該圖中所示，本發明的裝置包括一個第一相位檢測器1，用于解調輸入信號；一個第二相位檢測器8；第一與第三低通濾波器2與9，用于通過第一與第二相位檢測器1與8的輸出端上的低于截止頻率的頻率；一個乘法器3，用于輸出一個與第一與第三低通濾波器2與9的輸出信號的乘積成正比的輸出；一個第二低通濾波器4，用于濾波乘法器3的輸出；一個積分器5，用于輸出一個與第二低通濾波器2的濾波信號成比例的積分值；一個開關10，用于從一個積分器與一個D/A轉換器輸入的兩個信號中選擇一個信號；一個A/D轉換器30，用于通過一個電壓調節器接收該開關的輸出模擬信號并將它們轉換成數字信號；一個電壓跟隨器15，用于消除一個溫度補償電壓控制振蕩器(VCTCXO)6與A/D轉換器30之間的互相干擾，及用于將輸入到各終端中的電壓調節到同一電平上；一個中央處理單元20，用于連續地存儲A/D轉換器30的輸出，及用于控制各轉換器25與30及開關；一個D/A轉換器25，用于在數據傳輸期間接收到數據之后，讀出中央處理單元20的輸出值并將它們轉換成模擬值；溫度補償電壓控制振蕩器(VCTCXO)6生成一個用于控制電壓跟隨器15的控制電壓Vc′的振蕩頻率，并將其提供給各相位檢測器1與8；以及一個90度移相器7，用于移相溫度補償電壓控制振蕩器6的輸出，并將輸出提供給第二相位檢測器8。
下面對如上構成的本發明的裝置的操作加以描述。
將在通過接收端的中間頻率終端期間形成的中間頻率輸入到第一與第二相位檢測器1與8。(實際上中間頻率具有±Cos WIFt的形式，但為了簡化說明而用fIF指示。)然后各相位檢測器1與8對中間頻率進行相位比較。然后從相位檢測器1與8輸出中間頻率，通過各自的低通濾波器2與9，輸入到乘法器3。
將經乘法器3相乘的信號提供給第二低通濾波器4在那里濾波，然后再提供給積分器5在那里積分。然后將信號作為控制電壓Vc輸入到開關10(這里所用的開關為三刀雙通道模擬多路轉換器/信號分離器HET4053)。然后適當地將信號切換到傳輸與接收狀態，并將其輸入到電壓跟隨器15。然后在中央處理單元20的控制信號的協助下，開關10切換一或兩組來自積分器5與D/A轉換器25的信號。在這一條件下，在接收模式中輸入開關10的信號為從積分器5輸出的信號。而在進行傳輸時，輸入到開關10的信號則為D/A轉換器25輸出的信號。
下面首先說明進行接收的基本操作。將從積分器5輸出的信號Vc輸入到電壓跟隨器15。然后電壓跟隨器15將信號輸出到溫度補償電壓控制振蕩器6及A/D轉換器30。
在這一條件下，兩組輸出信號Vc′與Vc″具有相同的值。這是由于電壓跟隨器15(LM358)消除了溫度補償電壓控制振蕩器6與A/D轉換器30之間的互相干擾，并進行調節使輸出信號Vc′與Vc″必須具有相同的值的結果。換言之，在進行接收時，Vc＝Vc＝Vc″，而在進行傳輸時，Vc＝Vc′＝Vc″。
然后A/D轉換器30將信號轉換成數字數據，并將它們輸出到中央處理單元20。這一數據是在連續變化狀態中的，即它包含關于接收載波的頻率偏移的信息。
因此，在傳輸期間形成基準頻率時利用這一數據，即頻率合成器的基準頻率。
然后溫度補償電壓控制振蕩器6按照進入的控制電壓Vc′輸出一個振蕩頻率，并將輸出的振蕩頻率提供給各相位檢測器1與8以及頻率合成器。在這一條件下，不加修正地將振蕩頻率輸入到第一相位檢測器1，而在將它輸入到第二相位檢測器8時，其相位則由移相器7移相了90度。
通過上述操作，最終從第一低通濾波器2輸出的信號被輸入到抽部分與時鐘發生器中(圖中未示出)而被解調成數字信號。
同時，在基本接收操作之后而所接收的數據要再次發射時，以下述方式進行操作。
將對應于發射情況的切換控制信號從中央處理單元20輸入到開關10。與此同時，將已從A/D轉換器30輸入的信號提供給D/A轉換器25。
接收到這些信號的D/A轉換器25將信號轉換成模擬信號并將它們輸入到開關10。將這些信號從開關10輸出到溫度補償電壓控制振蕩器6，而頻率合成器最終用這一值來設定發射頻率。
從總體上看，上述操作可描述如下。即首先將在接收期間從積分器5接收的控制電壓Vc轉換成要存儲在中央處理單元20中的數字信號。這一值并不保持不變的水平，而是按照各種環境因素變化的。這些因素使得來自衛星的頻率可具有一個誤差范圍，或者接收裝置由于環境溫度的變化與多普勒效應而會生成誤差。
由于上述因素，控制電壓Vc的值可以改變，并且每次改變該值時，A/D轉換器30記住改變的值。因此，可以說在所有時間內，存儲的值跟蹤著該值的變化。
當以上述方式發射所接收的數據時，傳輸是通過反映發射頻率上的變化范圍而進行的，結果是不必增加獨立的設施便能改進發射頻率的穩定度。
然后如上所述，D/A轉換器25讀取中央處理單元20的值將其輸出到溫度補償電壓控制振蕩器6，使得頻率合成器能利用該值設定發射頻率。
然而，必須注意下述事實。即在理想情況中，在接收信號中檢測到的值Vc在傳輸期間保持在相同的值上。然而，可能由于A/D轉換器30與D/A轉換器25的特征而生成誤差。這些誤差是與發射頻率密切相關的，因此在選擇A/D與D/A轉換器30與25時必須十分小心。
下面參照圖4A與4B描述這一關系。
在A/D轉換期間，如果以十六進制碼表示8位二進制數據D0-D7，則可將模擬輸入VAIN分成0-255級。在這一條件下，能出現的最大誤差可用VLSB＝VREF/255表示。其中VREF為模擬輸入VAIN的最大值。
如果VAIN為VLSB的整數倍，則在A/D與D/A轉換中誤差為零。這時由上述誤差導致的頻率誤差可表示如下。
Δf＝[fO×(ΔfT/VRFF)]×VLSB在上式中，符號表示如下Δf頻率誤差，fO溫度補償電壓控制振蕩器在正常狀態中的輸出頻率，VREF最大Vc值，以及VLSB最大誤差電壓。
實際發射頻率由頻率合成器根據溫度補償電壓控制振蕩器6的輸出頻率構成極高的頻率。如果溫度補償電壓控制振蕩器的輸出頻率與實際發射頻率之間的關系如下所示，則(N×Δf)成為實際發射頻率。
fTX＝N×fO其中，fTX發射頻率，N整數，及fO溫度補償電壓控制振蕩器的輸出頻率。
值(N×Δf)必須滿足發射頻率的穩定性特征。然而，如果計入能夠影響發射頻率的其它因素，上述的值必須小于所述特征。三分之一特征值是令人滿意的。
按照上述本發明，在接收終端的costas環部分上安裝了A/D與D/A轉換器、一個開關電路及一個中央處理單元，因此不用增加獨立的設備便能滿足發射頻率的穩定度。
權利要求
1.一種裝置，用于通過在半雙工發射法的通信系統中采用一個costas環而改進發射頻率的穩定度，在一個積分器與一個溫度補償電壓控制振蕩器之間包括一個開關，用于從所述積分器與一個D/A轉換器輸入的兩個信號中選擇一個信號；一個A/D轉換器，用于通過一個電壓調節器接收所述開關的輸出模擬信號并將它們轉換成數字信號；一個電壓跟隨器，用于消除所述溫度補償電壓控制振蕩器與所述A/D轉換器之間的互相干擾，及用于將輸入到各終端的電壓調節到同一電平上；一個中央處理單元，用于連續地存儲所述A/D轉換器的輸出，及用于控制各轉換器與所述開關；以及所述D/A轉換器在接收數據之后的數據轉發中，讀取所述中央處理單元的輸出值，并將它們轉換成模擬值。
2.一種方法，用于通過在半雙工發射法的通信系統中采用一個costas環而改進發射頻率的穩定度，包括下述步驟數字化輸入到一個接收終端的一個costas環中的連續變化的接收數據，并存儲它們；以及在轉發所接收的數據時，利用所存儲的值作為一個基準頻率值來設定發射頻率，借此改進發射頻率的穩定度。
3.權利要求2中所提出的方法，還包括下述步驟在傳輸中讀取所存儲的接收數據載波值，將它們轉換成模擬信號，以便將它們輸入到一個溫度補償電壓控制過程；以及在頻率合成過程中設定一個發射頻率時，利用從溫度補償電壓控制過程輸出的值設定一個頻率。
全文摘要
本發明公開了在半雙工發射法的通信系統中采用costas環來改進發射頻率的穩定度的裝置及方法，其中接收終端上設置有一A/D轉換器、一D/A轉換器、一開關電路及一中央處理單元，從而在數據傳輸中，不用安裝獨立的高成本的基準頻率抽取設備而通過該安裝低成本設備的costas環部分從攜帶數據的載波中抽取基準頻率，借此改進發射頻率的穩定度。
文檔編號H03L7/08GK1154011SQ9512118
公開日1997年7月9日 申請日期1995年12月29日 優先權日1994年12月30日
發明者李鎮碩 申請人:現代電子產業株式會社