含集成高通濾波器的頻率倒置擾頻器的制作方法

專利名稱：含集成高通濾波器的頻率倒置擾頻器的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及無繩電話系統，特別涉及無繩電話中的頻率倒置擾頻器。
無繩電話由于具有用戶在通話期間能隨便離開母機(basewnit)一段距離的便利性而廣泛地應用于家用和商用環境中。用戶對子機的話筒說話，語音數據通過射頻(RF)鏈路發送到母機。母機經硬線(hard-wire)電話線路將語音數據傳送到另一端的用戶方。來自另一方的語音數據同樣由母機接收并通過RF鏈路發送到手機，從而實現雙向通話。
許多無繩電話的一個共同的問題是在通話中缺乏安全性和保密性。非用戶方可能接收到同一RF通信鏈路，例如通過附近的另一個無繩電話或其它RF接收器，并聽到私人的通話。在早先的技術中，頻率倒置擾頻器已用來對經RF鏈路發送的語音數據進行擾頻，以增加電話通話的保密性。簡而言之，頻率倒置擾頻器將發送的頻譜倒置，以使有標準無繩電話的非用戶方不能理解這個通話。子機的母機將頻譜再次倒置以將語音數據解擾回其原始狀態，再經電話線路傳輸出去。
頻率倒置擾頻器的一種現有技術的實現例含有一個接收音頻信號的低通濾波器和一個位于該低通濾波器和一個調制器之間的串聯電容。該串聯電容按適當調制的要求阻塞音頻信號中的任何直流(DC)偏移。該調制產生關于調制頻率的和差頻率。調制的音頻在傳輸到母機前再經低通濾波去除調制頻率及更高的頻率。剩余的頻譜相對于原始音頻信號進行倒置，因而不能為標準的無繩電話所理解。母機包括一個同樣的低通濾波器和接至調制器的串聯電容，以將頻譜去倒置到其原始狀態。另一個連接到調制器輸出端的低通濾波器去除調制頻率和更高的頻率，并提供在常規電話線路上傳輸和基帶語音數據。
頻率倒置擾頻器中的低通濾波器一般是高階的，比如說10到14階，以提供適當的頻率響應。為了隔離例置的頻譜，調制器后的低通濾波器應為高階，以抑制調制頻率和更高的頻率。遺憾的是，較高階的濾波器還往往使通過濾波器的群時延增大，這會降低語音質量。使調制頻率遠離基帶并使用一個較低階的低通濾波器是不實際的，因為低頻的語音數據會因受限的頻率工作帶寬而丟失。另外，串聯電容要足夠大這樣就要求外部的放置位置和相關的集成電路(IC)管腳。
因此，對含有較低階濾波器的頻率倒置擾頻器存在一種要求在保持對調制頻率和更高頻率的充分抑制的同時降低群時延。


圖1是說明頻率倒置擾頻器的框圖；且圖2-7是在解釋圖1時所要用到的波形曲線圖。
從圖1可見，一個用于無繩電話的頻率倒置擾頻器電路10被示出。頻率倒置擾頻器10包括接收無繩電話子機話筒(未示出)產生的作為音頻數據的模擬輸入信號TX IN的低通濾波器12。低通濾波器12和輸出端連接到高通濾波器14的輸入端。高通濾波器14的輸出端連接到調制器16的第一輸入端。調制器16的第二輸入端接收一個工作于3.96KHZ的頻率調制信號。調制器16的輸出端連接到低通濾波器18的輸入端。低通濾波器18的輸出端連接到調頻(FM)發送器20的輸入端，該調頻發送器通過傳輸媒介22，如波(airways)，將通常為46至49MHz的調制的RF信號發送至無繩電話母機的FM接收器24。FM接收器24的解調輸出端連接到低通濾波器30的輸入端。低通濾波器30的輸出端連接到高通濾波器32的輸入端。高通濾波器32的輸出端連接到調制器34的第一輸入端。調制器34的第二輸入端接收一個同樣工作于3.96KHZ的頻率調制信號。調制器34的輸出端連接到低通濾波器36的輸入端。低通濾波器36的輸出端為RX OUT提供輸出語音數據，輸出語音數據經常規的插塞(TIP)和振鈴電話線路(未示出)傳送出去。
頻率倒置擾頻器10的功能是對發送的音頻信號進行擾頻，使之不被操縱其它無繩電話、小型監聽器、RF掃描器或其它任何工作于與該無繩電話相同頻率范圍的FM接收器所理解。在多數應用中，無繩電話使用兩個頻率倒置擾頻器，一個在子機中，一個在母機中。低通濾波器12、高通濾波器14、調制器16、低通濾波器18和FM發送器20是無繩電話子機發送端的組成部分。FM接收器24、低通濾波器30、高通濾波器32、調制器34和低通濾波器36是無繩電話母機接收端的組成部分。可見，無繩電話母機的發送端和子機的接收端還再需要一個頻率倒置擾頻器，即從電話線通過母機到子機的聽筒。
頻率倒置擾頻器10的工作如下進行。假設子機的用戶在電話通話期間對著話筒說話。音頻帶寬內約0.3到3.3KHZ的語音信號聲耦接至話筒，由其輔助電路放大后作為TX IN施加于低通濾波器12的輸入端。TX IN信號經過低通濾波器12，在其中高于音頻帶寬的頻率被衰減。低通濾波器12是一個四階橢圓開關電容濾波器，轉角頻率(Corner frequency)為3.5KHZ。轉角頻率決定RXOUT的末級頻率響應的高頻轉角(corner)，并選擇為稍高于3.3KHZ，以避免因處理偏差而消除任何有用的頻譜。低通濾波器12的轉角頻率應從調制頻率中充分地去除，這樣無需使用大量可能增加群時延并降低語音質量的極點(Poles)就可使調制信號衰減。低通濾波器12在其通帶內的波動為0.4dB，阻帶的衰減為30dB。通過低通濾波器12的群時延是0.12ms。低通濾波器12可以差分或單端形式實現，低通濾波器12的電壓增益(Av)對差分形式為2，對單端形式為1。一個2作于165.16KHZ的時鐘信號控制開關電容(未示出)。構造一個四階低通橢圓開關電容濾波器的細節由上述說明來確定。
作為本發明的一部分，低通濾波器12輸出端的低通濾波后的信號施加于集成的高通濾波器14上。在本實施例中，高通濾波器14是一個轉局頻率為165HZ的集成二階契比舍夫開關電容濾波器。高通濾波器14的轉角頻率設置在最低的理想低頻響應以下，以降低音頻帶寬內的群時延。高通濾波器14在其通帶內的波動為0.4dB，群時延為0.03ms，對差分和單端應用均為Av＝1。一個工作于23.59KHZ的時鐘信號控制開關電容。高通濾波器14將低頻衰減到低于音頻范圍以下，并阻止音頻信號中的任何DC偏移。高通濾波器14包括一個自動回零(auto-zero)特性，以降低任何內部DC偏移。通過使用一個集成的高通濾波器，省去了現有技術中通常使用的兩個IC管腳和一個外部電容。構造一個集成二階高通契比舍夫開關電容濾波器的細節由上述說明來確定。
圖2介紹了高通濾波器14的輸出端的音頻信號頻譜。交于3.5KHZ和低于165HZ的頻率如上所述被衰減。負頻譜代表正頻率音頻信號的鏡像。
高通濾波器14輸出的濾波后的信號施加于雙平衡調制器16，在其中它與一個稍大于基帶頻譜高頻轉角的調制頻率混頻。在本例中，調制頻率是3.96KHZ。調制器18將濾波后的輸入信號的頻譜轉換成等于調制頻率與濾波后輸入到調制器的信號的頻率相加和減所得的頻率。調制器18通常具有2/π的電壓增益。圖3說明了由低通濾波器12和交通濾波器14所限定的頻譜中所有頻率混頻的響應。7.46KHZ的轉折點(break)來自3.96KHZ＋3.5KHZ，而460HZ的轉折點則由3.96KHZ－3.5KHZ而得。
調制器16的輸出施加于低通濾波器18。低通濾波器18的轉角頻率由末級響應RX OUT的理想的低頻轉角確定，其中低頻轉角為調制頻率和低通濾波器18的轉角頻率之差，如3.96KHZ－3.7KHZ。結果，低通濾波器18的轉角頻率可設置在比低通濾波器12更高的跟蹤頻率上，以優化低頻性能達到而對群時延又不產生不利影響。
在本實施例中，低通濾波器18是一個轉角頻率為3.7KHZ的六階橢圓開關電容濾波器。低通濾波器18在其通帶內的波動為0.6dB，阻帶內的衰減為50dB。通過低通濾波器18的群時延是0.175ms且Av＝π/2以抵消調制器16的2/π的電壓增益。一個工作于165.16KHZ的時鐘信號控制開關電容。構造一個六階低通橢圓開關電容濾波器的細節由上述說明來確定。
圖4示出了低通濾波器18的輸出端所得到的頻譜。注意該頻譜是音頻輸入信號TX IN處頻譜的反像。頻率倒置擾頻信號是利用常規技術調頻至RF的，且由子機中的FM發送器20經由傳輸媒介22發送出去，并被母機中的FM接收器24所接收。任何操縱附近的標準無繩電話或其它RF接收器的非用戶方，將不能理解頻率倒置后的音頻信號。通話因此得以維持保密。
母機所接收到的頻率倒置擾頻信號首先由FM接收器24解調回基帶。母機中低通濾波器30、高通濾波器32、調制器34和低通濾波器36的功能是通過實施另一次頻率倒置將音頻信號去倒置，還原為其原始狀態，以通過電話線路傳輸出去。
低通濾波器30是一個轉角頻率等于3.7KHZ的二階橢圓開關電容濾波器。低通濾波器30衰減3.7KHZ以上的頻率，以消除任何在傳輸期間引入的高頻，同時使附加的群時延減至最小。低通濾波器30在其通帶內的波動為0.6dB，阻帶內的衰減為22dB。通過低通濾波器30的群時延是0.04ms，且對于差分應用Av＝2，對于單端應用Av＝1。一個工作于165.16KHZ的時鐘信號控制開關電容。構造一個二階低通橢圓開關電容濾波器的細節由上述說明來確定。
作為本發明的另一部分，低通濾波器30輸出端的低通濾波后的信號施加于集成高通濾波器32。在本實施例中，高通濾波器32是一個轉角頻率為165HZ的集成二階契比舍夫開關電容濾波器。高通濾波器32的轉角頻率設置在低于最低理想低頻響應(260HZ)的轉角頻率上，以降低音頻帶寬內的群時延。高通濾波器32在其通帶內的波動為0.4dB，群時延為0.03ns，且Av＝1。一個工作于23.59KHZ的時鐘信號控制開關電容。高通濾波器32衰減低于音頻范圍的低頻并阻止音頻信號中的任何DC偏移。高通濾波器32包括一個自動回零特性以降低任何內部DC偏移，這是眾所周知的。通過使用一個集成高通濾波器，省去了現有技術中通常使用的兩個IC管腳以及一個外部耦合電容。構造一個集成二階高通契比舍夫開關電容濾波器的細節由上述說明來確定。
圖5說明了低通濾波器30的輸出端的頻譜，它與低通濾波器18的輸出端的頻譜相似。3.7KHZ以上和460HZ以下的頻率如上所述被衰減。
高通濾波器32輸出的濾波后的信號施加于雙平衡調制器34，在其中它與一個稍大于基帶頻譜的高頻轉角的調制頻率混頻。在本例中，調制頻率是3.96KHZ。調制器34將濾波后的輸入信號的頻譜轉換為等于調制頻率與濾波后輸入調制器的信號頻率相加和相減所得的頻率。調制器34的電壓增益一般為2/π。圖6說明了由低通濾波器30和高通濾波器32所限定的頻譜中所有頻率混頻的響應。注意頻譜的較低的轉角已由調制頻率和低通濾波器18和30的轉角頻率之差來確定。7.66KHZ的轉折點來自3.96KHZ＋3.7KHZ，而260HZ的轉折點則由3.96KHZ－3.7KHZ而得。
調制器34的輸出施加于低通濾波器36。低通濾波器36的轉角頻率決定末級頻率響應的高頻轉角，并選擇為稍高于3.3KHZ，以避免由于處理的偏差而消除任何有用的頻譜。低通濾波器36的轉角頻率應從調制頻率中充分地消除，以充分抑制調制頻率，同時通過避免不必要的長的群延時來保持語音質量。
在本實施例中，低通濾波器36是一個轉角頻率為3.5KHZ的八階橢圓開關電容濾波器，它用來規定末極頻率響應RX OUT的上轉角。低通濾波器36去除任何調制頻率、基帶頻率或交調產物損壞(breakthrough)并因此提高語音質量。低通濾波器36在其通帶內的波動為0.6dB，阻帶內的衰減為50dB。通過低通濾波器18的群時延是0.25ms且Av＝π/2以抵消調制器34的電壓增益。在調制頻率3.96KHZ的頻率響應中設置一個零點(Zero)以進一步衰減調制頻率。一個工作于165.16KHZ的時鐘信號控制開關電容。構造一個八階低通橢圓開關電容濾波器的細節由上述說明來確定。
圖7示出了低通濾波器36的輸出端所得到的頻譜。注意頻譜已被重新轉換回其原始形式。音頻信號RX OUT經由普通電話線路傳輸出去。母機的發送端和子機的接收端還再需要一個頻率倒置擾頻器來完成雙向保密的通信。
至此可見，已提供了一種具有第一級低通濾波器和調制器之間的集成高通濾波器的頻率倒置擾頻器。具有高通濾波器的頻率倒置擾頻器在使用較低階的低通濾波器的同時，通過降低群時延來提高語音質量。此外，高通濾波器的集成化特性減小了模片的尺寸并省去了在現有技術中常用的外部電容和相關的IC管腳。
盡管已示出和描述了本發明的特定實施例，但本領域的技術人員也可進行更多的修改和改進。應當理解，本發明并不局限于所示的具體形式，所附的權利要求意在覆蓋所有不偏離本發明的精神和范圍的修改。
權利要求
1.一個集成頻率倒置擾頻器電路，其特征在于第一低通濾波器(12)，它具有一個用來接收音頻輸入信號的輸入端；第一高通濾波器(14)，它具有一個連接到所述第一低通濾波器輸出端的輸入端；第一調制器(16)，它具有第一及第二輸入端和一個輸出端，所述第一輸入端連接到所述第一高通濾波器的輸出端，所述第二輸入端用來接收第一調制信號；和第二低通濾波器(18)，它具有一個連接到所述第一調制器的所述輸出端的輸入端，并具有一個提供頻率倒置的音頻信號的輸出端。
2.根據權利要求1所述的集成頻率倒置擾頻器電路，還包括一個FM發送器(20)，該FM發送器具有一個連接到的所述第二低通濾波器的所述輸出端的輸入端，并具有一個用來發送RF頻率倒置的音頻信號的輸出端。
3.一種在一個集成電路中進行頻率倒置擾頻的方法，其特征在于以下步驟將音頻輸入信號進行低通濾波，以提供第一濾波信號；將所述第一濾波信號進行高通濾波，以提供第二濾波信號；將所述第二濾波信號與第一調制信號混頻以提供第一混頻濾波信號；和將所述第一混頻濾波信號進行低通濾波以提供頻率倒置的音頻信號。
4.根據權利要求3所述的方法，還包括經一個RF鏈路將所述頻率倒置的音頻信號作為RF頻率倒置的音頻信號發送的步驟。
5.在一個無繩電話子機中，一個第一集成頻率倒置擾頻器電路，其特征在于一個第一低通濾波器(12)，它具有一個用來接收音頻輸入信號的輸入端；一個第一高通濾波器(14)，它具有一個連接到所述第一低通濾波器輸出端的輸入端；一個第一調制解調器(16)，它具有第一及第二輸入端和一個輸出端，所述第一輸入端連接到所述第一高通濾波器的輸出端，所述第二輸入端用來接收第一調制信號；一個第二低通濾波器(18)，它具有一個連接到所述第一調制器的所述輸出端的輸入端，并具有一個提供頻率倒置的音頻信號的輸出端；和一個FM發送器(20)，它具有一個連接到所述第二低通濾波器的所述輸出端的輸入端，并具有一個發送RF頻率倒置的音頻信號的輸出端。
6.根據權利要求5所述的無繩電話，還包括一個具有一個FM接收器(24)的母機，該FM接收器具有一個用來接收所述RF頻率倒置的音頻信號的輸入端。
7.根據權利要求6所述的無繩電話的母機，還包括一個第二集成頻率倒置擾頻電路(30-36)。
全文摘要
無繩電話中的頻率倒置擾頻器利用位于第一級低通濾波器和調制器之間的集成高通濾波器來降低濾波器的階數，同時保持音頻信號低的群時延。第一級低通濾波器和高通濾波器從濾波后的音頻信號中去除高頻分量及任何DC偏移。調制器將濾波后的信號頻譜轉換成和差頻率。第二級低通濾波器去除頻譜的高端，使所得的頻譜倒置，以防止的傳輸被竊聽。母機中的另一個倒置電路將頻譜重新倒置回原始狀態，由電話線路傳輸出去。
文檔編號H04M1/00GK1143287SQ9510517
公開日1997年2月19日 申請日期1995年4月28日 優先權日1994年5月3日
發明者理查德·E·赫斯特, 斯科特·K·巴德 申請人:摩托羅拉公司