专利名称：用于设计和使用工作在调制域的模拟电路的系统和方法
技术领域：
本发明涉及模拟计算电路，更具体地说，本发明涉及用于设计和使用工作在调制域中的模拟电路的电路和方法。
背景技术：
仪器系统有时候需要产生是两个其他信号的比值的时变信号。这或者可以用模拟除法器计算电路来完成，或者可以通过将所述的两个输入信号数字化并用数字计算来完成，通常称为数字信号处理(DSP)。由于施加在处理器上的计算负载很大，数字技术被限制在相对较低的频率。虽然模拟除法可能具有更大的带宽，但是难以用传统的技术实现。
图5示出了一种使用对数来执行除法的常用电路和方法。该电路是基于一个数学特性，即商的对数等于被除数的对数和除数的对数之间的差。
如图5所示，电路50的输入信号n(t)和d(t)中的每一个都需要分别通过对数函数模块501和502。输入信号的对数被模块503相减，并且结果被送到反对数(取幂)模块504。非线性电路50的精确度依赖于实现对数(501，502)函数和反对数(504)函数的精确度。如果所涉及的信号具有较大的动态范围，则计算模块中的晶体管必须在很大电流范围内工作。这增加了获得精确非线性函数的困难。而且，如果电流比较小，则带宽易受损失。这种类型电路的设计等式都高度依赖于温度，这使得漂移成为问题。很难用所述模拟电路获得低噪声基底(floor)。
另一种常用的电路和方法是如图6所示出的电路60，在一个伺服环路的反馈路径中使用一个乘法器，如乘法器602。该电路具有这样的效果，即当乘法器的输出被反馈到减法器601时，可用该乘法器实现除法。这样的电路是一个逆乘法器模拟除法器。乘法器602通常构造为Gilbert乘法器。关于这个电路有两个主要的实际困难。第一，除法器的精确度不可能比乘法器的精确度好。虽然Gilbert乘法器某种程度上比图5中的对数电路容易构造，但是它仍然有线性度、动态范围和噪声方面的问题。第二，该电路的精确度还受伺服环路中误差的影响。伺服放大器603的缺陷可能会导致环路跟踪误差，如图6中的ε所标注的。而且，环路增益根据被除的信号的特性而变化。这使得环路设计变得困难并且环路动态不可预测。
图7示出了一个Armstrong相位调制器70，其中正弦波载波发生器701经由放大器705(增益-1)驱动乘法器703，该乘法器703被用作双边带抑制载波(DSB-SC) (平衡)调制器。除了载波被抑制之外，DSB-SC信号和传统的调幅信号是一样的。调制输入端口710驱动乘法器703的另一个输入。乘法器703的输出是DSB-SC信号。该DSB-SC信号驱动加法器704的一个输入。该加法器的另一个输入是被移相器702移相90°的载波信号。加法器704的输出711是一个相位调制信号。调制指数跟所述的DSB-SC信号幅度与注入的载波幅度的比值成比例。调制指数定义为以弧度表示的峰值相位偏移。
为了合适的操作，最大调制指数必须在“小角度近似”形式内，其中相位调制可以看作是线性处理。这也被称为窄带相位调制(NBPM)。一般地说，相位调制(角度调制的一种)是非线性处理。依赖于能够接受的调制误差量，NBPM的调制指数的极限是大约0.5。例如，如果调制指数限制到0.45，则音频调制的谐波失真小于5％。
发明内容
本发明涉及一种用于在调制域中执行模拟除法的系统和方法。在本发明的一个实施例中，正弦波载波被输入信号中的一个所调制，而余弦波载波被输入信号中的另一个所调制。这些经过调制的信号相加到一起得到一个调制信号，该调制信号具有跟第一输入信号和第二输入信号的幅度的比值成比例的相位调制指数。然后所述信号被相位解调。得到的基带信号跟所述第一信号与所述第二信号的比值成比例。
前面已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，目的是使后面本发明的细节描述可以被更好地理解。本发明的更多特征和优点将在下面描述，这些特征和优点构成本发明的各个权利要求的主题。本领域的技术人员应该认识到，本发明所公开的概念和具体的实施例可以作为修改或设计其他结构的基础，以实现与本发明相同的目的。本领域的技术人员还应该意识到，这样的等同构造并没有脱离如本发明的各权利要求所描述的本发明的范围和精神。参考附图和下面的描述，被认为是本发明特点的新颖特征(与它的组织和操作方法都有关)，连同其它目标和优点都将被更好的理解。然而应该清楚地理解到，每幅图仅仅用于说明和描述本发明的目的，并不是有意作为对本发明的限制。
为了更完整地理解本发明，结合附图参考下面的描述，在附图中图1示出了调制域模拟除法器的一个实施例；图2示出了使用I/Q调制的一个可选实施例；图3示出了使用具有笛卡尔格式输入的通用向量调制器的一个可选实施例；图4A、图4B和图4C示出了可选的电路构造，其中输出或者输入在调制域中操作；图5示出了一个现有技术的对数模拟除法器；图6示出了一个现有技术的逆乘法器模拟除法器；和图7示出了一个现有技术的Armstrong相位调制器。
具体实施例方式
如图1中所示的电路10示出一个实施例，在该实施例中Armstrong相位调制器例如Armstrong相位调制器70(如图7中所示和上面所讨论的)被修改了，以断开90°移相器702和加法器704之间的载波注入路径。在所述的路径中插入一个幅度调制器，例如乘法器101。除数信号d(t)驱动幅度调制器101的调制端口。幅度调制器101控制注入加法器704的载波信号量。同时，被除数输入信号n(t)驱动DSB-SC调制器的调制端口710。从DSB-SC调制器(如上面所讨论的)输出的DSB-SC载波信号和来自电路101的注入的幅度调制载波信号在加法器704中合并，在修改了的Armstrong相位调制器的输出110处产生一个相位调制信号。此信号的相位调制指数跟被除数信号与除数信号的比值成比例。因而，在调制域完成了被除数信号和除数信号的除法。
在修改了的Armstrong相位调制器的输出端的信号也被除数信号所幅度调制。这与正常操作的没有输出幅度调制的传统的Armstrong相位调制器不同。限幅器102在不影响相位调制的情况下去除伴随的幅度调制。限幅器102的输出驱动一个相位解调器，该相位解调器由其后跟随低通滤波器105的乘法器104组成。乘法器104的另一个端口从载波源701(通过增益为2的放大器103)被驱动。低通滤波器105去除在载波的第二谐波附近的假信号。低通滤波器105的输出111由还原的调制组成；换而言之，也就是作为基带信号的所需的商。
和传统Armstrong调制器中调制指数小于1/2的限制相类似，这种情况下的限制是商要小于1/2。应该理解到，在由一组给定的输入信号可能产生大于1/2的商的情况下，被除数信号可以在处理之前以适当的因子而被衰减(或者除数信号被增大)，并且在处理之后以相同的因子被放大(衰减)。这些调整可以在电路703(和/或电路101)中进行，或者可以在其外部进行。
应该理解到，示出乘法器703、101和104仅仅是为了说明目的，并且DSB-SC调制器、幅度调制器和相位解调器中的每一个除了如乘法器之外可以用多种方法来实现。在优选实施例中，这种功能将由使用开关和无源元件的频率合成器来实现。而且，应该理解到，有多种本领域技术人员所知的Armstrong调制器的实现，假如这些方式符合上面讨论的概念，则其中的任何实现都可以使用。而且，如果需要，幅度调制器可以通过压控衰减或放大来实现。应该理解到，如果相位探测器对于幅度调制内在不敏感或者结合解调执行限制功能，则限幅器102可以是不必要的。例如，如果乘法器104实际上对幅度调制内在不敏感，则所述的电路不需要限幅器102。
在电路10中，两个乘法器(703，101)、加法器704和90°移相器702的组合构成了通常所指的“I/Q调制器”，该调制器是具有笛卡尔格式输入的向量调制器。轴标记为“I”和“Q”，意思是同相和正交。
图2示出了图1的一个替换的描述，示出了I/Q调制器20，其中被除数输入被送到Q输入21，除数输入被送到I输入22。载波源输入到达LO输入23。这个电路如关于图1讨论的那样运转。注意，尽管没有示出，移相信号仍然可以从外部施加。
图3示出了通用I/Q调制器30并且其中讨论的概念可以使用任何形式的笛卡尔向量调制的实现来实施，而无论它们的内部是如何构造的。被除数输入是Q输入并且到达端31，除数输入是I输入并且到达端32。载波源到达LO端33。此电路也如关于图1讨论的那样工作。而且，限幅器/相位解调器可以有不限于示出的乘法器构造的任何实现。例如，后跟一个积分器的鉴频器就可以。而且，向量调制器的I输入和Q输入可以互换，尽管这可能需要在到解调器的LO连接处插入一个90°移相。
虽然讨论集中于在调制域中处理中的基带输入和输出信号，但是应该理解到，也可以将任何或者所有端口转换为调制域端口，如图4A所示，其中通过将相位调制器如图2中的乘法器104旁路，而在相位调制域获得商输出。在图4B中，通过将幅度调制器如图2中的乘法器101旁路，并且将除数输入(在调制域中)输入到移相器如移相器702中，而从幅度调制域引入除数输入。在图4C中，通过旁路乘法器如图2中的乘法器703，并且使用由被除数信号相位调制的正弦波作为加法器如加法器704的载波输入，而从相位调制域引入被除数输入。
虽然已经详细地描述了本发明及其优点，但是应该理解到，仍然可以在不脱离本发明的各权利要求所定义的精神和范围内做出各种变化、替代和改动。而且，本申请的范围并不局限于本说明书所描述的特定的物质、装置、方法和步骤的处理、机械、制造、复合的实施例。如同本领域的技术人员能从本发明公开的内容中所理解到的那样，与这里描述的实施例具有相同功能或者获得相同效果的那些物质、装置、方法和步骤的处理、机械、制造、复合可以根据本发明而做出。因而，本发明的各权利要求有意包括那些物质、装置、方法和步骤的处理、机械、制造、复合。
本发明与下列当前已递交、都在处理中并共同转让的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR CORRECTING GAIN ERROR DUE TOTRANSITION DENSITY VARIATION IN CLOCK RECOVERYSYSTEMS”美国专利申请No.XX/XXX，XXX(律师案卷No.10020790-1)、题为“PHASE LOCKED LOOP DEMODULATOR ANDDEMODULATION METHOD USING FEED-FORWARD TRACKINGERROR COMPENSATION”的美国专利申请No.XX/XXX，XXX(律师案卷No.10021025-1)以及题为“SYSTEMS AND METHODS FORCORRECTING PHASE LOCKED LOOP TRACKING ERROR USING FEED-FORWARD PHASE MODULATION”的美国专利申请No.XX/XXX，XXX(律师案卷No.100021027-1)有关，上述申请所公开的内容在此都通过引用而被包含在本发明中。
权利要求
1.一种用于提供一个输出信号的电路，所述的输出信号是两个输入信号的比值，所述的电路包括用于提供具有跟一个输入信号和另一个输入信号的比值成比例的相位调制指数的第一信号的装置。
2.如权利要求1所述的电路，还包括用于相位解调所述的信号以提供一个输出信号作为基带信号的装置。
3.如权利要求2所述的电路，其中所述提供装置是一个被修改了以使其调制灵敏度可控的Armstrong相位调制器。
4.如权利要求2所述的电路，其中，所述第一信号可以包括幅度调制，并且其中所述电路还包括用于从所述第一信号中去除任何所述幅度调制的装置。
5.如权利要求4所述的电路，其中所述去除装置是一个插入到所述相位解调装置之前的限幅器。
6.如权利要求1所述的电路，其中所述提供装置包括一个具有笛卡尔输入的向量调制器。
7.如权利要求1所述的电路，其中，所述提供装置包括一个I/Q调制器，其中Q输入接收被除数输入信号，并且，其中I输入接收除数输入而LO输入接收载波源输入。
8.如权利要求1所述的电路，其中所述提供装置包括一个I/Q调制器，其中I输入接收被除数输入信号，Q输入接收除数输入，而LO输入接收载波源输入。
9.如权利要求1所述的电路，其中，所述相位解调装置接收所述第一信号作为一个输入，并接收一个未移相的放大的载波信号作为第二输入。
10.如权利要求9所述的电路，其中所述相位解调器装置是一个乘法器。
11.如权利要求10所述的电路，其中，所述乘法器被低通滤波。
12.一种用于将第一模拟信号除以第二模拟信号的电路，所述电路包括用于接受所述第一模拟信号和用于接受一个正弦波载波信号的双边带抑制载波调制器；用于接受所述第二模拟信号和用于接受一个移相的载波信号的幅度调制器；将所述双边带抑制载波调制器的输出和所述幅度调制器的输出相加的加法器；和用于接受所述载波信号和用于接受所述加法器的输出的相位解调器，所述相位解调器提供所述第一信号除以所述第二信号所得到的信号作为输出。
13.如权利要求12所述的电路，其中，所述双边带抑制载波调制器、所述幅度调制器和所述相位调制器中的至少一个是乘法器电路。
14.如权利要求12所述的电路，还包括用于在所述加法器的输出被提供给所述相位调制器之前接受该输出的限幅器。
15.一种处理一对输入信号的方法，所述的方法包括将由被正弦波载波调制的所述输入信号中的第一个信号组成的第一信号，和由被余弦波载波调制的所述输入信号中的所述第二个信号组成的第二信号相加；和相位解调所述相加在一起的信号的输出。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在所述相加步骤之后去除所述幅度调制。
17.一种处理一对输入信号的方法，所述的方法包括用所述输入信号的第一信号调制载波信号；用所述输入信号的第二信号调制被移相的载波信号；将所述第一调制信号和所述第二调制信号相加到一起；和相位解调所述相加步骤的输出。
18.如权利要求17所述的方法，还包括去除来自所述相加步骤的幅度调制。
19.一种用于处理输入信号的电路；所述电路包括第一乘法器，具有用于接受所述输入信号中的一个信号的一个输入和用于接受正弦波载波信号的第二输入；第二乘法器，具有用于接受所述输入信号的第二信号的一个输入和用于接受从所述的正弦波载波移相而得到的信号的第二输入；用于将所述乘法器的输出相加以提供相加输出信号的加法器；第三乘法器，具有用于接受所述相加输出信号的一个输入和用于接受所述正弦波载波信号的第二输入，以提供一个输出信号，所述输出信号是所述第一信号被所述第二信号除而得到的商。
20.如权利要求19所述的电路，还包括用于去除所述相加输出信号中的至少一部分幅度调制的限幅器。
21.一种处理一对输入信号的方法，所述方法包括用所述输入信号中的第一信号来调制载波信号；对调制域第二输入信号进行移相；和将所述第一输入调制信号和所述移相的第二输入信号相加在一起，以提供一个商输出信号作为调制输出信号。
22.如权利要求21所述的方法，还包括相位解调所述商输出信号。
23.如权利要求21所述的方法，还包括从所述商输出信号中去除任何幅度调制。
24.如权利要求21所述的方法，还包括从所述商输出信号中过滤掉特定的频率。
25.一种处理一对输入信号的方法，所述的方法包括向一个加法器提供一个调制域输入信号；用所述输入信号中的第二信号来调制被移相的载波信号，并且向所述加法器提供所述被调制的信号，以提供一个商输出信号作为调制信号。
26.如权利要求25所述的方法，还包括相位解调所述被调制的商输出信号。
27.如权利要求25所述的方法，还包括从所述商输出信号中去除任何幅度调制。
全文摘要
本发明公开了一种工作于调制域以产生具有相位调制的信号的计算电路，所述的相位调制跟被除数(分子)信号与除数(分母)信号的比值成比例。在一个实施例中，相位调制信号被相位解调器解调以产生基带商信号。除数信号通过改变载波注入电平来维持对调制器的调制增益的反比例控制，与传统的模拟计算技术相比能得到更高的带宽和精确度，以及更低的漂移和偏置。在一个实施例中，即使除法函数是非线性函数，所述的电路也包含所有的线性元件。所述的电路和方法工作于输入信号是模拟信号，或者输入信号的一个或两个是在调制域中的情况。
文档编号G06F7/52GK1510561SQ0315679
公开日2004年7月7日 申请日期2003年9月12日 优先权日2002年12月23日
发明者理查德·K·卡尔奎斯特, 理查德 K 卡尔奎斯特 申请人:安捷伦科技有限公司