DE10045761A1 - Modulationsschaltung - Google Patents

Abstract

Modulationsschaltung (1) zur Erzeugung eines zugleich phasen- und amplitudenmodulierten HF-Signals, insbesondere eines QAM-HF-Signals, mit einer digitalen Phasenmodulatorstufe (7) und einer dieser nachgeschalteten Endstufe (15), die über einen ersten Eingang direkt oder über eine Leistungssteuerstufe (13) mit dem Ausgang der Phasenmodulatorstufe verbunden ist, wobei eine von der Phasenmodulatorstufe getrennte digitale Amplitudensignalerzeugerstufe (5, 13) ausgangsseitig mindestens mittelbar mit einem zweiten Eingang der Endstufe oder der Leistungssteuerstufe verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Modulationsschaltung zur Erzeu­ gung eines zugleich phasen- und amplitudenmodulierten HF-Sig­ nals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In modernen zellularen Mobilfunksystemen werden ausschließ­ lich digitale Modulationsverfahren eingesetzt. Diese zeichnen sich aus durch eine hohe Bandbreiteneffizienz, eine günstige Leistungsbilanz, hohe Störfestigkeit sowie vorteilhafte Implementierungseigenschaften, insbesondere unter den Ge­ sichtspunkten der fortschreitenden Miniaturisierung der Mo­ bilfunk-Endgeräte und des hohen Kostendrucks bei deren Reali­ sierung.

Wie auch bei analogen Modulationsverfahren, gibt es bei digi­ talen Modulationsverfahren zur Aufprägung eines - hier in di­ gitaler Form vorliegenden - Nachrichtensignals auf ein Trä­ gersignal die grundsätzlichen Möglichkeiten der Amplituden- oder Phasenmodulation, wobei die letztere als zwei relativ selbständige Ausprägungen die Frequenz- und Phasenumtastung begrifflich einschließt.

Insbesondere das Verfahren der Phasenumtastung oder PSK(Phase Shift Keying)-Modulation wird heute sowohl in digitalen Mo­ bilfunksystemen als auch in der Richt- und Satellitenfunk­ technik eingesetzt. Etabliert ist auch das Verfahren der Fre­ quenzumtastung oder FSK(Frequency Shift Keying)-Modulation, bei dem die Modulationsinformation in eine Frequenzänderung des Trägersignals eingeht. Wird hierbei im Interesse einer hohen Bandbreiteneffizienz ein schnell von einer Frequenz zu einer anderen umgesteuerter Oszillator eingesetzt, erhält man kontinuierliche Phasenänderungen beim Übergang von einem Sym­ bol zum anderen, weshalb dieses Verfahren als CPFSK(Continuous Phase Frequency Shift Keying)-Verfahren be­ zeichnet wird.

Vorteilhafte Modulationsschaltungen zur Realisierung digita­ ler Frequenz- bzw. Phasenmodulationsverfahren hat die Anmel­ derin in der DE-A-197 40 196 sowie der DE-A-197 52 438 be­ schrieben.

Im Kontext der Entwicklung eines Zukunfts-Standards für Mo­ bilfunksysteme mit wesentlich erhöhter Übertragungskapazität und Flexibilität gewinnt das Verfahren der Quadratur-Amplitu­ denmodulation (QAM) zunehmende Bedeutung. Speziell QAM-Ver­ fahren höherer Ordnung haben gegenüber PSK-Verfahren Vorteile bei der Störsicherheit und Zuverlässigkeit, stellen aller­ dings hohe Anforderungen an die Realisierung der Sendeendstu­ fen.

Als Modulatorschaltung für Quadratur-Modulationsverfahren (einschließlich des bereits in Mobilfunksystemen etablierten Verfahrens der QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)-Modula­ tion) werden üblicherweise sogenannte Qudraturmodulatoren eingesetzt, die die Erzeugung von frequenz- bzw. phasenmodu­ lierten Signalen mit hoher Frequenz- bzw Phasengenauigkeit erlauben. Diese Modulatoren haben jedoch einen aufwendigen Analogteil, erfordern den Einsatz eng tolerierter Bauelemente und eignen sich nur bedingt für eine (hoch) integrierte Aus­ führung.

Eine Vielzahl von bekannten Modulatorkonzepten sieht zur Erzeugung spektral reiner Signale die Ansteuerung eines span­ nungsgesteuerten Oszillators (VCO) über eine Phasenregel­ schleife (PLL = Phase Locked Loop) vor. Ein Ausgangssignal mit konstanter Amplitude wird in einer Endstufe, die in die­ sem Fall nichtlinear arbeiten kann und daher relativ einfach und mit ausreichendem Wirkungsgrad realisierbar ist, ver­ stärkt. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, bei einem modulierten Signal mit nicht-konstanter Amplitude dessen Einhüllende getrennt zu erfassen und einer Leistungssteuer­ schaltung getrennt zuzuführen. Ein ähnliches Konzept, das auch als "Hüllkurveneliminations- und Restaurationsverfahren" bekannt ist, wird zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Sende­ endstufe in der Satellitenfunktechnik verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere hinsichtlich des Aufwandes an diskreten Bauelementen und unter Kostengesichtspunkten verbesserte Modulationsschaltung der gattungsgemäßen Art anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Modulationsschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, einem Strom von Datenworten bzw. Symbolen zur Realisierung einer möglichst weitgehend digitalen Modulations-Verarbeitung ab initio separate Frequenz- bzw. Phasen- sowie Amplitudenmodu­ lations-Information zuzuordnen und diese Information in einer digitalen Phasenmodulatorstufe einerseits und einer digitalen Amplitudensignalerzeugerstufe andererseits im Eingangsbereich der Sendestufe separat zu verarbeiten. Der Großteil des tech­ nischen Aufwandes für die Modulation liegt hierbei in der Di­ gitalisierung und digitalen Verarbeitung, die jedoch bekannt­ lich mit höchster Präzision und in hochgradig integrierbaren Komponenten realisierbar ist. Hierdurch ergibt sich eine we­ sentliche Verringerung des Aufwandes an diskreten Bauelemen­ ten und insgesamt des Kostenaufwandes.

Die vorgeschlagene Modulationsschaltung ist als "Polarmodula­ tor" zu bezeichnen, da ihr auf der getrennten Verarbeitung von Phasen- und Amplitudeninformationen beruhender Betrieb vorteilhaft in einem Polarkoordinatensystem beschreibbar ist.

Der Amplitudensignalerzeugerstufe ist ausgangsseitig entweder unmittelbar der Eingang der Endstufe oder der Eingang einer Leistungssteuerstufe nachgeschaltet. In einer vorteilhaften Ausführung ist hier ein Digital-/Analog-Wandler zwischenge­ schaltet, der den digitalen Ausgang der Amplitudensignaler­ zeugerstufe mit einem Analogeingang der Endstufe bzw. Lei­ stungssteuerstufe verbindet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dieser Ana­ logeingang über eine Leistungsregelschleife zusätzlich mit dem Ausgang der Endstufe verbunden.

Die Umsetzung des Datenbitstromes in die Modulationsinforma­ tion erfolgt alternativ unter Einsatz von Zuordnungstabellen oder durch Echtzeitberechnung aufgrund eines vorbestimmten Algorithmus. Entsprechend weist in einer ersten Ausführung eine digitale Signalprozessorstufe einen Zuordnungsspeicher zur Speicherung einer tabellenartigen Zuordnungsvorschrift eines eingangsseitigen Datenbitstromes in die aus einer Folge von Phase-Amplitude-Wertepaaren bestehende Modulationsinfor­ mation auf. In einer anderen Ausführung weist die Signalpro­ zessorstufe eine Berechnungseinheit zur Echtzeitberechnung der erwähnten Phase-Amplitude-Wertepaare aus dem Datenbit­ strom aufgrund eines in einem zugeordneten Programmspeicher gespeicherten Berechnungsalgorithmus auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Phasenmo­ dulatorstufe einen spannungsgesteuerten Oszillator auf, der durch ein digitales Phasenmodulationssignal direkt oder indi­ rekt (speziell über einen D/A-Wandler) angesteuert wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführung umfaßt die Phasenmodu­ latorstufe eine Frequenzsyntheseschaltung, die insbesondere einen Steuereingang für ein kombiniertes Trägerfrequenz- und Phasenmodulationssignal hat.

Im Fall des Einsatzes der erwähnten Leistungsregelschleife kann diese in einer vorteilhaften Ausgestaltung zur logarith­ mischen Detektion und Verarbeitung der Endstufen-Ausgangslei­ stung ausgebildet sein. Die Amplitudensignalerzeugerstufe ist dann ebenfalls zu einer logarithmischen Verarbeitung eines Amplitudenmodulationssignals ausgebildet, oder ihr ist eine Umsetzerstufe zur Konvertierung einer linearen in eine loga­ rithmische Ausgangscharakteristik nachgeschaltet. Diese Umsetzerstufe kann insbesondere aus einem D/A-Wandler und einem diesen nachgeschalteten Verstärker mit logarithmischer Charakteristik gebildet sein.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Be­ schreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figu­ ren. Von diesen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Sendestufe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Sendestufe gemäß einer zwei­ ten Ausführungsform und

Fig. 3 ein Funktions-Blockschaltbild einer dritten, aus der zweiten abgeleiteten Ausführungsform (unter Einschluß des digitalen Verarbeitungsabschnittes).

In Fig. 1 ist in Form einer Prinzipskizze dargestellt, wie gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine digi­ tale Frequenz-/Phaseninformation und eine separate digitale Amplitudeninformation zur Gewinnung eines Sendesignals zur Zuführung an eine Antenne separat verarbeitet werden. Die di­ gitale Frequenz-/Phaseninformation wird einem digitalen Fre­ quenzmodulator zugeführt, dessen Ausgangssignal einen span­ nungsgesteuerten Oszillator VCO ansteuert, dessen (frequenz- bzw. phasenmoduliertes) Ausgangssignal als Sendefrequenzsig­ nal über einen ersten Eingang einer Endstufe zugeführt wird. Die digitale Amplitudeninformation gelangt zum Eingang eines Digital-/Analog-Wandlers, an dessen Ausgang sie als analoge Amplitudeninformation bereitsteht, die einem zweiten Eingang der Endstufe (beispielsweise zur Steuerung der Versorgungs­ spannung) zugeführt wird, in der somit eine Zusammenführung der Frequenz-/Phaseninformation und der Amplitudeninformation zu einem QAM-Sendesignal erfolgt.

Fig. 2 zeigt eine der ersten Ausführungsform gegenüber modi­ fizierte zweite Ausführungsform, die sich durch eine andere Art der Steuerung der Endstufe auszeichnet. Zum einen ist der Endstufe hier eine in der Figur als "Leistungsregelung" be­ zeichnete Vorverstärkerstufe vorgeschaltet, der das Ausgangs­ signal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO über einen ersten Eingang und das Ausgangssignal des Digital-/Analog- Wandlers, d. h. die analoge Amplitudeninformation, über einen zweiten Eingang zugeführt werden. Durch das Vorsehen dieser zusätzlichen Stufe wird eine einfachere Auslegung der eigent­ lichen Endstufe möglich. Weiterhin ist der Eingang der Vor­ verstärkerstufe über eine geeignete Detektorschaltung zur Erfassung der Sendeausgangsleistung mit dem Ausgang der Sen­ deendstufe in Form einer Leistungsregelschleife rückgekop­ pelt. Hierdurch wird ein Betrieb der Endstufe in einem unzu­ lässigen Bereich, insbesondere eine Übersteuerung, vermieden.

Fig. 3 zeigt eine Sendeanordnung 1 eines Mobilfunk-Endgerä­ tes, der aus dem (nicht gezeigten) Basisband als Eingangssig­ nal ein kodierter Datenbitstrom SIG zugeführt wird und die ein Sendesignal STX an eine kombinierte Sende- /Empfangsantenne 3 ausgibt.

Das Eingangssignal SIG gelangt zunächst zum Eingang eines Mo­ dulations-Signalprozessors 5, dessen Kernstück ein Tabellen­ speicher 5a zur Speicherung einer tabellarischen Zuordnung zwischen Abschnitten des Datenbitstromes (Symbolen) und Phase-Amplitude-Wertepaaren eines Modulationssignals ist. Am Ausgang des mit dem Datenbitstrom adressierten Tabellensprei­ chers 5a stehen separate Frequenz-/Phasenmodulationssignale PM und Amplitudenmodulationssignale AM bereit. Das Frequenz- /Phasenmodulationssignal PM bildet das Eingangssignal einer Frequenzsyntheseschaltung 7.

Die Frequenzsyntheseschaltung 7 hat den grundsätzlichen Aufbau eines PLL-Synthesizers, der über das digitale Eingangssignal PM äußerst fein und präzise einstellbar ist. Ihr Kernstück ist eine kommerziell verfügbare DDS(Direct-Di­ gital Synthesizing)-Schaltung 7a, an deren Addierwerteingang das Frequenz-Phasenmodulationssignal PM anliegt und die über einen Takteingang mit einer Taktformschaltung 7b verbunden ist, über die ein Taktsignal CLK zugeführt wird. Die letztere wiederum ist eingangsseitig mit dem Ausgang eines spannungs­ gesteuerten Oszillators 7c verbunden, dessen Ausgangssignal OSC zugleich das Ausgangssignal der Frequenzsyntheseschaltung 7 bildet. Der Ausgang der DDS-Schaltung 7a, an dem ein Syn­ thesesignal SYN anliegt, ist mit einem ersten Eingang einer Phasenvergleicherstufe 7d verbunden, deren anderer Eingang über einen Referenzoszillator 7e mit einem Referenzsignal REF versorgt wird. Der Ausgang der Phasenvergleicherschaltung 7d, an dem ein (analoges) Abstimmsignal TUN bereitsteht, ist über einen Tiefpaß 7f mit einem Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators 7c verbunden.

Der als Quarzoszillator ausgebildete Referenzoszillator 7e liefert ein Referenzsignal mit konstanter Frequenz, mit des­ sen Phasenlage diejenige des Synthesesignals SYN aus der DDS- Schaltung 7a verglichen wird. Das Abstimmsignal TUN reflek­ tiert also das Ergebnis dieses Vergleiches, so daß (nach der Tiefpaßfilterung) dem spannungsgesteuerten Oszillator eine ebenfalls das Vergleichsergebnis reflektierende Steuerspan­ nung zugeführt wird. Bei der vorliegenden Ausführung ist angenommen, daß das Ausgangssignal OSC sinusförmig ist und unmittelbar als Sendefrequenzsignal dient; im Falle der Ausbildung des spannungsgesteuerten Oszillators 7c zur Ausgabe eines Rechteck-Impulssginals wäre die Taktformschal­ tung 7b verzichtbar. Im Ergebnis der Wirkung der in der Fre­ quenzsyntheseschaltung 7 realisierten PLL-Schleife ist das Sendefrequenzsignal OSC phasenstarr, aber mit über die DDS- Schaltung 7a einstellbarer Frequenz an das Referenzsignal REF angebunden.

Das digitale Amplitudenmodulationssignal AM wird zunächst einem D/A-Wandler 9 zur Umwandlung in ein analoges Amplitu­ denmodulationssignal und anschließend einem Kleinsignalver­ stärker 11 mit logarithmischer Kennlinie zugeführt, an dessen Ausgang ein logarithmiertes Amplitudenmodulationssignal LAM bereitsteht. Das Signal LAM wird einem Steuereingang einer Leistungssteuerstufe 13 zugeführt, deren leistungsgesteuertes Ausgangssignal der Sendeendstufe 15 zugeführt wird und nach Verstärkung in dieser das Sendesignal STX bildet. Ein Teil des Sendsignals STX wird (über einen nicht dargestellten Richtkoppler) zu einem Leistungsdetektor 17 abgezweigt, des­ sen Ausgangssignal LDS zusammen mit dem Signal LAM zur Steue­ rung der Sendeleistungssteuerstufe 13 herangezogen wird. In der Sendeleistungssteuerstufe 13 wird mithin einerseits eine Zusammenführung des Phasen- und Amplitudenmodulationszweiges zu einer Phasenmodulation mit nicht-konstanter Hüllkurve und zudem eine Leistungsregelung der Sendeendstufe realisiert.

Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems Endstufe/Stromversorgung zu erreichen, ist es zweckmäßig, bei Systemen, in denen dies aufgrund der Regelgeschindigkeit realisierbar ist, die Versorgunsspannung der Endsufe über einene Schaltregler zu modulieren.

Hierdurch wird erreicht, daß die durch das Polarmodulatorkonzept ohnehin verbesserte Effizienz des Senders mit einem nochmals Verbesserten Wirkungsgrad der Endstufe und der Stromversorgung weiter angehoben wird. Diese Verbesserung des Wirkungsgrades wirkt sich besonders bei kleinen Leistungsstufen der Endstufe, die häufig im praktischen Mobilfunk verwendet werden, stark auf die Verlängerung der Sprechzeit aus. Hierzu ist es sinnvoll und sehr einfach realisierbar, dem Ansteuersignal der Leistungsregelung die Information über die einzustellende Leistungsstufe hinzuzufügen (z. B. durch Addition bei einem logarithmisch arbeitenden System, bzw. durch Multiplikation bei einem linear arbeitenden System).

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern auch in verschiedenar­ tigen Kombinationen sowie in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. So ist insbesondere im Modulations-Signalprozessor der Sendeanord­ nung anstelle des Tabellenspeichers eine Berechnungseinheit zur Echtzeit-Berechnung der separaten Frequenz-/Phasen- und Anplitudenmodulationssignale einsetzbar, die auf einen in einem zugeordneten Programmspeicher abgelegten Berechnungsal­ gorithmus zugreift.

Claims (11)

1. Modulationsschaltung (1) zur Erzeugung eines zugleich pha­ sen- und amplitudenmodulierten HF-Signals, insbesondere eines QAM-HF-Signals, mit einer digitalen Phasenmodulatorstufe (7) und einer dieser nachgeschalteten Endstufe (15), die über einen ersten Eingang direkt oder über eine Leistungssteuer­ stufe (13) mit dem Ausgang der Phasenmodulatorstufe verbunden ist, gekennzeichnet durch eine von der Phasenmodulatorstufe getrennte digitale Amplitu­ densignalerzeugerstufe (5, 13), die ausgangsseitig mindestens mittelbar mit einem zweiten Eingang der Endstufe oder der Leistungssteuerstufe verbunden ist.

2. Modulationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Amplitudensignalerzeugerstufe (5, 13) über einen D/A-Wandler (9) mit einem Analogeingang der Leistungssteuer­ stufe (13) verbunden ist.

3. Modulationsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang der Leistungssteuerstufe (13) über eine Leistungsregelschleife zusätzlich mit dem Ausgang der End­ stufe (15) verbunden ist.

4. Modulationsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Phasenmodulatorstufe (7) und die digitale Ampli­ tudensignalerzeugerstufe (5, 13) als Polarmodulator aufgrund von in einer Signalprozessorstufe (5) getrennt erzeugten Pha­ sen- und Amplitudensignaldaten (PM, AM) arbeiten.

5. Modulationsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalprozessorstufe (5) einen Zuordnungsspeicher (5a) zur tabellenartigen Speicherung einer Zuordnungsvorschrift eines eingangsseitigen Datenbitstromes (SIG) zu Phase-Ampli­ tude-Wertepaaren (PM, AM) einer Modulationsinformation aufweist.

6. Modulationsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalprozessorstufe eine Berechnungseinheit zur Echt­ zeitberechnung von Phase-Amplitude-Wertepaaren aus einem einlaufenden Datenbitstrom aufgrund eines in einem zugeordne­ ten Programmspeicher gespeicherten Algorithmus aufweist.

7. Modulationsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulatorstufe (7) einen spannungsgesteuerten Oszillator (7c) aufweist, der durch ein digitales Phasenmodu­ lationssignal (PM) direkt oder indirekt angesteuert wird.

8. Modulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulatorstufe eine Frequenzsyntheseschaltung (7a) aufweist, die insbesondere einen Steuereingang für ein kombi­ niertes Trägerfrequenz- und Phasenmodulationssignal (PM) hat.

9. Modulationsschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsregelschleife zur logarithmischen Detektion und Verarbeitung der Endstufen-Ausgangsleistung und die Amplitu­ densignalerzeugerstufe (5, 13) zur logarithmischen Verarbei­ tung eines Amplitudensignals ausgebildet ist oder der Ampli­ tudensignalerzeugerstufe eine Umsetzerstufe (9, 11) zur Kon­ vertierung einer linearen in eine logarithmische Ausgangscha­ rakteristik nachgeschaltet ist.

10. Modulationsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzerstufe einen D/A-Wandler (9) mit nachgeschaltetem logarithmischen Verstärker (11) aufweist.

11. Modulationsschaltung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die die Leistungstufe (13) durch einen die Versorgunsspannung der Endstufe verändernden Spannungsregler z. B. in Form eines Schaltreglers realisiert wird.