DE102004049019A1

DE102004049019A1 - Transmitter und Verfahren zur Erzeugung eines Signals mit digitaler Modulation

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Publication number: DE102004049019A1
Application number: DE102004049019A
Authority: DE
Inventors: Holger Prof. Dr. Heuermann
Original assignee: Fachhochschule Aachen
Current assignee: Fachhochschule Aachen
Priority date: 2004-06-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2005-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transmitter und ein Verfahren zur Erzeugung eines, insbesondere elektrischen bzw. elektromagnetischen, Signals mit digitaler Modulation. Der Transmitter und das Verfahren zur Erzeugung eines Signals mit digitaler Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation sind dadurch gekennzeichnet, dass zwei Phasen- bzw. Frequenz-Modulatoren mittels eines Addierers zusammengeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transmitter und ein Verfahren zur Erzeugung eines, insbesondere elektrischen bzw. elektromagnetischen, Signals mit digitaler Modulation.

Das komplexeste Element jeder Sendeeinheit bzw. jedes Transmitters für moderne Breitbandkommunikationssysteme ist der sogenannte Frequenzsynthesizer, der auch als Schritt- oder Synthesegenerator bezeichnet wird. Synthesegeneratoren enthalten mindestens eine Phasenregelschleife [9, 11].

Einleitend wird der Stand der Technik für Synthesegeneratoren dargestellt. Im Anschluss werden die z.Z. eingesetzten Transmitter-Systeme der modernen Kommunikationstechnik präsentiert.

Synthesegeneratoren mit Phasenregelschleife

Zur Erzeugung genauer und stabiler Hochfrequenzsignale wird üblicherweise eine Phasenregelschleife (engl.: Phase Locked Loop, PLL), wie im Bild 1 dargestellt, verwendet, bei der die Phase eines spannungsgesteuerten, hochfrequenten Oszillators (engl.: Voltage Controlled Oscillator, VCO) über einen Phasenvergleicher auf eine stabile und genaue Referenzphase der Frequenz f_ref oder f_vgl (Vergleichsfrequenz) geregelt wird [1].

Oft wird dem VCO noch ein Frequenzteiler nachgeschaltet, um eine hochfrequente Schwingung aus einer niederfrequenten Referenz zu erzeugen. Durch Umschalten der Teilerwerte regelt die Schleife den VCO auf eine andere Frequenz. Diese Art der PLL wird auch Frequenzsynthesizer oder kurz Synthesizer genannt. Die Frequenz f_VCO des spannungsgesteuerten Oszillators wird über die Frequenz der Referenzschwingung f_vgl (Vergleichsfrequenz) und den Wert N des Frequenzteilers wie folgt bestimmt: fVCO = fvgl·N (1)

Änderungen des normalerweise ganzzahligen Teilerwertes N bewirken eine Änderung der Ausgangsfrequenz in der Schrittweite f_vgl. Um eine kleine Schrittweite zu erreichen, muss die Vergleichsfrequenz gering gehalten werden. Dies führt zu einem schlechteren Phasenrauschen der PLL, weil die Rauschspannung des Phasenvergleichers und der Vergleichsfrequenz um den Faktor N verstärkt am VCO-Ausgang sichtbar wird. Restanteile der Vergleichsfrequenz und deren Harmonischen, die am Phasenvergleicherausgang auftreten, werden zwar durch das nachfolgende Schleifenfilter gedämpft, beeinflussen aber trotzdem den VCO und erscheinen als Nebenlinien des Nutzsignals im Abstand f_vgl und deren Vielfachen. Ein größeres Verhältnis Vergleichsfrequenz zu Schleifenbandbreite verbessert die Unterdrückung dieser Nebenlinien. Da die Schleifenbandbreite mit der Einschwingzeit zusammenhängt, zwingt diese klassische PLL zu einigen Kompromissen bezüglich Nebenlinienunterdrückung, Frequenzschrittweite, Phasenrauschen und Einschwingzeit.

Ein Ausweg aus diesen Kompromissen bietet der Fractional-N-Synthesizer.

Funktionsprinzip eines Fractional-N Synthesizers

Mit einem Teiler, der nicht auf ganzzahlige Teilerverhältnisse begrenzt ist, sondern auch gebrochene Werte zulässt, kann die Schrittweite des Synthesizers kleiner als die Vergleichsfrequenz gemacht werden [2, 7]. Dieses ist für die Realisierung eines Synthesizers im Bild 2 dargestellt. Die Berechnung von f_VCO nach Gleichung (1) bleibt weiterhin gültig. N ist dann aber nicht mehr nur auf ganzzahlige Werte beschränkt.

Ein gebrochenes Teilerverhältnis wird durch Umschalten zwischen zwei oder mehreren ganzzahligen Werten erreicht (sozusagen eine Pulsweitenmodulation des Teilerverhältnisses). Bei einer Umschaltung zwischen zwei Teilerwerten N₁ und N₁ mit den Pulsdauern T₁ und T₂ beträgt der Mittelwert des Teilerverhältnisses dann

Die Frequenz des VCOs soll dann auf der mit dem Mittelwert des Teilerverhältnisses multiplizierten Vergleichsfrequenz sein. Das Umschalten des Teilerverhältnisses verursacht eine Störphasenmodulation am Phasenvergleicher. Die kleinste Zeiteinheit, in der T₁ und T₂ variieren können, ist T_ref. Die minimale Frequenz der Störphasenmodulation ist also abhängig von f_ref und der geforderten kleinsten Einstellschrittweite N von: fstör = fref·∆N (3)

Die minimale Frequenz der Phasenstörung durch die Teilerumschaltung entspricht somit der kleinsten Schrittweite f des Frequenzsynthesizers. Soweit unterscheidet sich das Fractional-N-Verfahren bezüglich der Störungen nur wenig vom klassischen Synthesizer mit festem Teiler.

Versucht man die Störungen durch ein schmales Schleifenfilter zu unterdrücken, so muss man dieselben Kompromisse eingehen wie im vorhergehenden Abschnitt. Der einzige Vorteil läge dann in dem geringeren Vervielfachungsfaktor des Phasenvergleicher- und Referenzrauschens. Da der Verlauf der Störung vorausberechenbar ist, kann diese durch Addition einer gegenphasigen Spannung kompensiert werden. Die Schleifenfilterbandbreite kann dann größer als die kleinste Frequenzschrittweite f gewählt werden. Damit ist durch digitale Nachbildung des Modulationssignals eine direkte digitale Winkelmodulation möglich. Die kleine Schrittweite bei geringer Einschwingzeit ermöglicht z.B. auch, berechnete Dopplerverschiebungen exakt nachzusteuern. Die Kompensation der Phasenstörung durch die Teilerumschaltung erfordert aber neben der Rechenlogik einen guten DA-Wandler zur Erzeugung der Kompensationsspannung. Eine im Hochfrequenzbereich neuerdings eingesetzte Alternative ist das ΣΔ-Verfahren, das sich in der CD-Audio-Technik zur Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandlung bereits durchgesetzt hat. Aufgrund der einfachen Integrierbarkeit spielt es bereits in der Hochfrequenztechnik als Digital-Frequenz-Wandler eine wichtige Rolle.

ΣΔ-Fractional-N Synthesegenerator

Wie oben ausgeführt, bringt das Wegfiltern der Störungen wenig Vorteile, da die Schleifenfilterbandbreite kleiner als die Frequenzschrittweite gemacht werden muss,[6]. Das ΣΔ-Fractional-N-Verfahren (3) verursacht, wie das konventionelle Fractional-N-Verfahren, Nebenlinien im Abstand der Frequenzschrittweite. Allerdings wird anstatt des gewöhnlichen Pulsweitenmodulators eben ein ΣΔ-Modulator eingesetzt, dessen spektrales Energiemaximum bei hohen Frequenzen liegt.

Die Änderungen des Teilerwertes der PLL werden vom ΣΔ-Modulator gesteuert. Dieser liefert einen quasizufälligen Datenstrom, dessen arithmetischer Mittelwert digital einstellbar ist. Weil die Energie spektral nicht gleichverteilt ist, sondern zum größten Teil im höherfrequenten Bereich liegt, erhält man trägernah so wenig Störenergie, dass das analoge Rauschen des Phasenvergleichers und der Referenz überwiegt. Das Schleifenfilter kann also ohne Kompensationsmaßnahmen breiter als die Frequenzschrittweite gewählt werden.

ΣΔ-Modulatoren sind in unterschiedlichen Strukturen realisierbar. Eine interessante Variante ist der MASH-Modulator, weil er ohne ein Rückkoppelnetzwerk auskommt und deshalb auch keine Stabilitätsprobleme hat.

ΣΔ-Modulator 3. Ordnung in MASH-Struktur

Die wesentlichen Grundbausteine eines ΣΔ-Modulators sind binärarithmetische Akkumulatoren. Diese addieren den Eingangswert in jedem Takt einmal zu ihrem Register (D). Es handelt sich also im Prinzip um Integratoren. Da diese aber mit Modulus-Addierern aufgebaut sind, erhält man bei konstantem Eingangswert am Ausgang eine periodische Quasi-Zufallsfolge, wie im Bild 4 illustriert.

Beim ΣΔ-MASH-Modulator 3. Ordnung, wie in [4] beschrieben, werden drei dieser Akkumulatoren hintereinander geschaltet. Deren Überlaufausgänge werden zeitverschoben (D) addiert, um den spektral geformten ΣΔ-Datenstrom zu erzeugen. Die erzeugten Momentanwerte liegen zwischen –3 und +3. Der Mittelwert der Ausgangsdaten liegt je nach Eingangswert K zwischen 0 und 1. Der maximale Akkumulatorwert M wird durch die Akkumulatorbreite B bestimmt. M = 2B (4)

Die Periodendauer T des ΣΔ-Signals ergibt sich aus dem maximalen Akkumulatorwert M und der Taktfrequenz f_S. T = MfS (5)

Der Linienabstand des Quasi-Rauschspektrums und die kleinste Schrittweite des Synthesizers beträgt also Δf = 1/MfS (6)

Über den Eingangswert K lässt sich der DC-Offset des Modulatorausgangs einstellen. Ū = K/M (7)

Die Ausgangsfrequenz des ΣΔ-Fractional-N Synthesizers beträgt damit: fVCO = (N + K/M)·fvgl (8)

Digitale Modulation

Die kleine Schrittweite eines ΣΔ-Fractional-N-Synthesizers ermöglicht eine direkte digitale Frequenz- und Phasenmodulation [2]. Es handelt sich hierbei um einen exakten D/F-Wandler. Die Vorteile eines direkten digitalen Modulators liegen auf der Hand:

– Es ist keine D/A-Wandlung digitaler Modulationsdaten notwendig.
– Eine Änderung der Modulationsart und des Modulationshubes per Software ist möglich.
– Große Modulationshübe ohne Verzerrungen sind realisierbar (Nichtlinearitäten der VCO-Kennlinie haben keinen Einfluss).
– Es sind keine analogen Einstellelemente zur Festlegung des Hubes mehr vorhanden.
– Der Modulationshub ist unabhängig von Bauteiltoleranzen. Heterodyne Sende-/Empfangs-Systeme

Die folgenden Darstellungen der Sende-/Empfangskonzepte (gängige Abkürzung aus der englischen Sprache: Transceiver) beschränken sich auf die direkt umsetzenden Systeme (engl. direct conversion), da nur noch diese Systeme für den auf Kosten optimierten Kommunikationsbereich von großem Interesse sind, [3].

Heterodyne Kommunikationssysteme werden nach dem Überlagerungs- oder Heterodynprinzip realisiert. Dazu werden über einen Phasenregelkreis zwei Synthesizer so aneinander angebunden, dass ihr Frequenzabstand gleich einer konstanten Zwischenfrequenz ist. Auf diese Zwischenfrequenz wird die hochfrequente Phase und Amplitude des Informationssignals transformiert und mit elektronischen Mitteln ausgewertet. Problem dieser Methode ist der hohe technische Aufwand bei der Verwendung von zwei Synthesizern. Als typische Realisierung ist im Bild 6 der reine Empfangszweig einer heterodynen Systemarchitektur illustriert.

Heterodyne Systeme wurden noch in den Anfangsjahren der GSM-Kommunikationstechnik fast ausschließlich eingesetzt, da deren Signalqualität denen der anderen Systemrealisierungen überlegen ist und einzig die hohen GSM-Systemspezifikationen erfüllen konnte.

Mittlerweile beruhen viele Forschungsarbeiten für Sende-/Empfangskonzepte (engt.: Transceiver) für sogenannte Multistandard/Multiservice Systeme nach vorliegendem Kenntnisstand auf dem Heterodynkonzept, z.B. [10]

Homodyne Sende-/Empfangs-Systeme

Bei homodynen Systemen wird nur ein Synthesegenerator verwendet, wobei durch geschickte Modulation und Demodulation erreicht wird, dass die Amplituden- und Phaseninformation des HF-Signals in ein niederfrequentes Signal transformiert wird. Nachteil im Vergleich zum Überlagerungsprinzip ist aber die begrenzte Bandbreite.

Aufgrund der geringeren Kosten haben sich homodyne Systeme für die Systeme des Standes der Technik (Monomode-Systeme im schmalen Frequenzbereich) durchgesetzt. Als typische Realisierung ist im Bild 6 der reine Empfangszweig einer homodynen Systemarchitektur dargestellt.

Software Radio und weitere Transceiver-Systemarchitekturen

Viele Systemspezialisten erhoffen sich im sogenannten Software Radio, dessen Hardware lediglich aus D/A-Wandlern und A/D-Wandlern bestehen soll, die Lösung für die Zukunft.

Wer jedoch detailliert die Systemanforderungen wie spektrale Reinheit, Sendeleistung, Empfangsempfindlichkeit u.ä. untersucht, erkennt schnell, dass ideale Software Radios in der nahen Zukunft für Systeme über 2 GHz diese Anforderungen nicht erfüllen, [10].

Eine Vielzahl von wissenschaftlichen Veröffentlichungen (z. B. [5]) wie aber auch Produkte zeigen, dass die '''Standard'''-ΣΔ-PLL bereits in einer großen Anzahl von Forschungsaufbauten wie auch Produkten erfolgreich eingesetzt wird. Als ein herausragendes Produkt ist die ΣΔ-PLL von National-Semiconductor LMX2470 zu nennen.

Die bisher vorgestellten Transceiver-Architekturen haben gemein, dass der Sende- und der Empfangszweig in ähnlicher Art und Weise zu realisieren sind. Zumindest ist der grundsätzliche Ansatz wie beim Software Radio gleich.

Insbesondere für vorliegenden Zusammenhang ist es wichtig zu wissen, dass es eine ganz besondere Architektur für reine Empfangspfade gibt, die gleichzeitig für mehrere Standards der Kommunikationstechnik eingesetzt werden kann, z.B. [8]. Diese Fähigkeit, dass verschiedenste Modulationssysteme über eine größere relative Bandbreite abgedeckt werden können, soll im Weiteren als '''Multi-Modusfähigkeit''' bezeichnet werden.

Der Multi-Modus fähige Empfänger beruht auf dem sogenannten Sechstor-Konzept, das bereits seit Jahrzehnten in der Hochfrequenz-Messtechnik bekannt ist und auch in kommerziellen Produkten Einsatz findet, [9].

Bisher gibt es keine reine Multi-Modus-Sendearchitektur, die sich sehr gut mit der Sechstor-Architektur kombinieren lässt.

Kritik am Stand der Technik

Bei den Sendeschaltungen der Hochfrequenztechnik findet man eine große Anzahl von Konzepten und Architekturen, die insbesondere an die Modulationstandards angepasst sind. De facto wird für jedem im Gerät implementierten Übertragungsstandard eine eigene Sendekette realisiert. Kurz vor einer gemeinsamen Antenne werden diese Sendeketten oft erst zusammengeführt.

Der Hardware-Aufwand, wie er zum Beispiel in modernsten Handys mit Anwendungen für die Standards GSM800, GSM900, GSM1800=PCS, UMTS und Bluetooth zu finden ist, ist sehr groß. Auch wenn sich manche Applikationen aufgrund von Anforderungen an Filter und den Frequenzlagen nicht über der gesamten Sendekette vereinheitlichen lassen, würde eine Zusammenlegung der Kleinsignalkomponenten erheblichen Raum und viel Kosten sparen.

Bisherige Konzepte versuchen, ein niederfrequentes Signal '''hochzumischen''' oder direkt über einen D/A-Wandler zu erzeugen. Diese Architekturen entstammen einem einfachen '''Straight-Forward'''-Gedanken, der den Konzepten der klassischen analogen Hochfrequenztechnik zu Grunde liegt.

A/D- und D/A-Wandler haben nur eine endliche Dynamik, die in der Praxis weit unter der notwendigen Dynamik einer Funkübertragungsstrecke bzw. sonstigen Übertragungsstrecke liegt. Um dem entgegen zu wirken, müssen in modernen Transceivern aufwendige schaltbare Verstärker eingesetzt werden, die auch zusätzliche Signalverarbeitung und Logik erfordern.

Das Sechstor-Konzept hat für Empfangspfade gezeigt, dass Mischprozesse nicht mehr zwangsläufig erforderlich sein müssen.

Die Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Transmitter und ein Verfahren zur Erzeugung eines Signals mit digitaler Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet, dass zwei Phasen- bzw. Frequenz-Modulatoren mittels eines Addierers zusammengeführt werden. Auf diese Weise können an sich bekannte bzw. wenig aufwändig ansteuerbare Modulatoren verwendet werden, um höchst komplexe Signale zu liefern. Vorzugsweise sind diese Modulatoren digital ansteuerbar.
Insbesondere können verhältnismäßig kostengünstige Modulatoren zur Anwendung kommen, welche dann über den Addierer gekoppelt höchst komplexe Signale, insbesondere auch im hochfrequenten Bereich, bereitstellen können. Insbesondere kann auf mehrere Sendeeinheiten verzichtet werden, da mittels des erfindungsgemäßen Transmitters bzw. mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein nahezu beliebig moduliertes Signal bereitgestellt werden kann.
Vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Erzeugung hochfrequenter Signale. Sie kann aber auch bei niederfrequenten Signalen, beispielsweise in der Audiotechnik, vorteilhaft zur Anwendung kommen.
Die Erfindung kann beispielsweise mittels zweier ΣΔ-Synthesegeneratoren mit optimierten VCOs einen neuartigen und sehr kostengünstigen Transmitter (Sendeeinheit) realisiert werden, der für sämtliche Kommunikationsstandards eingesetzt werden kann. Diese neue Sendeeinheit soll im Weiteren kurz als SD-Transmitter (SD steht für ΣΔ) bezeichnet werden.
Für dieses SD-Transmitter-Konzept wird eine große Chance für Hersteller aller drahtgebundener und drahtloser Kommunikationsstandards (z.B. GSM, UMTS, LAN, WLAN, ...) gesehen. Bei erfolgreicher Umsetzung des Konzeptes können auch die '''Low-Cost'''-Hersteller von Bauteilen für diesen Markt mit einer sehr preisgünstigen Hardware sämtliche Standards abdecken.
Grundelement des SD-Transmitters ist ein ΣΔ-Synthesegenerator, dessen Takt- und Vergleichsfrequenzen mit Werten im dreistelligen MHz-Bereich und im GHz-Bereich absolut bester Stand der Technik sind. Eine weitere Besonderheit dieser Erfindung ist es, dass die ΣΔ-Modulation zur Ansteuerung des fraktionalen Teilers mittels einer integrierten Mikroprozessorschaltung erfolgt. Somit lässt sich in diesem ΣΔ-Synthesegenerator unmittelbar eine als '''digitale Modulation''' bekannte Phasen- und Frequenzmodulation implementieren.
Mittels zweier ΣΔ-Synthesegeneratoren wird ein neues SD-Transmitter-Konzept angegeben. Dieses Konzept wird im Detail nachstehend vorgestellt. Es ermöglicht prinzipiell die einfache Fertigung eines Transmitters, der sämtliche gängige Kommunikationsstandards wie zum Beispiel GSM, EDGE, GPRS, UMTS, LAN, WLAN, Bluetooth, GPS u.v.m. abdeckt. Neben dem geringen und somit kostengünstigen Hardware aufwand erlaubt es auch für sämtliche Standards, die Leistungsverstärker in der Sättigung zu betreiben, was sehr große Wirkungsgrade und somit sehr lange Sendezeiten für mobile Geräte bewirkt.
Somit fallen mit diesem neuen SD-Transmitter die aufwendigen Antennenschaltermodule von mobilen Handgeräten (Handys) weg, die zur Zeit noch Stand der Technik sind, um für den GSM-Bereich die unterschiedlichen Frequenzbänder und auch die GSM-Einheit mit der UMTS-Einheit und ggf. einer Bluetooth-Einheit zusammen zu schalten.
Selbstverständlich werden die Chipflächen der integrierten Schaltungen zur Bereitstellung der notwendigen Sendesignale der unterschiedlichen Standards wesentlich kleiner sein als bisher, da nur noch ein Sendekanal benötigt wird und dieses SD-Transmitter-Konzept viel einfacher als herkömmliche Architekturen zu realisieren ist.
Die Vorteile der SD-Transmitter-Hardware sind

• keine DA-Wandler.
• keine Mischer und sonstigen frequenzumsetzenden Komponenten.
• wenig Komponenten durch den Einsatz von zwei gleichen ΣΔ-Synthezisern.
• Großteil der Komponenten lässt sich in Digitaltechnik realisieren.

Der Schaltungsaufwand für Hochfrequenz-Transmitter kann einerseits erheblich reduziert werden, und andererseits ist eine Implementierung für verschiedenster Kommunikationsstandards möglich.
Beim ΣΔ-Transmitter handelt es sich '''nur''' um die Sendeeinheit. Bereits zur heutigen Zeit wird intensiv an Multi-Standard-Empfängern geforscht. Sehr erfolgsversprechend ist das sogenannte Sechstor-Konzept, das ebenfalls seit Jahrzehnten sehr erfolgreich in der Hochfrequenzmesstechnik zur Detektion komplexer Signale eingesetzt wird.
Der SD-Transmitter ist somit das erste Transmitterkonzept, das sich mit dem Multi-Modus-Receiver Konzept '''Sechstor''' kombinieren lässt.
Weiterhin ist zu bedenken, dass der SD-Transmitter für eine Vielzahl von Anwendungen in der drahtgebundenen und drahtlosen Kommunikationstechnik (GSM, UMTS, LAN, BT, WLAN, ...) und auch für die drahtgebundenen Datenübertragung (USB, ATM, SDH, Gigabit Ethernet) eingesetzt werden können. Das Marktpotential für dieses Konzept in Form von Produkten ist also als enorm groß einzuschätzen.
Genauso wie die PLL einen riesigen Innovationsschub in der Herstellung sämtlicher Hochfrequenzprodukte bis hin zum einfachen Hörfunk-Radio brachte, kann ein hardwaretechnisch einfacher einheitlicher ΣΔ-Transmitter das Herzstück für jedes Breitbandkommunikationssystem darstellen. Dieses kann dazu führen, dass man mit einheitlichen Softwarepaketen Kommunikationssysteme für jeden Standard ansteuern kann, was die Entwicklungskosten radikal reduzieren würde.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung
Die Addierer nach sämtlichen Ansprüchen können aus einer großen Anzahl bekannter Hochfrequenzschaltungen realisiert werden, wie zum Beispiel:

• Wilkinson-Koppler
• Hybrid-Koppler
• resistive Signalteiler
• Transformatoren
• jeglichen Balun
• Dual-Gate-Transistorstufen

Die Wahl der jeweiligen Schaltung hängt davon ab, wie breitbandig das System ausgelegt werden soll und wie viel Verluste zugelassen sind.
Erfolgt die Verstärkung erst nach der Addition der beiden Hochfrequenzsignale für eine geringe relative Bandbreite, so können sämtliche Addierer eingesetzt werden.
Bei dem Einsatz eines Baluns muss man in der Modulation berücksichtigen, dass ein Signalpfad um 180° länger ist.
Die Verwendung eines Baluns mit breitbandiger Phasenverschiebung (z.B. λ/2-Umwegleitung) ermöglicht eine Unterdrückung von Oberwellen, die insbesondere bei Verstärkern im gesättigten Betrieb sehr stark auftreten.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
Es wurde ein neues Konzept (SD-Transmitter) zur Erzeugung von beliebig modulierten hochfrequenten Sendesignalen für kleine und große Bandbreiten entwickelt.
Dieses Konzept basiert auf zwei ΣΔ-Synthesizern. Die Grundkonzeption eines derartigen höchst flexiblen ΣΔ-Synthesizers ist im Bild 7 dargestellt.
Wie bereits erläutert, kann über die rein digitale Ansteuerung ein derartiger Synthesizer eine beliebige Winkelmodulation durchführen und somit ein hochfrequentes Signal der Form
erzeugen, wobei A₁ eine feste Amplitude ist,
die hochfrequente Trägerkreisfrequenz beinhaltet, t die Zeitvariable ist und φ_1(t) die winkelmodulierte Information enthält.
Möchte man eine Signalquelle (Transmitter) konzipieren, die prinzipiell für jeden Kommunikationsstandard eingesetzt werden kann, so muss deren Ausgangssignal sowohl eine Winkel- bzw. Frequenzmodulation (kurz: FM) als auch eine Amplitudenmodulation (AM) aufweisen. Mathematisch muss das Signal wie folgt gestaltet sein:
wobei A_(t) eine modulierte Amplitude beschreibt.
Das ΣΔ-Transmitter-Konzept sieht nun vor, dass zwei ΣΔ-Synthesizer direkt zusammengeschaltet werden und die Addition beider Ausgangssignale dem Signal y_(t) entspricht. Dieses ΣΔ-Transmitter-Konzept ist im Bild 8 illustriert.
Mathematisch soll nun hergeleitet werden, dass die Addition zweier winkelmodulierter Signale ein amplituden- und winkelmoduliertes Signal ergibt. Die beiden ΣΔ-Synthesizer 1 und 2 sollen für diesen Fall zur Vereinfachung der Mathematik die maximalen Ausgangsamplituden A₁=A₂=1 liefern. In diesem Fall darf die maximale Amplitude des gewünschten AM-Amplitude auch nicht größer als 2 sein. Die Ausgangsgleichung lautet somit:
Beispielsweise mit Hilfe der komplexen Rechnung lässt sich die ω_t t-Abhängigkeit eliminieren. Über eine kurze Rechnung gelangt man zu dem Zwischenergebnis: A(t) cos(φ(t)) = cos (φ1(t)) + cos (φ2(t)) (12) A(t) sin(φ(t)) = sin (φ1(t)) + sin (φ2(t)) (13)
Über eine weitere kurze Rechnung gelangt man dann zu den geschlossenen analytischen Gleichungen, mit denen man die Phasenmodulationen beider ΣΔ-Synthesizer aus den gegeben AM- und FM-Werten berechnen kann: Φ1(t) = φ(t) + 1/2 arccos(A2 (t)/2–1) (14) Φ2(t) = φ(t) + 1/2 arccos (A2 (t)/2–1) (15)
Bei einem derartige SD-Transmitter entfallen gegenüber den bekannter Transmitter-Konzepten sämtliche Mischer und D/A-Wandler sowie die ggf. notwendigen schaltbaren VGAs (Voltage Gain Amplifier). Weiterhin werden deutlich weniger Schalter und Filter benötigt.
Der gesamte Transmitter-Hochfrequenzblock besteht nur noch aus zwei baugleichen VCOs, dahintergeschalteten Leistungsverstärkern, ggf. einem Addiernetzwerk und ggf. einem Filter.
Der Hardwareaufwand ist deutlich geringer als der Aufwand von bekannten Konzepten, birgt aber neue Optimierungskriterien in sich. Beispielsweise sollten die Ausgänge der (Leistungs-) VCOs die gleiche Amplitude aufweisen. Dieses mit Sicherheit gut zu erfüllende Kriterium wurde bisher noch an kein VCO-Pärchen gestellt.
Obwohl dieses System eine AM erlaubt, können die Leistungsverstärker in Kompression und somit bei höchsten Wirkungsgraden betrieben werden. Gelingt die Leistungsverstärkeroptimierung derartig, dass man die Transistorendstufen direkt zusammen schalten kann, so gelangt man auch hier zu einer äußerst breitbandigen Lösung mit großen Wirkungsgraden.
Gelingt dieses nicht, so kann man mittels eines bekannten resistiven Signalteilers die VCO-Ausgänge breitbandig addieren und einen konventionellen Leistungsverstärker einsetzen. Die Leistungsverstärker müssen für breitbandige Einsätze auf alle Fälle HF-Schaltnetzwerke enthalten, damit deren Ein- und Ausgangsanpassung in den jeweiligen Frequenzbändern optimiert ist.
Diese kurze Diskussion soll verdeutlichen, dass dieses Konzept mit sehr großer Wahrscheinlichkeit zu ausgezeichneten Ergebnissen führt und den Stand der Technik weit übertrifft, was dazu führt, dass es auch kommerziell sehr interessant ist.
Zusammenfassung
Es wurde eine neuartige Konzeption und Architektur einer Sendeeinheit zur Übermittlung hochfrequenter Signale vorgestellt. Dieser Transmitter (beispielsweise ein ΣΔ-Transmitter, auch SD-Transmitter) ermöglicht die gleichzeitige Übertragung sämtlicher phasen-, frequenz- und/oder amplitudenmodulierter Signale. Somit kann diese Sendeeinheit für sämtliche modernen digitalen drahtgebundenen und drahtlosen Standards wie UMTS, GSM, LAN, WLAN, Bluetooth, GPS u.v.m. eingesetzt werden. Da dieser SD-Transmitter sämtliche Modulationsverfahren erlaubt, wird er auch als Multi-Modus-Transmitter bezeichnet.
In Kombination mit den bekannten Sechstorkonzept können Transceiver (Sende-/Empfangseinheiten) realisiert werden, die weder einen D/A- Wandler noch einen A/D-Wandler benötigen. Es wird keine Frequenzumsetzung (Mischung) mehr benötigt, wie es zur Zeit Stand der Technik ist.
Der SD-Transmitter basiert auf der Verwendung zweier gleicher ΣΔ-Synthesizer, deren hochfrequente Ausgangssignale über einen Addierer zusammengefügt werden. Ein Rechner steuert die Teiler der ΣΔ-Synthesizer an und führt jeweils Winkel- bzw. Phasenmodulation durch. Die Addition dieser beiden Phasenmodulationen lassen sich als Phasen- bzw. Frequenzmodulation und als Amplitudenmodulation zusammenfassen. Somit kann dieser Transmitter für sämtliche analogen und digitalen Modulationsverfahren eingesetzt werden.
Für den Einsatz von Leistungsverstärkern bietet der SD-Transmitter auch beim Einsatz für Standards, die ansonsten hochlineare Systeme erfordern wie z.B. UMTS, die Verwendung von zwei in Sättigung betriebenen Verstärkern. Somit lassen sich deutlich höhere Wirkungsgrade erzielen, da Betriebsarten wie der F- Betrieb (mit einem theoretischen Wirkungsgrad von 100 % anstatt des linearen A- Betriebs mit einem theoretischen Wirkungsgrad von nur 50 %) verwendet werden können. Diese spart neben Batterieleistungen auch Kühlfläche und ermöglicht hochintegrierte Schaltungen mit langen mobilen Betriebszeiten.
Literaturverzeichnis

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(11) WORK MIKROWAVE GMBH,KIMS Studie über Komponenten für interaktive Satellitenterminals, Bericht an die Bayerische Forschungsstiftung, 1999

Claims

Transmitter und Verfahren zur Erzeugung eines Signals mit digitaler Phasen-, Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Phasen- bzw. Frequenz-Modulatoren mittels eines Addierers zusammengeführt werden.
Transmitter und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Phasen- bzw. Frequenz-Modulatoren digital ansteuerbar ist.
Transmitter und Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Phasen- bzw. Frequenz-Modulatoren ein ΣΔ-Modulator ist.
Transmitter und Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale beider Modulatoren vor der Zusammenfügung mittels eines Addierers zunächst über je einen Leistungsverstärker, die vorzugsweise jeweils in der Sättigung betrieben werden, verstärkt werden.
Transmitter und Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale beider Synthesizer nach der Zusammenfügung mittels eines Addierers über einen Leistungsverstärker, der vorzugsweise bei vorhandener Amplituden modulation im linearen Bereich betrieben werden muss, verstärkt werden.
Transmitter und Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale beider Synthesizer durch eine elektronische Hochfrequenzschaltung zusammengefügt werden, welche die Funktionalität eines Addierers und eines Leistungsverstärkers beinhaltet.