DE102007014965A1

DE102007014965A1 - Konzept zur Reduktion eines Phasenrauschens

Info

Publication number: DE102007014965A1
Application number: DE200710014965
Authority: DE
Inventors: Rainer Perthold; Stefan Arneth
Original assignee: Innovationszentrum fuer Telekommunikationstechnik IZT GmbH
Current assignee: Innovationszentrum fuer Telekommunikationstechnik IZT GmbH
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-09
Also published as: WO2008116544A1

Abstract

Ein Verfahren zur Reduktion eines Phasenrauschens eines mit einem Oszillatorsignal mit einer Oszillatorfrequenz abwärts gemischten Empfangssignals, mit einem Schritt des Umsetzens des Oszillatorsignals in einen Basisfrequenzbereich, einem Schritt des Erzeugens eines Phasenrauschreduktionssignals auf der Basis des Oszillatorsignals in dem Basisbandfrequenzbereich und einem Schritt des Kombinierens des abwärts gemischten Empfangssignals mit dem Phasenrauschreduktionssignal, um die Reduktion des Phasenrauschens zu bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Konzept zur Reduktion eines Phasenrauschens, wie es beispielsweise in Empfängerschaltungen eingesetzt werden kann.
Zum Empfangen von hochfrequenten Signalen mit einem niederfrequenten Nutzsignal, werden oftmals so genannte Überlagerungsempfänger bzw. Superheterodyn-Empfänger eingesetzt. Superheterodyn-Empfänger werden in zahlreichen Geräten zur Funkübertragung, der Telekommunikation oder der HF-Messtechnik eingesetzt. Bei einem Superheterodyn-Empfänger, oder kurz Superhet-Empfänger, wird ein zu empfangendes HF-Signal r_HF(t) mit einem Signal s_LO(t) eines so genannten Lokaloszillators (LO) mittels eines Mischers gemischt. Eine Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals wird beispielsweise mit einer sogenannten PLL (PLL = Phase-Locked-Loop) eingestellt. Das Ausgangssignal des Mischers, also das Produkt des zu empfangenden HF-Signals r_HF(t) und des Lokaloszillatorsignals s_LO(t), weist eine Frequenz f_ZF entsprechend der Differenz von HF- und LO-Frequenz auf. Dieses Ausgangssignal wird im Allgemeinen als Zwischenfrequenzsignal (ZF-Signal) r_ZF(t) bezeichnet, da dieses Signal noch weiterverarbeitet wird.
Bei Superhet-Empfängern bestimmt in aller Regel ein Phasenrauschen des frequenzmäßig abstimmbaren Lokaloszillators bzw. Überlagerungsoszillators das Phasenrauschen des Empfängers. Phasenrauschen ist ein Merkmal aller Oszillatoren. Es entsteht, wenn ein Oszillator eine eingestellte Frequenz kurzzeitig nicht hält. Das Phasenrauschen eines Oszillators führt in einem Empfänger zu einer Reihe unerwünschter Effekte, wie z. B. zu erhöhten Bitfehlerraten, verschlechterter Selektivität und reduziertem Signal-Rauschabstand des Empfangssignals. Insbesondere um hohe Selektivität bei schmalbandiger Empfängerbandbreite realisieren zu können, sind daher entweder Lokaloszillatoren mit sehr geringem Phasenrauschen notwendig, oder das durch den frequenzmäßig abstimmbaren Lokaloszillator generierte Phasenrauschen sollte im Empfänger kompensiert werden.
Für einen hochqualitativen Empfänger ist ein niedriges Phasenrauschen, z. B. ein Phasenrauschen kleiner als 120 dBc/Hz bei einer Frequenz von 10 kHz erforderlich. Bei einem Empfänger mit einer hoch liegenden ersten Zwischenfrequenz f_ZF werden somit Anforderungen an die Qualität des Lokaloszillators entsprechend hoch und ein erheblicher Schaltungsaufwand muss getrieben werden, um diesen Wert zu erreichen oder zu übertreffen.
Geringeres Phasenrauschen eines Lokaloszillators kann beispielsweise durch mehrere PLL-Schleifen erreicht werden. Ebenso können Bauelemente höherer Qualität eingesetzt werden. Dieser Ansatz ist jedoch zumeist mit erheblich höheren Kosten für die entsprechende Empfängerschaltung verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein einfaches und verbessertes Konzept zur Reduktion eines Phasenrauschens eines mit einem Oszillatorsignal abwärts gemischten Empfangssignals zu liefern.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 20 und ein Computerprogramm nach Patentanspruch 21 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein durch ein Mischen eines hochfrequenten Empfangssignals r_HF(t) mit einem phasenverrauschten Lokaloszillatorsignal s_LO(t) verursachtes Phasenrauschen in einem Empfangssignal bzw. einem Zwischenfrequenzempfangssignal r_ZF(t) reduziert werden kann, indem das phasenverrauschte Lokaloszillatorsignal s_LO(t) in den Basisband-Frequenzbereich umgesetzt wird, um das Phasenrauschen des Lokaloszillatorsignals s_LO(t) zu ermitteln und aus dem ermittelten Phasenrauschen anschließend ein Phasenrauschreduktionssignal s_red(t) zu erzeugen und dieses so mit dem Zwischenfrequenzempfangssignal r_ZF(t) zu kombinieren, dass das Phasenrauschen des Zwischenfrequenzempfangssignals r_ZF(t) reduziert bzw. eliminiert wird.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das Zwischenfrequenzempfangssignal r_ZF(t) mittels eines Analog-Digital-Umsetzers (ADC = Analog-Digital-Converter) zu einem digitalen Zwischenfrequenzempfangssignal r_ZF[k] digitalisiert. Nach einem analogen Umsetzen des phasenverrauschten Lokaloszillatorsignals s_LO(t) in einen niedrigeren Frequenzbereich, wird das niederfrequentere phasenverrauschte Lokaloszillatorsignal s_LO,ZF(t) ebenfalls mittels eines Analog-Digital-Umsetzers digitalisiert und darauf folgend digital ins Basisband umgesetzt. Das digitale Basisbandlokaloszillatorsignal s_LO,BB[k] weist Phaseninformationen O auf, aus denen das Phasenrauschen Ψ[k] bzw. das negierte Phasenrauschen –Ψ[k] des Lokaloszillators s_LO(t) zu Abtastzeitpunkten kT_s gewonnen werden kann, wobei T_s die Dauer eines Abtastintervalls bedeutet.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das komplexe digitale Basisbandlokaloszillatorsignal s_LO,BB[k] oder dessen Phaseninformation Ψ[k] bzw. –Ψ[k] nun geeignet skaliert werden, beispielsweise mit negativen Vorzeichen, und daraufhin zeitsynchronisiert mit dem digitalisierten Zwischenfrequenzempfangssignal r_ZF[k] kombiniert werden, beispielsweise durch einen Phasen- bzw. Frequenzmodulator. Im idealen Fall kann somit das von dem Lokaloszillator hervorgerufene Phasenrauschen Ψ(t) des Zwischenfrequenzempfangssignals r_ZF(t) komplett kompensiert werden. In der Praxis wird eine vollständige Kompensation jedoch meist nicht erreicht werden. Eine signifikante Reduzierung des Phasenrauschens ist durch das erfindungsgemäße Konzept jedoch möglich.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die Reduktion des Phasenrauschens Ψ(t) des Empfangssignals r_ZF(t) die Selektivität eines Empfängers erhöht werden kann.
Des Weiteren kann eine Einschwingzeit des Lokaloszillators beispielsweise nach einem Frequenzwechsel deutlich verringert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Reduktion eines Phasenrauschens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Reduktion eines Phasenrauschens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Reduktion eines Phasenrauschens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Blockdiagramm einer Nachschlage-Tabelle als Einrichtung zum Extrahieren einer Phaseninformation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Blockdiagramm einer Einrichtung zum Extrahieren einer Phaseninformation gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in verschiedenen im Nachfolgenden dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Reduktion eines Phasenrauschens eines mit einem Oszillatorsignal s_LO(t) mit einer Oszillatorfrequenz f_LO abwärts gemischten Empfangssignals r_ZF(t).
Dabei wird in einem ersten Schritt S1 das Oszillatorsignal s_LO(t) in einen Basisbandfrequenzbereich umgesetzt. In einem zweiten Schritt S2 wird auf der Basis des Oszillatorsignals in dem Basisbandfrequenzbereich ein Phasenrauschreduktionssignal S_red(t) erzeugt. Dabei kann der zweite Schritt S2 optional aufgeteilt sein in zwei Teilschritte S2a und S2b, wobei in dem ersten Teilschritt S2a aus dem in den Basisbandfrequenzbereich umgesetzten Oszillatorsignal s_LO,BB(t) eine Phaseninformation extrahiert wird und in dem zweiten Teilschritt S2b aus dieser extrahierten Phaseninformation das Phasenrauschreduktionssignal erzeugt wird, welches in einem weiteren Schritt S3 mit dem abwärts gemischten Empfangssignal r_ZF kombiniert wird, um die Reduktion des Phasenrauschens zu bewirken.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des anhand von 1 beschriebenen Verfahrens wird nachfolgend anhand von 2 näher erläutert.
2 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Reduktion des Phasenrauschens des mit dem Oszillatorsignal s_LO(t) abwärts gemischten Empfangssignals r_ZF(t), gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 10 umfasst dabei eine Einrichtung 12 zum Umsetzen des Oszillatorsignals s_LO(t) in den Basisbandfrequenzbereich. Ausgangsseitig ist die Einrichtung 12 zum Umsetzen mit einer Einrichtung 14 zum Erzeugen eines Phasenrauschreduktionssignals auf der Basis des Oszillatorsignals in dem Basisbandfrequenzbereich gekoppelt. Ferner weist die Vorrichtung 10 eine Einrichtung 18 zum Kombinieren des abwärts gemischten Empfangssignals r_ZF mit dem Phasenrauschreduktionssignal auf, um die Reduktion des Phasenrauschens zu bewirken. Dazu ist die Einrichtung 18 mit der Einrichtung 14 und dem abwärts gemischten Empfangssignal r_ZF verbunden.
Optional kann die Einrichtung 14 zum Erzeugen des Phasenrauschreduktionssignals S_red(t) eine Einrichtung 15 zum Extrahieren einer Phaseninformation des in den Basisbandfrequenzbereich umgesetzten Oszillatorsignals aufweisen, die eingangseitig mit dem Oszillatorsignal im Basisbandfrequenzbereich bzw. dem Basisbandoszillatorsignal s_LO,BB(t) gekoppelt ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 15 zum Extrahieren der Phaseninformation ausgangsseitig mit einer Einrichtung 16 zum Erzeugen des Phasenrauschreduktionssignals aus der Phaseninformation gekoppelt.
Das abwärts gemischte Empfangssignal r_ZF(t) mit der Zwischenfrequenz f_ZF wird erhalten, indem ein hochfrequentes Empfangssignal r_HF(t) mit einer Frequenz f_RF mittels eines Mischers 20 mit einem Lokaloszillatorsignal s_LO(t) frequenzmäßig abwärts gemischt wird. Dabei stammt das Oszillatorsignal s_LO(t) beispielsweise von einer frequenzmäßig verstimmbaren Lokaloszillatorschaltung 22, wie beispielsweise einer PLL. Ein hochstabiler Referenzoszillator, beispielsweise ein zentraler Quarz-Oszillator, liefert wiederum eine Referenzfrequenz f_ref für die PLL. In heutigen Sender-/Empfängerschaltungen können PLLs zur Erzeugung zahlreicher diskreter Frequenzen für einzelne Kommunikationskanäle dienen. Es ist meist nicht nur erforderlich, in kleinen Schritten einen weiten Frequenzbereich abzudecken, vielmehr sollte der Lokaloszillator die jeweilige Frequenz ohne Drift präzise einhalten und ohne lange Einschwingzeit schnell auf eine neue Frequenz wechseln können. Dabei wird angestrebt, die Stabilität und spektrale Reinheit des fest eingestellten Referenzoszillators, auf einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO = Voltage Controlled Oscillator) zu übertragen, der einen wesentlich weiteren Frequenzbereich abdeckt.
Geht man bei dem hochfrequenten Signal s_HF(t) der Übersichtlichkeit halber von einer reinen harmonischen hochfrequenten Schwingung aus, so kann das Signal s_HF(t) mit einer Frequenz f_HF gemäß sHF(t) = s ^HFcos(2πfHFt) (1)dargestellt werden, wobei s ^_HF eine Amplitude von s_HF(t) bedeutet. Das Oszillatorsignal s_LO(t) mit Amplitude s ^_LO und Frequenz f_LO kann durch sLO(t) = s ^LOcos(2πfLOt + Ψ(t)) (2)dargestellt werden, wobei der Ausdruck Ψ(t) das Phasenrauschen des Lokaloszillators 22 bedeutet.
Das Phasenrauschen Ψ(t) der Lokaloszillatorschaltung 22 kann als zeitliche Schwankung der Phase, d. h. als Phasenjitter aufgefasst werden. Es resultiert im Allgemeinen aus einem Rauschen des Referenzoszillators, einem Rauschen des VCO's sowie einem Eigenrauschen der PLL-Schaltung.
Mathematisch kann das Mischprodukt aus dem hochfrequenten Empfangssignal s_HF(t) und Lokaloszillatorsignal s_LO(t) dargestellt werden als rZF(t) = s ^[cos(2π|fHF – fLO|·t – Ψ(t)) + cos(2π|fHF + fLO|·t + Ψ(t))] (3) mit s ^_ZF – s ^_HF·s ^_LO/2, wobei sich ein analoges abwärts gemischtes Empfangssignal bzw. das Zwischenfrequenzempfangssignal r_ZF(t) durch geeignete Bandpassfilterung zu rZF(t) = s ^·cos(2π|fHF – fLO|·t – Ψ(t)) (4)ergibt. Wie sich aus Gleichung (4) erkennen lässt, ist das Phasenrauschen Ψ(t) des LO's 22 in das abwärts gemischte Empfangssignal r_ZF(t) eingegangen. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann dieses Phasenrauschen Ψ(t) zu erhöhten Bitfehlerraten, verschlechterter Selektivität und reduziertem Signal-Rauschabstand eines Empfängers führen.
Anhand von 3 soll nun im Nachfolgenden detailliert beschrieben werden, wie das Phasenrauschen Ψ(t) des abwärts gemischten Empfangssignals r_ZF(t) eliminiert bzw. reduziert werden kann.
Dazu zeigt 3 ein detaillierteres Blockschaltbild einer Vorrichtung 10 zur Reduktion des Phasenrauschens Ψ(t) bzw. –Ψ(t) des abwärts gemischten Empfangssignals r_ZF(t) gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Analog-Digital-Umsetzer 30, um das analoge abwärts gemischte Empfangssignal r_ZF(t) zu einem digitalen Zwischenfrequenzsignal r_ZF[k] zu digitalisieren, wobei der ADC 30 zwischen den Ausgang des Mischers 20 und den Eingang der Einrichtung 18 zum Kombinieren geschaltet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Einrichtung 12 zum Umsetzen einen Mischer 32 mit einem ersten Eingang für das analoge Oszillatorsignal s_LO(t) und einem zweiten Eingang für ein hochstabiles Referenzoszillatorsignal s_ref(t) von einer Einrichtung 35 zum Erzeugen des hochstabilen Referenzoszillatorsignals s_ref(t) auf, um das analoge Oszillatorsignal s_LO(t) in einen niedrigeren Frequenzbereich umzusetzen. Dazu weist die Einrichtung 35 zum Erzeugen des hochstabilen Referenzoszillatorsignals gemäß Ausführungsbeispielen einen hochstabilen Referenzoszillator 34, beispielsweise einen Quarz-Oszillator, auf. Das Signal des hochstabilen Referenzoszillators 34 kann gegebenenfalls mittels eines Kammgenerators oder Frequenzvervielfachers 36 in die Nähe der Frequenz f_LO des Lokaloszillators 22 gebracht werden. Am Ausgang des Mischers 32 unterdrückt ein Tiefpass- oder Bandpassfilter 38 unerwünschte Mischprodukte.
Das in den niedrigeren Frequenzbereich umgesetzte Lokaloszillatorsignal s_LO,ZF(t) am Ausgang des Filters 38 wird mit einem Analog-Digital-Umsetzer 40 digitalisiert. Das resultierende digitale Signal s_LO,ZF[k] wird mit Hilfe eines numerisch gesteuerten Oszillators 42 (NCO = Numerically Controlled Oscillator) und eines digitalen Mischers 44 ins Basisband umgesetzt und daraufhin mit einem digitalen Tiefpass- oder Bandpassfilter 46 schmalbandig gefiltert. Daraufhin liegt an einem Ausgang der Einrichtung 12 zum Umsetzen ein digitales, in den Basisbandfrequenzbereich umgesetztes Oszillatorsignal s_LO,BB[k] an. Mittels der äquivalenten komplexen Basisbanddarstellung lässt sich das Signal s_LO,BB[k], ausgehend von Gleichung (4), schreiben als
mit j = √–1.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird das Basisbandoszillatorsignal s_LO,BB[k] der Einrichtung 14 zum Erzeugen des Phasenrauschreduktionssignals s_red[k] zugeführt. Weist das Basisbandsignal s_LO,BB[k] z. B. keinen zusätzlichen Frequenz-Offset auf, welcher beispielsweise durch ein nichtideales Abwärtsmischen des LO-Signals hervorgerufen werden kann, so kann aus dem Basisbandsignal s_LO,BB[k] unmittelbar das Pha senrauschreduktionssignal s_red[k] gewonnen werden, beispielsweise gemäß
wobei K eine beliebig wählbare Konstante bedeutet. Für Gleichung (6) könnte beispielsweise K = s ^L_LO/√2 sein. Das Erzeugen von S_red[k] aus s_LO,BB[k] kann effizient z. B. durch eine Nachschlage-Tabelle (LUT = Lookup-Tabelle) realisiert werden, insbesondere bei einer Fixkomma-Logik, wie sie im Allgemeinen beispielsweise bei Digitalen Signalprozessoren oder anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) eingesetzt wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Einrichtung 14 zum Erzeugen des Phasenrauschreduktionssignals eine Einrichtung 15 zum Extrahieren einer Phaseninformation des Oszillatorsignals in dem Basisbandfrequenzbereich und eine Einrichtung 16 zum Bilden des Phasenrauschreduktionssignals aus der extrahierten Phaseninformation.
In diesem Fall kann das Basisbandoszillatorsignal s_LO,BB[k] der Einrichtung 15 zum Extrahieren der Phaseninformation Ψ[k] bzw. –Ψ[k] des Oszillatorsignals zugeführt werden. Zur Extraktion der Phaseninformation ±Ψ[k] könnte beispielsweise eine Nachschlage-Tabelle eingesetzt werden, welche beispielsweise, basierend auf Gleichung (5), aus s_LO,BB[k] das Argument –Ψ[k] durch Nachschlagen in einem Speicher ermittelt, so wie es schematisch in 4 dargestellt ist.
Dabei repräsentiert Ψ[k] das Phasenrauschen des Lokaloszillators 22. Die Phaseninformation bzw. das Phasenrauschen kann basierend auf Gleichung (5) gemäß
bestimmt werden, wobei Im{.} den Imaginärteil und Re{.} den Realteil eines komplexen Signals bedeutet. Gleichung (7) kann durch eine hinreichend große LUT beliebig genau angenähert werden.
Die Phaseninformation –Ψ[k] bzw. Ψ[k] kann demnach direkt aus dem Real- und Imaginärteil des äquivalenten Basisbandsignals s_LO,BB[k] ermittelt werden – vorausgesetzt das Basisbandsignal s_LO,BB[k] weist z. B. keinen zusätzlichen Frequenz-Offset auf, welcher beispielsweise durch ein nichtideales Abwärtsmischen des LO-Signals hervorgerufen werden kann.
Sind Real- und Imaginärteil negativ, so muss zu dem Wert von Gleichung (7) noch der Winkel π bzw. 180° addiert werden. Das somit ermittelte bzw. demodulierte Signal –Ψ[k] stimmt dann zumindest näherungsweise mit dem (negierten) Phasenrauschen des Lokaloszillators 22 überein, falls durch das im Vorhergehenden beschriebene Umsetzen des Lokaloszillatorsignals s_LO(t) in dem Basisbandbereich ideal erfolgte, d. h. das Basisbandsignal s_LO,BB[k] nur noch das Phasenrauschen bzw. die Phaseninformation Ψ[k] aufweist und keine zusätzlichen Frequenzanteile. Eventuelle Frequenzanteile durch eine nicht ideale Umsetzung in den Basisbandfrequenzbereich können in der Einrichtung 14 beispielsweise mittels einer Differentiation der Phaseninformation und geeigneter Filterung ermittelt und eliminiert werden, wie es beispielhaft in 5 gezeigt ist.
Gemäß der in 5 dargestellten Ausführungsform weist die Einrichtung 15 zum Extrahieren der Phaseninformation –Ψ[k] eine Einrichtung 50 zum Bestimmen einer instantanen Phase des Signals s_LO,BB[k] auf, die ausgangsseitig mit einer Einrichtung 52 zum Differenzieren der instantanen Phase gekop pelt ist. Der Ausgang der Einrichtung 52 zum Differenzieren ist mit einem Filter 54 gekoppelt, um am Ausgang des Filters 54 ein Signal proportional zu einem Frequenz-Offset f_O des Signals s_LO,BB[k] zu erhalten. Der Ausgang des Filters 54 ist mit einer Einrichtung 56 zum Bilden eines komplexen Signals basierend auf dem invertierten Frequenz-Offset –f_O. Ausgangsseitig wir das komplexe Signals basierend auf dem invertierten Frequenz-Offset –f_O mit dem Signal s_LO,BB[k] kombiniert, um ein von dem Frequenz-Offset f_O befreites Lokaloszillatorbasisbandsignal zu erhalten.
Beispielsweise gemäß Gleichung (7) ermittelt die Einrichtung 50 zumindest näherungsweise die instantane Phase des von einem Frequenz-Offset beeinträchtigten Lokaloszillatorbasisbandsignals s_LO,BB[k]. Zur besseren Übersichtlichkeit werden die nachfolgenden Betrachtungen zeitkontinuierlich durchgeführt. Gemäß Ausführungsbeispielen werden die entsprechenden Operationen jedoch zeitdiskret ausgeführt. Die instantane Phase des frequenzoffsetbeaufschlagten Basisbandsignals lässt sich gemäß Θ(t) = 2πfOt – Ψ(t) (8)ausdrücken. Einrichtung 52 ermittelt daraufhin dΘ(t)/dt = 2πfO – dΨ(t)/dt, (9)wobei dΨ(t)/dt einen Rauschterm bedeutet, der durch das Filter 54, welches insbesondere ein Tiefpassfilter sein kann, herausgefiltert werden kann, so dass am Ausgang des Filters 54 zumindest näherungsweise die Konstante 2πf_O abgegriffen werden kann. Mittels dieses Wertes kann in Einrichtung 56 der Wert exp{–j2πf_Ot} gebildet werden. Wird nun dieser Wert exp{–j2πf_Ot} mit dem frequenzoffsetbeaufschlagten Basisbandsignal
gemäß
multipliziert, so kann zumindest näherungsweise der Frequenz-Offset eliminiert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen könnte die Konstante 2πf_O am Filterausgang auch von der instantanen Phase Θ(t) = (2πf_Ot – Ψ(t)) abgezogen werden, um das eigentliche Phasenrauschen Ψ(t) bzw. Ψ[k] des LO's 22 zu erhalten.
Das am Ausgang der Einrichtung 15 zum Extrahieren anliegende Signal wird gemäß Ausführungsbeispielen der Einrichtung 16 zum Erzeugen des Phasenrauschreduktionssignals zugeführt.
Gemäß Ausführungsformen gewichtet die Einrichtung 16 die extrahierte Phaseninformation –Ψ[k] geeignet, beispielsweise durch eine Multiplikation mit einem Faktor a = –1 oder a = 1. Andere Werte für a sind ebenso denkbar, beispielsweise um ein evtl. Unter- bzw. Überschätzen des Phasenrauschens Ψ[k] zu berücksichtigen. Somit kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel an einem Ausgang der Einrichtung 16 das komplexe Signal K·e^–ja ^Ψ[k] als Phasenrauschreduktionssignal abgegriffen werden, wobei mit dem Faktor K zusätzlich ein Amplitude des Phasenrauschreduktionssignals eingestellt werden kann. Dieses Phasenrauschreduktionssignal K·e^–ja ^Ψ[k] wird der Einrichtung 18 zum Kombinieren über einen ersten Eingang zugeführt, wohingegen das digitalisierte abwärts gemischte Empfangssignal r_ZF[k] der Einrichtung 18 über einen zweiten Eingang zugeführt wird.
Die Einrichtung 18 zum Kombinieren weist gemäß Ausführungsbeispielen eine Einrichtung 60 zum zeitlichen Synchronisieren des Phasenrauschreduktionssignals und des abwärts ge mischten digitalisierten Empfangssignals auf. Die Einrichtung zum Synchronisieren umfasst dabei eine Verzögerungseinrichtung 62 für das abwärts gemischte digitalisierte Empfangssignal r_ZF[k] und eine Verzögerungseinrichtung 64 für das Phasenrauschreduktionssignal. Dabei kann unter Umständen die Verzögerungseinrichtung 64 für das Phasenrauschreduktionssignal optional sein, wobei in diesem Fall die Verzögerungseinrichtung 62 das abwärts gemischte Empfangssignal r_ZF[k] um eine kumulierte Signalverarbeitungszeit der Einrichtung 12, der Einrichtung 14 und der Einrichtung 16 verzögert.
Des Weiteren umfasst die Einrichtung 18 zum Kombinieren einen Phasenmodulator 66, um das Phasenrauschreduktionssignal K·e^–ja ^Ψ[k] auf das abwärts gemischte digitalisierte Empfangssignal r_ZF[k] aufzumodulieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Phasenmodulation eine Multiplikation der beiden Signale gemäß
Somit kann an einem Ausgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ein Signal r_ZF' [k] mit eliminiertem bzw. reduziertem Phasenrauschen erhalten werden.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bisher beschriebenen Bauteile und Vorgehensweisen beschränkt ist. So kann gemäß Ausführungsbeispielen eine Umsetzung des Lokaloszillatorsignals s_LO(t) in den Basisbandbereich auch durch einen einzigen Mischvorgang erfolgen. So könnte beispielsweise der Referenzoszillator 34 und der Frequenzvervielfacher 36 so eingestellt sein, dass am Ausgang des Mischers 32 bzw. am Ausgang des Filters 38 bereits ein analoges Basisbandsignal s_LO,BB(t) vorliegt, welches durch den Analog-Digital-Umsetzer 40 digitalisiert wird. Demnach wären bei diesem Ausführungsbeispiel der digitale Mischer 44, der NCO 42 und das digitale Filter 46 nicht erforderlich.
Des Weiteren könnte gemäß einem Ausführungsbeispiel der analoge Mischvorgang mittels des Mischers 32, des Referenzoszillators 34, des Frequenzvervielfachers 36 und des analogen Filters 38 weggelassen werden und die Abwärtsmischung des hochfrequenten Oszillatorsignals s_LO(t) nach einer Analog-Digital-Umsetzung digital durch den NCO 42, den digitalen Mischer 44 und das digitale Filter 46 erfolgen.
Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, kann bei einem zumindest näherungsweise idealen Abwärtsmischen des Oszillatorsignals in den Basisbandbereich das Basisbandsignal sLO,BB[k] = s ^LO/√2e–jΨ[k] oder ein daraus abgeleitetes Signal auch als Phasenrauschkorrektursignal verwendet werden, um gemäß Gleichung (12) das phasenrauschreduzierte Empfangssignal r_ZF' zu erhalten.
Des Weiteren ist es natürlich auch denkbar, dass das hochfrequente Empfangssignal r_HF(t) durch den Mischer 20 und das Lokaloszillatorsignal s_LO(t) direkt in den Basisbandbereich gemischt wird und dort mittels des Analog-Digital-Umsetzer 30 digitalisiert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Konzept kann sich insbesondere bei Empfängern mit digitaler Signalverarbeitung ein eleganter Weg ergeben, Phasenrauschen des Lokaloszillators zu kompensieren bzw. deutlich zu verringern. Wesentliche Verarbeitungsschritte lassen sich quasi fehlerfrei und unabhängig von Bauteiltoleranzen digital ausführen. Des Weiteren sind die meisten der erforderlichen analogen Stufen oftmals schon in einem Frequenz-Synthesizer eines Empfängers bereits vorhanden.
Da das erfindungsgemäße Konzept Phasenfehler des Lokaloszillators ausgleicht, bewirkt es gleichzeitig eine Verkürzung der Einschwingzeit des Lokaloszillators nach einem Frequenzwechsel.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung oder die erläuterte Vorgehensweise beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung. Auch die verwendeten mathematischen Formeln haben lediglich exemplarisch deskriptiven Charakter.
Abhängig von den Gegebenheiten können die erfindungsgemäßen Verfahren zur Reduktion von Phasenrauschen in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem auf einer Maschine lesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren zur Reduktion von Phasenrauschen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder Mikrocontroller abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, ist die vorliegende Erfindung somit auch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zur Reduktion von Phasenrauschen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.

Claims

Vorrichtung (10) zur Reduktion eines Phasenrauschens (Ψ(t)) eines mit einem Oszillatorsignal (s_LO(t)) mit einer Oszillatorfrequenz (f_LO) abwärts gemischten Empfangssignals (r_ZF(t)), mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (12) zum Umsetzen des Oszillatorsignals (s_LO(t)) in einen Basisbandfrequenzbereich; einer Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Phasenrauschreduktionssignals auf der Basis des Oszillatorsignals in dem Basisbandfrequenzbereich; und einer Einrichtung (18) zum Kombinieren des abwärts gemischten Empfangssignals (r_ZF(t)) mit dem Phasenrauschreduktionssignal, um die Reduktion des Phasenrauschens zu bewirken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Einrichtung 12 zum Umsetzen einen Mischer (32) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Einrichtung (12) zum Umsetzen ein analoges Tiefpassfilter (38) zum Tiefpassfiltern eines Ausgangssignals des Mischers (32) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einrichtung (12) zum Umsetzen eine Einrichtung (35) zum Erzeugen eines Referenzoszillatorsignals (S_ref(t)) aufweist, das eine höhere Qualität aufweist als das Oszillatorsignal (s_LO(t)).
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Einrichtung (35) zum Erzeugen einen Quarz-Oszillator (34) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Einrichtung (35) zum Erzeugen ferner einen Frequenzvervielfacher (36) zum Generieren des Referenzoszillatorsignals (s_ref(t)) aus einem Referenzoszillatorausgangssignal aufweist, so dass eine Frequenz des Referenzoszillatorsignals (s_ref(t)) näher an der Frequenz des Oszillatorsignals (s_LO(t)) liegt als eines Frequenz des Referenzoszillatorausgangssignals.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (12) zum Umsetzen einen Analog-Digital-Umsetzer (40) zum Analog-Digital-Umsetzen des Oszillatorsignals (s_LO(t)) bei der Umsetzung in den Basisbandfrequenzbereich in ein digitales Signal aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Einrichtung (12) zum Umsetzen einen digitalen Mischer (44) zum Mischen des digitalen Signals mit einem digitalen Oszillationssignal aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Einrichtung (12) zum Umsetzen einen numerisch gesteuerten Oszillator (42) zum Erzeugen des digitalen Oszillationssignals aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Einrichtung (12) zum Umsetzen ein digitales Tiefpassfilter (46) zum Tiefpassfiltern eines Ausgangssignals des digitalen Mischers (44) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (14) zum Erzeugen des Phasenrauschreduktionssignals eine Einrichtung (15) zum Extrahieren einer Phaseninformation (Θ(t); Ψ(t)) des Oszillatorsignals in dem Basisbandfrequenzbereich und eine Einrichtung (16) zum Bilden des Phasenrauschre duktionssignals aus der extrahierten Phaseninformation (Θ(t); Ψ(t)) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Einrichtung (14) zum Extrahieren einen Phasendemodulator aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei der Phasendemodulator ein digitaler Phasendemodulator ist
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei Einrichtung (16) zum Bilden des Phasenrauschreduktionssignals ausgebildet ist, um die Phaseninformation mit einem Faktor a zu gewichteten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei a = –1.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (18) zum Kombinieren eine Einrichtung (48) zum Synchronisieren des abwärts gemischten Empfangssignals und des Phasenrauschreduktionssignals aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Einrichtung (48) zum Synchronisieren jeweils ein Verzögerungsglied (50), (52) für das abwärts gemischte Empfangssignal und das Phasenrauschreduktionssignal aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die Einrichtung (18) zum Kombinieren einen Phasenmodulator (54) aufweist, um das Phasenrauschreduktionssignal auf das abwärts gemischte Empfangssignal aufzumodulieren.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner einen Analog-Digital-Umsetzer (30) aufweist, um das abwärts gemischte Empfangssignal zu digitalisieren.
Verfahren zur Reduktion eines Phasenrauschens (Ψ(t)) eines mit einem Oszillatorsignal (s_LO(t)) mit einer Oszillatorfrequenz (f_LO) abwärts gemischten Empfangssignals (r_ZF(t)), mit folgenden Schritten: Umsetzen des Oszillatorsignals (s_LO(t)) in einen Basisbandfrequenzbereich; Erzeugen eines Phasenrauschreduktionssignals auf der Basis des Oszillatorsignals in dem Basisbandfrequenzbereich; und Kombinieren des abwärts gemischten Empfangssignals (r_ZF(t)) mit dem Phasenrauschreduktionssignal, um die Reduktion des Phasenrauschens zu bewirken.
Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zur Reduktion eines Phasenrauschens gemäß Anspruch 19, wenn das Computer-Programm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.