-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Breitbandfunksystem, das zur Anpassung an verschiedene globale Funkstandards entwickelt wurde, und insbesondere auf eine zellulare Funkarchitektur, die eine Kombination aus einem einzelnen Zirkulator, einem programmierbaren Band-Pass Sampling-Funkfrequenz (RF) Front-End und einem optimierten digitalen Basisband verwendet, das in der Lage ist, alle aktuellen Mobilfunk-Zugangsprotokoll-Frequenzbänder zu unterstützen.
-
Erläuterung des Standes der Technik
-
Herkömmliche Mobiltelefone verwenden verschiedene Betriebsmodi und -bänder, die hardwaremäßig unterstützt werden, indem mehrere unterschiedliche Funk-Front-End- und Basisbandverarbeitungschips in einer Plattform integriert sind, wie beispielsweise Triband- oder Quad-Band-Benutzer-Handgeräte, die ein globales System für Mobilkommunikation (GSM), allgemeine Paketfunkdienste (GPRS-Global Packet Radio Service) usw. unterstützen. Bekannte Mobilfunkempfänger haben einige der Antennen- und Basisband-Datenpfade integriert, aber dennoch ist der heutige Stand der Technik für die Bereitstellung von Massen-Mobilfünkgeräten und Fahrzeugfunk nach wie vor ein mehrfacher statischer Kanalisierungsansatz. Eine derartige statische Architektur ist entscheidend von Schmalbandfiltern, Dopplern und einer standardspezifischen Abwärtskonvertierung in Zwischenfrequenz-(IF)-Stufen abhängig. Der Hauptnachteil dieses statischen, kanalisierten Ansatzes ist seine Inflexibilität in Bezug auf die sich ändernden Standards und Betriebsarten. Da sich die Mobilfunkindustrie von 2G, 3G, 4G und darüber hinaus weiterentwickelt hat, erforderte jede neue Wellenform und jeder neue Modus eine Umgestaltung des RF-Frontends des Empfängers sowie die Erweiterung der Basisband-Chipsatz-Fähigkeit, was ein neues Handgerät erforderlich machte. Für Automobilanwendungen ist diese Unflexibilität zur Unterstützung neuer Anwendungen unerschwinglich teuer und für den Endverbraucher eine Belästigung.
-
Die Bereitstellung von zuverlässigen, drahtlosen Zugängen für die Automobilindustrie ist aus der Sicht eines Automobilherstellers eine Herausforderung, da die mobilen Verbindungsverfahren und -architekturen weltweit unterschiedlich sind. Darüber hinaus ändern sich die Standards und Technologien ständig und weisen typischerweise einen Entwicklungszyklus auf, der um ein Vielfaches schneller ist als die durchschnittliche Lebensdauer eines Fahrzeugs. Insbesondere aktuelle RF-Frontend-Architekturen für Kfz-Funkgeräte sind für bestimmte RF-Frequenzbänder ausgelegt. Dedizierte Hardware, die auf die richtige Frequenz abgestimmt ist, muss auf der Funkplattform für das jeweilige Frequenzband installiert sein, auf dem das Funkgerät betrieben werden soll. Wenn also Mobilfunkanbieter ihr jeweiliges Frequenzband wechseln, kann es sein, dass das Fahrzeug, auf welches das vorhergehende Band abgestimmt wurde und das eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren aufweisen kann, auf dem neuen Band nicht effizient funktioniert. Daher erfordert dies Automobilhersteller, eine Vielzahl von Funkplattformen, Komponenten und Zulieferern zu verwalten, um jeden eingesetzten Standard zu unterstützen und einen Weg zur Erweiterungsfähigkeit bereitzustellen, wenn sich die Mobilfunklandschaft ändert.
-
Bekannte softwaredefinierte Funkarchitekturen haben sich typischerweise auf nahtlose Basisbandoperationen konzentriert, um mehrere Wellenformen zu unterstützen, und ähnliche Abwärtskonvertierungen in Basisband-Spezifikationen übernommen. Ähnlich wurden für die Senderseite typischerweise parallele Leistungsverstärkerketten für verschiedene Frequenzbänder verwendet, um unterschiedliche Wellenformstandards zu unterstützen. Somit weisen die Empfänger-Front-End-Architekturen typischerweise einfache Direktabtast- oder einstufige Mischverfahren mit bescheidenen Leistungsspezifikationen auf. Insbesondere bedurfte es bisher keiner Anwendung, die einen Dynamikbereich von mehr als 110 dB mit den damit verbundenen Anforderungen an IP3-Faktor und Leistungsaufnahme erforderte, da diese Leistungsanforderungen mit komplementären Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Analogtechnologien nicht realisierbar waren. Es ist nicht offensichtlich, wie diese Metriken unter Verwendung bestehender Architekturen für CMOS-Geräte erreicht werden können, sodass der Dynamikbereich, die Empfindlichkeit und die Multimode-Anbindung sowohl für den Multi-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) als auch für den Digital-Analog-Wandler (DAC) ein wesentlich schwierigeres Problem darstellen.
-
Derzeit existieren softwaredefinierte Funkarchitekturen nicht im Automobilbereich, sondern wurden in anderen nicht-automobilen Anwendungen, wie beispielsweise militärische Funkgeräte mit Multiband-Wellenformen, vorgeschlagen und angestrebt. In diesen Bereichen hat sich jedoch aufgrund der stark unterschiedlichen Anforderungen bezüglich der Wellenform, der widersprüchlichen Anforderungen an die Betriebssicherheit und der komplexen Anforderungen an die Interoperabilität ein Null-IF-Ansatz als technisch schwierig erwiesen. Bekannte softwaredefinierte Funkgeräte haben sich typischerweise auf die Backend-Verarbeitung konzentriert und stellen insbesondere nahtlose Basisbandoperationen zur Unterstützung mehrerer Wellenformen bereit. Die bescheidenen Leistungsanforderungen haben keine aggressiveren Anforderungen an Frontend-Architekturen gestellt. Einfache Direktabtastung oder 1-stufige Mischverfahren waren im Empfänger ausreichend. Bei softwaredefinierten Funkgeräten, die Delta-Sigma-Modulatoren nutzen, wird die Komponentenfunktion üblicherweise nach einer Abwärtskonvertierungsstufe gefunden und weist Tiefpass-Eigenschaften auf. Hinsichtlich des Senders sind parallele Mehrfach-Endverstärkerketten zum Unterstützen unterschiedlicher Frequenzbänder und Wellenformstandards ausreichend, um die Anforderungen zu erfüllen.
-
Delta-Sigma-Modulatoren werden immer häufiger in digitalen Empfängern eingesetzt, da die Modulatoren nicht nur einen Breitband-Betrieb mit hohem Dynamikbereich bereitstellen, sondern auch viele einstellbare Parameter aufweisen, wodurch sie für rekonfigurierbare Systeme geeignet sind.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung, umfasst eine Vorrichtung eine Antenne zum Empfangen eines HF-Signals, einen Speicher zum Speichern eines Konfigurationsparameters, ein softwaredefinierbares Funkgerät zum Konfigurieren einer anfänglichen Filterreaktion, zum Filtern des RF-Signals, um ein gefiltertes RF-Signal zu erzeugen, und zum Rekonfigurieren der RF-Filterreaktion in Reaktion auf den Konfigurationsparameter, und einen Prozessor zum Verarbeiten des gefilterten RF-Signals, zum Bestimmen eines Qualitätsfaktors des gefilterten RF-Signals, zum Abrufen des Konfigurationsparameters in Reaktion auf den Qualitätsfaktor und Koppeln des Konfigurationsparameters an eine definierbare Software.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung, wobei das Verfahren das Konfigurieren einer Filterreaktion mit einer ersten Bandbreite und einer ersten Mittenfrequenz, Filtern eines Pilotsignals mit einer zweiten Mittenfrequenz, Bestimmen eines Frequenzversatzes zwischen der ersten Mittenfrequenz und der zweiten Mittenfrequenz, Erzeugen eines Konfigurationsparameters in Reaktion auf den Frequenzversatz und Speichern des Konfigurationsparameters in einem Speicher umfasst.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenlegung, wobei ein Verfahren zum Konfigurieren eines softwaredefinierbaren Funkgeräts, welches das Abrufen eines ersten Konfigurationsparameters, das Konfigurieren einer Filterreaktion in Reaktion auf den ersten Konfigurationsparameter, das Filtern eines RF-Signals, das Bestimmen eines Offsets zwischen einer Mittenfrequenz des RF-Signals und einer Mittenfrequenz der Filterreaktion, das Abrufen eines zweiten Konfigurationsparameters, der mit dem Offset verbunden ist, das Rekonfigurieren der Filterreaktion in Reaktion auf den zweiten Konfigurationsparameter und das Filtern des RF-Signals umfasst.
-
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung, wobei ein softwaredefinierbares Funkgerät eine Quelle eines Pilotsignals umfasst, das zum Erzeugen eines Pilotsignals bei einer ersten Mittenfrequenz betreibbar ist, einen Filter mit einer konfigurierbaren Filterreaktion in Reaktion auf einen Konfigurationsparameter, einen Prozessor, der ein Steuersignal erzeugt, um das Pilotsignal dem Filter zuzuführen, zum Bestimmen der ersten Mittenfrequenz und zum Erzeugen des Konfigurationsparameters in Reaktion auf die erste Mittenfrequenz, und einen Speicher zum Speichern des Konfigurationsparameters in einem Speicher.
-
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
-
Figurenliste
-
- 1 ein Blockdiagramm einer bekannten Multimode-Multiband-Mobilfunk-Handgeräte-Architektur;
- 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Mobilfunk-Frontend-Architektur, die softwareprogrammierbare Funktionen bereitstellt.
- 3 zeigt exemplarisch ein System zur dynamischen Frequenzkorrektur in einem Delta-Sigma-basierten Empfänger.
- 4 zeigt exemplarisch ein Verfahren zur dynamischen Frequenzkorrektur in einem Delta-Sigma-basierten SDR.
- 5 zeigt exemplarisch eine Vorrichtung zur dynamischen Frequenzkorrektur in einem Delta-Sigma-basierten Empfänger.
- 6 zeigt exemplarisch ein Verfahren zur dynamischen Frequenzkorrektur in einem Delta-Sigma-basierten softwaredefinierten Empfänger.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die nachfolgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Mobilfunkarchitektur gerichtet sind, ist lediglich exemplarischer Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einschränken. So ist beispielsweise die Funkarchitektur der Erfindung als Anwendung für ein Fahrzeug beschrieben. Wie jedoch von Fachleuten auf dem Gebiet der Technik wahrgenommen wird, kann die Funkarchitektur auch andere Anwendungen außer Automobilanwendungen bereitstellen.
-
Die hierin erörterten Mobilfunkarchitekturen gelten nicht nur für Mobilfunktechnologien, wie beispielsweise WiFi (IEEE 802.11)-Technologien. Des Weiteren werden die Mobilfunkarchitekturen als Vollduplex-Funksystem präsentiert, d. h. als ein Funksystem, das sowohl sendet als auch empfängt. Für drahtlose Dienste, die nur empfangen werden, wie beispielsweise GPS (Global Positioning System), GNSS (Global Navigation Satellite System) und diverse Entertainmentgeräte, wie beispielsweise AM/FM, Digital Audio Broadcasting (DAB), SiriusXM usw., wäre nur das hierin erörterte Empfängerdesign erforderlich. Zudem ermöglicht das beschriebene Funkarchitekturdesign ein weltweit funktionierendes Design für eine Funkgeräte-Hardware, das durch Software-Updates verschiedenen globalen Mobilfunkstandards angepasst werden kann. Es ermöglicht auch eine längere Nutzungsdauer des Funkgerätedesigns, da sich das Funkgerät bei Markteinführung an neue Funkstandards anpassen kann. So sind beispielsweise Entwicklungen in der 4G-Funktechnologie und Frequenzzuweisungen sehr dynamisch. Somit kann die am Markt eingesetzte Funkgeräte-Hardware bereits nach ein bis zwei Jahren veraltet sein. Für Anwendungen, wie beispielsweise im Automobilbereich, kann die Lebensdauer über zehn Jahre betragen. Diese Erfindung ermöglicht es, eine feste Hardware-Plattform durch Software-Updates updatefähig zu machen und damit die Nutzungsdauer und die globale Wiederverwendung der Hardware zu verlängern.
-
1 ist ein Blockdiagramm einer bekannten Multimode-Multiband-Mobilfünk-Handgeräte-Architektur 10 für ein typisches Mobiltelefon. Die Architektur 10 beinhaltet eine Antennenstruktur 12, die RF-Signale auf dem Frequenzband des Interesses empfängt und sendet. Die Architektur 10 beinhaltet auch einen Schalter 14 am Front-End der Architektur 10, der auswählt, für welchen bestimmten Kanal das gesendete oder empfangene Signal aktuell ist und das Signal durch einen speziellen Satz von Filtern und Duplexern leitet, die durch die Box 16 für den jeweiligen Kanal repräsentiert werden. Die Module 18 stellen die Multimode- und Multiband-Analogmodulation sowie die Demodulation der Empfangs- und Sendesignale bereit und trennen die Signale in Phasen- und Quadraturphasensignale, die an einen Empfänger 20 gesendet oder von ihm empfangen werden. Der Empfänger 20 wandelt auch analoge Empfangssignale in digitale Signale und digitale Übertragungssignale in analoge Signale um. Ein Basisband-Digital-Signalprozessor 22 stellt die digitale Verarbeitung der Sende- oder Empfangssignale für die jeweilige Anwendung bereit.
-
2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer zellularen Funk-Frontend-Architektur 30, die softwareprogrammierbare Fähigkeiten bereitstellt, wie nachfolgend im Detail erläutert wird. Die Architektur 30 beinhaltet eine Antennenstruktur 32, die in der Lage ist, die hierin erörterten zellularen Frequenzsignale zu empfangen und zu übertragen, wie beispielsweise in einem Bereich von 400 MHz - 3,6 GHz. Die von der Antennenstruktur 32 empfangenen und übertragenen Signale durchlaufen einen Multiplexer 34 mit drei Signalpfaden, wobei jeder Pfad für ein bestimmtes Frequenzband vorgesehen ist, das durch einen frequenzselektiven Filter 36 in jedem Pfad bestimmt wird. In dieser Ausführungsform wurden drei Signalpfade gewählt, wobei die Architektur 30 auf beliebig viele Signalpfade erweitert werden konnte. Jeder Signalpfad beinhaltet einen Zirkulator 38, der die Empfangs- und Sendesignale trennt und leitet, und eine Isolierung bereitstellt, sodass die zu übertragenden Hochleistungssignale nicht auf der Empfängerseite eindringen und die Empfangssignale auf diesen Frequenzbändern sättigen.
-
Die Architektur 30 beinhaltet auch ein Empfangsmodul 44, das sich hinter dem Multiplexer 34 befindet und ein Empfangsmodul 46, das die Empfangssignale verarbeitet sowie ein Sendemodul 48, das die Sendesignale verarbeitet. Das Empfangsmodul 46 beinhaltet drei Empfängerkanäle 50, einen für jeden der Signalpfade durch den Multiplexer 34, wobei ein weiterer Empfängerkanal 50 mit einem anderen der Zirkulatoren 38, wie dargestellt, verbunden ist. Jeder der Empfängerkanäle 50 beinhaltet einen Delta-Sigma-Modulator 52, der das analoge Signal im jeweiligen Frequenzband empfängt und über ein Verschachtelungsverfahren in Verbindung mit einer Reihe von N-Bit-Quantisierungsschaltungen, die mit einer sehr hohen Taktrate arbeiten, einen repräsentativen digitalen Datenstrom erzeugt, wie nachfolgend im Detail erläutert wird. Wie im Folgenden weiter erörtert wird, vergleicht der Delta-Sigma-Modulator 52 die Differenz zwischen dem Empfangssignal und einem Rückkopplungssignal, um ein für die empfangenen digitalen Daten repräsentatives Fehlersignal zu erzeugen. Die digitalen Datenbits werden einem digitalen Signalprozessor (DSP) 54 zugeführt, der den digitalen Datenstrom extrahiert. Ein digitaler Basisband-Prozessor (DBP) 56 empfängt und betreibt den digitalen Datenstrom für die weitere Signalverarbeitung in einer Art und Weise, die den Fachleuten im Stand der Technik wohlbekannt ist. Das Sendemodul 48 empfängt digitale Daten, die vom Prozessor 56 übertragen werden. Das Modul 48 beinhaltet eine Senderschaltung 62 mit einem Delta-Sigma-Modulator, der die digitalen Daten des digitalen Basisband-Prozessors 56 in ein analoges Signal umwandelt. Das Analogsignal wird von einem abstimmbaren Bandpassfilter (BPF) 60 gefiltert, um die Bandemission zu eliminieren und dann an einen Schalter 66 weitergeleitet, der das Signal an einen ausgewählten Leistungsverstärker 64 weiterleitet, der für das Frequenzband des übertragenen Signals optimiert ist. In dieser Ausführungsform wurden drei Signalpfade gewählt, wobei das Sendemodul 48 jedoch unter Verwendung beliebig vieler Signalpfade implementiert werden konnte. Das verstärkte Signal wird an den jeweiligen Zirkulator 38 im Multiplexer 34 gesendet, abhängig davon, welche Frequenz übertragen wird.
-
Wie aus der folgenden Erörterung ersichtlich wird, stellt die Konfiguration der Architektur 30 softwareprogrammierbare Fähigkeiten durch Hochleistungs-Delta-Sigma-Modulatoren bereit, die eine optimierte Leistung im Signalbereich des Interesses bereitstellen und über einen breiten Bereich von Trägerfrequenzen abgestimmt werden können. Die Architektur 30 erfüllt die aktuellen Mobilfunk-Zugangsprotokolle im Frequenzbereich 0,4-2,6 GHz, indem sie den Frequenzbereich in drei nicht kontinuierliche Bänder unterteilt. Es ist jedoch zu beachten, dass selbstverständlich auch andere Kombinationen von Signalpfaden und Bandbreite möglich sind. Der Multiplexer 34 implementiert eine Frequenzbereichs-Demultiplexing, indem er den an der Antennenstruktur 32 empfangenen RF-Träger in einen der drei Signalpfade leitet. Demgegenüber wird das Sendesignal durch den Multiplexer 34 auf die Antennenstruktur 32 gemultiplext. Für drahtlose Zugriffsanwendungen in Fahrzeugen ist eine derartige, kostengünstige integrierte Vorrichtung wünschenswert, um Teilekosten, Komplexität und Veralterung zu reduzieren und eine nahtlose weltweite Bereitstellung zu ermöglichen.
-
Die Delta-Sigma-Modulatoren 52 können in der Nähe der Antennenstruktur 32 positioniert werden, um die RF-Empfangssignale direkt in Bits im Empfängermodul 46 und Bits in ein RF-Signal im Sendemodul 48 umzuwandeln. Der Hauptvorteil der Verwendung der Delta-Sigma-Modulatoren 52 in den Empfängerkanälen 50 besteht darin, eine variable Bandbreite der Signalerfassung und variable Mittenfrequenz zu ermöglichen. Dies ist möglich, da die Architektur 30 eine Software-Manipulation der Modulator-Filterkoeffizienten ermöglicht, um die Signalbandbreite zu variieren und die Filtercharakteristik über das RF-Band abzustimmen.
-
Die Architektur 30 ermöglicht es, die Bandbreite der Signalerfassung zu variieren, was zum Empfangen von kontinuierlichen trägeraggregierten Wellenformen ohne zusätzliche Hardware verwendet werden kann. Trägeraggregation ist ein Verfahren, bei dem die Datenbandbreiten mehrerer Träger für normalerweise unabhängige Kanäle für einen einzelnen Benutzer kombiniert werden, um wesentlich höhere Datenraten als bei einem einzelnen Träger zu erzielen. Zusammen mit MIMO ist dieses Merkmal eine Voraussetzung in modernen 4G-Standards und wird durch die orthogonale Frequenzmultiplextechnik-(OFDM-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-Familie von Wellenformen ermöglicht, die eine effiziente spektrale Verwendung ermöglichen.
-
Die Architektur 30 durch die Delta-Sigma-Modulatoren 52 kann durch Software-Tuning der Bandpassbandbreite präzise Trägeraggregationsszenarien und Bandkombinationen bewältigen und ermöglicht somit eine Multisegment-Erfassung. Der Dynamikbereich verringert sich bei größeren Bandbreiten, wenn mehr Rauschen in den Sampling-Bandpass eingespeist wird. Es wird jedoch angenommen, dass die Trägeraggregation typischerweise sinnvoll ist, wenn der Benutzer ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis hat, und nicht etwa Zellbegrenzungskanten, wenn die Konnektivität selbst marginal sein kann. Es ist zu beachten, dass die Interband-Trägeraggregation automatisch von der Architektur 30 übernommen wird, da der Multiplexer 34 unabhängige Modulatoren in den Kanälen 50 einspeist.
-
Die Zirkulatoren 38 leiten die Sendesignale des Sendemoduls 48 zur Antennenstruktur 32 und ermöglichen gleichzeitig die Trennung zwischen den Hochleistungs-Sendesignalen und dem Empfangsmodul 46. Obwohl die Zirkulatoren 38 eine signifikante Signaltrennung vorsehen, gibt es innerhalb des Zirkulators 38 eine Port-zu-Port-Leckage, die einen Signalpfad zwischen dem Sendemodul 48 und dem Empfangsmodul 46 darstellt. Ein zweiter unerwünschter Signalpfad entsteht durch Reflexionen von der Antennenstruktur 32 und mögliche andere Komponenten im Empfänger. Dadurch wird ein Teil des Sendesignals von der Antennenstruktur 32 aufgrund einer Fehlanpassung zwischen der Leitungsimpedanz und der Antenneneingangsimpedanz reflektiert. Diese reflektierte Energie folgt demselben Signalpfad wie das gewünschte eingehende Signal zurück zum Empfangsmodul 46.
-
Die Architektur 30 ist auch für weitere drahtlose Kommunikationsprotokolle flexibel anpassbar. So kann beispielsweise ein Paar von Schaltern 40 und 42 vorgesehen sein, die vom DBP 56 angesteuert werden, um die Empfangs- und Sendesignale über dedizierte feste RF-Vorrichtungen 58 zu leiten, wie beispielsweise ein globales System für Mobilkommunikation (GSM), ein RF-Frontend-Modul oder ein WiFi-Frontend-Modul. In dieser Ausführungsform sind einige ausgewählte Signalpfade über herkömmliche RF-Vorrichtungen implementiert. 2 stellt nur einen zusätzlichen Signalpfad dar, kann aber je nach Verwendung und Einsatzgebiet auf eine beliebige Anzahl weiterer Signalpfade erweitert werden.
-
Delta-Sigma-Modulatoren sind eine bekannte Geräteklasse zum Implementieren von Analog-Digital-Wandlern. Die grundlegenden Eigenschaften, die genutzt werden, sind Überabtastung und Fehlerrückkopplung (Delta), die akkumuliert (Sigma) sind, um das gewünschte Signal in einen pulsmodulierten Strom umzuwandeln, der anschließend zum Ablesen der digitalen Werte gefiltert werden kann, während das Rauschen durch Umformen effektiv reduziert wird. Die wesentliche Einschränkung der bekannten Delta-Sigma-Modulatoren ist das Quantisierungsrauschen beim Puls-Umwandlungsprozess. Delta-Sigma-Wandler erfordern große Überabtastverhältnisse, um eine ausreichende Anzahl an Bitstromimpulsen für einen gegebenen Eingang zu erzeugen. Bei direkten Wandlungsschemata ist die Abtastrate größer als das Vierfache der RF-Trägerfrequenz, um die digitale Filterung zu vereinfachen. Daher haben die erforderlichen Multi-GHz Abtastraten die Verwendung von Delta-Sigma-Modulatoren in höherfrequenten Anwendungen eingeschränkt. Eine weitere Möglichkeit zur Rauschunterdrückung ist die Verwendung von Delta-Sigma-Modulatoren mit einer höheren Ordnung. Während jedoch kanonische Delta-Sigma-Architekturen erster Ordnung stabil sind, können höhere Ordnungen aufgrund der Toleranzen bei höheren Frequenzen instabil sein, insbesondere die Toleranzen bei höheren Frequenzen. Aus diesen Gründen beschränken sich Delta-Sigma-Modulatoren höherer Ordnung auf Audiofrequenzbereiche, d. h. zeitlich verschachtelte Delta-Sigma-Modulatoren zur Verwendung in Audioanwendungen oder speziellen Verschachtelungen bei hohen Frequenzen.
-
Die Filtereigenschaften eines Delta-Sigma-Modulators können effektiv modifiziert werden, um Dopplerverschiebungen zu kompensieren. Dopplerverschiebungen treten auf, wenn sich der Sender eines Signals in Bezug zum Empfänger bewegt. Die Relativbewegung verschiebt die Frequenz des Signals, sodass es am Empfänger unterschiedlich zum Sender ist. Ein exemplarisches System gemäß der vorliegenden Offenbarung nutzt die softwaredefinierte Funkarchitektur, um schnell eine Verschiebung der Trägerfrequenz abzuschätzen und den Filter neu zu zentrieren, bevor das Signal unterbrochen oder geschwächt wird. Im Normalbetrieb ist die Kerbe des Modulatorfilters um die erwartete Trägerfrequenz des empfangenen Signals zentriert, wobei die Signalbandinformationen um die Trägerfrequenz zentriert sind und die Bandbreite des Modulatorfilters nicht überschreiten. Eine Dopplerverschiebung würde den Träger um einen Betrag Δf kompensieren, was zu einer potenziellen Verschlechterung des Signalinhalts mit einer Zunahme des Rauschens auf einer Seite des Bandes führen würde. Gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren und System kann sich der Empfänger in einem drahtlosen Mobilfunk-Kommunikationssystem an Änderungen der RF-Trägerfrequenz anpassen und die Signalintegrität erhalten, indem die Filterkerbe um den gleichen Betrag wie die Trägerfrequenz verschoben wird.
-
Für die hierin erläuterte Mobilfunkanwendung, die mehrere zugeordnete Frequenzbänder abdeckt, ist ein Sender mit Multimode- und Multibandabdeckung erforderlich. Auch viele aktuelle Anwendungen erfordern Sender, die während des Betriebs einer einzelnen Kommunikationsverbindung schnell zwischen den Frequenzbändern wechseln, was eine erhebliche Herausforderung für typische lokale Oszillator-(LO)-basierte Senderlösungen darstellt. Dies liegt daran, dass die Schaltzeit des LO-basierten Senders oft durch die LO-Kanalumschaltzeit unter der Steuerung der Schleifenbandbreite des Frequenzsynthesizers um 1 MHz bestimmt wird. Die erreichbare Kanalumschaltzeit liegt somit bei einigen Mikrosekunden, was für ein agiles Funkgerät leider zu lang ist. Ein vollständig digitaler PWM-basierter Multi-Standard-Sender, der im Stand der Technik bekannt ist, leidet unter hoher Verzerrung, und die Kanalumschaltzeit wird immer noch vom LO auf der Trägerfrequenz bestimmt. Ein DDS kann als LO-Quelle verwendet werden, um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, jedoch verbraucht dieses Design eine beträchtliche Leistung und liefert möglicherweise keine Hochfrequenz-LOs mit niedrigen Störkomponenten. Alternativ können mit Einseitenbandmischern auch mehrere LOs mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen über einen gemeinsamen Phasenregelkreis (PLL) erzeugt werden, dessen Kanalumschaltzeiten schnell sein können. Dieser Ansatz kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl an LO-Optionen unterstützen und zusätzliche Kanäle zum Abdecken des breiten Spektrums der erwarteten 4G-Bänder erfordern zusätzliche Mischungen. Wie erörtert, wurden im Stand der Technik Sigma-Delta-Modulatoren vorgeschlagen, die als RF-Sender zum Beheben dieser Probleme verwendet werden können. In der Grundarchitektur kann jedoch ein Sigma-Delta-Modulator aufgrund einer moderaten Taktfrequenz keinen sehr hohen Dynamikbereich in einem breitbandigen Betrieb bereitstellen. Gerade weil die Taktfrequenz durch die aktuelle Technologie eingeschränkt ist, kann diese Hochfrequenz-Betriebsart nicht unterstützt werden.
-
Bezugnehmend nun auf 3 ist ein exemplarisches System zur dynamischen Frequenzkorrektur im Delta-Sigma-basierten softwaredefinierten Empfänger 300 dargestellt. Das System ist wirksam, um eine Signalantwort für eine entsprechende Dopplerverschiebung zu bestimmen. So ist beispielsweise ein Beispiel für ein Dopplerverschiebungsignal am System-Frontend des Empfängers angebracht. Das System ist dann wirksam, um einen Frequenzunterschied in der erwarteten Trägerfrequenz und der durch den Doppler verschobenen Trägerfrequenz zu bestimmen. Sobald diese Differenz bestimmt ist, wird die Differenz als Offset auf die Filterreaktion angewendet, wodurch die Filterbandbreite um einen Betrag in Höhe des Offsets verschoben wird. Das System ist dann wirksam, um in der verschobenen Filterfrequenzantwort zu bestimmen, ob eine ausreichende Dämpfung und eine ausreichende Durchlassbandantwort vorliegen. Ist dies der Fall, wird der Wert des Frequenz-Offsets zur Verwendung im Normalbetrieb gespeichert. Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform wird während eines Systemkonfigurationsmodus, ein Pilotton 310 bei einer bekannten Frequenz auf den Delta-Sigma-Modulator 320 angewendet. Der Pilotton ist die Frequenz einer zu erwartenden Betriebsfrequenz plus oder minus der Effekte einer Dopplerverschiebung. Das System ist dann in Betrieb, um eine erste Anpassung des Filters an die bekannte Pilotfrequenz vorzunehmen. Der DSP 330 ist dann in der Lage, einen Kalibrierbegriff wie beispielsweise ein n-Bit-Kalibrierungswort zu erzeugen. Der Kalibrierbegriff wird in einem Speicher 340 gespeichert. Während des normalen Empfangsbetriebs ist das System weiterhin in der Lage, den n-Bit-Kalibrierungscode an den Abstimmcode anzupassen, der dem Modulator in Reaktion auf die Dopplerverschiebung typischerweise angezeigt wird. Das System kann unter Verwendung eines einfachen Addierers, eines vergleichbaren Addierers oder in Software implementiert werden.
-
Unter Bezugnahme nun auf 4 ist ein exemplarisches Verfahren zur dynamischen Frequenzkorrektur in einem Delta-Sigma-basierten SDR 400 dargestellt. Während der Kalibrierung des Signalverarbeitungssystems ist es möglich, zunächst das SDR so zu konfigurieren, dass es ein Signal mit einer erwarteten Trägerfrequenz 405 empfängt. Das System ist dann in der Lage, ein RF-Pilotsignal 410 an einem Empfangsbereich des Empfängers, wie beispielsweise an der Antenne oder an den Bandpassfiltern oder am Eingang des Empfängers, wie zuvor beschrieben, anzulegen. Das RF-Pilotsignal weist eine bekannte Mittenfrequenz auf, die gegenüber der erwarteten Trägerfrequenz um einen Betrag versetzt ist, der einer zu erwartenden Dopplerverschiebung unter Betriebsbedingungen entspricht. Die SDR-Konfiguration wird dann konfiguriert, um das RF-Pilotsignal zu verarbeiten. Das System ist dann wirksam, um zu bestimmen, ob die SDR-Konfiguration zum Empfangen des RF-Pilotsignals 430 geeignet ist. Ist die Frequenzantwort der SDR-Konfiguration für eine korrekte Verarbeitung des RF-Pilotsignals nicht geeignet, wird der SDR-Konfigurationsschritt 420 wiederholt und die SDR-Konfiguration entsprechend des Bestimmens dem Frequenzgang geändert. Ist die Frequenzantwort der SDR-Konfiguration für eine korrekte Verarbeitung des RF-Pilotsignals geeignet, kann das System die Konfigurationsdaten mit der Frequenz des RF-Pilotsignals 440 speichern. So kann beispielsweise ein Frequenz-Offsetwert mit der Mittenfrequenz des RF-Pilotsignals gespeichert werden. Alternativ können die Konfigurationsparameter für die Deltasignal-Modulation zusammen mit dem Frequenzgang des RF-Pilotsignals in einem Speicher gespeichert werden.
-
Bezugnehmend nun auf 5 ist eine exemplarische Vorrichtung zur dynamischen Frequenzkorrektur im Delta-Sigma-basierten softwaredefinierten Empfänger 500 dargestellt. Das System ist wirksam, um ein RF-Signal 510 zu empfangen. Das SDR 520 ist zunächst konfiguriert, um das RF-Signal bei einer erwarteten Frequenz zu empfangen. Das SDR verarbeitet das empfangene RF-Signal 510 und koppelt die gefilterten und demodulierten Daten an den DSP 530. Der DSP verarbeitet die Daten und bestimmt die Signalqualität oder einen Qualitätsfaktor des Signals. Wenn die Signalqualität unterhalb eines akzeptablen Qualitätsschwellenwerts liegt, versucht der DSP die Mittenfrequenz des empfangenen RF-Signals zu bestimmen. Wenn die bestimmte Mittenfrequenz von der erwarteten Mittenfrequenz abweicht, ruft der DSP die entsprechenden gespeicherten Konfigurationsparameter aus dem Speicher 540 ab. Mit diesen Konfigurationsparametern wird die Konfiguration des SDR 520 so geändert, dass ein Signal mit der bestimmten Mittenfrequenz des empfangenen RF-Signals empfangen wird. Der DSP 530 ist dann wirksam, um die Daten zu verarbeiten und zu bestimmen, ob die Signalqualität für die bestimmte Mittenfrequenz akzeptabel ist. Falls nicht, wird der Vorgang mit verschiedenen Konfigurationsparametern wiederholt, bis die Signalqualität akzeptabel ist. Sobald eine akzeptable Konfiguration hergestellt ist, kann das System das empfangene RF-Signal mit diesen Parametern verarbeiten und dekodieren und die Signalqualität periodisch überprüfen.
-
Bezugnehmend nun auf 6 ist ein exemplarisches Verfahren zur dynamischen Frequenzkorrektur im Delta-Sigma-basierten softwaredefinierten Empfänger 600 dargestellt. Während der Signalverarbeitung ist das Verfahren zum Empfang eines RF-Signals 605 auf dem interessierenden Frequenzband wirksam. Der Delta-Sigma-Modulator ist konfiguriert, um das RF-Signal 605 im interessierenden Frequenzband 610 zu empfangen. Ein DSP wird dann verwendet, um zu bestimmen, ob eine Dopplerverschiebung auf dem RF-Signal 620 vorhanden ist, wodurch die erwartete Trägerfrequenz geändert wird. Wird eine Dopplerverschiebung erkannt, so wird ein vorgespeichertes Kalibrierungswort aus dem Speicher extrahiert und die Delta-Sigma-Modulatorreaktion entsprechend dem Kalibrierungswort 630 geändert. Das System ist dann wirksam, um das RF-Signal 600 zu verarbeiten. Wird keine Dopplerverschiebung erkannt, so ist der DSP zum Verarbeiten des RF-Signals 600 wirksam.
-
Wie Fachleuten hinreichend bekannt ist, können sich die hierin zur Beschreibung der Erfindung erörterten mehreren und unterschiedlichen Schritte und Verfahren auf Vorgänge beziehen, die von einem Computer, einem Prozessor oder anderen Geräten zur elektronischen Berechnung verwendet werden, die unter Zuhilfenahme elektrischer Vorgänge Daten manipulieren und/oder verändern. Diese Computer und elektronischen Geräte können unterschiedliche flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicher beinhalten, zu denen ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium mit einem ausführbaren darauf gespeicherten Programm, einschließlich verschiedenen Codes oder ausführbaren Anweisungen gehört, die in der Lage sind, von Computern oder Prozessoren ausgeführt zu werden, wobei es sich bei dem Speicher und/oder dem computerlesbaren Medium um sämtliche Formen und Arten von Speicher und sonstigen computerlesbaren Medien handeln kann.
-
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden aus der besagten Abhandlung und aus den beigefügten Zeichnungen und Patentansprüchen leicht erkennen, dass ohne von dem in den folgenden Patentansprüchen definierten Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen an derselben vorgenommen werden können.
