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HINTERGRUND
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf Funksysteme mit großer Bandbreite, die zum Anpassen an verschiedene globale Funkstandards und insbesondere an eine Mobilfunkarchitektur entwickelt wurden, die eine FM-Empfängerarchitektur verwendet, die in der Lage ist, digitale Darstellungen aller Signale im FM-Band bereitzustellen. Die Architektur basiert auf einem einzigen Breitband-Delta-Sigma-Modulator, der alle Signale im FM-Band erfasst und gleichzeitig eine digitale Darstellung jedes der Signale erzeugen kann.
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Erläuterung der verwandten technik
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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-Mobilfunkvorrichtungen 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 HF-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.
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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 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.
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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. Insbesondere beinhalten Delta-Sigma-Modulatoren einen softwaregesteuerten Filter zur Rauschformung eines eingehenden HF-Signals. Es wäre wünschenswert, die programmierbare Software des Delta-Sigma-Modulators zu nutzen, um die Verarbeitungslast eines digitalen Signalprozessors weiter zu reduzieren.
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KURZDARSTELLUNG
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung stellen eine Reihe von Vorteilen bereit. So können beispielsweise Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung das Empfangen von Steuerdaten zur Verwendung durch autonome Fahrzeugsoftware, Subsystemen und dergleichen ermöglichen. Dieses System kann ferner zum Empfangen von Unterhaltungs-, Audio- und Videoprogrammen verwendet werden und ist nicht auf autonome Fahrzeuge beschränkt.
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein Verfahren zum Filtern eines ersten Analogsignals aus einer ersten Bandbreite von Frequenzen, umfassend das Empfangen des ersten Analogsignals, das erste Daten transportiert, und eines zweiten Analogsignals, das zweite Daten transportiert, das Filtern des ersten Analogsignals und des zweiten Analogsignals über die erste Bandbreite, worin das erste Analogsignal bei einer ersten Frequenz innerhalb der ersten Bandbreite zentriert ist und das zweite Analogsignal bei einer zweiten Frequenz innerhalb der ersten Bandbreite zentriert ist, Delta-Sigma, welches das erste Analogsignal und das zweite Analogsignal moduliert, um ein erstes digitales Signal zu erzeugen, das erste digitale Signal zum Erzeugen eines Basisband-Digitalsignals abwärts abtastet und das digitale Basisbandsignal verarbeitet, um die ersten Daten zu extrahieren.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschreibt ein Verfahren zum Konfigurieren eines Delta-Signal-Modulators, umfassend das Empfangen eines ersten Analogsignals, das eine erste Information innerhalb einer ersten Bandbreite von Frequenzen trägt, das Verstärken des ersten Analogsignals, um ein verstärktes Analogsignal zu erzeugen, das Filtern des verstärkten Analogsignals über die erste Bandbreite von Frequenzen, um ein gefiltertes Analogsignal zu erzeugen, das Modulieren des gefilterten Analogsignals gemäß einer Delta-Sigma-Modulation, um ein erstes digitales Signal zu erzeugen, das Dezimieren des ersten digitalen Signals, um ein zweites digitales Signal zu erzeugen, und das Verarbeiten des zweiten digitalen Signals, um die ersten Daten zu extrahieren.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschreibt eine Vorrichtung, die eine Antenne zum Empfangen eines ersten Analogsignals, das erste Daten innerhalb einer ersten Bandbreite von Frequenzen transportiert, einen rauscharmen Verstärker zum Verstärken des ersten Analogsignals zum Erzeugen eines verstärkten Analogsignals, einen Filter zum Filtern des verstärkten Analogsignals über die erste Bandbreite von Frequenzen zum Erzeugen eines gefilterten Analogsignals, einen Delta-Sigma-Modulator zum Modulieren des gefilterten Analogsignals zum Erzeugen eines ersten digitalen Signals, einen Dezimator zum Abwärtsabtasten des ersten digitalen Signals zum Erzeugen eines zweiten digitalen Signals sowie einen Basisbandprozessor zum Verarbeiten des zweiten digitalen Signals zum Extrahieren der ersten Daten aufweist.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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Figurenliste
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- 1 stellt ein Blockdiagramm einer bekannten Multimode-Multiband-Mobilfunk-Handgeräte-Architektur dar.
- 2 stellt ein Blockdiagramm einer anwendbaren softwareprogrammierbaren Mobilfunkarchitektur dar.
- 3 stellt ein exemplarisches System zum Implementieren Breitband-Sigma-Delta-Modulatorempfängers in einem softwaredefinierten Funkgerät dar.
- 4 stellt ein exemplarisches Verfahren zum Implementieren Breitband-Sigma-Delta-Modulatorempfängers in einem softwaredefinierten Funkgerät dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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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.
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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.
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1 ist ein Blockdiagramm einer bekannten Multimode-Multiband-Mobilfunk-Handgeräte-Architektur 10 für ein typisches Mobiltelefon. Die Architektur 10 beinhaltet eine Antennenstruktur 12, die HF-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.
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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 enthält einen Zirkulator 38, der die Empfangs- und Sendesignale trennt und leitet sowie eine Isolierung bereitstellt, sodass die zu übertragenden Hochleistungssignale nicht auf der Empfängerseite eindringen und die Empfangssignale auf diesen Frequenzbändern sättigen.
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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.
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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-Demultiplexung, indem er den an der Antennenstruktur 32 empfangenen HF-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.
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Die Delta-Sigma-Modulatoren 52 können in der Nähe der Antennenstruktur 32 positioniert werden, um die HF-Empfangssignale direkt in Bits im Empfängermodul 46 und Bits in ein HF-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 HF-Band abzustimmen.
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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.
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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.
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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.
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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 HF-Vorrichtungen 58 zu leiten, wie beispielsweise ein globales System für Mobilkommunikation (GSM), ein HF-Frontend-Modul oder ein WiFi-Frontend-Modul. In dieser Ausführungsform sind einige ausgewählte Signalpfade über herkömmliche HF-Vorrichtungen implementiert. 2 stellt nur einen zusätzlichen Signalpfad dar, kann aber je nach Verwendung und Einsatzgebiet auf eine beliebige Anzahl weiterer Signalpfade erweitert werden.
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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 HF-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.
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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 verschieben, 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 HF-Trägerfrequenz anpassen und die Signalintegrität erhalten, indem die Filterkerbe um denselben Betrag wie die Trägerfrequenz verschoben wird.
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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 PWMbasierter 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 HF-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.
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Mit Blick nun auf 3 wird ein exemplarisches System zum Implementieren eines Breitband-Sigma-Delta-Modulator-Empfängers 300 in einem softwaredefinierten Funkgerät dargestellt. Das System umfasst eine Antenne 305, einen rauscharmen Transkonduktanzverstärker (LNTA) 310, einen abstimmbaren Bandpass-Delta-Sigma-Modulator 315, einen Dezimationsfilter 320 sowie einen digitalen Basisbandprozessor (DBP) 330. Ein Sigma-Delta-Datenkonverter auf Basis eines Breitband-FM-Empfängers, der gleichzeitig das gesamte kommerzielle FM-Band erfassen kann. Über die digitale Signalverarbeitung kann der Empfänger mehrere FM-Kanäle zum Demodulieren und Ausgeben extrahieren, sodass ein Abtasten mehrerer Tuner-basierter Kanäle überflüssig wird. Des Weiteren kann das vorgeschlagene System eine vollständige Software und digitale Steuerung der gesamten FM-Bandverarbeitung für kommerzielle Funkempfängeranwendungen ermöglichen.
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Die Antenne 305 ist in der Lage, alle Signale über das gesamte kommerzielle FM-Band zu empfangen. Dies kann durch eine einzelne Antenne oder eine Kombination von Antennen mit oder ohne einzelne Verstärker und/oder Bandpassfilter erreicht werden. Die Antenne für das FM-Band kann eine Monopolantenne oder eine Planarantenne sein, die auf einer Glasfläche eines Fahrzeugs montiert ist. Insbesondere kann das System eine asymmetrisch verjüngte Bowtie-Antenne verwenden, um die Betriebsbandbreite zu erhöhen.
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Die von der Antenne 305 empfangenen Signale werden dann zum Verstärken an ein LNTA 310 oder dergleichen gekoppelt. Alternativ kann auch ein traditioneller rauscharmer Verstärker (LNA) verwendet werden. LNTA führt im Austausch für niedrigere Rauschwerte eine Nichtlinearität ein, während für einen LNA das Gegenteil gilt. Das verstärkte Signal wird dann vom LNTA an den abstimmbaren Bandpass-Delta-Sigma-Modulator 315 gekoppelt.
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Der abstimmbare Bandpass-Delta-Sigma-Modulator 315 ist in der Lage, das verstärkte Signal bei Fs/2 innerhalb eines interessierenden Bandes beim HF-Träger (88-108 MHz) zu empfangen und das Signal in eine digitale Darstellung umzuwandeln. Der Modulator 315 weist einen abstimmbaren Filter und einen M-Bit-Quantisierer auf, der bei K*Fs getaktet wird. Der Dezimationsfilter 320 bringt die Informationen des ausgewählten Signals in das Basisband. In der Praxis wird eine Kerbfilter-Mittenfrequenz auf die gewünschte Signalfrequenz verschoben. Der Modulator ist in der Lage, durch eine Überabtastung (um einen Faktor K) einen hohen Dynamikumfang über das schmale Signalband zu erreichen. In einer exemplarischen Ausführungsform kann der Bandpass-Delta-Sigma-Modulator eine feste Bandbreite von 20 MHz mit einer 4th Ordnung , 3-Bit-Modulator mit einem LC-Resonator aufweisen
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Das Basisbandsignal des Dezimationsfilters wird dann mit einem digitalen Basisbandprozessor (BDP) 330 zur Signalverarbeitung gekoppelt. Der BDP analysiert die Daten und extrahiert alle verfügbaren Informationen, die gegenwärtig mit dem Audiosignal gesendet werden. Ohne die Notwendigkeit, separate Tuner zum Scannen von Sendern, zum Durchsuchen von Verkehrsankündigungen oder einer Vielzahl anderer kommerzieller Funktionen in einem Funkdatensystem-(RDS)-Dienst hinzuzufügen, sind alle Daten leicht verfügbar.
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Das vorgeschlagene System ist wünschenswert, da keine zusätzliche Schaltung erforderlich ist, um den HF-Träger vor der Verarbeitung auf eine Zwischenfrequenz (IF) zu bringen. Es wird jedoch nur eine einzige Frequenz zum Verarbeiten ausgewählt, sodass eine zusätzliche Abstimmung erforderlich ist, um alle in aktuellen FM-Systemen verfügbaren Informationen zu erfassen, worin ein fester Bandpassmodulator zum Erfassen des gesamten Bandes verwendet werden kann. Die Extraktion der Signale, Daten und Informationen erfolgt vollständig im digitalen Bereich.
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Mit Blick nun auf 4 wird ein exemplarisches Verfahren zum Implementieren eines Breitband-Sigma-Delta-Modulator-Empfängers 400 in einem softwaredefinierten Funkgerät dargestellt. Das vorgeschlagene Verfahren ist zunächst funktionsfähig, um ein frequenzmoduliertes Signal 410 innerhalb eines ersten Frequenzbandes zu empfangen. Das empfangene Signal wird dann auf einen Amplitudenbereich verstärkt, der zur weiteren Verarbeitung 420 geeignet ist, um ein verstärktes Signal zu erzeugen. Das verstärkte Signal wird dann mit einem Delta-Sigma-Modulator 430 gefiltert, um ein digitales Signal zu erzeugen, welches das empfangene analoge Signal repräsentiert. Das digitale Signal wird dann dezimiert 440, um die Abtastrate des Signals zu reduzieren. Dies führt zu einer Annäherung an die digitale Sequenz, die durch den Delta-Signal-Modulator erzeugt wird, der dann mit dem BDP zur Signalgewinnung und -weiterverarbeitung 450 gekoppelt wird.
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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 Vorrichtungen können unterschiedliche flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicher beinhalten, zu denen ein nichttransitorisches 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.
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Die vorhergehende Erläuterung 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.
