DE10361651B4

DE10361651B4 - Verfahren zum Kalibrieren einer Verstärkeranordnung

Info

Publication number: DE10361651B4
Application number: DE10361651A
Authority: DE
Inventors: Zdravko Boos
Original assignee: Intel Mobile Communications GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2023-12-31
Also published as: US7161418B2; DE10361651A1; US20050168277A1

Abstract

Verfahren zum Kalibrieren einer Verstärkeranordnung, die zwei hintereinander geschaltete, in unterschiedlicher diskreter Schrittweite programmierbare Verstärker (2, 3) umfasst, mit den Schritten: – Programmieren eines ersten vorbestimmten Verstärkungsfaktors durch Programmieren eines der beiden Verstärker (2), – Einspeisen eines Testsignals in die Verstärkeranordnung (2, 3) und Messen des tatsächlichen Ausgangspegels (RSSI) der Verstärkeranordnung (2, 3), – Programmieren eines zweiten vorbestimmten Verstärkungsfaktors durch Programmieren des anderen der beiden Verstärker (3), – Einspeisen eines Testsignals in die Verstärkeranordnung (2, 3) und Messen des Ausgangspegels (RSSI) der Verstärkeranordnung (2, 3), – Kalibrieren der Verstärkung der Verstärkeranordnung (2, 3) in Abhängigkeit der Ergebnisse der Messungen, wobei das Kalibrieren der Verstärkung der Verstärkeranordnung (2, 3) durch Programmieren der Verstärkung eines dritten Verstärkers (1) erfolgt, so dass ein Offset in der Verstärkung verschwindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Verstärkeranordnung.
In Funkempfangs- und Funksendeanordnungen werden zur automatischen Verstärkungsregelung in den jeweiligen Signalpfaden normalerweise sogenannte AGC, Automatic Gain Control, also automatische Verstärkungsregelungen, zur Steuerung der Amplitudenverstärkung eingesetzt. Solche AGC regeln bezüglich der Amplitudenverstärkung kontinuierlich und werden beispielsweise überwiegend in Mobilfunk-Transceivern verwendet, die gemäß GSM, Global System for Mobile Communication-Standard, arbeiten.
Bei den kürzlich eingeführten Mobilfunkgeräten der sogenannten dritten Generation bestehen hingegen höhere Anforderungen an den Verstärkungsbereich und an die Genauigkeit der Verstärkungseinstellung. Dies ist dadurch bedingt, daß diese Kommunikationsgeräte Code-Vielfach-Zugriffsverfahren einsetzen, englisch: CDMA, Code Division Multiple Access, während bisher normalerweise Zeit-Vielfach-Zugriffsverfahren, Time Division Multiple Access, TDMA, oder Frequenz-Vielfach-Zugriffsverfahren, Frequency Division Multiple Access, FDMA, eingesetzt werden. Da bei den modernen Mobilfunkverfahren ein Teil der Information in der Modulation der Amplitude übertragen wird, ergeben sich insgesamt deutlich höhere Anforderungen an die Verstärkungsregelung. Zudem muß die AGC nicht nur mit höherer Genauigkeit und einem größeren Einstellbereich durchgeführt werden muß, sondern sowohl im Sendebetrieb als auch im Empfangsbetrieb kontinuierlich erfolgen.
In Sendeanordnungen gemäß UMTS, Universal Mobile Telecommunications Standard, beispielsweise ist die maximale Ausgangsleistung für einen Klasse 3-Sender mit +24 dBmW und die minimale Ausgangsleistung mit –50 dBmW spezifiziert. Demnach ist der erforderliche Leistungsregelbereich des Senders zumindest 74 dB groß. Zu diesen 74 dB ist die Streuung der Verstärkung über die Verstärkersignalkette von zumindest 6 dB zu addieren. Demnach muß in der Praxis ein minimaler Verstärkungsbereich von 80 dB abgedeckt werden können.
In der Spezifikation wird weiterhin gefordert, daß die Verstärkung in Stufen von 1 dB mit einer Genauigkeit von +/–0,5 dB bei allen Temperaturen, Prozeßtoleranzen und Frequenzen einzuhalten ist.
Zudem sollte im Hinblick auf eine geringstmögliche Leistungsaufnahme vorgesehen sein, daß die zehn Stufen mit der größten Verstärkung der insgesamt 80 Verstärkerstufen bevorzugt eine Genauigkeit von 0,1 dB haben. In einem Empfänger gemäß UMTS beispielsweise kann das Eingangssignal irgend einen Pegel zwischen –99 dBm und –25 dBm annehmen. Dies führt zu einem abzudeckenden Verstärkungsbereich einschließlich Toleranzkompensationvon mindestens 80 dB. Normalerweise wird dabei vom eingangsseitigen, rauscharmen Verstärker, Low Noise Amplifier, LNA, eine Verstärkung von 20 dB in einer Stufe bewirkt, während im Basisband die verbleibenden 60 dB in Stufen von 1 dB abgedeckt werden.
In dem Dokument DE 101 63 466 A1 ist eine Sendeanordnung für zeitkontinuierliche Datenübertragung angegeben, bei der zur Signalverstärkung programmierbare Verstärker im Basisband und/oder im Hochfrequenzpfad der Signalverarbeitungskette vorgesehen sind.
Eine programmierbare Verstärkungsregelung, englisch: PGC, Programmable Gain Control, ist im Gegensatz zur AGC vorliegend als in diskreten Schritten der Amplitudenverstärkung einstellbar verstanden.
Hoch integrierbare Transceiver-Architekturen, die Multi-System-, Multi-Frequenzband- und Multi-Mode-Anforderungen erfüllen, werden normalerweise als Sender mit einer Direktumsetzungsarchitektur und Empfänger mit einer Direktumsetzungsarchitektur ausgelegt. Aufgrund der Tatsache, daß bei derartigen Transceivern keine Zwischenfrequenzverarbeitung erfolgt, ist es erforderlich, die Verstärkungsregelung auf die Basisbandsignalverarbeitung und die Hochfrequenzsignalverarbeitung zu verteilen.
Bei UMTS-Systemen umfaßt das Basisband beispielsweise einen Frequenzbereich von 0 Hz bis 1,92 MHz. Der Hochfrequenzbereich bedeutet bei UMTS-Systemen beispielsweise ein Frequenzband von 1920 bis 1980 MHz im Sender und 2110 bis 2170 MHz im Empfänger.
Zur Zeit wird eine kontinuierliche Verstärkungsregelung, AGC, bevorzugt in Sendeanordnungen gemäß Code-Vielfach-Zugriffs verfahren eingesetzt, um den Erfordernissen bezüglich Größe des Fehlervektors, englisch: Error Vector Magnitude, EVM, und der Sendespektrum-Maske über den gesamten Dynamikbereich gerecht zu werden. Zudem kann die Verstärkungsregelung nicht wie bei Zeit-Vielfach-Zugriffssystemen jeweils vor den eigentlichen Sendezeitschlitzen erfolgen, sondern muß während der kontinuierlichen Nutzdatenübertragung durchgeführt werden.
Obwohl die programmierbare Verstärkungsregelung, PGC, Vorteile im Hinblick auf geringere Leistungsaufnahme, geringere Chipfläche, reduzierte Pin-Anzahl, höhere Robustheit gegenüber Störeinkopplungen und höhere Flexibilität bietet, sowie eine höhere Genauigkeit bei geringern Kosten erlaubt, können sich dennoch bei der programmierbaren Verstärkungsregelung einige Probleme ergeben. Werden beispielsweise im Basisband des Empfängers sowohl Verstärkungsregelungsblöcke mit 1-dB-Stufen wie auch Verstärkungsregelungsblöcke mit 6-dB-Stufen eingesetzt, so können sich insbesondere beim Übergang der Verstärkung von einem Block auf den anderen Offsets bezüglich der Verstärkung ergeben. Außerdem ist es aufwendig, im LNA des Empfängers genau 20 dB Verstärkung unabhängig vom eingestellten Frequenzbereich, der Temperatur und Prozeßtoleranzen zu gewährleisten.
In der Sendekette ist im Hochfrequenzteil normalerweise ein Verstärkungsblock mit 6-dB-Stufen vorgesehen, während im Basisband 1-dB-Stufen vorgesehen sind. Auch hier können sich Probleme der Genauigkeit der 6-dB-Verstärkerstufen im Hinblick auf Prozeßschwankungen, Temperaturabhängigkeiten und Frequenzänderungen ergeben. Die beschriebenen Genauigkeitsprobleme treten insbesondere beim Übergang von einem Block auf einen anderen auf. Beispielsweise beim Übergang einer Verstärkung von 5 dB, die mit einem Verstärker mit einer Schrittweite von 1 dB bereitgestellt wird, auf eine Verstärkung von 6 dB, die in einem Verstärker mit einer Schrittweite von 6 dB bereitgestellt wird, können die beschriebenen Genauigkeitsprobleme auftreten.
Dokument US 2003/0215033 A1 betrifft einen digital programmierbaren Verstärkersteuerkreis. Es wird ein Verstärker mit programmierbarer Verstärkung beschrieben, dessen Verstärkungsfaktor von einer Vielzahl diskreter monotoner Übertragungsfunktionen repräsentiert wird. Der Verstärker umfasst einen groben Verstärkersteuerkreis und einen feinen Verstärkersteuerkreis.
Dokument US 2003/0139147 A1 betrifft eine integrierte Hochfrequenzschaltung. Beispielsweise in 9 ist ein Analogempfänger gezeigt. Dieser umfasst eine Abwärtsumsetzung mit nachfolgender Filterung und Verstärkung. Die Filterung und Verstärkung umfasst eine DC-Offset-Korrektur.
Dokument US 6,417,737 B1 betrifft einen adaptiven Radio-Transceiver, bei dem der Empfänger, der Sender und der LO-Generator programmiert und kalibriert werden können, siehe 2.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Verstärkeranordnung anzugeben, welches die Vorteile der programmierbaren Verstärkungsregelung ohne die beschriebenen Genauigkeitsprobleme bei dem Übergang der Verstärkungseinstellung von einem Block auf einen anderen Block bietet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Verstärkeranordnung, die zwei hintereinandergeschaltete, in unterschiedlicher diskreter Schrittweite programmierbare Verstärker umfaßt, mit den Schritten:

– Programmieren eines ersten vorbestimmten Verstärkungsfaktors durch Progammieren eines der beiden Verstärker,
– Einspeisen eines Testsignals in die Verstärkeranordnung und Messen des tatsächlichen Ausgangspegels der Verstärkeranordnung,
– Programmieren eines zweiten vorbestimmten Verstärkungsfaktors durch Programmieren des anderen der beiden Verstärker,
– Einspeisen eines Testsignals in die Verstärkeranordnung und Messen des Ausgangspegels der Verstärkeranordnung,
– Kalibrieren der Verstärkung der Verstärkeranordnung in Abhängigkeit der Ergebnisse der Messungen,

– das Kalibrieren der Verstärkung der Verstärkeranordnung durch Programmieren der Verstärkung eines dritten Verstärkers erfolgt, so dass ein Offset in der Verstärkung verschwindet.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst einer der beiden Verstärker mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor programmiert. Der jeweils andere Verstärker wird bezüglich der Verstärkung in einen Ausgangszustand versetzt. Die so programmierte Verstärkeranordnung wird mit einem Testsignal beaufschlagt. Anschließend wird der tatsächliche Ausgangspegel der Verstärkeranordnung gemessen. Danach wird der andere der beiden Verstärker mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor programmiert, während der zuerst programmierte Verstärker nun in einen Ausgangszustand versetzt wird. Wieder wird die Verstärkeranordnung mit einem Testsignal beaufschlagt und der Ausgangspegel gemessen. Aus der Differenz der Ausgangspegel kann auf eventuelle Ungenauigkeiten der Verstärkerstufen der Verstärker rückgeschlossen werden. Es wird eine entsprechende Kalibrierung vorgenommen, indem einer der beiden Verstärker oder ein noch weiterer Verstärker in der Verstärkeranordnung so programmiert wird, daß dieser Offset in der Verstärkung verschwindet.
Selbstverständlich ist es zur Realisierung des vorgeschlagenen Prinzips nicht unbedingt erforderlich, daß für die beiden Messungen der erste und der zweite Verstärker mit genau dem gleichen, vorbestimmten Verstärkungsfaktor programmiert werden. Der erste vorbestimmte Verstärkungsfaktor und der zweite vorbestimmte Verstärkungsfaktor können auch verschieden sein. Eine eventuelle Abweichung der Verstärkung kann dabei interpoliert werden. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß auf eventuell vorhandene Ungenauigkeiten der Verstärkung so rückgeschlossen werden kann, daß eine Kalibrierung der Verstärkeranordnung möglich ist.
Eine Verstärkeranordnung zum Ausführen des Verfahrens weist auf:

– einen ersten programmierbaren Verstärker mit einem Eingang, einem Ausgang und einem Programmiereingang zum Einstellen der Verstärkung,
– einen zweiten programmierbaren Verstärker mit einem Eingang, der an den Ausgang des ersten programmierbaren Verstärkers gekoppelt ist, mit einem Ausgang und mit einem Programmiereingang zum Einstellen der Verstärkung,
– wobei der erste und der zweite programmierbare Verstärker mit unterschiedlicher Verstärker-Schrittweite programmierbar ausgelegt sind, und
– einen Kalibrierpfad, der den Ausgang des zweiten programmierbaren Verstärkers mit dem Programmiereingang des ersten oder des zweiten programmierbaren Verstärkers koppelt und der einen Analog/Digital-Wandler und ein Auswertungs- und Steuerglied umfaßt.

Es sind zumindest zwei hintereinandergeschaltete programmierbare Verstärker vorgesehen, welche jeweils einen Programmiereingang haben, an dem durch Anlegen eines geeigneten Digitalwortes die gewünschte Verstärkung programmierbar ist. Der erste und der zweite Verstärker haben eine unterschiedliche Verstärker-Schrittweite. Darunter ist verstanden, daß der erste Verstärker beispielsweise in Schritten von 1 dB und der zweite Verstärker in Schritten von 6 dB bezüglich seiner Verstärkung programmierbar ist. Weiterhin ist ein Kalibrierpfad vorgesehen, der den Ausgang des im Signalpfad nachgeschalteten programmierbaren Verstärkers mit dem Programmiereingang des ersten oder zweiten programmierbaren Verstärkers koppelt. Der Kalibrierpfad umfaßt einen Analog-Digital-Wandler, welcher ein Digitalsignal in Abhängigkeit von einem Ausgangssignalpegel am Ausgang des zweiten Verstärkers bereitstellt. Außerdem ist dem Analog-Digital-Wandler ein Auswertungs- und Steuerglied nachgeschaltet, welches zur Kalibrierung der Verstärkeranordnung mit dem Programmiereingang des ersten und/oder zweiten programmierbaren Verstärkers gekoppelt ist.
Zum Abgleich der beiden programmierbaren Verstärker kann mit dem vorgeschlagenen Prinzip in einfacher Weise beispielsweise zuerst im ersten programmierbaren Verstärker, der beispielsweise in Schritten von 1 dB verstellbar ist, eine Verstärkung von 6 dB eingestellt werden. Unter Einspeisung eines definierten Referenzsignals wird die Leistung am Ausgang analog/digital gewandelt und erfaßt. Anschließend wird der erste programmierbare Verstärker rückgesetzt und statt dessen im zweiten programmierbaren Verstärker, der beispielsweise in Schritten von 6 dB einstellbar ist, ebenfalls eine Verstärkung von 6 dB eingeschaltet. Auch hier wird das Referenzsignal eingangsseitig in die Verstärkeranordnung eingespeist und am Ausgang wiederum der Pegel in ein Digitalsignal gewandelt und erfaßt. Werden nun die beiden Meßwerte miteinander verglichen, so ist in einfacher Weise ein Abgleich der Verstärkeranordnung möglich, indem beispielsweise der erste oder der zweite Verstärker Mittel aufweisen, die eine geringe Verstärkerschrittweite von beispielsweise 0,1 dB haben.
Somit ist es mit Vorteil und geringem Aufwand möglich, eventuell beim Übergang von einer Verstärkerstufe auf eine andere auftretende Ungenauigkeiten zu kompensieren. Diese können beispielsweise durch Fertigungstoleranzen, Temperatureffekte oder Frequenzabhängigkeiten bedingt sein.
Zwischen den Ausgang des zweiten programmierbaren Verstärkers und den Eingang des Analog/Digital-Wandlers kann ein Pegeldetektor geschaltet sein. Der Pegeldetektor kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß er an seinem Ausgang eine Spannung bereitstellt, welche zu einem an seinem Eingang anliegenden Leistungspegel proportional ist.
Als Pegeldetektor kann auch eine insbesondere bei Empfangsanordnungen des Mobilfunks häufig ohnehin vorhandene RSSI-Schaltung, Received Signal Strength Indicator, vorgesehen sein, welche ein Signal in Abhängigkeit von der an einer Antenne eingespeisten Empfangsfeldstärke abgibt.
Das Auswertungs- und Steuerglied kann ein Mikro-Controller sein.
Das Auswertungs- und Steuerglied kann einen Speicher zum Ablegen von Meßergebnissen im Rahmen einer Kalibrierung umfassen.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Speicher zum Ablegen eines Kalibrierwortes vorgesehen sein.
Zwischen dem ersten und dem zweiten programmierbaren Verstärker kann ein Tiefpaßfilter vorgesehen werden.
Zur Erzeugung eines Testsignals für die Kalibrierung kann ein Testsignalgenerator vorgesehen werden, der mit dem Eingang der Verstärkeranordnung, also mit dem Eingang des ersten programmierbaren Verstärkers, gekoppelt ist.
Selbstverständlich kann die Verstärkeranordnung auch mehr als zwei programmierbare Verstärker umfassen.
Bei Anwendung der Verstärkeranordnung in einer Sendeanordnung oder einer Empfangsanordnung kann zumindest je ein programmierbarer Verstärker im Basisband und im Hochfrequenz-Pfad der Signalverarbeitungskette vorgesehen sein. Es können jedoch auch mehrere programmierbare Verstärker im Basisband-Teil und/oder im Hochfrequenz-Teil vorgesehen sein.
Der Kalibrierpfad kann lediglich im Basisband-Teil oder im Hochfrequenz-Teil vorgesehen sein. Bei Sendeanordnungen kann der Kalibrierpfad vom Ausgang des Hochfrequenzverstärkers auf einen Programmiereingang eines programmierbaren Verstärkers im Basisband rückzuführen werden.
Die Verstärkeranordnung ist zur Verwendung in einer Sendeanordnung und/oder Empfangsanordnung für zeitkontinuierliche Datenübertragung geeignet. Insbesondere ist die Verstärkeranordnung auch sowohl zur Anwendung im Empfangspfad, als auch zur Anwendung im Sendepfad eines Sendeempfängers, englisch: Transceiver, des Mobilfunks geeignet.
Sie verbindet eine programmierbare Verstärkungsregelung PGC mit geringer Leistungsaufnahme, geringer Chipfläche, geringer Pin-Anzahl, hoher Robustheit bezüglich Störungen, hoher Flexibilität, hoher Genauigkeit, geringen Kosten und einfacher Implementierung in CMOS-Fertigungstechnik mit der Möglichkeit, Ungenauigkeiten bei Übergängen von einem Verstärkungsblock auf einen anderen wegzukalibrieren.
Bei Einsatz einer programmierbaren Verstärkungsregelung werden keine Digital/Analog-Umsetzer im Basisband-IC für die Verstärkungsregelung benötigt. Damit entfallen auch Rekonstruktionsfilter nach dem D/A-Wandler sowie Ausgangspuffer, die die Kapazität eines Anschlusses des Chips treiben können müssen. Dadurch, daß alle diese Blöcke entfallen können, wird der Stromverbrauch reduziert. Der Verzicht auf die genannten Schaltungsblöcke erlaubt auch eine deutliche Reduzierung der Chipfläche.
Die Steuerung der programmierbaren Verstärkungsregelung kann mit einem sogenannten Dreileiterbus erfolgen, der normalerweise ohnehin zur Steuerung der Phasenregelschleife auf dem Chip vorhanden ist. Somit werden keine zusätzlichen Pin-Anschlüsse am Chip zur Steuerung der Sendeleistung bzw. der Verstärkung in der Sendeanordnung einschließlich deren Kalibrierung benötigt. Die Pin-Einsparung bezieht sich dabei sowohl auf das Basisband als auch auf den Hochfrequenzteil.
Aufgrund der Tatsache, daß die programmierbare Verstärkungsregelung ein digitales Datenformat nutzt, ist sie sehr robust gegenüber Störungseinkopplungen.
Gegenüber einer automatischen Verstärkungsregelung erlaubt die programmierbare Verstärkungsregelung eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Verstärkerstufen und der Anpassung des Zeitverhaltens zwischen Basisband- und Hochfrequenz-Verstärkungsregelung. Zudem können eine Vielzahl unterschiedlicher Basisband-ICs mit Hochfrequenz-ICs verschiedener Hersteller kombiniert werden. Dadurch wird die Flexibilität erhöht.
In CDMA-Systemen wird die Führungsgröße für die Verstärkungsregelung bei der Senderleistungsregelung im Basisband-Chip in Abhängigkeit von der gemessenen Empfangsleistung und den Steuerbits, die von der Basisstation empfangen werden, erzeugt. Die übermittelten Sendeleistungsstufen werden dabei in 1-dB-Schritten mit einer Genauigkeit von +/–0,5 dB angegeben. Indem die digitale Signalverarbeitung nicht verlassen wird, ist die beschriebene Verstärkungsregelung unempfindlich gegenüber Rauschen auf der Platine, Substratrauschen bezüglich der D/A-Wandler, Verstärkungstoleranzen der automatischen Verstärkungsregelung im Hinblick auf Temperaturschwankungen, Versorgungsspannungsschwankungen und Prozeßtoleranzen. Zudem ergibt sich mit einer programmierbaren Verstärkungsregelung ein einfacheres Matching zwischen den In-Phase- und Quadratursignalanteilen im Basisband gegenüber einer automatischen Verstärkungsregelung. Mit der programmierbaren Verstärkungsregelung ist es im Hochfrequenzbereich zudem einfacher, genaue 6 dB- oder 1 dB weite Schritte bezüglich der Verstärkung zu realisieren.
Indem die Chipfläche reduziert, die Pin-Anzahl reduziert, die Leistungsaufnahme reduziert und die Robustheit der Schaltung erhöht wird, werden selbstverständlich auch die Herstellungskosten reduziert.
Zudem eignet sich eine programmierbare Verstärkungsregelung besser für eine vollständige Integration in einem reinen CMOS-Fertigungsverfahren als eine automatische Verstärkungsregelung.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Verstärkeranordnung im Sendepfad und im Empfangspfad eines Transceivers,
2 anhand von Schaubildern die Funktionsweise der Kalibrierung der Verstärkerschrittweite gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip,
3 ein Diagramm beispielhafter relativer Fehler bezogen auf die Anzahl der PGC-Schritte bei einer Verstärkeranordnung gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip und
4 die relativen Fehler aufgetragen über der Anzahl der PGC-Schritte bei einer programmierbaren Verstärkungsregelanordnung gemäß Stand der Technik.
1 zeigt eine Verstärkeranordnung 1, 2, 3, 5 im Sendepfad Tx als auch im Empfangspfad Rx eines Mobilfunk-Transceivers. Im Sendepfad Tx umfaßt die Verstärkeranordnung 1, 2, 3, 5 einen programmierbaren Verstärker 1, einen programmierbaren Verstärker 2 und einen programmierbaren Verstärker 3. Der programmierbare Verstärker 1 ist sowohl im Inphase-Pfad I als auch im Quadraturpfad Q der Basisband-Signalverarbeitungskette vorgesehen. Ausgangsseitig umfaßt der programmierbare Verstärker 1 je ein Tiefpaßfilter 1A. Dem programmierbaren Verstärker 1 ist ein weiterer programmierbarer Verstärker 2, ebenfalls jeweils in Inphase- und Quadraturpfad I, Q aufgeteilt, nachgeordnet. Der programmierbare Verstärker 2 umfaßt ebenfalls ausgangsseitig jeweils ein Tiefpaßfilter 2A. An die Ausgänge der programmierbaren Verstärker 2 ist ein Aufwärts-Frequenzumsetzer 4 geschaltet, der eine Frequenzumsetzung vom Basisband in eine Hochfrequenzlage bewirkt. Am Ausgang des Frequenzumsetzers 4 ist ein programmierbarer Verstärker 3 vorgesehen, dessen Ausgang den Ausgang der Verstärkeranordnung 1, 2, 3, 5 bildet. Die Verstärkeranordnung 1, 2, 3, 5 umfaßt weiterhin einen Kalibrierpfad 5, der den Ausgang des programmierbaren Verstärkers 3 mit Programmiereingängen der programmierbaren Verstärker 1 und der programmierbaren Verstärker 2 koppelt. Der Kalibrierpfad umfaßt als Pegeldetektor ein Mittel zum Abgeben eines Empfangsfeldstärke-Indikatorsignals 6, dessen Eingang mit dem Ausgang des programmierbaren Verstärkers 3 verbunden ist. Der Ausgang des Mittels zum Abgeben eines Empfangsfeld-Indikatorsignals 6 ist über einen Analog/Digital-Wandler 7 mit einem Mikro-Controller 8 gekoppelt. Der Ausgang des Mikro-Controllers 8 wiederum ist mit den Programmiereingängen der programmierbaren Verstärker 1, 2 verbunden.
Der Frequenzumsetzer 4 umfaßt zwei Frequenzmischer 9, 10, deren erste Eingänge jeweils mit Ausgängen der programmierbaren Verstärker 2 verbunden sind. Zweite Eingänge der Frequenzmischer 9, 10 sind über einen Frequenz- und Phasenteiler 11 mit dem Ausgang einer Phasenregelschleife 12 mit Oszillator 13 gekoppelt. Die Ausgänge der Frequenzmischer 9, 10 sind über ein Addierglied 14 mit dem Eingang des programmierbaren Verstärkers 3 verbunden. Der Eingang der Phasenregelschleife 12 ist mit einem Bezugsfrequenzeingang 15 des Transceiverschaltkreises Rx, Tx verbunden. Die gesamte Signalverarbeitungskette des Sendepfades Tx ist im Basisbandpfad und im Hochfrequenzpfad jeweils in symmetrischer Schaltungstechnik ausgeführt und zum Führen von Differenzsignalen ausgebildet. An die Eingänge der ersten programmierbaren Verstärker 1 ist zusätzlich ein Testsignalgenerator 16 angekoppelt. Der Testsignalgenerator 16 ist mit dem programmierbaren Verstärker 1 im Inphase-Pfad I unmittelbar, mit dem programmierbaren Verstärker 1 im Quadraturpfad Q hingegen über einen 90°-Phasenschieber 17 verbunden.
Die programmierbaren Verstärker 1 sind in Schritten von 0,1 dB programmierbar. Die programmierbaren Verstärker 2 sind in Schritten von 1 dB programmierbar. Der programmierbare Verstärker 3 ist wahlweise in Schritten von 1 dB oder 6 dB programmierbar.
Zusätzlich zu der beschriebenen Verstärkeranordnung 1, 2, 3, 5 im Sendepfad Tx ist eine weitere Verstärkeranordnung 18, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 im Empfangspfad Rx vorgesehen. Ein programmierbarer Verstärker 18 ist als rauscharmer Vorverstärker, LNA, Low-Noise Amplifier, ausgeführt und bildet den Eingang der gezeigten Empfangssignalkette. Der Ausgang des programmierbaren Verstärkers 18 ist mit einem Abwärts-Frequenzumsetzer 19 verbunden. Der Abwärts-Frequenzumsetzer 19 hat einen Inphase- und einen Quadraturausgang. An diese Ausgänge ist über je ein Tiefpaßfilter 20 in Inphase- und Quadraturpfad I, Q jeweils eine Verstärkerkette umfassend einen programmierbaren Verstärker 21, einen programmierbaren Verstärker 22, einen programmierbaren Verstärker 23, einen programmierbaren Verstärker 24 und einen programmierbaren Verstärker 25 geschaltet. Außerdem ist ein Kalibrierpfad 26, 27, 28 vorgesehen, der die Ausgänge der programmierbaren Verstärker 25 mit jeweiligen Programmiereingängen der programmierbaren Verstärker 24, 25 koppelt. Der Kalibrierpfad umfaßt in Analogie zum Kalibrierpfad 5 einen Pegeldetektor 26, der als Empfangsfeldstärke-Indikator ausgelegt ist, mit nachgeschaltetem Analog/Digital-Wandler 27 und Mikro-Controller 28. Die programmierbaren Verstärker 21, 22, 23 haben ausgangsseitig je ein Tiefpaßfilter. Während der programmierbare Verstärker 18 in einer Stufe von 20 dB programmierbar ist, sind die programmierbaren Verstärker 21 bis 23 in Schritten von 6 dB programmierbar. Die programmierbaren Verstärker 24 haben eine Schrittweite von 1 dB. Die programmierbaren Verstärker 25 haben eine Schrittweite von 0,1 dB.
Der Abwärts-Frequenzumsetzer 19 ist zur Frequenzumsetzung von einer hochfrequenten Lage ins Basisband ausgebildet und umfaßt hierfür zwei Frequenzmischer 29, 30, deren erste Eingänge mit dem Ausgang des programmierbaren Verstärkers 18 verbunden sind. Weitere Eingänge der Frequenzmischer 29, 30 sind über einen Frequenz- und Phasenteiler 31 mit einer Phasenregelschleife 32 mit spannungsgesteuertem Oszillator 33 gekoppelt. Die Phasenregelschleife 32 ist zur Zuführung einer Referenzfrequenz mit dem Referenzfrequenzeingang 15 verbunden. Zur Bereitstellung einer Führungsgröße für die Verstärkungsregelung mit den programmierbaren Verstärkern ist ein Dreileiterbus-Interface 34 in dem Sendeempfänger gemäß 1 vorgesehen, welches mit den Verstärkungsregelkreisen 1, 2, 3, 5; 18, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 in Sende- und Empfangspfad Tx, Rx gekoppelt ist.
Die beschriebenen Verstärkungsregelkreise in 1 ermöglichen eine Selbstkalibrierung der PGC in Basisband- und Hochfrequenzteil. Dadurch kann ein großer Dynamikbereich von weit über 60 dB in hochgenauer Weise abgedeckt werden. Außerdem kann eine gute Trägerfrequenzunterdrückung aufgrund der Verstärkungsregelung auch im Hochfrequenzteil bereitgestellt werden. Eventuelle Ungenauigkeiten der Abstimmung zwischen den einzelnen Verstärkungsregelungsblöcken können in einfacher Weise durch Kalibrierung beseitigt werden.
Zusammengefaßt ist eine Selbstkalibrierung von Ungenauigkeiten programmierbarer Verstärker im Hochfrequenzteil durch Feinabstimmung im Basisband mit einem Verstärkungsregelkreis mit PGC, Programmable Gain Control, vorgeschlagen. Die Ungenauigkeit der Verstärkung kann beispielsweise durch den verhältnismäßig großen Verstärkungsschritt von 20 dB im Low Noise Amplifier 18 im Empfänger Rx oder vom IQ-Modulator 4 im Sender verursacht sein.
Weiterhin ist gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip eine Selbstkalibrierung einer Kombination zweier verschiedener Verstärkerstufen, beispielsweise eines Verstärkers mit einer Schrittweite von 6 dB kombiniert mit einem Verstärker mit einer Schrittweite von 1 dB, vorgesehen. Diese beiden Verstärker können entweder beide im Hochfrequenzteil, beide im Basisband oder verteilt auf Hochfrequenzteil und Basisband und sowohl im Empfänger als auch im Sender vorgesehen sein.
2 zeigt anhand beispielhafter Darstellungen das Prinzip der vorgeschlagenen Kalibrierung von programmierbaren Verstärkern, in der oberen Bildhälfte anhand eines Beispiels für einen Hochfrequenzpfad und in der unteren Bildhälfte anhand eines Beispiels für einen Basisbandsignalpfad. Oben links ist die ideale Schrittweite eines programmierbaren Verstärkers im Hochfrequenzteil eines Funksenders mit programmierbarer Verstärkung gezeigt. Rechts daneben ist beispielhaft die tatsächliche Schrittweite eines programmierbaren Verstärkers im Hochfrequenzteil angegeben. Die überhöht dargestellten Nichtidealitäten der Schrittweite können sich beispielsweise dann ergeben, wenn unterschiedliche programmierbare Verstärker beziehungsweise Verstärker mit unterschiedlicher Schrittweite an Übergängen zusammenstoßen, beispielsweise am Übergang von 5 × 1 dB auf 1 × 6 dB Schrittweite. Wird diese reale PGC-Schrittweite im Basisband durch eine entsprechende Kalibrierung wie vorgeschlagen korrigiert, so ergibt sich gerade eine praktisch ideale Kurve mit gleich großen Verstärkerschrittweiten, wie ganz rechts gezeigt.
Ein weiteres Beispiel ist in der unteren Bildhälfte von 2 gezeigt. Dort wird ein Verstärker mit 1 dB Schrittweite im Basisband mit einem Verstärker mit 6 dB Schrittweite, ebenfalls im Basisband, kombiniert. Am Übergang von einem Verstärker auf den anderen ergeben sich Kombinationsfehler, die mit dem vorgeschlagenen Prinzip jedoch problemlos wegkalibriert werden können.
3 zeigt anhand eines Schaubildes die relativen Fehler aufgetragen über dem Verlauf der Schrittweite der programmierbaren Verstärkung am Beispiel von 0 bis 45 dB mit je 1 dB Schrittweite. Man erkennt, daß nach dem Durchführen der Kalibrierung bei zusammengesetzten PGC-Schrittweiten von 1 dB und 6 dB Schritten der relative Fehler einen sehr ebenen, homogenen Verlauf hat.
4 hingegen zeigt den Verlauf der relativen Fehler über der PGC-Schrittweite in Schritten von 1 dB ebenfalls von 1 bis 45 dB ohne Kalibrierung. Auch hier setzt sich die programmierbare Verstärkung aus Schritten der Schrittweite 1 dB und 6 dB zusammen, die mit unterschiedlichen Verstärkerstufen generiert werden. Man erkennt, daß insbesondere bei der Übergabe von 5 dB in Einzelschritten von 1 dB auf eine Schrittweite von 6 dB und zurück zu 6 + 1 dB ohne eine Kalibrierung große relative Fehler auftreten können.
Der Schutzumfang der Erfindung soll nicht auf die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt sein. Vielmehr umfaßt die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Kombination nicht explizit in den Patentansprüchen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: programmierbarer Verstärker
1A: Tiefpaßfilter
2: programmierbarer Verstärker
2A: Tiefpaßfilter
3: programmierbarer Verstärker
4: Frequenzumsetzer
5: Kalibrierpfad
6: Pegeldetektor RSSI
7: Analog/Digital-Wandler
8: Mikro-Controller
9: Frequenzmischer
10: Frequenzmischer
11: Frequenzteiler
12: PLL
13: VCO
14: Addierglied
15: Referenzfrequenzeingang
16: Testsignalgenerator
17: Phasenschieber
18: LNA
19: Frequenzumsetzer
20: Tiefpaßfilter
21: programmierbarer Verstärker
22: programmierbarer Verstärker
23: programmierbarer Verstärker
24: programmierbarer Verstärker
25: programmierbarer Verstärker
26: RSSI
27: Analog/Digital-Wandler
28: Mikro-Controller
29: Frequenzmischer
30: Frequenzmischer
31: Frequenzteiler
32: PLL
33: VCO
34: Interface
BB: Basisband-Signalpfad
HF: Hochfrequenz-Signalpfad
I: Inphase-Pfad
PGC: programmierbare Verstärkungsregelung
Q: Quadratur-Pfad
Rx: Empfangspfad
Tx: Sendepfad

Claims

Verfahren zum Kalibrieren einer Verstärkeranordnung, die zwei hintereinander geschaltete, in unterschiedlicher diskreter Schrittweite programmierbare Verstärker (2, 3) umfasst, mit den Schritten: – Programmieren eines ersten vorbestimmten Verstärkungsfaktors durch Programmieren eines der beiden Verstärker (2), – Einspeisen eines Testsignals in die Verstärkeranordnung (2, 3) und Messen des tatsächlichen Ausgangspegels (RSSI) der Verstärkeranordnung (2, 3), – Programmieren eines zweiten vorbestimmten Verstärkungsfaktors durch Programmieren des anderen der beiden Verstärker (3), – Einspeisen eines Testsignals in die Verstärkeranordnung (2, 3) und Messen des Ausgangspegels (RSSI) der Verstärkeranordnung (2, 3), – Kalibrieren der Verstärkung der Verstärkeranordnung (2, 3) in Abhängigkeit der Ergebnisse der Messungen, wobei das Kalibrieren der Verstärkung der Verstärkeranordnung (2, 3) durch Programmieren der Verstärkung eines dritten Verstärkers (1) erfolgt, so dass ein Offset in der Verstärkung verschwindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste vorbestimmte Verstärkungsfaktor und der zweite vorbestimmte Verstärkungsfaktor gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste vorbestimmte Verstärkungsfaktor und der zweite vorbestimmte Verstärkungsfaktor verschieden sind, wobei eine Abweichung der Verstärkung interpoliert werden kann.