DE19525844A1 - Verfahren zur Frequenzumsetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus Norgaard: "The Phase-Shift Method of Single- Sideband Signal Reception", Proceedings of the IRE, December 1956 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren - der sogenannten Phasenmethode - wird ein amplitudenmoduliertes Eingangssignal, das unterhalb und oberhalb einer Trägerfrequenz ein unteres bzw. oberes Seitenband aufweist, einem Quadratur-Demodulator zugeführt, mit dem es durch Quadratur-Amplitu­ dendemodulation in ein Inphase-Signal und in ein Quadratur-Signal frequenz­ umgesetzt wird; d. h., das Eingangssignal wird durch Frequenzumsetzung mit einem Inphase-Überlagerungssignal in das Inphase-Signal und durch Fre­ quenzumsetzung mit einem Quadratur-Überlagerungssignal, welches gegen­ über dem Inphase-Überlagerungssignal um 90° phasenverschoben ist, in das Quadratur-Signal umgesetzt. Die Frequenz der beiden Umsetzsignale ist da­ bei gleich der Trägerfrequenz des Eingangssignals. Das Quadratur-Signal wird danach durch einen Phasenschieber um 90° phasenverschoben. Das Aus­ gangssignal erhält man anschließend durch Addition bzw. Subtraktion des Inphase-Signals und des um 90° phasenverschobenen Quadratur-Signals. Durch die Addition wird dabei das untere Seitenband und durch die Subtrak­ tion das obere Seitenband unterdrückt. Der wesentliche Nachteil dieses Ver­ fahrens liegt darin, daß für die 90°-Phasenverschiebung des Quadratur-Si­ gnals ein Phasenschieber benötigt wird, der um eine ausreichende Unter­ drückung des jeweiligen Seitenbandes zu gewährleisten und um Signalver­ zerrungen zu vermeiden, breitbandig ausgeführt sein muß und somit nicht kostengünstig herstellbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das einfach und kostengün­ stig durchführbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei der mit dem Quadratur-Demodu­ lator durchgeführten Frequenzumsetzung des Eingangssignals die Frequenz der beiden Umsetzsignale so zu wählen, daß sie, falls das untere Seitenband des Eingangssignals in das Ausgangssignal frequenzumgesetzt werden soll, gleich einem um eine Differenzfrequenz kleineren Wert als die Trägerfre­ quenz, d. h. gleich einem unteren Wert, vorzugsweise gleich einem inner­ halb des unteren Seitenbandes, z. B. in der Mitte des unteren Seitenbandes, liegenden Wert ist, und daß sie, falls das obere Seitenband des Eingangssi­ gnals in das Ausgangssignal frequenzumgesetzt werden soll, gleich einem um die Differenzfrequenz größeren Wert als die Trägerfrequenz, d. h. gleich einem oberen Wert, vorzugsweise gleich einem innerhalb des oberen Seiten­ bandes, z. B. in der Mitte des oberen Seitenbandes, liegenden Wert ist. Das Inphase-Signal und das Quadratur-Signal werden jeweils einem Tiefpaßfilter zugeführt, dessen Durchlaßbereich so ausgelegt ist, daß es Frequenzen, die größer als die Differenzfrequenz sind, unterdrückt. Somit werden durch Tiefpaßfilterung, falls die Frequenz der Umsetzsignale größer als die Trägerfrequenz ist, die vom unteren Seitenband des Eingangssignals stammenden Frequenzanteile des Inphase- und des Quadratur-Signals unterdrückt und, falls die Frequenz der Umsetzsignale kleiner als die Trägerfrequenz ist, die vom oberen Seitenband des Eingangssignals stam­ menden Frequenzanteile des Inphase- und des Quadratur-Signals unter­ drückt. Das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal und das tiefpaßgefilterte Qua­ dratur-Signal werden anschließend durch einen Quadratur-Modulator nach dem Prinzip der Quadratur-Amplitudenmodulation in das Ausgangssignal frequenzumgesetzt, d. h., das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal wird mit ei­ nem Inphase-Überlagerungssignal in ein Inphase-Ausgangssignal frequenz­ umgesetzt, das tiefpaßgefilterte Quadratur-Signal wird mit einem gegen­ über dem Inphase-Überlagerungssignal um 90° phasenverschobenen Qua­ dratur-Überlagerungssignal in ein Quadratur-Ausgangssignal frequenzumge­ setzt und das Inphase-Ausgangssignal und das Quadratur-Ausgangssignal werden durch eine Summationseinheit addiert, welche das Ausgangssignal als Additionsergebnis einem Signalausgang zuführt.

Die Frequenz der beiden Überlagerungssignale wird dabei auf einen Wert eingestellt, der gleich der Differenzfrequenz ist. Hierzu wird das Inphase- und das Quadratur-Signal vorzugsweise jeweils einem Bandpaßfilter zuge­ führt, das daraus das Inphase-Überlagerungssignal bzw. Quadratur-Überlage­ rungssignal erzeugt. Die beiden gleichartigen Bandpaßfilter sind dabei schmalbandig ausgeführt und lassen im wesentlichen nur die Differenzfre­ quenz durch.

Die Tiefpaßfilter und die Bandpaßfilter sind vorzugsweise als SC-(switched ca­ pacitor)-Filter ausgeführt, da derartige Filter integrierbar sind und da in ei­ ner Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens der Platzbedarf für diese Filter, selbst für Filter mit hohen Filtergraden, gering ist. Der Quadratur-Modulator und der Quadratur-Demodulator sind ebenfalls integrierbar, so daß das Verfahren aus Kostengründen, insbesonde­ re für den Einsatz in Geräten der Unterhaltungselektronik, beispielsweise in sogenannten tragbaren Weltempfängern, bei denen durch Unterdrückung eines Seitenbandes die Empfangsqualität optimierbar ist, bestens geeignet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 näher be­ schrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Empfangsteils eines Empfängers für amplitudenmodulierte Nutzsignale als Ausführungsbeispiel ei­ ner Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens,

Fig. 2a-2i ein Beispiel eines Spektrums des Eingangssignals (Fig. 2a), der Umsetzsignale (Fig. 2b bzw. 2e), des Inphase- und Quadratur- Signals (Fig. 2d), des tiefpaßgefilterten Inphase- und Quadra­ tur-Signals (Fig. 2e), der Überlagerungssignale (Fig. 2f), des Inphase-Ausgangssignals (Fig. 2g), des Quadratur-Ausgangssi­ gnals (Fig. 2h) und des Ausgangssignals (Fig. 2i).

Gemäß der Fig. 1 wird ein Nutzsignal über die Antenne ANT der Vorselekti­ onsstufe VS zugeführt, welche daraus durch Bandbegrenzung und ggf. durch Frequenzumsetzung das Eingangssignal e erzeugt. Das Eingangssignal e wird dem Quadratur-Demodulator IQD zugeführt, der es nach dem Prinzip der Quadratur-Amplitudendemodulation mit dem vom Oszillator OSC gelie­ ferten Inphase-Umsetzsignal s_DI in das Inphase-Signal s_I und mit dem eben­ falls vom Oszillator OSC gelieferten, gegenüber dem Inphase-Umsetzsignal s_DI um 90° phasenverschobenen Quadratur-Umsetzsignal s_DQ in das Quadra­ tur-Signal s_Q frequenzumsetzt. Die beiden als SC-Filter ausgeführten Tiefpaß­ filter TP_I und TP_Q erzeugen durch Tiefpaßfilterung aus dem Inphase-Signal s_I bzw. aus dem Quadratur-Signal s_Q das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal s_TPI bzw. das tiefpaßgefilterte Quadratur-Signal s_TPQ. Die beiden ebenfalls als SC- Filter ausgeführten Bandpaßfilter BP_I, BP_Q erzeugen durch Bandpaßfilterung aus dem Inphase-Signal s_I bzw. aus dem Quadratur-Signal s_Q das Inphase- Überlagerungssignal s_MI bzw. das Quadratur-Überlagerungssignal s_MQ. Die SC-Filter TP_I, TP_Q, BP_I, BP_Q sind, um eine starke Unterdrückung der uner­ wünschten Frequenzanteile zu gewährleisten, als Filter mit hohem Filter­ grad ausgeführt. Die beiden tiefpaßgefilterten Signale s_TPI, s_TPQ werden durch den Quadratur-Modulator IQM nach dem Prinzip der Quadratur-Ampli­ tudenmodulation mit den beiden Überlagerungssignalen s_MI, s_MQ in das am Signalausgang A bereitgestellte Ausgangssignal a frequenzumgesetzt.

Eines der beiden Überlagerungssignale s_MQ wird zur automatischen Einstel­ lung der Verstärkung der Vorselektionsstufe VS dieser über den Steuerver­ stärker V_AGC als Steuersignal s_AGC zugeführt.

Der Oszillator OSC ist umschaltbar ausgeführt, wobei durch die Umschaltung die Frequenz der Umsetzsignale s_TQ, s_DI zwischen zwei zur Trägerfrequenz f_C des Eingangssignals e symmetrischen Werten - dem unteren Wert f_U und dem oberen Wert f_O - umgeschaltet wird und hierdurch das frequenzumzu­ setzende Seitenband des Eingangssignals e selektiert wird.

Der Quadratur-Demodulator IQD setzt sich aus den beiden als 4-Quadranten- Multiplizierer ausgeführten Frequenzumsetzeinheiten M_I1, M_Q1 zusammen, von denen die erste das Eingangssignal e mit dem Inphase-Umsetzsignal s_DI in das Inphase-frequenzumgesetzte Signal s_I₁ und die zweite das Eingangssi­ gnal e mit dem Quadratur-Umsetzsignal s_Q in das Quadratur-frequenzumge­ setzte Signal s_Q₁ frequenzumsetzt. Diese beiden frequenzumgesetzten Si­ gnale s_I₁, s_Q₁ werden über die Tiefpaßvorfilter TP_VI bzw. TP_VQ und über die Vorverstärkerstufen V_VI bzw. V_VQ dem Tiefpaßfilter TP_I bzw. TP_Q und dem Bandpaßfilter BP_I bzw. BP_Q zugeführt. Die Tiefpaßvorfilter TP_VI, TP_VQ sind je­ doch nur dann erforderlich, wenn Summenspektren der beiden frequenz­ umgesetzten Signale s_I₁, s_Q₁, die bei der Frequenzumsetzung entstehen, in den SC-Filtern TP_I, TP_Q, BP_I, BP_Q, welche bekanntlich mit Taktsignalen getak­ tete Schaltungen sind, durch Unterabtastung zu sogenannten aliasing-Effek­ ten führen. Falls aliasing-Effekte aufgrund einer entsprechenden Einstellung der Frequenz der Taktsignale vermieden werden, kann auf die Tiefpaßfilter TP_VI, TP_VQ verzichtet werden; die Summenspektren der frequenzumgesetz­ ten Signale s_I₁, s_Q₁ werden dann durch die Tiefpaßfilter TP_I, TP_Q unter­ drückt. Die Amplituden der frequenzumgesetzten Signale s_I₁, s_Q₁ werden durch die Vorverstärkerstufen V_VI, V_VQ soweit angehoben, daß trotz eines von den SC-Filtern TP_I, TP_Q, BP_I, BP_Q gelieferten Rauschbeitrags ein geforder­ tes Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals a gewährleistet wird.

Durch die beiden als Doppelweggleichrichter, beispielsweise als CMOS-Ana­ log-Schalter, ausgeführten Frequenzumsetzeinheiten M_I2, M_Q2 des Quadra­ tur-Modulators IQM wird das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal s_TPI bzw. das tiefpaßgefilterte Quadratur-Signal s_TPQ mit dem Inphase-Überlagerungssi­ gnal s_MI bzw. Quadratur-Überlagerungssignal s_MQ, das durch den Begrenzer­ verstärker V_PI bzw. V_PQ bis in die Begrenzung verstärkt wird, in das Inphase- Ausgangssignal s_MI1 bzw. in das Quadratur-Ausgangssignal s_MQ1 frequenz­ umgesetzt. Das Inphase-Ausgangssignal s_MI1 und das Quadratur-Ausgangssi­ gnal s_MQ1 werden durch die Summationseinheit S des Quadratur-Modulators IQM addiert und das Ergebnis dieser Addition als Ausgangssignal a dem Si­ gnalausgang A zugeführt. Zwischen die Summationseinheit S und den Signal­ ausgang A kann ein Tiefpaßausgangsfilter T_PA geschaltet werden, das Störsi­ gnale, die durch Intermodulation in den Frequenzumsetzeinheiten M_I2 und M_Q2 gebildet werden und deren Frequenzen außerhalb des in das Ausgangs­ signal a frequenzumgesetzten Seitenbandes liegen, unterdrückt.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung wird im folgenden anhand der Fig. 2a bis 2i beschrieben. Fig. 2a zeigt dabei als Beispiel ein Spektrum des Eingangssignals e, dessen Träger c bei einer Trägerfrequenz f_C von f_C = 801 kHz liegt und dessen oberes Seitenband OSB und unteres Seitenband USB jeweils eine Bandbreite f_B von f_B = 4,5 kHz aufweisen. Gemäß der Fig. 2b wird die Frequenz f_D der Umsetzsignale s_DI, s_DQ zur Demodulation des oberen Seitenbandes OSB durch den Oszillator OSC auf den etwa in der Mitte des oberen Seitenbandes OSB liegenden oberen Wert f_O = 803,3 kHz einge­ stellt. Zur Demodulation des unteren Seitenbandes USB wird sie gemäß der Fig. 2b auf den etwa in der Mitte des unteren Seitenbandes USB liegenden unteren Wert f_U = 798,7 kHz eingestellt. Der Frequenzunterschied zwischen der Frequenz f_D der Umsetzsignale s_DI, s_DQ und der Trägerfrequenz f_C - die Differenzfrequenz f_diff - beträgt somit 2,3 kHz. Fig. 2d zeigt das Spektrum des Inphase-Signals s₁ und des Quadratur-Signals s_Q, das man nach der Fre­ quenzumsetzung durch den Quadratur-Demodulator IQD erhält. Der Träger c des Eingangssignals e wird dabei in den bei der Differenzfrequenz f_diff lie­ genden Kanalträger c′, das frequenzumzusetzende Seitenband USB bzw. OSB des Eingangssignals e in das erste Seitenband SB₁ und das zu unterdrücken­ de Seitenband OSB bzw. USB in das zweite Seitenband SB₂ frequenzumge­ setzt. Gemäß der Fig. 2e, die die tiefpaßgefilterten Inphase- und Quadratur- Signale s_TPI, s_TPQ zeigt, lassen die beiden gleichartig ausgeführten Tiefpaßfil­ ter TP_I, TP_Q nur Frequenzen, die kleiner als die Differenzfrequenz f_diff sind, durch, d. h. der Kanalträger c′ und das zweite Seitenband SB₂ des Inphase- und des Quadratur-Signals s₁, s_Q werden durch Tiefpaßfilterung unterdrückt. Gleichzeitig kann, da der Durchlaßbereich eines SC-Tiefpaßfilters über die Frequenz des ihm zugeführten Taktsignals variierbar ist, durch Variation die­ ser Frequenz eine Bandbegrenzung des ersten Seitenbandes SB₁ auf einfa­ che Weise vorgenommen werden. Die Fig. 2f zeigt das Spektrum der bei­ den Überlagerungssignale s_MI, s_MQ. Da die Bandpaßfilter BP_I, BP_Q schmalban­ dig mit einer Bandbreite von rund 250 Hz und mit der Differenzfrequenz f_diff als Bandmitte ausgeführt sind, wird nur der aus dem Inphase- und Qua­ dratur-Signal s₁, s_Q gefilterte Kanalträger c′′ als Überlagerungssignal s_MI, S_MQ dem Quadratur-Modulator IQM zugeführt. Das erste und das zweite Seiten­ band SB₁, SB₂ des Inphase- und des Quadratur-Signals s_I, s_Q werden dabei aufgrund des hohen Filtergrades der Bandpaßfilter BP_I, BP_Q sehr gut unter­ drückt. Da zwischen dem Inphase-Umsetzsignal s_DI und dem Quadratur-Um­ setzsignal s_DQ ein Phasenunterschied von 90° besteht, erhält man auch zwi­ schen dem Inphase-Signal s_I und dem Quadratur-Signal s_Q, zwischen dem tiefpaßgefilterten Inphase-Signal s_TPI und dem tiefpaßgefilterten Quadratur- Signal s_TPQ sowie zwischen dem Inphase-Überlagerungssignal s_MI und dem Quadratur-Überlagerungssignal s_MQ einen Phasenunterschied von 90°. Auf­ grund der Frequenzumsetzung durch die Frequenzumsetzeinheiten M_I2, M_Q2 des Quadratur-Modulator IQM erhält man für das Inphase-Ausgangssi­ gnal s_MI2 das in Fig. 2g gezeigte Spektrum mit dem Summenteilspektrum SS_I und dem Differenzteilspektrum DS_I und für das Quadratur-Ausgangssignal s_MQ2 das in Fig. 2h gezeigte Spektrum mit dem Summenteilspektrum SS_Q und dem Differenzteilspektrum DSQ. Dabei sind die Differenzspektren DS_I, DS_Q gegeneinander um 0° und die Summenspektren SS_I, SS_Q gegeneinander um 180° phasenverschoben. Durch Addition des Inphase- und des Quadratur- Ausgangssignals heben sich somit die Summenteilspektren SS_I, SS_Q auf und man erhält für das Ausgangssignal a das in Fig. 2i gezeigte Spektrum mit dem frequenzumgesetzten Seitenband SB_A. Dieses entspricht dabei, falls die Frequenz f_D der Umsetzsignale s_DI, s_DQ größer als die Trägerfrequenz f_C ist, dem oberen Seitenband OSB des Eingangssignals e oder, falls die Frequenz f_D der Umsetzsignale s_DI, s_DQ kleiner als die Trägerfrequenz f_C ist, dem unte­ ren Seitenband USB des Eingangssignals e. Die Bandbreite des in das Aus­ gangssignal a frequenzumgesetzten Seitenbandes SB_A ist dabei, obwohl durch die Tiefpaßfilter TP_I, TP_Q Frequenzen ab der Differenzfrequenz f_diff unterdrückt werden und sofern keine zusätzliche Bandbegrenzung vorge­ nommen wird, gleich der Bandbreite f_B der beiden Seitenbänder OSB und USB.

Claims (7)

1. Verfahren zur Frequenzumsetzung eines Seitenbandes (USB bzw. OSB) ei­ nes ein unteres Seitenband (USB) und ein oberes Seitenband (OSB) und einen Träger (c) mit einer Trägerfrequenz (f_C) aufweisenden amplitudenmodulier­ ten Eingangssignals (e) in ein Ausgangssignal (a), bei dem das Eingangssignal (e) durch einen Quadratur-Demodulator (IQD) mit zwei gegeneinander um 90° phasenverschobenen Umsetzsignalen (s_DI, s_DQ) in ein Inphase-Signal (s_I) und in ein Quadratur-Signal (s_Q) frequenzumgesetzt wird, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß die Frequenz (f_D) der Umsetzsignale (s_DI, s_DQ) so gewählt wird, daß sie zur Frequenzumsetzung des unteren Seitenbandes (USB) gleich einem unteren Wert (f_U) und zur Frequenzumsetzung des obe­ ren Seitenbandes (OSB) gleich einem oberen Wert (f₀) ist, wobei der untere Wert (f_U) um eine Differenzfrequenz (f_diff) kleiner als die Trä­ gerfrequenz (f_C) und der obere Wert (f₀) um die Differenzfrequenz (f_diff) größer als die Trägerfrequenz (f_C) ist,
• - daß aus dem Inphase-Signal (s₁) und aus dem Quadratur-Signal (s_Q) durch Tiefpaßfilterung mit jeweils einem Tiefpaßfilter (TP_I, TP_Q), wel­ ches Frequenzen ab der Differenzfrequenz (f_diff) unterdrückt, ein tiefpaßgefiltertes Inphase-Signal (s_TPI) bzw. ein tiefpaßgefiltertes Qua­ dratur-Signal (s_TPQ) gebildet wird,
• - und daß das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal (s_TPI) und das tiefpaßge­ filterte Quadratur-Signal (s_TPQ) durch einen Quadratur-Modulator (IQM) nach dem Prinzip der Quadratur-Amplitudenmodulation mit ei­ nem Inphase-Überlagerungssignal (s_MI) und einem gegenüber diesem um 90° phasenverschobenen Quadratur-Überlagerungssignal (s_MQ), deren Frequenz gleich der Differenzfrequenz (f_diff) ist, in das Aus­ gangssignal (a) frequenzumgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Inphase- Überlagerungssignal (s_MI) und das Quadratur-Überlagerungssignal (s_MQ) aus dem Inphase-Signal (s_I) bzw. Quadratur-Signal (s_Q) durch Bandpaßfilterung mittels jeweils einem schmalbandigen Bandpaßfilter (BP_I, BP_Q), der im we­ sentlichen nur die Differenzfrequenz (f_diff) durchläßt, gebildet werden.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Frequenz (f_D) der Umsetzsignale (s_DI, s_DQ) so gewählt wird, daß sie innerhalb des frequenzumzusetzenden Seitenbandes (USB bzw. OSB) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f_D) der Umsetzsignale (s_DI, s_DQ) so gewählt wird, daß sie in etwa in der Mitte des frequenzumzusetzenden Seitenbandes (USB bzw. OSB) liegt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umsetzsignale (s_DI, s_DQ) von einem umschaltbaren Oszillator (OSC) erzeugt werden, durch den die Frequenz (f_D) der Umsetzsignale (s_DI, s_DQ) zwischen dem unteren Wert (f_U) und dem oberen Wert (f_O) umgeschal­ tet werden kann.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß als Tiefpaßfilter (TP_I, TP_Q) SC-(switched capacitor)-Filter verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß als Bandpaßfilter (BP_I, BP_Q) SC-Filter verwendet werden.