DE19928545C1 - Empfänger und Verfahren zur Kalibrierung eines Koinzidenz-Demodulators für FM-modulierte Signale - Google Patents

Empfänger und Verfahren zur Kalibrierung eines Koinzidenz-Demodulators für FM-modulierte Signale

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Abstract

Es wird ein Empfänger für FM-modulierte HF-Signale mit einem Koinzidenz-Demodulator (9) vorgestellt. Der Koinzidenz-Demodulator (9) weist einen Mischer (15) auf, der ein zu demodulierendes Signal mit einem frequenzabhängig phasenverschobenen Zweig des zu demodulierenden Signals mischt. Dabei erfolgt die frequenzabhängige Phasenverschiebung durch einen Schwingkreis (20). Der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (20) kann ohne externen Eingriff auf eine Zwischenfrequenz des Empfängers für Kalibrierungszwecke eingestellt werden. Dazu ist ein Rauschgenerator (16) vorgesehen, der während des Kalibrierungsvorgangs, d. h. des Einstellvorgangs der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (20) ein Rauschsignal als Zwischenfrequenzsignal bereitstellt. Zur Resonanzfrequenz-Einstellung ist eine Kapazitätsdiode (18) in dem Schwingkreis (20) vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Empfänger für FM-modulierte HF-Signale sowie auf ein Verfahren zur Ka­ librierung eines Koinzidenz-Demodulators für FM-modulierte Signale.
Eine Möglichkeit der FM-Demodulation ist die FM-PDM (Pulsdau­ ermodulation)-Wandlung. Eine entsprechende Schaltungsanord­ nung wird als Koinzidenz-Demodulator oder auch Quadraturdemo­ dulator bezeichnet. Eine derartige Demodulation ist bei­ spielsweise dargestellt in Rudolf Maeusl, analoge Modulati­ onsverfahren, Huetig Verlag, 1992.
Bei der Koinzidenz-Demodulation wird das zu demodulierende frequenzmodulierte Signal auf zwei Pfade aufgeteilt und ein­ mal direkt und zum anderen über ein frequenzabhängiges Pha­ sendrehglied, das bei der Trägermittenfrequenz eine Phasen­ drehung um 90° ausführt, auf einen Multiplizierer (Mischer) gegeben. Nachdem die Amplitude des Modulationsprodukts direkt in das demodulierte Signal eingeht, ist eine der Demodulation vorangehende Amplitudenbegrenzung erforderlich. Durch eine starke Amplitudenbegrenzung, die zweckmäßigerweise auf die beiden am Mischer anliegenden Signale wirkt, geht die Funkti­ on des analogen Multiplizierers in die eines digitalen Multi­ plizierers über.
Die Linearität der FM-Demodulation wird bestimmt von der Fre­ quenzabhängigkeit der Phasenverschiebung in dem Phasendreh­ glied. Einen linearen Zusammenhang erhält man mittels einer Laufzeitleitung in Form eines (idealen) Tiefpassfilters, das unterhalb seiner Grenzfrequenz betrieben wird. Weniger auf­ wendig ist die Ausführung eines Phasendrehglieds durch einen Schwingkreis, der in der Umgebung der Resonanzfrequenz nähe­ rungsweise linear ist. Der lineare ausnutzbare Bereich wird größer mit niedriger Kreisgüte Q.
Fig. 3 zeigt die Prinzipschaltung eines Koinzidenz- Demodulators mit einem Schwingkreis als Phasenschieber. Die­ ser in Fig. 3 gezeigte Koinzidenz-Demodulator weist einen Amplitudenbegrenzer 8, einen externen Schwingkreis 20, einen Mischer 9 sowie ein Tiefpassfilter 10 am Ausgang des Mischers 9 auf. Unter der Annahme, daß die Mulitiplizierer mit u1(t) eine auf die Amplitude begrenzte rechteckförmige Spannung zu­ geführt wird, deren Amplitude keinen Einfluß mehr auf die Ausgangsspannung haben soll, erhält man für die Ausgangsspan­ nung des Multiplizierers (Mischers) 9 einen von der Amplitude und Phasenlage der Spannung u2(t) abhängigen zeitlichen Ver­ lauf. Der nach Integration gewonnene Mittelwert ist somit ab­ hängig von der Phasenverschiebung der beiden Spannungen u1(t) und u2(t) zueinander und damit auch abhängig von der Momen­ tanfrequenz fFM(t).
Der Name "Koinzidenz-Demodulator" leitet sich ab von dem "Zu­ sammentreffen" oder gleichzeitigem Anliegen von den gleich­ sinnigen positiven oder negativen Halbwellen der Spannungen u1(t) und u2(t) an die Multiplizierer, wobei das Ergebnis als Produkt der Spannungen von deren Phasenzuordnung abhängig ist. Ein anderer Name, "Quadraturdemodulator", nimmt Bezug auf die bei der Trägermittenfrequenz um 90° zueinander ver­ setzten, also in "Quadratur" zueinander stehenden Spannungen.
Aufgrund beispielsweise von Toleranzen der verwendeten Bau­ elemente in dem Koinzidenz-Demodulator muß der Schwingkreis genau auf die Zwischenfrequenz fZF des Empfängers abgestimmt werden. Gemäß dem Stand der Technik erfolgt diese Abstimmung von außen, beispielsweise durch mechanische Justierung von Bauteilen des Schwingkreises oder durch Laserbearbeitung von Kondensatoren, um deren Kapazitäten zu verändern.
In der DE 691 13 624 T2 wird zur Kalibrierung des Oszillators eines GSM-Funkempfängers ein Testsignal in den Empfängerzweig eingespeist und davon abhängig ein spannungsgesteuerter Os­ zillator gesteuert. Das Testsignal wird aufgrund entsprechen­ der Steuerdaten von einer Steuerungseinheit veranlaßt.
In der DE 195 02 111 A1 ist ein Sendeempfänger für TDMA/TDD- Signale beschrieben. Unmittelbar vor jedem Sende- und jedem Empfangszeitschlitz wird die Schwingfrequenz eines spannungs­ gesteuerten Oszillators entsprechend der Ladespannung eines Schleifenfilters gesteuert. Das Schleifenfilter wird von ei­ ner Ladungspumpe angesteuert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik bereitzustellen, die die Kalibration von Koinzidenz-Demodulatoren erleichtert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Ge­ danken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Erfindungsgemäß ist also ein Empfänger für FM-modulierte HF- Signale vorgesehen. Der Empfänger weist einen Koinzidenz- Demodulator mit einem Mischer auf, der ein zu demodulierendes Signal mit einem frequenzabhängig phasenverschobenen Zweig des zu demodulierenden Signals mischt. Die frequenzabhägige Phasenverschiebung erfolgt durch einen (externen) Schwing­ kreis. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises wird ohne ex­ ternen Eingriff auf eine Zwischenfrequenz des Empfängers wäh­ rend einer Kalibrierung eingestellt. Somit kann der Empfänger autonom die Kalibrierung ohne Zuführung von Signalen oder dergleichen von außen ausführen. Es ist ein Rauschgenerator vorgesehen, der für einen Einstellvorgang der Resonanzfre­ quenz des Schwingkreises ein Rauschsignal als Zwischenfre­ quenzsignal bereitstellt.
Das Rauschsignal kann dabei von dem Rauschgenerator den Koin­ zidenz-Demodulator mittels eines Zwischenfrequenz- Bandpaßfilters zugeführt werden.
Zur Resonanzfrequenz-Einstellung kann in dem Schwingkreis ei­ ne Diode mit variabler Kapazität (Varactor-Diode) vorgesehen sein.
Weiterhin kann eine Ladungspumpe vorgesehen sein, die mit ei­ nem parallel zu der Diode mit variabler Kapazität geschalte­ ten Haltekondensator verbunden ist.
Die Ladungspumpe kann die Ladung an dem Haltekondensator zur Resonanzfrequenz-Einstellung abhängig von dem Ausgangssignal des Koinzidenz-Demodulators verändern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines Koinzidenz-Demodulators für FM-modulierte Signale vorgesehen. Der Koinzidenz- Demodulator weist dabei einen Mischer auf, der ein zu demodu­ lierendes Signal mit einem frequenzabhängig phasenverschobe­ nen Zweig des zu demodulierenden Signals mischt, wobei die frequenzabhängige Phasenverschiebung durch einen Schwingkreis erfolgt. Die Kalibrierung erfolgt durch Einstellung der Reso­ nanzfrequenz des Schwingkreises zur Verringerung einer Offset-Spannung am Ausgang des Koinzidenz-Demodulators. Die Einstellung der Resonanzfrequenz wird ohne Eingriff von außen und somit autonom bewerkstelligt. Zur Kalibrierung wird ein Rauschsignal als Zwischenfrequenzsignal bereitgestellt, das den Koinzidenz-Demodulator mittels eines Zwischenfrequenz- Bandpaßfilters zugeführt wird.
Zur Resonanzfrequenz-Einstellung kann die Spannung an eine Diode mit variabler Kapazität (Varactor-Diode) in dem Schwingkreis verändert werden.
Eine Ladungspumpe kann die Ladung an einem parallel zu der Diode mit variabler Kapazität geschalteten Haltekondensator verändern, wodurch also die Resonanzfrequenz des Schwingkrei­ ses eingestellt werden kann.
Die Resonanzfrequenz-Einstellung kann dabei abhängig von dem Ausgangssignal des Koinzidenz-Demodulators erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kalibrierung während eines Zeitschlitzes in einem Zeitmultiplex-System (PDMA) er­ folgt, während dem keine modulierten Daten übertragen werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels und bezugnehmend auf die begleitenden Figuren der Zeichnungen näher ersichtlich.
Fig. 1 zeigt einen Empfangszweig mit einem Koinzidenz- Demodulator,
Fig. 2 zeigt im Detail einen Koinzidenz-Demodulator mit besonderer Kalibrierungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Koinzidenz- Demodulators, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Bezugnehmend auf Fig. 1 soll zuerst ein Empfängerzweig bei­ spielsweise eines DECT-Bausteins beschrieben werden. Ein Si­ gnal, das von einer Antenne 1 empfangen wird, wird durch ein Filter 2 zu einer Sende/Empfangsweiche 3 gegeben. Das Signal wird nach einer Verstärkung 4 und einer weiteren Filterung 5 als Hochfrequenzsignal zu einem Mischer 6, der das empfangene Signal mit dem Signal von einem Lokaloszilator 21 auf eine Zwischenfrequenz IF heruntersetzt. Nach einer weiteren Filte­ rung 7 wird das Zwischenfrequenzsignal IF einem Amplitudenbe­ grenzer 8 zugeführt. Der externe, parallel zu dem Amplituden­ begrenzer 8 geschaltete Resonanzkreis 22 unterdrückt Breit­ bandrauschen, um die Sensitivität des Empfängers zu verbes­ sern. An dem Amplitudenbegrenzer 8 kann darüber hinaus ein RSSI (radio signal strength indicator)-Signal 14 abgenommen werden.
Das amplitudenbegrenzte Signal von dem Amplitudenbegrenzer 8 wird schließlich dem Koinzidenz-Demodulator 9 zugeführt. Das Ausgangssignal des Koinzidenz-Demodulators 9 wird gefiltert 10 und dann einem Komparator 12 zugeführt, der es mit einer Referenzspannung 11 vergleicht. Der Komparator 12 schaltet somit zwischen zwei Zuständen hin- und her und gibt dieses digitalisierte Ausgangssignal, daß die demodulierte Informa­ tion darstellt, zu einem Basisbandblock 13.
Während einer Kalibrierung, d. h. einer Einstellung der Mit­ tenfrequenz des Koinzidenz-Demodulators 9 auf die tatsächli­ che Trägerfrequenz, die von einem Sender verwendet wird, wird dem Koinzidenz-Demodulator 9 ein unmoduliertes, d. h. ein nicht FM-moduliertes Signal zugeführt. In diesem Zustand sollte das Ausgangssignal des Koinzidenz-Demodulators nach der Integration 10 möglichst 0 betragen. Eine Kalibrierein­ heit 19 im Basisbandblock 13 erfaßt das integrierte Ausgangs­ signal des Koinzidenz-Demodulators 9 und verändert dann die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 20 derart, daß das inte­ grierte Ausgangssignal auf 0 gezogen wird.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird nunmehr ein Koinzidenz- Demodulator 9 mit besonderer Kalibrierungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Das Besondere bei dieser Kalibrierungsfunktion ist, daß sie durch den Empfänger ohne externe Eingriffe von außen und somit autonom ausgeführt wer­ den kann.
Im folgenden werden lediglich jene Bauteile und ihre Funktion erläutert, durch die sich der Empfänger 2 gemäß Fig. 2 von dem von Fig. 1 unterscheidet.
Wie in Fig. 2 ersichtlich ist eine Schalteinheit 15 vorgese­ hen, die durch den Basisbandblock mit Kalibriereinheit 19 an­ gesteuert wird. Mit anderen Worten wird die zeitliche Syn­ chronisierung des Kalibrierungsvorgangs durch den Basisband­ block ausgeführt. Während eines Kalibriervorgangs kann anstel­ le des Zwischenfrequenzsignals von dem Herabsetzer 6 ein Rauschsignal von einem Rauschgenerator 16 zu dem Zwischenfre­ quenzfilter 7 gegeben werden. Dieses gefilterte Zwischenfre­ quenzsignal von dem Zwischenfrequenz-Filter 7 wird dem Ampli­ tudenbegrenzer 8 mit Verstärkerfunktion zugeführt. Dann wird dieses gefilterte und verstärkte (amplitudenbegrenzte) Rauschsignal dem Koinzidenz-Demodulator 9 zugeführt.
Im Unterschied zu dem Koinzidenz-Demodulator von Fig. 1 weist der Schwingkreis 20 eine in Serie zu dem Kondensator CP und der Induktivität LP geschaltete Varactor-Diode (Diode mit einstellbarer Kapazität) 18 auf. Diese Diode 18 wird in Rück­ wärtsrichtung betrieben, wobei die Kapazität mit steigender Sperrspannung sinkt. Die Spannung an der Varactor-Diode 18 wird durch die Ladung an einem Haltekondesator 19 bestimmt. Eine Ladungspumpe 17 ist vorgesehen, die während dem Kali­ briervorgang das Ausgangssignal des Koinzidenz-Demodulators 9 mit einer Referenzspannung VRef vergleicht und abhängig von diesem Vergleich Ladung auf den Haltekondensator 19 führt bzw. von diesem wegnimmt. Somit kann abhängig von der Aus­ gangsspannung des Koinzidenz-Demodulators 9 während des Kali­ briervorgangs mittels der Ladungspumpe 17 die Spannung an der Varactor-Diode und somit die Resonanzfrequenz des Schwing­ kreises 20 eingestellt werden.
Wie bereits gesagt, kann durch die Tatsache, daß das Zwi­ schenfrequenzsignal während der Kalibrierung von dem Chip­ internen Rauschgenerator 16 stammt und auch die Resonanzfre­ quenz des Schwingkreises 20 mittels der Ladungspumpe 17 und der Varactor-Diode 18 autonom von dem Empfängerzweig selbst eingestellt werden kann, der Kalibriervorgang ohne Eingriff von außen ausgeführt werden.
Allgemein eignet sich die dargestellte Empfängertechnik für frequenzmodulierte Signale. Besondere Vorteile liegen bei TDMA (Time Division Multiple Acess)-Systemen, wie beispiels­ weise dem DECT-Standard. Bei einem TDMA-System (Zeitmulti­ plexsystem) kann jeder einzelne Benutzer nur für einen be­ stimmten Zeitschlitz Signale empfangen oder senden.
Wie bereits beschrieben, kann bei der vorgestellten Technik auf einen externen Abgleich des Demodulators verzichtet wer­ den. Dennoch kann eine Einstellung des Koinzidenz- Demodulators auf die Mittenfrequenz des Zwischenfrequenz- Filters 7, die der Zwischenfrequenz des Empfängers FZF ent­ spricht, erfolgen. In TDMA-Systemen, wie beispielsweise im DECT-Standard kann dabei der Kalibrierungsvorgang vor Beginn eines aktiven Empfangszeitschlitzes in den sogenannten blind­ slots erfolgen.
Als Eingangssignal wird wie bereits gesagt während dem Kali­ brierungsvorgang für die Einstellung ein bandpassgefiltertes weißes Rauschsignal verwendet. Das weiße thermische Rauschen von Widerständen wird dabei mit einem Verstärker verstärkt (innerhalb des Rauschgenerators 16) und durch das Zwischen­ frequenz (SAW)-Filter 7 bandpassgefiltert. Das gefilterte Si­ gnal geht anschließend verstärkt (durch den Amplitudenbe­ grenzer 8) auf den Koinzidenz-Demodulator 9. Die Regelung gleicht den Koinzidenz-Demodulator 9 auf die Mittenfrequenz des Rauschsignals ab. Hierbei wird die Ausgangsspannung des Koinzidenz-Demodulators 9 mit einer festen Referenzspannung VRF verwirklicht. Je nachdem, ob die Differenz positiv oder negativ ist, wird dann Ladung von dem Haltekondensator 19 ge­ pumpt bzw. gezogen, so lange bis die Ausgangsspannung des Ko­ inzidenz-Demodulators 9 der Referenzspannung VRef entspricht. Im statistischen Mittel wird somit der Koinzidenz-Demodulator 9 auf die Mittenfrequenz des SAW-Filters 7 abgeglichen. Die Kalibrierungsregelung wird vor einem aktiven Empfangszeit­ schlitz abgeschaltet. Dabei wird die Ladungspumpe 17 in den sogenannten tri-state-Modus geschaltet, wodurch der Wert der Führungsgröße diese Kalibrierungsregelung (die Spannung an dem Haltekondensator 19) gespeichert wird. Im folgenden akti­ ven Empfangszeitschlitz können dann Daten empfangen werden.
Es ist anzumerken, daß anstelle des Haltekondensators 19 auch ein anderes Schleifenfilter verwendet werden kann, wodurch sich gegebenenfalls ein schnelleres Einschwingen auf den End­ wert erreichen läßt. Ein optionaler Pufferverstärker 23 ver­ hindert eine Entladung des Haltekondensators 19 durch Lenk­ ströme. Es ist anzumerken, daß der Rauschgenerator 16, die Ladungspumpe 17, der Amplitudenbegrenzer 8, der Koinzidenz- Demodulator 9 sowie der Pufferverstärker 23 auf einem Chip integriert werden können.
Bezugszeichenliste
1
Antenne
2
Empfang/Sende-Filter
3
Sende/Empfangsweiche
4
LNA-Verstärker
5
Halb-Filter
6
Mischer
7
Zwischenfrequenz (SAW)-Filter
8
Amplitudenbegrenzer
9
Koinzidenz-Demodulator
10
Bandpassfilter
11
Referenzspannung
12
Komparator
13
Basisbandblock
14
RSSI (Radio Signal Strength Indicator)-Signal
15
Schalter
16
Rauschgenerator
17
Ladungspumpe
18
Varactor-Diode (Kapazitäts-Diode)
19
Haltekondensator
20
Schwingkreis
21
Lokaloszilator
22
Schwingkreis des Amplitudenbegrenzers
23
Verstärker

Claims (11)

1. Empfänger für FM-modulierte HF-Signale, aufweisend einen Koinzidenz-Demodulator (9) mit einem Mischer (9), der ein zu demodulierendes Signal mit einem frequenzab­ hängig phasenverschobenen Zweig des zu demodulierenden Si­ gnals mischt, wobei die frequenzabhängige Phasenverschiebung durch einen Schwingkreis (20) erfolgt, dessen Resonanzfre­ quenz auf eine Zwischenfrequenz des Empfängers einstellbar ist, wobei der Empfänger in einem Kalibrierungsmodus betreib­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rauschgenerator (16) vorgesehen ist, durch den im Ka­ librierungsmodus als zu demodulierendes Signal in den Koinzi­ denz-Demodulator (9) ein Rauschsignal eingekoppelt wird, und
daß in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Mischers (9) die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (20) steuerbar ist.
2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauschsignal von dem Rauschgenerator (16) dem Koinzi­ denz-Demodulator (9) mittels eines Zwischenfrequenz- Bandpassfilters (7) zugeführt wird.
3. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Resonanzfrequenz-Einstellung eine Diode (18) mit va­ riabler Kapazität in dem Schwingkreis (20) vorgesehen ist.
4. Empfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladungspumpe (17) vorgesehen ist, die mit einem par­ allel zu der Diode (18) mit variabler Kapazität geschalteten Haltekondensator (19) verbunden ist.
5. Empfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpe (17) die Ladung an dem Haltekondensator (19) zur Resonanzfrequenz-Einstellung abhängig von dem Aus­ gangssignal des Koinzidenz-Demodulators (9) verändert.
6. Verfahren zur Kalibrierung eines Koinzidenz-Demodulators für FM-modulierte Signale,
wobei der Koinzidenz-Demodulator (9) einen Mischer (9) auf­ weist, der ein zu demodulierendes Signal mit einem frequenz­ abhängig phasenverschobenen Zweig des zu demodulierenden Si­ gnals mischt, wobei die frequenzabhängige Phasenverschiebung durch einen Schwingkreis (20) bewirkt wird und wobei die Ka­ librierung durch Einstellung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (20) zur Verringerung einer Offset-Spannung am Ausgang des Koinzidenz-Demodulators (9) bewirkt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß als zu demodulierendes Signal ein Rauschsignal in den Ko­ inzidenz-Demodulator (9) eingekoppelt wird und daß in Abhän­ gigkeit von einem Ausgangssignal des Mischers (9) die Ein­ stellung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (20) bewirkt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rauschsignal dem Koinzidenz-Demodulator (9) mittels eines Zwischenfrequenz-Bandpassfilters (7) zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Resonanzfrequenz-Einstellung die Spannung an einer Diode (18) mit variabler Kapazität in dem Schwingkreis (20) verändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Spannung an der Diode (18) mit variabler Kapazität eine Ladungspumpe (17) vorgesehen ist, die die Ladung an einem parallel zu der Diode (18) mit variabler Kapazität geschalteten Haltekondensator (19) verändert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpe (17) die Ladung an dem Haltekondensator (19) zur Resonanzfrequenz-Einstellung abhängig von dem Aus­ gangssignal des Koinzidenz-Demodulators (9) verändert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung während eines Zeitschlitzes in einem Zeitmultiplex-System erfolgt, während dem keine modulierten Daten übertragen werden.
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