DE19934652A1

DE19934652A1 - Kommunikationsgerät und Verfahren

Info

Publication number: DE19934652A1
Application number: DE19934652A
Authority: DE
Inventors: Matthias Koenig
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2019-07-24
Also published as: US6405026B1; DE19934652C2

Abstract

Ein Funkkommunikationsgerät (100) wie z. B. ein Mobiltelefon, umfaßt Signalumsetzer (110, 130, 140), eine Bandpaßfiltereinheit (120) und einen Oszillator (150). Im Empfangsmodus (I) wandelt ein erster Umsetzer (110) ein HF-Signal in ein ZF-Zwischensignal (20) um, das dann nach Filterung durch die Bandpaßfiltereinheit (120) mit einem zweiten Umsetzer (130) in ein NF-Signal gewandelt wird. Im Sendemodus (II) verwendet das Gerät (100) den ersten Umsetzer (110) und das Filter (120) zur Kompression der Dynamik eines Mikrofonsignals (40). Der erste Umsetzer (110) setzt das Mikrofonsignal (40) auf ein weiteres ZF-Zwischensignal (50) um, das in der Filtereinheit (120) mit einem Begrenzer (121) amplitudenbegrenzt wird und mit einem Filter (122) gefiltert wird. Der dritte Umsetzer (140) setzt das gefilterte und begrenzte Signal (51, 52) wieder in ein niederfrequentes Signal (60) zurück.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kommunikationsgeräte wie digitale und analoge Funkgeräte zur Sprach- und/oder Datenverarbeitung, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Geräte.

Hintergrund der Erfindung

Bei der Sprachkommunikation mit Funkgeräten (digital oder analog) ist die Lautstärke des Sprachsignals entscheidend für die Verständlichkeit. Der Sprecher darf laut oder leise und nah oder fern am Gerät sprechen. Das im Sender vom Mikrofon erzeugte Sprachsignal unterliegt deshalb Dynamikschwankungen. Der Hörer erwartet jedoch eine weitgehend gleichmäßige Lautstärke (geringe Dynamik). Schwankungen des Signals sollten deshalb auf dem Übertragungsweg von Mikrofon zu Lautsprecher unterdrückt werden.

Üblicherweise wird eine Dynamikkompression des Sprachsignals mit Regelkreisen gewährleistet, die im Sender zwischen Mikrofon und Modulator geschaltet sind. Regelkreise zeigen jedoch Nachteile, die sich in Regelzeitkonstanten, Geräuschen, und erhöhten Klirrfaktoren des Sprachsignals manifestieren. Tiefpaßfilter zum Dämpfen der durch den Regelkreis parasitär eingeführten Harmonischen können u. U. das Sprachsignal unerwünscht beeinflussen.

Ein alternativer Dynamikkompressor besteht aus einem ersten Umsetzer, einem Bandpaßfilter, einem zweitem Umsetzer und einem gemeinsamen Oszillator. Dieser Kompressor erscheint jedoch wegen erhöhter Fertigungskosten und Dimensionen (z. B. Siliziumfläche) für Funkgeräte nicht attraktiv.

Es besteht die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Kommunikationsgerät bereitzustellen, daß die oben genannten Nachteile vermeidet. Diese Aufgabe wird mit einer gattungsgemäßen Einrichtung und einem Verfahren nach den Ansprüchen gelöst.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Kommunikationsgerätes entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Ablaufschema eins Verfahrens zum Betreiben des Kommunikationsgerätes der Fig. 1; und

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Bandpaßfiltereinheit, die alternativ im Kommunikationsgerät der Fig. 1 eingesetzt werden kann.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Kommunikationsgerätes 100 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Signale werden mit zweistelligen Bezugsnummern und Schaltungselemente werden mit dreistelligen Bezugsnummern dargestellt.

Kommunikationsgerät 100 ist ein kombiniertes Sende- und Empfangsgerät mit den Betriebsarten I (üblicherweise Empfangen) und II (üblicherweise Senden). Sende- und Empfangsstrecken werden bevorzugterweise als Funkstrecken ausgeführt. Die vorliegende Erfindung kann für jede Art von Sprechfunkgeräten zur Anwendung kommen und eignet sich besonders für digitale und analoge Mobiltelefone.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt Kommunikationsgerät 100 die folgenden Elemente: Umsetzer 110, Bandpaßfiltereinheit 120 mit Begrenzer 121 ("B") und Bandpaßfilter 122 ("BPF"), Oszillator 150 mit Synthesizer-Oszillator 151 und RC-Oszillator 152, Umsetzer 130 und 140 sowie - symbolisch dargestellt - Umschalter 111 und 123.

Sende- und Empfangsgeräte verwenden Signale in verschiedenen Frequenzbereichen. Bei der vorliegenden Erfindung werden drei getrennt liegende Frequenzbereiche unterschieden. Mit anderen Worten, die Frequenzbereiche sollen sich nicht überlappen.

Die folgende Beschreibung verwendet für die Frequenzbereiche, in denen die Signale liegen, die Begriffe Hochfrequenz (HF, erster Bereich, z. B. 50 MHz), Zwischenfrequenz (ZF, zweiter Bereich, z. B. F_ZF = 150 kHz, 10 kHz Bandbreite) und Niederfrequenz (NF, dritter Bereich, z. B., 300 . . . 3000 Hz, F_{NF MIN} . . . F_{NF MAX}, Sprache). Diese Frequenzzuordnung dient jedoch nur zur Erläuterung. Der Fachmann ist aufgrund der vorliegenden Beschreibung in der Lage, Kommunikationsgerät 100 auch für andere Frequenzen auszulegen.

In der Betriebsart I stehen Umschalter 111 und 123 in Position I.

Kommunikationsgerät 100 empfängt HF-Signal 10 zum Beispiel von einer hier nicht dargestellten Antenne oder von einer bandpaßgefilterten Signalverarbeitungseinheit im HF-Bereich. Umsetzer 110 empfängt Oszillatorsignal 90 von Oszillator 150 (bevorzugterweise von Syntheziser-Oszillator 151) und konvertiert HF-Signal 10 in ZF-Signal 20. Bandpaßfiltereinheit 120 hat die Funktion eines selektiven ZF- Verstärkers und filtert ZF-Signal 20 in Zwischensignal 21. Umsetzer 130 (Demodulator) konvertiert Zwischensignal 21 in NF-Signal 30. Bei NF-Signal 30 handelt es sich zum Beispiel um ein analoges Sprachsignal oder um ein Basisbandsignal zur digitalen Datenübertragung. Mit anderen Worten, in Betriebsart I verhält sich Kommunikationsgerät 100 in der bevorzugten Ausführungsform wie ein üblicher Überlagerungsempfänger. Solche Geräte sind dem Fachmann wohlbekannt. Eine Zusammenfassung findet sich im Kapitel "Empfänger" auf Seiten Q1 bis Q63 des Werkes Meinke/Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", herausgegeben von K. Lange und K.-H. Löcherer, Fünfte, überarbeitete Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1992, ISBN 3-540-54717-7.

In der Betriebsart II stehen Umschalter 111 und 123 in Position II. Entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet Kommunikationsgerät 100 Umsetzer 110 und Bandpaßfiltereinheit 120 auch zur Dynamikkompression. Umsetzer 110 empfängt NF-Signal 40 zum Beispiel von einem hier nicht dargestellten Mikrofon (d. h. Sprachsignal). Umsetzer 110 empfängt Oszillatorsignal 90 von Oszillator 150 und wandelt NF-Signal 40 zunächst in ZF-Signal 50 um. In Bandpaßfiltereinheit 120 begrenzt Begrenzer 121 ZF-Signal 50 (z. B. Amplitudenbegrenzung) zu Zwischensignal 51, und Bandpaßfilter 122 filtert Zwischensignal 51 in Zwischensignal 52. Unter Begrenzen ist zu verstehen, daß die Signalamplitude einen Maximalwert nicht überschreiten darf. Umsetzer 140 konvertiert dann Zwischensignal 51 wieder in NF-Signal 60 (d. h. ebenfalls Sprachsignal), das gegenüber NF-Signal 40 eine eingeschränkte Dynamik hat.

Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung kombiniert die Funktionen des Sprachsignalkompressors (zur Dynamikkompression beim Senden) und des Selektors (zur Frequenzselektion beim Empfangen). Zum Senden wird zeitweilig das zu komprimierende Mikrofonsignal 40 auf ein erstes Zwischenfrequenzsignal 50/51/52 umgesetzt (NF auf ZF in Umsetzer 110, ZF auf NF in Umsetzer 140). Zum Empfangen wird HF-Signal 10 in ein zweites ZF-Signal 20 umgesetzt. In beiden Funktionen wird Bandpaßfiltereinheit 120 wechselseitig in Anspruch genommen: beim Senden mit dem ersten ZF-Signal und beim Empfangen mit dem zweiten ZF-Signal.

Oszillator 150 kann Oszillatorsignal 90 wahlweise mit Synthesizer-Oszillator 151 (Betriebsart Empfangen) oder mit RC-Oszillator 152 (Betriebsart Senden) bereitstellen. In der Betriebsart Senden ist die Frequenzkonstanz des Signals 90 weniger kritisch als beim Empfangen, da Signal 90 beim Senden eine niedrigere Frequenz hat als beim Empfangen. Der Fachmann ist in der Lage, eine Frequenzdrift in Oszillator 150 und Filter 120 zu kompensieren, so daß eine weitgehend verzerrungsfreie Dynamikompression auch bei (gegenüber Synthesizern) preiswerteren RC-Komponenten gewährleistet ist. Die Verwendung gleicher Fertigungstechnologien in Oszillator 150 und Filtereinheit 120 ist dabei vorteilhaft. Bei Anwendung von moderner Technologie (z. B. DDS - Direct Digital Synthesis) kann Oszillator 150 mit einem einzigen Synthesizer realisiert werden. Eine Aufsplittung in Synthesizer-Oszillator 151 und RC-Oszillator 152 wäre dann nicht mehr erforderlich.

Bevorzugterweise wird Bandpaßfiltereinheit 120 sowohl im Empfangsmodus (Betriebsart I) als auch im Sendemodus (Betriebsart II) mit Signalen 20 bzw. 50 gespeist, die im wesentlichen die gleiche Frequenz haben (d. h. gleiche Zwischenfrequenz).

Bevorzugterweise ist die Signalverstärkung des Begrenzers 121 in Betriebsart I kleiner als in Betriebsart II. In Betriebsart I kann Begrenzer 121 auch die Verstärkung v = 1 haben (wahlweise Überbrückung durch Schalter möglich).

Die Übertragungsfunktion des Bandpaßfilters 122 (Bandbreite und genaue Zwischenfrequenz) ist bevorzugterweise schaltbar. Bandpaßfilter 122 ist bevorzugterweise ausgeführt als integriertes Filter. Es bietet sich die Verwendung von geschalteten Kondensatoren ("Switched Capacitors") bzw. von aktiven Analogfiltern (z. B. RC-Schaltungen mit hinzugefügten Operationsverstärkern) an. Die komplette Integration der Elemente 110-150 auf einem einzigen Siliziumchip wird dadurch ermöglicht.

Eine Einführung in geschaltete Kondensatoren findet sich in Ezz I. El-Masry: "Switched-Capacitor Circuits" als Kapitel 43 auf Seiten 611 bis 621 des Werkes "The Electronics Handbook", herausgegeben von Jerry C. Whitaker, Technical Press, Beaverton, Oregon, ISBN 0-8493-8345-5.

Eine Einführung in aktive Analogfilter findet sich im Kapitel 14 "Aktive Filter" auf Seiten 376 bis 439 des Werkes "Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, Sechste, neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo 1983, ISBN 3-540-12488-8.

Umschalter 111 und 123 sind bevorzugterweise ausgeführt als CMOS-Schalter (sog. Transfer Gates, Transmission Gates). Bandpaßfilter 122 kann auch eine Verzögerungsfunktion für Störaustaster (sogenannte Noise Blanker) beinhalten.

Fig. 2 illustriert ein vereinfachtes Ablaufschema eines Verfahrens 200 zum Betreiben eines Funkgerätes entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 2 mit gestrichelten Rahmen dargestellt, hat Verfahren 200 die wechselseitig ausgeführten Verfahrensschritte Empfangen 210 (vgl. Betriebsart I) und Senden 220 (Betriebsart II). Die in Verfahrensschritten 210 und 220 angegebenen Teilschritte Konvertieren und Filtern werden jeweils im wesentlichen gleichzeitig ausgeführt.

Beim Empfangen 210 werden HF-Signal 10 in ZF-Signal 20 konvertiert (Konvertieren 211), ZF-Signal 20 in Zwischensignal 21 gefiltert (Filtern 212) und Zwischensignal 21 in NF-Signal 30 konvertiert (Konvertieren 213).

Zur Dynamikkompression werden beim Senden 220, NF-Signal 40 (z. B. Sprache) in ZF-Signal 50 konvertiert (Konvertieren 221) und ZF-Signal 50 mit Amplitudenbegrenzung in Zwischensignal 52 gefiltert (Filtern 222). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Senden 220, das NF-Signal 40 in ZF-Signal 50 von dem gleichen Umsetzer 110 konvertiert wird (Schritt 211), der beim Empfangen 210 das HF-Signal 10 in ZF-Signal 20 konvertiert (Schritt 212), und das ZF-Signal 50 in Zwischensignal 52 von der gleichen Bandpaßfiltereinheit 120 gefiltert wird (Schritt 221), die beim Empfangen 210 das ZF-Signal 20 in Zwischensignal 21 filtert (Schritt 222).

Mit anderen Worten, die Schritte Konvertieren 211 und 221 werden von dem gleichen Umsetzer 110 und die Schritte Filtern 212 und 221 werden von der gleichen Bandpaßfiltereinheit 120 ausgeführt. Die zur Dynamikkompression beim Senden 220 erforderliche Amplitudenbegrenzung erfolgt mit Komponenten (d. h. in Begrenzer 120 der Einheit 120), die auch beim Empfangen Verwendung finden.

Gegenüber dem Stand der Technik wird demnach die Bandpaßfiltereinheit sowohl beim Senden als auch beim Empfangen verwendet. Dadurch werden die eingangs erwähnten Nachteile (z. B. große Siliziumfläche) des Standes der Technik vermieden. Der alternative Dynamikkompressor gewinnt an Attraktivität und ein verbessertes Kommunikationsgerät wird bereitgestellt.

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Bandpaßfiltereinheit 120', die alternativ in Kommunikationsgerät 100 eingesetzt werden kann. In FIGS. 1 und 3 stehen ähnliche Referenznummern für ähnliche Elemente und Signale. Filtereinheit 120' besteht aus Bandpaßfilter 122' ("BPF₁"), Begrenzer 121' ("B") sowie Bandpaßfilter 122" ("BPF₂"). Gegenüber Filtereinheit 120 in Fig. 1 ist der Bandpaßfilter in zwei Komponenten aufgeteilt: BPF₁ vor dem Begrenzer und BPF nach dem Begrenzer.

In Betriebsart I filtert Filter 120' ZF-Signal 20 in Zwischensignal 21 (vgl. Fig. 1, über BPF₁, B, und BPF₂), wobei Begrenzer 121' eine konstante Verstärkung aufweist.

In Betriebsart II filtert Bandpaßfilter 122' ZF-Signal 50 (vgl. Fig. 1) zunächst in Signal 50', begrenzt Begrenzer 121' Signal 50' zu Signal 51' und filtert Bandpaßfilter 122" Signal 51' in Signal 52 (vgl. Fig. 1). Begrenzer 121' arbeitet dabei mit einer Verstärkung, die eine Funktion der Amplitude des Signal 50' ist. Bevorzugterweise dienen Bandpaßfilter 122' und 122" der Einseitenbandfilterung. Die Filtermittenfrequenz F_MITTE beider Bandpaßfilter 122' und 122" entspricht dabei bevorzugterweise der Zwischenfrequenz verschoben um die halbe Niederfrequenz:

F_MITTE = F_ZF + 0,5 . F_{NF MAX}
oder F_MITTE = F_ZF - 0,5 . F_{NF MAX}.

Claims

1. Kommunikationsgerät (100) bei dem in einer ersten Betriebsart (I)

- ein erster Umsetzer (110) ein erstes Signal (10), das in einem ersten Frequenzbereich liegt, in ein zweites Signal (20), das in einem zweiten Frequenzbereich liegt, konvertiert,
- eine Bandpaßfiltereinheit (120) das zweite Signal (20) in ein erstes Zwischensignal (21) filtert,
- ein zweiter Umsetzer (130) das erste Zwischensignal (21) in ein drittes Signal (30), das in einem dritten Frequenzbereich liegt, konvertiert;

alternativ in einer zweiten Betriebsart (II) zur Dynamikkompression ein viertes Signal (40) im dritten Frequenzbereich zuerst in ein fünftes Signal (50) im zweiten Frequenzbereich und dann in ein sechstes Signal (60) im dritten Frequenzbereich umgesetzt wird,
das Kommunikationsgerät dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Betriebsart (II)

- der erste Umsetzer (110) das vierte Signal (40) in das fünfte Signal (50) konvertiert,
- die Bandpaßfiltereinheit (120) mit einem Begrenzer (121) das fünfte Signal (50) in ein zweites Zwischensignal (51) begrenzt und mit einem Bandpaßfilter (122) das zweite Zwischensignal (51) in ein drittes Zwischensignal (52) filtert, und
- ein dritter Umsetzer (140) das dritte Zwischensignal (52) in das sechste Signal (60) konvertiert.

2. Das Kommunikationsgerät (100) nach Anspruch 1, bei dem die erste Betriebsart (I) Empfangen ist, und bei dem die zweite Betriebsart (II) Senden ist.

3. Kommunikationsgerät (100) nach Anspruch 2, bei dem der erste Frequenzbereich eine Hochfrequenz (HF) ist, der zweite Frequenzbereich eine getrennt liegende Zwischenfrequenz (ZF) ist, und der dritte Frequenzbereich eine getrennt liegende Niederfrequenz (NF) ist.

4. Kommunikationsgerät (100) nach Anspruch 3, bei dem das erste Signal (10) und das vierte Signal (40) Sprachsignale sind.

5. Kommunikationsgerät (100) nach Anspruch 1, bei dem der erste Umsetzer (110) und der dritte Umsetzer (140) ein Oszillatorsignal (90) von einem gemeinsamen Oszillator (150) verwenden.

6. Kommunikationsgerät (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Signalverstärkung des Begrenzers (121) in der ersten Betriebsart (I) kleiner ist als in der zweiten Betriebsart (II).

7. Kommunikationsgerät (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bandpaßfilter (122) schaltbar ist.

8. Kommunikationsgerät (100) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bandpaßfilter (122) ein integriertes Filter ist.

9. Kommunikationsgerät (100) nach Anspruch 8, bei dem das Bandpaßfilter als geschaltetes Kondensatorfilter implementiert ist.

10. Kommunikationsgerät (100) nach Anspruch 8, bei dem das Bandpaßfilter als aktives Analogfilter implementiert ist.

11. Kommunikationsgerät (100) nach Anspruch 8, bei dem das Bandpaßfilter (122) eine Verzögerungsfunktion für Störaustaster beinhaltet.

12. Kommunikationsgerät (100) nach den Ansprüchen 2 und 5, bei dem in dem gemeinsamen Oszillator (150) das Oszillatorsignal

- in der Betriebsart Empfangen von einem Synthesizer-Oszillator (151) bereitgestellt wird, und
- in der Betriebsart Senden von einem RC-Oszillator (152) bereitgestellt wird.

13. Kommunikationsgerät (100) nach den Ansprüchen 2 und 5, bei dem in dem gemeinsamen Oszillator (150) das Oszillatorsignal in beiden Betriebsarten von einem DDS-Synthesizer bereitgestellt wird.

14. Funkgerät (100) mit Sender und Empfänger, gekennzeichnet durch die Kombination

- der Funktion eines Sprachsignalkompressors im Sender zur Dynamikkompression eines Mikrofonsignals (40) mit zwischenzeitlicher Umsetzung (110, 130) des zu komprimierenden Mikrofonsignals (40) auf ein erstes Zwischenfrequenzsignal (50, 51, 52), mit
- der Funktion eines Selektors wobei im Empfänger ein Hochfrequenzsignal (10) in ein erstes Zwischenfrequenzsignal (20) umgewandelt wird, und wobei ein von beiden Funktionen wechselseitig in Anspruch genommenes Bandpaßfilter (120) in einem Sendemodus mit dem ersten Zwischenfrequenzsignal (50, 51, 52) und in einem Empfangsmodus dem zweiten Zwischenfrequenzsignal (20, 21) betrieben wird.

15. Funkgerät nach Anspruch 14, bei dem die Bandpaßfiltereinheit (120) sowohl im Empfangsmodus (I) als auch im Sendemodus (II) mit im wesentlichen gleicher Zwischenfrequenz betrieben wird.

16. Verfahren (200) zum Betreiben eines Funkgerätes mit den wechselseitigen Verfahrensschritten Empfangen (210) und Senden (220), wobei beim Empfangen ein HF-Signal (10) in ein ZF-Signal (20) konvertiert (211), das ZF-Signal (20) in ein erstes Zwischensignal (21) gefiltert (212), und das erste Zwischensignal (21) in ein erstes NF-Signal (30) konvertiert (213) werden, und wobei zur Dynamikkompression beim Senden, ein zweites NF-Signal (40) in ein zweites ZF-Signal (50) konvertiert (221) und das zweite ZF-Signal (50) bei Begrenzung der Amplitude in ein zweites Zwischensignal (52) gefiltert (222) werden, das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß beim Senden das zweite NF-Signal (40) in das zweite ZF-Signal (50) von dem gleichen ersten Umsetzer (110) konvertiert wird, der beim Empfangen das HF-Signal (10) in das erste ZF-Signal (20) konvertiert, und das zweite ZF-Signal (50) in das zweite Zwischensignal (52) von der gleichen Bandpaßfiltereinheit (120) gefiltert wird, die beim Empfangen das erste ZF-Signal (20) in das erste Zwischensignal (21) filtert.