DE19963644A1 - Empfänger - Google Patents

Abstract

Der Empfänger umfaßt eine Mischstufe (3) zum Mischen eines Eingangssignals (1) mit einem Trägersignal, eine Filterstufe (5) zum Ausfiltern unerwünschter Mischprodukte, einen Analog-Digital-Umsetzer (7), eine mit einem Systemtakt getaktete digitale Signalverarbeitungseinrichtung (8) sowie eine in der Frequenz steuerbare Signalerzeugungsstufe (4) zur Erzeugung des Trägersignals synchron zum Systemtakt. Die digitale Signalverarbeitungseinrichtung (8) hat Mittel zum Weiterverarbeiten des Zwischenfrequenzsignals innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes, wobei ein durch Mischung des Eingangssignals (1) und des Trägersignals erzeugtes Zwischenfrequenzsignal innerhalb dieses Frequenzbandes liegt.

Description

Konventionelle Empfänger mit beispielsweise Frequenzdemodula­ tion arbeiten mit einer festen Zwischenfrequenz von 10,7 MHz. Dabei bestehen die Empfänger abgesehen von den Hochfrequenz- Eingangskreisen (Vorselektionsfilter und Verstärkungsrege­ lung) in der Regel aus analogen Komponenten wie Mischstufe, Mischoszillator, Synthesizer-Phasenregelkreis (Synthesizer- PLL), Zwischenfrequenz-Verstärker und Zwischenfrequenz- Filter. Die nachfolgende Zwischenfrequenz-Verarbeitung kann sowohl analog als auch digital unter Verwendung eines ent­ sprechenden Analog-Digital-Umsetzers erfolgen.

Die feste Zwischenfrequenz von 10,7 MHz bietet den Vorteil, daß handelsübliche und genormte Bauteile zum Einsatz kommen können. Demgegenüber ist es schwierig, die genannten analogen Komponenten mit digitalen Verarbeitungseinheiten auf einem einzigen Chip zu integrieren, da jeweils besondere Anforde­ rungen an die verwendete Technologie und das Chipdesign ge­ stellt werden. Für die Abstimmung und Umsetzung der Eingangs­ frequenz (Empfangsfrequenz) auf eine feste Zwischenfrequenz wird beispielsweise ein Synthesizer-Phasenregelkreis benö­ tigt, der die Frequenz des Mischoszillators entsprechend steuert und einstellt. Wesentlich für die Güte des Empfängers ist dabei die Frequenzstabilität des Phasenregelkreises (ge­ ringer Phasenjitter) und eine möglichst hohe Abstimmm- und Umschaltgeschwindigkeit des Phasenregelkreises. Entsprechend dem Raster der Empfangsfrequenzen muß auch der Phasenregel­ kreis mit einer entsprechenden Schrittweite von beispielswei­ se 50 KHz arbeiten. Die Mischoszillatorfrequenz wird in der Regel von einem Quarz mit einer Frequenz von 10,25 MHz abge­ leitet und mit Hilfe des Phasenregelkreises auf die einzu­ stellende Empfangsfrequenz geregelt.

Für die Integration derartiger Phasenregelkreise zusammen mit digitalen Signalverarbeitungseinrichtungen bedeutet dies, daß unerwünschte Interferenzen zwischen den unterschiedlichen Takt- und Oszillatorfrequenzen auf dem Chip auftreten können. Vorzugsweise wird als Systemtakt für den Digitalteil ein ganzzahliges Vielfaches der Audio-Abtastrate von 44,1 KHz bzw. 48 KHz gewählt, während das Empfangsfrequenzraster - wie bereits angesprochen - am günstigsten mit einer Zeitbasis von 10,25 MHz umzusetzen ist.

Im Falle vollständig analog realisierter Empfänger erfolgt die gesamte Zwischenfrequenz-Selektion bei 10,7 MHz mit meh­ reren Keramikfiltern unterschiedlicher Bandbreiten und Güten, während beim Einsatz der digitalen Signalverarbeitung die Ka­ naltrennung mittels digitaler Filterung erreicht wird, und lediglich ein relativ breitbandiges Keramikfilter vor der Analog-Digital-Umsetzung als Anti-Aliasing-Filter benötigt wird. Im Hinblick auf eine umfassende Integration des Empfän­ gers stellen diese Keramikfilter jedoch Baugruppen dar, die aus technologischen Gründen in dieser Form nicht integrierbar sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Empfänger anzuge­ ben, der für eine umfassende Integration besser geeignet ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Empfänger gemäß Patentan­ spruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungs­ gedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß kein analoger Synthesizer-Phasenregelkreis erforderlich ist und daß die Trägerfrequenz aus dem Systemtakt abgeleitet wird. Dadurch wird ein vollsynchrones Design ermöglicht, das störende In­ terferenzen unterbindet und damit eine Integration unter­ schiedlicher Schaltungsteile zuläßt. Darüber hinaus werden bei einer Weiterbildung der Erfindung keine externen Filter benötigt, so daß eine Vollintegration möglich gemacht wird. Schließlich erfolgt die Feinabstimmung vollkommen digital und daher besonders schnell und präzise.

Erreicht wird dies insbesondere durch einen Empfänger mit einer Mischstufe zum Mischen eines Eingangssignals mit einem Trägersignal, einer der Mischstufe nachgeschalteten Filter­ stufe zum Ausfiltern unerwünschter Mischprodukte, einem der Filterstufe nachgeschalteten Analog-Digital-Umsetzer, einer dem Analog-Digital-Umsetzer nachgeschalteten, mit einem Sy­ stemtakt getakteten digitalen Signalverarbeitungseinrichtung und einer mit der Mischstufe und der digitalen Signalverar­ beitungseinrichtung gekoppelten, in der Frequenz steuerbaren Signalerzeugungsstufe zur Erzeugung des Trägersignals syn­ chron zum Systemtakt. Dabei weist die digitale Signalverar­ beitungseinrichtung Mittel zum Weiterverarbeiten des Zwi­ schenfrequenzsignals in einem bestimmten Frequenzband auf, wobei ein durch Mischung des Eingangssignals und des Träger­ signals erzeugtes Zwischenfrequenzsignal innerhalb des be­ stimmten Frequenzbandes liegt.

Bevorzugt erzeugt dabei die steuerbare Signalerzeugungsstufe das Trägersignal bei Frequenzen, die ein bestimmtes ganzzah­ liges Vielfaches der Frequenz des Systemtakts sind, wobei zur Abstimmung des Empfängers das ganzzahlige Vielfache einstell­ bar ist. Dazu wird beispielsweise durch entsprechende Ein­ stellung und Verschaltung von Frequenzteilern und/oder Fre­ quenzvervielfachern eine Trägerfrequenz erzeugt, die nach der Mischung mit dem Eingangssignal eine gewünschte Empfangsfre­ quenz in eine in das bestimmte Frequenzband fallende Zwi­ schenfrequenz umsetzen. Da in der Regel der Systemtakt recht­ eckförmig ist, wird das daraus durch Frequenzteilung und/oder Frequenzvervielfachung gewonnene Signal beispielsweise durch Tiefpaßfilterung in ein zum analogen Mischen geeignetes, si­ nusförmiges Trägersignal umgewandelt. Der Aufwand zur Erzeu­ gung des Trägersignals bleibt dennoch im Vergleich zu einem Synthesizer-Phasenregelkreis gering.

Zum Weiterverarbeiten des Zwischenfrequenzsignals kann ein Frequenzdemodulator oder ein digitaler Phasenregelkreis vor­ gesehen werden, welche innerhalb des bestimmten Frequenzban­ des die Zwischenfrequenz weiterverarbeiten. Desweiteren kön­ nen die Mittel zum Weiterverarbeiten des Zwischenfrequenzsi­ gnals auch einen Quadraturoszillator umfassen, der entweder für sich oder im Rahmen eines Phasenregelkreises eingesetzt wird. Bevorzugt ist dabei der Quadraturoszillator parame­ trierbar, d. h. der Quadraturoszillator kann exakt auf die heruntergemischte Eingangsfrequenz eingestellt werden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Filterstufe ein getaktetes Switched-Capacitor-Filter auf. Dieses hat den Vorteil, daß es einerseits eine gute bis sehr gute Selektion und andererseits einen sehr hohen Integrationsgrad aufweist. Bevorzugt wird dabei das Switched-Capacitor-Filter durch ei­ nen Takt getaktet, dessen Frequenz ein ganzzahliges Vielfa­ ches der Frequenz des Systemtakts ist. Dadurch wird auch das Filter in das vollsynchrone Design miteinbezogen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der einzigen Fi­ gur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Als Ausführungsbeispiel ist ein Empfänger zum Empfang von hochfrequenten, frequenzmodulierten Signalen wie beispiels­ weise von Rundfunksignalen gezeigt. Der Empfänger kann aber bei entsprechender Anpassung in gleicher Weise auch zum Emp­ fang von Mobilfunksignalen, Fernsehsignalen, Navigations­ funksignalen etc. eingesetzt werden und darüber hinaus alter­ nativ auch mit amplitudenmodulierten oder phasenmodulierten Signalen etc. arbeiten. Ein hochfrequentes, frequenzmodulier­ tes Signal wird beim Ausführungsbeispiel als Eingangssignal 1 einer Vorselektions- und Verstärkungsregelstufe 2 zugeführt, der wiederum eine Mischstufe 3 nachgeschaltet ist. Die Misch­ stufe 3 ist zudem eingangsseitig mit einem steuerbaren Oszil­ lator 4 gekoppelt, der ein Trägersignal erzeugt. Das vom Os­ zillator 4 bereitgestellte Trägersignal wird beispielsweise durch Multiplizieren mit dem durch die Vorselektions- und Verstärkungsregelstufe 2 vorbearbeiteten Empfangssignal 1 zu einem gegenüber Eingangssignal 1 und Trägersignal niederfre­ quenteren Zwischenfrequenzsignal gemischt.

Der Mischstufe 3 ist ein Tiefpaßfilter 5 zum Ausfiltern uner­ wünschter Mischprodukte aus dem Zwischenfrequenzsignal nach­ geschaltet, wobei anstelle eines Tiefpaßfilters alternativ auch ein Bandpaßfilter eingesetzt werden könnte. Auf das Tiefpaßfilter 5 folgt beim Ausführungsbeispiel ein Zwischen­ frequenzverstärker 6 zur Pegelanhebung, welchem ein Analog- Digital-Umsetzer 7 nachgeschaltet ist. Der Zwischenfrequenz­ verstärker 6 kann jedoch bei entsprechender Grundverstärkung des Tiefpaßfilters 5 und/oder des Analog-Digital-Umsetzers 7 auch entfallen.

Das durch den Analog-Digital-Umsetzer 7 digitalisierte Zwi­ schenfrequenzsignal wird einem digitalen Signalprozessor 8 zur Weiterverarbeitung zugeführt, der daraus beispielsweise zwei digitalisierte, stereophone Audiosignale 9 erzeugt. Die Taktung des digitalen Signalprozessors 8 erfolgt mittels ei­ nes Systemtaktes, der von einem Taktgenerator 10 bereit ge­ stellt wird. Der Taktgenerator 10 steuert darüber hinaus den Oszillator 4 derart, daß die Frequenz des von ihm erzeugten Trägersignals ein ganzzahliges Vielfaches oder unter Umstän­ den ein Bruchteil der Frequenz des Systemtaktes ist. Erreicht wird dies beispielsweise durch einen auf den Systemtakt syn­ chronisierten Phasenregelkreis oder bevorzugt durch eine An­ ordnung aus Frequenzvervielfachern 11 und/oder Frequenztei­ lern 12, die jeweils für sich oder in ihrer Kaskadierung ab­ hängig von einem Auswahlsignal 18 umschaltbar sind. Die zu­ letzt genannte Anordnung zeichnet sich durch einen voll digi­ talen Aufbau aus, der nur einen sehr geringen Aufwand erfor­ dert und unproblematisch in der Realisierung ist. Da jedoch das digitale Signal des Systemtaktes durch die digitale Bear­ beitung wiederum zu einem digitalen Trägersignal führt, muß dieses beispielsweise durch ein nachfolgendes Tiefpaßfilter 13 in ein sinusförmiges Trägersignal umgewandelt werden.

Zur Bearbeitung des Zwischenfrequenzsignals im digitalen Sig­ nalprozessor 8 ist unter anderem ein mit einem Quadraturos­ zillator 14 gekoppelter Phasenregelkreis 15 vorgesehen, wel­ cher auf den durch den Taktgenerator 10 bereitgestellten Sy­ stemtakt synchronisiert ist. Dem Phasenregelkreis 15 mit Qua­ draturoszillator 14 folgt eine Frequenzdemodulatorstufe 16, ein Stereodekoder 17 sowie andere, nicht näher beschriebene Einheiten zur digitalen Signalbearbeitung.

Schließlich ist beim Ausführungsbeispiel das der Mischstufe 3 nachgeschaltete Tiefpaßfilter 4 zur Ausfilterung unerwünsch­ ter Mischprodukte als synchron zum Systemtakt getaktetes Switched-Capacitor-Filter ausgeführt, welches eine Vollinte­ gration des Empfängers einschließlich des Filters in einen einzigen Chip ermöglicht.

Dem Ausführungsbeispiel liegt erfindungsgemäß das Konzept zu­ grunde, die Mischoszillatorfrequenz direkt aus dem vom Takt­ generator 10 bereitgestellten Systemtakt abzuleiten. Im Ge­ gensatz zur üblichen Verfahrensweise wird der Mischoszillator dabei nicht in kleinen Schrittweiten von beispielsweise 50 KHz abgestimmt, sondern die Frequenzumschaltung erfolgt in größeren Frequenzintervallen der Breite AB' (z. B. AB' = 4 MHz). Dadurch mischt sich die zu empfangende Frequenz nicht mehr auf eine konstante Zwischenfrequenz herunter, sondern kommt auf Zwischenfrequenz-Ebene in einem Frequenzband der Breite AB' zu liegen. Auf diese Weise erfolgt gleichsam eine Auftei­ lung des zu empfangenden Frequenzbandes in Teilintervalle der Breite AB'. Die Auswahl des herunter zu mischenden Teilbandes und somit der Trägerfrequenz der Mischstufe, die zum Umsetzen des Eingangssignals 1 dient, erfolgt in Abhängigkeit von der gewünschten Empfangsfrequenz, die in dem zugehörigen Teilin­ tervall liegt.

Mit der Wahl der Trägerfrequenz bzw. der Taktrate des Taktge­ nerators wird gleichzeitig auch die Lage des herunter ge­ mischten Teilbandes in der Zwischenfrequenz-Ebene bestimmt. Bei der Festlegung geeigneter Taktraten sind die Eigenschaf­ ten der Vorselektionsfilter und die Abtastrate des Zwischen­ frequenz-Analog-Digital-Umsetzers in Betracht zu ziehen. Aus­ gehend von Vorselektionsfiltern, wie sie beispielsweise in heute üblichen Rundfunkempfängern zu finden sind, und einer Abtastrate des Zwischenfrequenz-Analog-Digital-Umsetzers von 1024.44100 Hz = 45,1584 Hz bietet sich bei 4 MHz breiten Teilbändern ein Zwischenfrequenz-Intervall von etwa 8-12 MHz an.

Die Feinabstimmung auf den zu empfangenden Sender kann dann mit Hilfe der digitalen Signalverarbeitung erfolgen. Hierzu wird beispielsweise ein parametrierbarer Quadraturoszillator, der exakt auf die herunter gemischte Empfangsfrequenz ein­ stellbar ist, in Verbindung mit entsprechenden Filtern auf einem digitalen Signalprozessor (digitaler Signalprozessor 8) oder in Form einer speziellen digitalen Hardware implemen­ tiert. Dadurch kann eine sehr präzise und schnelle Form eines Synthesizer-Phasenregelkreises (PLL) in digitaler Weise reali­ siert werden, ohne daß die Gefahr von auftretenden Interfe­ renzen auf dem Chip besteht.

Zur Vermeidung von Aliasing-Effekten bei der Digitalisierung des Zwischenfrequenzsignals wird das abstimmbare Vorselekti­ onsfilter wie bei konventionellen Empfängern auf die ge­ wünschte Empfangsfrequenz abgestimmt. Zusätzlich wird ein Tiefpaß- oder Bandpaßfilter benötigt, das eine weitere Band­ begrenzung vornimmt. Dieses Anti-Aliasing-Filter ersetzt so­ mit das keramische Zwischenfrequenz-Filter im konventionellen Empfängern. Vorteilhaft für eine Integration ist die Realisierung solch eines Anti-Aliasing Filters als Switched Capacitor Filter. Beispielsweise könnte ein Tiefpaßfilter für das oben angeführte Zahlenbeispiel folgendermaßen ausgelegt werden: Durchlaßgrenzfrequenz 12 MHz, Sperrgrenzfrequenz 55 MHz, Durchlaßdämpfung < 0,5 dB, Sperrdämpfung < 60 dB.

Bezugszeichenliste

1

Eingangssignal

2

Vorselektionsfilter und Verstärkungsregelstufe

3

Mischstufe

4

Oszillator

5

Tiefpaßfilter

6

Zwischenfrequenzverstärker

7

Analog-Digital-Umsetzer

8

Digitaler Signalprozesssor

9

Audiosignale

10

Taktgenerator

11

Frequenzverfielfacher

12

Frequenzteiler

13

Tiefpaßfilter

14

Quadraturoszillator

15

Phasenregelkreis

16

Frequenzdemodulator

17

Stereodekoder

18

Auswahlsignal

Claims (8)

1. Empfänger mit
einer Mischstufe (3) zum Mischen eines Eingangssignals (1) mit einem Trägersignal,
einer der Mischstufe (3) nachgeschalteten Filterstufe (5) zum Ausfiltern unerwünschter Mischprodukte,
einem der Filterstufe (5) nachgeschalteten Analog- Digital-Umsetzer (7),
einer dem Analog-Digital-Umsetzer (7) nachgeschalteten, mit einem Systemtakt getakteten digitalen Signalverarbei­ tungseinrichtung (8) und
einer mit der Mischstufe (3) und der digitalen Signalver­ arbeitungseinrichtung (8) gekoppelten, in der Frequenz steu­ erbaren Signalerzeugungsstufe (4) zur Erzeugung des Trägersi­ gnals synchron zum Systemtakt, wobei
die digitale Signalverarbeitungseinrichtung (8) Mittel zum Weiterverarbeiten des Zwischenfrequenzsignals in einem bestimmten Frequenzband aufweist und
ein durch Mischung des Eingangssignals (1) und des Trä­ gersignals erzeugtes Zwischenfrequenzsignal innerhalb des be­ stimmten Frequenzbandes liegt.

2. Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die steuerbare Sig­ nalerzeugungsstufe (4) das Trägersignal bei Frequenzen er­ zeugt, die ein bestimmtes ganzzahliges Vielfaches der Fre­ quenz des Systemtakts sind, wobei zur Abstimmung des Empfän­ gers das ganzzahlige Vielfache einstellbar ist.

3. Empfänger nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Mittel zum Weiterverarbeiten des Zwischenfrequenzsignals einen Frequenzdemodulator (16) umfassen.

4. Empfänger nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Mittel zum Weiterverarbeiten des Zwischenfrequenzsignals einen digitalen Phasenregelkreis (15) umfassen.

5. Empfänger nach Anspruch 4, bei dem die Mittel zum Weiter­ verarbeiten des Zwischenfrequenzsignals einen Quadraturoszil­ lator (14) umfassen.

6. Empfänger nach Anspruch 5, bei dem der Quadraturoszilla­ tor (14) parametrierbar ist.

7. Empfänger nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Filterstufe (5) ein getaktetes Switched-Capacitor-Filter auf­ weist.

8. Empfänger nach Anspruch 5, bei dem das Switched- Capacitor-Filter durch einen Takt getaktet wird, dessen Fre­ quenz ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des System­ takts ist.