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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Quadraturanordnung mit
I- und Q-Signalstrecken.
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Eine
derartige Quadraturanordnung ist aus einem Artikel mit dem Titel: "Low-IF Topologies
for High-Performance Analog Front Ends of Fully Integrated Receivers", "IEEE Transactions
on Circuits and Systems-II: Analog and Digital Processing", Heft 45, Nr. 3,
März 1998,
Seiten 269–282
von J.Crols und M.S.J. Steyaert bekannt. So wird beispielsweise
in einem HF-Empfänger,
wie einem ZF-Empfänger,
insbesondere einem "Near
Zero IF"-Empfänger (NZIF) oder
einem "Zero-IF"-Empfänger eine
Frequenz-Abwärtsmischung
in einer Quadraturarchitektor durchgeführt, damit vermieden wird,
dass untere und obere Seitenbänder
eines erwünschten
Signals bei Null-Frequenz aneinander hängen bleiben. Das Zusammenpassen
von Signalstreckenkomponenten in den I- sowie Q-Strecken, in diesem Fall den Demodulationsstrecken,
bestimmt, wie gut ein Signal, das gegenüber dem erwünschten Signal gespiegelt wird, unterdrückt wird.
Insbesondere sind in einem ZF-Empfänger zusätzliche Unterdrückungsmittel
in Form von Doppel-Quadraturkonfigurationen und/oder Bildsperrfiltern,
wie Polyphasenfiltern, wahrscheinlich erforderlich, weil das gespiegelte
Signal eine größere Amplitude
haben kann als das erwünschte
Signal. Übersprechen,
das aus einer schlechten Spiegelunterdrückung herrührt, ist bei den heutigen Empfängern, wie
in Mobiltelephonen, sehr unerwünscht,
da die Leistung dadurch beeinträchtigt
wird.
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US-A-5.978.823
beschreibt eine einstellbare Quadratur-Durchlassbandfilteranordnung
mit I- und Q-Signalstrecken mit entsprechenden Signalstreckenkomponenten,
wie Filtern, Invertern, die eine Fehlanpassung zeigen, und Schaltmitteln
zum wiederholten Austausch von I- und Q-Signalstrecken bei einer
steuerbaren Oszillatorschaltfrequenz, zum Erhalten einer Steuermöglichkeit
des selektierten Frequenzbandes. Die Filteranordnung ist eine steuerbare
digitale Implementierung eines Frequenzwandlers/-schiebers. Zur
einfachen Frequenzregelung ist I- und Q-Signalüberlagerung vorgesehen. Zur
besseren Steuerung ist es erwünscht,
dass man über
Information verfügen
kann in Bezug auf I- und Q-Strecken ohne dass dadurch die wirklichen
I- und Q-Signalfrequenzen beeinflusst werden.
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D.A.
Kerth und D.S. Piasecki beschreiben in "An Oversampling Converter for Strain
Gauge Transducers",
veröffentlicht
in "IEEE J. of Solid-State
Circuits", Heft
27(1992), Nr. 12 Seiten 1689–1696
einen Sigma-Delta-Wandler, wobei zwei Strecken mit hoher Frequenz
wiederholt ausgetauscht werden, so dass die Effekte der Fehlanpassung
reduziert werden. Es sei bemerkt, dass der Wandler in einem relativ
niedrigen Frequenzbereich verwendet wird, d. h. dort, wo Interferenzen,
die durch das Schalten auftreten, relativ einfach ausgeglichen werden
können,
und zwar unter Verwendung eines digitalen Filters. Wenn aber in
einer Anordnung verwendet, die in einem relativ hohen Frequenzbereich
arbeitet, schafft diese Technik Bildinterferenz und Quantisierungsrauschstörung.
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Es
ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quadraturanordnung
zu schaffen, deren Eigenschaften weniger abhängig sind von einer etwaigen
Fehlanpassung entsprechender I- und Q-Signalstreckenkomponenten,
die in der genannten Quadraturanordnung verwendet werden. Die vorliegende
Erfindung wird durch die Hauptansprüche definiert. Die Nebenansprüche definieren vorteilhafte
Ausführungsformen.
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Es
hat sich herausgestellt, dass insbesondere die ungünstigen
Amplituden- und
Phasenfehlereffekte, herrührend
aus einer etwaigen Fehlanpassung von Signalstreckenkomponenten in
jeder der betreffenden I- und Q-Strecken durch abwechselndes Schalten
reduziert werden kann. Es scheint dass dieses Prinzip auf eine Vielzahl
von Quadratur-Kommunikationsanordnungen,
wie auf Empfänger,
Sender, Transceiver, Telephone, Modulatoren und Demodulatoren, anwendbar
ist, deren Eigenschaften auf einfache An und Weise dadurch verbessert
werden können,
dass auf einfache Weise herstellbare Schaltmittel hinzugefügt werden.
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Nach
der vorliegenden Erfindung erfolgt das Austauschen der I- und Q-Strecken auf einer
Exklusiv-ODER-Basis, wobei abwechselnd I- und Q-Signale zurückgekoppelt
werden so wie sind oder in Exklusiv-ODER-Abhängigkeit von Drain-Elektrode,
I- und Q-Datenbitinhalt
zurückgekoppelt
werden.
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Ein
Austausch der I- und Q-Signale auf Exklusiv-ODER-Basis reduziert
die genannten Fehlanpassungseffekte und führen vorteilhafterweise nicht zu
einer Zurückmischung
zu dem Signalband des Quantisierungsrauschens, was um die Austauschfrequenz
herum vorhanden ist. Auf diese Weise gibt es kein Weglecken aus
dem Bildband zu dem Signalband. In einem Sigma-Delta-Modulator ist
der einzige Effekt eines datenabhängigen Austausches von Signalen,
dass das Ausgangsspektrum des Modulators eine geringfügige Phasendrehung
zeigt, die für
die beiden Quadraturstrecken gleich ist.
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Eine
Quadraturanordnung kann Verstärker, Dämpfer, Filter,
Mischstufen, Wandler, wie Digital-Analogwandler oder Analog-Digitalwandler
und dergleichen enthalten. In jeder dieser Signalstreckenkomponenten
können
Fehlanpassungseffekte dadurch reduziert werden, dass die hier beschriebene
Schalttechnik angewandt wird.
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Auf
vorteilhafte Weise ist die vorliegende Technik ebenfalls anwendbar
bei einem Sigma-Delta-Modulator, wobei die Fehlanpassungseffekte,
wie eine Amplituden- und
Phasenfehlanpassung in den I- bzw. Q-Rückkopplungsstrecken nun ausgeglichen werden.
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Die
Quadraturanordnung und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
werden zusammen mit deren zusätzlichen
Vorteilen näher
erläutert,
wobei auf die beiliegende Zeichnung verwiesen wird, wobei entsprechende
Elemente durch dieselben Bezugszeichen angegeben sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden
Fall näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Teil einer Quadraturanordnung,
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2 eine Quadraturanordnung
einverleibt und ausgebildet als ein sog. ΣΔ-Modulator zur Erläuterung des Verfahrens nach
der vorliegenden Erfindung, und
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3a und 3b Datenbitwerte, geschaffen durch ein
Vielfaches der Abtastfrequenz der Digital-Analogwandler.
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1 zeigt einen Teil einer
Quadraturanordnung 1. Eine derartige Quadraturanordnung 1 kann jede
beliebige Anordnung 1 sein, die eine I-Signalstrecke und
eine Q-Signalstrecke aufweist. Beispiele einer derartigen Quadraturanordnung 1 sind:
ein Modulator, ein Demodulator, eine Mischstufe, beispielsweise
anwendbar in einer Kommunikationsanordnung, wie einem Telephon,
insbesondere einem Mobiltelephon oder einem zellularen Telephon. Üblicherweise
findet in HF-Quadraturanordnungen Frequenzumwandlung statt. Wegen
einer Fehlanpassung in elektrischen Eigenschaften von Komponenten
in jeder dieser I- und Q-Strecken ist die resultierende Zurückweisung
von Bildfrequenzen gering. Dies führt zu Übersprechen zwischen den Signalbändern, was
insbesondere bei Kommunikationsanordnungen unerwünscht ist.
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Die
in 1 dargestellten I-
und Q-Strecken weisen Verstärker,
Dämpfer,
Filter, Wandler und dergleichen auf, schematisch dargestellt als
Verstärkungs-/Umwandlungsblöcke 2I bzw. 2Q.
Im Grunde sind die an der Klemme In eingegebenen Signale identisch.
Aber verschiedene elektrische Eigenschaften der Blöcke 2I und 2Q führen zu
einer Amplituden-Fehlanpassung der Eingangssignale für den restlichen
Teil der Quadraturanordnung 1. Wenn derartige Blöcke 2I und 2Q der
Anordnung 1 in einem durchaus bekannten Heterodyn-Empfänger angewandt
werden sollen, dann sorgt die Amplituden-Fehlanpassung und die Phasen-Fehlanpassung zwischen
den resultierenden Eingangssignalen für ein Weglecken aus dem Signalband
in das Bildband des Signalbandes und umgekehrt. Eine Anzahl möglicher
Ausführungsformen
einer derartigen Anordnung oder eines derartigen Empfängers lässt sich
in dem Artikel in der obengenannten Veröffentlichung "IEEE" finden.
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Die
Quadraturanordnung 1 nach 1 ist mit
Schaltmitteln 3 in Form einer Anordnung steuerbarer Schalter
vorgesehen, die schematisch dargestellt sind. Die steuerbaren Schalter
werden von einem Steuersignal Fsw an einem Steuereingang der Mittel 3 gesteuert.
In einer gesteuerten Lage verbinden die Schaltmittel 3 die
Signale in der I-Strecke und Q-Strecke von links nach rechts, während in
der anderen Lage das I-Signal nach unten zu der Q-Strecke geht und
das Q-Signal geht zurück
zu der I-Strecke. Der gesteuerte Austausch des I- und des Q-Signals erfolgt
mit einer derart hohen Geschwindigkeit, dass der Inhalt des I- und
des Q-Signals dadurch nicht belästigt
wird. Jede Amplituden-Fehlanpassung und Phasen-Fehlanpassung zwischen
den I- und Q-Signalen, wenn in einem Modulator, wie beispielsweise in
einem nachher noch zu beschreibenden Sigma-Delta-Modulator, was
zu einem Weglecken von Signalen aus dem Bildband des Modulators
in das Signalband und umgekehrt wird nun effektiv reduziert.
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Bei
einer weiteren möglichen
Entwicklung sind in den I- und Q-Strecken zwei Mischstufen 4I bzw. 4Q vorgesehen.
Die Mischstufen 4I und 4Q haben je einen Ortsoszillatoreingang 5I bzw. 5Q die
je über
I- und Q-Steuersignalschaltmittel 6 mit einem Steuersignaleingang
Fsw gekoppelt sind. Die Mischstufen 4I und 4Q führen zu
Phasen- und Amplitudenfehlern, die wieder durch Einfügung steuerbarer Schaltmittel 3' in die I- und
Q-Strecken reduziert
werden können.
Die Schaltmittel 3' werden
von demselben Signal Fsw gesteuert wie das Steuersignalschaltmittel 6,
damit die i- und die Q-Signale mit deren eigenen Steuersignalen
vermischt werden, wenn diese ausgetauscht werden. Dieses Schalten reduziert
die Effekte der Phasen- und der Amplituden-Fehlanpassung in den
Mischstufen 4I und 4Q. Es sei bemerkt, dass zum
einwandfreien Funktionieren der Reduktion die Verstärkungs-/Umwandlungsblöcke 2I und 2Q entweder
vor oder hinter den Quadratur-Mischstufen 4I und 4Q verbunden
werden können.
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2 zeigt eine Quadraturanordnung 1 ausgebildet
als ein sog. Sigma-Delta-Modulator
zur weiteren Erläuterung
der Anordnung 1 sowie des Verfahrens zum Reduzieren der
Effekte einer Fehlanpassung zwischen Signalstrecken in der Quadraturanordnung.
Die Quadraturmodulatoranordnung 1, die beispielsweise zur
A/D-Umwandlung in einer Kommunikationsanordnung in einem GSM-Telephonkanal
verwendet werden kann, umfasst weiterhin ein Quadratur-Schleifenfilter 7,
zwei Analog-Digitalwandler 8I und 8Q, und zwei
Digital-Analogwandler 9I und 9Q, die in einer
Rückkopplungsschleife
des Modulators gekoppelt sind. In dem Fall definieren die komplexen
Datenausgangsströme
I und Q beispielsweise ein Signalband von 0 Hz bis 200 kHz. In diesem
Fall können
zwei Hauptursachen einer Fehlanpassung unterschieden werden, und
zwar eine Phasen- und eine Amplituden-Fehlanpassung zwischen I-
und Q-Eingangssignalen an Eingängen
Iin und Qin (die durch das Verfahren und die Anordnung nach 1 reduziert werden sollen),
und eine Phasen- und Amplituden-Fehlanpassung der I- und Q-Rückkopplungssignale
von den Digital-Analogwandlern 9I und 9Q in der
Rükkopplungsschleife
des Modulators 1 (behandelt durch das Verfahren und die
Anordnung nach 2). Es
sei bemerkt, dass die Ausführungsformen
der 1 und 2 ebenfalls derart kombiniert werden
können,
dass Ausgänge
Iout und Qout der Ausführungsform
nach 1 mit den Eingängen Iin und
Qin der Ausführungsform
nach 2 gekoppelt sind.
Die beiden Fehlanpassungen führen
zu einem unerwünschten
Weglecken zu dem Signalband der Bildbandsignale und des Quantisierungsrauschens. Die
auf diese Art und Weise eingeführten
Fehlanpassungsfehler können
heftig sein, wie die in dem nachfolgenden praktischen Beispiel dargelegt
wird. Eine Typische Bildzurückweisung
liegt um die –45
dB bei 1 % Fehlanpassung. Das Modulatoreingangssignal kann –90 dB betragen,
während
das Bildsignal um 40 bis 50 dB stärker sein kann. In dem Fall
ist das in das Signalband geleckte Bildsignal so stark wie das erwünschte Signal
selber.
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Bildzurückweisung
kann durch Austausch der I- und Q-Strecken mit Hilfe steuerbarer
Schaltmittel 3" und 3"', vorgesehen vor oder hinter den
Digital-Analogwandlern 9I und 9Q, verbessert werden.
In diesem Fall ist die Steuerung an den Steuereingängen 10' und 10" der Digital-Analogwandler
I- und Q-Digitaldaten abhängig.
Dazu werden die Steuereingänge 10' und 10" über Exklusiv-ODER-Mittel 11 mit
den betreffenden Daten-I- und Daten-Q-Ausgängen gekoppelt. So steuern
beispielsweise die Exklusiv-ODER-Mittel 11 die Schaltmittel 3" und 3"', so dass, wenn die logischen Pegel
der digitalen Datensignale I und Q voneinander abweichen, die I-
und Q-rückkopplungsstrecken
ausgetauscht werden und nicht ausgetauscht werden, wenn die I- und
Q-Signale einander entsprechen. Dadurch wird die Fehlanpassung in
den Rückkopplungsstrecken,
die verursacht wird durch eine Fehlanpassung zwischen den Digital-Analogwandlern 9I und 9Q abhängig von
den modulierten Daten, wodurch auf diese Weise Bildinterferenz-
und Quantisierungsrauschstörungen
reduziert werden. Eine Hauptursache der Fehlanpassung des Digital-Analogwandlers
ist die Fehlanpassung zwischen Digital-Analogwandler-internen Elementen,
wobei diese Fehlanpassungseffekte auf diese Weise reduziert werden.
Beispiele dieser Digital-Analogwandler -internen Elemente sind Widerstände, Kondensatoren,
Stromquellen und/oder Spannungsquellen. Die Art des verwendeten
Elementes ist abhängig
von der speziellen Implementierung des betreffenden Digital-Analogwandlers.
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Gewünschtenfalls
kann die Austauschgeschwindigkeit ein Vielfaches der Abtastfrequenz
der Analog-Digitalwandler sein. In einer praktischen Variante ist
die Austauschgeschwindigkeit derart, dass während einer ersten Hälfte der
Abtastperiode (Ts) der I- und Q-Datenbitströme, der Digital-Analogwandler 9I in
der i-Rückkopplungsstrecke
ist, während
der Digital-Analogwandler 9Q in der Q-Rückkopplungsstrecke ist. Während der
zweiten Hälfte der
Abtastperiode ist der Digital-Analogwandler 9I in der Q-Rückkopplungsstrecke
und der Digital-Analogwandler 9Q ist in der I-Rückkopplungsstrecke.
Diese Art und Weise ist der mittlere Bitwert während der beiden halben Bitperioden
nach wie vor der gleiche. Diese Situation ist in 3a dargestellt. 3b zeigt die gleiche Situation in dem
Fall, dass die Digital-Analogwandler ein "Kehre zurück zu Null"-Intervall (RTZ) haben. Selbstverständlich können die
Digital-Analogwandler Ein- oder Vielfach-Bit-Digital-Analogwandler sein.
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Während Obenstehendes
anhand wesentlich bevorzugter Ausführungsformen und der möglichst
besten Moden beschrieben worden ist, dürfte es einleuchten, dass diese
Ausführungsformen
nicht als beschränkende
Beispiele der betreffenden Anordnungen und Verfahren betrachtet
werden sollen, weil mehrere Anwandlungen, Merkmale und Kombinationen
von Merkmalen im Rahmen der beiliegenden Patentansprüche liegen
und dem Fachmann einleuchten dürften.
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Text
in der Zeichnung
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1
- I Strecke
- Q Strecke
-
2
- I Strecke
- Q Strecke
- Filter
- Daten
-
3a
- Mittelwert