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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Verbesserung der Qualität
von Datensignalen, die zwischen einem Mobilfunkteilnehmergerät und einer
Basisstation übertragen
werden.
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Auf
dem Gebiet der funkgestützten
Kommunikation, beispielsweise etwa der Satellitenkommunikation oder
der Mobilfunkkommunikation, besteht ein ständig zunehmender Bedarf an
Kapazitäten,
Kanälen
und Bandbreite für
die Datenübertragung,
der verursacht wird durch die immer noch wachsende Anzahl von Anwendern
und Datendiensten. Die vorliegende Erfindung spricht diese Systeme
unter der Sammelbezeichnung „HF-Systeme" insgesamt an.
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Allerdings
werden komplexere Verfahren der Codierung, der Modulation sowie
strenge Standards verwendet, um eine ausreichende Anzahl von Kanälen einer
vorab festgelegten Qualität
bereitzustellen. Daher wurde der weltweite Standard für die mobile Kommunikation
GSM (Global Standard for Mobile Communication) erweitert zu GSM-EDGE
(Enhanced Data Rate for GSM Evolution, verbesserte Datenübertragungsrate
für die
GSM-Weiterentwicklung),
wobei ein Quadratur-Modulationsverfahren zum Einsatz kommt, damit
die vorstehenden Anforderungen erfüllt werden können.
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Üblicherweise
wird in einer Hochfrequenz-(HF-)Empfangseinheit ein Empfänger mit
Direktumwandlung DCR (Direct Conversion Receiver) eingesetzt. Dies
ist ein Empfänger
mit einem einzelnen Mischer im Empfangsweg, durch den der HF-modulierte Frequenzträger unmittelbar
in ein Basisband umgewandelt wird. Das bedeutet, dass die HF-modulierte
Frequenz in einem einzigen Schritt mithilfe eines Frequenzmischers
und eines geeigneten lokalen Oszillators umgewandelt wird. Vorteilhafter
Weise kann der Homodynempfänger
in Form von sehr hoch integrierten Schaltungen realisiert werden. Somit
wird dieser Empfängertyp überall dort
bevorzugt, wo es schwerpunktmäßig um Miniaturisierung geht,
beispielsweise in der mobilen Telekommunikation.
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In
komplexen Modulationsschemata wie etwa dem GSM-EDGE ist die Qualität der Modulation bei Übertragung
mit hoher Frequenz jedoch äußerst empfindlich
in Bezug auf die Linearität
der Übertragungskette
sowie gegenüber
Beeinträchtigungen
wie beispielsweise der Amplitude, Quadratur-Verschiebung und Phasenrauschen,
die bei der Aufwärts-
und Abwärts-Umsetzung
der Frequenz hinzugefügt
werden. Jede Beeinträchtigung,
die während
der Übertragung
des Signals hinzukommt, bedeutet eine Verschlechterung in der Qualität des Empfangssignals, unter
anderem auch die Beeinträchtigung
in der Empfängerkette.
Insbesondere werden eine „in
Phase"-Komponente
I und eine „in
Quadratur"-Komponente
Q eines quadratur-modulierten Signals, das vom Basisband generiert
wird, sowohl durch die interne Beeinträchtigung durch den Basisband-Chip als
auch durch den Modulator, also die erste Mischerstufe, verschlechtert,
wobei Beeinträchtigungen
in der Amplitude, in der Phase und im Gleichspannungsversatz auftreten.
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Derzeit
werden, wenn die Amplitude und das Phasenungleichgewicht einer „in Phase"-Komponente I und
einer „in
Quadratur"-Komponente
Q eines quadratur-modulierten Signals berücksichtigt werden, die betreffenden
Signale in aller Regel manuell abgestimmt, um den Modulator auf
der Senderseite des Senders/Empfängers
zu optimieren. Ein solches Verfahren und ein System zur Kalibrierung
eines Quadratur-Phasen-Modulators
sind aus der US-amerikanischen Patentanmeldung
US5847619 bekannt. Gemäß dem Offenbarungsgehalt
dieses Dokuments wird am TX-Ausgang des Senders ein Spektrumanalysator
angeordnet, um den Sender zu kalibrieren. Dieses Verfahren eignet
sich sehr gut für
eine einmalige Kalibrierung. In einem Massenfertigungsprozess ist
dieses Verfahren jedoch viel zu zeitaufwändig, da es manuelle Arbeitsschritte
beinhaltet. In jedem Fall erfordert der Prozess der Kalibrierung
entsprechend qualifizierte Bedienungskräfte. Ferner gewährleistet dieses
Verfahren nicht, dass die Abstimmung auch dann erhalten bleibt,
wenn es zu einer Verschiebung bei den Beeinträchtigungen kommt, beispielsweise etwa
aufgrund der Alterung des Geräts.
Darüber
hinaus wird durch dieses Verfahren lediglich die Senderseite des
Senders und Empfängers
optimiert. Eventuelle Beeinträchtigungen
im Mischer, der nach einem rauscharmen Verstärker innerhalb des Empfängers angeordnet
ist, werden in der Regel durch die Hardware-Abstimmung nicht ausgeglichen.
Ferner ist ein direkter Vergleich der I- und der Q-Signalkomponenten
nicht geeignet, da das Modulationsschema in einem System wie dem
GSM-EDGE keine konstante Hüllkurve
aufweist. In diesem speziellen Fall weist jede Amplitude einen Dynamikbereich
von etwa 17 dB auf.
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Die
US-amerikanische Patentanmeldung
US5930286 beschreibt
eine Gain-Ungleichgewicht-Kompensation für einen Quadratur-Empfänger in
einem schnurlosen DSSS-Telefon (DSSS = Direct Sequence Spread Spectrum,
Direktfolge-Spread-Spektrum). Bei dem offenbarten Verfahren wird
eine Basisstation eingesetzt, um die Qualität der I-/Q-Amplitudenbeeinträchtigung
zu überwachen, wobei
zwischen dem Mobilfunkteilnehmergerät und der Basisstation eine
Kommunikation erfolgt. Allerdings ist zum Zweck der Kalibrierung
eine aktive Kommunikationsverbindung erforderlich.
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Die
Patentanmeldungen WO0051971 und
EP0690593 beschreiben
Systeme zur Verbesserung der Qualität des übertragenen Datensignals, wobei das
Sendesignal über
eine HF-Schleife an den Empfänger
zurückgeführt wird.
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Üblicherweise
beinhalten weitere alternative Lösungsansätze die
Verwendung zusätzlicher
Hardware und/oder externe Messungen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren, eine Sende- und Empfangseinheit
und ein HF-System bereitzustellen, die sich durch eine verbesserte
Effizienz der Datenübertragung
sowie eine höhere
Qualität
der Signale auszeichnen. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die Anzahl externer Messvorrichtungen zu reduzieren und manuelle
Arbeitsschritte durch qualifizierte Bedienungskräfte zu vermeiden. Eine weitere
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Ziele mit
einem minimalen Energieverbrauch mindestens auf der Seite des mobilen
Geräts
zu realisieren.
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Diese
Ziele werden erreicht durch ein Verfahren und eine Vorrichtung,
die die Merkmale von Anspruch 1 bzw. Anspruch 4 aufweisen. Die abhängigen Patentansprüche beschreiben
die Merkmale der jeweiligen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
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Daher
werden gemäß der vorliegenden
Erfindung die Basisbandsignale I und Q nach dem Modulator innerhalb
der Sende- und Empfangseinheit ausgewertet, während das Ausgangssignal des
Sendeteils in den Empfangsteil zurückführt wird, wo die Beeinträchtigungen
zwecks Verbesserung der Qualität
analysiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, sowohl Amplituden- als
auch Quadratur-Phasenfehler zu kompensieren, um den Fehlervektor
(Error Vector Magnitude, EVM) auf ein Minimum zu reduzieren. Der
Fehlervektor EVM wird durch den Basisband-Empfänger geschätzt. Die Amplituden- und Quadratur-Phasenwerte
werden so justiert, dass sie den niedrigsten Wert für den Fehlervektor
EVM ergeben. Selbst wenn der Empfänger Beeinträchtigungen aufweist,
ist es möglich,
eine optimale Einstellung einer Phase und einer digitalen Amplitude
von I- und Q-Komponenten im Sender zu finden, um einen minimalen
Wert für
EVM eff zu erzielen.
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Da
jedoch alle diese vorgenannten Arten von Beeinträchtigungen sowohl von dem Sender
als auch von dem Empfänger
bekannt sind, können
diese Beeinträchtigungen
dazu verwendet werden, sich zumindest teilweise gegenseitig aufzuheben.
Im besten Fall können
sich eine Beeinträchtigung
zwischen I und Q und die Quadratur-Phasen-Beeinträchtigung zwischen
dem Mischer und dem Basisband teilweise aufheben, wodurch die Fehlervektor-(EVM-)Leistung verbessert
wird. Dies lässt
eine größere Spanne
für Nicht-Linearitäten in Blöcken wie
beispielsweise dem Leistungsverstärker mit Ausnahme des Modulators. Insbesondere
muss der Mischer, der für
die Abwärts-Umsetzung
des Signals verwendet wird, nicht völlig frei von Beeinträchtigungen
sein, d. h. Phasenrauschen im lokalen Oszillator LO und Amplituden sowie
Quadratur-Phasen-Beeinträchtigung
im Mischer des Empfängers
RX, da der hieraus resultierende Beitrag zum insgesamt gemessenen
Fehlervektor EVM für
die Dauer des Abstimmprozesses konstant bleibt. Darüber hinaus
reduziert dieser Lösungsansatz
den Aufwand für
die Optimierung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Problem der Optimierung von außerhalb
einer Einheit in das Innere der Basisband-Einheit verlagert, die
in einem Bereich niedrigerer Frequenzen arbeitet, wobei in weiten
Bereichen vorhandene Mittel verwendet werden. Es ist daher darauf
hinzuweisen, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung keine Notwendigkeit besteht, den mit hohen Funkfrequenzen arbeitenden
HF-Mischer aus einem Empfänger
mit Direktumwandlung DCR (Direct Conversion Receiver) in dem Empfangsweg
wieder zu verwenden, da die Zwischenfrequenz ZF (engl. IF, Intermediate
Frequency) im Sendeweg in der Regel unterhalb von 500 MHz liegt.
Der Frequenzmischer im Empfangsweg sollte ebenfalls im linearen
Betriebsbereich gehalten werden.
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Weitere
externe Komponenten außer
der Einheit gemäß der vorliegenden
Erfindung sind jedoch nicht erforderlich. Ferner arbeitet ein geschlossener
Regelkreis vollautomatisch. Das bedeutet, dass der Regelkreis in
der Lage ist, ohne manuelle Eingriffe seitens entsprechend qualifizierter
Bedienungskräfte
zu arbeiten und die Parameter zu optimieren, die für die Qualität der Kommunikation
wesentlich sind, indem er die Parameter so einstellt, dass Beeinträchtigungen
minimiert werden. Diese Optimierung erfolgt außerdem unter Verzicht auf jegliche
Kommunikationsverbindung zu anderen Einheiten. Dadurch ist kein
zusätzlicher
Aufwand für
Kommunikation erforderlich. Somit spart ein Verfahren gemäß Anspruch
1 elektrische Energie ein, die auf der Seite beispielsweise eines
Mobilfunkteilnehmergeräts
immer noch eine knappe Ressource ist. Auch die Reduzierung der Bitfehlerrate
durch die Verbesserung der Qualität der Datenübertragung trägt zur Steigerung
der Effizienz des Gesamtsystems bei.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird das Ausgangssignal des Modulators während des Abstimmprozesses
nicht der Frequenz-Aufwärts-Umsetzungsstufe
zugeführt.
Das bedeutet mit anderen Worten, dass sich der Sendeweg im Ruhezustand
befindet. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird dieses Verfahren in einer Ruhezeit ausgeführt, d.
h. in einem Zeitraum, in dem keine aktive Kommunikationsverbindung
besteht.
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Vorteilhafter
Weise wird die Optimierungsphase gemäß dem hier beschriebenen Verfahren durch
ein Steuersignal eingeleitet, das in der Basisband-Einheit selbst
erzeugt wird. Dieses Steuersignal ändert sofort den Zustand zweier
Schalter. Diese Schalter eröffnen
einen Signalweg von einer Antenne zum Empfänger sowie einen Signalweg
vom Sender zu der Aufwärts-Umsetzungsstufe.
In ihrem zweiten Zustand schalten die Schalter einen Rückkopplungszweig
zwischen dem Ausgang des Senders und dem Eingang des Empfängers. Auf
diese Weise wird ein Basisbandsignal der Einheit im Hinblick auf
jegliche Art von Beeinträchtigung
analysiert. Mit dem besagten Signal wird ein Prozess der Optimierung
gestartet.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird der Fehlervektor EVM mit einem Pseudowert berechnet.
Angesichts des betrachteten komplexen Modulationsformats ist es
jedoch vorzuziehen, eine bekannte Datensequenz zu verwenden. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung repräsentiert
diese Datensequenz optimierte Einstellungen, die beispielsweise
von einem vorangegangenen Optimierungszyklus empfangen wurden und
jetzt als Ausgangsbedingungen für
die Optimierung bei der nächsten
Aktualisierung der Abstimmung dienen. Im letzteren Fall ist die
Basisband-Einheit mit einem Speicher ausgestattet, in dem diese
Einstellungen abgelegt werden. Der EVM-Messwert steht jedoch im Empfänger zur
Verfügung,
wenn beispielsweise die EDGE-Modulation sowohl in der Aufwärts- als
auch in der Abwärtsrichtung
in Betracht gezogen wird.
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Die
Optimierung des Abstimmprozesses erfolgt also auf regelmäßiger Basis,
um den statischen Hardware-Fehler und die potenzielle Drift aufgrund von
Alterung auszugleichen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird das beschriebene Verfahren dazu verwendet, die Verschaltung
zwischen einem gegebenen Basisband-Schaltkreis, beispielsweise S-gold
von Infineon, wenn I- und Q-Signale für die Senderichtung TX und
die Empfangsrichtung RX getrennt wären, und einem bekannten HF-Chipsatz,
beispielsweise dem Othello One Chipsatz von Analog Devices, Inc.,
zu verbessern.
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Obwohl
das offenbarte Verfahren unter Bezugnahme auf GSM-EDGE beschrieben
wird, kann es ebenso auch in anderen homodynen Vorrichtungen jeglicher
Art zum Einsatz kommen. Damit erstreckt sich die vorliegende Erfindung
auf jedes homodyne Gerät,
in dem ein Mischer für
die Aufwärts- und
Abwärts-Umsetzung enthalten
ist, solange der Mischer nicht in der Nähe des 1-dB-Kompressionspunktes
arbeitet. Ferner ist das offenbarte Verfahren auch anwendbar, wenn
das I- und das Q-Signal
mithilfe eines digitalen Mischers moduliert werden, wenn die Schnittstelle
zum HF-Chipsatz nach dem Mischer angeordnet ist.
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Im
Folgenden wird nun eine Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
wobei:
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1 ein
Vektordiagramm enthält,
das die verschiedenen Arten von Beeinträchtigungen darstellt, die von
der vorliegenden Erfindung angesprochen werden, und
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2 eine
schematische Darstellung einer Sende- und Empfangseinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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Die
Zeichnung in 1 stellt eine komplexe Ebene
dar. Hierin sind die Basisband-Signale I und Q Komponenten eines
quadratur-amplituden-modulierten Signals und haben beide die absolute
Länge 1. Ferner
beträgt
ein Quadratur-Phasen-Winkel φ zwischen
der „in
Phase"- und der „in Quadratur"-Komponente I, Q
eines quadratur-modulierten Signals 90°. Somit liegen die erreichbaren
Zustände
auf der gepunkteten Linie eines Kreises oder innerhalb eines Kreises,
der als Einheitskreis in der komplexen Ebene bezeichnet wird.
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Unabhängig von
der Anzahl der QAM-Zustände
(QAM = Quadratur-Amplituden-Modulation) stellen
Beeinträchtigungen
oder Fehlanpassungen der Amplituden, die mit ΔI bzw. ΔQ bezeichnet sind, Fehler der „in Phase"- und „in Quadratur"-Komponenten eines
quadratur-modulierten Signals dar. Ferner stellt Δφ einen Fehler
oder eine Beeinträchtigung des
Quadratur-Phasen-Winkels φ dar. Jede
dieser Beeinträchtigungen
führt,
wenn sie während
der Aufwärts-
oder Abwärts-Umsetzung
der Frequenz hinzugefügt
wird, zu einer Verschlechterung des Signals und somit zu einer Verminderung
der Qualität
eines Sprachsignals und/oder zu einem Anstieg der Bitfehlerrate
BER in einem Datensignal bei digitaler Übertragung.
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Die
schematische Darstellung in 2 zeigt
einen Basisband-Abschnitt BB einer Sende- und Empfangs-Einheit U
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Basisband-Abschnitt BB umfasst einen Block B, der
eine Basisband-Einheit repräsentiert, welche
aus einem Sender Tx und einem Empfänger Rx besteht, die beide
Ports für
eine „in
Phase"-Komponente
I bzw. eine „in
Quadratur"-Komponente
Q eines quadratur-modulierten
Signals S enthalten. Der Sender Tx gibt die Basisband-Signale I
und Q aus und führt
sie einem Modulator zu, wobei der Modulator durch den Multiplizierer
M1 dargestellt wird. Auch ein lokaler Oszillator LO speist den Mischer
M1. Das quadratur-amplituden-modulierte Signal S, das die Komponenten
I und Q aufweist, ist das Ergebnis dieses Schritts. Unter normalen
Bedingungen beinhaltet das Signal S Informationen oder eine beliebige
Art von Daten, die über
eine Antenne ANT an eine entfernte Gegenstelle übermittelt werden sollen. Dementsprechend
muss das Signal S in der Frequenzebene durch mindestens einen Mischer
M von einer Zwischenfrequenz IF verschoben werden, um zu einem hochfrequenten
HF-Signal zu werden. Da diese Schritte, die über den Basisband-Abschnitt
BB hinausgehen, für
das Verständnis
der vorliegenden Erfindung nicht relevant sind, werden sie nur kurz
angesprochen, ohne näher
auf die Einzelheiten einzugehen.
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Allerdings
verschlechtern die vorstehend beschriebenen Beeinträchtigungen
die Qualität
eines zu übertragenden
Signals S. Andererseits wird eine Bearbeitung eines empfangenen
Signals, das einem Basisband-Empfänger RX zugeführt wird,
wahrscheinlich mit denselben Mängeln
behaftet sein. Ein Beispiel ist der Fall, dass beide Wege von demselben lokalen
Oszillator LO gespeist werden, dessen Phasenrauschen die Qualität der Signale
auf dem Weg zur Aufwärts-Umsetzung
ebenso wie auf dem umgekehrten Weg verschlechtert. Ebenso ist der
Einfluss der Mischer M1, M2 wahrscheinlich weitgehend derselbe.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die Basisband-Signale I und Q innerhalb eines geschlossenen
Kreises ausgewertet. Die Auswertung erfolgt nach dem Modulator,
solange das Ausgangssignal des Modulators nicht der Frequenz-Aufwärts-Umsetzungsstufe zugeführt wird,
während
des Abstimmprozesses. Zu diesem Zweck sind die Signalwege zur Aufwärts- und
zur Abwärts-Umsetzung mit
Schaltern S1 und S2 ausgestattet,
um zwischen dem Ausgang des Senders Tx und dem Eingang des Empfängers Rx
einen Rückkopplungszweig
F zu schalten. Auf diese Weise empfängt der Block B bekannte Daten
einschließlich
Beeinträchtigungen.
Diese Beeinträchtigungen
werden jedoch aus den Daten extrahiert. Die Beeinträchtigungen
werden analysiert und dazu verwendet, Einstellungen für die Optimierung
der Signalqualität
zu erzielen und so die Auswirkungen der erkannten Beeinträchtigungen
auf ein Minimum zu reduzieren. Die dabei zum Einsatz kommenden Verfahren
sind dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik hinreichend bekannt.
Es ist daher nicht erforderlich, diese Verfahren und die Mittel
zu ihrer Ausführung
hier im Detail zu erläutern.
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Das
vorliegende Verfahren erfordert keinerlei Kommunikationsverbindung
zu einer externen Einheit. Ferner kann die Abstimmung in jedem beliebigen
Ruhezeitraum vollautomatisch erfolgen. Und noch ferner muss darauf
hingewiesen werden, dass nur sehr wenige Änderungen an bekannten ZF-Schaltungen
von Sende- und Empfangs-Einheiten erforderlich sind. Somit ist ein
wichtiges Gebiet für
den Einsatz der vorliegenden Erfindung jedwede Art von mobiler Kommunikation,
wobei die Verwendung in einer Mobilstation in der Form eines GSM-EDGE-Mobiltelefons
bevorzugt wird.
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Im
Verlauf des Textes und in den Abbildungen werden die folgenden Abkürzungen
verwendet:
- GSM
- Global System for
Mobile communication (weltweites System für mobile Kommunikation)
- EDGE
- Enhanced Data Rates
for GSM Evolution (verbesserte Datenübertragungsraten für die GSM-Weiterentwicklung)
- HF
- Hochfrequenz
- ZF
- Zwischenfrequenz
- I/Q
- „in Phase"- und „in Quadratur"-Signale, Phasenkomponenten
eines quadratur-modulierten Signals (dessen Hüllkurve als I + j·Q angegeben
ist)
- φ
- Quadratur-Phasen-Winkel
- ΔI, ΔQ, Δφ
- Fehler von I, Q bzw. φ
- ANT
- Antenne
- LO
- Lokaler Oszillator
- BB
- Basisband-Abschnitt
- B
- Block
- Tx
- Sender
- Rx
- Empfänger
- S
- quadratur-amplituden-moduliertes
Signal
- M1
- Frequenzmischer
- M2
- Frequenzmischer
- M
- Frequenzmischer
- F
- Rückkopplungs-Zweig
- S1
- Schalter
- S2
- Schalter
- EVM
- Error Vector Magnitude
(Fehlervektor); siehe GSM 05.05, V8.5.0, Freigabe 99, ETSI-Spez.
EN 300 910 für eine
Definition von EVM eff.
- eff
- Effektivwert
- DCR
- Direct Conversion
Receiver (Empfänger
mit Direktumwandlung)