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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Implementieren
eines Sendeempfängers nach
dem Oberbegriffs des angefügten
Anspruches 1 und einen Sendeempfänger
nach dem Oberbegriff des angefügten
Anspruches 9.
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In
Funkkommunikationssystemen werden Sender und Empfänger verwendet,
um die notwendigen Umwandlungen für die Kommunikation über den Funkkanal
auszuführen.
Die angefügte 1 zeigt einen
typischen Sender und Empfänger
für die
Funkkommunikation. Dieser Sendeempfänger ist zum Beispiel für das Senden
und Empfangen von digitalen Informationen geeignet, die aus zwei
Signalkomponenten mit einer unterschiedlichen Phase bestehen. Die
erste Komponente I der zu sendenden digitalen Informationen wird
in einen ersten Digital-Analog-Wandler
DA1 eingegeben, und die zweite Komponente Q wird in einen zweiten
Digital-Analog-Wandler DA2 eingegeben. Im ersten Digital-Analog-Wandler
DA1 wird die erste Komponente I der zu sendenden Informationen in
das Analogformat umgewandelt, und dementsprechend wird der zweite
Digital-Analog-Wandler DA2 verwendet, um die zweite Komponente Q
der zu sendenden Informationen in das Analogformat umzuwandeln.
Danach werden in einem ersten und einem zweiten Spiegelfrequenzfilter
IF1, IF2 die Spiegelfrequenzsignale der Analogkomponenten unterdrückt. Eine
Aufgabe dieser Spiegelfrequenzfilter besteht darin, die Frequenzen
zu unterdrücken,
die durch Oberschwingungsfrequenzen der Taktfrequenz des Digital-Analog-Wandlers im Ausgangssignal
verursacht werden, und auch das Quantisierungsrauschen herabzusetzen,
das im Digital-Analog-Wandler erzeugt wird.
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Die
gefilterten Signalkomponenten werden einem dritten und einem vierten
Mischer M3, M4 zugeführt,
in dem die Signale mit einem Lokaloszillator-Signal LO gemischt
werden. Danach werden die Mischungsergebnisse einem Ausgangsverstärker PA zugeführt, um
verstärkt
und über
einen Antennenschalter SW einem Kanalfilter BF sowie einer Antenne
ANT zugeführt
zu werden.
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Auf
eine entsprechende Weise wird ein Signal, das über die Antenne ANT zu empfangen
ist, in einem Kanalfilter BF gefiltert und über einen Antennenschalter
SW einem rauscharmen Verstärker
LNA des Empfängers
zugeführt.
Die verstärkten
empfangenen Signale werden in zwei Signalzweige unterteilt. Die
Aufgabe des ersten Signalzweiges ist es, eine erste Signalkomponente
I des empfangenen Signals zu modulieren, und die Aufgabe des zweiten Signalzweiges
ist es, eine zweite Signalkomponente Q des empfangenen Signals zu
modulieren. Das im ersten Signalzweig empfangene Signal wird in
einem ersten Mischer M1 mit einer ersten Phase LO_I des Lokaloszillator-Signals
gemischt. In einem zweiten Mischer M2 wird eine zweite Phase LO_Q
des Lokaloszillator-Signals mit dem empfangenen Signal gemischt.
Die Phasendifferenz zwischen der ersten Phase LO_I und der zweiten
Phase LO_Q des Lokaloszillator-Signals
beträgt
vorzugsweise etwa 90°. Danach
werden aus den Mischern M1, M2 zwei Signalkomponenten I, Q des gesendeten
Signals mit einer Phasenverschiebung zwischen ihnen von etwa 90
Grad als das Mischungsergebnis erhalten. Diese Signalkomponenten
I, Q werden einem Kanalwahlfilter CF1, CF2 zugeführt, in dem die Signalkomponenten,
welche den erwünschten
Empfangskanalfrequenz entsprechen, aus den Signalkomponenten abgeleitet
werden.
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Die
Signale, welche die Kanalwahlfilter durchlaufen haben, werden in
einem Zwischenverstärker
IA1, IA2 verstärkt,
wonach die verstärkten
Signale in einem ersten und einem zweiten Analog-Digital-Wandler
AD1, AD2 in das Digitalformat umgewandelt werden.
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Ein
Problem bei einem solchen Sendeempfänger vom Stande der Technik
ist die Tatsache, dass das Implementieren eines Spiegelfrequenzfilters – insbesondere
auf einem integrierten Schaltkreis – eine große Fläche auf dem Schaltkreis erfordert
und den Preis des Sendeempfängers
erhöht.
Außerdem verbraucht
ein solches Spiegelfrequenzfilter elektrische Leistung, was insbesondere
in tragbaren Funkkommunikationsgeräten Probleme verursacht.
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In
der Patentschrift EP-A-0845871 wird ein Zwischenfrequenzverstärkerschaltkreis
zur Verwendung im Empfangs- und Sendebetrieb offenbart. Der Zwischenfrequenzverstärker für Funkkommunikationsanwendungen
weist die gleiche Empfangsstrecke und Sendestrecke durch einen nicht
zum Chip gehörenden
Filter auf. Das Filter ist über
Schalter entweder mit der Empfangsstrecke oder mit der Sendestrecke
verbunden. Das Filter weist ein Durchlassband bei Zwischenfrequenzen
auf und arbeitet als ein ZF-Filter sowohl für die Empfangsstrecke als auch
für die
Sendestrecke.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Implementieren
eines Sendeempfängers
sowie auch einen Sendeempfänger zu
schaffen, in dem die benötigten
Filter auf eine einfache Weise mit einer kleineren Zahl von Komponenten
und – bei
Verwendung integrierter Schaltkreise – auf einer kleineren Schaltkreisfläche implementiert werden
können.
Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Teil des
angefügten
Anspruchs 1 dargelegt ist. Der Sendeempfänger gemäß vorliegender Erfindung ist
durch das gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Teil des angefügten Anspruchs
9 dargelegt ist. Die Erfindung basiert auf der Idee, dass das Kanalwahlfilter
des Empfängers
als ein Spiegelfrequenzfilter verwendet wird.
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Durch
Verwenden der vorliegenden Erfindung werden im Vergleich zu Lösungen vom
Stand der Technik beträchtliche
Vorteile erhalten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Sendeempfänger mit
einer kleineren Zahl von Komponenten implementiert werden als Sendeempfänger vom Stand
der Technik. Wenn integrierte Schaltkreise verwendet werden, dann
wird außerdem
ein kleinerer Oberflächenbereich
auf dem Schaltkreis benötigt
als bei einem Verwenden von Lösungen
des Standes der Technik.
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlicher mit Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 einen
Sendeempfänger
gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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2 einen
Sendeempfänger
gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung zeigt und
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3 einen
Sendeempfänger
gemäß einer weiteren
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung zeigt, und
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4 ein
Funkkommunikationsgerät
gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung in einem reduzierten Blockdiagramm zeigt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit einem Sendeempfänger 1 gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, wie sie in 2 dargestellt
ist. Der Empfänger von 2 ist
dafür vorgesehen,
zweiphasige digitale Signale zu senden und zu empfangen, wobei die
Signale zwei Komponenten I, Q unterschiedlicher Phasen umfassen,
wobei es aber offensichtlich ist, dass die Erfindung ebenso beim
Senden und Empfangen von Signalen anderer Typen verwendet werden kann.
Der Sendeempfänger 1 von 2 weist
eine Antenne ANT, ein Kanalfilter BF, einen Antennenschalter SW,
ein Sendeteil TX, ein Empfangsteil RX und einen Lokaloszillator
LO auf. Der Sendeempfänger
weist auch einen Steuerblock CTR auf. Der Steuerblock CTR wird z.B.
verwendet, um den Betrieb der Wahlschalter SW1, SW2 beim Senden
und Empfangen zu steuern.
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In
der Empfangsstufe werden die Wahlschalter SW1, SW2 in eine erste
Stellung gebracht, wie in dem Blockdiagramm von 2 dargestellt
ist. Auf diese Weise werden die über
die Antenne ANT empfangenen Signale in das Kanalfilter BF geleitet,
welches für
die zu empfangenden Signale vorzugsweise ein Bandpassfilter aufweist,
durch welches im Wesentlichen nur die Signale aus dem Empfangsfrequenzbereich,
der im System festgelegt ist, zum Antennenschalter SW durchgelassen
werden. Vom Antennenschalter SW werden diese Signale zur Verstärkung in
einen rauscharmen Verstärker
LNA geleitet, wonach das verstärkte
Signal ersten und zweiten Mischern M1, M2 zugeführt wird. In diese Mischer M1,
M2 wird auch das durch den Lokaloszillator LO gebildete Lokaloszillator-Signal eingegeben.
Das in den ersten Mischer M1 einzugebende Lokaloszillator-Signal
LOI und das in den zweiten Mischen M2 einzugebende
Lokaloszillator-Signal LOQ weisen eine Phasendifferenz
von vorzugsweise etwa 90 Grad auf, um die beiden Signalkomponenten
I, Q voneinander zu trennen.
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Im
Ergebnis des Mischens besteht die Ausgabe, die vom ersten Mischer
M1 erhalten wird, aus der ersten Signalkomponente I bei einer Zwischenfrequenz
oder – in
einem Direktumwandlungsempfänger – im Basisband.
Diese erste Signalkomponente I wird einem Kanalwahlfilter CF1 zum
Bandpassfiltern zugeführt,
wenn die erste Signalkomponente I ein Zwischenfrequenzsignal ist,
oder vorzugsweise zum Tiefpassfiltern, wenn die erste Signalkomponente
I im Mischer M1 direkt in ein Basisbandsignal gemischt wurde. Die
Aufgabe dieses Kanalwahlfilters CF1 besteht z.B. darin, den anderen
Stufen im Empfänger
nur ein Signal eines erwünschten
Empfangskanals weiterzuleiten. In dieser Struktur eines Sendeempfängers von 2 wird
das im Kanalwahlfilter CF1 gefilterte Signal einem Verstärker AMP1
zugeführt,
um verstärkt
und einem ersten Analog-Digital-Wandler AD1 zugeführt zu werden.
Der erste Analog-Digital-Wandler wird verwendet, um die analoge erste
Signalkomponente I in eine digitale Form umzuwandeln. Auf eine entsprechende
Weise wird eine zweite Signalkomponente Q entweder bei einer Zwischenfrequenz
oder im Basisband als ein Mischungsergebnis aus dem zweiten Mischer
M2 erhalten. Diese zweite Signalkomponente Q wird ebenfalls in einem
Kanalwahlfilter CF2 gefiltert wie auch in einem zweiten Verstärker AMP2
verstärkt,
bevor diese zweite Signalkomponente Q in einem zweiten Analog-Digital-Wandler AD2 in die
digitale Form umgewandelt wird. Die in das Digitalformat umgewandelten
Signale I, Q werden anschließend
Stufen zugeführt,
wo sie auf einem Wege weiter verarbeitet werden, der als solcher
bekannt ist. Es ist nicht nötig,
diese Weiterverarbeitungsstufen in diesem Zusammenhang ausführlicher
zu beschreiben.
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In
der Stufe, in der ein Signal auf einem Funkkanal gesendet werden
soll, bringt der Steuerblock CTR die Schalter SW1, SW2 in eine zweite Stellung,
wobei die folgenden Schritte vorgenommen werden. Das Zweikomponentensignal
I, Q in digitaler Form wird in ein Analogsignal umgewandelt. Die
erste und zweite Signalkomponente I, Q werden in einem ersten bzw.
einem zweiten Digital-Analog-Wandler DA1, DA2 in eine analoge Form
umgewandelt. Danach wird das aus der ersten Signalkomponente I gebildete
analoge Signal über
den ersten Schalter SW1 dem ersten Kanalwahlfilter CF1 zugeführt, und
das aus der zweiten Signalkomponente Q gebildete analoge Signal
wird über
den zweiten Schalter SW2 dem zweiten Kanalwahlfilter CF2 zugeführt. Das
erste Kanalwahlfilter CF1 bzw. das zweite Kanalwahlfilter CF2 werden
zum Ausfiltern möglicher
Spiegelfrequenzsignale, die durch den Taktgeber des Digital-Analog-Wandlers
erzeugt werden, sowie des Quantisierungsrauschens verwendet, das bei
der Digital-Analog-Umwandlung erzeugt wird.
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Das
gefilterte Analogsignal der ersten Signalkomponente I wird aus dem
ersten Kanalwahlfilter CF1 über
den zweiten Schalter SW2 einem dritten Mischer M3 zugeführt. Der
dritte Mischer M3 wird zum Mischen der ersten Signalkomponente I
mit der ersten Lokaloszillatorfrequenz LOI verwendet.
Die Ausgabe aus dem dritten Mischer M3 ist somit ein moduliertes,
vorzugsweise Sendefrequenz-Signal, welches einem Ausgangsverstärker PA
zugeführt wird.
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Das
gefilterte Analogsignal der zweiten Signalkomponente Q wird aus
dem zweiten Kanalwahlfilter CF2 über
den zweiten Schalter SW2 einem vierten Mischer M4 zugeführt. Der
vierte Mischer M4 wird zum Mischen der zweiten Signalkomponente
Q mit der zweiten Lokaloszillatorfrequenz LOQ verwendet. Die
Ausgabe aus dem vierten Mischer M4 ist somit ein moduliertes, vorzugsweise
Sendefrequenz-Signal, welches dem Ausgangsverstärker PA zugeführt wird.
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Im
Ausgangsverstärker
werden die verstärkten
Signale über
den Antennenschalter SW dem Kanalfilter BF und weiter der Antenne
ANT zugeführt. Das
Kanalfilter BF ist vorzugsweise mit einem Tiefpassfilter für das zu
sendende Signal- ausgestattet, um zu gewährleisten, dass keine Signaloberschwingungen
mit dem Sendesignal zur Antenne durchgelassen werden.
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In
einem erfindungsgemäßen Sendeempfänger ist
es somit möglich,
das Kanalwahlfilter CF1, CF2 des Empfängers auch in der Sendestufe
zu verwenden. Somit wird kein gesondertes Spiegelfrequenzfilter
für den
Sender benötigt.
Da die Implementierung von Filtern in integrierten Schaltkreisen einen
relativ großen
Oberflächenbereich
auf dem Schaltkreis benötigt,
kann diese erfindungsgemäße Anordnung
verwendet werden, um den Sendeempfänger mit einer kleineren Schaltkreisfläche zu implementieren.
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Die
für den
Betrieb des erfindungsgemäßen Sendeempfängers 1 benötigten Schalter
SW1, SW2 können
vorteilhaft als Halbleiterschalter oder dergleichen in einer bereits
bekannten Weise implementiert werden. Diese Schalter SW1, SW2 umfassen
vorzugsweise zwei Schaltelemente SW1a, SW1b, SW2a, SW2b, d.h. sie
bilden ein Schalterpaar. Somit wird das erste Element SW1a, SW2a
des Schalterpaares für
das Verbinden der ersten Signalkomponente I bzw. das zweite Schaltelement
SW1b, SW2b für
das Verbinden der zweiten Signalkomponente Q verwendet.
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Die
verwendeten Kanalwahlfilter CF1, CF2 sind vorzugsweise Kanalwahlfilter
vom Stand der Technik. Gewöhnlich
sind die Anforderungen an die Kanalwahlfilter CF1, CF2 des Empfängers bedeutend
höher als
die Anforderungen an die Filter, die für das Senden benötigt werden,
so dass ein Filter, das die erforderlichen Eigenschaften für Empfängerfunktionen
aufweist, auch gut für
eine erfindungsgemäße Implementierung
geeignet ist, um auch für
das Filtern eines zu sendenden Signals verwendet zu werden. In den
Konstruktionsparametern der Filter wird das z.B. auf die Weise deutlich,
dass die Anzahl der Pole des Empfangsfilters größer ist als die Anzahl der
Pole des Filters, das die Sendekriterien erfüllt. Das ist z.B. darauf zurückzuführen, dass
beim Filtern des Empfangskanals versucht werden muss, mögliche Signale
auf benachbarten Empfangskanälen
zu unterdrücken,
so dass sie das erwünschte
Signal, das zu empfangen ist, nicht stören. Andererseits wird die Taktfrequenz
des Analog-Digital-Wandlers DA1, DA2 normalerweise so hoch gewählt, dass
Spiegelfrequenzen leicht mit einem einfachen und vergleichsweise
ungenauen Filter ausgefiltert werden können. In einer Situation jedoch,
in der das Spiegelfrequenzfiltern auch für das Filtern des bei der Digital-Analog-Umwandlung
gebildeten Quantisierungspunktes verwendet wird, müssen die
Anforderungen an das Filter geringfügig höher angesetzt werden als es
für das
Filtern von Spiegelfrequenzen nötig
wäre. Ist
das Quantisierungsrauschen bei einer benachbarten oder einer anderen
Frequenz als der Sendekanalfrequenz stark, dann muss diese Spiegelfrequenzfilterung
in der Lage sein, dieses Quantisierungsrauschen, das sonst zur Antenne
durchgelassen und andere Kommunikationsgeräte stören würde, auszufiltern oder mindestens
merklich zu unterdrücken.
Gewöhnlich
wird das Kanalwahlfilter CF1, CF2 des Empfängers wegen der hohen Anforderungen,
die an das Filter gestellt werden, auch kalibriert.
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3 zeigt
einen Sendeempfänger
gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung in einem reduzierten Blockdiagramm. Hinsichtlich seiner
Hauptteile und Funktionen entspricht dieser Sendeempfänger der
Funktion des Sendeempfängers
gemäß der ersten
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung. Ein wesentlicher Unterschied liegt hier darin, dass
die Digital-Analog-Wandler für
das Beseitigen der Versatzgleichspannung in einem Empfänger vom
Direktumwandlungstyp verwendet werden können. So richtet der Steuerblock CTR
vorzugsweise im ersten Digital-Analog-Wandler DA1
eine Steuerung ein, wodurch im Ausgang des ersten Digital-Analog-Wandlers
DA1 eine Spannung erzeugt wird, die im Wesentlichen der Versatzgleichspannung
am Ausgang des ersten Mischers M1 entspricht, aber eine entgegengesetzte
Richtung aufweist. Außerdem öffnet der
Steuerblock CTR den Schalter SW1. Somit wird im Wesentlichen nur
das erwünschte
empfangene Informationssignal dem ersten Kanalwahlfilter CF1 zugeführt. Auf
eine entsprechende Weise kann der zweite Digital-Analog-Wandler
DA2 verwendet werden, um eine mögliche
Versatzgleichspannung am Ausgang des zweiten Mischers M2 in einem
Empfänger
vom Direktumwandlungstyp zu beseitigen. Durch diese Anordnung ist
es möglich,
den Bedarf an gesonderten Digital-Analog-Wandlern für das Beseitigen
der Versatzgleichspannung in einem Empfänger vom Direktumwandlungstyp
zu vermeiden, wodurch die Zahl der benötigten Komponenten verringert
und auf integrierten Schaltkreisen Oberflächenbereich eingespart wird.
In dieser Ausführungsform
wird das erste Schalterpaar SW1 nicht benötigt, weil der Digital-Analog- Wandler sowohl während des
Sendens als auch des Empfangs verwendet wird.
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4 zeigt
ferner ein Funkkommunikationsgerät
MS gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung. Es enthält
eine Sendeempfängereinheit 1,
eine Steuereinheit CTR, eine Benutzerschnittstelle UI, die vorzugsweise
einen Audio-Codec 2, eine Hörmuschel und/oder einen Lautsprecher 3,
ein Mikrophon 4, eine Tastatur 5 und eine Anzeige 6 umfasst,
sowie eine Digitalsignal-Verarbeitungseinheit DSP
für die
Verarbeitung der empfangenen und zu sendenden Signale. Außerdem kann
die Digitalsignal-Verarbeitungseinheit DSP verwendet werden, mindestens
einige der im Sendeempfänger
benötigten
Filter, wie z.B. die Kanalwahlfilter, zu implementieren. Es ist
jedoch offensichtlich, dass die Filter auch mit gesonderten Filterschaltkreisen
oder anderen Lösungen,
die als solche bekannt sind, implementiert werden können. Die
Digitalsignal-Verarbeitungseinheit DSP und der Steuerblock CTR können auch
bei anderen Operationen des Funkkommunikationsgeräts, wie
z.B. der Steuerung der Anzeige 6 und der Tastatur 5,
verwendet werden, was als solches bekannt ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist zum Einsatz in solchen Kommunikationssystemen
geeignet, in denen das Senden und der Empfang zu unterschiedlichen
Zeiten stattfinden. Solche Systeme schließen z.B. Zeitmultiplex-Mehrfachzugriffssysteme
(TDMA) ein, wie z.B. das GSM-Mobilfunknetz.
Die Erfindung kann auch in Systemen angewendet werden, in denen
das zu sendende Signal nur eine Komponente oder mehr als die zwei
Signalkomponenten I, Q umfasst, die in den bevorzugten Ausführungsformen
erwähnt
sind.
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Es
ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht allein
auf die oben dargestellten Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern im Gültigkeitsbereich
der angefügten
Ansprüche
modifiziert werden kann.