DE602004005437T2

DE602004005437T2 - Vorrichtung mit einem Sigma-Delta-Modulator und Verfahren zur Erzeugung eines quantisierten Signals in einem Sigma-Delta Modulator

Info

Publication number: DE602004005437T2
Application number: DE602004005437T
Authority: DE
Inventors: Johannes Wilhelmus Eikenbroek
Original assignee: Ericsson Technology Licensing AB
Current assignee: Ericsson Technology Licensing AB
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: EP1612946B1; CN100539435C; EP1612946A1; DE602004005437D1; ATE357774T1; CN101032080A

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines quantisierten Signals in einem Sigma-Delta-Modulator, der angeordnet ist, um mit einem Frequenzteiler in einem Frequenzsynthesizer für den Gebrauch in einem Empfänger für modulierte Signale zusammenzuarbeiten, wobei das Verfahren die Schritte des Einspeisens eines Modulatoreingangssignals in einen Quantisierer über zumindest einen Integrator, des Erzeugens in dem Quantisierer eines quantisierten Signals, des Rückspeisens des quantisierten Signals, das von dem Modulatoreingangssignal zu subtrahieren ist, und des Erzeugens eines Zittersignals, das an einem Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen ist, aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Gerät, das einen Sigma-Delta-Modulator aufweist.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Sigma-Delta-Modulatoren oder Wandler werden in verschiedenen Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel in Phasenregelkreisen und Frequenzsynthesizern. In Sigma-Delta-gesteuerten Synthesizern bildet ein mittlerer Teilungsfaktor einen Ganzzahlteil und einen Bruchteil. Der Bruchteil wird von dem Sigma-Delta-Modulator, der ein statisches Eingangssignal (der Bruchteil des Teilungsfaktors) hat, erzeugt, während der Ausgang, der Quantisierer des Sigma-Delta-Wandlers, ein Mehrpegelsignal ist, das seinerseits den Teilungsfaktor des Synthesizers bestimmt. Der Teilungsfaktor wird „zufällig" zwischen mehreren Ganzzahlteilungswerten (zum Beispiel N – 1, N und N + 1) umgeschaltet, um im Durchschnitt zu dem gewünschten Teilungsfaktor zu gelangen.
Da das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators statisch ist, können so genannte „Ruhetöne" an dem quantisierten Ausgangssignal erscheinen. Diese periodischen Signale sind unerwünscht und müssen bei vielen Anwendungen, wie zum Beispiel Synthesizern für Funkausstattungen vermieden werden. US 5 986 512 zeigt einen Phasenregelkreis, der von einem Sigma-Delta-Modulator gesteuert wird, und bei dem das ausgegebene oszillierende Signal derartige unerwünschte Ruhetöne aufweisen könnte, weil der Sigma-Delta-Modulator in das eintreten kann, was man einen „Grenzzyklus" nennt. Zu bemerken ist, dass das Eingangssignal in den Sigma-Delta-Modulator statisch ist, das heißt ein Gleichstrompegel, wenn der Sigma-Delta-Modulator in Phasenregelkreisen verwendet wird, weil der Sigma-Delta-Modulator gewöhnlich den Bruchteil der Teilungszahl erzeugt. Jedes Mal, wenn ein neuer Kanal oder eine neue Referenzfrequenz ausgewählt wird, wird das Eingangssignal aktualisiert. Bestimmte Merkmale des Sigma-Delta-Modulators können durch lineare Theorie erklärt werden, aber an dem Ausgang des Sigma-Delta-Modulators wird das Signal quantisiert, was eine nicht lineare Operation ist. Grenzzyklen oder „Ruhetöne" können aufgrund dieser nicht linearen Operation auftreten.
Gemäß US 5 986 512 wird ein Zittersignal (das heißt ein Zufallssignal) kurz vor dem Quantisieren in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass der Sigma-Delta-Modulator in einen Grenzzyklus eintritt. Daher ist es nicht wahrscheinlich, dass das ausgegebene oszillierende Signal, das von dem Phasenregelkreis erzeugt wird, die unerwünschten Töne enthält. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass durch Hinzufügen des Zittersignals zu dem Quantisierereingang des Sigma-Delta-Modulators diese unerwünschten Ruhetöne unterdrückt oder verringert werden können, allerdings entsteht dadurch eine bestimmte Erhöhung der Rauschleistung an dem Ausgang des Sigma-Delta-Modulators. Was die Wirkung des Zittersignals betrifft, bemerkt man, dass, wenn das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators statisch ist, das Ausgangssignal im Durchschnitt gleich dem Eingangssignal ist, es könnte jedoch ein wiederholtes Verhalten in den „ausgegebenen Oszillationen" bestehen, das Ruhetöne erzeugt. Ist der Eingang jedoch andererseits ein weißes Rauschen, ist der Quantisierungsfehler weniger korreliert, und der Einfluss der Ruhetöne wird verringert. Das Zittern des Sigma-Delta-Modulators bewirkt das Gleiche, Dekorrelieren des Quantisierungsfehlers.
Das Zittersignal kann auch an andere Punkte des Sigma-Delta-Modulators angelegt werden, wie zum Beispiel an den eigentlichen Eingang des Modulators, was bedeutet, dass es zu dem statischen Eingangssignal hinzugefügt wird, das den Bruchteil des Gesamtteilungsfaktors setzt. In US 6 175 321 hat ein Sigma-Delta-Modulator zwei in Serie gekoppelte Integratoren und zwei verschiedene Zittersignale werden hinzugefügt, ein erstes Zittersignal wird zwischen den zwei Integratoren hinzugefügt, während ein zweites Zittersignal zu dem Eingang des Quantisierers hinzugefügt wird. In EP 709 969 kann das Zittersignal an einem beliebigen Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator hinzugefügt werden, inklusive an seinem Eingang, vorausgesetzt, dass das Zittersignal entsprechend gefiltert wird.
Gewöhnlich wird das Zittersignal an den Eingang des Quantisierers angelegt, weil der Signaltransfer in geschlossener Schleife des Zittersignals zu dem Ausgang des Modulators, das heißt der Ausgang des Quantisierers, einen Hochpasstransfer hat. Das ist günstig, weil das weiße Rauschen des Zittersignals in einer spektralen Hochpassform geformt wird, aber das gewünschte Signalspektrum gewöhnlich ein Tiefpassspektrum ist, was zu einer Frequenztrennung zwischen dem gewünschten Signal und dem geformten Rauschen führt. Der Hochfrequenzteil des geformten Rauschens wird von dem Tiefpass-Phasenregelkreistransfer des Synthesizers unterdrückt, sobald der Wandler in einem Synthesizer verwendet wird.
Bei vielen Anwendungen stellt es sich heraus, dass das Sigma-Delta-induzierte Phasenrauschen immer noch der dominante Phasenrauschbeitrag für Frequenzen außerhalb der Bandbreite der geschlossenen Schleife des Synthesizers ist. Durch Steigern des Ranges der Schleife und/oder Verringern der Schleifenbandbreite kann dieses Rauschen verringert werden, aus Stabilitätsgründen ist es jedoch nicht einfach, den Rang der Schleife zu erhöhen, während das Verringern der Kreisbandbreite die Ausregelzeit für einen Frequenzschritt steigert, was in vielen Anwendungen nicht gewünscht wird. Zusätzlich besteht auch die Tendenz zum Integrieren von passiven Schleifenfilterbauteilen, und das ist einfacher durchzuführen, wenn der Rang der Schleife möglichst niedrig ist.
Ein Beispiel des Gebrauchs eines Sigma-Delta-Modulators sind die Frequenzsynthesizer, die für Bluetooth-Empfänger verwendet werden. Bei Bluetooth wird Frequenzmodulation als das Modulationsformat verwendet. Das gewünschte Signal kann aus dem übertragenen Signal durch einen Frequenzmodulator erzielt werden, der das gewünschte Signal in ein Signal umwandelt, dessen Amplitude zu der Ableitung der Momentanphase dieses gewünschten Signals proportional ist. Aufgrund dieser Differenzierung, werden Rauschkomponenten mit einer höheren Frequenz als andere im Pegel im Vergleich zu dem Rauschen mit einer niedrigeren Frequenz verstärkt. Das beeinflusst die „Welligkeit" des gewünschten demodulierten Signals in der Praxis. Das passiert mit dem Bluetoothsignal aufgrund des von dem Sigma-Delta-Modulator induzierten Phasenrauschens des Synthesizers. (Dieses Phasenrauschen wurde zu dem erwünschten Signal in dem Sender während der Aufwärtsumwandlung auf die gewünschte HF-Frequenz hinzugefügt). In der Praxis stellt es sich heraus, dass dieser Mechanismus die Bluetooth- „Modulationscharakteristiken"-Leistung negativ beeinflusst, zum Beispiel das Testergebnis während des Tests mit alternierender Bitsequenz.
Um die Beeinträchtigung aufgrund des induzierten Phasenrauschens zu minimieren, kann das Zittersignal an den Eingang des Sigma-Delta-Wandlers statt an den Quantisierereingang angelegt werden. Zu bemerken ist, dass in diesem Fall der Pegel des Inband-Phasenrauschens des Synthesizerausgangssignals steigt. Aufgrund der Differenzierungswirkung in einem Frequenzdemodulator ist der Niederfrequenzteil des Rauschens jedoch weniger schädlich. Bei normalen Bluetooth-Anwendungen wird daher vorgezogen, das Zittersignal an den Eingang des Sigma-Delta-Modulators anzulegen.
In naher Zukunft werden die Erweiterungen auf Bluetooth, mittlere und hohe Rate, Phasenmodulation an Stelle von Frequenzmodulation als Modulationsformat verwenden. Es kann gezeigt werden, dass ein Phasendemodulator für den Pegel des Inband-Phasenrauschens des tiefpassgeformten Synthesizer-Phasenrauschens empfindlicher ist. Speziell kohärente Phasendemodulatoren zeigen diese Erscheinung. Für dieses Modulationsformat (das heißt Phasenmodulation) ist es günstig, das Zittersignal zu dem Quantisierereingang des Wandlers hinzuzufügen, um einen Hochpasstransfer des Zitterrauschens zu zeigen.
Ein Bluetooth-Anschluss startet typisch in dem grundlegenden Bluetoothmodus mit Frequenzmodulation und schaltet dann auf Phasenmodulation um, sobald die höhere Datenrate initiiert wird. Wenn ein Sigma-Delta-Modulator, bei dem das Zittersignal zu seinem Eingang hinzugefügt wird, verwendet wird, funktioniert der Empfänger im Frequenzmodulationsmodus nicht optimal, wird jedoch andererseits ein Sigma-Delta-Modulator, bei dem das Zittersignal zu dem Quantisierereingang hinzugefügt wurde, verwendet, ist der Phasenmodulationsmodus nicht optimal, weil der Sigma-Delta-Modulator für einen der Modi mit dem Ergebnis konzipiert werden muss, so dass die Leistung in dem anderen Modus nicht zufrieden stellend ist. Ähnliche Probleme existieren auch bei anderen Anwendungen mit unterschiedlichen Modi, die Sigma-Delta-Modulatoren verwenden.
US 2003/174799 zeigt einen Frequenzsynthesizer, der einen spannungsgesteuerten Oszillator und einen Sigma-Delta-gesteuerten Phasenregelkreis aufweist, der den Ausgangsfrequenzsynthesizer bestimmt. Um wiederholte Zyklen in dem Sigma-Delta-gesteuerten Phasenregelkreis zu vermeiden, wird in den Sigma-Delta-Modulator ein Zittersignal eingeführt. Der Sigma-Delta-Modulator enthält einen M-N-Akkumulator des ersten Ranges und einen M-N-Akkumulator des zweiten Ranges und zwei UND-Gatter, die es erlauben, Signale zu aktivieren, um das Zittersignal mit dem M-N-Akkumulator des ersten Ranges und/oder des zweiten Ranges zu verbinden.
Sudhakar Pamarti et al., „A Wideband 2.4-GHz Delta-Sigma Fractional-N PLL With 1-Mb/s In-Loop Modulation", IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Band 39, Nr. 1, Januar 2004, Seiten 49–62 zeigt einen Bruchteil-N-Phasenregelkreis, der mit einem Sigma-Delta-Modulator für den Gebrauch in einem Bluetooth-Empfänger umgesetzt ist. Ein Zittersignal kann an den Eingang des Delta-Sigma-Modulators angelegt werden, um Störtöne zu eliminieren.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen eines quantisierten Signals in einem Sigma-Delta-Modulator bereitzustellen, das optimale Ergebnisse für verschiedene Anwendungsmodi ergibt, wie zum Beispiel Phasenmodulationsmodus und Frequenzmodulationsmodus in einem Bluetooth-Empfänger.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe verwirklicht, indem das Verfahren ferner den Schritt des Anlegens des Zittersignals an eine ausgewählte Anzahl verschiedener Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das ein Modulationsformat für die Modulationssignale angibt, aufweist.
Da das Injizieren des Zittersignals zwischen ausgewählten Punkten in dem Sigma-Delta-Modulator unter der Steuerung eines Steuersignals umgeschaltet werden kann, kann die Leistung des Sigma-Delta-Modulators leicht an verschiedene Anwendungsmodi angepasst werden.
Zweckdienlicherweise kann einer der mehreren verschiedenen Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator ein Eingang zu dem Quantisierer sein. Ähnlich kann ein anderer der mehreren verschiedenen Punkte im Sigma-Delta-Modulator eine Klemme für das Modulatoreingangsignal sein. Das erlaubt es, das Anlegen des Zittersignals zwischen den zwei oben genannten Positionen umzuschalten.
Bei einer zweckdienlichen Ausführungsform wird das Zittersignal an einen ersten Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt, wenn die modulierten Signale gemäß einem ersten Modulationsformat moduliert werden, und an einen zweiten Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt, wenn die modulierten Signale gemäß einem zweiten Modulationsformat moduliert werden.
Der Frequenzsynthesizer kann in einem Empfänger für Bluetooth-Signale verwendet werden. In diesem Fall kann das Zittersignal an einen ersten Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt werden, wenn die Bluetooth-Signale frequenzmoduliert sind, und an einen zweiten Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt werden, wenn die Bluetooth- Signale phasenmoduliert sind.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Anlegens eines zusätzlichen Zittersignals an mindestens einen anderen Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator aufweisen. Das erlaubt es, das Zittersignal an bestimmte Punkte permanent und an andere Punkte in Abhängigkeit von dem Steuersignal anzulegen.
Wie erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein Gerät, das einen Sigma-Delta-Modulator aufweist, der angeordnet ist, um mit einem Fraktionalteiler in einem Frequenzsynthesizer zusammenzuarbeiten, der für den Gebrauch in einem Empfänger für modulierte Signale geeignet ist, wobei der Sigma-Delta-Modulator mindestens einen Integrator aufweist, der einen Eingang mit einem Modulatoreingangssignal verbunden hat, einen Quantisierer, der eingerichtet ist, um ein quantisiertes Signal zu erzeugen und der einen Eingang mit einem Ausgang des Integrators verbunden hat, Mittel zum Rückspeisen des quantisierten Signals, das von dem Modulatoreingangssignal zu subtrahieren ist, einen Zittersignalgenerator, der ein Zittersignal erzeugen kann, das an einen Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen ist, und Mittel zum Anlegen des Zittersignals an einen ausgewählten mehrerer verschiedener Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das ein Modulationsformat für die modulierten Signale anzeigt, so dass ein quantisiertes Signal in einem Sigma-Delta-Modulator erzeugt werden kann, das optimale Ergebnisse für verschiedene Anwendungsmodi bereitstellt, wie zum Beispiel Phasenmodulationsmodus und Frequenzmodulationsmodus in einem Bluetooth-Empfänger.
Zweckdienlicherweise kann einer der Anzahl verschiedener Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator ein Eingang zu dem Quantisierer sein. Ähnlich kann ein anderer der Anzahl verschiedener Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator eine Klemme für das Modulatoreingangssignal sein. Das erlaubt das Umschalten des Zittersignals zwischen den zwei oben genannten Positionen.
Bei einer zweckdienlichen Ausführungsform ist das Mittel zum Anlegen des Zittersignals eingerichtet, um das Zittersignal an einen ersten Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen, wenn die modulierten Signale gemäß einem ersten Modulationsformat moduliert sind, und das Zittersignal an einen zweiten Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen, wenn die modulierten Signale gemäß einem zweiten Modulationsformat moduliert sind.
Der Frequenzsynthesizer kann als Empfänger für Bluetooth-Signale verwendet werden. In diesem Fall kann das Mittel zum Anlegen des Zittersignals eingerichtet sein, um das Zittersignal an einen ersten Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen, wenn die Bluetooth-Signale frequenzmoduliert sind, und das Zittersignal an einen zweiten Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen, wenn die Bluetooth-Signale phasenmoduliert sind.
Das Gerät kann ferner eingerichtet sein, um ein zusätzliches Zittersignal an mindestens einen anderen Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen. Das erlaubt es, das Zittersignal an bestimmte Punkte permanent und an andere Punkte in Abhängigkeit von dem Steuersignal anzulegen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird unten ausführlicher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen
1 ein Blockschaltbild eines Sigma-Delta gesteuerten Synthesizers zeigt, bei dem die Erfindung verwendet werden kann,
2 einen Sigma-Delta-Modulator mit einem mit dem Quantisierereingang gekoppelten Zittersignal zeigt,
3 einen Sigma-Delta-Modulator mit einem Zittersignal mit dem Eingang des Modulators gekoppelt zeigt,
4 einen verbesserten Sigma-Delta-Modulator zeigt, bei dem das Zittersignal zwischen dem Quantisierereingang und dem Eingang des Modulators umgeschaltet werden kann,
5 ein Blockschaltbild eines Sigma-Delta-gesteuerten Synthesizers mit dem verbesserten Sigma-Delta-Modulator der 4 zeigt,
6 einen Sigma-Delta-Modulator zeigt, bei dem das Zittersignal mit den zwei Punkten über verschiedene Filter gekoppelt ist,
7 einen Sigma-Delta-Modulator zeigt, bei dem zwei verschiedene Zittersignale mit den zwei Punkten gekoppelt werden können,
8 den Sigma-Delta-Modulator der 6 mit einem zusätzlichen Zittersignal zeigt, das mit einem weiteren Punkt in dem Modulator gekoppelt ist, und
9 den Sigma-Delta-Modulator der 7 mit einem zusätzlichen Zittersignal zeigt, das mit einem weiteren Punkt in dem Modulator gekoppelt ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Diagramm des Sigma-Delta-gesteuerten Frequenzsynthesizers 1, bei dem die Erfindung verwendet werden kann, ist in 1 gezeigt. Der Synthesizer 1 weist einen Phasenregelkreis auf. Derartige Synthesizer können in verschiedenen Anwendungen verwendet werden, zum Beispiel Empfänger-Sender-Systeme oder autonome Empfänger, die Bluetooth-Demodulatoren enthalten oder verwenden können.
Eine Referenzsignal f_ref, mit dem der Phasenregelkreis zu regulieren ist, wird in einen Phasen- und/oder Frequenzdetektor (PFD) 2 eingespeist. Dieses Signal ist gewöhnlich ein Signal mit hoher Frequenzstabilität. Der Ausgang des Phasen-/Frequenzdetektors 2 wird durch ein Filter 3, das typisch ein Tiefpassfilter (LPF) ist, zu einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 4 gespeist, der das Ausgangssignal f_out erzeugt. Das Signal f_out wird ferner zu einem Frequenzteiler (DIV) 5 zurückgespeist, und ein frequenzgeteiltes Signal wird von dem Frequenzteiler 5 erzeugt und dann an den anderen Eingang des Phasen- und/oder Frequenzdetektors 2 angelegt, so dass eine Rückkopplungsschleife bereitgestellt wird. Derart wird das Phasen-/Frequenzverhältnis zwischen dem frequenzgeteilten Signal, das von dem Frequenzteiler 5 erzeugt wird, und dem Referenzsignal f_ref verglichen, und der Ausgang des Phasen-Frequenzdetektors 2 ist für den Phasen-/Frequenzunterschied zwischen diesen zwei Signalen repräsentativ. Der spannungsgesteuerte Oszillator 4 wird daher mit einem gefilterten Spannungssignal beliefert, das für diesen Phasen-/Frequenzunterschied repräsentativ ist, und f_out wird entsprechend reguliert.
In dem Frequenzteiler 5 wird die f_out-Frequenz mit einem Teilungsfaktor geteilt, bevor sie mit dem Referenzsignal in dem Phasen- und/oder Frequenzdetektor 2 verglichen wird. Um die Auflösung zu verbessern, kann Bruchteilsynthese verwendet werden. Der Teilungsfaktor kann ebenfalls reguliert werden, und der mittlere Teilungsfaktor bildet daher einen Ganzzahlteil und einen Bruchteil. Wie in 1 gezeigt, kann der Bruchteil durch ein Teilungssteuersignal gesteuert werden, das von einem Sigma-Delta-Modulator 6 erzeugt wird. Der Sigma-Delta-Modulator 6 empfängt ein statisches Bruchteileinstelleingangssignal und stellt ein Multipegelsignal bereit, das seinerseits den Teilungsfaktor des Synthesizers bestimmt. Der Teilungsfaktor wird willkürlich zwischen mehreren Ganzzahl-Teilungswerten umgeschaltet (zum Beispiel N – 1, N und N + 1), um im Durchschnitt zu dem gewünschten Teilungsfaktor zu gelangen.
Da das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators statisch ist, können so genannte „Ruhetöne" an dem Modulatorausgangssignal und dem ausgegebenen oszillierenden Signal f_out auftreten. Diese periodischen Signale sind unerwünscht und müssen bei vielen Anwendungen, wie zum Beispiel Synthesizern für Radioausstattung vermieden werden. Das kann durch Hinzufügen eines Zittersignals zu dem Sigma-Delta-Modulator erfolgen, wie ebenfalls in 1 gezeigt. Es ist daher unwahrscheinlich, dass das von dem Phasenregelkreis erzeugte ausgegebene oszillierende Signal die unerwünschten Töne enthält. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass durch Hinzufügen des Zittersignals zu dem Sigma-Delta-Modulator diese unerwünschten Ruhetöne unterdrückt oder verringert werden können, dass dies jedoch eine bestimmte Steigerung der Rauschleistung an dem Ausgang des Sigma-Delta-Modulators verursacht.
2 zeigt ein Beispiel eines Sigma-Delta-Modulators 6. Das Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators 6 wird in einen Quantisierer 15 über zwei Integratoren 12, 13, eingespeist, und das quantisierte Ausgangssignal wird durch ein Filter 16 zum Subtrahieren von dem Eingangssignal in dem Summierpunkt 11 rückgespeist. Dieses Rückspeisen forciert den mittleren Wert des quantisierten Signals, dem mittleren Eingangssignal zu folgen. Ein Unterschied zwischen diesen zwei Signalen sammelt sich in den Integratoren 12, 13 an und korrigiert sich schlussendlich selbst. An Stelle der zwei Integratoren 12, 13 kann auch ein einziger Integrator verwendet werden. Die Antwort des Sigma-Delta-Modulators zum Beispiel auf einen Rampeneingang ist derart, dass das quantisierte Ausgangssignal zwischen zwei Niveaus oszilliert, die mit dem Eingang benachbart sind, so dass sein lokaler Durchschnitt dem mittleren Eingangswert gleich ist. In dem Summierpunkt 14 wird das Zittersignal zu dem Quantisierereingang hinzugefügt.
Wenn das Zittersignal an den Eingang des Quantisierers angelegt wird, hat der Signaltransfer in geschlossener Schleife des Zittersignals zu dem Ausgang des Sigma-Delta-Modulators, das heißt dem Ausgang des Quantisierers 15, einen Hochpasstransfer. Das ist günstig, besonders bei Synthesizern, die in Empfängern phasenmodulierter Signale verwendet werden, weil das weiße Rauschen des Zittersignals in eine spektrale Hochpassform geformt wird, aber das gewünschte Signalspektrum ist gewöhnlich ein Tiefpassspektrum, was zu einer Frequenztrennung zwischen dem gewünschten Signal und dem geformten Rauschen führt. Der Hochfrequenzteil des geformten Rauschens wird von dem Tiefpass-Transfer in geschlossener Schleife des Synthesizers unterdrückt, sobald der Wandler in einem Synthesizer verwendet wird. Es kann gezeigt werden, dass ein Phasenempfänger für den Pegel des Inband-Phasenrauschens des Tiefpass-geformten Synthesizer-Phasenrauschens empfindlicher ist. Besonders kohärente Phasenempfänger zeigen diese Erscheinung.
Bei vielen Anwendungen stellt es sich jedoch heraus, dass das Sigma-Delta-induzierte Phasenrauschen immer noch der dominante Phasenrauschbeitrag für Frequenzen außerhalb der Bandbreite in geschlossener Schleife des Synthesizers ist. Durch Erhöhen des Rangs der Schleife und/oder Verringern der Schleifenbandbreite kann dieses Rauschen verringert werden, aus Stabilitätsgründen ist es jedoch nicht einfach, den Rang der Schleife zu steigern, während das Senken der Schleifenbandbreite die Ausregelzeit für einen Frequenzschritt steigert, was bei vielen Anwendungen unerwünscht ist. Zusätzlich besteht die Tendenz, passive Schleifenfilterkomponenten zu integrieren, und das ist einfacher durchzuführen, wenn der Rang der Schleife möglichst niedrig ist.
Wenn Frequenzmodulation als Modulationsformat verwendet wird, kann das gewünschte Signal von dem übertragenen Signal durch einen Frequenzdemodulator erzielt werden, der das gewünschte Signal in ein Signal umwandelt, dessen Amplitude zu der Ableitung der Momentanphase dieses gewünschten Signals proportional ist. Aufgrund dieser Unterscheidung werden Rauschkomponenten mit einer höheren Frequenz als andere in dem Pegel im Vergleich zum Rauschen mit einer niedrigeren Frequenz verstärkt. Das beeinflusst die „Welligkeit" des demodulierten gewünschten Signals in der Praxis, zum Beispiel ein Bluetooth-Signal, aufgrund des Sigma-Delta-Demodulator-induzierten Phasenrauschens des Synthesizers. (Dieses Phasenrauschen wurde zu dem gewünschten Signal in dem Sender während der Aufwärtsumwandlung zu der gewünschten HF-Frequenz hinzugefügt). In der Praxis stellt es sich heraus, dass dieser Mechanismus die Bluetooth-„Modulationsmerkmale"-Leistung negativ beeinflusst, zum Beispiel das Testergebnis während des alternierenden Bitsequenztests.
Diese Verschlechterung aufgrund des induzierten Phasenrauschens kann minimiert werden, wenn das Zittersignal an den Eingang des Sigma-Delta-Modulators an Stelle des Quantisierereingangs angelegt wird. Das ist in 3 veranschaulicht, wo das Zittersignal zu der Schleife des Sigma-Delta-Modulators 20 in den Summierpunkt 11 hinzugefügt wird. In diesem Fall steigt der Pegel des Phasenrauschens im Band des Synthesizerausgangssignals. Aufgrund der Differenzierungswirkung in einem Frequenzdemodulator ist der Niederfrequenzteil des Rauschens jedoch weniger schädlich. Bei Frequenzmodulationsanwendungen wird daher vorgezogen, das Zittersignal an den Eingang des Sigma-Delta-Wandlers anzulegen. Messungen zeigen, dass die Leistung im Hinblick auf Bluetooth-„Modulationsmerkmale" im Vergleich zu dem Quantisierereingang verbessert wird, wenn das Zittersignal in den Signaleingang des Sigma-Delta-Modulators eingespeist wird.
Andererseits zeigen Simulationen eines phasenmodulierten Systems, dass eine Hochpass-Spektralform des Phasenrauschens, die durch Hinzufügen des Zittersignals zu dem Quantisierereingang erzielt wird, eine bessere Error Vector Magnitude (EVM)-Leistung ergibt als Tiefpassspektralform-Phasenrauschen, besonders, wenn ein kohärenter Demodulator für die EVM-Messung verwendet wird.
Standard-Bluetooth verwendet Frequenzmodulation, und bei Sigma-Delta-Modulatoren, die in Synthesizern zum Demodulieren von Standard-Bluetoothsignalen verwendet werden, wird daher vorgezogen, das Zittersignal an den Eingang des Sigma-Delta-Modulators anzulegen. In der nahen Zukunft werden die Erweiterungen von Bluetooth, mittlere Rate und hohe Rate, an Stelle von Frequenzmodulation als Modulationsformat verwenden, und hier wird, wie oben erwähnt, vorgezogen, das Zittersignal an den Quantisierereingang anzulegen.
Eine Bluetooth-Verbindung startet typisch in dem grundlegenden Bluetooth-Modus mit Frequenzmodulation und schaltet dann, sobald eine höhere Datenrate initiiert wird, auf Phasenmodulation um. Wenn ein Sigma-Delta-Modulator, in dem das Zittersignal zu seinem Eingang hinzugefügt wird, verwendet wird, funktioniert der Empfänger im Frequenzmodulationsmodus nicht optimal, wird jedoch andererseits ein Sigma-Delta-Modulator, bei dem das Zittersignal zu dem Quantisierereingang hinzugefügt wird, verwendet, ist die Phasenmodulation nicht optimal, weil der Sigma-Delta-Modulator für einen der Modi konzipiert sein muss, woraus sich ergibt, dass die Leistung in dem anderen Modus nicht zufrieden stellend ist. Ähnliche Probleme gibt es auch für andere Anwendungen mit unterschiedlichen Modi, die Sigma-Delta-Modulatoren verwenden.
4 zeigt einen verbesserten Sigma-Delta-Modulator 25, der zum Beispiel in einem Bluetooth-Empfänger verwendet werden kann, der konzipiert ist, um beide Modulationsformate zu verarbeiten. Zusätzlich zu den Bauteilen des Sigma-Delta-Modulators 6 der 2 hat der verbesserte Sigma-Delta-Modulator 25 ein Umschaltelement 22, mit dem das Zittersignal verbunden ist. Unter der Steuerung eines Modulationssteuersignals kann das Zittersignal zwischen den zwei möglichen Eingängen wie oben beschrieben in Abhängigkeit von dem Modulationsformat, das verwendet wird, umgeschaltet werden, und das von dem Sigma-Delta-Modulator eingeführte Phasenrauschen kann optimal für beide Modulationsformate unterdrückt werden. Das kann einfach im digitalen Bereich umgesetzt werden, weil der komplette Sigma-Delta-Modulator typisch in dem digitalen Bereich implementiert wird. Das Basisbandsignal, das die Umwandlung zwischen den Modulationsformaten initiiert, kann als das Steuersignal verwendet werden, das das Zittersignal entweder an den Eingang des Sigma-Delta-Modulators oder an den Quantisierereingang anlegt.
Wenn die vom Modulationsformat abhängige Zittersteuerung angewandt wird, wird der Phasenrauschbeitrag des Sigma-Delta-Modulators zu dem demodulierten Signal für beide Modulationsformate minimiert. Das steigert die Wahrscheinlichkeit, dass die Testspezifikation des Sendersignals in der Praxis leichter erfüllt wird. Der Standard-Bluetooth-Test, der am stärksten beeinflusst wird, sind die „Modulationsmerkmale" des übertragenen Signals, während der Test, der am stärksten für mittlere Rate und hohe Rate betroffen ist, der EVM-Test des übertragenen Signals ist. Zusätzlich werden die empfangenen Signale außerdem vom Phasenrauschen, das von dem Sigma-Delta-Modulator induziert wird, weniger beeinflusst, so dass der Bitfehlerraten-Grundwert (BER) eventuell verbessert wird.
5 zeigt den Gebrauch des verbesserten Sigma-Delta-Modulators 25 in einem Synthesizer 21. Mit Ausnahme des Gebrauchs des verbesserten Sigma-Delta-Modulators 25 und des zusätzlichen Modulationssteuersignals ist der Synthesizer 21 ähnlich dem Synthesizer 1 in 1.
In 4 legt das Umschaltelement 22 das gleiche Zittersignal entweder an den Summierpunkt 11 oder an den Summierpunkt 14 an. Wie in dem Sigma-Delta-Modulator 26 in 6 gezeigt, kann das Zittersignal jedoch auch zu den jeweiligen Summierpunkten über verschiedene Filter 27, 28 hinzugefügt werden, so dass das daraus hervorgehende Zittersignal, das zu einem der Summierpunkte hinzugefügt wird, spezifisch dazu geeignet ist, an diesem Summierpunkt hinzugefügt zu werden. Alternativ und wie in dem Sigma-Delta-Modulator 30 in 7 gezeigt, können unterschiedliche und getrennte Zittersignale in zwei getrennten Zittersignalgeneratoren 31, 32 erzeugt werden, verwendet werden. Die zwei Zittersignale werden zu den Summierpunkten 11 und 14 durch das Doppelumschaltelement 33, das von einem Steuersignal gesteuert wird, gekoppelt.
Das oder die Zittersignale können auch an mehr als zwei verschiedenen Punkten in den Sigma-Delta-Modulator hinzugefügt werden, und bestimmte können in Abhängigkeit von dem Steuersignal hinzugefügt werden, während andere permanent hinzugefügt werden. Ein Beispiel ist in dem Sigma-Delta-Modulator 36 in 8 gezeigt. Hier kann das Zittersignal selektiv wie in 6 zu einem der Summierpunkte 11 und 14 unter der Steuerung des Umschaltelements 22 hinzugefügt werden, zusätzlich wird aber das Zittersignal permanent zu dem Summierpunkt 38 zwischen den zwei Integratoren 12 und 13 hinzugefügt.
Natürlich könnte es ebenso gut einer der anderen Summierpunkte sein, zu dem das Zittersignal permanent hinzugefügt wird, oder es könnte permanent zu zwei von ihnen hinzugefügt werden, während es zu einem dritten in Abhängigkeit von dem Steuersignal hinzugefügt wird. Ferner könnten getrennte Zittersignalgeneratoren verwendet werden, wie in dem in 9 gezeigten Sigma-Delta-Modulator 40, bei dem ein Zittersignal von dem Zittersignalgenerator 41 permanent zu dem Summierpunkt 42 hinzugefügt wird, während eines der Signale von dem Zittersignalgenerator 31 und 32 zu einem der Summierpunkte 11 und 14 in Abhängigkeit von dem Steuersignal hinzugefügt wird. Ferner können hier die Zittersignale und Summierpunkte in anderen Arten kombiniert werden.
Bei den in 6 und 8 gezeigten Ausführungsformen werden die Zittersignale zu dem jeweiligen Summierpunkt über Filter hinzugefügt. Zu bemerken ist jedoch, dass bei allen Ausführungsformen, die in den 4 und 6 bis 9 gezeigt sind, jedes Zittersignal gefiltert werden kann oder nicht, oder dass der Zittergenerator selbst ein Filter enthalten kann. Die Zittersignale können in dem Zittersignalgenerator außerhalb des Zittersignalgenerators oder überhaupt nicht gefiltert werden. Ein Signal kann gefiltert werden, das andere kann ungefiltert sein usw. In diesem Hinblick sind alle Kombinationen möglich.
Die oben beschriebenen Sigma-Delta-Modulatoren können entweder im analogen oder im digitalen Bereich umgesetzt werden.
Obwohl oben eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben und gezeigt wurde, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern kann auf andere Arten innerhalb des Geltungsbereichs, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist, umgesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines quantisierten Signals in einem Sigma-Delta-Modulator (25; 26; 30; 36; 40), der eingerichtet ist, um gemeinsam mit einem Fraktionalteiler (5) in einem Frequenzsynthesizer (21) für den Gebrauch in einem Empfänger für modulierte Signale zu funktionieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: • Einspeisen eines Modulatoreingangssignal in einen Quantisierer (15) über zumindest einen Integrator (12, 13), • Erzeugen in dem Quantisierer (15) eines quantisierten Signals, •Rückspeisen des quantisierten Signals, das von dem Modulatoreingangssignal zu subtrahieren ist, und • Erzeugen eines Zittersignals, das an einem Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: • Anlegen des Zittersignals an einen einer Anzahl verschiedener Punkte (11, 14) in dem Sigma-Delta-Modulator (25; 26; 30; 36; 40) abhängig von einem Steuersignal, das ein Modulationsformat für die modulierten Signale angibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer (14) der Anzahl verschiedener Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator ein Eingang zu dem Quantisierer (15) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer (11) der Anzahl verschiedener Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator eine Klemme für das Modulatoreingangssignal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zittersignal an einen ersten Punkt (11) in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt wird, wenn die modulierten Signale gemäß einem ersten Modulationsformat moduliert sind, und an einen zweiten Punkt (14) in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt wird, wenn die modulierten Signale gemäß einem zweiten Modulationsformat moduliert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzsynthesizer (21) in einem Empfänger für Bluetooth-Signale verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zittersignal an einen ersten Punkt (11) in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt wird, wenn die Bluetooth-Signale frequenzmoduliert sind, und an einen zweiten Punkt (14) in dem Sigma-Delta-Modulator angelegt wird, wenn die Bluetooth-Signale phasenmoduliert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt des Anlegens eines zusätzlichen Zittersignals an mindestens einen anderen Punkt (38; 42) in dem Sigma-Delta-Modulator aufweist.
Gerät, das einen Empfänger für modulierte Signale aufweist, wobei der Empfänger einen Frequenzsynthesizer (21) aufweist, in dem ein Sigma-Delta-Modulator (25; 26; 30; 36; 40) eingerichtet ist, um gemeinsam mit einem Fraktionalteiler (5) zu funktionieren, wobei der Sigma-Delta-Modulator Folgendes aufweist: • mindestens einen Integrator (12, 13), der einen Eingang hat, der mit einem Modulatoreingangssignal verbunden ist, • einen Quantisierer (15), der eingerichtet ist, um ein quantisiertes Signal zu erzeugen und der einen Eingang hat, der an einen Ausgang des Integrators angeschlossen ist, • Mittel zum Zurückspeisen des quantisierten Signals, das von dem Modulatoreingangssignal zu subtrahieren ist, und • einen Zittersignalgenerator, der eingerichtet ist, um ein Zittersignal zu erzeugen, das an einen Punkt in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sigma-Delta-Modulator ferner Folgendes aufweist: • Mittel zum Anlegen des Zittersignals an einen ausgewählten einer Anzahl verschiedener Punkte (11, 14) in dem Sigma-Delta-Modulator (25; 26; 30; 36; 40) in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das ein Modulationsformat für die modulierten Signale anzeigt.
Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer (14) der Anzahl verschiedener Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator ein Eingang zu dem Quantisierer (15) ist.
Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer (11) der Anzahl verschiedener Punkte in dem Sigma-Delta-Modulator eine Klemme für das Modulatoreingangssignal ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Anlegen des Zittersignals eingerichtet ist, um das Zittersignal an einen ersten Punkt (11) in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen, wenn die modulierten Signale gemäß einem ersten Modulationsformat moduliert sind, und das Zittersignal an einen zweiten Punkt (14) in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen, wenn die modulierten Signale gemäß einem zweiten Modulationsformat moduliert sind.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzsynthesizer (21) für den Gebrauch in einem Empfänger für Bluetooth-Signale geeignet ist.
Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Anlegen des Zittersignals eingerichtet ist, um das Zittersignal an einen ersten Punkt (11) in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen, wenn die Bluetooth-Signale frequenzmoduliert sind, und das Zittersignal an einen zweiten Punkt (14) in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen, wenn die Bluetooth-Signale phasenmoduliert sind.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät ferner eingerichtet ist, um ein zusätzliches Zittersignal an mindestens einen anderen Punkt (38; 42) in dem Sigma-Delta-Modulator anzulegen.