DE69730708T2

DE69730708T2 - Verfahren und vorrichtung zur kompensation der trägerverschiebung in einem fm-radiosender

Info

Publication number: DE69730708T2
Application number: DE69730708T
Authority: DE
Inventors: D. Andrew DINGSOR
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1996-05-24
Filing date: 1997-05-05
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2017-05-06
Also published as: CA2248055A1; EP0901725A1; JPH11510676A; MY116899A; WO1997044940A1; KR100295008B1; TW327708B; PL329933A1; JP3393651B2; CA2248055C; US5751114A; BR9709602A; CN1157903C; DE69730708D1; CN1220797A; KR20000015961A; PL183141B1; EP0901725B1; CZ381298A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf digital gesteuerte Funkkommunikationseinheiten und genauer auf Fehlerkompensation bei der Trägerfrequenz einer FM-Funkeinheit.
Die meisten Funkmodems nutzen einen quarzgesteuerten Oszillator zur Erzeugung einer Lokaloszillatorfrequenz, die zum Senden und Empfangen von Datensignalen an eine bzw. von einer Funkschnittstelle über eine Antenne dient. Quarzgesteuerte Oszillatoren werden dort verwendet, wo dies gesetzlich vorgeschrieben ist (z. B. bei Rundfunk- und CB-Band-Sendern), wo der Betrieb mit nur wenigen Frequenzen vorgesehen ist und wo der Platz ein Problem darstellt (d. h., wenn ein viel Platz beanspruchender abgestimmter Schaltkreises nicht eingesetzt und durch einen kompakteren Quarz ersetzt werden kann). Da die Quarze nicht alle absolut gleich sind, ergibt sich bei bestimmten Quarzoszillatoreinheiten in der Regel eine Frequenzabweichung.
Wenn FM-Funksender und/oder -empfänger in großen Stückzahlen hergestellt werden, variiert die Trägerfrequenz der einzelnen Einheiten durch innere Unterschiede des Quarzes aufgrund von Abweichungen bei den Quarzoszillatorteilen. Im Sender hat dies eine Abweichung der Frequenz des übertragenen Signals zur Folge. In einem Funkdatenmodem unter Verwendung eines FM-Funksenders verursacht die Ungleichheit zwischen Trägerfrequenz und der Frequenz des lokalen Oszillators eine Einbuße an zulässiger Datenfehlermarge sowie eine höhere Bitfehlerrate, mit der Folge, dass mehr fehlerhafte Datenrahmen übertragen werden, mehr Wiederholungsversuche erforderlich sind und der Benutzer des Funkmodems den Datendurchsatz als geringer empfindet. Diese Einbuße an zulässiger Fehlermarge wirkt sich insbesondere bei Datencodiersystemen der Ebene 4, z. B. RD-LAP, aus.
Im Empfänger führt der Unterschied zwischen der Frequenz des Empfängers und der einer sendenden Basisstation dazu, dass das empfangene demodulierte Signal einen DC-Versatz hat. Der Unterschied bei den Frequenzen kann durch Abweichungen bei den Quarzoszillatorkomponenten des Senders, des Empfängers oder eine Kombination aus beiden verursacht werden. In einem Funkdatenmodem unter Verwendung eines FM-Funkempfängers verursacht der Unterschied zwischen der Trägerfrequenz und der Lokaloszillatorfrequenz des Empfängers eine Einbuße an Datenfehlermarge und höhere Bitfehlerraten, mit der Folge, dass mehr fehlerhafte Datenrahmen übertragen werden, mehr Wiederholungsversuche erforderlich sind und der Benutzer des Funkmodems den Datendurchsatz als geringer empfindet. Diese Einbuße an zulässiger Fehlermarge wirkt sich insbesondere bei Datencodiersystemen der Ebene 4, z. B. RD-LAP, aus.
Dieses Problem wurde gewöhnlich am Sender durch Stabilisieren und Trimmen des Quarzoszillators durch Hardware-Techniken und/oder durch Spezifizieren genauerer und teurerer Oszillatorteile verringert, die eine geringere Frequenzabweichung aufweisen. Auf ähnliche Weise wurde dieses Problem gewöhnlich am Empfänger durch Stabilisieren und Trimmen des Quarzoszillators durch Hardware-Techniken und/oder durch Spezifizieren genauerer und teurerer Oszillatorteile verringert, die eine geringere Frequenzabweichung aufweisen. Das Trimmen geschieht üblicherweise manuell und ist damit ein teures, zeitaufwendiges und fehleranfälliges Verfahren. Außerdem erhöht die Verwendung von Quarzoszillatorkomponenten mit geringeren Frequenzabweichungen die Kosten der Quarzoszillatorkomponenten und damit auch die Kosten des Funkdatenmodems.
Das Problem der Trägerfrequenzfehler wurde außerdem am Empfänger durch den Einsatz automatischer Frequenznachziehfunktionen verringert. Diese Techniken analysieren den Inhalt eines empfangenen Signals über der Zeit und stellen den Empfänger zur Kompensierung nach. Allerdings wird das Problem durch diese Techniken nicht vollständig beseitigt, weil die Daten am Beginn eines Rahmens fehlerhaft oder überhaupt nicht empfangen werden können, während die Frequenznachzieheinrichtung versucht, sich auf das empfangene Trägersignal zu synchronisieren. Somit gehen Startdatenrahmen verloren, was zu einem niedrigeren Datendurchsatz führt.
EP 0651520 A2 (Plessey Semiconductors Limited) beschreibt Steueranordnungen für digitale Funksysteme, bei denen Frequenzunterschiede zwischen Sender und Empfänger, die einen DC-Versatz hervorrufen, durch die Verwendung von Pegelverschiebungs-Schaltkreisen entgegengewirkt wird.
In der US-Patentschrift Nr. 4 581 748 (Fujitsu Limited) wird eine Funkkommunikationsvorrichtung beschrieben, bei der den Daten vor dem Senden ein DC-Versatz hinzugefügt wird.
Diese ungelösten Probleme und Unzulänglichkeiten sind in der Technik gut bekannt und werden durch die Erfindung in der unten beschriebenen Weise gelöst.
Die oben genannten Anforderungen wurden entsprechend der vorliegenden Erfindung erfüllt, indem ein Verfahren (nach Anspruch 12), eine Vorrichtung (nach Anspruch 1) und ein Signalprozessor (nach Anspruch 13) zum Kompensieren von Trägerfrequenzfehlern bereitgestellt wird. Ein FM-Signal wird von einer Antenne empfangen, und das empfangene FM-Signal wird an einen Empfänger angelegt. Der Empfänger nimmt das FM-Signal mit der Trägerfrequenz auf und gibt ein Basisbandsignal aus. Dieses Basisbandsignal wird anschließend durch einen DSP (Digitaler Signal-Prozessor verarbeitet, der eine Trägerfrequenzkompensation und Decodierung bereitstellt und einen Datenstrom erzeugt, den ein Mikroprozessor an eine Host-Einheit anlegt. Frequenzunterschiede zwischen der FM-Trägerfrequenz und der für das Demodulieren des FM-Signals verwendeten Frequenz können zu einer Verschiebung des erzeugten Basisbandsignals führen. Der DSP kompensiert einen solchen Frequenzunterschied durch die Verwendung eines Empfangs-Kompensationswerts und dessen Anwendung auf jedes empfangene Signalmuster. Beim Senden werden die zu sendenden Daten von der Host-Einheit über einen Mikroprozessor an den DSP angelegt. Der DSP sorgt für die Codierung und Trägerfrequenzkompensation der Daten und legt ein Basisbandsignal an einen Sender an, der das Basisbandsignal moduliert und ein FM-Signal mit einer gewünschten Trägerfrequenz erzeugt. Frequenzunterschiede zwischen der erwünschten FM-Trägerfrequenz und der zum Modulieren des Basisbandsignals verwendeten Frequenz können Fehler in Empfängersystemen verursachen. Der DSP kompensiert einen solchen Frequenzunterschied durch die Verwendung eines Sendekompensationswerts und dessen Anwendung auf jedes codierte Signalmuster.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, FM-Funkverbindungen bereitzustellen, die weniger fehleranfällig sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, FM-Funkverbindungen bereitzustellen, die die Anzahl der Sendewiederholungsversuche verringern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, FM-Funkverbindungen mit höherem Durchsatz bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trägerfrequenz-Fehlerkompensation bereitzustellen, die die Herstellung von Funksystemen mit niedrigeren Kosten ermöglichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, FM-Funkverbindungen mit minimalen Auswirkungen auf die Kommunikations-Verbindungszeit bereitzustellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trägerfrequenz-Fehlerkompensation mit geringerer Abhängigkeit von einem automatischen Frequenzkorrekturmechanismus bereitzustellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trägerfrequenz-Fehlerkompensation mit geringerer Abhängigkeit von einem automatischen Frequenzkorrekturmechanismus bereitzustellen, so dass die Daten am Beginn eines Rahmens mit weniger Fehlern empfangen werden.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trägerfrequenz-Fehlerkompensation bereitzustellen, die es erlaubt, FM-Funkdatenmodems in großen Stückzahlen mit billigen Teilen herzustellen, die eine höhere Toleranz aufweisen.
Die obigen und andere Aufgaben, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden besser verständlich durch die folgende detaillierte Beschreibung mit Verweis auf die Zeichnungen, in denen:
1 ein Computersystem mit einem Funkdatenmodem darstellt, das eine Sende- und Empfangs-Trägerfrequenzkompensation bereitstellt.
2 eine Kompensation für den Trägerfrequenzfehler beim Empfang eines FM-Funksignals darstellt.
3 eine Kompensation für den Trägerfrequenzfehler beim Senden eines FM-Funksignals darstellt.
4 eine detailliertere Ansicht der digitalen Signalverarbeitung in einem generischen DSP darstellt.
5 ein FM-Funkdatenmodem darstellt, das Trägerfrequenz-Fehlerkompensation beim Empfangen und Senden von FM-Funksignalen bereitstellt.
6 ein Verfahren zum Empfangen von FM-Signalen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 ein Verfahren zum Senden von FM-Signalen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 eine Konfiguration zum Ermitteln und Speichern von Kompensationswerten für eine FM-Funkeinheit darstellt.
9 den Frequenzfehler eines Lokaloszillatorquarzes darstellt.
10 die Beziehung zwischen der Basisband-Signalverschiebung und der Trägerfrequenz darstellt.
Eine Obersicht einer Host-Einheit 100 und eines Systems mit Funkmodem 101 wird in 1 gezeigt. Ein Funkmodem 101 ähnelt einem verkabelten Modem insoweit, als es einem Computer oder einer andere Einheit ermöglicht, Daten an externe Quellen zu senden und von diesen zu empfangen. Die Host-Einheit 100 kann ein Computer sein wie zum Beispiel ein Laptop, ein Taschencomputer, ein PDA (Personal Digital Assistant), ein PC, ein Großrechner, eine Basisstation, eine Vermittlungseinheit oder eine andere Verarbeitungsvorrichtung. Der Funkmodem 101 kann als Adapterkarte oder Erweiterungssteckplatz wie z. B. ein PCMCIA-Steckplatz installiert oder in einem eigenständigen Gehäuse eingebaut sein. Die vorliegende Erfindung stellt eine Frequenzkompensation für eine in der drahtlosen Kommunikation verwendete Trägerfrequenz bereit. Die Frequenzkompensation kann angewandt werden, wenn der Funkmodem Signale sendet und/oder empfängt. Die vorliegende Erfindung kann mit jedem beliebigen FM-Funksystem verwendet werden, darunter die Folgenden, aber nicht auf diese beschränkt: zellulare digitale Paketdaten (Cellular Digital Packet Data, CDPD), AMPS-(Advanced Mobile Phone Service)Daten, Zellulardaten, Funkdaten-Zugangsprotokoll (Radio Data Link Access Protocol, RDLAP) und Motorola-Datenkommunikation (Motorola Data Communication, MDC).
In der bevorzugten Ausführungsform besteht der Funkmodem aus drei Hauptkomponenten: einem Mikroprozessor 103, einem digitalen Signalprozessor (DSP) 105 und einer Funkeinheit 107 mit einer Antenne. Der Mikroprozessor 103 mit einem Speicher (d. h. in der bevorzugten Ausführungsform statischer Direktzugriffspeicher (SRAM) und/oder Flash-Speicher und/oder DRAM) und die zugehörige Schaltkreistechnik stellen die Schnittstelle zum Host-Computer 100 oder einer anderen Einheit her, die Daten senden und empfangen möchte. Er kann noch andere Funktionen bereitstellen wie z. B. Pufferung, Modemverwaltungsfunktionen, DSP-Konfiguration und -Booten oder -Starten, die Funkkonfiguration und -Booten oder -Starten sowie Nachrichtenübermittlung und Protokollverwaltung. Der Mikroprozessor kann auch die Kanal- und Frequenzzuweisung und den Frequenzsynthesizer oder Frequenzgenerator steuern, der unter Verwendung des Quarzes Signale mit für das Modulieren und Demodulieren von HF-Signalen erforderlichen Frequenzen erzeugt. Der Mikroprozessor kann außerdem zusätzliche Schichten von Protokollstapeln bereitstellen, wie die Schicht CDPD MAC (Medienzugriffsteuerung) und die Teilschicht des RDLAP Service. Die Mikroprozessor-Schnittstelle ermöglicht dem Modem den Empfang von Daten und Befehlen von der Host-Einheit und das Bereitstellen von Daten und Statusinformationen für die Host-Einheit.
Der DSP 105 stellt Sendefunktionen bereit, darunter die Codierung und die Trägerfrequenz-Kompensation für gesendete Signale. Der DSP 105 stellt Empfangsfunktionen bereit, darunter die Decodierung und die Trägerfrequenz-Kompensation für empfangene Daten. In der bevorzugten Ausführungsform stellt der DSP 105 eine Bearbeitung bereit, die für eine Trägerfrequenz-Kompensation für gesendete und empfangene Signale sorgt. DSP-Funktionen sind ein oder mehrere Befehle, die vom DSP an den Daten oder Datenströmen in der DSP-Pipe ausgeführt werden. Diese Befehle können aus einem zum DSP gehörenden Speicher oder einem zum Funkmodem gehörenden Speicher abgerufen werden. Der Mikroprozessor kann das Laden der DSP-Befehle aus einem nichtflüchtigen Speicher in einen flüchtigen oder DSP-Speicher unterstützen und kann sogar Befehle von einer Host-Einheit laden. Die DSP-Befehle können so an jedes beliebige Medium zum Weiterleiten von Softwarebefehlen verteilt werden. DSP-Befehle können im platinenintegrierten nichtflüchtigen Speicher des Funkmodem gespeichert werden, im DSP oder in Speichervorrichtungen wie ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder jeder anderen Speichervorrichtung, auf die der DSP zugreifen kann. Die Funktionen des DSP 105 werden im Folgenden detailliert beschrieben.
In der bevorzugten Ausführungsform besteht die Funkeinheit 107 aus einem Sender zum Modulieren von Signalen und einem Empfänger zum Demodulieren von Signalen. Der Sender und Empfänger können sich eine gemeinsame Antenne 109 über einen Antennenumschalter teilen. Aufgabe des Senders ist das Erzeugen eines FM-Signals mit einer Trägerfrequenz unter Verwendung eines Basisbandsignals und eines Lokaloszillatorsignals (d. h. die Modulierung der Trägerfrequenz entsprechend des Basisbandsignals). Aufgabe des Empfängers ist das Erzeugen eines Basisbandsignals aus einem FM-Signal unter Verwendung eines Lokaloszillatorsignals (d. h. Demodulierung des FM-Signals unter Verwendung der veränderlichen Trägerfrequenz zum Erzeugen des Basisbandsignals). Die Funkeinheit 107 oder die Kommunikations-Schaltkreistechnik gewährt physischen Zugang zu einem Netzwerk oder einer Verbindung (d. h. dem Funk- oder Mobilfunknetzwerk der bevorzugten Ausführungsform). Die Funkeinheit 107 kann wie bei Mobilfunkmodems üblich mit einer eigenen Batterie ausgestattet sein. Eine Antenne dient zum Senden und Empfangen der elektromagnetischen Kommunikationssignale von der Funkschnittstelle. Sender und Empfänger werden im Folgenden detailliert beschrieben.
In der bevorzugten Ausführungsform passt der Funkmodem in den PCMCIA-Steckplatz einer Host-Einheit. 5 zeigt einen Funkmodem mit einem PCMCIA-Anschluss und PCMCIA-Schnittstellenlogik, um dem Modem eine externe Schnittstelle zu verleihen. Verschiedene Komponenten des Modem können sich übrigens auch außerhalb der PCMCIA-Karte befinden (d. h. die Batterie, Antenne, Funkeinheit). Sowohl beim Empfänger als auch beim Sender wird ein Lokaloszillatorsignal mit einer festgelegten Frequenz in 2 und 3 gezeigt. Allerdings reicht der Einsatz eines einzigen Quarzes aus, um das Lokaloszillatorsignal für viele Frequenzen und Kanäle zu erzeugen, wie in 5 gezeigt. Außerdem können, obwohl die vorliegende Erfindung mit nur einer einzigen HF-Stufe abgebildet ist, mehrere Stufen verwendet werden, wie es zum Beispiel bei Überlagerungsempfängern üblich ist. Deshalb werden die ZF-Stufen, Filter und Verstärker nicht gezeigt oder besprochen.
Frequenzmodulation (FM) verändert die Trägerfrequenz oder eine Zwischenfrequenz, wenn die Kanäle gemultiplext werden, im Verhältnis zum Durchschnittswert eines Basisbandsignals. Bei FM wird die Trägerfrequenz durch das Basisbandsignal moduliert. Die meisten Funkmodems verwenden einen quarzgesteuerten Oszillator zur Erzeugung einer Lokaloszillatorfrequenz, die zum Senden und Empfangen von Datensignalen zu einer Funkschnittstelle über eine Antenne dient. Aufgrund von Abweichungen in den Quarzkomponenten sind bestimmte Quarzoszillatorkomponenten in der Regel mit einer Frequenzabweichung behaftet. Wie in 9 gezeigt, hat eine bestimmte Quarzkomponente eine als Δ_C gezeigte Frequenzabweichung. Quarzkomponenten können zum Erzeugen von Signalen mit zahlreichen Frequenzen verwendet werden. Somit kann ein Quarz verwendet werden, um zahlreiche Lokaloszillatorsignale mit verschiedenen Frequenzen zu unterstützen. Um die Frequenzabweichungen zu minimieren, werden Schaltkreise mit abstimmbaren Komponenten gebaut, so dass die Schaltkreise manuell abgestimmt werden können, um die Frequenzabweichung zu minimieren. Dies geschieht bei FM-Funkkomponenten aus der Massenproduktion, bei denen die Frequenzabweichung für jeden Quarz in jeder Einheit anders ist. Die Kosten der Quarzkomponenten sind direkt von der Höhe der Abweichung abhängig (d. h. die Größe von Δ_C). Je kleiner Δ_C, desto höher die Kosten. Zu den Kosten der Quarzkomponenten und dem arbeitsintensiven Trimmprozess müssen zusätzlich noch die Kosten für die abstimmbaren Komponenten hinzuaddiert werden.
Trägerfrequenzkompensation für empfangene Signale
Das vorliegende System kann eine Kompensation für jeden beliebigen Unterschied zwischen der zum Modulieren verwendeten Frequenz und der zum Demodulieren eines FM-Signals verwendeten Frequenz bereitstellen. Damit wird eine Kompensation für den Unterschied zwischen der Trägerfrequenz eines empfangenen FM-Signals und der Lokaloszillatorfrequenz des Funkmodem bereitgestellt. 2 zeigt den Signalpfad für das Empfangen von FM-Signalen. Ein FM-Signal wird von einer Antenne 109 empfangen, und das empfangene FM-Signal wird an den Empfänger 201 angelegt. Der Empfänger 201 nimmt das FM-Signal mit der Trägerfrequenz auf und gibt ein Basisbandsignal aus. Das Basisbandsignal wird daraufhin vom DSP 105 so bearbeitet, dass ein Datenstrom erzeugt wird, den der Mikroprozessor 103 an die Host-Einheit anlegt. Der Empfänger 201 nimmt das FM-Signal mit der Trägerfrequenz auf und gibt ein Basisbandsignal aus. Dies wird in 2 unter Verwendung eines Mischers und eines Lokaloszillators dargestellt, wobei eventuelle Verstärker und Filter der Deutlichkeit wegen weggelassen wurden. Es können übrigens auch andere Techniken zum Erzeugen eines Basisbandsignals aus dem empfangenen FM-modulierten Signal verwendet werden. So können mehrere Mischerstufen mit Zwischenfrequenz-(ZF-)Bearbeitung verwendet werden, die ein oder mehrere Basisbandsignale erzeugen können. Die ZF-Stufe, Verstärker und Filter wurden der Deutlichkeit wegen weggelassen.
Beim Empfang eines FM-Signals mit einer Trägerfrequenz erzeugt der Unterschied zwischen der FM-Trägerfrequenz und der Lokaloszillatorfrequenz eine elektrische Spannung, die proportional zur Differenz zwischen den beiden Frequenzen ist. Beim Demodulieren des FM-Signals wird das Basisbandsignal aus der veränderlichen Trägerfrequenz des FM-Signals zurückgewonnen. Dies ist die FM-Modulation. Wenn allerdings die Empfangs-Lokaloszillatorfrequenz (d. h. die zum Demodulieren verwendete Frequenz) nicht dieselbe Frequenz ist wie die vom sendenden Lokaloszillator verwendete (d. h. die zum Modulieren verwendete Frequenz), kommt es zu einer unbeabsichtigten Differenz oder einer Verschiebung des Basisbandsignals, die proportional zum Frequenzunterschied zwischen dem Lokaloszillator des Senders und dem Lokaloszillator des Empfängers ist. Dies wird in 10 gezeigt. Ausgehend von einem FM-Signal mit der Trägerfrequenz f_C (d. h. vom Lokaloszillator eines Senders mit f_C erzeugt) kann je nach Lokaloszillatorfrequenz des Empfängers das vom FM-Empfänger erzeugte Basisbandsignal verschoben sein (d. h. einen unbeabsichtigten DC-Versatz haben). Wenn wie in 10 gezeigt f_LO = f_C, wird ein Basisbandsignal C erzeugt. Wenn f_LO = F_C+ΔC/2, wird das Basisbandsignal wie in A gezeigt verschoben. Wenn f_LO = F_C–ΔC/2, wird das Basisbandsignal wie in B gezeigt verschoben. Der Frequenzunterschied zwischen dem Lokaloszillatorsignal des Senders und dem Lokaloszillatorsignal des Empfängers erzeugt einen DC-Versatz im Basisbandsignal (d. h. verschiebt das Basisbandsignal).
Das vorliegende System kompensiert solche Verschiebungen. In der bevorzugten Ausführungsform wird dies im DSP durch die Verwendung eines Empfangs-Kompensationswerts erreicht. Der DSP sorgt für die Anpassung für den Frequenzfehler zwischen der Trägerfrequenz und der Lokaloszillatorfrequenz des Empfängers. Der Empfangs-Kompensationswert kann im DSP oder in einem zum DSP gehörenden Speicher oder in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden, auf den der DSP zugreifen kann. Die Festlegung des Empfangs-Kompensationswerts wird weiter unten beschrieben. 4 zeigt DSP-Funktionen zum Senden und Empfangen von FM-Signalen mit Trägerfrequenzkompensation. Wie in 4 gezeigt, wird das Basisbandsignal vom Empfänger durch einen A/D-Wandler 415 in ein oder mehrere digitale Muster umgewandelt. Die digitalen Muster, die jede beliebige Bitlänge haben können, aber in der Regel 8 oder 16 Bit lang sind, werden danach über einen Empfangskompensationswert angepasst. Der Empfangskompensationswert kann zum Wert eines jeden Musters je nach Eigenschaft des verwendeten Quarzes hinzuaddiert oder von ihm subtrahiert werden. Jede beliebige Form der binären Arithmetik kann für die Anpassung verwendet werden. Man kann sich diese Anpassung als Verschiebung des Basisbandsignals in den gewünschten Bereich denken (d. h. C in 10), unabhängig von einem eventuellen Frequenzunterschied zwischen der zum Demodulieren des empfangenen FM-Signals verwendeten Lokaloszillatorfrequenz und der zum Modulieren des FM-Signals verwendeten Lokaloszillatorfrequenz. Die kompensierten digitalen Muster werden sodann unter Verwendung von Standard-Decodierungsfunktionen decodiert, wie im Decoder 419 von 4 gezeigt. Der Zeichen-Taktgeber 421 und die Einheit für die Erfassung und das Einschwingverhalten von Rx 423 arbeiten zusammen und synchronisieren den Zeichen-Taktgeber der Einheit mit dem Zeichen-Taktgeber der Basisstation (Sender). Die DC-Schätzeinheit 425 verfolgt das empfangene Signal und ermittelt den durchschnittlichen DC-Versatzwert über der Zeit. Der Detektor 429 gibt die digitalen Daten aus, die sodann so bearbeitet werden, dass alle Übertragungsfehler sowie die Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierung und die Rahmenbildungsdaten entfernt werden, die für die Funkübertragung hinzugefügt wurden. Danach werden die Daten durch den Mikroprozessor der Host-Einheit bereitgestellt.
Ein Verfahren zum Empfangen und Bearbeiten eines FM-Signals wird in 6 gezeigt. Ein FM-Signal mit einer Trägerfrequenz wird demoduliert, um in Schritt 601 unter Verwendung eines Lokaloszillatorsignals ein Basisbandsignal zu erzeugen. In Schritt 603 wird das Basisbandsignal digitalisiert oder in ein oder mehrere digitale Muster umgewandelt. In Schritt 605 wird jedes digitale Muster durch einen Empfangskompensationswert angepasst. Und in Schritt 607 wird der kompensierte digitale Musterstrom decodiert, und es wird ein digitaler Datenstrom ausgegeben.
Trägerfrequenzkompensation für übertragene Signale
Die Trägerfrequenzkompensation empfangener FM-Signale wurde oben beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Trägerfrequenz-Kompensation auf übertragene FM-Signale angewandt. Normalerweise wird der DC-Versatzwert des dem Sender zugeführten Basisbandsignals an einem bestimmten Punkt der Schaltung oder auf einer gewünschten Höhe fixiert. Der DC-Versatzwert kann jedoch auch entsprechend des Frequenzunterschieds zwischen dem Lokaloszillator und der gewünschten Trägerfrequenz des übertragenen FM-Signals angepasst werden. 3 zeigt den Signalpfad für die Übertragung von FM-Signalen über einen FM-Funkmodem der vorliegenden Erfindung. Die zu übertragenden Daten werden dem Funkmodem von einer Host-Einheit einem Mikroprozessor oder Mikroprozessor 103 bereitgestellt. Der Mikroprozessor 103 stellt die Daten dem DSP 301 bereit. Der Mikroprozessor kann auch Nachrichtenformatierungs- und Rahmenbildungsfunktionen bereitstellen. Der DSP 301 führt die Codierung und die Trägerfrequenz-Kompensationsfunktion aus und erzeugt ein analoges Basisbandsignal. Der Sender 303 moduliert oder mischt das analoge Basisbandsignal mit einem Lokaloszillatorsignal mit einer Lokaloszillatorfrequenz und erzeugt ein FM-Signal mit einer Trägerfrequenz, das über die Antenne 109 ausgestrahlt wird.
Der DSP 301 sorgt für die Anpassung wegen des Frequenzfehlers zwischen der gewünschten Sende-Trägerfrequenz und der Lokaloszillatorfrequenz. Der Sendekompensationswert kann im DSP oder in zum DSP gehörenden Speicher oder in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden, auf den der DSP oder Mikrocontroller zugreifen kann. Die Ermittlung des Sendekompensationswerts wird unten beschrieben. Wie oben erwähnt kann beim Senden eines FM-Signals mit einer Trägerfrequenz jeder Unterschied zwischen der tatsächlich übertragenen FM-Trägerfrequenz und der gewünschten FM-Frequenz eines Kanals eine Spannung erzeugen, die proportional zum Unterschied zwischen den beiden Frequenzen im Empfängersystem ist. Wenn also das Empfängersystem eine Trägerfrequenz mit f_C erwartet, aber der Sender mit f_C+Δ oder f_C–Δ überträgt (d. h. durch Verwendung eines Lokaloszillators mit diesen Frequenzen), werden Fehler oder eine Einbuße an Fehlermarge am Empfänger verursacht. Dies kann auch dann der Fall sein, wenn der Empfänger eine Trägerfrequenz-Fehlerkompensation bereitstellt, weil die Empfangskompensation einige Zeit zur Reaktion benötigt, während der Daten verloren gehen können.
Wenn allerdings die Lokaloszillatorfrequenz des Senders nicht dieselbe Frequenz ist wie die gewünschte Trägerfrequenz, kann der DC-Versatzwert des analogen Basisbandsignals so angepasst werden, dass eine Übertragung auf der gewünschten Frequenz erreicht wird. Durch Verschieben des Basisbandsignals im Verhältnis zum Frequenzunterschied zwischen der Lokaloszillatorfrequenz des Senders und der gewünschten Trägerfrequenz wird ein FM-Signal mit der gewünschten Trägerfrequenz erzeugt. Dies ist in 10 dargestellt. Wenn also der Sender eine Lokaloszillatorfrequenz verwendet, die gleich der gewünschten Senderfrequenz ist, ist f_LO = f_C, und das Basisbandsignal C wird ohne jegliche Kompensation oder Verschiebung verwendet. Wenn der Sender eine Lokaloszillatorfrequenz verwendet, die größer ist als die gewünschte gesendete Trägerfrequenz, ist f_LO = f_C+ΔC/2. In diesem Fall wird das Basisbandsignal nach unten verschoben wie in A gezeigt, wodurch der DC-Versatz des Basisbandsignals verringert wird und das erzeugte FM-Signal die erwartete Trägerfrequenz aufweist. Wenn der Sender ein Lokaloszillatorsignal verwendet, dessen Frequenz geringer als die erwünschte gesendete Trägerfrequenz ist (d. h. f_LO = f_C–ΔC/2), wird das Basisbandsignal wie in B gezeigt nach oben verschoben, so dass der DC-Versatz des Basisbandsignals angehoben wird und das erzeugte FM-Signal die erwartete Trägerfrequenz aufweist. Das Verschieben des Basisbandsignals durch Addieren oder Subtrahieren eines DC-Versatzsignals erzeugt eine Frequenzverschiebung in der gesendeten Trägerfrequenz.
In der bevorzugten Ausführungsform wird die Trägerfrequenzkompensation im DSP durch Verwendung eines Sendekompensationswerts erzielt. Der Sendekompensationswert zusammen mit einer Technik zur Ermittlung des Sende-Kompensationswerts wird unten beschrieben. Wie in 4 gezeigt werden die Daten für die Übertragung vom Mikroprozessor der Codiereinheit 400 bereitgestellt. Die Codiereinheit beinhaltet wie in 4 gezeigt eine Einheit zur Rahmenbildung 401, die dafür sorgt, dass ein Anfangsblock und zyklischer Blockprüfungscode (CRC) zu den Daten hinzugefügt werden. Es können auch festgelegte Muster wie Zeichengleichlauf und Rahmengleichlauf hinzugefügt werden, um das Decodieren am Empfänger zu unterstützen. Kanalstatusdaten können ebenfalls in die Daten eingebettet werden. Eine Vorwärtsfehlerkorrektur 403 (z. B. Reed Solomon) kann verwendet werden oder sonstige Fehlererkennungs- und/oder -korrekturdaten können zu dem Daten-/Zeichenstrom hinzugefügt werden. Trellis- oder Faltungscodierung oder sonstige Codierungsschemata können eingesetzt werden, je nach gewünschtem Kommunikationsprotokoll. Ein digitales Filter 405 wird auf den Daten-/Zeichenstrom angewandt, um die gewünschte Signalverlaufsform zu erreichen. Die digitalen Muster, die jede beliebige Bitlänge haben können, aber in der Regel 8 oder 16 Bit lang sind, werden sodann durch einen Sende-Kompensationswert im Kompensator 409 angepasst. Der Sendekompensationswert kann entsprechend den Eigenschaften des im Funkmodem verwendeten Quarzes zum Wert eines jeden Musters addiert oder von ihm subtrahiert werden. Jede beliebige Form der binären Arithmetik kann für die Anpassung verwendet werden. Man kann sich diese Anpassung als Verschiebung des Basisbandsignals in den gewünschten Bereich denken, abhängig von der Lokaloszillator- und der gewünschten Sender-Trägerfrequenz. Die digitalen Muster werden an einen D/A-Wandler 411 angelegt. Die kompensierten digitalen Muster werden daraufhin in ein analoges Basisbandsignal mit dem geeigneten DC-Versatzwert umgewandelt, um die gewünschte Sendeträgerfrequenz zu erzeugen. Das Basisbandsignal wird daraufhin durch den Sender unter Verwendung des Lokaloszillatorsignals moduliert, um das FM-Signal mit der gewünschten Trägerfrequenz zu erzeugen, das über die Antenne ausgestrahlt wird.
Ein Verfahren zum Senden eines FM-Signals wird in 7 gezeigt. Die zu sendenden Daten werden in Schritt 701 eingegeben. Die Daten werden in Schritt 703 codiert, um Signalmuster zu erzeugen. Jedes Muster wird in Schritt 705 durch einen Sendekompensationswert kompensiert. In Schritt 707 werden die Muster in ein analoges Basisbandsignal umgewandelt. Das Basisbandsignal dient im Folgenden dazu, ein Lokaloszillatorsignal in Schritt 709 zu modulieren, und das FM-Signal wird in Schritt 711 übertragen.
SENDEEMPFÄNGER-BETRIEB
Die vorliegende Erfindung kann zur Kompensierung von Trägerfrequenzunterschieden beim Senden oder Empfangen von FM-Signalen wie oben beschrieben verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann auch in einem Funkmodem eingesetzt werden, der eine Trägerfrequenz-Kompensation bereitstellt, während er FM-Signale sendet und empfängt. Ein DSP für beides ist in 4 abgebildet. Eine Antenne kann über einen Antennenumschalter gemeinsam verwendet werden oder der Sender und Empfänger können getrennte Antennen nutzen. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Trägerfrequenz-Kompensation sowohl für die gesendeten als auch für die empfangenen Signale bereitgestellt. Die Trägerfrequenz-Kompensationswerte (d. h. der Empfangskompensationswert und der Sendekompensationswert) sind in der bevorzugten Ausführungsform voneinander getrennt.
ERMITTELN DES KOMPENSATIONSWERTS
Die Verwendung von Kompensationswerten zum Empfangen und Senden von FM-Kommunikationssignalen wurde oben beschrieben. Eine Technik zur Ermittlung dieser Werte und Speichern der Werte im Funkmodem wird hier beschrieben.
8 zeigt einen Testaufbau zum Ermitteln und Speichern der Kompensationswerte im Funkmodem. Die Testumgebung besteht aus einem Empfänger/Sender 801 und einer Teststeuereinheit 805, die in der bevorzugten Ausführungsform ein entsprechend ausgestatteter PC ist. Die Teststeuereinheit 805 kann Daten in den Speicher des Funkmodem schreiben und daraus lesen und als Host-Einheit Daten senden und empfangen. Wie gezeigt kann die Teststeuereinheit 805 auch dazu verwendet werden, den Empfänger/Sender 801 zu steuern. Der Empfänger/Sender 801 dient zum Erzeugen von FM-Signalen für den Prüfling (Device Under Test, DUT) und zum Empfangen von FM-Funksignalen vom DUT 803.
Um den zu verwendenden Sendekompensationswert zu ermitteln, während der DUT FM-Signale überträgt, wird das folgende Verfahren angewandt:

1) Die Teststeuereinheit weist den DUT an, ein Testsignal zu senden.
2) Der Testempfänger misst die Trägerfrequenz des DUT.
3) Die Teststeuereinheit verändert den Sendekompensationswert im DSP des DUT, bis der Testempfänger feststellt (oder der Teststeuereinheit anzeigt oder ermittelt), dass die Senderfrequenz korrekt ist.
4) Die Teststeuereinheit sichert danach den Sendekompensationswert in einem nichtflüchtigen Speicher des DUT.

Um den zu verwendenden Empfangskompensationswert zu ermitteln, während der DUT FM-Signale empfängt, wird das folgende Verfahren angewandt:

1) Der Testsender erzeugt ein FM-Signal mit einer Testträgerfrequenz.
2) Die Teststeuereinheit liest den Korrekturwert aus der DC-Schätzeinheit im DSP des DUT aus.
3) Die Teststeuereinheit verändert den Empfangskompensationswert im DSP des DUT, bis der ausgelesene Korrekturwert Null ist.
4) Die Teststeuereinheit sichert danach den Empfangs-Kompensationswert in einem nichtflüchtigen Speicher des DUT.

Wie man sieht, können die obigen Kalibrierungs- und Kompensations-Ermittlungsverfahren vorteilhaft bei Funkmodems angewandt werden, während die Modems hergestellt werden. Nach der Ermittlung des Frequenzfehlers kann der Kompensationswert ermittelt und zum Zugriff durch den DSP gespeichert werden. Der Kompensationswert (d. h. die Höhe des DC-Versatzes) kann für jede hergestellte Einheit ermittelt werden. Der Kompensationswert wird sodann verwendet, um den Fehler oder Versatz der Trägerfrequenz in jeder einzelnen Funkeinheit zu kompensieren. Die vorliegende Erfindung stellt also einen Funkmodem mit weniger Schwankungen der Trägerfrequenz bereit. Außerdem können, weil eine Frequenzfehlerkompensation auf diese Weise mit Oszillatorkomponenten erreicht werden kann, die über einen größeren Frequenzbereich operieren, billigere Oszillatorkomponenten eingesetzt werden. Diese Technik erlaubt die Herstellung von Produkten mit höherer Genauigkeit in großen Stückzahlen, während gleichzeitig weniger genaue und billigere Quarzoszillatorkomponenten spezifiziert werden. Außerdem werden Trägerfrequenzabweichungen an der Quelle der Trägerfrequenz (d. h. am Sender) oder am Ziel (d. h. am Empfänger) oder an beiden (am Sender und Empfänger) beseitigt. Durch Senden mit der korrekten Frequenz besteht eine geringere Abhängigkeit von dem automatischen Frequenzkorrekturmechanismus am Empfänger, und die Daten am Beginn eines gesendeten Rahmens werden mit weniger Fehlern empfangen. Ebenso besteht durch das Kompensieren eventueller Trägerfrequenzfehler im empfangenen Signal eine geringere Abhängigkeit vom automatischen Frequenzkorrekturmechanismus am Empfänger, und die Daten am Begin eines gesendeten Rahmens werden mit weniger Fehlern empfangen.

Claims

Mobilfunkdatenmodem, umfassend: einen digitalen Signalprozessor (301) zum Eingeben eines digitalen Eingabestroms, Codieren des digitalen Eingabestroms zum Herstellen eines Stroms digitaler Muster, Kompensieren jedes digitalen Musters durch einen Sende-Kompensationswert, Umwandeln des Stroms digitaler Muster in eine analoges Basisbandsignal; einen Lokaloszillator zum Erzeugen einer Lokaloszillatorfrequenz; und einen Sender (303) zum Modulieren der Lokaloszillatorfrequenz mit dem analogen Basisbandsignal zur Erzeugung eines FM-Signals, wobei die durch den digitalen Signalprozessor durchgeführte Kompensation eine Differenz zwischen der Lokaloszillatorfrequenz und einer Soll-Trägerfrequenz kompensiert.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 1, wobei das FM-Signal auf einem zugewiesenen Kanal in einem zugewiesenen Sendefrequenzbereich gesendet wird.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 1, wobei das FM-Signal durch eine mit dem Sender verbundene Antenne ausgestrahlt wird.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 1, wobei die Lokaloszillatorfrequenz durch einen programmierbaren Frequenzsynthesizer erzeugt wird, der einen Quarz verwendet, um eine Vielzahl von Frequenzen zu erzeugen.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 1, wobei das Codieren des digitalen Eingabestroms auch Rahmenbildung, Vorwärtsfehlerkorrektur und Filterung beinhaltet.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 1, außerdem umfassend einen mit dem digitalen Signalprozessor verbundenen Mikroprozessor (103), wobei der Mikroprozessor den digitalen Datenstrom für den digitalen Signalprozessor bereitstellt.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 6, wobei der Mikroprozessor eine Schnittstelle vom Mobilfunkmodem zu einer externen Einheit bereitstellt.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 6, wobei der Mikroprozessor eine PCMCIA-Schnittstelle bereitstellt.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 1, wobei der Lokaloszillator einen Quarz verwendet.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 1, außerdem umfassend: einen Empfänger (201) zum Demodulieren eines über eine Antenne empfangenen FM-Signals, wobei der Empfänger ein empfangenes analoges Basisbandsignal erzeugt und dazu einen Empfangs-Lokaloszillator verwendet, der eine Empfangs-Lokaloszillatorfrequenz erzeugt, um das analoge Empfangs-Basisbandsignal bereitzustellen, wobei der digitale Signalprozessor das analoge Basisbandsignal in einen Strom digitaler Muster umwandelt und den Strom digitaler Muster decodiert, um einen empfangenen digitalen Datenstrom zu erzeugen.
Mobilfunkmodem nach Anspruch 10, wobei die Antenne zwischen dem Empfänger und dem Sender durch einen Antennenumschalter gemultiplext wird.
Übertragungsverfahren, umfassend die Schritte: Codieren (703) eines digitalen Datenstroms zur Erzeugung eines Stroms codierter Datenmuster; Kompensieren (705) jedes codierten Datenmusters durch einen Sende-Kompensationswert, wobei der Sende-Kompensationswert proportional zu einer Differenz zwischen der Frequenz eines Lokaloszillators und einer Soll-Trägerfrequenz ist; Umwandeln (707) des kompensierten codierten Datenmusters in ein analoges Basisbandsignal; Modulieren (709) des analogen Basisbandsignals durch ein Lokaloszillatorsignal bei einer Lokaloszillatorfrequenz zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Signals; und Senden (711) des frequenzmodulierten Signals.
Digitaler Signalprozessor, umfassend: Mittel zum Codieren eines digitalen Datenstroms zum Erzeugen eines Stroms codierter Datenmuster; Mittel zum Kompensieren der codierten Datenmuster durch einen Sende-Kompensationswert, wobei der Sende-Kompensationswert mit einer Differenz zwischen der Frequenz eines Lokaloszillators und einer Soll-Trägerfrequenz in Beziehung steht; und Mittel zum Umwandeln des kompensierten codierten Datenmusters in ein analoges Basisbandsignal.