DE69731535T2

DE69731535T2 - Anordnungen und verfahren zur erzeugung eines funkfrequenzsignals

Info

Publication number: DE69731535T2
Application number: DE69731535T
Authority: DE
Inventors: Richard Lars HELLBERG
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: JP2001503210A; JP3835822B2; CA2262511C; SE9603256L; SE507373C2; CA2262511A1; EP0914728B1; KR20000035813A; WO1998011683A1; DE69731535D1; EP0914728A1; TW342562B; CN1127820C; SE9603256D0; US6094458A; CN1229546A; AU4140297A; AU740623B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Anordnungen zur Modulation und Leistungsverstärkung von Niedrigfrequenz- oder Zwischenfrequenz-Informationssignalen zu einem Funkfrequenzsignal, wobei gleichzeitig hohe Linearität und hohe Effizienz über ein breites Frequenzband erreicht werden. Allgemein betrachtet, betrifft die Erfindung Anordnungen für die Modulation und Leistungsverstärkung eines M-ären digitalen Signals, d. h. eines Signals, das eine Anzahl M unterschiedlicher diskreter Signalwerte aufweist, wobei M eine ganze Zahl ist, die größer als oder gleich zwei ist.
Die Erfindung betrifft auch Verfahren, die in solchen Anordnungen angewendet werden.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Bei der herkömmlichen Leistungsverstärkung von Funkfrequenzsignalen ist es grundsätzlich notwendig, zwischen einer hohen Effizienz oder hoher Linearität zu wählen. Zum Beispiel bietet ein Klasse-C-Verstärker hohe Effizienz, während die Linearität zum Beispiel für Breitbandanwendungen unzureichend ist, während ein Klasse-A-Verstärker ziemlich linear ist, aber eine niedrige Effizienz aufweist.
Wenn ein und derselbe Verstärker für die gleichzeitige Verstärkung mehrerer auf verschiedene Trägerwellen modulierter Informationssignale verwendet wird oder wenn lineare Modulationsformate, wie zum Beispiel QAM (QAM = Quadratur- oder Phasendrehungs-Amplitudenmodulation), verwendet werden, ist ein Leistungsverstärker erforderlich, dessen Linearität extrem hoch ist, da es in solchen Fällen unentbehrlich ist, daß alle Phasen- und Amplitudenlagen der eingehenden Signalkomponenten im Verstärkungsprozeß erhalten bleiben. Anderenfalls kann Intermodulation zwischen den Signalkomponenten auftreten und/oder das Spektrum des verstärkten Summationssignals kann verbreitert werden, was das Risiko der Interferenz mit über andere Kanäle übertragenen Signalen erhöht. Verstärker, die für die gleichzeitige Leistungsverstärkung einer Vielzahl von Schmalbandkanälen angepaßt sind, und Leistungsverstärker, die dafür bestimmt sind, eine Trägerwelle zu verstärken, auf die mehrere CDMA-Kanäle (CDMA = Mehrfachzugriff) aufgeprägt sind, sind Beispiele für Ausrüstung, auf die die erwähnte hohe Linearitätsanforderung zutrifft.
D. P. Myer untersucht in seinem Artikel "A Multicanier Feed-Forward Amplifier Design", Microwave Journal, Oktober 1994, S. 78–88, wie ein linearer Leistungsverstärker hoher Bandbreite erreicht werden kann. Die Vorwärtseinspeisung des Eingangssignals in den Leistungsverstärker ermöglicht es, verschiedene Nichtlinearitäten zu kompensieren.
In dem Artikel "Linear Transceiver Architectures", IEEE Vehicular Technology Conference, 1988, S. 478–484, offenbaren A. Bateman et al., wie man alternativ mit Hilfe kartesischer Rückkopplung, einer rein adaptiven Vorverzerrung nach dem LINC-Prinzip (LINC = Lineare Verstärkung mit nichtlinearen Komponenten), Leistungsverstärker mit hoher Linearität erhalten kann.
In dem Artikel "Linear Modulators Based on RF Synthesis: Realization and Analysis", IEEE Transaction on Circuits and Systems – I: Fundamental Theory and Application, Vol. 42, Nr. 6, Juli 1995, analysieren K. -Y Chan et al unterschiedliche Verfahren der Erzeugung QPSK-modulierter Funksignale durch Funkfrequenzsynthese (QPSK = Quadratur-Phasenumtastung). Alle betroffenen Verfahren nutzen das sogenannte CALLUM-Prinzip, das eine Weiterentwicklung des LINC-Prinzips ist (CALLUM = kombinierter analoger Phasenregelkreis-Universalmodulator).
V F. Dias et al. geben in ihrem Artikel "Sigma-Delta Modulators for High-Resolution and Wide-Band A/D Converter Applications", Microelectronics Journal 25 (1994, Seiten 253–277), einen Überblick über Breitband-Anwendungen für Einzelbit-, Mehrbit- und kaskadengekoppelte Sigma-Delta-Modulatoren.
Aus der Patentschrift US-A 5 401 953 ist die Verwendung von Sigma-Delta-Modulatoren bei einfacher und exponentieller Funkfrequenzmodulation, das heißt Funkfrequenzmodulation von quadraturgeteilten Signalkomponenten, bekannt. Das europäische Patent EP-B1 426 560 offenbart ebenfalls eine Lösung, bei der Sigma-Delta-Modulatoren verwendet werden, um ein Eingangssignal exponentiell zu modulieren.
In dem Artikel "Complex-Signal Sigma-Delta Modulators for Quadrature Bandpaß A/D Conversion", Microelectronics Journal, Vol. 27, Nr. 6, 1996, Seiten 505–524, gibt V da Fonte Dias einen Überblick über die vorteilhafte Rauschfilterung, die durch Nutzung komplexer Sigma-Delta-Modulatoren erreicht werden kann. Diese Modulatoren ermöglichen Rauschübertragungsfunktionen, die in Bezug auf Gleichspannungen nicht symmetrisch sind. Infolgedessen kann die Entwurfsmethodik bezüglich der Kaskadentopologien niederer und höherer Ordnung für diesen Typ von Modulator sehr einfach gestaltet werden.
Der Artikel "Progress in UWB Generation with Linear Silicon Switches", Optically Activated Switching III, SPIE, Vol. 1873, 1993, Seiten 238–248, von K. Cardwell et al, offenbart Verfahren zur Erzeugung von Radarimpulsen extremer Bandbreite mit Hilfe lichtaktivierter Siliziumschalter (LASS).
Zwei unterschiedliche Verfahren zur Bereitstellung sehr hochfrequenter elektromagnetischer Impulse unter Verwendung eines Impulslasers, optischer Verzögerungsvorrichtungen und eines photoleitenden Schalters werden im Artikel "High Speed, High Resolution Analogue-to-Digital Conversion using a Hybrid Electro-Optic Approach" 1995 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Seiten 704–707, von R. Mason et al und in der US-Patentbeschreibung US-A 5 401 953 offenbart.
Hochgradig zuverlässige, langlebige photoleitende Siliziumschalter sind aus dem Artikel "Long Lifetime Silicon Photoconductive Semiconductor Switches", Optically Activated Switching III, SPIE, Vol. 1873, 1993, Seiten 27–38, von A. Rosen bekannt.
Die Erzeugung von Plasma für Fusionsreaktoren, der Nachweis von Röntgenstrahlung und die Erzeugung von Breitband-Hochleistungsimpulsen in Impuls-Radaranwendungen sind Beispiele für weitere Felder, in denen optisch aktivierte Schalter verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt Anordnungen und Verfahren zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines allgemeinen Informationssignals dar, das analog oder digital, einfach oder in zwei Signalkomponenten quadratwgeteilt sein kann. Die vorgeschlagene Lösung bietet hohe Linearität und auch hohe Effizienz über ein breites Frequenzband.
Lösungen für D/A-Umsetzung und A/D-Umsetzung können durch Sigma-Delta-Modulation über einen großen Dynamikbereich erreicht werden, da die dabei verwendete Mehrfachabtastung und Rauschfilterung sowohl die Anforderungen an die Linearität der enthaltenen analogen Schaltkreise als auch die Anforderungen an die Anpassung zwischen ihnen verringern. Ferner kann das in den Lösungen verwendeten Anti-Aliasing-Filter ziemlich einfach ausgeführt sein, womit die Lösungen für integrierte Schaltkreise gut geeignet sind. Unglücklicherweise gibt es zur Zeit keine Schaltkreise, die schnell genug sind, um ein Funkfrequenzsignal nach diesem Verfahren direkt zu synthetisieren.
Die in US-A 5 401 953 vorgestellte Lösung verwendet einen Tiefpaß-Einzelbit-Sigma-Delta-Modulator in Verbindung mit einem herkömmlichen Leistungsverstärker zur Erzeugung eines Funkfrequenz-Informationssignals.
Die in dem Artikel "High Speed, High Resolution Analogue-to-Digital Conversion using a Hybrid Electro-Optic Approach", 1995 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Seiten 704–707, von R. Mason et al beschriebene Lösung weist ein Verfahren zur Erzeugung sehr hochfrequenter elektromagnetischer Impulse mit Hilfe eines Impulslasers, optischer Verzögerungsvorrichtungen und photoleitender Schalter auf.
Jedoch wurde bisher keine Lösung beschrieben, in der ein sigma-delta-moduliertes Informationssignal mit Hilfe von spannungsgestützten Schaltern, die wiederum durch das impulsgeformte Informationssignal gesteuert werden, impulsgeformt und leistungsverstärkt wurde.
Dementsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hocheffektive, lineare Impulsformung und Leistungsverstärkung eines digitalen Eingangssignals mit Hilfe einer Schalteinheit zu erreichen, die leitende Elemente aufweisen kann, die für ionisierende Strahlung empfindlich oder ansprechbar sind.
Ein digitales Signal, das einfach impulsgeformt sein kann und für Nichtlinearitäten im Leistungsverstärker unempfindlich ist, wird vorteilhafterweise durch Sigma-Delta-Modulation erzeugt. Ein Sigma-Delta-Modulator kann zahlreiche Signalwerte aus beliebigen analogen oder digitalen Informationssignalen erzeugen.
Eine erste gemäß der Erfindung vorgeschlagene Anordnung sigma-delta-moduliert ein eingehendes Informationssignal und erzeugt ein digitales Signal, das eine Anzahl M unterschiedlicher diskreter Signalwerte annehmen kann. Das digitale Signal wird dann in einer Misch- und Verstärkungseinheit in ein spannungsgeschaltetes informationstragendes Signal umgesetzt, aus dem ein erwünschter Teil des Signalspektrums durch Filterung extrahiert wird. Ein spannungsgeschaltetes Signal wird aus dem digitalen Signal durch Steuerung von M Schaltern entsprechend dem Informationsgehalt des digitalen Signals erzeugt. Jeder Schalter ist mit einer schaltereigenen Versorgungsspannung und mit einem Ausgang, der allen Schaltern gemeinsam ist, verbunden. Wenn ein gegebener Schalter geschlossen wird, wird die Versorgungsspannung des Schalters am Ausgang verfügbar. Die Schalter werden so gesteuert, daß jeweils immer nur ein Schalter geschlossen ist. Das spannungsgeschaltete informationstragende Signal besteht aus den Spannungsänderungen am Ausgang, der den Schaltern gemeinsam ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ist durch die im beigefügten Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.
In einer zweiten gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Anordnung werden zwei digitale Signale aus zwei quadraturgeteilten Informations-Signalkomponenten durch getrennte Sigma-Delta-Modulation der jeweiligen Signalkomponenten erzeugt. Die digitalen Signale können M verschiedene diskrete Signalwerte annehmen. Die digitalen Signale werden in zwei Misch- und Verstärkungseinheiten in spannungsgeschaltete informationstragende Signale umgesetzt, woraufhin dann die informationstragenden Signale in einer Abwärts-Summationseinheit, in der ein Summationssignal gebildet wird, addiert werden. Der erwünschte Teil des Spektrums wird schließlich durch Filterung aus dem Summationssignal entnommen. Ein spannungsgeschaltetes Signal wird aus den digitalen Signalen in derselben Weise wie oben beschrieben durch Steuern von M Schaltern entsprechend dem Informationsgehalt der jeweiligen digitalen Signale erzeugt. Diese Anordnung hat die im beigefügten Anspruch 2 aufgeführten charakteristischen Eigenschaften.
Eine dritte gemäß der Erfindung vorgeschlagene Anordnung erzeugt zwei quadraturgeteilte digitale Signale aus einem eingehenden Informationssignal mit Hilfe eines Sigma-Delta-Modulators. Die digitalen Signale können eine Anzahl M unterschiedlicher diskreter Signalwerte annehmen. Spannungsgeschaltete informationstragende Signale, die den digitalen Signalen zugeordnet sind, werden in zwei Misch- und Verstärkungseinheiten erzeugt, wobei diese informationstragenden Signale in einer Abwärts-Summationseinheit summiert werden, um ein Summationssignal zu bilden. Ein erwünschter Teil des Spektrums wird durch Filterung vom Summationssignal getrennt. Spannungsgeschaltete Signale werden aus den digitalen Signalen durch Verwendung von M Schaltern auf dieselbe Weise erzeugt, wie sie in bezog auf die erste vorgeschlagene Anordnung beschrieben wurde. Die Anordnung ist somit durch die im beigefügten Anspruch 3 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines eingehenden Informationssignals. Gemäß dem Verfahren wird das Informationssignal durch Sigma-Delta-Modulation in ein digitales Signal umstrukturiert, das M diskrete Signalwerte aufweist. Die n-Bit-Wörter, die das digitale Signal darstellen und bei denen zum Beispiel n = ²logM ist, werden mit einer gegebenen Symbolfolge multipliziert, die zum Beispiel eine sogenannte Hadamard-Folge sein kann. Ein binäres lokales Oszillatorsignal [0, 1] ist ein einfaches Beispiel einer möglichen Hadamard-Folge. Jedoch kann auch jede andere Symbolfolge, die periodisch wiederholt wird, gleichermaßen verwendet werden. Jene in der Symbolfolge enthaltenen Symbole können auch m-är sein, das heißt, jedes Symbol kann einen von m unterschiedlichen diskreten Werten annehmen.
Das sich aus dem Multiplikationsprozeß ergebende Signal wird decodiert und entsprechend dem betreffenden Wert zum gegebenen Schalter von M möglichen Schaltern geführt oder gelenkt. Jeder Schalter ist mit einer schaltereigenen Versorgungsspannung und außerdem mit einem Ausgang, der allen Schaltern gemeinsam ist, verbunden. Wenn ein gegebener Schalter geschlossen wird, wird seine Versorgungsspannung am Ausgang verfügbar und die Schalter werden so gesteuert, daß immer nur jeweils ein Schalter geschlossen ist. Das spannungsgeschaltete informationstragende Signal besteht aus den Spannungsänderungen am gemeinsamen Ausgang der Schalter. Ein erwünschter Teil des Spektrums wird durch Bandpaßfilterung aus dem informationstragenden Signal extrahiert. Dieses Verfahren ist durch die im beigefügten Anspruch 12 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.
Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines eingehenden Informationssignals umfaßt die Umstrukturierung des informationstragenden Signals durch Sigma-Delta-Modulation zu einem digitalen Signal, wobei das digitale Signal M unterschiedliche diskrete Signalwerte annehmen kann. Das digitale Signal wird decodiert und entsprechend dem betreffenden Wert zu einem gegebenen Impulsgenerator geführt, der einen Impuls von spezifischer Länge bereitstellt. Der Impuls wird in ionisierende Strahlung umgesetzt und in unterschiedliche Komponenten aufgeteilt. Jede Komponente wird durch ein separates Verzögerungselement geschickt, wobei alle Verzögerungselemente unterschiedliche Signalverzögerungen erzeugen. Die Impulse ionisierender Strahlung werden dann somit zu M Impulsreihen kombiniert, daß die Impulsreihen zusammen ein Produktsignal des digitalen Signals und eine gegebene Symbolfolge darstellen. Jede Impulsreihe ionisierender Strahlung bestrahlt ein gegebenes leitendes Element, dessen elektrische Leitfähigkeit von der Menge ionisierender Strahlung abhängt, die auf das Element auftrifft oder fällt. Wenn ionisierender Strahlung auf das Element auftrifft, übergibt jedes leitende Element eine Versorgungsspannung, die für das Element einzigartig ist, an einen Ausgang, der allen leitenden Elementen gemeinsam ist. Die leitenden Elemente werden auf eine solche Art bestrahlt, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur jeweils ein Element leitfähig ist. Dieses Verfahren ist durch die im beigefügten Anspruch 14 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.
Ein drittes erfindungsgemäßes Verfahren zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eingehender Informationssignale betrifft Sigma-Delta-Modulation von zwei quadraturgeteilten Informationssignalkomponenten in zwei M-äre digitale Signale, das heißt, Signale, die jeweils M unterschiedliche diskrete Signalwerte annehmen können. Die digitalen Signale werden getrennt gemischt und verstärkt, obwohl im Aufwärts-Mischprozeß dieselbe Symbolfolge verwendet wird. Jedoch wird das zweite digitale Signal mit einer Symbolfolge gemischt, die im Verhältnis zur für das Aufwärts-Mischen des ersten digitalen Signals verwendeten Symbolfolge um eine Viertelperiode verschoben ist. Ein spannungsgeschaltetes Signal wird mit Hilfe einer Schalteinheit erzeugt, die ionisierende Strahlung und M leitende Elemente auf eine der oben erwähnten Weisen verwendet. Die aufwärts-gemischten und spannungsgeschalteten Signale werden summiert, um ein Summationssignal bereitzustellen, wonach das erwünschte Leistungssignal durch Filtern des Summationssignals gewonnen wird. Dieses Verfahren ist durch die im beigefügten Anspruch 15 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.
In einem vierten erfindungsgemäßen Verfahren zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines eingehenden Informationssignals wird das Informationssignal durch Sigma-Delta-Demodulation in zwei Quadraturkomponenten geteilt, wobei die Komponenten analog dem zuletzt beschriebenen Verfahren gemischt, verstärkt, kombiniert und gefiltert werden. Dieses vierte Verfahren ist durch die im beigefügten Anspruch 16 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.
Die vorgeschlagenen Anordnungen und Verfahren lösen somit sowohl die Probleme, die bei heutigen MCPA-Lösungen auftreten, als auch jene Probleme, mit denen alle bisher bekannten linearen Modulationssysteme in bezug auf Effizienz und Linearität belastet sind, ohne ersteres auf Kosten des letzteren zu erreichen oder umgekehrt. Die Überabtastung und Rauschfilterung, die im Sigma-Delta-Modulationsprozeß angewendet werden, ermöglichen hohe Linearität des Ausgangssignals, während sie gleichzeitig nichtlineare Leistungsverstärker auf der Grundlage der zu verwendenden Schaltungstechnologie ermöglichen.
Impulsformung und Leistungsverstärkung von Informationssignalen mit Hilfe von Sigma-Delta-Modulation und schalterbasierter Verstärkung vermeidet das Kombinieren von Signalen hoher Leistung. Dadurch können Funksignale erzeugt werden, ohne unhandliche Leistungskombinierer verwenden zu müssen. Ferner ist es nicht notwendig, die Phase oder Amplitude eingehender Signalkomponenten anzupassen, womit die Schaltungsausführung für ein eingehendes analoges Informationssignal ziemlich einfach ist. Die Schaltung wird durch die Tatsache weiter vereinfacht, daß ein mikrowellengerechter Aufbau vermieden werden kann, selbst wenn Funksignale im Mikrowellenbereich erzeugt werden.
Impulsformung und Leistungsverstärkung mit Hilfe von Sigma-Delta-Modulatoren gemäß der Erfindung machen die Notwendigkeit des Abgleichs der eingehenden Komponenten überflüssig. Zusätzlich kann die Konstruktion zu sehr hohen Spannungen und Leistungen skaliert werden. Der Verstärker kann große Bandbreiten aufweisen, obwohl er eine hohe Ausgangsleistung hat. Wegen der großen Bandbreite des Verstärkers werden auch ziemlich geringe Anforderungen an Senderfilter gestellt. Die optischen Schalter der Schalteinheit bieten außerdem perfekte Rückwärtsisolierung und minimale Schwankungen.
Lösungen, bei denen quadraturgeteilte Informationssignale getrennt sigma-delta-moduliert, gemischt und verstärkt werden oder wo der Sigma-Delta-Modulator quadraturgeteilte digitale Signale erzeugt, sind sehr einfach zu realisieren. Jedoch ist es notwendig, Phase und Amplitude zwischen den eingehenden Signalkomponenten, das heißt, zwischen dem I-Kanal und dem Q-Kanal, genau anzupassen.
Die Erfindung ermöglicht es auch, einen Kompromiß zwischen Mehrfachabtastungsfaktor und Schaltungskomplexität einzugehen, indem Mehrbit-Sigma-Delta-Modulatoren mit Leistungsverstärkern des Mehrpegeltyps kombiniert werden.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Anordnung ermöglichen es auch, daß eine Vielzahl von CDMA-Kanälen auf ein und dieselbe Trägerwelle überlagert wird oder mehrere Schmalband-Trägerwellen innerhalb eines gegebenen Frequenzbandes gleichzeitig verstärkt werden.
OFDM-Signale mit hohen Spitzenfaktoren PF, das heißt, mit hohen Verhältnissen zwischen maximaler Spitzenleistung P_p und mittlerer effektiver Leistung P, können nach dem vorgeschlagenen Verfahren effektiv verstärkt werden, da das Verfahren eine sehr hohe Dynamik bietet.
Schließlich stellt das vorgeschlagene Verfahren kleine, preisgünstige und einfache Schaltungslösungen für MCPA-Anwendungen bereit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschema eines bekannten Sigma-Delta-Modulators für ein digitales Eingangssignal;
2 ist ein Blockschema eines älteren bekannten Sigma-Delta-Modulators für ein analoges Eingangssignal;
3 stellt ein Beispiel eines Ausgangssignals eines vierstufigen Sigma-Delta-Modulators dar, an den ein Sinussignal angelegt wird;
4 ist ein Blockschema, das eine Anordnung zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines allgemeinen Informationssignals gemäß einer ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens darstellt;
5 ist ein Schaltbild, das eine erste Variante der Misch- und Verstärkungseinheit 420 in 4 darstellt;
6 ist ein Schaltbild, das eine zweite Variante der Misch- und Verstärkungseinheit 420 in 4 darstellt;
7a–7c stellen in Diagrammform ein Beispiel dar, wie die Signalamplitude für die drei wichtigsten Signale in den 5 und 6 mit der Zeit variieren kann;
8 ist ein Schaltbild, das eine dritte Variante der Misch- und Verstärkungseinheit 420 in 4 darstellt;
9a–9c stellen in Diagrammform ein Beispiel dar, wie die Signalamplitude für die drei wichtigsten Signale in 8 mit der Zeit variieren kann;
10 ist ein Schaltbild einer vierten Variante der Misch- und Verstärkungseinheit 420 in 4;
11 ist ein Blockschema, das eine Anordnung zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines allgemeinen Informationssignals gemäß einer zweiten Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens darstellt;
12 ist ein Schaltbild der Misch- und Verstärkungseinheit 11420 in 11;
13a–13d stellen in Diagrammform ein Beispiel dar, wie die Signalamplitude der drei wichtigsten Signale in 12 mit der Zeit variieren kann;
14 ist ein Blockschema, das eine Anordnung zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines allgemeinen Informationssignals darstellt, das gemäß einer dritten Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens in Quadratur-Signalkomponenten aufgeteilt wurde;
15 ist ein Blockschema, das eine Anordnung zum Aufteilen eines allgemeinen Informationssignals in Quadratur-Signalkomponenten darstellt, die gemäß einer vierten Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens impulsgeformt und leistungsverstärkt werden;
16 ist ein Blockschema, das eine Anordnung zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines allgemeinen Informationssignals darstellt, das gemäß einer fünften Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens in Quadratur-Signalkomponenten aufgeteilt wird; und
17 ist ein Blockschema, das eine Anordnung zum Aufteilen eines allgemeinen Informationssignals in Quadratur-Signalkomponenten darstellt, die gemäß einer sechsten Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens impulsgeformt und leistungsverstärkt werden.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf ihre bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und auch mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Blockschema, das darstellt, wie ein eingehendes digitales Signal X_D in einem Sigma-Delta-Modulator normalerweise moduliert wird, um ein digitales Ausgangssignal Y zu bilden. Der Einfachheit halber wird angenommen, daß das digitale Ausgangssignal Y binär ist, das heißt, zwei unterschiedliche Signalwerte annehmen kann, wie zum Beispiel eins 1 und minus eins –1. Jedoch kann das Ausgangssignal Y in der Praxis gewöhnlich mehrere Bits aufweisen und kann deshalb durchaus mehr als zwei unterschiedliche Signalwerte annehmen. Ein Summierer 110 bildet ein Differenzsignal e zwischen dem Eingangssignal X_D und dem Ausgangssignal Y Das Differenzsignal e wird in einem digitalen Filter 120 mit der Übertragungsfunktion H gefiltert, wodurch ein gefiltertes Signal h(e) gewonnen wird. Dieses Signal h(e) wird in einem mit CK getakteten Quantisierer 130 mit einem Referenzpegel verglichen. Wenn das gefilterte Signal h(e) den Referenzpegel überschreitet, übergibt der Quantisierer 130 ein erstes digitales Signal, zum Beispiel eine Eins 1, während der Quantisierer 130, wenn das gefilterte Signal h(e) unter dem Referenzpegel liegt, ein zweites digitales Signal übergibt, zum Beispiel eine Minus-Eins –1. Der Referenzpegel ist in der Regel auf den arithmetischen Mittelwert der zwei nächsten möglichen Signalwerte des Ausgangssignals Y gesetzt. Folglich sind M – 1 Referenzpegel erforderlich, wenn das Ausgangssignal Y ein Alphabet von M möglichen Signalwerten aufweist. Der Referenzpegel wird somit in dem besonderen Fall auf null gesetzt, wenn das Ausgangssignal Y binär ist und die Symbole 1 und –1 umfaßt.
Dementsprechend ist 2 ein Blockschema, das darstellt, wie ein eingehendes analoges Signal X_A in einem Sigma-Delta-Modulator normalerweise moduliert wird und ein digitales Ausgangssignal Y bildet, das in diesem Fall ebenfalls binär ist. Ein Differenzsignal e zwischen dem Eingangssignal X_A und einer analogen Entsprechung Y_A zum digitalen Ausgangssignal Y wird von einem Summierer 210 bestimmt. Das Differenzsignal e wird in einem analogen Filter mit der Übertragungsfunktion H gefiltert, wodurch ein gefiltertes Signal h(e) gebildet wird. Das gefilterte Signal h(e) wird in einem mit CK getakteten Komparator 230 mit dem Spannungspegel null Volt verglichen. Wenn das gefilterte Signal h(e) den Null-Pegel überschreitet, übergibt der Komparator 230 ein erstes digitales Signal, zum Beispiel eine Eins 1, während der Komparator 230, wenn das gefilterte Signal h(e) unter dem Nullpegel liegt, ein zweites Signal übergibt, zum Beispiel eine minus Eins –1. Jedoch wird das Ausgangssignal Y im analogen Fall vorzugsweise mehr als ein einziges Bit umfassen, da damit eine gegebene Auflösung eine niedrigere Abtastrate erfordert. Das Ausgangssignal Y wird in einem mit CK getakteteten D/A-Umsetzer 240 in ein zugeordnetes analoges Signal Y_A umgesetzt und zum Summierer 210 zurückgegeben. Um die Synchronisation zwischen dem D/A-Umsetzer 240 und dem Komparator 230 sicherzustellen, werden diese zwei Einheiten 230, 240 durch dasselbe Taktsignal CK gesteuert.
Die Übertragungsfunktion Y/X = H/(1 + H) des Sigma-Delta-Modulators, wobei X = X_D oder X_A, hat einen Tiefpaßcharakter und infolgedessen wird das erwünschte Spektrum des Ausgangssignals Y durch Tiefpaßfilterung des Ausgangssignals erzielt. Jedoch wird bei der Mehrzahl der Funkanwendungen die Übertragungsfunktion H des digitalen Filters 120 vorzugsweise eine bandpaßartige Funktion sein, da das Quantisierungsrauschen e = X – Y mit der Übertragungsfunktion Y/E = 1/(1 + H) damit effektiv aus dem nützlichen Frequenzspektrum des Ausgangssignals Y verschoben werden kann.
3 zeigt ein Beispiel eines Ausgangssignals eines Sigma-Delta-Modulators mit vier möglichen Ausgangssignalwerten 3u, 1u, –1u und –3u, an den ein analoges Sinussignal X(t) = 2usin(2πt/T) angelegt wird, das eine Amplitude 2u und eine Periodendauer T aufweist. In dem dargestellten Beispiel wurde die Abtastfrequenz des Sigma-Delta-Modulators so gewählt, daß sie 48mal höher ist als die Frequenz des Sinussignals, was bedeutet, daß der Mehrfachabtastungsfaktor gleich 24 ist. Folglich werden 48 Abtastwerte des Ausgangssignals Y(t) verwendet, um eine Periode des Eingangssignals X(t) darzustellen. Statistisch gesehen, nimmt das Ausgangssignal Y(t) meistens den Wert 1u an, wenn das Eingangssignal X(t) über einem ersten Referenzpegel 0, aber unter einem zweiten Referenzpegel 2u liegt, während das Ausgangssignal Y(t), wenn das Eingangssignal X(t) den Referenzpegel 2u überschreitet, oft den Wert 3u annimmt und so weiter. Das fragliche Ausgangssignal Y(t) hängt sowohl vom Eingangssignal X(t) als auch vom Wert des nächsten vorangegangenen Ausgangssignals Y(t – 1) ab. Allgemein betrachtet, wechselt das Ausgangssignal Y(t) deshalb von Abtastwert zu Abtastwert zufällig zwischen zwei benachbarten Signalwerten. Wenn das Eingangssignal X(t) ungefähr gleich null ist, schaltet das Ausgangssignal Y(t) zufällig zwischen den Werten 1u und –1u um. Das Ausgangssignal Y(t) wechselt dementsprechend zufällig zwischen 1u und 3u, wenn das Eingangssignal X(t) annähernd gleich 2u ist, und zwischen –1u und –3u, wenn das Eingangssignal X(t) etwa –2u ist. Jedoch können noch größere Zufallsvariationen auftreten, wie aus 3 ersichtlich ist.
4 ist ein Blockschema, das eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung darstellt. Die Anordnung führt eine Impulsformung und Leistungsverstärkung mit einem eingehenden Informationssignal X_IF durch, indem sie das Informationssignal X_IF zuerst in einem Sigma-Delta-Modulator 410 verarbeitet. Der Sigma-Delta-Modulator 410 kann ein sogenannter Bandpaß-Modulator sein, was heißt, daß seine Teilfilter 120 bzw. 220 eine Bandpaß-Filtercharakteristik haben, oder ein sogenannter Tiefpaß-Modulator, was bedeutet, daß seine Teilfilter 120 bzw. 220 eine Tiefpaß-Filtercharakteristik haben. Der Sigma-Delta-Modulator 410 kann sowohl digital sein, wie mit Bezug auf 1 oben beschrieben, als auch analog, wie in 2 dargestellt, abhängig davon, ob das Informationssignal X_IF digital oder analog ist. Ein M-äres digitales Ausgangssignal Y, das heißt, ein Signal, daß M unterschiedliche diskrete Werte annehmen kann, wird am Ausgang des Sigma-Delta-Modulators 410 übergeben. Das digitale Signal Y stellt eine Version des Informationssignals X_IF dar, das f_s-mal pro Sekunde abgetastet wird. Das digitale Signal Y wird in einer Misch- und Verstärkungseinheit 420 empfangen, die eine Mischeinheit 421, eine Decodiereinheit 422 und eine Schalteinheit 423 umfaßt. Das digitale Signal Y wird in der Mischeinheit 421 mit Hilfe einer gegebenen Symbolfolge B aufwärts-gemischt, um ein Funkfrequenzsignal RF zu bilden. Der Symboltakt f_B der Symbolfolge B ist so gewählt, daß er gleich einem Vielfachen n der Abtastungsfrequenz f_s ist, das heißt, f_B = nf_s. Als Ergebnis dieser Wahl werden Wiederholungen des Spektrums des Funkfrequenzsignals RF über die Nyquistfrequenz bei verfälschender Verzerrung genau über entsprechenden Signalspektren unterhalb der Nyquistfrequenz verfälscht und degenerieren somit nicht das Nutzsignal.
Das Funkfrequenzsignal RF wird mit Hilfe der Decodiereinheit 422 zu einem gegebenem Eingang der Schalteinheit 423 geführt. In der Schalteinheit 423 wird ein spannungsgeschaltetes informationstragendes Signal P erzeugt, das in der Filtereinheit 430 gefiltert wird. Ein erwünschtes Frequenzband wird in der Einheit 430 aus dem spannungsgeschalteten Signal P extrahiert. Die Filtereinheit 430 umfaßt vorzugsweise ein Bandpaßfilter, dessen Mittenfrequenz f₀ am Ausgang der Bandpaßfiltereinheit 423 übergeben wird. Wenn der Wunsch besteht, ein Signalspektrum nahe einem höheren Vielfachen der Symbolrate f_B der Symbolfolge B zu erhalten, zum Beispiel m, wobei m > n, wird stattdessen eine Mittenfrequenz f₀ entsprechend diesem Mehrfachen ausgewählt, das heißt, f₀ = mf_B. Wenn das spannungsgeschaltete Signal P nur niedrige Frequenzen enthält, wie zum Beispiel im Fall von Audioanwendungen, kann es möglich sein, daß die Filtereinheit 430 stattdessen die Form eines Tiefpaßfilters von geeigneter Bandbreite hat.
5 ist ein Schaltbild einer ersten Variante der in 4 gezeigten Misch- und Verstärkungseinheit 420. Ein binäres digitales Eingangssignal Y wird von einer Mischeinheit 421 empfangen, wo das Signal Y in einem Multiplizierer 5100 mit einer Bitfolge B multipliziert wird. Dies kann zum Beispiel durch ein Exklusiv-ODER-Gatter XOR bewirkt werden. Im Multiplikationsprozeß wird ein Funkfrequenzsignal RF gebildet. Die Bitfolge B wird in einem Codefolgengenerator 5110 erzeugt und ist vorteilhafterweise eine Hadamard-Folge, zum Beispiel [1, 0], die in einer Endlosschleife wiederholt wird. Die Bitfolge B kann jedoch aus jeder gewählten Kombination von M-ären Symbolen bestehen, die ohne Unterbrechung wiederholt werden.
Die Mischeinheit 421 weist auch einen getakteten Impulsgenerator 5120 auf, der ein Synchronisationssignal CL für den Codefolgengenerator 5110 und den Sigma-Delta-Modulator 410 erzeugt.
Das Synchronisationssignal CL stellt sicher, daß der Signa-Delta-Modulator 410 und der Codefolgengenerator 5110 synchron arbeiten.
Das Funkfrequenzsignal RF wird in einer Decodiereinheit 422 zu einem ersten Eingang der Schalteinleit 423 geführt, wenn das Funkfrequenzsignal RF einen ersten Wert hat, zum Beispiel 1, und zu einem zweiten Eingang, wenn das Funkfrequenzsignal RF einen zweiten Wert hat, zum Beispiel 0. Im binären Fall kann das Decodieren mit Hilfe eines Inverters 5200 bewirkt werden, der den Kehrwert des Funkfrequenzsignals RF an den zweiten Eingang der Schalteinheit 423 übergibt.
Wenn das Funkfrequenzsignal RF den Signalwert 1 hat, wird in der Schalteinheit 423 eine erste Einheit zum Erzeugen ionisierender Strahlung 5310 aktiviert, wobei der Inverter 5200, wenn das Funkfrequenzsignal RF den Signalwert 0 besitzt, ein Signal übergibt, das eine zweite Einheit zum Erzeugen ionisierender Strahlung 5320 aktiviert. Bei dieser Variante der Misch- und Verstärkungseinheit 420 umfaßt die ionisierende Strahlung elektromagnetische Energie im Bereich der Licht-Wellenlängen, und folglich sind die Einheiten 5310 bzw. 5320 Lasereinheiten oder andere lichtemittierende Einheiten, wie zum Beispiel lichtemittierende Dioden. Jede entsprechende lichtemittierende Einheit 5310 bzw. 5320 erzeugt ein jeweiliges optisches Signal o₁ bzw. o₂, wenn sie aktiviert wird, wobei dieses Signal über ein optisches Übertragungsmedium an jeweilige leitende Elemente 5330 bzw. 5340 übertragen wird. Das in dieser Beziehung hauptsächlich verwendete Übertragungsmedium sind optische Fasern, wenngleich Luft, Prismen oder Glasstäbe ebenfalls geeignete Medien zum Übertragen der jeweiligen optischen Signale o₁, o₂ sind. Die leitenden Elemente 5330, 5340 bestehen aus einem Material, dessen elektrische Leitfähigkeit von der Menge des darauf auftreffenden Lichts abhängt; mit anderen Worten, die leitenden Elemente sind photoleitende Schalter. Diese Schalter können Transistoren, Thyristoren oder Dioden sein. Der aktive Teil der leitfähigen Schalter kann gewöhnlich ein Substrat aus Galliumarsenid GaAs, golddotiertem Silizium Au/Si 10^–6 oder kupferdotiertem Silizium Cu/Si 10^–6 umfassen. Die erwünschte Rekombinationszeit und damit indirekt die Ein- und Ausschaltzeiten der photoleitenden Schalter können durch Variieren des Verunreinigungsanteils der Substrate der Schalter maßgeschneidert werden.
Der erste photoleitende Schalter 5330 ist mit einer positiven Versorgungsspannung +U und einem Ausgang verbunden. Der zweite photoleitende Schalter 5340 ist mit einer negativen Versorgungsspannung –U verbunden, die gewöhnlich denselben absoluten Wert besitzt wie die positive Versorgungsspannung +U und denselben Ausgang wie der erste photoleitende Schalter 5330. Wenn der erste photoleitende Schalter 5330 mit Licht o₁ bestrahlt wird, wird seine Versorgungsspannung +U am Ausgang verfügbar, und wenn der zweite photoleitende Schalter 5340 mit Licht o₂ bestrahlt wird, wird stattdessen die Versorgungsspannung –U des Schalters am Ausgang verfügbar. Die Funkfrequenzstrahlung RF wird decodiert, so daß zu jedem beliebigen Zeitpunkt immer nur einer der photoleitenden Schalter geschlossen wird. Das spannungsgeschaltete informationstragende Signal P kann deshalb als Spannungsänderungen am gemeinsamen Ausgang der photoleitenden Schalter 5330, 5340 angesehen werden.
Die ionisierende Strahlung kann auch elektromagnetische Strahlung von Röntgenstrahlwellenlänge sein oder kann aus freien Elektronen bestehen, die über eine Potentialbarriere beschleunigt werden. Ein gasförmiges Medium, wie zum Beispiel Luft, kann zur Röntgenstrahlübertragung verwendet werden, während ein Vakuum ein geeigneteres Übertragungsmedium für Elektronenstrahlen ist. Leitende Elemente, deren aktive Teile aus einem Material mit einer ziemlich großen Bandlücke bestehen, können im Hinblick auf Elektronenstrahlen und ionisierende Strahlung von Röntgenstrahl-Wellenlänge ausgewählt werden. Diamant und Siliziumkarbid SiC sind Beispiele für ein solches Material. Eine größere Bandlücke der leitenden Elemente führt zu einem niedrigeren Dunkelstrom, was wiederum zu einem niedrigeren Rauschpegel des spannungsgeschalteten informationstragenden Signals P führt. Aber je größer die Bandlücke des leitenden Elements ist, desto mehr Energie wird pro übergebenem Photon benötigt. Natürlich können herkömmliche photoleitende Elemente auch durch Röntgenstrahlung und elektronische Strahlung gesteuert werden. Leitende Elemente, die sogenanntes Photoquenching (Photo-Auslöschung) verwenden, sind ebenfalls auf alle Arten von ionisierender Strahlung anwendbar. Photoquenching bewirkt eine höhere Rekombinationsrate im leitenden Element, was den Schalter befähigt, sich schneller zu öffnen als im Fall des traditionellen photoleitenden Schaltens.
6 ist ein Schaltbild einer zweiten Variante der Misch- und Verstärkungseinheit 420 in 4. Ein binäres digitales Signal Y wird in eine Mischeinheit 421 gebracht und dort mit einer Bitfolge B in einem Multiplizierer 6100 multipliziert. Im Multiplikationsprozeß wird ein Funkfrequenzsignal RF auf die gleiche Weise wie die mit Bezug auf 5 beschriebene erzeugt. Die Bitfolge B wird in einem Codefolgengenerator 6110 erzeugt, der durch ein Synchronisationssignal CL eines getakteten Impulsgenerators 6120 getaktet wird. Das Synchronisationssignal CL wird mit der Absicht, die Koordination zwischen dem Sigma-Delta-Modulator 410 und dem Codefolgengenerator 6110 sicherzustellen, auch an den Sigma-Delta-Modulator 410 übergeben.
Das Funkfrequenzsignal RF wird an einen optischen Signalwähler 6210 in einer Decodiereinheit 422 weitergegeben. Wenn das Funkfrequenzsignal RF einen ersten Signalwert annimmt, zum Beispiel 1, wird ein konstantes optisches Signal 0 von einer Lichterzeugungseinheit 6200, zum Beispiel einer Lasereinheit, in Form eines ersten optischen Signals o₁ an einen ersten photoleitenden Schalter 6310 in der Schalteinheit 423 gesendet, während das optische Signal 0, wenn das Funkfrequenzsignal RF einen zweiten Signalwert annimmt, zum Beispiel 0, in Form eines zweiten optischen Signals o₂ an einen zweiten photoleitenden Schalter 6320 gesendet wird. Da die Rate, mit der der optische Signalwähler 6210 das optische Signal 0 steuern kann, im Prinzip umgekehrt proportional zur Leistung des optischen Signals 0 ist, ist es wünschenswert, daß die Leistung des optischen Signals so gering wie möglich ist. Die optische Leistung, mit der die photoleitenden Schalter 6310, 6320 beleuchtet werden, sollte ziemlich hoch sein. Folglich wird die Schalteinheit 423, wenn sie bei hohen Datengeschwindigkeiten Impulsformung durchführt und schaltet, vorzugsweise auch optische Verstärker aufweisen, die die optischen Signale o₁, o₂ verstärken, bevor die Signale an jeweilige photoleitende Schalter 6310 bzw. 6320 übergeben werden.
7a ist eine diagrammartige Darstellung eines Beispiels, wie die Signalamplitude Y(nT_S) des binären digitalen Eingangssignals Y in den 4–6 mit der Zeit variieren kann. Es wird angenommen, daß das zugrundeliegende Informationssignal 1/T_S-mal pro Sekunde abgetastet wird, was bedeutet, daß das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten T_S Sekunden ist. Auf der horizontalen Achse des Diagramms ist ein Parameter n aufgetragen, der Abtastintervalle statt der Zeit t bezeichnet. Das Diagramm stellt das binäre Signal Y(nT_S) als eine Funktion von nT_S dar. Das Signal Y(nT_S) kann die Werte 1 oder 0 im Falle dieses Beispiels annehmen.
7b stellt die Bitfolge B des Codefolgengenerators 5120 in 5 und 6120 in 6 dar. Diese Bitfolge B besitzt eine viel höhere Bitrate als das digitale Signal Y In diesem Beispiel wurde die Bitrate der Bitfolge B als f_s·10 gewählt, was ungefähr der unteren Grenze eines angemessenen Werts in der Praxis entspricht. In diesem Fall nimmt die Bitfolge B wechselnde Werte 0 und 1 an, die auf der vertikalen Achse des Diagramms aufgetragen sind. Die Zeit t ist auf der horizontalen Achse des Diagramms aufgetragen.
7c stellt das spannungsgeschaltete informationstragende Signal P in 4–6 dar. Das Diagramm zeigt das Signal P(t) als Funktion der Zeit t. Die Amplitude des spannungsgeschalteten Signals P(t) entspricht dem absoluten Wert U der Versorgungsspannungen +U bzw. –U, und seine Phasenlage wird durch den Wert 1/0 des digitalen Signals Y gesteuert. Wenn das digitale Signal Y den Wert 0 hat, ist das spannungsgeschaltete Signal P(t) mit der Bitfolge B identisch, während das spannungsgeschaltete Signal P(t), wenn das digitale Signal Y den Wert 1 besitzt, eine invertierte Kopie der Bitfolge B ist.
8 ist ein Schaltbild einer dritten Variante der Misch- und Verstärkungseinheit 420 in 4, bei der das digitale Eingangssignal Y quaternär ist; mit anderen Worten, vier unterschiedliche diskrete Signalwerte annehmen kann. Das digitale Signal Y wird durch eine Mischeinheit 421 empfangen, in der das Signal mit einer Bitfolge B multipliziert wird und ein informationstragendes Funkfrequenzsignal RF erzeugt. Die Multiplikation wird mit Hilfe eines Multiplizierers 8100 bewirkt, dessen einer Faktor aus einem Zwei-Bit-Wort y₁, y₂ aus dem digitalen Signal Y besteht und dessen anderer Faktor ein Bit aus der Bitfolge B ist. Das Produkt, das heißt das informationstragende Signal RF, wird in Form von zwei binären Bits rf₁, rf₂ dargestellt, die einen von vier Ausgängen e₁–e₄ einer Decodiereinheit 422 aktivieren. Wenn das informationstragende Signal RF einen ersten Wert annimmt, zum Beispiel rf₁rf₂ = 00, wird ein Signal an einem ersten Ausgang e₁ übergeben, und wenn das informationstragende Signal einen zweiten Wert annimmt, zum Beispiel rf₁rf₂ = 01, wird ein Signal an einem zweiten Ausgang e₂ übergeben, und wenn das informationstragende Signal RF einen dritten Wert annimmt, zum Beispiel rf₁rf₂ = 10, wird ein Signal an einem dritten Ausgang e₃ übergeben, und wenn das informationstragende Signal RF einen vierten Wert annimmt, zum Beispiel rf₁rf₂ = 11, wird ein Signal an einem vierten Ausgang e₄ übergeben.
Die Signale an den Ausgängen e₁–e₄ werden in Lichterzeugungseinheiten 8310–8340 in einer Schalteinheit 423 in optische Energie o₁–o₄ umgesetzt. Jedes optische Signal o₁–o₄ bestrahlt einen gegebenen photoleitenden Schalter 8350–8380, dessen Leitfähigkeit von der Menge Licht abhängt, die den Schalter trifft.
Alle photoleitenden Schalter 8350–8380 sind mit einem Ausgang verbunden, der allen Schaltern gemeinsam ist. Der erste Schalter 8350 ist auch mit einer ersten positiven Versorgungsspannung +U verbunden; der zweite Schalter 8360 ist mit einer ersten negativen Versorgungsspannung –U verbunden; der dritte Schalter 8370 ist mit einer zweiten positiven Versorgungsspannung +3U verbunden, die höher als die erste positive Versorgungsspannung +U ist, und der vierte Schalter 8380 ist mit einer zweiten negativen Versorgungsspannung –3U verbunden, die höher als die erste negative Versorgungsspannung –U ist. Wenn die photoleitenden Schalter 8350–8380 von Lichtimpulsen o₁–o₄ getroffen werden, übergeben die zugeordneten Spannungsquellen +U, –U, +3U, –3U Leistung an den gemeinsamen Ausgang im Takt mit den Variationen des Funkfrequenzsignals RF = rf₁rf₂. Das führt zur Übergabe eines spannungsgeschalteten informationstragenden Signals P mit einem Informationsgehalt, der dem Informationsgehalt des digitalen Eingangssignals Y entspricht, am Ausgang der Schalteinheit 423.
Die Mischeinheit 421 umfaßt auch einen Taktimpuls-Generator 8120, der ein Synchronisationssignal CL für einen Codefolgengenerator 8110 und den Sigma-Delta-Modulator 410 erzeugt. Das Synchronisationssignal CL stellt sicher, daß der Sigma-Delta-Modulator 410 und der Codefolgengenerator 8110 synchron arbeiten.
Die optischen Signale o₁–o₄ können natürlich auch aus ionisierender Strahlung der oben erwähnten Art, das heißt Röntgenstrahlung oder Elektronenstrahlen, bestehen. Die photoleitenden Schalter 8350m8380 können in diesen Fällen durch leitende Elemente ersetzt werden, deren Bandlücken größer sind als die der photoleitenden Elemente.
9a ist eine diagrammartige Darstellung eines Beispiels der Signalamplitude Y(nT_S) für das quaternäre digitale Eingangssignal Y in 8 als Funktion des Abtastintervalls n. Es wird angenommen, daß das zugrundeliegende Informationssignal auch in diesem Fall 1/T_S-mal pro Sekunde abgetastet wird. Das Signal Y(nT_S) kann vier verschiedene Signalwerte annehmen: y₁y₂ = 00, 01, 10 oder 11.
9b stellt die Bitfolge B des Codefolgengenerators 8110 in 8 dar. Die Bitrate der Bitfolge B ist viel höher als die Bitrate des digitalen Eingangssignals Y, und ihre Amplitude wechselt zwischen den Werten 1 und 0. Das Diagramm zeigt die Amplitude B(t) auf der vertikalen Achse. Die Zeit t ist auf der horizontalen Achse aufgetragen.
9c stellt in Diagrammform dar, wie das spannungsgeschaltete informationstragende Signal P in 8 mit der Zeit t variiert. Die Amplitude des spannungsgeschalteten Signals P(t) variiert zwischen den absoluten Werten U und 3U der jeweiligen Versorgungsspannungen +U, –U, 3U, –3U, und seine Phasenlage wird durch die Polarität des digitalen Signals Y gesteuert. Wenn das digitale Signal Y positive Polarität hat, das heißt, einen Wert hat, dessen niedrigstwertiges Bit eine Null 00 oder 10 ist, dann fällt die Phasenlage des spannungsgeschalteten Signals P(t) mit der Phasenlage der Bitfolge B(t) zusammen, und wenn das digitale Signal Y(nT_S) eine negative Polarität hat, das heißt, einen Wert, dessen niedrigstwertiges Bit eine Eins 01 oder 11 ist, hat das spannungsgeschaltete Signal P(t) eine zur Bitfolge B(t) entgegengesetzte Phasenlage. Wenn das digitale Signal Y(nT_S) den Wert 00 oder 01 hat, nimmt das spannungsgeschaltete Signal P(t) eine erste Amplitude U an, und wenn das digitale Eingangssignal Y(nT_S) den Wert 10 oder 11 hat, nimmt das spannungsgeschaltete Signal P(t) eine zweite Amplitude 3U an. Das viergliedrige Alphabet 00, 01, 10, 11 des digitalen Signals Y(nT_S) wird somit im spannungsgeschalteten Signal P(t) durch eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Amplitudenpegeln U und 3U und zwei unterschiedlichen Phasenlagen 0° und 180° dargestellt.
10 ist ein Schaltbild einer vierten Variante der Misch- und Verstärkungseinheit 420 in 4, wobei angenommen wird, daß das digitale Eingangssignal Y M-är ist, das heißt, M unterschiedliche diskrete Signalwerte aufweist. Das Signal Y wird in einer Mischeinheit 421 empfangen, in der es mit einer Bitfolge B multipliziert wird und ein informationstragendes Funkfrequenzsignal RF = rf₁, rf₂, ..., rf_n erzeugt. Die Multiplikation wird mit Hilfe eines Multiplizierers 10100 bewirkt, dessen einer Faktor aus einem n-Bit-Wort y₁, y₂, ..., y_n besteht, wobei n = ²logM aus dem digitalen Signal Y, und dessen anderer Faktor ein Bit aus der Bitfolge B ist. Das Produkt, das heißt das informationstragende Signal RF, ist in Form von n binären Bits rf₁, rf₂,..., rf_n dargestellt, die einen von M Ausgängen e₁–e_M einer Decodiereinheit 422 aktivieren. Wenn das informationstragende Signal RF einen ersten Wert annimmt, zum Beispiel rf₁ ... rf₂ = 0 ... 0, wird ein Signal an einen ersten Ausgang e₁ übergeben, und wenn das informationstragende Signal RF einen n-ten Wert, zum Beispiel rf₁ ... rf₂ = 1 ... 1, annimmt, wird ein Signal an einen M-ten Ausgang e_M übergeben,. Alle anderen M – 2 Ausgänge der Decodiereinheit 422 können durch M – 2 Zwischenkombinationen der n Bits im informationstragenden Signal RF aktiviert werden.
Die Signale an den Ausgängen e₁–e_M werden in Lichterzeugungseinheiten 10310–10315 in einer Schalteinheit 423 in optische Energie umgesetzt. Jedes optische Signal bestrahlt einen gegebenen photoleitenden Schalter 10320–10325, dessen Leitfähigkeit von der Lichtmenge, die auf den Schalter fällt, und den physischen Abmessungen des Schalters abhängt. Alle photoleitenden Schalter 10320–10325 sind mit einem Ausgang verbunden, der allen Schaltern gemeinsam ist. Ferner ist jeder Schalter mit einer schaltereigenen Versorgungsspannung verbunden. Somit ist der erste Schalter 10320 mit einer ersten positiven Versorgungsspannung +U verbunden, der zweite Schalter 8360 ist mit einer ersten negativen Versorgungsspannung –U verbunden, und so weiter bis zum M – 1ten Schalter 10324, der mit einer M/2ten positiven Versorgungsspannung +(M – 1)U verbunden ist und dem M-ten Schalter 10325, der mit einer M/2ten negativen Versorgungsspannung –(M – 1)U verbunden ist. Wenn Lichtimpulse auf die photoleitenden Schalter 10320–10325 auftreffen, übergeben die Spannungsquellen +U, –U, +3U, ..., +(M – 1)U, –(M – 1)U im Takt mit den Variationen des Funkfrequenzsignals RF = rf₁rf₂... rf_n Leistung an den gemeinsamen Ausgang. Das führt zur Bereitstellung eines spannungsgeschalteten informationstragenden Signals P am Ausgang der Schalteinheit 423, dessen Informationsgehalt dem Informationsgehalt des digitalen Eingangssignals Y entspricht.
Das Alphabet von M unterschiedlichen Signalwerten des digitalen Eingangssignals Y wird somit im spannungsgeschalteten Signal P(t) durch eine Kombination von M/2 unterschiedlichen Amplitudenpegeln U, 3U, 5U, ..., (M – 1)U und zwei unterschiedlichen Phasenlagen 0° und 180° dargestellt. Die Amplitudenpegel können sich zum Beispiel als die Zahlen in der Zahlenreihe (2i – 1)U aufeinander beziehen; wobei i = 1, 2, ..., M/2. Andere Verteilungen der Amplitudenpegel sind jedoch auch möglich, wobei zum Beispiel die Kenntnis des statistischen Verhaltens des Eingangssignals genutzt wird.
Die Mischeinheit 421 der dargestellten Ausführungsform umfaßt auch einen Taktimpulsgenerator 10120, der ein Synchronisationssignal CL für einen Codefolgengenerator 10110 und den Sigma-Delta-Modulator 410 erzeugt. Das Synchronisationssignal CL stellt sicher, daß der Sigma-Delta-Modulator 410 und der Codefolgengenerator 10110 synchron arbeiten.
Die optischen Signale können natürlich durch ionisierende Strahlung der oben beschriebenen Arten ersetzt werden, das heißt, Röntgenstrahlen und Elektronenstrahlen. In diesen Fällen können die photoleitenden Schalter 10320–10325 durch leitende Elemente ersetzt werden, deren Bandlücken größer sind als die Bandlücken der photoleitenden Elemente.
11 ist ein Blockschema, das eine Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Anordnung unterzieht ein eingehendes Informationssignal X_IF einer Funkfrequenzmodulation und einer Leistungsverstärkung, indem sie das Informationssignal X_IF zuerst in einem Sigma-Delta-Modulator 11410 verarbeitet. Der Sigma-Delta-Modulator 11410 kann ein sogenannter Bandpaß-Modulator oder Tiefpaß-Modulator sein. Der Sigma-Delta-Modulator 11410 kann entweder digital sein, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, oder analog, wie in 2 dargestellt, abhängig davon, ob das Informationssignal X_IF digital oder analog ist. Ein M-äres digitales Ausgangssignal Y wird an einen Ausgang des Sigma-Delta-Modulators übergeben. Das digitale Signal Y stellt eine Version des Informationssignals X_IF dar, das f_s-mal pro Sekunde abgetastet wird. Eine Misch- und Verstärkungseinheit 11420, die eine Decodiereinheit 11422, eine Mischeinheit 11421 und eine Schalteinheit 11423 aufweist, empfängt das digitale Signal Y Die Decodiereinheit 11422 führt das digitale Signal Y zu einer der M Mischvorrichtungen in der Mischeinheit 11421, abhängig vom fraglichen Wert des digitalen Signals Y Das digitale Signal Y wird in der Mischeinheit 11421 durch Signalaufteilung, Verzögerung und Kombination zu einem informationstragenden Funkfrequenzsignal RF aufwärts-gemischt. Die Verzögerung und Kombination übergibt ein Ergebnis entsprechend dem Ergebnis, das in der ersten Ausführungsform der Erfindung erreicht wurde, als das digitale Signal Y mit einer gegebenen Bitfolge B multipliziert wurde.
Das Funkfrequenzsignal RF wird mit Hilfe einer Schalteinheit 11423 zu einem spannungsgeschalteten informationstragenden Signal P verstärkt, das in einer Filtereinheit 11430 gefiltert wird. Ein bandbegrenztes Leistungssignal P_BP wird in der Einheit 11430 aus dem införmationstragenden Signal P extrahiert.
12 stellt ein Beispiel eines Schaltungsaufbaus für die Misch- und Verstärkungseinheit 11420 in 11 im Fall eines binären digitalen Signals Y, das heißt, eines Signals, das zwei unterschiedliche diskrete Signalwerte annehmen kann, dar. Eine Decodiereinheit 11422 führt das digitale Signal Y zu einem ersten Impulsemitter 12110 in einer Mischeinheit 11421, wenn das digitale Signal Y einen ersten Wert hat, zum Beispiel 1, und zu einem zweiten Impulsemitter 12120, wenn das digitale Signal Y einen zweiten Wert hat, zum Beispiel 0. In diesem binären Fall kann das Decodieren mit Hilfe eines Inverters 12200 bewirkt werden, der den Kehrwert des digitalen Signals Y an den zweiten Impulsemitter 12120 der Mischeinheit 11421 übergibt.
Wenn die Impulsemitter 12100, 12120 in der Mischeinheit 11421 das Eingangssignal 1 empfangen, erzeugen sie einen positiven Impuls gegebener Länge. Die Impulsemitter sind dann solange inaktiv, bis sie wieder das Eingangssignal 1 empfangen. Damit ein Impuls emittiert werden kann, muß die Zeit zwischen zwei eingehenden 1en die Symboldauer T_S des digitalen Signals Y überschreiten. Jeder Impulsemitter 12110, 12120 übergibt ein Ausgangssignal an eine separate Lichterzeugungseinheit 12130 bzw. 12140, die den Impuls in einen optischen Impuls o₁, o₂ von gleicher Länge umsetzt. Die optischen Impulse o₁, o₂ werden in Verteilern 12150, 12160 in eine Vielzahl von Komponenten aufgeteilt, und die Komponenten werden mittels optischer Übertragungsmedien, wie zum Beispiel optische Fasern 12170–12177, zu Kombinationseinheiten 12180, 12190 übertragen, wo die Komponenten zu einem kombinierten optischen Signal c₁ bzw. c₂ wiederhergestellt werden. In einer gegebenen Anordnung der optischen Fasern 12170, 12173 haben alle Fasern voneinander verschiedene Längen und verzögern somit einen optischen Impuls in unterschiedlichem Ausmaß. Wenn ein optischer Impuls gleichzeitig in eine Bereich optischer Fasern 12170–12173 übertragen wird, tritt der Impuls aus einer ersten Faser 12170 zu einem ersten Zeitpunkt aus, aus einer zweiten Faser 12171 zu einem zweiten Zeitpunkt und zu einer etwas späteren Zeit, aus einer dritten Faser 12172 zu einem dritten, noch späteren Zeitpunkt und aus einer vierten Faser 12173 zu einem vierten und noch späteren Zeitpunkt.
13a stellt ein Beispiel eines binären digitalen Eingangssignals Y(nT_S) zur Decodiereinheit 11422 in 12 dar. Wenn ein erstes binäres Symbol 1, das in diesem Beispiel durch ein positives Signal dargestellt wird und eine spezifische Symboldauer T_S hat, empfangen wird, erzeugt der erste Impulsemitter 12110 einen Impuls. In 13b ist ein erster optischer Impuls o₁ von spezifischer Länge t_o dargestellt, der in der ersten Lasereinheit 12130 aus dem Impuls erzeugt wurde, der aus dem Impulsemitter 12110 stammt. Der optische Impuls o₁ wird im ersten Verteiler 12150 in vier identische Impulse aufgeteilt, die über vier optische Fasern 12170–12173 mit voneinander verschiedenen Längen übertragen werden. Eine erste Komponente des Impulses kommt in einer ersten Kombinationseinheit 12180 aus der ersten Faser 12170 zu einem ersten Zeitpunkt an. Diese Komponente bildet einen ersten Teil eines dritten kombinierten optischen Signals c₁, das einen ersten photoleitenden Schalter 12310 in einer Schalteinleit 11423 bestrahlt. Wenn der Lichtimpuls den Schalter 12310 trifft, wird der Schalter geschlossen und eine dritte Versorgungsspannung +U wird am Ausgang der Schalteinheit verfügbar. Diese Spannung +U bildet einen ersten Teil des in 13d gezeigten spannungsgeschalteten informationstragenden Signals P(t).
Wenn die erste Komponente des optischen Impulses o₁ bearbeitet ist, kommt eine zweite Komponente des optischen Impulses an der zweiten Kombinationseinheit 12190 über die zweite optische Faser 12171 an. Diese zweite Komponente bildet einen ersten Teil eines zweiten kombinierten optischen Signals c₂, das einen zweiten photoleitenden Schalter 12320 in der Schalteinheit 11423 bestrahlt. Wenn der Schalter 12320 von dem Lichtimpuls getroffen wird, wird der Schalter 12320 geschlossen, und eine zweite Versorgungsspannung –U wird am Ausgang der Schalteinheit 11423 verfügbar. Diese Spannung –U bildet einen zweiten Teil des spannungsgeschalteten informationstragenden Signals P(t).
Der Rest des spannungsgeschalteten informationstragenden Signals P(t) wird mit Hilfe der dritten 12172 und der vierten 12173 optischen Faser während des verbleibenden Zeitabschnitts der Symboldauer T_S für das zweite binäre Symbol 0 im digitalen Signal Y(nT_S) in entsprechender Weise aufgebaut.
Der zweite Impulsemitter 12120 erzeugt einen Impuls, sobald ein zweites binäres Symbol 0, das in diesem Beispiel durch den Nullpegel dargestellt wird und dieselbe Symboldauer T_S wie das erste Symbol 1 hat, empfangen wird. Dieser Impuls wird in einer zweiten Lasereinheit 12140 in einen zweiten optischen Impuls o₂ umgesetzt, dessen Länge t_o mit der Länge des ersten optischen Impulses o₁ identisch ist und der in 13c dargestellt ist. Der optische Impuls o₂ wird in der zweiten Verteilereinrichtung 12160 in vier identische Impulse aufgeteilt, wobei diese identischen Impulse über vier optische Fasern 12174–12177 mit voneinander verschiedenen Längen übertragen werden. Eine erste Impulskomponente kommt über die erste Faser 12174 an der zweiten Kombinationseinheit 12190 zu einem ersten Zeitpunkt an.
Diese erste Komponente bildet einen Teil des zweiten kombinierten optischen Signals c₂, das den zweiten photoleitenden Schalter 12320 bestrahlt. Wenn der Schalter 12320 vom Lichtimpuls getroffen wird, wird der Schalter 12310 geschlossen, und die zweite Versorgungsspannung –U wird am Ausgang der Schalteinheit 11423 verfügbar. Am Ende der ersten Komponente des optischen Impulses o₂ kommt eine zweite Komponente des optischen Impulses über die zweite optische Faser 12175 an der ersten Kombinationseinheit 12180 an. Diese zweite Komponente bildet einen Teil des ersten kombinierten optischen Signals c₁, das den ersten photoleitenden Schalter 12310 beleuchtet. Wenn der Schalter 12310 vom Lichtimpuls getroffen wird, wird der Schalter 12310 geschlossen, und die erste Versorgungsspannung +U wird am Ausgang der ersten Schalteinheit 11423 verfügbar. Der Rest des spannungsgeschalteten informationstragenden Signals P(t) wird in entsprechender Weise mit Hilfe der dritten 12176 und der vierten 12177 optischen Faser während des verbleibenden Teils der Symboldauer T_S für das zweite binäre Symbol 0 aufgebaut.
Somit wird das zweite binäre Symbol 0 im Alphabet des digitalen Signals Y in dem spannungsgeschalteten informationstragenden Signal P(t) als eine phaseninvertierte Kopie der Darstellung des ersten binären Symbols 1 im Alphabet des digitalen Signals Y dargestellt.
Als ein zu optischen Fasern alternatives Verzögerungselement können die optischen Signale o₁, o₂ veranlaßt werden, ein beliebiges anderes geeignete Übertragungsmedium auf Wegen mit unterschiedlichen Längen, zum Beispiel ein oder mehrere Prismen, zu durchlaufen.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der Lichterzeugungseinheiten, Verteiler, Kombiniereinheiten und voneinander unabhängigen Schaltern identisch mit der Anzahl möglicher Signalwerte des digitalen Signals Y Somit ist, wenn das digitale Signalalphabet M unterschiedliche Symbole umfaßt, eine Anzahl M von Lichterzeugungseinheiten, eine Anzahl M von Verteilern, eine Anzahl M von Kombiniereinheiten und eine Anzahl M voneinander unabhängiger Schalter erforderlich. Mehr als M Schalter, zum Beispiel 2M Schalter, können verwendet werden, wenn die geschaltete Spannung so hoch ist und/oder die Schaltrate so hoch ist, daß sie abwechselnde Verwendung der Schalter erfordern, um Zeit zu haben, die Schalter ausreichend abzukühlen. In dieser Variante der Erfindung wird ein Paar von Schaltern parallel gesteuert, obwohl nur einer der Schalter spannungsverbindend ist. Die Anzahl unabhängiger Schalter ist somit immer noch M.
Die Anzahl von Lichterzeugungseinheit kann auf eine reduziert werden, indem ein optischer Signalwähler verwendet wird. Diese Lichterzeugungseinheit wird dann entsprechend dem Wert des digitalen Signals Y in einer Weise, die der mit Bezug auf 6 beschriebenen Weise entspricht, zu M unterschiedlichen Verteilern geführt.
Die optischen Signale können natürlich auch durch ionisierende Strahlung der Art ersetzt werden, die in dieser Anmeldung der Erfindung auch schon beschrieben worden ist. Die ionisierende Strahlung kann zum Beispiel aus Röntgenstrahlen oder Elektronenstrahlen bestehen. Die photoleitenden Schalter 12310, 12320 können dann durch leitende Elementen ersetzt werden, die hauptsächlich auf elektromagnetische Energie im Röntgenstrahlen-Wellenlängenbereich bzw. auf freie Elektronen reagieren, die Lichterzeugungseinheiten können durch Röntgenröhren bzw. Elektronenkanonen ersetzt werden, und die Verzögerungselemente können durch Elemente ersetzt werden, die ein Übertragungsmedium aufweisen, das an die jeweiligen Arten von Strahlung angepaßt ist.
14 ist ein Blockschema, das eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Impulsformungs- und Leistungsverstärkungsanordnung darstellt. Ein erstes Signal X_I, das eine erste quadraturgeteilte Informationssignalkomponente, zum Beispiel in einem I-Kanal, eines zugrundeliegenden Informationssignals darstellt, wird von einem ersten Sigma-Delta-Modulator 14010 empfangen, und ein zweites Signal X_Q, das eine zweite quadraturgeteilte Informationssignalkomponente, zum Beispiel ein Q-Kanal, desselben zugrundeliegenden Informationssignals darstellt, wird durch einen zweiten Sigma-Delta-Modulator 14020 empfangen. Der erste Sigma-Delta-Modulator 14010 moduliert das erste eingehende Signals X_I, wodurch ein erstes digitales Signals Y_I gewonnen wird, und der zweite Sigma-Delta-Modulator 14020 moduliert das zweite eingehende Signal X_Q, wodurch ein zweites digitales Signal Y_Q gewonnen wird. Die digitalen Signale Y_I, Y_Q werden verschachtelt übergeben; mit anderen Worten, das zweite Y_Q digitale Signal wird auf null gesetzt, wenn das erste digitale Signal Y_I einen Signalwert hat, und umgekehrt. Die jeweiligen Sigma-Delta-Modulatoren 14010 bzw. 14020 können digital sein, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, oder analog, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, abhängig davon, ob die Eingangssignale X_I, X_Q digital oder analog sind. Die Sigma-Delta-Modulatoren 14010 und 14020 können vom Tiefpaß-Typ oder Bandpaß-Typ sein, abhängig davon, welcher für die fragliche Anwendung am besten geeignet ist.
Die digitalen Signale Y_I, Y_Q werden in jeweiligen Misch- und Verstärkungseinheiten 14030 und 14040 gemäß der ersten oder zweiten mit Bezug auf 4 bzw. 11 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verarbeitet. Jedoch verwendet die zweite Misch- und Verstärkungseinheit 14040 nicht ihre eigene Symbolfolge zum Aufwärts-Mischen des digitalen Signals Y, sondern verwendet stattdessen eine von der ersten Misch- und Verstärkungseinheit 14030 erhaltene und in einer Phasenverschiebungseinheit 14050 um 90° zu B_π/2 phasenverschobene Symbolfolge B. Außerdem wird ein Synchronisationssignal CK von der ersten Misch- und Verstärkungseinheit 14030 an die zweite Misch- und Verstärkungseinheit 14040 und an den Sigma-Delta-Modulator 14010, 14020 übertragen, um sicherzustellen, daß das System synchron arbeitet.
Die erste Misch- und Verstärkungseinheit 14030 übergibt ein erstes spannungsgeschaltetes Signal P_I, und die zweite Misch- und Verstärkungseinheit 14040 übergibt ein zweites spannungsgeschaltetes Signal P_Q an eine Summationseinheit 14060, in der die spannungsgeschalteten Signale P_I und P_Q addiert werden und ein Summationssignals P_IQ bilden.
Das Summationssignal P_IQ wird in einer Filtereinheit 14070 gefiltert, wodurch ein gewünschtes Signalspektrum extrahiert wird und ein bandbegrenztes Signal P_IQ-BP erzeugt wird. Die Mittenfrequenz f₀ des Bandpaßfilters 14070 ist vorzugsweise gleich der halben Symbolrate f_B/2 der Symbolfolge B, so daß ein Signalspektrum um diese Mittenfrequenz f₀ an den Ausgang der Bandpaßfiltereinheit 14070 übergeben wird. Wenn es erwünscht ist, ein Signalspektrum um ein höheres Vielfaches, zum Beispiel m, wobei m > n, der Symbolrate f_B der Symbolfolge B zu erhalten, wird stattdessen eine Mittenfrequenz f₀ entsprechend diesem Mehrfachen gewählt, das heißt, f₀ = mf_B.
15 ist ein Blockschema, das eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Impulsformung und Leistungsverstärkung eines eingehenden Informationssignals X darstellt. Ein Sigma-Delta-Modulator 15010 moduliert das Informationssignal X, um eines erste Y_I und eine zweite Y_Q quadraturgeteilte digitale Signalkomponente bereitzustellen. Die digitalen Signale Y_I, Y_Q werden verschachtelt übergeben, das heißt, die zweite Signalkomponente Y_Q wird auf null gesetzt, wenn das erste Signal Y_I einen Signalwert aufweist, und umgekehrt. Der Sigma-Delta-Modulator 15010 kann digital oder analog sein, abhängig davon, ob das Informationssignal X digital oder analog ist, und der Sigma-Delta-Modulator 15010 kann ein Tiefpaßtyp oder Bandpaßtyp sein.
Die digitalen Signale Y_I, Y_Q werden in den Misch- und Verstärkungseinheiten 15020 bzw. 15030 entsprechend der ersten oder der zweiten jeweils mit Bezug auf 4 bzw. 11 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verarbeitet. Jedoch verwendet die zweite Misch- und Verstärkungseinheit 15030 nicht ihre eigene Symbolfolge, sondern verwendet stattdessen eine von der ersten Misch- und Verstärkungseinheit 15020 erhaltene und in einer Phasenverschiebungseinheit 15040 um 90° zu B_π/2 phasenverschobene Symbolfolge B. Das Synchronisationssignal CK wird außerdem von der ersten Misch- und Verstärkungseinheit 15020 an die zweite Misch- und Verstärkungseinheit 15030 und an den Sigma-Delta-Modulator 15010 übertragen, um sicherzustellen, daß das System synchron arbeitet.
Die erste Misch- und Verstärkungseinheit 15020 übergibt ein erstes spannungsgeschaltetes Signal P_I und die zweite Misch- und Verstärkungseinheit 15030 übergibt ein zweites spannungsgeschaltetes Signal an eine Summationseinheit 15050, in der die spannungsgeschalteten Signale P_Q hinzuaddiert werden, um ein Summationssignal 15050 zu bilden. Das Summationssignal P_IQ wird dann in einer Filtereinheit 15060 gefiltert, wodurch ein erwünschtes Signalspektrum extrahiert wird und ein bandbegrenztes Signal P_IQ-BP in der gleichen Weise wie der mit Bezug auf 14 oben beschriebenen erzeugt wird.
Es kann erwähnt werden, daß die Schalteinheiten in den Misch- und Verstärkungseinheiten 15020, 15030 nicht dupliziert werden müssen, da die digitalen Signale Y_I, Y_Q verschachtelt und deshalb zu abwechselnden Zeitpunkten definiert sind. Die Schalteinheiten 15020 und 15030 arbeiten somit abwechselnd. Folglich kann ein und dieselbe Schalteinheit verwendet werden, um abwechselnd Spannungsimpulse zu erzeugen, die das erste P_I bzw. das zweite P_Q spannungsgeschaltete Signal darstellen. Natürlich gilt das gleiche für die oben mit Bezug auf 14 beschriebene Lösung.
16 ist eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen impulsformenden und leistungsverstärkenden Anordnung. Diese Lösung setzt voraus, daß zwei eingehende Signale X_I, X_Q verschachtelt sind. Es wird angenommen, daß das erste Signal X_I eine erste quadraturgeteilte informationstragende Signalkomponente, zum Beispiel einen I-Kanal, eines zugrundeliegenden Informationssignals darstellt, und es wird angenommen, daß das zweite Signal X_Q eine zweite quadraturgeteilte informationstragende Signalkomponente, zum Beispiel einen Q-Kanal, desselben zugrundeliegenden Informationssignals darstellt. Das erste Signal X_I wird von einem ersten Sigma-Delta-Modulator 16010 empfangen und das zweite Signal X_Q wird von einem zweiten Sigma-Delta-Modulator 16020 empfangen.
Der erste Sigma-Delta-Modulator 16010 erzeugt ein erstes digitales Signal Y_I und der zweite Sigma-Delta-Modulator 16020 erzeugt ein zweites digitales Signal Y_Q. Die digitalen Signale Y_I, Y_Q werden außerdem gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung verschachtelt an eine Misch- und Verstärkungseinheit 16030 übergeben. Ein Synchronisationssignal CL wird von der Misch- und Verstärkungseinheit 16030 an die Sigma-Delta-Modulatoren 16010, 16020 übermittelt, um sicherzustellen, daß diese Modulatoren synchron mit der Misch- und Verstärkungseinheit 16030 arbeiten.
Die Misch- und Verstärkungseinheit 16030 übergibt zwei verschachtelte spannungsgeschaltete Signale P_I, P_Q, die in einer Filtereinheit 16040 gefiltert werden. Die Filterung der Signale führt zu einem bandbegrenzten Signal P_iq-bp, das ein gegebenes Signalspektrum aufweist.
17 ist ein Blockschema, das eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Impulsformungs- und Leistungsverstärkungsanordnung darstellt. Ein eingehendes Signal X wird in einem Sigma-Delta-Modulator 17010 moduliert, um eine erste Y_I und eine zweite Y_Q quadraturgeteilte digitale Signalkomponente zu bilden. Die digitalen Signale Y_I, Y_Q werden gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung verschachtelt an eine Misch- und Verstärkungseinheit 17020 übergeben. Ein Synchronisationssignal CL wird von der Misch- und Verstärkungseinheit 17020 an den Sigma-Delta-Modulator 17010 gesendet, um sicherzustellen, daß das gesamte System synchron arbeitet.
Die Misch- und Verstärkungseinheit 17020 übergibt zwei verschachtelte spannungsgeschaltete Signale P_I, P_Q, die in einer Filtereinheit 17030 gefiltert werden. Die Filterung dieser Signale führt zu einem bandbegrenzten Signal P_IQ-BP, das ein gegebenes Signalspektrum aufweist.

Claims

Anordnung zum Impulsformen und Leistungsverstärken eines Informationssignals (X_IF) mit: einem Sigma-Delta-Modulator (410, 11410) zum Erzeugen eines digitalen Signals (Y) aus dem Informationssignal (X_IF); einer Misch- und Verstärkungseinheit (420, 11420) zum Bilden eines spannungsgeschalteten informationstragenden Signals (P) aus dem digitalen Signal (Y); und einer Filtereinheit (430, 11430) zum Erzeugen eines bandbegrenzten Signals (P_BP) aus dem spannungsgeschalteten Signal (P), dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Signal (Y) M-är ist, d. h. M-diskrete Signalwerte aufweist; und daß die Misch- und Verstärkungseinheit (420, 11420) eine Schalteinheit (423) aufweist, die mindestens M voneinander unabhängige Schalter (5330, 5340 bzw. 12310, 12320) aufweist, die verwendet werden, um das informationstragende Signal (P) zu erzeugen.
Anordnung zum Impulsformen und Leistungsverstärken zweier zueinander um 90° phasenverschobener Informationssignalkomponenten (X_I bzw. X_Q) mit: einem ersten Sigma-Delta-Modulator (14010) zum Erzeugen eines ersten digitalen Signals (Y_I) aus der ersten Informationssignalkomponente (X_I); einem zweiten Sigma-Delta-Modulator (14020) zum Erzeugen eines zweiten digitalen Signals (Y_Q) aus der zweiten Informationssignalkomponente (X_Q); einer ersten Misch- und Verstärkungseinheit (14030) zum Bilden eines ersten spannungsgeschalteten informationstragenden Signals (P_I) aus dem ersten digitalen Signal (Y_I); einer zweiten Misch- und Verstärkungseinheit (14040) zum Bilden eines zweiten spannungsgeschalteten informationstragenden Signals (P_Q) aus dem zweiten digitalen Signal (Y_Q); einer Phasenverschiebungseinheit (14050), um für die zweite Misch- und Verstärkungseinheit (14040) aus einer in der ersten Misch- und Verstärkungseinheit (14030) erzeugten ersten Symbolsequenz (B) eine zweite Bitsequenz (B_π/2) zu erzeugen, die in bezug auf die erste Symbolsequenz (B) phasenverschoben ist; einer Summationseinheit (14060) zum Bilden eines Summationssignals (P_IQ) aus dem ersten (P_I) und dem zweiten (P_Q) spannungsgeschalteten Signal; und einer Filtereinheit (14070) zum Erzeugen eines bandbegrenzten Signals (P_IQ) aus dem Summationssignal (P_IQ-BP), dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen digitalen Signale (Y_I und Y_Q) M-är sind, d. h. M-diskrete Signalwerte aufweisen; und daß die jeweiligen Misch- und Verstärkungseinheiten (14030 und 14040) jeweils eine Schalteinheit (423, 11423) aufweisen, die mindestens M Schalter aufweist, die verwendet werden, um die jeweiligen spannungsgeschalteten Signale (P_I bzw. P_Q) zu erzeugen.
Eine Anordnung zum Impulsformen und Leistungsverstärken eines Informationssignals (X) weist auf: einen Sigma-Delta-Modulator (15010) zum Erzeugen einer ersten (Y_I) und einer zweiten (Y_Q) zueinander um 90° phasenverschobenen Informationssignalkomponente aus dem Informationssignal (X); eine erste Misch- und Verstärkungseinheit (15020), um ein erstes spannungsgeschaltetes informationstragendes Signal (P_I) aus der ersten digitalen Signalkomponente (Y_I) zu bilden; eine zweite Misch- und Verstärkungseinheit (15030) zum Bilden eines zweiten spannungsgeschalteten informationstragenden Signals (P_Q) aus der zweiten digitalen Signalkomponente (Y_Q); eine Phasenverschiebungseinheit (15040), um der zweiten Misch- und Verstärkungseinheit (15030) eine zweite Bitsequenz (B_π/2) zu übergeben, die aus einer in der ersten Misch- und Verstärkungseinheit (15020) erzeugten ersten Symbolsequenz (B) entnommen wurde, wobei die zweite Symbolsequenz in bezug auf die erste Symbolsequenz (B) phasenverschoben ist; eine Summationseinheit (15050) zum Bilden eines Summationssignals (P_IQ) aus dem ersten (P_I) und dem zweiten (P_Q) spannungsgeschalteten Signal; und eine Filtereinheit (15060) zum Erzeugen eines bandbegrenzten Signals (P_IQ) aus dem Summationssignal (P_IQ-BP), dadurch gekennzeichnet, daß jeweilige digitale Signalkomponenten (Y_I und Y_Q) M-är sind, d. h. M-diskrete Signalwerte aufweisen; und daß jeweilige Misch- und Verstärkungseinheiten (15020 und 15030) jeweils eine Schalteinheit (423, 11423) aufweisen, die mindestens M Schalter aufweist, die zum Erzeugen der jeweiligen spannungsgeschalteten Signale (P_I und P_Q) verwendet werden.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die M Schalter (5530, 5340) leitende Bauelemente (5330, 5340) sind, deren elektrische Leitfähigkeit abhängig von der Menge ionisierender Strahlung ist, die auf die Bauelemente fällt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Bauelemente (5530, 5340) photoleitende Bauelemente sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die photoleitenden Bauelemente (5530, 5340) Transistoren, Thyristoren oder Dioden sind, deren Leitfähigkeit mit Hilfe von ionisierender Strahlung beeinflußt werden kann.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die photoleitenden Bauelemente (5530, 5340) aus Galliumarsenid hergestellt sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die photoleitenden Bauelemente (5530, 5340) aus golddotiertem Silizium hergestellt sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die photoleitenden Bauelemente (5530, 5340) aus kupferdotiertem Silizium hergestellt sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die photoleitenden Bauelemente (5530, 5340) vor allem auf Röntgenstrahlen empfindlich reagieren, d. h. die elektrische Leitfähigkeit der Bauelemente abhängig von der Menge einfallender elektromagnetischer Energie von Röntgen-Wellenlänge ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Bauelemente (5530, 5340) mittels jedes auf die leitenden Bauelemente (5530, 5340) fallenden freien Elektrons beeinflußt werden kann, das eine Vielzahl freier Ladungsträger in den leitenden Bauelementen (5530, 5340) erzeugt, d. h. die leitenden Bauelemente (5530, 5340) können mit Hilfe von Elektronenstrahlen gesteuert werden.
Verfahren zum Impulsformen und Leistungsverstärken eines Informationssignals X_IF mit den folgenden Schritten: Sigma-Delta-Modulieren (410) des Informationssignal (X_IF), um dadurch ein digitales Signal (Y) zu bilden; Mischen (421) des digitalen Signals (Y) mit einer Symbolsequenz (B), um dadurch ein Funkfrequenzsignal (RF) zu erzeugen; Decodieren (422) des Funkfrequenzsignals (RF) abhängig vom überwiegenden Informationsinhalt des digitalen Signals (Y); Schalten (423) des Funkfrequenzsignals (RF), wodurch ein spannungsgeschaltetes informationstragendes Signal (P) gebildet wird; und Filtern (430) des spannungsgeschalteten Signals (P), wodurch ein bandbegrenzten Signals (P_BP) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Signal (Y) M-är ist, d. h. M-diskrete Signalwerte aufweist; und daß das spannungsgeschaltete Signal (P) aus dem Funkfrequenzsignal (RF) mit Hilfe von mindestens M Schaltern gebildet wird (5330, 5340), von denen jeder eine elektrische Größe (+U bzw. –U) steuert.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch: Umwandeln des Funkfrequenzsignals (RF) in ionisierende Strahlung (o₁, o₂); und dadurch, daß die Schalter leitende Bauelemente (5330, 5340) sind, deren elektrische Leitfähigkeit abhängig von der auf die Bauelemente einfallenden Menge ionisierender Strahlung ist.
Verfahren zum Impulsformen und Leistungsverstärken eines Informationssignals (X_IF) mit den folgenden Schritten: Sigma-Delta-Modulieren (11410) des Informationssignal (X_IF), wodurch ein digitales Signal (Y) gebildet wird; Decodieren (11422) des digitalen Signals (Y) in Abhängigkeit vom überwiegenden Informationsinhalt des Signals (Y); Aufwärts-Mischen (11421) des digitalen Signals (Y), wodurch ein Funkfrequenzsignal (c₁, c₂) gebildet wird; Schalten (11423) des Funkfrequenzsignals (c₁, c₂), wodurch ein spannungsgeschaltetes informationstragendes Signal (P) gebildet wird; und Filtern (11430) des spannungsgeschalteten Signals (P), wodurch ein bandbegrenzten Signals (P_BP) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Signal (Y) M-är ist, d. h. M-diskrete Signalwerte aufweist; daß das Aufwärts-Mischen des digitalen Signals (Y) die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen eines Impulses (12110, 12120); Umwandeln des Impulses in ionisierende Strahlung (o₁, o₂); Aufteilen (12150, 12160) der ionisierenden Strahlung in mindestens zwei Komponenten, die über mindestens zwei Verzögerungsglieder (12170–12177) mit voneinander verschiedenen Signalverzögerungen gesendet werden; und Kombinieren (12180, 12190) der Komponenten zu Impulsfolgen (c₁, c₂); daß die Impulsfolgen (c₁, c₂) ein gegebenes leitendes Bauelement (12310, 12320) von M möglichen Bauelementen bestrahlen, wobei die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Bauelemente abhängig von der auf die Bauelemente einfallenden ionisierenden Strahlung (c₁, c₂) ist; und daß eine elektrische Größe (+U, –U) mit Hilfe der leitenden Bauelemente (12310, 12320) gesteuert sind.
Verfahren zum Impulsformen und Leistungsverstärken zweier zueinander um 90° phasenverschobener Informationssignalkomponenten (X_I bzw. X_Q) mit den folgenden Schritten: Sigma-Delta-Modulieren (14010) der ersten Informationssignalkomponente (X_I), wodurch ein erstes digitales Signal (Y_I) gebildet wird; Sigma-Delta-Modulieren (14020) der zweiten Informationssignalkomponente (X_Q), wodurch ein zweites digitales Signal (Y_Q) gebildet wird; separates Mischen und Schalten (14030, 14040) der ersten (Y_I) und zweiten (Y_Q) digitalen Signale, wodurch zwei spannungsgeschaltete informationstragende Signale (P_I bzw. P_Q) gebildet werden; Kombinieren (14060) der spannungsgeschalteten Signale (P_I, P_Q), wodurch ein Summationssignal (P_IQ) gebildet wird, und Filtern (14070) des Summationssignals (P_IQ), wodurch ein bandbegrenztes Signals (P_IQ-BP) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Signale (Y_I, Y_Q) M-är sind, d. h. M-diskrete Signalwerte aufweisen; und daß das Schalten (14030 bzw. 14040) mit Hilfe von mindestens M Schaltern bewirkt wird, von denen jeder eine elektrische Größe (+U bzw. –U) steuert.
Verfahren zum Impulsformen und Leistungsverstärken eines Informationssignals (X) mit: Sigma-Delta-Modulieren (15010) des Informationssignals (X), wodurch ein erstes (Y_I) und ein zweites (Y_Q) digitales Signal gebildet werden; separates Mischen und Schalten (15020, 15030) der jeweiligen ersten (Y_I) und zweiten (Y_Q) digitalen Signale, wodurch zwei spannungsgeschaltete informationstragende Signale (P_I, P_Q) gebildet werden; Kombinieren (15050) der spannungsgeschalteten Signale (P_I, P_Q), wodurch ein Summationssignal (P_IQ) gebildet wird, und Filtern (15060) des Summationssignals (P_IQ), wodurch ein bandbegrenzten Signals (P_IQ-BP) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Signale (Y_I, Y_Q) M-är sind, d. h. M-diskrete Signalwerte aufweisen; und daß das Schalten (15020 bzw. 15030) mit Hilfe von mindestens M Schaltern bewirkt wird, von denen jeder eine elektrische Größe (+U bzw. –U) steuert.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter leitende Bauelemente (5330, 5340) sind, deren elektrische Leitfähigkeit von der auf die Bauelemente einfallenden Menge ionisierender Strahlung abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierende Strahlung elektromagnetische Energie von Lichtwellenlänge ist; und daß das leitende Bauelement (5330, 5340, 12310, 12320) photoleitend ist.
Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierende Strahlung elektromagnetische Energie von Röntgenwellenlänge ist.
Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierende Strahlung aus freien Elektronen besteht.