DE69901449T2

DE69901449T2 - Vektormodulator

Info

Publication number: DE69901449T2
Application number: DE69901449T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Fel; Jean Russat
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: DE69901449D1; US6531935B1; EP1097509B1; FR2781106B1; ATE217460T1; WO2000003475A1; FR2781106A1; AU4625599A; EP1097509A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vektormodulator.

Stand der Technik

Die Phasenverschiebung eines elektrischen Signals kann digital sein, mit Phasensprüngen, oder analog, mit kontinuierlichen Phasenveränderungen.
Die digitalen Phasenschieber arbeiten mit PIN-Dioden oder Feldeffekttransistoren, die als elektronische Schalter benutzt werden und das Umschalten zwischen Übertragungsleitungen unterschiedlicher Längen (Phasenverschiebung durch Ausbreitungs- /Übertragungsverzögerung) oder auch zwischen Filterstruktursektionen zum Beispiel des Tiefpass-/Hochpasstyps ermöglichen.
Die Verwendung von Kapazitätsdioden (Varactor) oder von Feldeffekttransistoren als kontinuierlich variablen Impedanzen ermöglicht, analoge Phasenschieber zu realisieren, die die Phasenverschiebung der Welle als Transmission bewirken, wie bei den Vektormodulatoren, oder als Reflexion, wie bei den Dioden-Phasenschiebern.
Bei einem Dioden-Phasenschieber, wie dargestellt in der Fig. 1, sind der phasengleiche und der um 90º phasenverschobene Ausgang des Hybridkopplers 10 durch variable reaktive Elemente belastet. Die Veränderung der reaktiven Impedanz in Bezug auf die charakteristische Impedanz (generell 50 Ω) hat auf dem Umweg über einen komplexen Reflexionskoeffizienten eine Veränderung der Phase des Ausgangssignals S zur Folge.
Man erhält folgende Signale:
- Eingang: sin(ωt)
- Ausgang O: sin(ωt)
- Ausgang -90º: - cos(ωt)
- Ausgang S: - cos(ωt) = sin(ωt+φ),
Die Dioden-Phasenschieber benutzen für eine kontinuierliche Phasenverschiebung im Wesentlichen spannungsgesteuerte Kapazitätsdioden oder für eine digitale Phasenverschiebung mittels Umschaltung arbeitende PIN-Dioden.
Im Prinzip kann man sowohl ringförmige als auch quadratische Koppler oder Transformatoren verwenden. Das Durchlassband der so gebildeten Phasenschieber wird durch die Verwendung eines Kopplers begrenzt: diese Vorrichtungen sind typische Schmalbandvorrichtungen oder arbeiten höchstens in einem Zweioktavenband: ωw→4ω.
Die Vektormodulatoren nutzen das Prinzip der Addition von rechtwinkligen Vektoren (I/Q-Vektoren) mit variabler Amplitude.
Bei einem Vektormodulator-Phasenschieber resultiert die Phasenverschiebung zwischen dem Eingangssignal E und dem Ausgangssignal S aus der Rekombination (11) der beiden getrennt gedämpften, um 90º-phasenverschobenen Komponenten. Ein Beispiel eines 0-90º-Vektormodulator-Phasenschiebers zeigt die Fig. 2, mit I- und Q-Steuerungen.
Die Bilanz der an den verschiedenen Punkten des Phasenschiebers abgegriffenen Signalen ist die folgende:
- Eingang E: sin(ωt)
- Ausgang 0º: sin(ωt)/ 2
- Ausgang -90º: sin(ωt - π/2)/ 2 = -cos(ωt)/ 2
- Punkt A: asin(ωt)/ 2
- Punkt B: -bcos(ωt)/ 2
- Ausgang S: [asin(ωt) + bcos(ωt)]/ 2 = cos(ωt + φ)
wenn a = cos φ und b = sin φ
Diese Vorrichtungen bewirken die Phasenverschiebung über einen Quadranten, wobei ein 0-360º-Phasenschieber durch die Kombination von hybriden 90º-Kopplern 10 und hybriden 180º-Kopplern 12 realisiert wird, wie dargestellt in den Fig. 3A, 3B oder 3C, oder durch die Kaskadenschaltung von vier 0-90º-Zellen. Die Bezugsschaltung 13 ist ein 1/4- Phasenteiler und die Bezugsschaltungen 14 sind 4 : 1-Phasenkombinierer.
Die verschiedenen Phasenschieber basieren alle auf der Erzeugung von um 90º phasenverschobener Signale. Prinzipiell besitzen die 90º-Hybridkoppler ein Durchlassband, das sich maximal über ungefähr zwei Oktaven erstreckt. Dasselbe gilt folglich für die derart gebildeten Phasenschieber.
Der Bezugsartikel [1] am Ende der vorliegenden Beschreibung beschreibt eine Struktur dieses Typs und insbesondere die eines Vektormodulators.
Das Bezugsdokument [6] beschreibt einen Modulator mit einem einzigen Seitenband, der ein Vielphasenfilternetz bzw. -gitter verwendet, bei dem die Widerstandswerte durch äquivalente Schaltkondensatoren gebildet werden.
Das Bezugsdokument [7] beschreibt einen Trägerwellenmodulator mit einem einzigen Seitenband, ein Netz bzw. Gitter paralleler Widerstände und parallele Umschalter umfassend, zusammengeschaltet, um selektiv durchzulassen und um mehrere Signale in variabler Weise zu summieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile der Vorrichtungen des Stands der Technik zu beseitigen, indem sie einen neuartigen Typ eines Vektormodulators vorschlägt.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen analogen Vektormodulator- Phasenschieber, umfassend:
- eine Eingangsstufe, die eine Pseudobasis mit vier Vektoren (±I, ±Q) erzeugt und ein Vielphasenfilter umfasst;
- eine Ausgangsstufe, die die Steuerung der Amplitude der Basisvektoren sowie ihre Rekombination ermöglicht;
dabei umfasst die genannte Eingangsstufe nacheinander:
- einen Generator gegenphasiger Signale;
- ein Vielphasenfilter oder -gitter;
dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstufe umfasst:
- vier variable Dämpfungsglieder, um eine unterschiedliche Kontrolle der Amplitude jedes der Basisvektoren zu ermöglichen;
- einen gemeinsamen Ausgang, um die vier um 90º phasenverschobenen Kanäle zu summieren.
Vorteilhafterweise umfasst die Ausgangsstufe zwei Differentialverstärker, die die variablen Dämpfungsglieder von dem Vielphasenfilter/-gitter isolieren. Die um 90º phasenverschobenen Kanäle sind mit dem gemeinsamen Ausgang durch Pufferverstärkerstufen verbunden, jeder gefolgt von einer Summierkapazität.
Die Anwendungsmöglichkeiten eines solchen Vektormodulatortyps sind verschiedenartig:
- Strahlenbildung (Antennennetze, Radarsysteme mit Antenne oder synthetischem Öffnungswinkel ...);
- Hochleistungskommunikationen, Frequenz- oder Winkelmultiplexing (Satellitenkommunikationen, Digitalfernsehen, WDM-Standard (s. Bezugsdokumente [2] und [3] am Ende der Beschreibung) ...);
- instrumentelle Ausrüstung (Korrelator, Phasendiskriminator, Vektoranalysator ...).
Ein solcher Modulator kann nämlich zur Übertragung von Signalen im Einseitenband (Single Side-Band oder SSB) und sogar im Einseitenband ohne Trägerwelle verwendet werden. Solche Übertragungsarten eignen sich für die Satellitenkommunikationen, das Digitalfernsehen oder die Telephonie. Das Prinzip besteht darin, die Frequenz des Nutzsignals umzusetzen, um eine Trägerwelle zu codieren, um auf Kriterien der Überfüllung des elektromagnetischen Spektrums oder der Übertragungsqualität zu reagieren. Er kann auch eingesetzt werden in den Antennennetzen oder den Radarvorrichtungen mit synthetischem Öffnungswinkel: Strahlabtastung mittels phasengleicher Abtastung.
Im Falle des Digitalfernsehen gibt es zwei aufeinanderfolgende Codierungen: Codierung des Videobildes, dann Modulation auf Trägerwelle gegen 12 GHz... Durch das Extrapolieren einer solchen Realisierung kann man eine analoge Realisierung in der Optik vorsehen; daher die WDM-Modulation.
Die Anwendungen, Funktionen oder Systeme, die um 90º phasenverschobene Signale in einem sehr breiten Frequenzband nutzen (Korrelator, Netzanalysator, Phasendiskriminator ...) sind also besonders attraktiv.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

- Die Fig. 1 zeigt einen 0-90º-Phasenschieber mit Varicap-Dioden nach dem Stand der Technik;
- die Fig. 2 zeigt einen 0-90º-Vektormodulator-Phasenschieber nach dem Stand der Technik;
- die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen 0-360º-Vektormodulator-Phasenschieber nach dem Stand der Technik;
- die Fig. 4 zeigt die den Vektormodulator nach der Erfindung;
- die Fig. 5A und 5B zeigen jeweils eine Vielphasen-Netz- bzw. Gitterstruktur mit n Sektionen, und den Quadraturabstand zwischen den Vektoren I/Q in Abhängigkeit von der reduzierten Frequenz f · 2πRC, wobei n von 1 bis 5 Sektionen variiert;
- die Fig. 6A und 6B zeigen jeweils die Transferfunktion S&sub2;&sub1; von vier Basisvektoren +I, -I, +Q und -Q und den Phasenfehlere in Bezug auf eine perfekte 90º- Verschiebung zwischen den Vektoren I und ±Q sowie eine perfekte Gegenphasigkeit zwischen den Vektoren +I und -I, erhalten in einem Vektormodulator mit einem Vielphasenfilter mit vier Sektionen.

Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem, Prinzip eines Vielphasenfilter- Vektormodulators, wie dargestellt in der Fig. 4.
Dieser Modulator umfasst:
- eine Eingangsstufe 18, die eine Pseudobasis mit vier Vektoren erzeugt {±I, ±Q};
- und eine Ausgangsstufe 19, die die Steuerung der Amplitude der Basisvektoren sowie ihre Rekombination ermöglicht;
Die genannte Eingangsstufe 18 umfasst nacheinander:
- einen Generator 20 von gegenphasigen Signalen +v(t) und -v(t), der durch jede Vorrichtung gebildet werden kann, die zwei um 180º phasenverschobene Signale liefern kann: ein Transformator, ein 180º-Hybridkoppler. Eine vorteilhafte Lösung verwendet einen Differentialverstärker mit einer oder mehreren Stufen wegen seines großen Durchlassbands sowie wegen der Erzeugungsgenauigkeit der um 180º phasenverschobenen Signale;
- ein Vielphasenfilter oder -gitter 21.
Die Struktur des Vielphasenfilter/-gitters, beschrieben in den Bezugsdokumenten [4] und [5], wird auf dem Gebiet der Audio-Frequenzen eingesetzt (~300-3000 Hz), um Einseitenband-Modulatoren zu realisieren. Sie umfasst vorzugsweise eine zyklische und repetitive Struktur auf der Basis gleicher Widerstände (R) mit geometrisch abnehmenden Kapazitäten (C, C/2 ... C/2i-1, ... C/2n-1), wie dargestellt in der Fig. 5A.
Der Ausgang des Vielphasenfilters/-gifters 21 liefert eine Pseudobasis von vier paarweise rechtwinkligen Vektoren (±I, ±Q).
Das Frequenzverhalten des Vielphasenfilters/-gitters 21 kann durch eine charakteristische Frequenz beschrieben werden, die die niedere bzw. untere Benutzungsfrequenz darstellt: f&sub0; = 1/2πRC.
Das Durchlassband für einen gegebenen Quadraturfehler δθ wächst mit der Anzahl der Sektionen.
Die Fig. 5B zeigt den Quadraturabstand zwischen den Vektoren I und Q als Funktion der reduzierten Frequenz f · 2πRC für n, das von 1 Sektion bis 5 Sektionen variiert.
Die Ausgangsstufe 19 umfasst:
- vier variable Dämpfungsglieder 22, 23, 24 und 25, die ermöglichen, eine unterschiedliche Kontrolle der Amplitude jedes Basisvektors zu realisieren; vorteilhafterweise sind diese Dämpfungsglieder 22, 23, 24 und 25 durch zwei Differentialverstärker 26 und 27 von dem Vielphasenfilter/-gitter 21 isoliert, um den Einfluss der Ladungsänderungen auf das Gesamtverhalten des Modulators zu minimieren;
- einen gemeinsamer Ausgang S. der die vier um 90º phasenverschobenen Kanäle summiert; diese vier um 90º phasenverschobenen Kanäle können also mit dem gemeinsamen Ausgangsport S durch Pufferverstärkerstufen 30, 31, 32 und 33 verbunden sein, auf die Summierkapazitäten 34, 35, 36 und 37 folgen.
Die Ausgangsstufe 19 kann irgendeine beliebige Struktur aufweisen, die ermöglicht, die Amplitude der Basisvektoren zu modifizieren (zum Beispiel Mischer, variable Verstärker).
Die Fig. 6A zeigt die Transferfunktion S&sub2;&sub1;, wenn die vier Basisvektoren +I, -I, +Q, - Q nacheinander selektiert werden. Die Messung erfolgt zwischen 10 MHz und 3000 MHz. Das Durchlassband mit -3 dB jedes dieser Vektoren liegt in der Größenordnung von 30 MHz - 1500 MHz (also ein Verhältnis von 50 zu 1), was auch das Durchlassband des Vektormodultors ist. Sein Betriebsband für einen bestimmten Phasenfehler (zum Beispiel ±5º) ist etwas kleiner (- 80 MHz - 1300 MHz bei ± 5º).
Die Fig. 6B zeigt den Phasenfehler in Bezug auf eine perfekte 90º- Phasenverschiebung zwischen I und ±Q sowie eine perfekte Gegenphasigkeit zwischen I und -I.

BEZUGSDOKUMENTE

[1] "Microwave Components and Subsystems" (Anaren, Proven Performance In Signal Processing, Seiten 108-115 und 125-129)
[2] "Advanced Technologies Pave The Way For Photonic Switches" von Rod, C. Alferness (Laser Focus World, Februar 1995, Seiten 109 bis 113)
[3] "Wavelength-Division Muitiplexing Technology In Photonic Switching" von Masahiko Fujiwara und Shuji Suzuki ("Photonic Switching and Interconnects" von Abdellatif Marrakchi, Marcel Dekker, Inc., Seiten 77-113)
[4] "The Art Of Electronics" von Paul Horowitz und Winfield Hill (Cambridge University Press, Second Edition, 1989, Kapitel 5: "Aktive Filter und Oszillatoren", Fig. 5.41)
[5] "Radio Amateurs Handbook" von Frederick Collins und Robert Hertzberg (überarbeitete 15. Ausgabe, 1983, Seiten 12-8 und 12-9)
[6] GB-A-2 064 246
[7] US-A-3411110

Claims

1. Phasenschieber mit Vektormodulator, umfassend:

- eins Eingangsstufe (18), die eine Pseudobasis von vier Vektoren (±I, ±Q) erzeugt und ein Vielphasenfilter (21) umfasst;

- eine Ausgangsstufe (19), die die Steuerung der Amplitude der Basisvektoren sowie ihre Rekombination ermöglicht; bei dem die Eingangsstufe (18) nacheinander umfasst:

- einen gegenphasigen Signalgenerator (20);

- ein Vielphasenfilter (21);

dadurch gekennzeichnet,

dass die Ausgangsstufe (19) umfasst:

- vier variable Dämpfungs- bzw. Schwächungsglieder (22, 23, 24, 25), um eine unterschiedliche Kontrolle der Amplitude jedes der Basisvektoren zu ermöglichen;

- einen gemeinsamen Ausgang (S), der die Summierung der vier um 90º phasenverschobenen Kanäle gewährleistet.

2. Phasenschieber nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsstufe zwei Differentialverstärker (26, 27) umfasst, die die variablen Dämpfungs- bzw. Schwächungsglieder (22, 23, 24, 25) von dem Polyphasenfilter (21) isolieren.

3. Phasenschieber nach Anspruch 1, bei dem die um 90º phasenverschobenen Kanäle durch Pufferverstärkerstufen (30, 31, 32, 33), jede gefolgt von einer Summierkapazität (34, 35, 36, 37), mit dem gemeinsamen Ausgang (S) verbunden sind.