DE69937329T2 - Modulator für einen Sender und eine Mobilstation - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Modulatoren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Modulatorstruktur, die für Dualband- oder Triband-Mobilstationen eignet ist.
  • Bei der Modulation wird eine Trägerfrequenz auf gewisse Art und Weise geändert, so dass die anhand des Radiosignals zu übertragenden Daten z. B. in den Änderungen der Phase oder Amplitude der Trägerfrequenz transportiert werden. Es gibt viele Modulationsverfahren, die sich darin unterscheiden, welche Eigenschaften der Trägerwelle moduliert werden und wie diese moduliert werden. Die Anordnung, welche die Änderung der Trägerwelle vornimmt, nennt man Modulator. Es gibt auch zahlreiche Arten von Modulatoren. Ein Direktwandlungsmodulator kann z. B. bei Mobilstationen verwendet werden. Bei einem Direktwandlungsmodulator erfolgt die Modulation direkt in die Trägerfrequenz; es gibt keine Zwischenfrequenz im Modulationsprozess.
  • Die wichtigsten Kennzeichen eines Modulators sind die Linearität und der Rauschabstand S/N. Der Rauschabstand umfasst das Verhältnis zwischen dem Sendesignal und dem Rauschen im Sendefrequenzbereich (TX), und das Verhältnis zwischen dem Sendesignal und dem Rauschen, das im Empfangsfrequenzbereich (RX) erzeugt wird. Den Rauschabstand im RX-Frequenzbereich kann man durch Filtern des modulierten Signals unter Verwendung eines geeigneten Filters verbessern. Die Verbesserung des Rauschabstands im TX-Frequenzbereich ist nach dem Modulator nicht möglich.
  • Üblicherweise erfolgt das Filtern im RX-Frequenzbereich unter Verwendung eines Tiefpassfilters, besonders bevorzugt eines Duplexfilters nach der Leistungsverstärkung. Die Tabelle 1 zeigt die Rauschabstandsgrenzen für das Empfangsfrequenzband, das für GSM-("Global System for Mobile Communications"), PCN-("Personal Communication Network") und PCS-("Personal Communication System") Netzwerke definiert ist.
  • In der Tabelle legt N 100 kHz den Rauschpegel fest, der von der Senderkette beim Empfang in einem Frequenzband mit der Breite von 100 kHz erzeugt wird. Das Rauschen wird bei einem Leistungspegel gemessen, bei dem der Rauschpegel am höchsten ist. Dieser Leistungspegel ist in der Praxis die maximale Sendeleistung. Der gemessene Rauschleistungspegel wird von der 100kHz-Breite auf eine Breite von 1 Hz normalisiert, wodurch sich der Pegel um 50 dB verringert und sich in der Spalte N 1 Hz befindet. Somit erfolgt die Messung bei einer breiten Bandbreite, wird jedoch rechnerisch auf ein engeres Band normalisiert. Es bestehen auch individuelle Rauschpegelunterschiede zwischen ähnlichen Sendern, und deshalb gibt es einen Abstand von 3 dBm, der von den oben erwähnten Pegelgrenzen abgezogen wird. Pout ist die Ausgangsleistung des Senders. S/N ist der Rauschabstand (dBc, Dezibel auf Träger), der auf der Trägerfrequenz erzeugt wird, die durch die Entfernung zwischen der maximalen Ausgangsleistung und dem normalisierten Rauschen bestimmt wird, wozu der Abstand addiert wird. Tabelle 1 Rauschabstandsgrenzen für das Empfangsfrequenzband
    System N 100 kHz N 1 Hz Abstand Pout S/N
    GSM –79 dBm –129 dBm 3 dB 33 dBm 165 dBc
    PCN –71 dBm –121 dBm 3 dB 30 dBm 154 dBc
    PCS –71 dBm –121 dBm 3 dB 30 dBm 154 dBc
  • Es ist auch möglich, das Rauschen zu filtern, indem man Filter zwischen den Modulator der Sendekette und den Empfänger setzt.
  • 1 zeigt die grundlegende Wirkung eines Tiefpassfilters auf Radiosignale. Das Originalsendesignal 1 wird in den Frequenzbereich über der modulierten Mittenfrequenz gespiegelt. 1A zeigt, dass das Endergebnis 2 des modulierten aber ungefilterten Sendesignals sich sowohl in den beabsichtigten Sendebereich TX als auch zum Teil in den Empfangsbereich RX erstreckt. 1B zeigt, dass das Endsignal 4 des modulierten Sendesignals 1, das mit der Filterfunktion 3 gefiltert wird, sich hauptsächlich in den beabsichtigten Sendebereich TX und nur wenig in den Empfangsbereich RX erstreckt.
  • Früher war auch eine so genannte Gilbertzelle bekannt, die im Allgemeinen in integrierten Multiplikatorschaltungen von Telekommunikationssystemen, insbesondere in Mobilstationen, verwendet wird.
  • Multiplikatorschaltungen werden z. B. in integrierten RF-(Radiofrequenz) und Zwischenfrequenzteilsystemen, wie etwa in dem Modulator, dem Mischer sowie dem geregelten Verstärker, verwendet.
  • Das amerikanische Patent US 5,172,079 beschreibt einen Modulator, der eine Gilbertzelle mit Stromspiegeln in seiner Treiberanordnung verwendet.
  • Ein Multiplikator nach dem Stand der Technik, wie etwa ein Quadraturmultiplikator, beruht auf einer mathematischen Formel, in der die Differenz der Quadrate der Summe und der Differenz von zwei Signalen das Produkt der Signale ergibt: (x + y)2 – (x – y)2 = 4xy (1)wobei x das erste Signal und y das zweite Signal ist.
  • Die Quadrierung erfolgt beispielsweise durch einen MOS (Metalloxid-Halbleiter) Transistor, bei dem der Drain-Strom proportional zum Quadrat der Gate-Source-Spannung ist. Ein Multiplikator kann auch mit bipolaren Transistoren ausgebildet werden. Der Kollektorstrom eines bipolaren Transistors ic ist:
    Figure 00040001
    wobei die gezeigten Parameter der Sättigungsstrom Is, die Basis-Sender-Spannung VBE und die thermische Spannung VT des bipolaren Transistors sind. Die Exponentialfunktion wird hier durch die ersten vier Terme einer unendlichen exponentialen Taylor-Entwicklung genähert:
    Figure 00040002
    wobei
    Figure 00040003
    und die gezeigten Parameter die Basis-Sender-Spannung vBE und die thermische Spannung VT des bipolaren Transistors sind.
  • Mischer verwenden im Allgemeinen eine doppelt symmetrische Struktur, wobei die Ausgänge von vier Mischern mit verschiedenen Phasen addiert werden, um die Oberwellenstörung auszugleichen. Die Abgleichung sieht mathematisch folgendermaßen aus: (x + y)2 + (–x – y)2 – (x – y)2 – (–x + y)2 = 8xy (5)
  • Wenn die ersten vier Terme der exponentialen Taylor-Entwicklung in die Formel eingesetzt werden, bleibt das Produkt der Eingangssignale noch:
    Figure 00050001
  • Wenn man die Terme x und y für die Terme, welche die Ausgangssignale darstellen, einsetzt, kann man die endgültige mathematische Formel folgendermaßen schreiben:
    Figure 00050002
  • 2 zeigt eine an sich bekannte Gilbertzelle, die beispielsweise verwendet wird, um integrierte RF- und Zwischenfrequenzteilsysteme auszubilden, wie etwa einen geregelten Verstärker und einen Mischer. In einer Gilbertzelle kehren zwei Eingangsspannungen als eine Ausgangsspannung wieder, mit anderen Worten ist die Spannungsdifferenz an den Ausgängen das Produkt der Spannungsdifferenzen an den Eingängen. Die erste Spannungsdifferenz ist an die Klemmen Vx+ und Vx-1 angeschlossen, von denen die Spannungen an die Basen der Transistoren Q1 und Q2 und entsprechend an die Basen der Transistoren Q4 und Q5 geliefert werden. Die andere Spannungsdifferenz ist an die Klemmen Vy+ und Vy-1 angeschlossen, von denen die Spannung durch die Transistoren Q3 und Q6 verstärkt wird. Die Transistoren Q3 und Q6 sind über die Widerstände RE1 und RE2 an den Feldeffekttransistor (FET) Q7 angeschlossen, der durch die Vormagnetisierungsspannung VBIAS gesteuert wird und an die negative Betriebsspannung angeschlossen ist. Die Transistoren Q1 und Q5 verstärken die positive Spannungsdifferenz Vx+ und VX, die an die Ausgänge VOUT+ und VOUT angeschlossen ist. Die oben erwähnte Schaltung ist an die positive Betriebsspannung über die Widerstände RL1 und RL2 angeschlossen. Die Transistoren Q2 und Q4 verstärken die negative Spannungsdifferenz Vx+ und VX, die an die Ausgänge VOUT+ und VOUT angeschlossen ist.
  • 3 zeigt die Schaltungsanordnung der Schalttransistoren in einem Direktwandlungsmodulator. Die Anordnung, welche die Schalttransistoren umfasst, wird oft als Schaltanordnung oder Schaltblock eines Modulators bezeichnet. Ein Rauschen, das auf den Lokaloszillator zurückzuführen ist, kann bis zu einem gewissen Punkt durch die Verwendung einer symmetrischen Schaltanordnung beseitigt werden, z. B. durch Transistorpaare, die sehr ähnliche Kennzeichen aufweisen.
  • 3 zeigt die Schalttransistoren Q8, Q9, Q0, Q11, Q12, Q13, Q14 und Q15 eines Direktwandlungsmodulators. Diese Transistoren bilden vier symmetrische Transistorpaare. Vier Signale mit verschiedenen Phasen LO0, LO180, LO90 und LO270, die vom Lokaloszillator kommen, werden als Steuersignale an die Transistoren geliefert. Die Sendesignale TXI0 und TXI180 mit entgegengesetzten Phasen und ihre Komplemente TXQ0 und TXQ180 werden an die Sender der Transistoren geliefert. Die Ausgangssignale OUT+ und OUT– erhält man an den Transistorkollektoren.
  • Ein Problem bei bekannten Vorrichtungen ist, dass eine Mobilstation, die auf zwei oder drei Frequenzbändern funktioniert, d. h. eine Dualband- oder Triband-Mobilstation, viele Filter benötigt, die in einer Mobilstation zuviel Platz einnehmen. In der Praxis ist die Ausbildung eines kleinformatigen RF-Teilsystems auf diese Weise unpraktisch, so dass man dazu neigt, das Filtern zu vermeiden. Wird jedoch auf Filtern verzichtet, so muss der Modulator besonders hochwertig sein.
  • Ein weiteres Problem bei bekannten Vorrichtungen ist, dass sie separate Filter zwischen dem Modulator und dem Sender benötigen.
  • Vor diesem Hintergrund beruht die Erfindung darauf, im Modulator das Rauschen, das sich an dem modulierten Signal angesammelt hat, zu minimieren.
  • Ein erfindungsgemäßer Modulator wird in Anspruch 1 beansprucht.
  • Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine Modulatorstruktur mit guten Rauschabstandeigenschaften bereit. Außerdem stellt die Erfindung eine kompakte Modulatorstruktur bereit, die auf vielen Frequenzbändern verwendet werden kann.
  • Eine Mobilstation nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird in Anspruch 7 beansprucht.
  • Das Rauschen, das ein Modulator für den Empfänger-Frequenzbereich hervorruft, umfasst das Rauschen der Schalttransistoren im Modulator, das Rauschen des Lokaloszillators und das Rauschen des Signals, das die zu übertragenden Informationen transportiert. In einer symmetrischen Modulatorstruktur wird das Rauschen, das auf die Schalttransistoren zurückzuführen ist, derart gedämpft, dass es nicht die überwiegende Komponente des Rauschens ist. Heutzutage haben derzeitige bipolare Transistoren nach dem Stand der Technik normalerweise einen Rauschpegel, der niedrig genug ist.
  • Das Rauschen des Informationssignals kann ein dominierender Faktor sein, insbesondere bei Direktwandlungsmodulatoren. Es ist deshalb von Vorteil, die mögliche Rauschkomponente aus dem Signal herauszufiltern, das die zu übertragenden Informationen transportiert. Bei einem erfindungsgemäßen Modulator wird das Filtern im Modulator ausgeführt.
  • Ein Modulator bezieht sich hier auf eine Anordnung, bei der ein Informationssignal, d. h. das Signal, das die zu übertragenden Daten transportiert, und das Signal, das über die Trägerfrequenz verfügt, zusammenwirken. Das Informationssignal wird normalerweise mit der Treiberanordnung eines Modulators gekoppelt, und das Signal vom Lokaloszillator wird mit der Schaltanordnung gekoppelt. Die Treiber- und Schaltanordnungen werden derart miteinander gekoppelt, dass das Informationssignal die Trägerwelle vom Lokaloszillator ändert. In einem erfindungsgemäßen Modulator ist ein Tiefpassfilter zum Abschwächen der Hochfrequenzstörung in die Treiberanordnung des Modulators integriert.
  • Bei einer Ausführungsform ist der Modulator von der direkt wandelnden Art.
  • Bei einer Ausführungsform befindet sich der Tiefpassfilter in dem Stromspiegel der Multiplikatorschaltung des Modulators.
  • Bei einer Ausführungsform befindet sich der Tiefpassfilter zwischen den Transistoren des Transistorpaars, das den Strom im Stromspiegel spiegelt, wodurch der Tiefpassfilter den Signalweg zwischen dem Transistor, der die Steuerung liefert, und dem Transistor, der den gespiegelten Strom erzeugt, filtert.
  • Bei einer Ausführungsform wird der Tiefpassfilter von einer RC-Tiefpassanordnung gebildet, wobei der Widerstand mit dem Signalweg in Reihe geschaltet ist, und der Kondensator mit Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Signals hinter dem Widerstand an dem gemeinsamen Potential des Transistorpaars parallel geschaltet ist.
  • Bei einer Ausführungsform ist das gemeinsame Potential des Transistorpaars an das negative Potential der Betriebsspannung angeschlossen.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Mobilstation mit einem Tiefpassfilter in der Senderkette, um eine Hochfrequenzstörung abzuschwächen. Vorteilhafterweise befindet sich der Tiefpassfilter in dem Direktwandlungsmodulator des Senders.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der benötigte Tiefpassfilter in den Modulator integriert werden kann. Der Tiefpassfilter dämpft das Rauschen, das auf das Informationssignal zurückzuführen ist, ehe das Informationssignal mit der Trägerwelle gemischt wird. Daher kann der in den Modulator integrierte Tiefpassfilter die Filter ersetzen, die zurzeit nach der Leistungsverstärkung des modulierten Signals gesetzt werden und separat für jedes Frequenzband gewählt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit einem erfindungsgemäßen Tiefpassfilter die Sendekette einen besseren Rauschabstand aufweist als vorherige Lösungen.
  • Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 die grundlegende Auswirkung eines Tiefpassfilters in den Frequenzbereichen eines Senders und eines Empfängers.
  • 2 eine an sich bekannte Gilbertzelle.
  • 3 die Schaltanordnung der Schalttransistoren in einem Direktwandlungsmodulator.
  • 4 eine schematische Zeichnung eines Modulators nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 Elemente der bevorzugten Ausführungsform in einem Schaltplan eines Direktwandlungsmodulators nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 den Stromspiegel eines Direktwandlungsmodulators nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 in einem Funktionsschema einige Elemente einer Mobilstation nach einer bevorzugten Form der Erfindung.
  • 1, 2 und 3 wurden im Abschnitt über den Stand der Technik besprochen.
  • 4 zeigt eine schematische Zeichnung eines Modulators 400 nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Modulator 400 umfasst eine Schaltanordnung 410, an die der Lokaloszillator gekoppelt ist (Pfeil 441 in 4). Ferner umfasst er eine Treiberanordnung 420, an die das Informationssignal gekoppelt ist (Pfeil 442 in 4). Das modulierte Signal, d. h. die Trägerwelle, die gemäß dem Informationssignal geändert wurde, wird vom Modulator abgeleitet (Pfeil 443).
  • In 4 ist das Signal vom Lokaloszillator, das Informationssignal und das modulierte Signal mit einzelnen Pfeilen dargestellt. Bei einer wirklichen Ausführung wird z. B. das Signal vom Lokaloszillator üblicherweise in verschiedenen Phasen an den Modulator gekoppelt. Ähnlich kann das Informationssignal an den Modulator gekoppelt werden, indem man mehr als eine Eingangsstelle verwendet, und das modulierte Signal kann man vom Modulator über viele Ausgangsstellen erhalten. Die Treiber- und Schaltanordnungen können ebenfalls an vielen Stellen miteinander gekoppelt sein. Der Strich in 4 zwischen den Anordnungen 410 und 420 deutet nur schematisch an, dass die Blöcke miteinander gekoppelt sind. Er bedeutet nicht, dass sie an nur einer Stelle miteinander gekoppelt sein sollen.
  • Die Treiberanordnung 420 umfasst bestimmte Treiberbestandteile auf und umfasst zusätzlich zu diesen Bestandteilen in einem erfindungsgemäßen Modulator 400 eine Filteranordnung 430 auf. Diese Tiefpassfilteranordnung wird verwendet, um das Rauschen im Informationssignal weitgehend zu beseitigen. Bevorzugt ist die Filteranordnung derart gestaltet, dass es möglich ist, sie als Teil der integrierten Schaltung zu bauen.
  • 5 zeigt auf zwei Seiten, in 5A und 5B, die Elemente der Erfindung in einem Schaltplan eines Direktwandlungsmodulators gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung. In 5A ist zu sehen, wie die Sendesignale TXI0 und TXI180 mit entgegengesetzten Phasen und ihre Komplemente TXQ0 und TXQ180 über den Vormagnetisierungsstrom IBIAS den Anschluss zwischen dem positiven Betriebsspannungspotential V+ und den Stromspiegeln 7 von 5B steuern. Der Strom IBIAS steuert die Ströme anhand des Stromspiegels 5, der die Anordnung der Transistoren Q16, Q17 und Q18 umfasst. Die Ströme werden ferner über die Widerstände R1, R2, R3 und R4 und durch die Steueranordnung 6, welche die Transistoren Q19, Q20, Q21 et Q22 umfasst, die von Sendesignalen gesteuert werden, an die Stromspiegel 7 geliefert. Somit steuern die Sendesignale TXI0, TXI180, TXQ0, TXQ180 und der Vormagnetisierungsstrom IBIAS den Modulator anhand der Stromspiegel 7. Die Transistoren in den Stromspiegeln 7 in 5B stellen ein Beispiel von Treiberbestandteilen in einer Treiberanordnung 420 in 4 dar.
  • Wegen der niedrigen Betriebsspannung und der notwendigen hohen Ausgangsleistung kann man den Modulator als Anordnung mit nur zwei zwischen dem Ausgang OUT+, OUT– und dem negativen Betriebsspannungspotential V– in Reihe geschalteten Transistoren betrachten. Diese beiden Transistoren sind die Schalttransistoren 8 und die Transistoren des Stromspiegels 7.
  • Die erfindungsgemäßen RC-Tiefpassfilter (RC, Widerstand-Kapazität), welche das Hochfrequenzrauschen der Sendesignale TXI0, TXI180, TXQ0, TXQ180 und des Vormagnetisierungsstroms IBIAS filtern, sind in den Stromspiegeln 7 zu sehen, die von den Widerständen R5, R6, R7, R8 und den Kondensatoren C1, C2, C3, C4 zwischen den Transistoren Q23, Q24, Q25, Q26, Q27, Q28, Q29, Q30 gebildet werden. Die Kondensatoren C1, C2, C3, C4 werden an das negative Potential V– der Betriebsspannung oder an ein beliebiges Potential mit ausreichend geringem Rauschen angeschlossen. Bezüglich des Signaldurchgangs befindet sich der Filter so weit wie möglich, um einen hohen Rauschabstand zu ermöglichen. Ansonsten würde das ungefilterte Rauschen sich mit dem Empfangsfrequenzbereich vermischen und der Rauschabstand würde abnehmen.
  • 6 zeigt eine freiere Anordnung eines Stromspiegels, der sich in den Stromspiegeln 7 von 4B befindet. Auf dem Signalweg hinter dem Steuertransistor Q23 befindet sich ein RC-Filter 9, der einen Reihenwiderstand R5 und einen Parallelkondensator C1 aufweist. Das Signal wird ferner an den Transistor Q24 geliefert, der den gespiegelten Strom erzeugt. In 6 zeigen der Widerstand R5 und der Kondensator C1 (und die Art und Weise, auf die sie an den Stromspiegel angeschlossen sind) ein Beispiel der Filteranordnung 430 in 4.
  • 7 zeigt bestimmte Teile einer Mobilstation, welche die Erfindung verwendet. Die Mobilstation umfasst nach dem Stand der Technik einen Prozessor 11, einen Speicher 12, eine Anzeige 13, eine Tastatur 14 und einen Audioblock 15 mit einem Mikrophon 16A und einem Lautsprecher 16B auf. Der erfindungsgemäße Modulator, der einen Tiefpassfilter enthält, befindet sich im Transceiverblock 17, der an die Antenne 18 angeschlossen ist.
  • Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, nur die vorgestellten Ausführungsbeispiele zu betreffen, sondern es sind viele Änderungen im Rahmen des erfinderischen Gedankens möglich sind, der von den Ansprüchen festgelegt wird. Eine erfindungsgemäße Mobilstation kann eine Mobilstation sein, die zu einem beliebigen Zellensystem gehört.

Claims (7)

  1. Modulator, der eine Gilbertzelle verwendet, wobei der Modulator folgendes umfasst: eine Schaltanordnung zum Koppeln einer Trägerwelle mit dem Modulator und eine Treiberanordnung zum Koppeln eines Informationssignals mit dem Modulator, wobei die Treiberanordnung Stromspiegel umfasst, und mindestens einer der Stromspiegel ein Transistorpaar umfasst, gekennzeichnet durch mindestens eine Tiefpassfilter-Anordnung, die sich zwischen dem Transistorpaar befindet, um das Informationssignal für den Modulator zu filtern, bevor das Informationssignal mit der Trägerwelle gemischt wird.
  2. Modulator nach Anspruch 1, wobei die Tiefpassfilter-Anordnung ein Widerstandsglied und ein Kondensatorglied umfasst.
  3. Modulator nach Anspruch 2, wobei das Transistorpaar Steuerklemmen und andere Klemmen aufweist, und wobei das Widerstandsglied die Steuerklemmen des Transistorpaars eines Stromspiegels miteinander koppelt und das Kondensatorglied die Steuerklemmen mit anderen Klemmen der Transistorglieder koppelt.
  4. Modulator nach Anspruch 3, wobei das Transistorpaar Feldeffekttransistoren umfasst, und wobei das Widerstandsglied die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren miteinander koppelt und das Kondensatorglied die Gate-Anschlüsse mit den Drain-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren koppelt.
  5. Modulator nach Anspruch 1, wobei die Stromspiegel Steuerseiten aufweisen, und der ferner Eingänge umfasst, die zu übertragende Daten mitteilen, und wobei die Steuerseiten der Stromspiegel mit den Eingängen über Transistorglieder gekoppelt sind.
  6. Modulator nach Anspruch 1, umfassend einen Direktwandlungsmodulator.
  7. Mobilstation, umfassend einen Transceiver mit einem Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
DE69937329T 1998-10-30 1999-10-28 Modulator für einen Sender und eine Mobilstation Expired - Lifetime DE69937329T2 (de)

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