Die Erfindung betrifft eine Multipliziererschaltung mit
Offset-Kompensation und einen Quadrikorrelator mit solchen
Multipliziererschaltungen.
Zur Demodulation frequenzmodulierter Signale in Mobilfunk-Empfängern
können Quadrikorrelatoren verwendet werden. Bei
dem DECT-(Digital enhanced cordless telecommunication-) Standard
wird ebenso wie bei Bluetooth eine GFSK-Modulation
(Gaußsche Frequenzumtastung) eingesetzt. In Mobilfunk-Empfängern,
die die genannten Standards einsetzen, kann die
Zwischenfrequenz null betragen oder sehr gering sein.
Zur Umwandlung des Nutzsignals in ein Basisband-Signal mittels
FM-Demodulatoren können sogenannte Quadrikorrelatoren
verwendet werden. Im Aufsatz "Properties of Frequency Difference
Detectors" von Floyd M. Gardner, IEEE Transactions on
Communications, volume COM-33, Seiten 131 bis 138, Februar
1985 ist in Figur 3 ein symmetrischer Quadrikorrelator angegeben.
Dabei sind im I- und im Q-Pfad jeweils Analogmultiplizierer
vorgesehen, denen ein Phasenverschiebungsnetzwerk vorgeschaltet
ist, und deren Ausgänge in einem Differenzknoten
verbunden sind.
Problematisch bei Quadrikorrelatoren ist, daß die Analogmultiplizierer
üblicherweise Gleichspannungsoffsets aufweisen,
die ein Übersprechen des Eingangssignals des Demodulators auf
den Ausgang zur Folge haben. Hierdurch wird dem Nutzsignal
ein Störsignal überlagert, welches besonders bei der digitalen
Weiterverarbeitung des Nutzsignals in Basisband-Bausteinen
zu Problemen führt.
Es ist bekannt, die Gleichspannungsoffsets der Analogmultiplizierer
durch Vergrößern der Chipfläche zu verringern.
Durch die somit verbesserte Anpassung bei den Analogmultiplizierern
wird die Bitfehlerrate (bit error rate) bei der Weiterverarbeitung
des Nutzsignals zwar verringert, der vergrößerte
Chipflächenbedarf ist jedoch insbesondere dahingehend
nachteilig, daß in Mobilfunkanwendungen üblicherweise Baugröße,
Gewicht und Kostenreduzierung besondere Bedeutung beigemessen
wird.
Zur Unterdrückung von Gleichspannungs-Offsets in Verstärkern
ist es bekannt, sowohl das Eingangssignal als auch das Ausgangssignals
des Verstärkers periodisch in der Polarität umzuschalten
(Chopping). Dabei muß die Umschaltfrequenz gemäß
dem Abtasttheorem mindestens doppelt so groß wie die maximale
Nutzfrequenz des Verstärkers sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Multipliziererschaltung mit Offsetkompensation sowie einen
Quadrikorrelator mit solchen Multipliziererschaltungen anzugeben,
bei denen ein offsetbedingtes Übersprechen von Einauf
Ausgang reduziert ist, welche mit geringem Chipflächenbedarf
realisierbar und zur Anwendung in Mobilfunk-Empfängern
geeignet sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Multipliziererschaltung
mit Offset-Kompensation gelöst, aufweisend
- einen Analogmultiplizierer mit einem ersten Signaleingang,
einem zweiten Signaleingang und einem Ausgang, an dem ein
multipliziertes Signal abgreifbar ist,
- eine Schalteinrichtung zur Polaritätsumkehr, die an den ersten
Signaleingang angeschlossen ist, und
- eine Schalteinrichtung zur Polaritätsumkehr, die an den
zweiten Signaleingang angeschlossen ist.
Ein Gleichspannungsoffset eines Analogmultiplizierers wird
dadurch kompensiert, daß beiden Eingängen des Analogmultiplizierers
Umschalter zum Umpolen der jeweiligen Eingangsspannungen
vorgeschaltet sind. Die Eingangsspannungen können dabei
jeweils gleichzeitig umgepolt werden. Wenn beide Eingangssignale
umgepolt zugeführt werden, so hebt sich durch
Produktbildung am Ausgang das Minus-Vorzeichen auf. Das Umpolen
kann periodisch erfolgen.
Die beiden Eingänge können an eine gemeinsame Schalteinrichtung
oder an zwei voneinander getrennte Schalteinrichtungen
angeschlossen sein.
Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß Signale, die
am Eingang des Analogmultiplizierers zuführbar sind, nicht
auf den Ausgang des Analogmultiplizierers übersprechen. Falls
am Ausgang des Analogmultiplizierers ein Gleichspannungs-Offset
bestehen bleibt, so kann dieser in einfacher Weise unterdrückt
werden, da er wie ein Frequenzfehler behandelt werden
kann. Am Ausgang des Analogmultiplizierers ist durch Elimination
des negativen Vorzeichens durch die Produktbildung
kein weiterer Umschalter erforderlich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist der Schalteinrichtung ein Taktsignal mit einer
Umschaltfrequenz zuführbar. Dabei kann für beide Signaleingänge
des Analogmultiplizierers je eine Schalteinrichtung
oder eine gemeinsame Schalteinrichtung vorgesehen sein. Die
Schalteinrichtungen können mit der Umschaltfrequenz so angesteuert
sein, daß die den Signaleingängen zuführbaren Eingangssignale
jeweils gleichzeitig umgepolt werden.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die Umschaltfrequenz größer oder gleich
der doppelten Frequenz der den Signaleingängen zuführbaren
Signale. Gemäß dem Abtasttheorem ist die niedrigste Abtastfrequenz,
bei der sich das Nutzsignal noch fehlerfrei,
das heißt ohne Informationsverlust rekonstruieren läßt, größer
oder gleich der doppelten, maximalen Nutzsignalfrequenz.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung liegt die Umschaltfrequenz in einem Bereich
zwischen 4-facher und 32-facher Frequenz der den Signaleingängen
zuführbaren Signale.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die Spannung am Ausgang des Analogmultiplizierers
das Produkt aus den Spannungen der den Signaleingängen
zuführbaren Signale.
Wenn die den Signaleingängen des Analogmultiplizierers zuführbaren
Signale als Differenzsignale vorliegen, kann es
vorteilhaft sein, daß die Signaleingänge des Analogmultiplizierers
je zwei Klemmen zur Zuführung der als Differenzsignale
vorliegenden Eingangssignale aufweisen.
Falls die Eingangssignale als Differenzsignale vorliegen,
kann das Umpolen in den Schalteinrichtungen dadurch besonders
einfach gestaltet sein, daß zur Polaritätsumkehr der Eingangssignale
lediglich die beiden, daß Differenzsignal führenden
Leitungen verpolt werden müssen.
Bezüglich des Quadrikorrelators wird die Aufgabe mit einem
Quadrikorrelator gelöst, bei dem je ein Analogmultiplizierer
in einem I- und in einem Q-Pfad eines Quadrikorrelators vorgesehen
ist, wobei die Ausgänge der Analogmultiplizierer in
einem Differenzknoten verbunden sind, und an die Eingänge der
Analogmultiplizierer je eine Schalteinrichtung zum periodischen
Umpolen der Signalspannungen der Eingangssignale angeschlossen
ist. Der Differenzknoten kann ein Summierglied
sein, dem der I-Pfad mit positivem und der Q-Pfad mit negativem
Vorzeichen zuführbar ist.
Hierdurch wird bei einem zur Frequenzdemodulation einsetzbaren
Quadrikorrelator ein Übersprechen der Signale auf den I-und
Q-Pfaden auf das Ausgangssignal des Quadrikorrelators
verhindert. Somit ist eine digitale Weiterverarbeitung des
Nutzsignals, beispielsweise in einem Basisband-Baustein, mit
einer Bitfehlerrate (bit error rate) realisierbar, welche
null oder minimal ist.
Das vorliegende Prinzip ist nicht auf die Anwendung bei Mischer-
oder Demodulatorschaltungen begrenzt, sondern kann von
einem Fachmann entsprechend auf andere Anwendungen übertragen
werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
anhand eines Blockschaltbildes,
- Figur 2
- eine Analogmultipliziererschaltung gemäß Figur 1,
angewandt in einem Quadrikorrelator, und
- Figur 3
- eine Umschalteinrichtung für Differenzsignale zur
Anwendung in Multipliziererschaltungen gemäß Figur
1 oder Figur 2.
Figur 1 zeigt eine Multipliziererschaltung mit einem Analogmultiplizierer
M1, der einen ersten Signaleingang E1, einen
zweiten Signaleingang E2 und einen Ausgang A aufweist. An die
Signaleingänge E1, E2 des Analogmultiplizierers M1 ist je eine
Schalteinrichtung S1, S2 angeschlossen.
Die Schalteinrichtungen S1, S2, denen ein Taktsignal C zuführbar
ist, dienen zum gleichzeitigen, periodischen Umpolen
der Spannungen U1, U2 der Eingangssignale E1, E2. Die Ausgangsspannung
UA des Analogmultiplizierers M1 entspricht der
Multiplikation der Spannungen U1, U2 der Eingangssignale E1,
E2 gemäß der Formel
UA = U1·U2.
Sofern der Analogmultiplizierer einen Gleichspannungsoffset
UO1, UO2 zwischen Ein- und Ausgang aufweist, so gilt für die
Ausgangsspannung UA:
UA = (U1+UO 1)*(U2+UO 2) = U1*U2+U1*UO 2 +U2*UO 1+UO 1*UO 2
Sind beide Eingangsspannungen umgepolt, so gilt:
UA = (-U1)*(-U2) = U1*U2
Setzt man die Umschaltfrequenz fc des Taktsignals C als groß
gegenüber der Frequenz des Eingangssignals voraus, so gilt
gemäß der Addition beider Schaltzustände zur Mittelung über
eine Periode des Taktsignals C:
2*UA = (U1 + UO 1)*(U2 + UO 2)+(-U1+UO 1)*(-U2+UO 2)
=U1*U2+U1*UO 2 + U2*UO 1
+UO 1*UO 2+(-U1)*(-U2)+(-U1)*UO 2+(-U2)*UO 1+UO 1*UO 2
=U1*U2+(-U1)*(-U2)+(U1-U1)*UO 2+(U2-U2)*UO 1+UO 1*UO 2+UO 1*UO 2
= 2*U1*U2+2*UO 1*UO 2
oder zusammengefaßt und gekürzt
UA = U1*U2+UO 1 *UO 2
Da die gemischten Therme verschwinden, werden Signale, die
vom Eingang des Analogmultiplizierers oder Mischers zum Ausgang
überkoppeln, unterdrückt. Der verbleibende, reine
Gleichspannungs-Offset UO1*UO2 ist deshalb unproblematisch, da
er wie ein Frequenzfehler erkannt und unterdrückt werden
kann.
Es ist also mit geringem schaltungstechnischem Aufwand eine
Multipliziererschaltung angegeben, bei der ein Übersprechen
von Eingangssignalen auf den Ausgang unterdrückt ist. Diese
Multipliziererschaltung ist in einfacher Weise mit geringem
Bedarf an Chipfläche realisierbar, beispielsweise in Mobilfunkanwendungen.
Figur 2 zeigt einen zur Frequenzdemodulation eingesetzten
symmetrischen Quadrikorrelator mit einem I- und einem Q-Pfad.
Im I- und Q-Pfad ist jeweils ein Analogmultiplizierer M1, M2
vorgesehen. Die Ausgänge der Analogmultiplizierer M1, M2 sind
in einem Differenzknoten zur Differenzbildung der Ausgangsspannungen
UA, UB verbunden. Dem differenzbildenden Knoten D
kann beispielsweise ein Basisbandbaustein zur digitalen Weiterverarbeitung
des Nutzsignals nachgeschaltet sein. Die Analogmultiplizierer
M1, M2 weisen jeweils zwei Eingänge E1, E2
bzw. E3, E4 auf, an die jeweils eine Umschalteinrichtung S1,
S2, S3, S4 angeschlossen ist. Den Umschalteinrichtungen S1,
S2, S3, S4 ist jeweils ein Taktsignal C zuführbar. Abhängig
vom Taktsignalpegel liegt an den Ausgängen der Umschalteinrichtungen
S1 bis S4 die Spannung des Eingangssignals U1, U2,
U3, U4 identisch oder invertiert an. Während die Schalteinrichtungen
S1 und S4 unmittelbar im I- bzw. im Q-Pfad angeordnet
sind, sind die Schalteinrichtungen S2, S3 mittelbar
über ein Phasenverschiebungsnetzwerk FS mit I- bzw. Q-Pfad
verbunden.
Durch jeweils gleichzeitiges Umpolen der Signalspannungen U1,
U2, U3, U4 der an den Eingängen E1 bis E4 anliegenden Eingangssignale
der Analogmultiplizierer M1, M2 mit einer Umschaltfrequenz
fc wird ein Übersprechen der Eingangssignale
der Analogmultiplizierer auf ihre Ausgänge bzw. den Ausgang
des Quadrikorrelators wirksam unterdrückt. Die Umschaltfrequenz
fc ist dabei gemäß Abtasttheorem zumindest doppelt so
groß wie die maximal auftretende Nutzsignalfrequenz. Für eine
einfache, schaltungstechnische Realisierung kann die Umschaltfrequenz
fc beispielsweise in einem Bereich zwischen 4-facher
und 32-facher Nutzsignalfrequenz liegen.
Sofern die den Analogmultiplizierern M1, M2 an ihren Signaleingängen
E1 bis E4 zuführbaren Signale als Differenzsignale
vorliegen, kann die Polaritätsumkehr der Eingangssignale
in einfacher Weise mit einer Umschalteinrichtung M1 gemäß
Figur 3 bewerkstelligt werden. Denn zum Umpolen bzw. invertieren
der Eingangssignale ist lediglich das Vertauschen der
beiden das Differenzsignal führenden Leitungen erforderlich.
Selbstverständlich kann das für die erste Schalteinrichtung
S1 gezeigte Prinzip auch für die weiteren Schalteinrichtungen
S2 bis S4 angewandt werden.