FI90165B

FI90165B - I/q-modulator och demodulator

Info

Publication number: FI90165B
Application number: FI915892A
Authority: FI
Inventors: Risto Vaeisaenen
Original assignee: Nokia Mobile Phones Ltd
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1993-09-15
Also published as: JPH05268281A; FI915892A; EP0546719B1; US5311151A; FI915892A0; FI90165C; EP0546719A1; DE69219742D1; JP3140871B2; DE69219742T2

Description

1 90165 I/Q-modulaattori ja -demodulaattori -l/Q-modulator och demodulator 5

Keksintö koskee piirijärjestelyä I/Q-modulointia ja vastaavasti 1/Q-demodulointia varten patenttivaatimusten 1 ja 2 johdannon mukaisesti.

10 Passiivisilla komponenteilla toteutettu tyypillinen I/Q-modulaattori tai I/Q-demodulaattori on toteutettu käyttämällä kahta kaksoisbalansoitua sekoittajaa, jotka kummatkin sisältävät kaksi rf-muuntajaa ja neljä diodia. Esimerkki tällaisesta yleisesti käytetystä demodulaattorista 15 on esitetty kuviossa 1. Siinä tulosignaali, eli välitaa-juinen signaali IF IN jaetaan kahteen haaraan ja haarojen välille muodostetaan 90 asteen vaihe-ero vaiheensiirto-piirissä 101. Kummatkin tuloksena olevat signaalit 102 ja 103, joita tässä hakemuksessa sanotaan sekoitussignaaleik-20 si, johdetaan kaksoisbalansoiduille sekoittajille 125 ja vastaavasti 125'. Toisen haaran sekoittaja 125 muodostuu balansoiduista muuntajista 126 ja 128 sekä neljän diodin muodostamasta sillasta 127. Muuntajan 126 jälkeen sekoi-tussignaali 112 liitetään diodisillan 127 väliottoihin a, 25 e. Sekoittajan 125 toisiin väliottoihin c, d johdetaan signaalina 124 myös paikallisoskillaattorin signaali LO IN tehonjakajan 111 kautta. Sekoitustuloksena saadaan sekoittajasta 125 I-signaali 113, joka alipäästösuodate-taan ja johdetaan lähtösignaaliksi I. Toisen sekoittaja-30 piirin 125' toiminta on vastaava, ja vastaavat viitenumerot on merkitty heittomerkillä ('); sekoitussignaali 103 liitetään diodisillan 125' väliottoihin f, b. Toisesta sekoittajasta 125' saadaan Q-signaali, jolla on 90 asteen vaihe-ero I-signaaliin nähden, josta johtuvat merkinnät I 35 = In phase (samavaiheinen) ja Q = Quadrature (90 vaihe- erolla ) .

2 90165

Tunnettu demodulaattori voidaan piirijärjestelyn symmetrian johdosta toteuttaa monin eri tavoin, saman lopputuloksen tuottamiseksi. Tämä on pidettävä mielessä tätä patenttiselitystä luettaessa, vaikka asiaa ei joka koh-5 dassa ole erikseen mainittu. Näin ollen esimerkiksi 90 asteen vaihe-ero voidaan muodostaa paikallisoskillaatto-risignaalien 124 ja 124' välille, jolloin sekoitussignaa-lien 102 ja 103 välille ei muodosteta vaihe-eroa tällöin tehonjakajana toimivassa piirissä 101.

10

Edellä mainitun symmetrian mukaisesti voidaan demodulaat-toripiirin toiminta analogisella tavalla kääntää modulaat-toripiirin toiminnaksi, jossa myös pätevät eri funktioiden useammat toteutusmahdollisuudet symmetrian ansiosta, kuten 15 alalla tiedetään.

Keksinnön tavoitteena on alussa mainitun lajisen modulaattori- ja demodulaattori-järjestelyn yksinkertaistaminen.

20 I/Q-modulaattori tai -demodulaattori voidaan myös toteuttaa käyttäen sekoittajien muuntajina piirilevylle tehtyjä liuskajohtomuuntajia. Tällainen ratkaisu on hinnaltaan edullisempi kuin erillisten muuntajien käyttö, mutta se vaatii enemmän pinta-alaa, joka joissakin tapauksissa voi 25 muodostua vakavaksi puutteeksi.

Keksinnön mukaisesti edellä mainittu tavoite ratkaistaan modulaattorin osalta patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkien mukaisesti ja demodulaattorin osalta patenttivaatimuksen 30 2 tunnusmerkkien mukaisesti. Kummassakin tapauksessa oleellisena ajatuksena on yhden ainoan sekoittajapiirin käyttäminen kumpaakin sekoitussignaalin haaraa varten yhdistämällä kahden sekoittajan yhteiset osat. Keksinnön mukaisessa piirijärjestelyssä on siten kahden diodisillan 35 ja neljän muuntajan sijasta yksi diodisilta ja yksi muuntajan 180 asteen vaiheensiirron toteuttava piiri, esim. balansoitu muuntaja tai liuskajohtomuuntaja. Tällöin 3 90165 muuntajalle voidaan helposti järjestää balanssin säätö, joka kahden sekoittajan kytkennässä olisi erittäin vaikeasti toteutettavissa, jos lainkaan mahdollista.

5 Keksinnön mukaisessa piirijärjestelyssä muuntaja voidaan edullisesti korvata aktiivisella piirillä, joka muodostaa paikallisoskillaattorisignaaliin 180 asteen vaihesiirron.

Edelleen keksinnön mukaisessa piirijärjestelyssä diodi-10 sillan diodit voidaan korvata kanavatransistoreilla (FET), jolloin koko modulaattori tai demodulaattori voidaan toteuttaa integroituna piirinä.

Keksinnöllistä piirijärjestelyä voidaan käyttää erityi-15 sesti GSM- ja muissa matkapuhelimissa, joissa uusi piiri-järjestely tarjoaa tekniikan tasoon nähden halvemman, kevyemmän, vähemmän tilaa vievän ja vähemmän tehoa kuluttavan, sekä toiminnaltaan luotettavamman ratkaisun 20 Seuraavassa keksintöä selitetään suoritusesimerkkien avulla oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa: kuvio 1 on esimerkki tekniikan tason mukaisesta demodu-laattorin toteuksesta, jota edellä on käsitelty; 25 kuvio 2 on keksinnön mukaisen 1/Q-demodulaattorin periaatteellinen kytkentäkaavio; kuvio 3 on yksityiskohtaisempi esimerkki kuvion 2 demodu-laattorin toteutuksesta; kuvio 4 on keksinnön mukaisen I/Q-modulaattorin periaat-30 teellinen kytkentäkaavio; kuvio 5 on keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisessa piirijärjestelyssä muuntajan korvaavan aktiivisen piirin esimerkki; ja kuvio 6 on toinen esimerkki muuntajan korvaamisesta 35 jakajapiirillä.

Keksinnön mukaisen I/Q-piirijärjestelyn periaate esitetään 4 90165 kuvion 2 avulla, jossa on esitetty I/Q-demodulaattorin yksinkertaistettu piirikaavio. Vaiheistusosien 1 lisäksi sekoittajassa 25 käytetään vain yhtä rf-muuntajaa 8 ja neljää diodia 4, 5, 6 ja 7. Tämä on mahdollista yhdistämällä kahden sekoit-5 tajän yhteiset osat. Tulosignaali IF IN jaetaan jakopiirissä 1 kahteen haaraan 2 ja 3, joiden välillä on 90 asteen vaihe-ero. Sekoitussignaali 2 liitetään diodisillan 27 välioton a sekä maan välille; sekoitussignaali 3 liitetään diodisillan 27 välioton b ja maan välille. Paikallisoskillaattorisignaali 10 LO IN johdetaan muuntajan 8 kautta ja liitetään signaalina 24 diodinelikön 27 vastakkaisiin väliottoihin c, d. Sekoitustu-loksena saadaan I- ja Q-signaalit 13 ja 14, jotka alipäästö-suodatuksen 9 ja vastaavasti 10 kautta johdetaan lähtösig-naaleiksi I ja Q.

15

Kaksi sekoittajaa on mahdollista yhdistää esitetyllä tavalla, koska paikallisoskillaattorisignaalin LO IN positiivisella puoli jaksolla vain diodit 4 ja 5 ovat johtavina, ja negatiivisella puolijaksolla diodit 6 ja 7 ovat johtavina. Sen 20 sijaan I- ja Q-haarojen välillä olevat diodit 4 ja 7 tai vastaavasti 5 ja 6 eivät koskaan ole samanaikaisesti johtavina, jolloin eri haarojen signaalit eivät sekoitu tai summaudu keskenään. Signaalin 24 positiivisella puolijaksolla sekoitussignaali 2 kulkee väliotosta a diodien 4 ja 5 läpi 25 väliottoihin c ja d ja siitä muuntajan 8 toision kautta signaalimaahan, jolloin diodit 6 ja 7 ovat estotilassa, ja näin ollen sekoitussignaali 2 sekä tulossignaali 13 on sig-naalimielessä erotettu Q-haaran signaaleista 3 ja 14. Sekoi-tustulos 13 saadaan samasta väliotosta a, johon sekoitus-30 signaali 2 on liitetty. Signaalin 24 negatiivisella puoli-jaksolla sekoitussignaali 3 kulkee vastaavasti väliotosta b diodien 6 ja 7 kautta väliottoihin c ja d ja siitä muuntajan 8 toision kautta signaalimaahan, jolloin diodit 4 ja 5 ovat estotilassa, ja näin ollen sekoitussignaali 3 sekä tulossig-35 naali 14 on signaalimielessä erotettu I-haaran signaaleista 2 ja 13. Q-haaran sekoitustulos 14 saadaan diodien 6 ja 7 5 90165 välisestä väliotosta b.

Kuviossa 2 periaatteellisesti esitetyn I/Q-demodulaattorin yksityiskohtaisempi kytkentäkaavio on esitety kuviossa 3. 5 Vaiheistuslohkon 1 toiminta on toteutettu vastuksella R185 ja kondensaattorilla C186 I-haaran osalta, vastuksella R187 ja C188 Q-haaran osalta. Alipäästösuodatukset 9 ja 10 on toteutettu vastuksella R189 ja kondensaattorilla C189 I-haaran osalta, vastuksella R190 ja kondensaatto-10 rilla C190 Q-haaran osalta. Kuviossa 3 diodisilta 27 on toteutettu kahden diodiparin avulla (piirit U185 ja U186). Muuntajaa 8 vastaa komponentti T185. Lähdöt RX-I ja RX-Q vastaavat kuvion 2 lähtöjä I ja Q. Vastukset R186 ja R188 sekä kondensaattori C188 liittyvät piirin tasavirtaero-15 tukseen ja impedanssisovitukseen.

Kuviossa 4 on esitetty keksinnön mukaisesti toteutetun 1/Q-modulaattorin periaatteellinen kytkentäkaavio. Tu-losignaaleina ovat signaalit I ja Q, jotka johdetaan neljän 20 diodin 4-7 muodostamaan diodisiltaan 27. Muuntajan 8 kautta diodisiltaan johdetaan oskillaattorisignaali LO IN. Sekoitussignaalit 2 ja 3 johdetaan vaiheistuspiiriin 1, jonka lähdössä sadaan yhdistetty lähtösignaali RF OUT. Modulaattorin toiminta voidaan ymmärtää edellä olevan 25 demodulaattorin selityksen avulla, ottamalla huomioon looginen symmetrisyys.

Verrattaessa kuvioita 2-4 toisaalta ja kuviota 1 toisaalta, huomataan, että keksinnön mukaisissa piireissä 30 voidaan käyttää pienempää paikallisoskillaattorin signaa-litasoa, koska paikallisoskillaattorin signaalia ei tarvitsee jakaa kahteen haaraan tehonjakajalla tai vaiheis-tuspiirillä. Tämä yksinkertaistaa osaltaan oskillaattori-piirin suunnittelua ja pienentää sen tehon kulutusta.

Keksinnön mukaisessa piirissä muuntajaan 8 voidaan lisätä balanssisäätö (ei esitetty) modulaattorin kantoaaltovuodon 35 6 90165 minimoimiseksi. Muuntajana voidaan myös käyttää liuska-johtomuuntajaa, myös silloin kun tilaa on rajoitetusti, koska muuntajia nyt tarvitaan vain yksi verrattuna tekniikan tason neljään muuntajaan.

5

Keksinnön mukaista 1/Q-modulaattoria ja I/Q-demodulaatto-ria voidaan kehittää edelleen siten, että kuvioissa 2 ja 4 esitetty muuntaja 8 korvataan jollain muulla kytkennällä tai komponentilla, jolla aikaansaadaan signaalin 180 10 asteen vaihesiirto. Suurilla taajuuksilla voidaan käyttää esimerkiksi puolen aallon mittaista siirtolinjaa (ei esitetty). Pienemmillä taajuuksilla voidaan käyttää puolijohteilla toteutettua aktiivista vaiheistuspiiriä. Kuviossa 5 on esimerkkinä tällaisesta esitetty transisto-15 reillä toteutettu vaiheistuspiiri 8'. Tässä lähtösignaali 0° vastaa kuvion 2 yhteydessä mainittua positiivisen puolijakson ohjaussignaalia. Vastaavasti lähtösignaali 180° vastaa kuvion 2 yhteydessä mainittua negatiivisen puolijakson ohjaussignaalia.

20

Aktiivinen 180 asteen vaihesiirtoelin voidaan myös toteuttaa jakajapiirillä 8" (kuvio 6), jonka lähdöistä saadaan tarpeelliset lähtösignaalit (0° ja 180°).

25 Kuvioiden 2 ja 4 diodisiltojen diodit 4-7 voidaan myös korvata muilla puolijohteilla, kuten esimerkiksi kanava-transistoreilla (FET).

Sellaisessa tapauksessa, jossa muuntaja 8 korvataan ak-30 tiivisilla komponenteilla tai komponentilla, voidaan keksinnön mukaisesti koko modulaattori ja vastaavasti demo-dulaattori tehdä integroitujen piirien tekniikalla, esim. yhdelle IC-piirille. Pienemmillä taajuuksilla voidaan käyttää CMOS-tekniikkaa. Suuremmilla taajuuksilla integ-35 rointiin soveltuu esim. GaAS-tekniikka tai bipolaaritek-niikka.

Il 7 90165

Edellä keksintöä on selitetty muutamien suoritusesimerk-kien avulla. Tämän selityksen luettuaan alan ammattilainen voi soveltaa keksinnöllistä ajatusta monella muullakin tavalla, esimerkiksi muuntelemalla modulaattorin ja vas-5 taavasti demodulaattorin piirin rakennetta ja komponent-tiarvoja, poikkeamatta keksinnön suoja-alasta, joka määritellään oheisissa patenttivaatimuksissa. Palautettakoon mieliin, että kuten selityksen alussa mainittiin, I/Q-mo-dulaattorin symmetria sallii esim. vaihesiirron suoritta-10 misen piirin eri kohdissa.

15 20 25 30 35

Claims

1. I/Q-modulaattorin piirijärjestely, jossa I-signaali ja Q-signaali kulloinkin sekoitetaan diodisillassa (27) pai-kallisoskillaattorisignaaliin (LO IN), ja jossa sekoitus- 5 signaalit (2, 3) toisen sekoitussignaalin (2 tai 3) 90 asteen vaiheensiirron (1) jälkeen yhdistetään lähtösignaalin (RF OUT) muodostamiseksi, tunnettu siitä, että I-signaali (13) ja Q-signaali (14) johdetaan saman diodisillan (27) eri väliot-toihin (a, b) ja paikallisoskillaattorisignaali tämän diodi-10 sillan toisiin väliottoihin (c, d) (kuvio 4).

2. I/Q-demodulaattorin piirijärjestely, jossa tulosignaali (IF IN) jaetaan (1) kahdeksi 90 asteen keskinäisellä vaihe-erolla varustetuksi sekoitussignaaliksi (2, 3), jotka kulloin- 15 kin sekoitetaan diodisillassa (27) paikallisoskillaattorisig-naaliin (LO IN) I-signaalin (13) ja Q-signaalin (14) muodostamiseksi, tunnettu siitä, että paikallisoskillaattorisignaali (LO IN) johdetaan diodisillan (27) väliottoihin (c, d) ja että I-signaali (2) ja Q-signaali (3) saadaan tämän saman diodisil-20 lan toisista väliotoista (kuvio 2).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että sekoitussignaali (2 ja vast. 3) on kytketty diodisillan (27) samaan väliottoon (a ja vast, b) kuin 25 kulloinenkin I-signaali (13) ja vastaavasti Q-signaali (14).

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että diodisillan (27) diodit (4 - 7) on korvattu kanavatransistoreilla (FET). 30

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että paikallisoskillaattorisignaali (LO IN) on johdettu diodisiltaan (27) aktiivisen piirin kautta (8'; 8"), joka muodostaa paikallisoskillaattorisignaaliin (LO

35 IN) 180 asteen vaihesiirron. 9 9 Π1 6 5

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, paikallisoskillaattorisignaali (LO IN) on johdettu diodisiltaan (27) puolen aallon mittaisen siirtolinjan kautta. 5

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että paikallisoskillaattorisignaali (LO IN) on johdettu diodisiltaan (27) muuntajan (8), edullisesti liuska-johtomuuntajan kautta. 10

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen piirijärjestely, tunnettu siitä, että muuntaja (8) on balansoitu muuntaja.

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen piirijärjestely, 15 tunnettu siitä, että muuntajaan (8) on kytketty balanssisäätö.