SE501604C2 - Metod och anordning för sampling av elektriska signaler - Google Patents

Description

501 604 10 15 20 25 30 2 Eftersom modern signalbehandling nästan uteslutande använder digital teknik, omvandlas I- och Q-signalerna till digital form i en analog/digitalomvandlare varefter signalbehandlingen, exempelvis filtreringar, utförs.

I många tillämpningar, och speciellt i radartillämpningar, är kraven på amplitudlikhet och fasortogonalitet mellan I- och Q-signalerna mycket höga. Detta leder till att någon form av automatiskt, aktivt kalibreringsförfarande van- ligtvis användes. Kalibreringsförfarandet förbrukar signalbehandlingskapacitet och kräver dessutom viss extra utrustning. Det är därför önskvärt att eliminera behovet av kalibrering.

En metod att undanröja kalibreringsbehovet är att utföra analog/digitalomvandlingen direkt på den mellanfrekventa signalen och därefter dela upp de erhållna signalsamplen till ett I- och ett Q-värde med hjälp av digitala filter.

Exempel på anordningar som utnyttjar denna metod finns beskrivna i patentskrifterna EP-109121 och UK2176362. Även denna metod har nackdelar. Användning av metoden är sålunda begränsad på grund av begränsningar i analog/- digitalomvandlarnas omvandlingshastigheter :i kombination med noggrannhet. Kraven på snabbhet för logiken i de digitala filtren är också stort. Snabbhetskraven leder till ett ökat effektbehov.

Syftet med den nu föreliggande uppfinningen är därför att eliminera behovet av filtrering för att åstadkomma kvadra- tursignaler från en amplitudmodulerad bärvågssignal och att reducera kraven på analog/digitalomvandlingshastighet samtidigt som höga krav på noggrannhet i I- och Q-kanalerna och mycket låg effektförbrukning uppfylles. 10 15 20 25 501 604 3 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ovannämnda syfte uppnås genom en metod för sampling av en elektrisk signal enligt föreliggande uppfinning, vars kännetecken framgår av efterföljande patentkrav 1.

Nämnda syfte uppnås även genom en anordning för sampling av en elektrisk signal enligt föreliggande uppfinning, vars kännetecken framgår av efterföljande patentkrav 8.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar' i ett tidsdiagram en amplitudmodulerad bärvåg.

Figur 2 visar en utföringsform av en samplingsanordning enligt uppfinningen.

FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM Inledningsvis skall i anslutning till fig 1 den teoretiska bakgrunden till uppfinningen beskrivas.

Diagrammet i figur 1 visar ett amplitud-tidsdiagram 1 med en tidsaxel 2, en signalamplitudaxel 3 och en amplitud- modulerad bärvågssignal 4, vars envelopp är betecknad med 5. Bärvågssignalen 4 antas samplas vid fyra tidpunkter, där den första samplingstidpunkten anges med referensnumret 6 och den andra till och med den fjärde samplingstidpunkten anges med 7, 8 respektive 9. Vid samplingstidpunkterna är bärvågssignalens amplitud a6, a7, a8 respektive a9.

Avståndet mellan samplingstidpunkterna antas här vara 1/4 av bärvågssignalens periodtid.

Eftersom 1/4 av periodtiden motsvarar 9Ukan man betrakta exempelvis amplitudvärdena a6 och a7 som ett I/Q-par där I=a6 och Q=a7. Denna enkla metod ger emellertid stora fel. 10 15 20 25 501 604 4 I/Q-värdena är visserligen ortogonala men de hänför sig till olika tidpunkter (6 respektive 7) och representerar därför olika amplituder hos enveloppen.

Det är dock möjligt att med kända metoder beräkna filter- funktioner som med hjälp av flera sampel beräknar I/Q-par hänförda till samma samplingstidpunkt. Metoderna utnyttjar förhållandet att de filtrerade signalerna kan beskrivas matematiskt med hjälp av serieutvecklingar där termerna i serien utgörs av viktade värden av samplen. Vid beräkningen av viktningskoefficienterna avgör de aktuella noggrann- hetskraven hur många termer, och därmed sampel, som skall medtagas.

Med de tidigare nämnda fyra samplen kan man härleda följande uttryck för I och Q: i H H (a6-3~a8)/4 ...(A) (-3 a7+a9)/4 ...(B) Detta I/Q-par ger en korrekt interpolation av en linjärt eller kvadratiskt varierande signal, som representerar amplituden vid en tidpunkt “7,5", det vill säga mitt mellan tidpunkterna 7 och 8, för både I och Q med bibehållen ortogonalitet.

För att kunna ta hänsyn till termer med högre gradtal i den serieutveckling som representerar insignalens envelopp kan flera sampel tas. Om ytterligare två sampel med amplituder- na al0 och all tas, kan följande uttryck beräknas: I Q (ae-10-as+5-alo)/16 (5-av-10-a9+a11)/16 ...(c) ...(0) vilket ger korrekt värde även för en kubiskt varierande signal. Uttrycken representerar ett I/Q-par som hänför sig 10 15 20 25 30 501 604 5 till en samplingstidpunkt mitt mellan samplen a8 och a9.

Det kan här noteras att den använda beräkningsmetoden ger koefficienter i I/Q-filtren som är spegelsymmetriska mellan I och Q.

Den nu föreliggande uppfinningen anvisar en metod och en anordning genom vilka I- och Q-signaler enligt ovannämnda uttryck direkt erhålles från samplingen utan att digital filtrering behöver utföras. Metoden kan beskrivas på följande sätt: I ett inledningsskede ansluts ett antal parallellkopplade kondensatorer till insignalen. Under den tidsperiod som samplingen utförs, kopplas vid varje samplingstillfälle en kondensator bort från insignalen. Varje sådan bortkopplad kondensatorer kommer därigenom att innehålla en laddning som representerar insignalens värde (amplitud) vid samp- lingstillfället.

Då samplingen avslutats parallellkopplas de bortkopplade kondensatorerna och deras laddningar omfördelas mellan dem i beroende av respektive kondensators kapacitans. Som närmare kommer att framgå i anslutning till den följande beskrivningen av ett utföringsexempel, kan förhållandet mellan kondensatorernas kapacitans väljas så att den över de parallellkopplade kondensatorerna resulterande spän- ningen motsvarar det ovan visade uttrycket för I eller Q.

I de fall. då negativa koefficienter ingår i uttrycken parallellkopplas de sampel, polvänd.

Metoden innebär att en mycket god fasortogonalitet mellan I och Q uppnås genom att de relativa tidslägena hos samplingstidpunkterna kan hållas med hög noggrannhet, storleksordningen 10 picosekunder. Vid en bärvågsfrekvens på 30MHz motsvarar detta ett fasfel < 0,1°, ett värde som 501 604 10 15 20 25 30 6 är omöjligt att genom tidigare kända, analoga metoder uppnå utan aktiv kalibrering.

I figur 2 visas en anordning som utför den ovan beskrivna samplingen och interpolationen. Den amplitudmodulerade bärvågssignalen 4 är ansluten i punkten 10 och därigenom tillförd två identiska samplingsanordningar 11 och 15. I samplingsanordningen 11 (och 15) är signalen 4 dels via en strömställare S1 ansluten till en första sida på en kondensator C1, dels via en strömställare S2 till en första sida på en kondensator C2. Kondensatorn Clzs andra sida är dels direkt ansluten till en "jordningspunkt" 12, dels via en strömställare S5 till kondensatorn C2:s första sida.

Kondensatorn C2:s andra sida är via en strömställare S3 ansluten till jordningspunkten 12 och, via en strömställare S4, till kondensatorn Clzs första sida. Kondensatorn C1:s första sida är även ansluten till en utgångsanslutning 13.

Samplingsanordningen 15 är identisk med samplingsanord- ningen 11 och är ansluten till en utgångsanslutning 14.

Samplingsanordningens 11 funktion är följande: I utgångsläget är strömställarna S1, S2 och S3 slutna medan S4 och S5 är öppna. Detta innebär att kondensatorerna Cl och C2 är parallellt anslutna till anslutningspunkten 10.

Vid den första samplingstidpunkten 6 öppnas strömställaren S1 varvid kondensatorn Cl bortkopplas från anslutnings- punkten 10, laddad till spänningen a6. Vid den tredje samplingstidpunkten 8 öppnas strömställaren S2 varvid även kondensatorn C2 bortkopplas, laddad till spänningen a8.

Omedelbart därefter öppnas strömställaren S3 varefter strömställarna S4 och S5 sluts. Detta medför att kondensa- torn C2:s första sida anslutes till kondensatorn C1:s andra sida och C2:s andra sida till Clzs första sida, det vill 10 15 20 25 30 501 604 7 säga kondensatorn C2 kopplas med omvänd polaritet paral- lellt med kondensatorn Cl. Kondensatorernas laddningar omfördelas därvid så att över de parallellkopplade konden- satorerna, och därmed på utgångsanslutningen 13, uppkommer en spänning I.

Betecknas kapacitansvärdena för kondensatorerna Cl och C2 med cl respektive c2 blir I = (cl°a6-c2~a8)/(cl+c2). Om kapacitansvärdena väljs så att c2 = 3~c1 blir I = (a6- 3-a8)/4, vilket överensstämmer' med det tidigare nämnda uttrycket (A) för I-signalen.

Om på motsvarande sätt strömställarna i samplingsanord- ningen 15 styrs så att vid den andra samplingstidpunkten 7 strömställaren S2 öppnas och vid den fjärde samplingstid- punkten 9 strömställaren S1 öppnas, erhålls, efter det att strömställaren, S3 öppnats och. strömställarna S4 och S5 slutits, på utgångsanslutningen 14 en spänning Q = (-c2-a7+ cl a9)/(cl+c2). Med kapacitansförhållandet c2 = 3-cl blir således Q = (-3-a7+a9)/4, vilket överensstämmer med det tidigare nämnda uttrycket (B) för Q-signalen.

På liknande sätt kan en anordning vilken som resultat ger spänningar motsvarande de ovan nämnda uttrycken (C) och (D), apparatiseras. Samplingsanordning (ll) får då omfatta ytterligare en kondensator C3 med kapacitansen c3 och med tillhörande strömställare. c2 väljs i detta fall till lO~c1 och c3 till 5°cl, vilket motsvarar koefficienterna i uttrycket (C). Vid parallellkopplingen efter samplingen skall därvid C2 parallellkopplas polvänd eftersom den motsvarande koefficienten i uttrycken ingår med negativt tecken.

Genom att på motsvarande sätt komplettera samplingsanord- ningen 15 med en kondensator C3 och med tillhörande 501 604 10 15 20 25 30 8 strömställare, kan en spänning motsvarande uttrycket (D) erhållas.

De på detta sätt erhållna I- och Q-signalerna kan därefter omvandlas till digital form. Detta kan ske med hjälp av separata analog/digitalomvandlare för vardera I- och Q- signalerna eller en gemensam omvandlare som först omvandlar den ena signalen och därefter kopplas om till den andra signalen för att omvandla denna.

I det senare alternativet, som ur effektförbruknings- synpunkt är det mest gynnsamma, måste samplingsanordningen förmå att hålla det värde, som skall omvandlas sist, oförändrat under den tid som åtgår för omvandling av det första.

När omvandlingen är genomförd återställs samplingsanord- ningen till sitt utgångsläge och är därefter klar att ta nya sampel.

Strömställarna styrs genom en inte visad tidstyrningslogik.

Denna tidstyrningslogik. kan utföras på olika sätt och bereder inte en fackmaninågra direkta.konstruktionsproblem.

Den beskrivs därför inte närmare i detta sammanhang.

Vid realisering av samplingsanordningen byggs med fördel samplingskretsarna och eventuell omkopplare för en gemensam analog/digitalomvandlare tillsammans med erforderlig tidstyrningslogik i en och samma integrerade krets, varvid lämpligen CMOS-teknik utnyttjas.

Genom den nu beskrivna anordningen har antalet kretselement som erfordras för samplingen minimerats samtidigt som omvandlingstaktenföranalog/digitalomvandlarenreducerats.

Detta innebär bland annat att en högre omvandlingsnoggrann- het kan uppnås. Uppfinningen innebär också att behovet av 10 501 604 9 digitala filter för att åstadkomma en digital kvadratursig- nal från en amplitudmodulerad bärvågssignal elimineras.

Såväl utrymmes- som effektbehov reduceras således avsevärt jämfört med tidigare kända anordningar samtidigt som en hög noggrannhet i I- och Q-kanalerna uppnås.

Det nu beskrivna utföringsexemplet har behandlat den uppfunna metodens tillämpning på en anordning för att erhålla ett I/Q-par. Metoden och anordningen är emellertid tillämpbar även i andra sammanhang då man önskar samman- vikta flera sampel och hänföra dem till en och samma samplingstidpunkt.

Uppfinningen är ej begränsad till de ovan nämnda utförings- formerna utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patentkraven.

Claims (14)

501 604 10 15 20 25 10 PATENTKRAV

1. Metod för sampling av en elektrisk signal (4) för att erhålla minst en av två eller flera sampel sammanviktad signal, kännetecknad därav, att metoden omfattar stegen att ansluta den elektriska signalen (4) till ett antal parallellkopplade kondensatorer (Cl, C2), vid varje samplingstidpunkt (6, 7, 8, 9) koppla bort en kondensator från den elektriska signalen, sedan samplingen avslutats sammankoppla de bortkopplade kondensatorerna (Cl, C2), varigenom en eller flera sammanviktade signaler bildas :i beroende av konden- satorernas laddning då de bortkopplas från den elekt- riska signalen, och av kondensatorernas kapacitanser.

2. Metod enligt patentkrav 1, kännetecknad därav, att kondensatorernas (C1,C2) kapacitanser förhåller sig till varandra som viktskoefficienterna för samplen i den sammanviktade signalen eller signalerna.

3. Metod enligt patentkrav 2, kännetecknad därav, att vid varje samplingstidpunkt (6, 7, 8, 9) den kondensator (Cl, C2) vars kapacitans motsvarar viktskoefficienten för det med samplingstidpunkten samhörande samplet, bortkopplas.

4. Metod enligt något av patentkraven 1 - 3, kännetecknad därav, att vid sammankopplingen sedan samplingen avslutats, de bortkopplade kondensatorerna (Cl, C2) parallellkopplas, varvid de kondensatorer (C2), vars tillhörande sampel skall 10 15 20 25 501 604 11 sammanviktas med negativt tecken, parallellkopplas med omvänd polaritet.

5. Metod enligt något av patentkraven 1 - 4, kännetecknad därav, att vid sammankopplingen av kondensatorerna (C1,C2) dessa sammankopplas i från varandra skilda grupper, varvid för varje grupp av kondensatorer bildas en sammanviktad signal i beroende av de i gruppen ingående kondensatorernas laddning och kapacitans.

6. Metod enligt patentkrav 5, kännetecknad därav, att i en första grupp av kondensatorer ingår de kondensatorer som bortkopplats vid den första och varannan därefter följande samplingstidpunkt (6, 8) och att. i en andra grupp av kondensatorer ingår de kondensatorer som bortkopplats vid mellanliggande samplingstidpunkter (7, 9).

7. Metod enligt patentkrav 6, kännetecknad därav, att tiden mellan två på varandra följande samplingstidpunkter motsvarar 1/4 av den samplade signalens (4) periodtid.

8. Anordning för sampling av en elektrisk signal (4) för att erhålla minst en av två eller flera sampel sammanviktad signal, kännetecknad därav, att anordningen omfattar omkopplingsanordningar (S1-S5) anslutna till ett antal kondensatorer (Cl, C2) och att omkopplingsanordningarna är inrättade att under ett första skede ansluta kondensatorerna parallellkopp- lade till den elektriska signalen, ett andra skede vid varje samplingstidpunkt (6, 7, 8, 9) koppla bort en kondensator från den elektriska signalen, 501 604 10 15 20 25 30 12 ett tredje skede sammankoppla de bortkopplade konden- satorerna och att bilda en eller flera sammanviktade signaler i beroende av kondensatorernas laddning då de bortkopplas från den elektriska signalen, och av kondensatorernas kapacitanser.

9. Anordning enligt patentkrav 8, kännetecknad därav, att kondensatorernas (C1,C2) kapacitanser förhåller sig till varandra som viktskoefficienterna i den sammanviktade signalen eller signalerna.

10. Anordning enligt patentkrav 9, kännetecknad därav, att omkopplingsanordningarna (S1-S5) är inrättade att under det andra skedet vid varje samplingstidpunkt (6, 7, 8, 9)), koppla bort den kondensator (Cl, C2), vars kapacitans motsvarar viktskoefficienten för det med samplingstidpunkten samhörande samplet.

11. ll. Anordning enligt patentkrav 9 eller 10, känne- tecknad därav, att omkopplingsanordningarna (S1-S5) är inrättade att under det tredje skedet sammankoppla de bort- ' kopplade kondensatorerna genom parallellkoppling, varvid de kondensatorer, vars tillhörande sampel skall sammanviktas med negativt tecken, parallellkopplas med omvänd polaritet.

12. Anordning enligt något av patentkraven 8 - ll, kännetecknad därav, att omkopplingsanordningarna (S1-S5) är inrättade att sammankoppla kondensatorerna i från varandra skilda grupper och att för varje grupp av kondensatorer bilda en sammanviktad signal i beroende av de i gruppen ingående kondensatorernas laddning och kapacitans.

13. Anordning enligt patentkrav 12, kännetecknad därav, att i en första grupp av kondensatorer ingår de kondensatorer som bortkopplats vid den första och varannan därefter följande samplingstidpunkt (6, 8) och att i en 501 604 13 andra grupp av kondensatorer ingår de kondensatorer som bortkopplats vidlnellanliggande samplingstidpunkter (7, 9).

14. Anordning enligt patentkrav 13, kännetecknad därav, att tiden mellan två på varandra följande samp- lingstidpunkter motsvarar 1/4 av den samplade signalens (4) periodtid.