DE10060425A1 - Empfängerschaltung - Google Patents

Abstract

Eine Empfängerschaltung eines schnurlosen Kommunikationssystems weist einen analogen Signalverarbeitungsabschnitt mit einem Kanalselektionsfilter (KSF) und einen diesem nachgeschalteten digitalen Signalverarbeitungsabschnitt (DIG) mit einem Gruppenlaufzeitentzerrer (AP1, AP2) auf. Der Gruppenlaufzeitentzerrer (AP1, AP2) dient zur Entzerrung der durch das Kanalselektionsfilter (KSF) bewirkten Signalverzerrung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Empfängerschaltung für ein schnurloses Kommunikationssystem, insbesondere für ein schnurloses Telefon, sowie ein Verfahren zum Verarbeiten ei­ nes empfangenen Signals in einem schnurlosen Kommunikations­ system.

Schnurlose digitale Kommunikationssysteme wie beispielsweise DECT, WDCT, Bluetooth, SWAP, WLAN IEEE802.11 benötigen zum drahtlosen Empfang der über die Luftschnittstelle gesendeten hochfrequenten Signale geeignete Empfänger, die in aufwands­ günstiger Weise dem Demodulator ein möglichst verzerrungs­ freies Basisbandsignal liefern. Neben einer hohen Empfind­ lichkeit sind hierbei ein hoher Integrationsgrad, geringe Ko­ sten, niedrige Stromaufnahme sowie Flexibilität hinsichtlich der Anwendbarkeit für verschiedene digitale Kommunikationssy­ steme erwünscht. Zur Ausnutzung der Vorteile der digitalen Schaltungstechnik (keine Drifts, keine Alterung, keine Tempe­ raturabhängigkeit, exakte Reproduzierbarkeit) wird dabei zu­ mindest ein Teil der Empfängerschaltung in Form digitaler Si­ gnalverarbeitungselemente realisiert. Sowohl im analogen Si­ gnalverarbeitungsabschnitt (sogenanntes analoges Empfänger- "Frontend") als auch im digitalen Signalverarbeitungsab­ schnitt können dabei Signalverzerrungen auftreten, deren Cha­ rakteristik von den verwendeten (analogen und digitalen) Si­ gnalverarbeitungselementen abhängen. Derartige Signalverzer­ rungen reduzieren die Leistungseffizienz des Empfängers, d. h. sie beeinträchtigen die Empfindlichkeit bzw. die Reichweite des Empfängers bei vorgegebener Bitfehlerrate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Empfänger­ schaltung eines schnurlosen Kommunikationssystems zu schaf­ fen, welche eine hohe Leistungseffizienz insbesondere für FSK-(Frequency Shift Keying-)modulierte Signale aufweist.

Darüber hinaus zielt die Erfindung darauf ab, ein Verfahren zum Verarbeiten eines empfangenen Signals in einem schnurlo­ sen Kommunikationssystem anzugeben, welches eine Signalverar­ beitung im Sinne einer hohen Leistungseffizienz ermöglicht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Durch den im digitalen Signalverarbeitungsabschnitt enthalte­ nen Gruppenlaufzeitentzerrer wird die durch das (analoge) Ka­ nalselektionsfilter bewirkte Gruppenlaufzeitverzerrung rück­ gängig gemacht bzw. kompensiert. Dadurch wird erreicht, daß das der weiteren Signalverarbeitung (insbesondere Demodula­ tion) zugrundeliegende Signal befreit von Gruppenlaufzeitver­ zerrungen ist, wodurch eine vergleichsweise fehlerarme Signaldemodulation ermöglicht wird.

Bei dem Gruppenlaufzeitentzerrer handelt es sich vorzugsweise um ein Allpassfilter.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß dem Gruppenlaufzeitentzerrer im Signalweg eine digitale Dezimationsfilterstufe vorgeschaltet ist, und daß der Gruppenlaufzeitentzerrer auch zur Entzerrung von durch die digitale Dezimationsfilterstufe hervorgerufenen Signalverzerrungen ausgelegt ist. In diesem Fall werden also auch zusätzliche, im digitalen Signalverarbeitungsabschnitt durch die Dezimationsfilterstufe bewirkte Gruppenlaufzeitver­ zerrungen berücksichtigt und vom Gruppenlaufzeitentzerrer kompensiert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Empfängerschaltung wird dadurch realisiert, daß im digitalen Signalverarbeitungsab­ schnitt ferner ein Amplitudenentzerrer zur Entzerrung der durch das Kanalselektionsfilter bewirkten Amplitudenverzer­ rungen enthalten ist. Da ein Gruppenlaufzeitentzerrer einen konstanten Betragsfrequenzgang aufweist (d. h. keine Amplitudenentzerrung durchführt), wird erst auf diese Weise auch die Amplitudenverzerrung des Kanalselektionsfilters kompensiert.

Die Wandlung des analogen Signals in ein digitales Signal wird vorzugsweise über einen Limiter und einer in Überabta­ stung betriebenen Abtaststufe, insbesondere einem Ein-Bit- Abtaster, realisiert. Hierdurch wird eine aufwandsarme Digi­ talisierung des analogen Signals erreicht. Die Herausfilte­ rung von durch die Nichtlinearität des Limiters hervorgerufe­ nen hochfrequenten Signalstörungen kann dabei durch die be­ reits erwähnte Dezimationsfilterstufe erfolgen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in die­ ser Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaltungsbild einer erfindungsge­ mäßen Empfängerschaltung; und

Fig. 2 ein schematisches Schaltungsbild eines Allpassfil­ ters.

Fig. 1 zeigt in beispielhafter Weise den Aufbau einer erfin­ dungsgemäßen Empfangsschaltung, welche beispielsweise in DECT, WDCT, Bluetooth, SWAP, WLAN IEEE802.11 (Frequenzsprung­ verfahren) eingesetzt werden kann.

Ein Funksignal wird von einer Antenne A aufgefangen und über ein Eingangsfilter F einem rauscharmen Eingangsverstärker LNA (Low Noise Amplifier) zugeführt. Der Eingangsverstärker LNA verstärkt das hochfrequente Antennensignal mit einer ein­ stellbaren Verstärkung.

Nach der rauscharmen Verstärkung erfolgt eine Umsetzung des verstärkten Signals auf eine Zwischenfrequenz. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal des rauscharmen Verstärkers LNA zwei Mischern M1 und M2 zugeführt. Die Mischer M1 und M2 wer­ den in bekannter Weise unter einem Phasenversatz von 90° mit einer Mischfrequenz betrieben, welche von einem lokalen Os­ zillator (nicht dargestellt) abgeleitet ist. Die beiden zum Betreiben der Mischer M1 und M2 verwendeten Signale entspre­ chen in ihrer Zeitabhängigkeit cos(ω₀t) bzw. sin(ω₀t), wobei ω₀ die der Oszillatorfrequenz zugeordnete Kreisfrequenz und t die Zeit bezeichnen.

An den Ausgängen der Mischer M1 bzw. M2 stehen Inphase (I-) und Quadratur-(Q-)Signale in einer herabgesetzten Frequenzla­ ge, im folgenden als Zwischenfrequenz (ZF) bezeichnet, be­ reit.

Die Ausgänge der beiden Mischer M1 und M2 werden einem I- bzw. einem Q-Signaleingang eines analogen, zur Spiegelfre­ quenzunterdrückung dienenden Kanalselektionsfilters KSF zuge­ führt. Mittels des Kanalselektionsfilters KSF wird ein be­ stimmter. Frequenzkanal ausgewählt und dadurch das gewünschte Nutzsignal aus dem eingangsseitig anliegenden, breitbandigen Signal-Störsignal-Gemisch ausgewählt.

An zwei Ausgängen A1, A2 des Kanalselektionsfilters KSF wer­ den die beiden I- und Q-Signalkomponenten mit der Bandbreite des Nutzkanals ausgegeben.

Der Ausgang A1 des Kanalselektionsfilters KSF ist mit einem Eingang eines ersten Limiters L1 verbunden und der Ausgang A2 steht mit einem Eingang eines zweiten, baugleichen Limiters L2 in Verbindung.

Die Ausgänge der Limiter L1 und L2 sind verbunden mit jewei­ ligen Eingängen einer ersten und einer zweiten Abtaststufe AS1 bzw. AS2. Im Signalweg hinter den Abtaststufen AS1 und AS2 beginnt die digitale Signalverarbeitung.

Die Kombination aus Limiter (L1 bzw. L2) und Abtaststufe (AS1 bzw. AS2) repräsentiert einen Analog-Digital-Wandler der Wortbreite 1. Die Wirkungsweise dieser Kombination aus Li­ miter und Abtaststufe, d. h. L1, AS1 bzw. L2, AS2, ist wie folgt:
Der Limiter L1, L2 schneidet alle Eingangspegel oberhalb ei­ ner vorgegebenen Limiter-Pegelschwelle ab, d. h. er erzeugt im Abschneidebereich ein Ausgangssignal mit konstantem Signalpe­ gel. Weist der Limiter L1, L2, wie im vorliegenden Fall, eine hohe Verstärkung und/oder eine niedrige Limiter-Pegelschwelle auf, wird er praktisch ständig im Abschneide- oder Limiter- Bereich betrieben. Dadurch liegt am Ausgang des Limiters L1, L2 bereits ein wertediskretes (binäres), aber noch zeitkonti­ nuierliches Signal vor. Die Nutzinformation der I- und Q- Signalkomponenten an den Ausgängen der Limiter L1 und L2 be­ steht in den Nulldurchgängen dieser Signalkomponenten.

Durch die beiden als Ein-Bit-Abtaster realisierten Abtaststu­ fen AS1, AS2 werden diese wertediskreten analogen Signalkom­ ponenten mit einer Rate f_S abgetastet. Die Abtastung erfolgt in Überabtastung bezogen auf die Kanalbandbreite (d. h. die Bandbreite des Signals hinter dem Kanalselektionsfilter KSF).

Beispielsweise kann die Kanalbandbreite 1 MHz betragen und die Abtastung mit f_S = 104 MHz erfolgen, d. h. es kann eine Überabtastung um den Faktor 104 vorgenommen werden.

Ein Vorteil dieser Analog-Digital-Umsetzung besteht darin, daß durch den Limiter L1, L2 Amplitudenstörungen des Nutzsig­ nals unterdrückt werden.

Die digitalisierten I- und Q-Signalkomponenten werden einem digitalen Signalverarbeitungsabschnitt zugeführt, welcher in Fig. 1 mit DIG bezeichnet ist.

Der digitale Signalverarbeitungsabschnitt DIG umfaßt einen komplexen digitalen Mischer und ausgangsseitig des digitalen Mischers in jedem Signalzweig eine Dezimationsfilterkaskade DF1 bzw. DF2 sowie im Signalweg dahinter ein Allpassfilter AP1 bzw. AP2. Die Dezimationsfilterkaskaden DF1 und DF2 sowie die Allpassfilter AP1 und AP2 sind jeweils baugleich.

Die I- bzw. Q-Signalausgänge der Allpassfilter AP1, AP2 wer­ den entsprechenden Eingängen eines geeigneten Demodulators DMOD zugeführt. Im allgemeinen Fall kann es sich bei dem De­ modulator DMOD um einen CPM-(Continuous Phase Modulation-) Demodulator handeln. Dieser schätzt aus den seinen Eingängen zugeführten Signalkomponenten, d. h. aus der Augenblicksphase oder der Augenblicksfrequenz dieser Signalkomponenten, die Datensymbole der übertragenen Datensymbolfolge.

Ausgangsseitig steht der Demodulator DMOD mit einem Filter NF in Verbindung, welches eine Nachfilterung der geschätzten Da­ tensymbole durchführt.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestell­ ten digitalen Signalverarbeitungsabschnitts DIG näher erläu­ tert:
Der digitale Mischer weist vier komplexe Multiplizierer M so­ wie einen Addierer AD und einen Subtrahierer SUB auf. Seine Aufgabe besteht darin, die empfangenen I- bzw. Q-Zwischen­ frequenz-Signalkomponenten in das Basisband herunterzumi­ schen. Hierzu werden die Multiplizierer M mit einem periodi­ schen Signal exp(iω₀'t) geeigneter Kreisfrequenz ω₀' betrie­ ben. Dabei bezeichnet i die imaginäre Einheit.

Hinter dem Subtrahierer SUD bzw. dem Addierer AD liegen je­ weils Signale mit eine Wortbreite größer 1, z. B. mit einer Wortbreite von 6 oder 8, vor.

In der Dezimationsfilterkaskade DF1, DF2 werden die durch die Nichtlinearität des Limiters L1 bzw. L2 verursachten hochfre­ quenten Störungen herausgefiltert (hierzu weist jede Dezima­ tionsfilterkaskade DF1 bzw. DF2 mindestens ein Tiefpassfilter TP1 bzw. TP2 auf) sowie die Abtastrate um den Faktor R auf f_S/R reduziert. Beispielsweise kann R = 8 sein.

An den Signalen mit reduzierter Abtastrate wird nun mittels der Allpassfilter AP1, AP2 jeweils eine Gruppenlaufzeitent­ zerrung vorgenommen. Die Übertragungsfunktion H_equal (z) der Allpassfilter AP1, AP2 wird dabei so gewählt, daß die von dem Kanalselektionsfilter KSF hervorgerufene Gruppenlaufzeitver­ zerrung (d. h. die Verzerrung derjenigen Signalgröße, welche durch die zeitliche Ableitung der Signalphase gegeben ist; diese wird bekanntlich als Gruppenlaufzeit bezeichnet) kom­ pensiert wird. Zusätzlich ist es möglich, durch Einstellen einer entsprechend geänderten Übertragungsfunktion H_equal (z) auch die von dem digitalen Dezimationsfiltern DF1, DF2 be­ wirkte Gruppenlaufzeitverzerrung bei der Entzerrung durch die Allpassfilter AP1 bzw. AP2 mit zu berücksichtigen.

Optional können zum Zwecke einer Amplitudenentzerrung hinter den Allpassfiltern AP1, AP2 jeweils ein Amplitudenentzerrer (nicht dargestellt) angeordnet sein. Dadurch können auch durch das Kanalselektionsfilter KSF bewirkte Verzerrungen im Betrag des Signals kompensiert werden.

Fig. 2 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel des Allpass­ filters AP1, AP2. Dieses als solches bekannte Filter weist eingangs- und ausgangsseitig jeweils einen Addierer AD1, AD2 auf, wobei im Signalweg zwischen den beiden Addierern AD1, AD2 ein Verzögerungsglied T mit einer Signalverzögerung von M Abtasttakten angeordnet ist (z^-1 bezeichnet die z-Transformierte einer Verzögerung um einen Abtasttakt). Das am Ausgang des Verzögerungsglieds T anliegende Signal wird über einen ersten Multiplizierer MU1 mit dem Multiplikator g zu dem ein­ gangsseitigen Addierer AD1 zurückgeführt und das am Ausgang des eingangsseitigen Addierers AD1 bereitgestellte Signal wird von einem zweiten Multiplizierer MU2 mit dem Multiplika­ tor -g multipliziert und dem ausgangsseitigen Addierer AD2 zugeleitet. Die Charakteristik des Allpassfilters kann durch die Wahl von g und M in gewünschter Weise eingestellt werden. Die Übertragungsfunktion dieses Allpassfilters lautet:

H_equal (z) = (z^-M - g)/(g - gz^-M)

Darüber hinaus können kaskadenförmige Allpassfilter mit einer Vielzahl von Filterkoeffizienten eingesetzt werden.

Claims (13)

1. Empfängersschaltung eines schnurlosen Kommunikationssy­ stems, mit einem analogen Signalverarbeitungsabschnitt und einem diesen nachgeschalteten digitalen Signalverarbeitungs­ abschnitt (DIG), wobei
im analogen Signalverarbeitungsabschnitt ein Kanalselekti­ onsfilter (KSF) enthalten ist, und
im digitalen Signalverarbeitungsabschnitt (DIG) ein Grup­ penlaufzeitentzerrer (AP1, AP2) zur Entzerrung zumindest der durch das Kanalselektionsfilter (KSF) bewirkten Signal­ verzerrung vorgesehen ist.

2. Empfängersschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gruppenlaufzeitentzerrer (AP1, AP2) ein Allpassfil­ ter ist.

3. Empfängersschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Gruppenlaufzeitentzerrer (AP1, AP2) im Signalweg eine digitale Dezimationsfilterstufe (DF1, DF2) vorgeschal­ tet ist, und
daß der Gruppenlaufzeitentzerrer (AP1, AP2) auch zur Ent­ zerrung von durch die digitale Dezimationsfilterstufe (DF1, DF2) hervorgerufenen Signalverzerrungen ausgelegt ist.

4. Empfängersschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in dem digitalen Signalverarbeitungsabschnitt (DIG) ferner ein Amplitudenentzerrer zur Entzerrung der durch das Kanalselektionsfilter (KSF) bewirkten Signalverzerrung ent­ halten ist.

5. Empfängersschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der analoge und der digitale Signalverarbeitungsab­ schnitt über einen Limiter (L1, L2) und einer in Überabta­ stung betriebenen Abtaststufe (AS1, AS2) gekoppelt sind.

6. Empfängersschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtaststufe (AS1, AS2) ein digitales Ausgangssignal der Wortbreite 1 erzeugt.

7. Empfängersschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Kommunikationssystem eine FSK-Modulation einsetzt.

8. Verfahren zum Verarbeiten eines empfangenen Signals in ei­ nem schnurlosen Kommunikationssystem, mit den Schritten:

• - Durchführen einer Kanalselektion mittels eines analogen Ka­ nalselektionsfilters (KSF), und
• - Entzerren der durch das Kanalselektionsfilter (KSF) bewirk­ ten Signalverzerrung mittels eines digitalen Gruppenlauf­ zeitentzerrers (AP1, AP2).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß im Signalweg vor der Gruppenlaufzeitentzerrung eine Filterung und Dezimation vorgenommen wird, und
daß die Gruppenlaufzeitentzerrung auch eine Entzerrung von durch die Filterung und Dezimation hervorgerufenen Signal­ verzerrungen berücksichtigt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entzerrung der durch das Kanalselektionsfilter (KSF) bewirkten Signalverzerrung ferner eine Amplitudenent­ zerrung vorgenommen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Digitalisierung des empfangenen Signals eine Sig­ nallimitierung und eine Überabtastung des limitierten Sig­ nals vorgenommen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Überabtastung ein Signal der Wortbreite 1 er­ zeugt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene Signal FSK-moduliert ist.