DE4126080A1 - Mischersystem fuer einen direktumsetzungsempfaenger - Google Patents

Description

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Mischeranordnung zur Effizienzmaximierung bei Signalverzerrungs- und Rauschminimierung, und die Erfindung ist gedacht zur Anwendung bei der Direktumwandlung oder Direktumsetzung eines empfangenen Funksignals in Quadratur-I- und Q-Grundbandsignale unter Verwendung eines abgestimmten örtlichen Oszillators oder Empfängeroszillators.

Hintergrund

Superhet- oder Überlagerungsempfang ist das gebräuchlichste Funkempfangssystem. Wie es aus Fig. 2 hervorgeht, werden zwei lokale Oszillatoren oder Empfangsoszillatoren LO zum Empfangen benötigt, und ein drittes Empfängeroszillator- oder LO-Signal (TX LO) wird noch zum Senden in einem Sendeempfangssystem gebraucht. Das erste Empfängeroszillator- oder LO-Signal wird höchstwahrscheinlich von einem spannungsgesteuerten Oszillator, der von einem Synthesizer (Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese) angesteuert wird, erzeugt, wohingegen das Sender-Empfängeroszillator-Signal oder TX-LO-Signal von einem zweiten Frequenzsynthesizer erzeugt wird oder durch Mischen des ersten und zweiten LO-Signals gewonnen wird. Ein Hochfrequenzfilter wird zum Sperren unerwünschter Funksignale benötigt und zum Entfernen von Spiegelfrequenzen, die sonst vom ersten Mischer in eine Im-Band-ZF-Frequenz umgesetzt würden. Ein zweites Hochfrequenzfilter wird benötigt, um unerwünschte Seitentöne zu entfernen, die durch nichtlineare Einwirkung des ersten Mischers erzeugt werden.

Direktumsetzung kann man erreichen mittels eines Homodynsystems, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Das System ist durch das Erfordernis nach nur einem Empfängeroszillator- oder LO-Signal, das man auch direkt zum Senden in einem Senderempfänger verwenden kann, einfach ausgestaltet. Das Filtern ist ebenfalls einfacher auszuführen, da das Hochfrequenz-Filter nur eine Sperrfunktion auszuüben braucht und die gesamte Nachmischerfilterung durch Tiefpaß-Grundbandfilter vorgenommen wird. Der Vorteil dieser Grundbandfilter besteht darin, daß sie vollkommen innerhalb einer integrierten Schaltung ausgebildet werden können. Automatische Verstärkungsregelung AVR ist erforderlich, die vorgesehen sein kann durch eine HF-AVR-1-Stufe oder durch die kombinierte Wirkung einer AVR-1-Stufe und von Grundband-AVR-2- Stufen, wie es gezeigt ist.

Der Nachteil dieses Direktumsetzungssystems ist, daß der Empfängeroszillator LO ein Signal ausstrahlen kann, das, wenn es vom Frontende oder Eingangskreis erfaßt oder aufgenommen wird, nach unten umgesetzt wird und in den Mischerausgängen einen Gleichsignal-Versatz (DC Offset) erzeugt. Da dieses Signal, wenn es empfangen wird, ein Vielweg-Reflexionssignal sein kann, hat es sehr wahrscheinlich eine sich ändernde Amplitude und Phase, und, wenn es nach unten umgesetzt wird, könnte es sich ändernde Versätze (Offsets) erzeugen, d. h. unerwünschte Grundbandsignale. Dieses Problem wird vermindert durch Minimierung des erzeugten LO-Signalpegels, was jedoch zu einem verminderten Verstärkungs- und Rausch-Verhalten in den Mischern führen kann.

Halbfrequenz-Direktumsetzungssystem nach dem schweizerischen Patent CH-A-6 71 856

Das Grundkonzept der Halbfrequenzumsetzungstechnik ist in Fig. 4 dargestellt. Im wesentlichen wird das empfangene Funksignal herabgemischt auf das Grundband zweier direkt gekoppelter Mischer, von denen jeder durch ein Empfängeroszillator- oder LO-Signal mit der Hälfte der gewünschten HF-Frequenz angesteuert wird. I- und Q- Grundband-Signale können dadurch abgeleitet werden, daß den zweiten Mischerstufen Quadratur-LO-Ansteuersignale zugeführt werden. Es sei bemerkt, daß eine Zwischenfilterung (zwischen dem ersten Mischer und den zweiten Mischern) nicht erforderlich ist, da die vom ersten Mischer erzeugten Seitenbänder, wenn sie durch die zweiten Mischstufen umgesetzt werden, in den Grundband-Ausgängen keine Störungen hervorrufen.

Fig. 5 zeigt, wie die Halbfrequenz-Umsetzungstechnik in einem Senderempfängersystem angewendet werden kann. Die Filter- und AVR-Anforderungen sind ähnlich wie bei dem grundsätzlichen (Einzelmischer) Homodynsystem. Für einen Senderempfänger kann die Sendefrequenz dadurch abgeleitet werden, daß das LO-Signal verdoppelt wird, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Bei der Verwirklichung des Systems mit seriell gekoppelten Mischern ist festzustellen, daß durch die Notwendigkeit für den zweiten Mischer Rauschen und Verzerrungen zusätzlich erzeugt werden. Es tritt auch ein innewohnender Signalenergieverlust (etwa 4 dB) auf, und zwar infolge der Energieaufteilung in Seitenbänder, wobei lediglich das Grundband-Signal verwendet wird. Der größte Anteil des Rauschens und der Verzerrungen wird in der Endstufe des Mischers erzeugt, die eine Eingangsspannung in einen Strom umsetzt, der dann anschließend von den Empfängeroszillator- oder LO-Schaltelementen kommutiert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Rausch- und Verzerrungsprobleme zu vermindern, die in Verbindung mit seriell gekoppelten Mischern auftreten.

Nach der Erfindung wird ein Mischersystem für einen Direktumsetzungsempfänger geschaffen, der einen HF-Eingangsweg aufweist, welcher aufgeteilt wird in einen I- und einen Q-Weg zur Demodulation der HF-Signale in I- und Q-Signale, die in Phasenquadratur zueinander sind, wobei das Mischersystem enthält eine erste und eine damit seriell gekoppelte oder verbundene zweite Mischereinrichtung im I-Weg, eine dritte und eine damit seriell gekoppelte oder verbundene vierte Mischereinrichtung im Q-Weg und einen lokalen Oszillator oder Empfängeroszillator, der für die Mischereinrichtungen eine Vielzahl Empfängeroszillator- oder LO-Signale bereitstellt, die in Phasenquadratur zueinander sind, und zwar derart, daß die erste Mischereinrichtung ein Empfängeroszillator-Signal erhält, das in Phasenquadratur zu dem Empfängeroszillator-Signal ist, das der zweiten Mischereinrichtung zugeführt wird, und daß die dritte Mischereinrichtung ein Empfängeroszillator- Signal erhält, das in Phasenquadratur zu demjenigen ist, das der vierten Mischereinrichtung zugeführt wird.

Bei einer Ausführungsform können vier Empfängeroszillator- Signale vorgesehen sein, und zwar jeweils eines für eine jeweilige Mischereinrichtung und mit beispielsweise den folgenden relativen Phasenbeziehungen: +22,5°, +67,5°, -67,5°, -22,5°.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel haben die I- und Q-Eingangswege eine Quadraturphasenschiebeanordnung vor den Mischereinrichtungen, so daß die I- und Q-Signale vor den Mischereinrichtungen in Phasenquadratur (Phasenverschiebung von 90°) sind. Der Empfängeroszillator liefert erste und zweite Signale in Phasenquadratur, wobei das erste Signal der ersten und der dritten Mischereinrichtung zugeführt wird, wohingegen das zweite Signal der zweiten und der vierten Mischereinrichtung zugeführt wird. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß sie in einfacher Weise realisiert werden kann.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die erste und zweite Mischereinrichtung zu einer symmetrischen Doppelmischeranordnung vereinigt, gleichermaßen wie die dritte und vierte Mischereinrichtung. Die erste Mischereinrichtung enthält somit eine erste Transistoreinrichtung, deren Hauptstromweg in Reihe mit dem Hauptstromweg einer zweiten Transistoreinrichtung verbunden ist, die die zweite Mischereinrichtung bildet. Geeignete Empfängeroszillator-Signale werden den Steuerlektroden der ersten und zweiten Transistoreinrichtung zugeführt. Das HF-Eingangssignal wird über eine weitere Transistoreinrichtung in den Hauptstromweg injiziert.

Den Gesamtaufbau kann man als eine gestapelte Mischeranordnung betrachten, wobei die weitere Transistoreinrichtung und die erste Transistoreinrichtung einen ersten Mischer und die weitere Transistoreinrichtung und die zweite Transistoreinrichtung einen zweiten Mischer bilden.

Somit können die oben aufgezeigten Schwierigkeiten größtenteils durch Verwendung gestapelter (kaskadierter) Mischer vermindert werden, wobei die differentiellen Ausgangsströme der ersten Mischerstufe direkt in die Zweitmischerkommutierungselemente eingespeist werden. In der Praxis nimmt dies die Gestalt eines doppelten symmetrischen Mischers oder Doppelgegentaktmischers an. Eine Folge der direkten Kopplung oder Verbindung der Mischer in dieser Weise bedeutet, daß separate Erststufenmischer für die I- und Q-Zweige erforderlich sind.

Bei einer genaueren Betrachtung der symmetrischen Doppelmischeranordnung kann man zeigen, daß man eine optimale Kommutierung des HF-Eingangs erhält, wenn die LO-Eingänge in Phasenquadratur zueinander sind. Tatsächlich ist in diesem Fall die vereinigte Kommutation dieselbe wie diejenige eines Einzelmischers mit einem LO- Eingang bei einer HF-Frequenz wie im Falle des grundsätzlichen Direktumsetzungssystems. Hieraus kann geschlossen werden, daß die Gesamtmischeffizienz nicht vermindert ist und daß die einzige Zunahme im Rauschen auf die Zweitmischerkommutierungselemente zurückzuführen ist. Da der Halbfrequenz-Empfängeroszillator keine Aufnahme- oder Auffangprobleme verursacht, kann man seine Amplitude erhöhen und damit die effektive Mischerverstärkung erhöhen, und zwar mit weniger Rauschbeitrag von allen Mischerkommutierungselementen. Aufmerksamkeit soll hierbei der Minimierung der zweiten Harmonischen der Empfängeroszillatorfrequenz geschenkt werden, da diese bei der gewünschten-HF-Frequenz auftritt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 bis 5 Schaltbilder bekannter Senderempfänger/ Empfänger;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 7 ein Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 zur Anwendung in einem Senderempfänger;

Fig. 8 ein Schaltbild der Anordnung nach Fig. 7 einbezogen in einen Direktumsetzungssenderempfänger;

Fig. 9 ein Einzelschaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 6;

Fig. 10 Schaltbilder von Phasenschiebeanordnungen zur Verwendung in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 6; und

Fig. 11 und 12 jeweils einen Direktumsetzungsempfänger unter Einbeziehung der Anordnung nach Fig. 6 mit adaptiver Steuerung der Phasenschiebeanordnung.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Es soll nunmehr auf Fig. 1 sowie 6 bis 12 der Zeichnungen Bezug genommen werden. Dort werden unter Verwendung von zwei Paaren gestapelter Mischer I- und Q-Grundband- Signale abgeleitet wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Es sind vier Phasen des LO-Signals erforderlich, so daß Quadraturphasen zwischen ersten und zweiten Mischerstufen vorgesehen sind und Gesamt-I- und Q-Ausgänge von dem HF-Eingang erzeugt werden. Die Erzeugung dieser vier Phasen aus einem tatsächlichen Halbfrequenz-Empfängeroszillator LO kann mühsam sein und auch wegen des erforderlichen Bereiches der Phasenwinkel ineffizient. Wenn man jedoch einen Empfängeroszillator LO einsetzt, dessen Frequenz doppelt so hoch wie die HF-Frequenz ist, kann man die vier Halbfrequenz- Phasen unter Verwendung eines Teilernetzwerks erzeugen.

Eine alternative Möglichkeit ist in Fig. 6 dargestellt. Hier werden die I- und Q-Ausgänge durch phasenverschobene HF-Eingänge bestimmt. Da die Empfängeroszillator- oder LO-Ansteuerungen den Mischerstufen gemeinsam sind, erhält man automatisch eine gute Anpassung zwischen den beiden Kanälen. Die Phasendifferenz zwischen den beiden LO-Ansteuerungen ist nicht kritisch, da dies lediglich eine Randeinwirkung auf die Mischeffizienz hat und eine konstante Gleichsignal-Verschiebung an den Ausgängen hervorruft. Diese Verschiebung ist auf die gestapelten Mischer zurückzuführen, die als Phasenvergleicher zwischen den beiden LO-Eingängen wirken. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß unter Verwendung eines weiteren gestapelten Mischers, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, eine Sendefrequenz erzeugt werden kann, und zwar unter Verwendung derselben beiden LO-Eingänge.

Fig. 8 zeigt einen möglichen Aufbau eines Halbfrequenz- Direktumsetzungssenderempfängersystems. Die Halbfrequenz- Empfängermischer können unter Verwendung bipolarer Transistoren verwirklicht werden, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Quadratur-HF-Eingangssignale werden in gezeigte Schaltungen Q1, R1 und Q2, R2 eingespeist, die die Schwanzströme für die beiden gestapelten Mischer erzeugen. Der I-Kanal ist aufgebaut aus Transistoren Q5 und Q6, die die erste Mischerstufe bilden, wobei Transistoren Q9 bis Q12 die zweite Mischerstufe bilden. Eine Differenzen- oder Differentialausgangsstufe ist dargestellt bei Widerständen R3 und R4, die die Mischerausgangsströme in Spannungen umsetzen. Eine Kaskadenstufe bestehend aus einem Transistor Q3 ist vorgesehen, um die Verringerung irgendwelcher induzierter LO-Signale zu unterstützen, die durch den HF-Eingang geführt werden. Der Q-Kanal ist in ähnlicher Weise ausgebildet.

Die Phasenverschiebungsschaltungen können in unterschiedlicher Art in an sich bekannter Weise ausgebildet werden. Zwei dieser Arten sind in Fig. 10 dargestellt. Wie bereits erwähnt, können die LO-Ansteuerungen auch unter Verwendung eines Frequenzteilernetzwerks erzeugt werden.

Wo niedrige I- und Q-Ausgangsfrequenzen benötigt werden, kann man die Differenzen oder Differentialmischerausgänge überwachen und eine Gleichsignalsymmetrie aufrechterhalten, wie es durch ein in Fig. 11 dargestelltes System verwirklicht wird. Hier wird irgendein gemeinsamer Gleichsignal- Versatz in den Mischerausgängen durch ein Fehlersignal korrigiert, das zur Steuerung der Phasenschieberschaltung zurückgeführt wird. Eine Phasenkorrektur wird erreicht durch Trimmen von R-Komponenten (Widerstände) und/oder C-Komponenten (Kondensatoren) unter Verwendung von Feldeffekttransistoren bzw. veränderliche Kapazitätsdioden. Dies hätte den Vorteil der Ermöglichung einer zu benutzenden Gleichsignalkopplung der Ausgänge und würde die Anforderungen an die Einstellung der LO-Ansteuerungen vermindern.

Die Erfindung bietet den Vorteil der Schaffung eines direkten Umsetzungssystems, das die Schwierigkeiten mit Empfängeroszillatorstrahlung vermindert, die vom Eingangsteil aufgefangen wird und dann in Abwärtsrichtung auf unerwünschte Grundband-Signale umgesetzt wird. Sie bringt auch einen beachtlichen Vorteil bei der Verminderung des Ziehens des spannungsgesteuerten Halbfrequenz- Oszillators, wenn in Senderempfängersystemen gesendet wird. Die nach der Erfindung vorgeschlagene Technik ist in idealer Weise für Systeme geeignet, die von I- und Q-Demodulationsschemen Gebrauch machen, wie in GSM, DECT, CT2, PCN usw.

Die Erfindung ist gedacht für einen Betrieb bis 1 GHz. Sie ist daher insbesondere anwendbar auf dem Gebiet des schnurlosen Telefons und kann in Zukunft auch auf Anwendungen ausgedehnt werden, die in höheren Frequenzbereichen arbeiten.

Claims (10)

1. Mischersystem für einen Direktumsetzungsempfänger, der einen HF-Eingangsweg aufweist, der aufgeteilt ist in einen I- und Q-Weg zum Demodulieren der HF-Signale in I- und Q-Signale, die in Phasenquadratur zueinander sind, welches Mischersystem enthält: eine erste Mischereinrichtung und eine zweite Mischereinrichtung, die im I-Weg seriell miteinander verbunden sind, eine dritte Mischereinrichtung und eine vierte Mischereinrichtung, die im Q-Weg seriell miteinander verbunden sind, und eine Empfängeroszillator, der für die Mischereinrichtungen mehrere Empfängeroszillatorsignale vorsieht, die in Phasenquadratur zueinander sind, und zwar derart, daß die erste Mischereinrichtung ein Empfängeroszillatorsignal erhält, das in Phasenquadratur zu dem der zweiten Mischereinrichtung zugeführten Empfängeroszillatorsignal ist, und daß die dritte Mischereinrichtung ein Empfängeroszillatorsignal erhält, das in Phasenquadratur zu dem der vierten Mischereinrichtung zugeführten Empfängeroszillatorsignal ist.

2. Mischersystem nach Anspruch 1, bei dem vier Empfängeroszillatorsignale für jeweilige Mischereinrichtungen vorgesehen sind, welche Empfängeroszillatorsignale die folgenden relativen Phasenverschiebungen haben: +22,5°, +67,5°, -67,5°, -22,5°.

3. Mischersystem nach Anspruch 1, enthaltend eine Phasenverschiebungseinrichtung zum Verschieben des HF-Signals im I-Weg in Phasenquadratur mit dem HF-Signal im Q-Weg, wobei der Empfängeroszillator an die erste und die dritte Mischereinrichtung ein erstes Signal liefert, das in Phasenquadratur mit einem zweiten Empfängeroszillatorsignal ist, das der zweiten und der vierten Mischereinrichtung zugeführt wird.

4. Mischersystem nach Anspruch 3, bei dem die erste Mischereinrichtung eine erste Transistoreinrichtung mit einem Hauptstromweg aufweist, der in Reihe mit einem Hauptstromweg einer zweiten Transistoreinrichtung liegt, die die zweite Mischereinrichtung bildet, wobei Empfängeroszillatorsignale angelegt werden, um die erste und zweite Transistoreinrichtung zu steuern, und das HF- Eingangssignal angelegt wird, um die Steuerelektrode einer weiteren Transistoreinrichtung mit einem Hauptstromweg zu steuern, der in Reihe mit den Hauptstromwegen der ersten und zweiten Transistoreinrichtung liegt.

5. Mischersystem nach Anspruch 4, bei dem die dritte und vierte Mischereinrichtung in ähnlicher Weise wie die erste und zweite Mischereinrichtung aufgebaut sind.

6. Mischersystem nach Anspruch 4, bei dem die weitere Transistoreinrichtung einen Einzeltransistor aufweist, die erste Transistoreinrichtung eine erstes Differentialpaar Transistoren enthält, deren Hauptstromwege in Reihe mit dem Einzeltransistor liegen, und die zweite Transistoreneinrichtung ein zweites und ein drittes Differentialpaar Transistoren enthält, wobei das zweite Paar Hauptstromwege in Reihe mit einem des ersten Differentialpaares hat und das dritte Paar Hauptstromwege in Reihe mit dem anderen des ersten Differentialpaares hat und wobei die Kollektoren des zweiten und dritten Paares über Kreuz miteinander verbunden sind.

7. Mischersystem nach Anspruch 3, enthaltend eine fünfte und sechste Mischereinrichtung, die in Reihe zueinander sind und so verbunden sind, daß sie das erste und zweite Oszillatorsignal und ein Gleichstrom-Eingangssignal erhalten, um ein Sendeausgangssignal vorzusehen.

8. Mischersystem nach Anspruch 3, bei dem die Phasenverschiebungseinrichtung ein resistives-kapazitives Netzwerk oder ein kapazitives-induktives Netzwerk enthält.

9. Mischersystem nach Anspruch 3, bei dem der Empfängeroszillator eine Phasenverschiebungseinrichtung enthält, die ähnlich der erstgenannten Phasenverschiebungseinrichtung ist, zum Erzeugen des ersten und zweiten Empfängeroszillatorsignals.

10. Mischersystem nach Anspruch 9, enthaltend einen Rückführmechanismus, der auf die demodulierten Ausgangssignale im I- und Q-Weg anspricht, um die Phasenverschiebungseinrichtung der Empfängeroszillatoreinrichtung nachzustellen.