DE3938671C2

DE3938671C2 - Verfahren zum Korrigieren von Amplituden- und Phasenfehlern in einem Direct-Conversion-Empfänger und Empfänger zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE3938671C2
Application number: DE19893938671
Authority: DE
Inventors: Urs Bolliger; Walter Vollenweider
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1988-11-22
Filing date: 1989-11-21
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2009-11-22
Also published as: CH676405A5; DE3938671A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zum Korrigieren von Amplituden- und Phasenfehler in einem Direct-Conversion-Empfänger gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruches 1 sowie auf einen Empfänger zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 2, 3 oder 4.

In einem Direct-Conversion-Empfänger wird das empfan gene, winkelmodulierte Hochfrequenz-(HF)-Eingangssignal, nachdem es einem Eingangsfilter und einem HF-Vorverstär ker zugeführt worden ist, mit einem in einem Lokaloszil lator (LO) erzeugten LO-Signal gemischt. Da das LO-Signal ungefähr die gleiche Frequenz aufweist, wie das HF-Ein gangssignal, entsteht nach der Mischung ein Zwischenfre quenz-(ZF)-Signal, das im niederfrequenten (NF)-Bereich liegt. Mathematisch gesehen entstehen durch die Mischung zeitweise negative Frequenzen, die aber in der Praxis nicht von den positiven unterschieden werden können. Zur Aufrechterhaltung der vollen Information ist es bei Di rect-Conversion-Empfängern notwendig, zwei 90° zueinander verschobene, ZF-Signale zu bilden. Dazu sind zwei Misch stufen vorhanden an die je das HF-Signal und LO-Signal angelegt werden, wobei entweder das an die eine Misch stufe angelegte HF- oder LO-Signal gegenüber dem entspre chenden an die andere Mischstufe angelegten Signal um 90° phasenverschoben ist. Die eine Mischstufe erzeugt ein erstes ZF-Signal (in-phase signal I) und die andere Mischstufe erzeugt ein zweites, zum ersten ZF-Signal 90° phasenverschobenes ZF-Signal (quadrature signal Q). Jedes der so gebildeten ZF-Signale (I, Q) wird danach anschlies send je einem beispielsweise analogen oder digitalen Tiefpaßfilter mit je einer folgenden ZF-Verstärkerstufe zugeführt und anschließend in einem Demodulator demodu liert. Dank der Tatsache, daß bei Direct-Conversion-Em pfängern die Zwischenfrequenz im NF-Bereich liegt, ist der Demodulator mit integrierter Schaltungstechnik auf baubar. Die gefilterten ZF-Signale (I, Q) werden in einer bevorzugten Ausführungsart, wie beispielsweise in der eu ropäischen Patentschrift 0 180 339 A2 angedeutet, in Analog-Di gitalwandlern in Digitalsignale umgewandelt und zur De modulation digital weiterverarbeitet. Integrierte digita le Signalprozessoren (DSP) haben sich dabei als nützliche Schaltelemente angeboten. Nebenbei sei erwähnt, daß es ebenfalls möglich ist, den gesamten ZF-Teil zu integrie ren. Der geforderte Dynamikbereich, Stromverbrauch und der Preis des Empfängers bestimmen hier vor allem die anzuwendende Technologie.

Der angesprochene Demodulator arbeitet korrekt, wenn die Phasenverschiebung der beiden ZF-Signale (I,Q) genau 90° beträgt und wenn die Amplituden der beiden Signale gleich groß sind. Infolge Toleranzen einzelner Funk tionsstufen, insbesondere bei der analogen Signalverar beitung, sind diese obgenannten Forderungen kaum reali sierbar. Schon kleine Fehler bzw. Abweichungen bewirken eine Verschlechterung des Klirrfaktors und des Geräusch abstandes. Man hat bereits früher versucht, solche Pha sen- und Amplitudenfehler zu korrigieren, indem Maßnah men getroffen worden sind, die gegenseitige Phasenlage des I- und Q-Signales zu überwachen, im Falle einer Ab weichung von der 90° Phasenverschiebung ein Korrektursig nal zu bilden und damit die Phasenlage zu korrigieren. Ebenfalls zum Ausgleich von Amplitudenunterschieden sind Korrekturmaßnahmen bekannt. In der bereits genannten europäischen Patentschrift 0 180 339 A2 sowie in der briti schen Patentschrift 2 106 734 A sind Schaltungsglieder zum Bilden von Korrektursignalen sowohl für die Phasenkorrek tur als auch für die Amplitudenkorrektur beschrieben. Die in der britischen Patentschrift gezeigten Möglichkeiten einerseits zum Beeinflussen der Phasenlage und anderer seits zum Ausgleichen der Größe der Amplituden der bei den Signale I und Q beruhen beide auf einer Regelung d. h. der Rückführung je eines gebildeten Korrektursignales auf je eine vorangehende Funktionsstufe. In der europäischen Patentschrift erfolgt nur die Korrektur der Phasenlage mittels einem rückgeführten Regelsignal, die Amplitude des Q-Signales wird mit einer Mitkopplung, d. h. mit einem nach vorn geführten Korrektursignal der Größe des I-Sig nales angepaßt. Das letztgenannte Korrektursignal ist vorgängig in Abhängigkeit der beiden Amplituden erzeugt worden.

Da jeder Regelkreis in gewissen Situationen Unstabi litäten aufweist, wirkt sich das Vorhandensein von Regel kreisen nachteilig aus. Zudem werden in Regelkreisen fal sche Rückkopplungssignale dann geliefert, wenn in den Nutzsignalen (I, Q) Gleichspannungsanteile vorhanden sind, was vom Prinzip her bei Direct-Conversion-Empfängern in den ZF-Signalen (I, Q) durchaus der Fall sein kann.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Korrigieren von Amplituden- und Phasen fehlern bei Direct-Conversion-Empfängern vorzuschlagen, das die obgenannten Nachteile nicht aufweist.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, zum Durchführen des Verfahrens geeignete Empfänger zu schaffen.

Die erste Aufgabe wird gemäß der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Erfindungsgemäße Empfänger sind durch die Merkmale der Patentansprüche 2, 3 und 4 gekennzeichnet.

Anhand von Figuren wird die Erfindung im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Das Blockschaltbild eines Direct-Conversion-Em pfängers und

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Korrekturgliedes für die Korrektur von Amplituden- und Phasenfehlern

Die Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Direct-Con version-Empfängers, bei dem das erfindungsgemäße Ver fahren zum Korrigieren von Amplituden- und Phasenfehlern angewendet wird. Ein Hochfrequenz-(HF)-Eingangssignal wird mit der Antenne 1 empfangen, in einem Eingangsfilter 2 gefiltert und in einem Vorverstärker 3 verstärkt. Ein Lokaloszillator 4 erzeugt ein Lokaloszillator-Signal, im folgenden LO-Signal genannt, das ungefähr die gleiche Frequenz aufweist, wie das von der Antenne 1 empfangene HF-Eingangssignal. Das LO-Signal wird zwei Mischstufen 6, 7 zugeführt, einer ersten Mischstufe 6 direkt und einer zweiten Mischstufe 7 über ein Phase-Schiebeglied 5. Die beiden Mischstufen 6, 7 erhalten ebenfalls je das vom Vorverstärker 3 verstärkte HF-Signal. Jede der Mischstu fen 6, 7 erzeugt an ihrem Ausgang je ein Zwischenfre quenz-(ZF)-Signal, das wegen der ungefähren Gleichheit der Frequenz des HF-Eingangssignales und des LO-Signales im niederfrequenten Bereich liegt. Jedes der ZF-Signale wird in je einem Tiefpaßfilter 8, 9 tiefpaßgefiltert und in je einem ZF-Verstärker 10, 11 verstärkt. Am Aus gang des ersten ZF-Verstärkers 10 liegt ein ZF-Signal I an und am Ausgang des zweiten ZF-Verstärkers 11 liegt ein gegenüber dem Signal I um 90° phasenverschobenes ZF-Sig nal Q an. Wenn die Amplituden der beiden Signale I und Q genau gleich wären und wenn die Phasenverschiebung zwi schen den beiden Signalen genau 90° betragen würde, könn ten diese Signale I und Q direkt einem Demodulator zuge führt werden, ohne eine zusätzliche Verschlechterung des Klirrfaktors und des Geräuschabstandes fürchten zu müs sen. Leider ist dieser Idealfall nur annähernd realisier bar. Beispielsweise infolge Toleranzen im Phase-Schiebe glied 5, in den Mischstufen 6, 7 sowie im ZF-Teil 8, 9, 10, 11 entstehen, wenn auch kleine, Unterschiede in der Amplitude und Abweichungen von der 90° Phasenverschiebung der beiden Signale I und Q. Der Amplituden-Unterschied zwischen den beiden Signalen wird als Amplitudenfehler bezeichnet und die Abweichung von der 90° Phasenverschie bung als Phasenfehler. Die beiden mit Fehler behafteten ZF-Signale I und Q werden einem Korrekturglied 12 zuge führt. Dieses führt das erfindungsgemäße Korrekturver fahren an den beiden Signalen I und Q durch und erzeugt an seinen Ausgängen die beiden korrigierten Signale Ik und Qk, welche einem Demodulator 13 zum Erzeugen des Nie derfrequenz-(NF)-Signales zugeführt werden.

Anhand der Fig. 2, welche ein Blockschaltbild des Korrekturgliedes 12 zeigt, ist das erfindungsgemäße Kor rekturverfahren nachfolgend erklärt. Das Korrekturglied 12 ist als Vierpol mit zwei Eingängen, denen die mit Feh ler behafteten ZF-Signale I und Q zugeführt werden und zwei Ausgängen, an denen die korrigierten ZF-Signale Ik und Qk anliegen, dargestellt. Die beiden Signale I und Q werden in einer ersten Multiplikationsstufe 20 miteinan der multipliziert. Als Ausgangsgröße resultiert das Pro dukt I.Q. In einer zweiten Multiplikationsstufe 24 wird das Produkt I.Q verdoppelt, also zum Bilden eines Pro duktsignales 2.I.Q mit dem konstanten Faktor 2 multipli ziert. Im weiteren werden in einer dritten Multiplika tionsstufe 21 und in einer vierten Multiplikationsstufe 22 von den beiden Eingangssignalen I und Q je ihre Qua drate I² und Q² gebildet. Die quadrierten Signale I² und Q² werden an eine Subtrahierstufe 23 weitergegeben, die das Differenzsignal Q²-I² bildet. Wie nachstehend anhand mathematischer Formeln gezeigt wird, weisen sowohl das Produktsignal 2.I.Q als auch das Differenzsignal Q²-I² je einen Gleichspannungsanteil (DC-Anteil) auf. Zum Erhalten der beiden korrigierten Signale Ik und Qk sind Mittel 25 zum Entfernen der genannten DC-Anteile vorhanden. Diese Entfernungsmittel 25 können beispielsweise je ein Hoch paßfilter (AC-Kopplung) umfassen. Die korrigierten Sig nale Ik und Qk weisen, wie in der Tabelle 1 gezeigt ist, wesentlich kleinere Amplituden- und Phasenfehler auf, als die Signale I und Q vor der Fehlerkorrektur.

Tabelle 1

Nehmen wir an, das Signal I folge der Gleichung 1 und das Signal Q der Gleichung 2.

Gleichung 1 I = û.k.sin(ωt+ϕ)

Gleichung 2 Q = û.cosωt.

Die beiden Signale sind im wesentlichen in ihrer Pha se um 90° verschoben und weisen im wesentlichen die glei che Amplitude auf. Der vorhandene kleine Amplitudenfehler ist in der Gleichung 1 mit k und der kleine Phasenfehler mit ϕ benannt. In der folgenden Abhandlung ist die Span nung û als Einheitsspannung mit der Größe 1 angenommen und demzufolge das Zeichen û zur Erhöhung der Übersicht lichkeit weggelassen. Die Gleichung 1 kann auch wie Glei chung 3 geschrieben werden und geht mit a=k.cosϕ und b=k.sinϕ in die Gleichung 4 über.

Gleichung 3 I = k.sinωt.cosϕ+k.cosωt.sinϕ

Gleichung 4 I = a.sinωt+b.cosωt.

Rechnen wir das Produktsignal 2.I.Q aus, so erhalten wir die Gleichung 5.

Gleichung 5 2.I.Q = a.sin2ωt+b.cos2ωt+b.

Diese kann auch, wie in der Gleichung 6 dargestellt, geschrieben werden oder umgeformt als Gleichung 7.

Gleichung 6 2.I.Q = m.sin2ωtcosδ+m.cos2ωt.sinδ+b

Gleichung 7 2.I.Q = m.sin(2ωt+δ)+b.

Anhand der Gleichungen 5 und 6 können wir für a=m.cosδ und b=m.sinδ schreiben. Diese beiden Ausdrücke nach m und δaufgelöst ergeben

und =arctan b/a. m und δ in der Gleichung 7 ersetzt, führt zur Gleichung 8.

Mit den Gleichungen 2 und 4 errechnet sich das Diffe renzsignal Q²-I², entsprechend der Gleichung 9.

Gleichung 9 Q²-I² = cos²ωt-a²sin²ωt-2absinωtcosωt-b²cos²ωt.

Diese geht umgeformt in die Gleichung 10 über.

Wenn wir für a=(1+ε) einsetzen, erhalten wir die Glei chung 11.

Für kleine Amplituden- und Phasenfehler werden b und ε viel kleiner als 1. Damit können wir die Gleichung 11, wie in der Gleichung 12 angegeben, vereinfachen.

Gleichung 12 Q²-I² ≈ a.cos2ωt-b.sin2ωt-ε.

Aus den Gleichungen 12 und 14 ist ersichtlich, daß a = 1.cosγ und b = 1.sinγ ist. Diese beiden Gleichungen nach 1 und γ aufgelöst, ergeben für

und γ = arctan a/b.

Diese Ausdrücke in Gleichung 13 eingesetzt, ergeben die Gleichung 15.

Gleichung 13 Q²-I² = 1.cos(2ωt+γ)-ε

Gleichung 14 Q²-I² = 1.cos2ωtcosγ-1.sin2ωtsinγ-ε

Beim Betrachten der Gleichungen 8 und 15 fällt auf, daß die beiden Signale, das Produktsignal 2.I.Q und das Differenzsignal Q²-I², zwei um 90° phasenverschobene Sig nale mit gleicher Amplitude und einem DC-Anteil darstel len. Die beiden Signale weisen gegenüber den ursprüngli chen Signalen I, Q die doppelte Frequenz auf. Diese Fre quenzverdoppelung stört nicht, sie bewirkt lediglich eine Verdoppelung des Frequenzhubes. Die nebst den gewünschten Signalen in Abhängigkeit der Fehler entstandenen DC-Kom ponenten werden, wie vorgängig bereits beschrieben, ent fernt. Als Resultat erhalten wir die in den Gleichungen 16 und 17 dargestellten korrigierten Signale Ik und Qk.

Diese stimmen in der Amplitude und in der Phase bes ser überein, als die unkorrigierten Signale I und Q. Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, ist die Fehlerkorrek tur umso besser, je kleiner die Fehler vor der Korrektur sind. Dies geht auch aus den Gleichungen 11 und 12 her vor, wo die vereinfachende Annahme getroffen worden ist.

Die Verfahrensschritte im Korrekturglied 12 können auf unterschiedliche Art durchgeführt werden. Eine er ste bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß das Kor rekturglied 12 einen programmgesteuerten, digitalen Sig nalprozessor zur Durchführung des Verfahrens umfaßt. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsart ist vorgesehen, daß das Korrekturverfahren im gleichen programmgesteu erten, digitalen Signalprozessor, der als Demodulator eingesetzt ist, durchzuführen. In einer dritten bevor zugten Ausführungsvariante werden die einzelnen Verfah rensschritte zum Korrigieren der Amplituden- und Phasen fehler in aus diskreten und/oder integrierten Bauelemen ten gebildeten, analogen und/oder digitalen Funktions stufen durchgeführt. Eine weitere Ausführungsvariante ei nes Empfängers bestünde darin, die ZF-Signale nach den Mischstufen 6, 7 zu Digitalisieren und sowohl die ZF-Ver arbeitung, das erfindungsgemäße Korrekturverfahren als auch die Demodulatoren in einem einzigen programmgesteu erten digitalen Signalprozessor durchzuführen.

Das offenbarte Verfahren liefert ohne das Vorhanden sein eines Regelkreises Ausgangssignale Ik, Qk, die in Phase und Amplitude besser stimmen, als die Eingangssig nale I, Q. Das Verfahren ist einfach,da sowohl die Korrek tur des Amplitudenfehlers, als auch die Korrektur des Phasenfehlers gleichzeitig durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren von Amplituden- und Pha senfehlern in einem Direct-Conversion-Empfänger in dem ein empfangenes, winkelmoduliertes, hochfrequentes Signal mit einem in einem Lokaloszillator (4) erzeugten LO-Sig nal gemischt und in zwei Mischstufen (6, 7) zwei in ihrer Phase im wesentlichen um 90° verschobene-Signale erzeugt und anschließend zum Bilden der ZF-Signale (I, Q) gefil tert und verstärkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die beiden ZF-Signale (I, Q) miteinander multipliziert und die erhaltene Größe zum Bilden eines Produktsig nales (2.I.Q) verdoppelt wird,
b) jedes der beiden ZF-Signale zum Bilden ihrer Quadra te (I², Q²) mit sich selbst multipliziert wird,
c) von den Quadraten (I², Q²) ein Differenzsignal (Q²-I²) gebildet wird und
d) das Differenzsignal (Q²-I²) und das Produktsignal (2.I.Q) zum Bilden korrigierter Signale (Ik, Qk) je von Gleichspannungskomponenten befreit wird.

2. Empfänger zum Durchführen des Verfahrens nach An spruch 1 mit einem HF-Teil, einem Lokaloszillator, zwei Mischstufen, einem ZF-Teil mit zwei Kanälen zum Filtern und Verstärken der in den Mischstufen erzeugten Signale und einem Demodulator, wobei die nach dem ZF-Teil vorhan denen ZF-Signale (I, Q) Amplituden- und Phasenfehler auf weisen können, dadurch gekennzeichnet, daß ein programm gesteuerter, digitaler Signalprozessor zum Durchführen der einzelnen Verfahrensschritte a,b,c,d und zum Erzeu gen korrigierter ZF-Signale (Ik, Qk) vorhanden ist.

3. Empfänger zum Durchführen des Verfahrens nach An spruch 1 mit einem HF-Teil, einem Lokaloszillator, zwei Mischstufen, einem ZF-Teil mit zwei Kanälen zum Filtern und Verstärken der in den Mischstufen erzeugten Signale und einem Demodulator, wobei die nach dem ZF-Teil vorhan denen ZF-Signale (I, Q) Amplituden- und Phasenfehler auf weisen können, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodula tor als programmgesteuerter, digitaler Signalprozessor ausgeführt ist und ebenfalls zum Durchführen der einzel nen Verfahrensschritte a, b, c, d zum Bilden korrigierter ZF-Signale (Ik, Qk) bestimmt ist.

4. Empfänger zum Durchführen des Verfahrens nach An spruch 1 mit einem HF-Teil, einem Lokaloszillator, zwei Mischstufen, einem ZF-Teil mit zwei Kanälen zum Filtern und Verstärken der in den Mischstufen erzeugten Signale und einem Demodulator, wobei die nach dem ZF-Teil vor handenen ZF-Signale (I, Q) Amplituden- und Phasenfehler aufweisen können, dadurch gekennzeichnet, daß zum Durch führen der einzelnen Verfahrensschritte a, b, c, d zum Bil den korrigierter ZF-Signale (Ik, Qk) aus diskreten und/ oder integrierten Bauelementen gebildete, analoge und/ oder digitale Funktionsstufen vorhanden sind.