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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Telekommunikationsempfänger und
einen Telekommunikationssender.
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Stand der
Technik
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Auf
dem heutigen Gebiet der Empfänger- und
Sendertechnik für
Mobiltelekommunikation hat sich herausgestellt, daß nur Empfänger mit
festen analogen Zwischenfrequenz-(ZF-)Stufen zur Verwendung in Basisstationen
geeignet sind. Der Grund dafür
ist der große
Bereich an Leistungspegeln, die verarbeitet werden müssen, und
auch ein Erfordernis eines geringen Blockierungsniveaus. Der Bereich von
Leistungspegeln wird häufig
mit Dynamik bezeichnet und wird gewöhnlich als das Verhältnis zwischen
den stärksten
und schwächsten
nutzbaren Leistungspegeln quantifiziert. Blockierung ist natürlich das
Problem, wo ein schwächeres
Signal durch ein stärkeres
Signal überschwemmt
wird.
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Es
werden direkte Umsetzungsempfänger mit
keinen oder beinah keinen ZF-Stufen lieferbar. Sie sind jedoch nur
zur Verwendung in Mobilbenutzerendgeräten geeignet, aber nicht in
Basisstationen, da der Leistungsbereich und die Blockierungserfordernisse
für Mobilbenutzerendgeräte viel
anspruchsloser als die von Basisstationen sind. Es ist bekannt, daß Direkt-Abwärtsumsetzungsempfänger am
Problem von Gleichspannungs-Offsets in ihren IQ-Mischern leiden,
wodurch die nützliche
Dynamik begrenzt wird. Nebenbei sind IQ-Mischer in der Technik auch
als I/Q-Modulatoren und Quadraturmischer bekannt, wobei sich I auf
die gleichphasige (In-Phase) Komponente eines Signals und Q auf
die quadraturphasige (Quadrature Phase) Komponente bezieht.
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Es
ist ein sogenannter Othello-Chipsatz für Mobilbenutzerendgeräte bekannt,
der einen Direktumsetzungsempfänger
mit keiner ZF für
Dreibandbetrieb (GSM 900, 1800, 1900 MHz-Bänder) enthält. Auch ist ein Chipsatz für Mobilbenutzerendgeräte bekannt,
der mit einer ZF von beinahe Null arbeitet, nämlich 100 kHz. Diese Chipsätze benutzen
Regelverstärker
(VGA – Variable
Gain Amplifier) als Teil einer automatischen Verstärkungsregelungsschleife (AGC – Automatic
Gain Control) zur Handhabung der Dynamikerfordernisse des Mobilbenutzerendgeräts. Zum
Kompensieren des Gleichspannungsoffsets wird Mittelwertbildung über eine
lange Zeitperiode zur Schätzung
der anzuwendenden Gleichspannungsoffsetkorrektur benutzt.
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Durch
den Gleichspannungs-Offset in einem Direkt-Abwärtsumsetzungsempfänger wird
die Leistungsfähigkeit
begrenzt. Genaue Demodulation ist nicht möglich, wenn der Gleichspannungs-Offset stärker als
das gewünschte
Signal ist, so wie es bei schwachen Eingangssignalen vorkommt. Infolgedessen
ist die Dynamik des zum Abtasten der gleichphasigen (I-) und quadraturphasigen
(Q-)Signalkomponenten benutzten Analog-Digitalwandlers (ADC – Analog/Digital
Converter) oft ungenügend;
wobei die Dynamik dann das Verhältnis
des stärksten
empfangenen Signals zum Gleichspannungsoffset anstatt zum schwächsten Empfangssignal
ist.
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Hinsichtlich
der Sender kann direkte Aufwärtsumsetzung
benutzt werden, obwohl häufig
ein hohes Niveau an Trägersignalunterdrückung erforderlich
ist. Im Markt sind Direkt-Aufwärtsumsetzungsmodulatoren
lieferbar, die jeweils aus einem IQ-Mischer bestehen. Die in Basisstationen
benutzten Leistungen liegen jedoch oft nahe bei den Mindestleistungen,
die diese Modulatoren bearbeiten können, d.h. dem Grundrauschen.
Diese Modulatoren bieten typischerweise Trägersignalunterdrückung von
der Größenordnung
von 35 dB ohne Abstimmung. Um jedoch Trägerunterdrückung zu verbessern wird ein
Hand- oder automatisches Abstimmverfahren benutzt, beispielsweise
mit Einstellung veränderlicher
Widerstände
und/oder Kondensatoren zum Kompensieren leichter Unterschiede der
Verstärkungen
und Verzögerungen
zwischen den I- und Q-Zweigen des IQ-Mischers.
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Durch
die begrenzte Trägerunterdrückungsfähigkeit
bekannter Direkt-Aufwärtsumsetzungsmischer
wird ihre Leistungsfähigkeit
begrenzt. An die I- und Q-Eingangssignale angelegte Amplitudenmodulation
wird durch die Trägersignalunterdrückung begrenzt,
da die Mindestamplitude jedes der I- und Q-Signale dem Trägerpegel
nach Unterdrückung gleich
ist. Auch erzeugt der unterdrückte
Träger
etwas mit Fehlervektorwert (EVM – Error Vector Magnitude) bezeichnete
Verzerrung des Ausgangssignals. Diese Verzerrung wird dem gewünschten
Signal als rotierender Zeiger oder eine Verschiebung auf der IQ-Ebene
hinzugefügt.
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Aus
der veröffentlichten
europäischen
Patentanmeldung EP-A-1233526 ist es bekannt, einen Telekommunikationsempfänger (1, 2)
mit folgendem bereitzustellen:
einem ersten IQ-Mischer (16)
und einem zweiten IQ-Mischer
(18), und
Mitteln zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignals und
Mitteln zum Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals,
wobei das
erste Ausgangssignal die Summe der zwei I-Signale ist, wenn die zwei I-Signale
in entgegengesetzten Phasen liegen, oder die Differenz zwischen den
zwei I-Signalen, wenn sie gleichphasig sind, so daß die in
den I-Signalen vorhandenen Gleichspannungs-Offset-Komponenten sich
mindestens teilweise aufheben,
wobei das zweite Ausgangssignal
die Summe der zwei Q-Signale
ist, wenn die zwei Q-Signale entgegengesetzter Phase sind, oder
die Differenz zwischen den zwei Q-Signalen, wenn sie gleichphasig sind,
so daß die
in den Q-Signalen vorhandenen Gleichspannungs-Offset-Komponenten einander
zumindest teilweise aufheben.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist gegenüber
der Offenbarung von EP-A-1233526 dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger Mittel
zum Bereitstellen eines Empfangssignals für den zweiten Mischer (18) in
entgegengesetzter Phase zu der Phase des von dem ersten Mischer
(16) bereitgestellten Empfangssignals umfaßt, wobei
jeder Mischer (16, 18) ein I-Signal und ein Q-Signal
erzeugt, wobei das I-Signal vom zweiten Mischer (18) gleichphasig
oder gegenphasig zum I-Signal vom ersten Mischer (16) ist,
wobei das Q-Signal vom zweiten Mischer (18) gleichphasig
oder gegenphasig zum Q-Signal vom ersten Mischer (16) ist,
und
wobei
jeder Mischer (16) sowohl gleichphasige
als auch gegenphasige I-Signale bereitstellt,
jeder Mischer
(16) sowohl gleichphasige als auch gegenphasige Q-Signale
bereitstellt,
die Mittel zum Bereitstellen eines ersten Ausgangssignals
einen ersten Addierer (25) und einen zweiten Addierer (27)
umfassen,
die Mittel zum Bereitstellen eines zweiten Ausgangssignals
einen dritten Addierer (24) und einen vierten Addierer
(26) umfassen,
die zwei gleichphasigen I-Signale vom
ersten Addierer (25) zusammensummiert werden, die zwei
gegenphasigen I-Signale vom zweiten Addierer (27) zusammensummiert
werden,
die zwei gleichphasigen Q-Signale vom dritten Addierer
(24) zusammensummiert werden,
die zwei gegenphasigen
Q-Signale vom vierten Addierer (26) zusammensummiert werden,
wobei
sich bei den Summierungen die Gleichspannungs-Offset-Komponenten mindestens teilweise aufheben.
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Ein
Empfänger
und ein Verfahren zum Empfangen gemäß der vorliegenden Erfindung
sind in den unabhängigen
Ansprüchen
definiert, auf die sich der Leser nunmehr beziehen sollte. Bevorzugte Merkmale
sind in den abhängigen
Ansprüchen
aufgeführt.
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Bei
Ausführungsformen
von Empfängern
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist realisiert worden, daß zwei Schaltungen des gleichen
Typs, und möglicherweise
auf dem gleichen Chip integriert, sich normalerweise sehr ähnlich verhalten.
Bei diesen Ausführungsformen
ergibt die Verwendung von zwei IQ-Mischerstufen, die mit 180-Grad Phasenverschiebung
betrieben werden, die Löschung
von Fehlerkomponenten der Ausgangssignale. Ausführungsformen der Empfänger gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen daher vorzugsweise die Verwendung von zwei IQ-Mischern
desselben Typs zum Auslöschen
ungewünschter
Komponenten von Ausgangssignalen. In den Empfängern werden Gleichspannungs-Offsets
ausgelöscht.
Auch werden für
sowohl Sender als auch Empfänger
die gewünschten
Signale addiert, wodurch sich die Amplitude des Ausgangssignals
verdoppelt und zu einer vielfachen Ausgangsleistung führt und
damit auch eine verbesserte Dynamik am Ausgang ergibt.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Telekommunikationsempfänger mit
einem ersten und zweiten IQ-Mischer des gleichen Typs. Im zweiten
Mischer wird ein Eingangssignal gegenphasig zu der Phase des am
ersten Mischer eingegebenen Empfangssignals zugeführt. Jeder Mischer
gibt ein I-Signal
und ein Q-Signal aus. Das I-Signal vom zweiten Mischer ist gleichphasig
oder gegenphasig zum I-Signal vom ersten Mischer, und das Q-Signal
vom zweiten Mischer ist gleichphasig oder gegenphasig zum Q-Signal
vom ersten Mischer. Die I- und Q-Signale enthalten jeweils eine
entsprechende Gleichspannungs-Offset-Kommunikationskomponente. Es wird ein
erstes Ausgangssignal erzeugt, das die Summe der zwei I-Signale ist, wenn die
zwei I-Signale gegenphasig sind, oder die Differenz zwischen den
zwei I-Signalen, wenn sie gleichphasig sind, so daß sich die
Gleichspannungs-Offset-Komponenten
der I-Signale mindestens teilweise aufheben. Auch wird ein zweites
Signal erzeugt, das die Summe der zwei Q-Signale ist, wenn die zwei Q-Signale
gegenphasig sind, oder die Differenz zwischen den zwei Q-Signalen,
wenn sie gleichphasig sind, so daß sich die Gleichspannungs-Offset-Komponenten
der Q-Signale mindestens teilweise aufheben.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
auch bedeutsame andere Vorteile bieten. Hinsichtlich Empfängerausführungsformen
werden die Gleichspannungs-Offsets
in Echtzeit ausgelöscht,
unabhängig
von der Signalstärke,
Frequenz oder dem Pegel der Eingangssignale des Lokaloszillators
(LO) zu den Mischern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß irgendeine
Durchführung
des Lokaloszillatorsignals in der rückwärtigen Richtung in der 180°-Empfangsweiche
am Eingang des Empfängers ausgelöscht wird.
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Hinsichtlich
weiterer Vorteile von Ausführungsformen
werden vorrichtungsabhängige
Effekte wie beispielsweise Temperaturdrifts vollständig kompensiert,
da sie für
die zwei IQ-Mischer des gleichen Typs die gleichen sind. Ein weiterer
Vorteil von Empfängerausführungsformen
besteht darin, daß die
Notwendigkeit im Stand der Technik, Verstärkungs- und Laufzeitunterschiede
zwischen I- und Q-Zweigen (wie oben besprochen) abzustimmen, vermieden wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Diagramm einer ersten Ausführungsform
eines Empfängers
gemäß der Erfindung;
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2 ist
ein Diagramm einer zweiten Ausführungsform
eines Empfängers;
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3 ist
ein Diagramm einer dritten Ausführungsform
eines Empfängers;
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4 ist
ein Diagramm einer ersten Ausführungsform
eines Senders; und
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5 ist
ein Diagramm einer zweiten Ausführungsform
eines Senders.
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Ausführliche
Beschreibung
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Ausführungsformen
von Empfängern
werden unten beschrieben. Umsetzung findet direkt von Hochfrequenz
(HF) ins Basisband (d.h. Gleichstrom) statt. Dann werden Ausführungsformen
von Sendern mit Basisband-zu-HF-Umsetzung
beschrieben, ebenfalls ohne eine Zwischenfrequenz-(ZF-)Umsetzungsstufe.
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Ein erster
Empfänger
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In
einer Ausführungsform
eines ersten Empfängers 1 wie
in 1 dargestellt, wird das Eingangssignal A durch
einen Verstärker
DRV verstärkt und
in zwei Wege 10, 12 aufgeteilt, einen Weg 10 ohne
Phasenverschiebung und einen Weg 12 mit einer Phasenverschiebung
von 180 Grad. Eine Weise, die Phasenverschiebung zu erreichen, besteht
in der Verwendung eines 180°-Hybrids 14,
um sicherzustellen, daß die
Signalpegel für
beide Wege 10, 12 die gleichen sind.
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Dann
werden Signale auf jedem der Wege 10, 12 durch
einen jeweiligen IQ-Mischer 16, 18 verarbeitet,
von denen jeder zwei LO-Signale, eines 22 mit 0° Phasenverschiebung und eines 23 mit
90° Phasenverschiebung
benutzt. Die IQ-Mischer 16, 18 für beide
Wege 10, 12 sind in ihrem Aufbau identisch. Jeder
Mischer 16, 18 umfaßt einen Signalteiler 20 und
Signaleingänge 22, 23 von
einem (nicht dargestellten) Lokaloszillator (LO). Beide IQ-Mischer
sind auf dem gleichen integrierten Schaltungschip implementiert.
Die Länge
der Verbinder 38 vom 180°-Hybrid 14 zu
jedem Signalteiler 20 ist die gleiche.
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Aufgrund
von Unvollkommenheiten der IQ-Mischer 16, 18 erscheint
ein ungewünschter Gleichspannungs-Offset
an den Ausgänge
der IQ-Mischer 16, 18. Jede I-Ausgabe des IQ-Mischers 2 ist
im Vergleich zur entsprechenden I-Ausgabe des IQ-Mischers 1 um
180° phasenverschoben.
Die Gleichspannungs-Offsets von den zwei IQ-Mischern 16, 18 sind
jedoch nicht phasenverschoben. Das gleiche gilt auch für die Q-Ausgaben.
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Alle
Ausgaben sind mit Addiererstufen 24, 25, 26, 27 querverbunden,
wobei die I- und Q-Komponenten der gleichen Phase so verbunden sind,
daß sie
sich addieren. An jedem Addierer weist einer der zwei Eingänge einen
um 180° zum
anderen verschobenen Gleichspannungs-Offset auf. Dementsprechend
werden die Gleichspannungs-Offsets durch die Addierer ausgelöscht.
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Nach
einiger Verstärkung
durch differentielle Regelverstärker
(in 1 mit 30, 31 für I-Signale und 30', 31' für Q-Signale
bezeichnet) und Basisbandfilterung durch Tiefpaßfilter (in 1 mit 28, 29 für I-Signale
und 28', 29' für Q-Signale
bezeichnet), werden die I- und Q-Signale (I-Signal 32 und
Q-Signal 34, jeweils mit gleichphasigen und gegenphasigen
Komponenten) durch einen Analog-Digitalwandler (ADC – Analog
to Digital Converter) 36 abgetastet und dann durch (nicht
gezeigte) Verarbeitungsstufen demoduliert und decodiert. Im vorliegenden
Beispiel weist der ADC eine Basisbandeingangsleistung von maximal 10
dBm auf.
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Eine
weitere Wirkung von Unvollkommenheiten von IQ-Mischern ist die Durchführung von
LO-Signal zum Eingang des IQ-Mischers. In der beschriebenen Ausführungsform
würden
diese Restsignale mit dem gleichen Pegel wieder am Ausgang des 180°-Hybrids 14 ankommen,
der das Eingangssignal aufteilt. Im vorliegenden Fall funktioniert
das auf entgegengesetzte Weise, so daß die Restsignale am Eingang
zum 180°-Hybrid 14 zusammenaddiert
werden, aber da sie 180° phasenverschoben
sind, heben sich die zwei Restsignale auf.
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Alle
Auslöschungseffekte
funktionieren in Echtzeit.
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Ein zweiter
Empfänger
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In
der 2 ist eine Ausführungsform eines zweiten Empfängers 201 dargestellt.
Dieser Empfänger
weist im wesentlichen den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion
wie der in 1 gezeigte Empfänger auf,
nur wird das Eingangssignal A' auf
einen Weg 210 geleitet (es gibt daher keinen 180°-Hybrid). Statt
dessen wird im anderen Weg 212 ein Bezugssignal B, das
Null ist, zugeführt,
so daß der
zweite IQ-Mischer 218 zum Erzeugen eines Bezugs-Gleichspannungs-Offsets
benutzt wird, der dann für
Auslöschungszwecke
wie im Empfänger
der 1 benutzt wird. Da die Auslöschung von Effekten, die vom
Eingangssignalpegel abhängig
sind, nicht berücksichtigt werden,
könnte
die Leistungs fähigkeit
dieser Ausführungsform
geringer als die des Empfängers
in der 1 sein.
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Andere Empfänger
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In
der 3 ist ein dritter Empfänger 301 dargestellt.
In diesem Empfänger
werden die I- und Q-Signale
von jedem IQ-Mischer 316, 318 in differentiellen
Regelverstärkern 330 als
unsymmetrische Signale zugeführt.
Insbesondere wird die I-Komponente mit 0° Phase vom IQ-Mischer 316 und
die I-Komponente mit 180° Phase
vom IQ-Mischer 318 durch einen jeweiligen differentiellen
Regelverstärker 330 und
Tiefpaßfilter 328 und
dann durch einen weiteren jeweiligen differentiellen Regelverstärker 331 und weiteres
Tiefpaßfilter 329 durchgeführt, um
das I-Signal 332 mit Basisbandfrequenz bereitzustellen.
Auf ähnliche
Weise wird die Q-Komponente mit 0° Phase vom
IQ-Mischer 316 und die Q-Komponente mit 180° Phase vom IQ-Mischer 318 durch
einen jeweiligen differentiellen Regelverstärker 330' und Tiefpaßfilter 328' und dann durch
einen weiteren jeweiligen differentiellen Regelverstärker 331' und weiteres
Tiefpaßfilter 329' durchgeführt, um
das Q-Signal 334 mit
Basisbandfrequenz bereitzustellen. Addierer (siehe Bezugsziffern 24, 25, 26, 27 in
der 1 zum Vergleich) sind daher nicht erforderlich.
Da jeglicher Gleichspannungs-Offset in den von den IQ-Mischern 316, 318 bereitgestellten
I- und Q-Komponenten von 0° Phase
ist, verstärkt
jeder differentielle Regelverstärker 330, 330' nur die Differenz
zwischen seinen zwei Eingaben, wobei der Gleichspannungs-Offset
in den zwei Eingaben durch diese Operation ausgelöscht wird.
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In
einer weiteren (nicht dargestellten) Empfängerausführungsform, die ansonsten dem
ersten in der 1 dargestellten Empfänger ähnlich ist,
ist der Verstärker
DRV ein differentieller Verstärker
mit Eingangssignalen +A und –A.
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Ein erster
Sender
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Wie
in der 4 dargestellt, werden in einer ersten Senderausführungsform
I- und Q-Analogsignale durch einen, mit einem Digital-Analogwandler (DRC – Digital
to Analog Converter) 50 verbundenen (nicht gezeigten) Codierer
erzeugt. Nach Verstärkung
durch Verstärker 52 und
Tiefpaßfilterung
durch Filter 54 werden sowohl gleichphasige als auch gegenphasige
I- und Q-Signale zwei identischen IQ-Mischern 56, 58 zugeführt. So
werden jedem Mischer sowohl gleichphasige als auch gegenphasige
I-Signale und jedem Mischer sowohl gleichphasige als auch gegenphasige
Q-Signale zugeführt.
Die Signaleingänge 60 sind
im Vergleich zum IQ-Mischer 1 (Bezugsziffer 56)
nach der Darstellung in der Figur am IQ-Mischer 2 (Bezugsziffer 58)
in umgekehrter Ordnung verbunden. Jeder Mischer 56, 58 enthält eine
Sendeweiche 420 und Signaleingänge 422, 423 von
einem (nicht gezeigten) Lokaloszillator.
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Am
Ausgang 62 des IQ-Mischers 2 (Bezugsziffer 58)
wird das Signal im Vergleich zum Ausgang 64 des IQ-Mischers 1 (Bezugsziffer 56)
um 180° phasenverschoben.
Das Signal an jedem Ausgang 62, 64 enthält ein Restträgersignal.
Das Restträgersignal entsteht
teilweise durch Nebensprechen vom LO als Ergebnis von etwas kapazitiver
Kopplung, weiterhin durch einige Gleichspannung an den Signaleingängen 60 in
Folge von Toleranzen bei der Erzeugung und Bearbeitung von gleichphasigen
und gegenphasigen I- und Q-Signalen und durch einige Impedanzfehlanpassungen.
Das Restträgersignal
an jedem der Ausgänge 62, 64 der
IQ-Mischer 56, 58 weist die gleiche Phase auf.
Infolgedessen werden die gewünschten
Signale am 180°-Hybrid 64,
der als Sendeweiche fungiert, zusammenaddiert, und die ungewünschten
Restträgersignale
werden ausgelöscht, wobei
das sich ergebende Signal am Ausgang 66 bereitgestellt
wird.
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Andere Sender
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In
einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform wird anstelle des
Codierers und DAC 50 in der in 4 dargestellten
Senderkonfiguration eine andere Quelle ebenfalls mit symmetrischen
Ausgängen
benutzt.
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In
einer weiteren, in 5 dargestellten Ausführungsform
wird statt dessen eine I- und Q-Signalquelle mit unsymmetrischen
Ausgängen
benutzt. Die Signalquelle ist ein Digital-Analogwandler (DAC – Digital
to Analog Converter) 550. In dieser Ausführungsform
werden vom DAC 550 nur gleichphasige, d.h. 0-Grad-I- und
Q-Signalkomponenten bereitgestellt. Nach Verstärkung 552 und Tiefpaßfilterung 554 werden
die Signalkomponenten jedem IQ-Mischer 556, 558 zugeführt, deren
gegenphasige (d.h. 180-Grad-)Eingangsanschlüsse geerdet sind (Erde 551).
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Abkürzungen
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- ADC
- Analog-Digitalwandler
- AGC
- Automatische Verstärkungsregelung
- DC
- Gleichspannung
- I
- Gleichphasig
- ZF
- Zwischenfrequenz
- LO
- Lokaloszillator
- Q
- Quadraturphasig
- RX
- Empfänger
- TX
- Sender
- VGA
- Regelverstärker