DE102006025436A1

DE102006025436A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale

Info

Publication number: DE102006025436A1
Application number: DE200610025436
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Vossiek; Stephan Max; Peter Dr. Gulden
Original assignee: Symeo GmbH
Current assignee: Symeo GmbH
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-20
Also published as: WO2007137574B1; WO2007137574A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale, bei dem ein Oszillator (SILO) zum Erzeugen des Signals (sosz(t)) geschaltet angeregt wird und das Anregen auf Basis eines von einem Signalgenerator (SGEN) erzeugten Signals (sinj(t)) durchgeführt wird, wobei zum Anregen ein Oberwellensignal (sinj(t)) mit einer Oberwelle des vom Signalgenerator (SGEN) erzeugten Signals verwendet wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Vorrichtung zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale (sosz(t)) mit einem anregbaren Oszillator (SILO), einem Ein-/Ausschalter (SW) zum Unterbrechen und Neustarten einer Oszillation des Oszillators (SILO) und einem Signalgenerator (SGEN) zum Erzeugen eines Basissignals als Basis zum Anregen des Oszillators (SILO), wobei ein Element (NLE) zum Anregen des Oszillators (SILO) ein Oberwellensignal (sinj(t)) aus dem Basissignal des Signalgenerators (SGEN) erzeugt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 6.
Bei modernen wellenbasierten Messsystemen und Kommunikationssystemen, z.B. Automobilradaren, technischen bzw. medizinischen Abbildungssystemen, funkbasierten Datenübertragungssystemen oder Funkortungssystemen, Funk-Identifikationssystemen werden vermehrt sehr breitbandige Signale eingesetzt. Diese sehr breitbandigen Signale werden als UWB (Ultra Wide Band) bezeichnet. Der Begriff UWB wird gemäß der Definition der US-amerikanischen Behörde Federal Communications Commission (FCC) üblicherweise dann verwendet, wenn die Signal-Bandbreite entweder mindestens 20% der Mittenfrequenz des Signals beträgt oder aber größer als 500 MHz ist. Ein weiterer Trend, der beobachtet werden kann, besteht darin, dass die Mittenfrequenz von wellenbasierten Mess- und Kommunikationssystemen immer höher wird, also zunehmend sehr hochfrequente Systeme eingesetzt werden.
Ein Problem bei UWB-Systemen ist die kostengünstige und stromsparende Erzeugung der UWB-Signale insbesondere unter der Maßgabe, dass die erzeugten Signale den strengen gesetzlichen Vorschriften entsprechen, in denen Frequenzmasken definiert sind, innerhalb derer das Spektrum der erzeugten UWB Signale liegen muss. In den öffentlichen Bekanntmachungen der FCC oder des Europäischen Electronic Communications Committee (ECC) sind beispielsweise derartige Forderungen an die Spektralmasken veröffentlicht.
Die kostengünstige und stromsparende Erzeugung der UWB-Signale ist insbesondere dann schwierig, wenn komplexere Modulationsformen wie Frequenz- und/oder Phasenmodulation, wie sie üblicherweise in modern Mess- und Kommunikationssystemen verwendet werden, Anwendung finden sollen. Die Schwierigkeiten entstehen, da die technischen Mittel, die zur Erzeugung komplex modulierter Signale notwendig sind, um so aufwändiger werden, je höher die Bandbreite der Signale ist und auch um so höher die Mittenfrequenz der Signale ist.
Es gibt Ansätze zur Lösung der Schwierigkeiten. Moderne wellenbasierte Mess- und Kommunikationssysteme mit aufwändig modulierten Signalen sind heutzutage zumeist so aufgebaut, dass in einem niederfrequenteren Basisband das modulierte Signal erzeugt wird und dieses modulierte Signal dann mit einem Festfrequenzoszillator und einem Mischer auf die gewünschte Mittenfrequenz hochgemischt wird. Bekannt ist auch, dieses modulierte Signal als Basisbandsignal über Frequenzvervielfachung bzw. Phasen-/Frequenz-Synthesizer hochzusetzen. Zur Erzeugung der Basisbandsignale werden zunehmend digitale Systeme wie z.B. Digital-zu-Analog-Wandler oder spezielle DDS-Synthesizer (Direct Digital Synthesis/direkte digitale Synthese) eingesetzt. Den meisten Lösungen ist gemein, dass bei breitbandigen Signalen hohe digitale Taktraten bzw. schnelle Digital-zu-Analog-Wandler und/oder schnelle Frequenzteiler verwendet werden müssen. Der Stromverbrauch und die technologische Komplexität steigen mit der Taktrate signifikant an und dadurch auch die Kosten dieser Elemente.
Aus diesem Grund arbeiten UWB Systeme sehr häufig mit einfachen gepulsten Oszillatoren und sehr einfachen Modulationsarten wie der Impulspositionsmodulation oder der Amplitudenmodulation. Grundlegende Prinzipien sind z.B. in Terence W.Barrett "History of UltraWideBand (UWB) Radar&Communications: Pioneers and Innovators" dargestellt. Einfache UWB-Pulssignale werden zumeist basierend auf eine der beiden nachfolgenden Arten erzeugt.
Gemäß einer ersten Art der Herstellung von UWB-Pulssignalen wird das Signal eines Festfrequenz-HF-Oszillators (HF: Hochfrequenz) mit einem Schalter mit einem Schaltsignal ausgetastet. Als Schalter kann auch ein steuerbarer Verstärker, ein Dämpfungsglied oder ein Mischer eingesetzt werden. Im einfachsten Fall ist der Schalter z.B. 200 ps geschlossen und 20 ns offen, um Impulse mit einer Bandbreite von einigen GHz zu erzeugen.
Gemäß einer zweiten Art der Herstellung von UWB-Pulssignalen wird der Oszillator bzw. die Oszillation selbst mit dem Schaltsignal ein- und ausgeschaltet. Dies ist z.B. bekannt aus "Low-Power Ultra-Wideband Wavelets Generator With Fast Start-Up Circuit" Barras, D.; Ellinger, F.; Jackel, H.; Hirt, W. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 54, NO. 5, Mai 2006, Seite 2138–2145.
Die zweite Art hat den Vorteil, dass der Stromverbrauch signifikant geringer ist als bei der ersten Art, da bei der ersten Art der Oszillator in dem zuvor genannten Schaltbeispiel 99% der Zeit ein ungenutztes Signal generiert und in dieser Zeit sinnlos Leistung verbraucht.
Nachteilig ist bei der zweiten Art, dass die Phase und häufig auch die Frequenz des Signals üblicherweise nicht unter Kontrolle ist, da der Oszillator normalerweise bei jedem Einschalten mit einer zufälligen Phase anschwingt.
Bei Impulsradaren ist es bekannt, dieses undefinierte Anschwingen dadurch zu verhindern, dass der Oszillator mit einem Schaltsignal ein- und ausgeschaltet wird, welches Oberwellen aufweist, die in dem Frequenzbereich des Oszillators liegen. In diesem Fall schwingt der Oszillator immer synchron zu der Phase der Oberwellen der Schaltimpulse an.
Beiden Verfahrensweisen ist gemein, dass es äußerst kompliziert ist, die Spektren der erzeugten Impulse gezielt zu formen. Üblicherweise und insbesondere bei den geplanten europäischen Zulassungsbestimmungen ist es notwendig, dass die Impulse eine sehr definierte Einhüllende aufweisen, etwa eine gaussförmige oder cos²-förmige Einhüllende aufweisen. Nur unter diesen Voraussetzungen verbleiben sie in den von den Zulassungsbehörden geforderten spektralen Masken und erzeugen extrem wenig Leistung in den Seitenbändern. Eine solche gezielte Amplitudenbeeinflussung innerhalb so kurzer Impulszeiten ist technisch jedoch nur sehr schwierig lösbar.
Aus den genannten Gründen verwenden neuere UWB Systeme zunehmend auch alternative komplexere Modulationsarten wie etwa die OFDM Modulation (OFDM: Orthogonal Frequency Divisional Modulation/orthogonale Frequenzdivisions-Modulation). Da hierbei die Basisbandsignale zumeist mit einem Digital-zu-Analog-Wandler erzeugt werden, ist es jedoch bisher noch nötig, die Signale auf eine relativ kleine Bandbreite zu beschränken bzw. die Signale auf verschiedene Unterbänder zu verteilen. Dies ist erforderlich, da die Digital-zu-Analog-Wandler die direkte Erzeugung von Signalen mit z.B. einer Bandbreite von mehreren GHz nicht effizient zulassen. Ein breit diskutierter Ansatz ist z.B. das sogenannte UWB MB-OFDM, das z.B. in „Ultra-wideband communications: an idea whose time has come", Liuging Yang; Giannakis, G.B., Signal Processing Magazine, IEEE Volume 21, Issue 6, Nov. 2004 Page(s): 26–54", dargestellt wird. Hierbei wird das verfügbare Spektrum in mehrere Bänder aufgeteilt und in jedem Band die Information mittels OFDM-Modulation übertragen.
Moderne Verfahren zur Erzeugung von freugenzmodulierten Radarsignalen sind z.B. in „Pichler, M.; Stelzer, A.; Gulden, P.; Seisenberger, C.; Vossiek, M., „Frequency-sweep linearization for FMCW sensors with high measurement rate", IEEE Microwave Symposium Digest, 2005 IEEE MTT-S, San Francisco, USA, 12–17 June 2005 Page (s) 4 pp., 2005" dargestellt.
WO 05/098465 A2 beschreibt ein Verfahren zur Synchronisation von Takteinrichtungen. US 2005030935 bzw. WO 03/047137 A2 bzw. DE 101 57 931 C2 beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Synchronisierung von Funkstationen und einem zeitsynchronen Funk-Bussystem.
DE 100 32 822 A1 bzw. US 6894572 B2 beschreiben allgemein eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Oszillatorsignals. In Abgrenzung zur normalen Kohärenz wird dabei eine zyklisch wiederhergestellte Kohärenz verwendet, welche als Quasiphasenkohärenz bezeichnet wird. Ein dabei verwendeter geschalteter und quasikohärent zu einem Anregungssignal schwingender Oszillator, der quasiphasenkohärent verkoppelt ist, wird als Switched Injection Locked Oszillator (SILO) bezeichnet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale derart zu verbessern. Insbesondere sollen ein Grundverfahren und diverse Vorrichtungen bzw. Anordnungen vorgeschlagen werden, mit denen vergleichsweise einfach und dabei sehr stromsparend und/oder leistungseffizient frequenz- und phasenmodulierte UWB Impulssignale erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Bevorzugt wird demgemäß ein Verfahren zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale, bei dem ein Oszillator zum Erzeugen des Signals geschaltet angeregt wird und das Anregen auf Basis eines von einem Signalgenerator erzeugten Signals durchgeführt wird, wobei zum Anregen ein Oberwellensignal mit einer Oberwelle des vom Signalgenerator erzeugten Signals verwendet wird.
Vorteilhafterweise wird das Oberwellensignal aus dem Basissignal mittels eines nichtlinearen Elements erzeugt.
Das Oberwellensignal wird vorzugsweise in einen Rückkoppelkreis des Oszillators eingespeist. In den Rückkoppelkreis des Oszillators wird das Oberwellensignal dabei bevorzugt derart eingekoppelt, dass der Oszillator beim Einschalten mittels eines Ein-/Ausschalters synchron zur Phase des Oberwellensignals anschwingt. Der Ein-/Ausschalter wird vorteilhaft mittels eines Schaltsignals zyklisch aus- und wieder eingeschaltet zum Erzeugen einer Quasi-Phasenkohärenz.
Vorrichtungsgemäß bevorzugt wird demgemäß eine Vorrichtung zur Erzeugung frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale mit einem anregbaren Oszillator, einem Ein-/Ausschalter zum Unterbrechen und Neustarten einer Oszilliation des Oszillators und einem Signalgenerator zum Erzeugen eines Basissignals als Basis zum Anregen des Oszillators, wobei ein Element zum Anregen des Oszillators ein Oberwellensignal aus dem Basissignal des Signalgenerators erzeugt.
Das Element zum Erzeugen des Oberwellensignals ist bevorzugt ein nichtlineares Element. Der Oszillator ist vorteilhaft in einem Funkortungssystem eingesetzt, insbesondere in einem Transponder eines Funkortungssystems eingesetzt.
Der Oszillator ist bevorzugt in einem Verstärker einer übergeordneten Vorrichtung bzw. Anordnung eingesetzt.
Vorteilhaft sind insbesondere ein solches Verfahren und/oder eine solche Vorrichtung zum Erzeugen der Frequenz- und/oder phasenmodulierten Signale mit Impulsdauern zwischen 10 ps und 100 ns Impulsdauer, insbesondere im Bereich von 100 ps bis 10 ns Impulsdauer.
Bevorzugt sind insbesondere ein solches Verfahren und/oder eine solche Vorrichtung, wobei das erzeugte Signal ein abgetastetes Signal mit einer Abtastfrequenz gemäß dem Abtasttheorem zum Erhalten von Nutzinformationen des Basissignals in dem Oberwellensignal ist.
Vorteilhaft ist eigenständig ein Transpondersystem mit einer solchen Vorrichtung zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale in einem Transponder, insbesondere in einem Transponder zur Positions- und/oder Entfernungsbestimmung des Transponders relativ zu einem vorgegebenen Punkt im Raum.
Insbesondere werden dadurch ein Grundverfahren und diverse Vorrichtungen bzw. Anordnungen vorgeschlagen, mit denen vergleichsweise einfach und dabei sehr stromsparend und leistungseffizient Frequenz- und phasenmodulierte UWB Impulssignale erzeugt werden können. Die Verfahren und Anordnungen lassen sich aber auch sehr vorteilhaft bei hochfrequenten Frequenz- und phasenmodulierten Schmalbandsystemen einsetzen.
Ausgenutzt wird zur Phasen- bzw. Frequenzmodulation somit die von gattungsfremden Impulsradaren für sich bekannte Eigenschaft von Oszillatoren, beim Einschalten vorzugsweise synchron zu einem Stimulus anzuschwingen.
Eine Grundidee basiert somit auf der Erkenntnis, dass ein Oszillator sich im Grundzustand in einem labilen Gleichgewicht befindet, und, wenn er eingeschaltet wird, durch eine wie auch immer geartete Fremdenergiezufuhr erst dazu angeregt werden muss zu schwingen. Erst nach diesem initialen Anstoßen wird die Rückkopplung aktiv, mit der die Schwingung aufrechterhalten wird. Üblicherweise wird zum Beispiel das thermische Rauschen zu einer solchen Initialisierung eines Schwingkreises verwendet. Das heißt, dass ein Oszillator mit einer zufälligen Phase und Amplitude anschwingt, wenn er eingeschaltet wird, und dann bei seiner durch seinen Resonanzkreis vorgegebenen Frequenz oszilliert. Wird in den Oszillator beim Einschalten jedoch gemäß der bevorzugten Ausführungsform ein externes Anregungssignal injiziert, so schwingt der Oszillator nicht zufällig, sondern synchron mit der Phase des Anregungssignals an. Je nach Frequenzdifferenz zwischen dem Anregungssignal und dem Oszillatorsignal und je nach Amplitudendifferenz zwischen dem Anregungssignal und dem Oszillatorsignal bleibt diese Synchronität mehr oder weniger lang bestehen. Ist die Amplitude des Anregungssignals hinreichend groß, so bleibt die Synchronität stetig erhalten, was als „Injection Locking" bezeichnet wird. Diese Art der kohärenten Synchronisierung ist in B. Razavi, "A study of injection pulling and locking in Oszillators" Proceedings of the IEEE Custom Integrated Circuits Conference, 21–24 Sept. 2003, S. 305–312 beschrieben.
Gemäß den bevorzugten Verfahren und Vorrichtungen bzw. Schaltungen wird jedoch davon ausgegangen, dass die Amplitude des Anregungssignals sehr klein bezogen auf die Amplitude des eingeschwungenen Oszillators sein soll. In diesem Fall schwingt der Oszillator zwar synchron an, schwingt jedoch dann mit seiner natürlichen Frequenz weiter. In Folge bewirkt dies, dass die Phase des Anregungssignals und die Phase des Oszillatorsignals mit der Zeit stetig divergieren. Um in diesem Modus eine Phasensynchronität zwischen dem Oszillatorsignal und dem Anregungssignal über eine längere Zeit aufrecht zu erhalten, muss der Oszillator bzw. die Oszillation bzw. die für die Oszillation notwendige Rückkopplungsbedingung immer wieder zyklisch aus- und dann wieder eingeschaltet werden, so dass der Oszillator bei jedem Einschalten erneut auf die Phase des Anregungssignal anschwingt. Verwendet wird somit eine Quasiphasenkohärenz und ein geschalteter und quasikohärent zu einem Anregungssignal schwingender Oszillator als Switched Injection Locked Oszillator (SILO).
Vorteilhaft erweitert wird das SILO-Prinzip nun derart, dass es zur stromsparenden und kostengünstigen Erzeugung von Phasen-/frequenzmodulierten Signalen verwendet wird. Das Verfahren bzw. die Grundidee der folgenden Ausführungen besteht darin, einen SILO auf Oberwellen eines Basisbandsignals einschwingen zu lassen. Ein entscheidender Vorteil besteht dabei darin, dass die Amplituden der Oberwellen extrem klein sein können und daher weitgehend auf Verstärker, insbesondere auf Hochfrequenzverstärker verzichtet werden kann.
Deutlich verschieden ist der vorliegende Ansatz basierend auf einem geschalteten Oszillator SILO somit vom bekannten injection pulling bzw. injection locking Verfahren zur Stabilisierung nicht geschalteter Oszillatoren. Bei injection locking Verfahren ist es auch bekannt, Oszillatoren auf Oberwellen eines Referenzsignals zu synchronisieren. Bei bekannten injection pulling bzw. injection locking Oszillatoren arbeiten die Oszillatoren jedoch nicht geschaltet sondern im Dauerbetrieb, weshalb relativ große Signale injiziert werden müssen, um eine phasenstarre Verkopplung zu gewährleisten. Zudem darf bei injection pulling bzw. injection locking Oszillatoren der Frequenzabstand zwischen dem injizierten Signal und dem Oszillatorsignal nicht zu groß sein, da sonst überhaupt keine Synchronisierung zu erreichen ist. Beide Nachteile hat der vorliegend bevorzugte quasi-phasenkohärent geschaltete Oszillator-Ansatz nicht. Es könnten extrem kleine Anregungssignale verwendet werden.
Vorteilhaft sind mit dieser Anordnung auch beliebig anders modulierte Signale z.B. Frequency-Hop modulierte UWB-Signale oder phasenkodierte UWB Signale zum Zwecke einer Datenübertragung im o.g. UWB-Band zu erzeugen.
Sehr vorteilhaft eingesetzt werden können das erfindungsgemäße Prinzip und die erfindungsgemäßen UWB-Signalgeneratoren bei Funkortungssystemen. Transponder für Funkortungssysteme, die derartige Verfahren und Anordnungen verwenden, zeichnen sich dadurch aus, dass die Transponder komplex modulierbare und in der Spektralmaske gezielt formbare Phasen-/frequenzmodulierte impulsförmige Signale erzeugen und dennoch in etwa nur genauso viel Leistung verbrauchen und in etwa genauso kostengünstig sind wie einfache impulsmodulierte Systeme.
Günstig anwendbar sind die vorliegend beschriebenen und dazu äquivalente Vorrichtungen insbesondere in bzw. in Kombination mit Systemen wie sie in US2005030935 , WO002005098465A2 und „Concept and Application of LPMA Novel 3-D Local Position Measurement System" Andreas Stelzer, Klaus Pourvoyeur, Alexander Fischer IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 52, NO. 12, S. 2664-2669, DECEMBER 2004 beschrieben sind.
In dem Artikel "Low-Power Ultra-Wideband Wavelets Generator With Fast Start-Up Circuit" Barras, D.; Ellinger, F.; Dackel, H.; Hirt, W. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 54, NO. 5, Mai 2006, Seite 2138–2145 ist ein Design für einen geschalteten UWB Oszillator aufgeführt, in welchem die Anordnungen gemäß dem vorliegenden Grundprinzip gut geeignet einsetzbar sind. Der in dem Artikel dargestellte Oszillator umfasst wesentliche Merkmale, die zur Umsetzung eines Oszillators SILO und der vorliegend bevorzugten Anordnungen notwendig sind. In dem Artikel wird, wie auch schon in DE 100 32 822 A1 , ebenfalls die prinzipielle Eigenschaft der phasenkohärenten Anregbartkeit eines geschalteten Oszillators erwähnt. Ähnlich wie bei einem regenerativem Verstärker (s. E. Insam, "Designing Super-Regenerative Receivers," Electronics World, April 2002, S. 46 ff., 2002) wird in dem Artikel die Stimulierung der Anregbarkeit allerdings nicht zur Erzeugung komplexer Phasen- oder frequenzmodulierter Signale verwendet, sondern primär dazu, die Anschwingzeit zu beeinflussen. Insbesondere wird in beiden Artikeln nicht erwähnt, dass geschaltete Oszillatoren gemäß des SILO-Prinzips dazu geeignet sind, im Sinne eines Abtastvorganges aus abgetasteten bzw, zu quasiphasenkohärenten Anregung verwendeten Oberwellen von modulierten Basissignalen hochfrequente Phasen- und/oder frequenzmodulierte UWB Signal zu erzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Anhand verschiedener Fig. dargestellte verschiedene Ausführungsformen sind bezüglich gleich bezeichneter Komponenten und Funktionen jeweils gleich oder gleichwirkend, weshalb auf konkrete Ausführungen in den jeweils diesbezüglich detaillierter beschriebenen Fig. verwiesen werden kann. Es zeigen:
1 schematisch eine Anordnung von Komponenten zur Veranschaulichung eines Grundprinzips einer Anordnung bzw. Vorrichtung zur Erzeugung Frequenz- und phasenmodulierter Impulssignale,
2 zwei Signal-Frequenz-Diagramme zur Veranschaulichung einer Wirkung bei Verwendung von Oberwellen eines Basisbandsignals zum Anregen eines Oszillators,
3 eine Anordnung von Komponenten dazu,
4 eine erste bevorzugte Anordnung von Komponenten zum Aufbau einer Vorrichtung mit einem DDF als Signalgenerator,
5 eine Anordnung von Komponenten mit einem Digital-zu-Analog-Wandler als Signalquelle,
6 beispielhaft eine Anordnung zum Aufbau eines Frequenz-/phasenmodulierbaren UWB-Funksenders,
7 eine Anordnung zum Erzeugen eines amplitudenkontinuierlichen Signals mittels eines gepulsten SILO (Switched Injection Locked Oscillator/gekoppelter Oszillator mit geschalteter Injektion bzw. Anregung) und
8 eine vorteilhafte Schaltung zur Erzeugung eines linear frequenzmodulierten UWB-Signals.
1 zeigt das Grundprinzip einer bevorzugten Schaltung als Vorrichtung zur Erzeugung eines Frequenz- und/oder phasenmodulierten Signals s_osz(t).
Die Anordnung zur Erzeugung Frequenz- und phasenmodulierter Impulssignale s_osz(t) umfasst einen Signalgenerator SGEN, der als lediglich beispielhafte Signalquelle ein Frequenz- und/oder phasenmoduliertes Basisbandsignal erzeugt.
Dem Signalgenerator SGEN nachgeschaltet ist ein nichtlineares Element NLE, so dass Oberwellen, d.h. Vielfache der im Basisbandsignal enthaltenen Frequenzen, erzeugt werden. Auf ein derartiges eigenständiges nichtlineares Element NLE kann verzichtet werden, wenn z.B. der Signalgenerator SGEN selbst als ein Element mit nichtlinearen Eigenschaften ausgebildet ist und Oberwellen erzeugt.
Die Anordnung umfasst ferner ein Filter BP, insbesondere Bandpassfilter, mit dem eine bestimmte Oberwelle selektiert und die restlichen Bänder, d.h. die Bandbereiche weiterer Grund- und Oberwellen, unterdrückt werden. Das Filter BP stellt somit als Signal für einen Oszillator SILO ein Oberwellensignal s_inj(t) des Basissignals des Signalgenerators SGEN bereit.
Auf das Filter BP kann beispielsweise dann verzichtet werden, wenn der nachgeschaltete Oszillator SILO selbst frequenzselektive Eigenschaften besitzt, also z.B. eine Rückkopplungsübertragungsfunktion R(ω) = A(ω)·β(ω) des Oszillators SILO ein entsprechendes Bandpassverhalten aufweist.
Die Anordnung umfasst entsprechend ferner den Oszillator SILO als einen geschalteten und quasikohärent zu einem Anregungssignal schwingenden Oszillator in Art eines so genannten Switched Injection Locked Oszillator (SILO). Dabei wird in den Rückkoppelkreis des Oszillator SILO das Oberwellensignal s_inj(t) eingekoppelt, so dass der Oszillator SILO beim Einschalten synchron zur Phase des Oberwellensignals s_inj(t) anschwingt. Die Stelle, an der das ein Anregungssignal bildende Oberwellensignal s_inj(t) in den Rückkoppelkreis eingekoppelt wird, ist letztendlich egal.
Wie aus 1 ersichtlich, ist der Oszillator SILO vorzugsweise ein konventioneller Oszillator, der in beliebigen Ausführungsformen realisiert sein kann. Eine Besonderheit besteht jedoch darin, dass Schaltmittel in Form eines Ein/Ausschalters SW und ein Schaltsignal s_sw(t) zum Schalten des Ein/Ausschalters SW vorgesehen sind. Der Ein/Ausschalters SW kann beispielsweise mittels Halbleitertechnologie oder mikromechanischen Elementen umgesetzt sein. Mittels des Ein/Ausschalters SW und des diesen ansteuernden Schaltsignals s_sw(t) wird die Oszillation des Oszillators SILO zyklisch aus- und wieder eingeschaltet wird, um die Quasiphasenkohärenz zu generieren. Das Ein- und Ausschalten der Oszillation kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen, z.B. durch Unterbrechen der Rückkoppelschleife, Verringerung der Schleifenverstärkung oder Ausschalten der Rückkoppelverstärker.
Für die Anregung des Oszillators SILO können bei bedarf extrem kleine Anregungssignale verwendet werden. Eine vorteilhafte Bedingung, auch dies zu ermöglichen, besteht lediglich darin, dass die Amplituden der Anregungssignale groß gegenüber denen von Rausch-/Störsignalen sind, da andernfalls der Oszillator vorzugsweise synchron zu den Störsignalen anschwingen würde.
Gemäß erster Versuche, kann ein typischer Oszillator SILO in aller Regel mit einem Anregungssignal quasiphasenkohärent angeregt werden, dessen Pegel z.B. 80 dB kleiner ist als der Pegel des Oszillators SILO im eingeschwungenen Zustand. Die theoretische Grenze wird letztendlich nur durch das thermische Rauschen bzw. den Störsignalpegel in der den Oszillator umgebenden Schaltung vorgegeben. Diese quasiphasenkohärente Anregbarkeit mit extrem kleinen Pegeln ermöglicht es, Oberwellen des Basisbandsignals mit sehr hoher Ordnung zu verwenden bzw. weitgehend auf Verstärker oder sonstige leistungsverbrauchende aktive Elemente zur Hochfrequenzsignalerzeugung verzichten zu können.
Bei der Wahl der Schaltfrequenz und Taktzyklen sowie bei der Wahl der Phasen- bzw. Frequenzmodulation sind vorzugsweise gewisse Regeln einzuhalten, um einen gewünschten Phasenverlauf im Oszillatorsignal zu erzeugen. Basis der Überlegungen ist, dass der Oszillator SILO mit der durch seinen physikalischen Aufbau vorgegebenen Frequenz schwingt, also im Allgemeinen nicht davon ausgegangen wird, dass ein „injection locking" vorliegt. Dies gilt zumindest dann, wenn das Anregungssignal sehr klein gegenüber dem Oszillatorsignal ist. Der Oszillator SILO schwingt also im allgemeinen Fall mit einer anderen Frequenz als das Anregungssignal. Die Phasen der beiden Signale driften folglich nach dem Einschalten auseinander, sobald das Oszillatorsignal des Oszillators SILO signifikant größer wird, als das Anregungssignal in Form des Oberwellensignals s_inj(t). Um zu verhindern, dass diese Phasendifferenz zu groß wird, wird der Oszillator SILO spätestens dann wieder ausgeschaltet, wenn die Phasendifferenz zwischen Oszillatorsignal als dem zu erzeugenden Signal s_osz(t) und dem Oberwellensignal s_inj(t) als dem Anregungssignal größer wird, als ein vorgegebener Schwellenwert. Danach schaltet wird der Oszillator SILO wieder angeschaltet, so dass er wiederum synchron zum Anregungssignal anschwingt. Dieser Vorgang wird zyklisch wiederholt. Der Schwellenwert ist applikationsspezifisch. Häufig sind Phasenabweichungen akzeptabel die deutlich kleiner als 90° sind. Da die Impulsdauern z.B. bei UWB-Signalen zumeist sehr kurz sein müssen – typisch sind 100 ps – 10 ns Impulslänge – kann die Frequenzabweichung zwischen dem Anregungssignal und Oszillatorsignal relativ groß sein, ohne die oben genannte Bedingung zu verletzten. Bei vielen Anwendungen z.B. mit linear frequenzmodulierten Signalen sind auch deutlich größere Phasenabweichungen, also längere Einschaltzeiten, zu tolerieren, da die durch das SILO-Prinzip erzeugten Phasenabweichungen zu deterministischen und somit vorhersagbaren/auswertbaren Effekten führen.
Auch bei der Wahl der Modulation des Anregungssignals sind vorzugsweise gewisse Regeln einzuhalten. Das Anregungssignal muss seine Phase hinreichend langsam ändern. Welche maximale Phasenänderung pro Zeit zulässig ist, wird letztendlich durch das Abtasttheorem vorgegeben. Zur Herleitung der jeweiligen Regeln kann die Signalgenerierung als eine spezielle Art der Abtastung verstanden werden, woraus sich dann durch signaltheoretische Überlegungen die Abtastbedingung ableiten lässt, damit das erzeugte Signal s_osz(t) und das Oberwellensignal s_inj(t) bzw. das diesem zugunde liegende Basissignal die gleichen Informationsinhalte tragen.
Die Frequenzvervielfachung durch die Verwendung der Oberwellen des Basisbandsignals des Signalgenerators SGEN bewirkt neben der Vervielfachung der Mittenfrequenz auch eine Vervielfachung der Bandbreite des Modulationssignals um jeweils die Ordnung der Oberwelle. Dieser Effekt ist in 2 illustriert.
Damit dieser Effekt nicht zu Überlappungen von benachbarten Oberwellen-Bändern bzw. nicht zu Mehrdeutigkeiten führt, kann es notwendig sein das endgültige Anregungssignal über Zwischenstufen zu erzeugen. Eine Zwischenstufe besteht jeweils aus einem Filter, insbesondere Bandbassfilter BP1, BP2, welches eine gewisse Oberwelle selektiert bzw. die anderen unterdrückt, und einem vorgeschalteten nichtlinearen Element NLE1 bzw. NLE2, das Oberwellen erzeugt, wie dies in 3 dargestellt ist. Dargestellt sind in 3 lediglich die dem Oszillator vorgeschalteten Komponenten.
Da, wie dargestellt, sogar extreme Pegelverluste, d.h. insbesondere extrem kleine Signale, toleriert werden können, kann auch das nichtlineare Element NLE1, NLE2 der Zwischenstufen ein passives Element sein. Eingesetzt werden kann vorteilhaft aber auch ein aktives Element, um ausgeprägte Nichtlinearitäten erzeugen zu können.
Eine günstige Anordnung zur Ausführung in einer übergeordneten Anordnung zeigt 4. Als Signalgenerator wird hier ein Synthesizer DDS für eine direkte digitale Synthese eingesetzt. In Erweiterung zu der Schaltung in 1 wird vorzugsweise ein Verstärker oder Richtkoppler hinter den Oszillator SILO angeordnet. Dadurch kann verhindert werden, dass über den Ausgang des Oszillators SILO, der ja auch in der Rückkoppelschleife liegt, Signale injiziert werden, die zu einem unerwünschten Anschwingverhalten führen würden. Nachgeschaltet kann dem Oszillator SILO ein Verstärker AMP sein, falls die Verstärkung des selber einen Verstärker ausbildenden Oszillators SILO nicht stark genug sein sollte.
Bei der Ausführungsform gemäß 5 wird zur Signalerzeugung ein Digital-zu-Analog-Wandler DAC verwendet. Bei Verwendung eines Digital-zu-Analog-Wandlers DAC kann unter Umständen auf ein nichtlineares Element zur Erzeugung von Oberwellen verzichtet werden. Zum einen kann ausgenutzt werden, dass ein Digital-zu-Analog-Wandler DAC, bei dem kein Desampling-Filter/Reonstruktionsfilter verwendet wird, ein Spektrum erzeugt, das sich periodisch mit der Abtastfrequenz wiederholt. Auch kann optional ausgenutzt werden, dass ein Digital-zu-Analog-Wandler DAC aufgrund der Quantisierung nichtlinear sein kann und selber Oberwellen erzeugt.
6 zeigt eine Möglichkeit, wie auf Basis des beschriebenen Grundprinzips ein sehr einfacher mm-Wellen Frequenz-/phasenmodulierbarer UWB-Funksender aufgebaut sein kann. Das Basisbandsignal wird beispielsweise mit einem digitalen Frequenzsynthesizer als Signalgenerator erzeugt. Der Synthesizer umfasst typischerweise einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO, einen Teiler :N, einen Phasen/Freugenzvergleicher PFD und z.B. einen DDS, der die eigentliche Modulation bzw. das Vergleichssignal im Frequenzsynthesizer erzeugt. Die Frequenzvervielfachung erfolgt, wie zuvor schon dargestellt, in zwei Schritten über ein Band bei z.B. 20 GHz zu dem gewünschten Band bei z.B. 60 GHz. Zur Erzeugung von Oberwellen können den Filtern BP vorgeschaltete nichtlineare Verstärker NL AMP eingesetzt werden.
7 zeigt eine Möglichkeit, wie mit einem gepulsten Oszillator SILO auch ein amplitudenkontinuierliches Signal erzeugt werden kann. Wie bereits dargestellt, kann der Oszillator SILO als eine spezielle Form einer Abtastschaltung verstanden werden. Es ist allgemein bekannt, dass abgetastete, also zeitdiskrete Signale durch ein Desampling-Filter, hier vorzugsweise ein Bandpassfilter BP, in ein amplitudenkontinuierliches Signal gewandelt werden können. Einzuhaltende Abtastbedingungen und Eigenschaften günstiger Filter können in üblicher Art und Weise gesetzt werden.
8 zeigt eine vorteilhafte Schaltung zur Erzeugung eines linear frequenzmodulierten UWB Signals. Ein linear frequenzmoduliertes Basissignal wird über den DDS und einen Synthesizer erzeugt. Anzumerken ist hierbei, dass es zukünftig kostengünstig möglich sein wird, Signale im unteren GHz Bereich stromsparend und technisch einfach direkt digital mit integrierten CMOS Schaltungen zu erzeugen. Über ein nichtlineares Element NLE werden dann Oberwellen vom so erzeugen Basissignal erzeugt. Die z.B. fünfte Oberwelle wird im vorliegenden Beispiel mit dem Bandpassfilter BP selektiert und der Oszillator SILO damit quasiphasenkohärent angeregt. Dem Oszillator SILO ist zum Schutz vor externen Störsignalen ein Richtkoppler RK nachgeschaltet.
Um ein linear frequenzmoduliertes UWB-Signal zu erzeugen, sind Signal-/Systemparameter denkbar, wie z.B. eine Erzeugung des linear frequenzmodulierten Basissignals im Frequenzbereich von 1,4–1,6 GHz, ein Erzeugen und Ausfiltern der 5-ten Oberwellen, eine Mittenfrequenz des Oszillators SILO von 7,5 GHz, ein Taktzyklus des Schaltsignals s_sw(t) von 1 ns an und 100 ns aus bei einer Bandbreite der Frequenzmodulation von 1 GHz und einer Modulationsdauer im Bereich von ca. 100 μs bis ca. 100 ms.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiels sind nicht dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen in irgendeiner Art und Weise zu beschränken.

Claims

Verfahren zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale, bei dem – ein Oszillator (SILO) zum Erzeugen des Signals (s_osz(t)) geschaltet angeregt wird und – das Anregen auf Basis eines von einem Signalgenerator (SGEN) erzeugten Signals (s_inj(t)) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – zum Anregen ein Oberwellensignal (s_inj(t)) mit einer Oberwelle des vom Signalgenerator (SGEN) erzeugten Signals verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Oberwellensignal (s_inj(t)) aus dem Basissignal mittels eines nichtlinearen Elements (NLE) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Oberwellensignal (s_inj(t)) in einen Rückkoppelkreis des Oszillators (SILO) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in den Rückkoppelkreis des Oszillators (SILO) das Oberwellensignal (s_inj(t)) derart eingekoppelt wird, dass der Oszillator (SILO) beim Einschalten mittels eines Ein-/Ausschalters (SW) synchron zur Phase des Oberwellensignals (s_inj(t)) anschwingt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Ein-/Ausschalter (SW) mittels eines Schaltsignals (s_sw(t)) zyklisch aus- und wieder eingeschaltet wird zum Erzeugen einer Quasi-Phasenkohärenz.
Vorrichtung zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale (s_osz(t)) mit – einem anregbaren Oszillator (SILO), – einem Ein-/Ausschalter (SW) zum Unterbrechen und Neustarten einer Oszilliation des Oszillators (SILO) und – einem Signalgenerator (SGEN) zum Erzeugen eines Basissignals als Basis zum Anregen des Oszillators (SILO), dadurch gekennzeichnet, dass – ein Element (NLE) zum Anregen des Oszillators (SILO) ein Oberwellensignal (s_inj(t)) aus dem Basissignal des Signalgenerators (SGEN) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das Element zum Erzeugen des Oberwellensignals (s_inj(t)) ein nichtlineares Element (NLE) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Oszillator (SILO) in einem Funkortungssystem, insbesondere Transponder eines Funkortungssystems eingesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Oszillator (SILO) in einem Verstärker eingesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 zum Erzeugen der Frequenz- und/oder phasenmodulierten Signale (s_osz(t)) mit Impulsdauern zwischen 10 ps und 100 ns Impulsdauer, insbesondere im Bereich von 100 ps bis 10 ns Impulsdauer.
Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das erzeugte Signal (s_osz(t)) ein abgetastetes Signal mit einer Abtastfrequenz gemäß dem Abtasttheorem zum Erhalten von Nutzinformationen des Basissignals in dem Oberwellensignal (s_inj(t)) ist.
Transpondersystem mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zur Erzeugung Frequenz- und/oder phasenmodulierter Signale (s_osz(t)) in einem Transponder.