DE60005855T2

DE60005855T2 - Radioempfänger mit komplexen filtern und komplexer verstärkungsregelung für niedrige oder null hertz zwischenfrequenz

Info

Publication number: DE60005855T2
Application number: DE60005855T
Authority: DE
Inventors: A. Neil BIRKETT; A. James CHERRY; Martin Snelgrove; Florinel Balteanu
Original assignee: Skyworks Solutions Inc
Current assignee: Skyworks Solutions Inc
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2020-11-07
Also published as: WO2001037436A3; DK1230738T3; WO2001037436A2; US6977976B1; ATE251820T1; EP1230738B1; EP1230738A2; CA2289823A1; DE60005855D1; CA2289823C

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Schaltung zum Filtern und Verstärken von Signalen, und insbesondere auf eine komplexe Filter-/Automatische-Verstärkungsregelungs-Architektur für Funkempfänger mit einer Zwischenfrequenz (ZF) von Null oder mit niedriger ZF.
Hintergrund der Erfindung
Die WO-A-93/26094 und die US-A-4736390 zeigen Beispiele für dem Stand der Technik entsprechende Empfänger, welche komplexe Signale verarbeiten.
Heutige HF-Funkempfänger müssen in der Lage sein, HF-Signale zu erfassen und zu demodulieren, in welchen das gewünschte Informationssignal häufig viel schwächer ist als das vorhandene Störsignal. Unlängst sind Empfänger entwickelt worden, welche das HF-Signal direkt in eine viel niedrigere Frequenz umwandeln. Das HF-Signal wird auf eine Zwischenfrequenz von Null oder eine niedrige Zwischenfrequenz heruntergewandelt, bei welcher die analoge und/oder digitale Signalverarbeitung effizienter ist. Heutige Funkempfänger setzen üblicherweise reale Filter ein, um Störsignale herauszufiltern, und Verstärker, um den Pegel des gewünschten Signals zu erhöhen. Wenn in einem LIF-Pfad reale Filter verwendet werden, haben sie den Nachteil, dass zwischen negativen Frequenzen und positiven Frequenzen nicht differenziert wird; folglich wird üblicherweise ein Hochleistungsspiegelfrequenzsperrmischer verwendet, um die positiven/negativen Frequenzen zu trennen. Außerdem ist, wenn in einer LIF-Architektur die Frequenz des Störsignals dicht an der Frequenz des gewünschten Signals liegt, eine beträchtliche Anzahl von Filterpolen erforderlich, um die Störsignale herauszufiltern, und die Gesamtverstärkerschaltung ist so geartet, dass beträchtliche Energie benötigt wird, um das gewünschte Signal auf einen entsprechenden Pegel für die Demodulation zu verstärken. Außerdem müssen Gleichspannungs- bzw. DC-Offsets, die sowohl durch Schaltungsunzulänglichkeiten als auch durch die inhärenten Charakteristika von bestimmten Modulationsformen verursacht werden, entfernt werden, da sie um mehrere Größenordnungen größer als das gewünschte Signal sein können und die Leistung der Enddemodulatorschaltung herabsetzen können.
Daher besteht ein Bedarf an der Entwicklung einer einfacheren Architektur zum Verbessern der Verstärkungsleistung und zum Entfernen von DC-Offsets, während der Energieverbrauch minimiert wird.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
Die Erfindung ist auf eine Einrichtung zum Filtern und Verstärken eines empfangenen Signals gerichtet. Die Einrichtung enthält eine Mehrzahl sequentiell miteinander verbundener komplexer Filter/Verstärkerstufen. Jede der Stufen verfügt über einen komplexen Filter zum Dämpfen eines Störanteils des empfangenen Signals relativ zu dem gewünschten Anteil, einen gesteuerten Verstärker, welcher eine eingestellte Minimalverstärkung K_min und Maximalverstärkung K_max zum Verstärken des empfangenen Signals aufweist, wobei Kmin negativ sein kann, und eine Steuerschaltung. Die Steuerschaltung steuert den Verstärkungsfaktor K, wobei K_min ≤ K ≤ K_max, auf eine solche Weise, dass der gesteuerte Verstärker danach strebt, ein Ausgangssignal mit einem vorgesehenen Amplitudenpegel zu erzeugen. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Einrichtung in der Lage ist, ein Gesamtausgangssignal bei einem vorher festgelegten Amplitudenpegel innerhalb eines beschränkten Dynamikbereichs von Eingangssignalen mit einer großen Vielzahl von Signalstärken bereitzustellen, und gleichzeitig die Verwendung von nachfolgenden Schaltungen mit geringem Energieverbrauch gestattet. Dies wird in einer Einrichtung erreicht, die selbst sehr wenig Energie verbraucht. Die Einrichtung operiert effektiv an empfangenen Signalen im ZF-Band, die eine niedrige ZF oder eine ZF von Null aufweisen.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt dieser Erfindung besteht das empfangene Signal aus komplexen gleichphasigen I- und quadraturphasigen Q-Signalen. Der komplexe Filter kann mehrpolig sein oder kann aus einem oder mehreren Einzelpol-Komplexfiltern bestehen, die in Reihe geschaltet sind. Der gesteuerte Verstärker weist einen ersten Verstärker variabler Verstärkung zum Verstärken des gleichphasigen I-Signals und einen zweiten Verstärker mit variabler Verstärkung zum Verstärken des quadraturphasigen Q-Signals auf. Die Steuerschaltung erzeugt ein Verstärkungssteuersignal, welches eine Funktion der Ausgänge oder der Eingänge der Verstärker sowie eine Funktion eines vorgesehenen Amplitudenpegels ist.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt dieser Erfindung kann die Steuerschaltung einen ersten und einen zweiten Gleichrichter zum Empfangen der Eingangssignale des ersten beziehungsweise zweiten variablen Verstärkers oder der Ausgangssignale des ersten beziehungsweise zweiten variablen Verstärkers enthalten, um erste und zweite gleichgerichtete Signale bereitzustellen. Die gleichgerichteten Signale werden in einer Summierschaltung addiert und in einen Fehlersignalverstärker eingespeist, wo das summierte Signal mit einem vorgesehenen Amplitudenpegelsignal zur Erzeugung des Verstärkungssteuersignals verglichen wird, das zur Steuerung der Verstärkung der Verstärker verwendet wird.
Im Hinblick auf einen weiteren Aspekt dieser Erfindung kann die Einrichtung ferner einen Indikator der empfangenen Signalstärke enthalten, welcher eine Verstärkungssummierschaltung zum Empfangen des Verstärkungssteuersignals von jeder der komplexen Filter/Verstärkerstufen zur Berechnung der Gesamtverstärkung der Einrichtung aufweist, und einen Detektor zum Erfassen der Amplitude des Gesamtausgangssignals der Einrichtung zum Bestimmen der Stärke eines gewünschten Signals, das von der Einrichtung empfangen wird.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung sowie die Struktur und Arbeitsweise der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind für Fachleute nach der Durchsicht der folgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 die Erfindung schematisch darstellt;
2 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 einen komplexen Einzelpolfilter darstellt, welcher mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
4a eine Quadratur-Rückkopplungs-AGC-Schaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit DC-Rückkopplungskompensation darstellt;
4b eine Quadratur-Rückkopplungs-AGC-Schaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit DC-Vorwärtskopplungskompensation darstellt;
5a eine Quadratur-Vorwärtskopplungs-AGC-Schaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit DC-Rückkopplungskompensation darstellt;
5b eine Quadratur-Vorwärtskopplungs-AGC-Schaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit DC-Vorwärtskopplungskompensation darstellt; und
6 eine Steuerschaltung für die AGCs in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit 1 in der Umgebung eines HF-Funkempfängers beschrieben wird, kann sie auch in anderen Anwendungen verwendet werden, bei welchen Schaltungen mit sehr geringem Energieverbrauch erforderlich sind. Ein HF-Funkempfänger 10 enthält eingangsseits einen HF/ZF-Abwärtswandler 11 zum Umwandeln des Eingangs-HF-Signals in gleichphasige I_i- und Quadratur-Qi-Signale mit niedriger ZF (LIF) oder ZF von Null (ZIF). Der HF-Funkempfänger enthält ferner ausgangsseits einen digitalen Demodulator 12 zum Digitalisieren der verstärkten gleichphasigen I_o- und Quadratur-Q_o-Signale und zum Demodulieren der digitalisierten Signale, um an seinem Ausgang die Daten aus dem Eingangs-HF-Signal bereitzustellen. Unter den meisten Umständen können die Quadratur-I_i- und Q_i-Signale nicht direkt an den digitalen Demodulator 12 angelegt werden. Das gewünschte Signal, ob es nun zu klein oder zu groß für den Demodulator 12 ist, ist in ein Störsignal eingebettet. Das gewünschte Signal ist üblicherweise relativ zum Störsignal sehr klein, wobei das Störsignal bis zu 60 dB größer ist als das gewünschte Signal. Um in der Lage zu sein, den gewünschten Signalanteil des Eingangssignals zu erfassen und zu demodulieren, muß die Amplitude des gewünschten Signals größer als das Störsignal gemacht werden, und die Amplitude des gewünschten Signals muß außerdem bei einem Pegel liegen, der effizient digitalisiert und demoduliert werden kann; dies wird ausgeführt, indem die Eingangssignale durch Bandpaßfilter und Verstärker geführt werden.
1 stellt schematisch eine neuartige Kaskadenstruktur 13 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Filtern und Verstärken der gleichphasigen I_i- und Quadratur-Q_i-Eingangssignale zur Erzeugung von gleichphasigen I_o- und Quadratur-Q_o-Ausgangssignalen dar, welche effizient digitalisiert und demoduliert werden können. Um in der Lage zu sein, einen effizienten Analog-Digital-Wandler (ADC) zu verwenden, ist es von Vorteil, dass die gesamten gleichphasigen I_o- und Quadratur-Q_o-Ausgangssignale bei einem vorher festgelegten Pegel H innerhalb eines beschränkten Dynamikbereichs erzeugt werden, falls der gewünschte Anteil des Eingangssignals anfänglich weit unter oder sogar über dem vorher festgelegten Pegel H liegt. Je beschränkter der Dynamikbereich ist, desto geringer ist die Anzahl der Bits, die in einem ADC zum Digitalisieren des Signals benötigt werden; dies reduziert die Energieanforderungen für den ADC.
Die Kaskadenstruktur 13 enthält eine Abfolge von komplexen Filter-/Verstärkerstufen 14₁ , 14₂ , ... 14_n , welche jeweils unabhängig das komplexe Signal filtern und verstärken, bis der gewünschte Anteil des komplexen Signals einen vorher festgelegten Amplitudenpegel H erreicht, der in den gewünschten beschränkten Dynamikbereich fällt und relativ größer als das Störsignal ist. Obwohl die Stufen 14₁ , 14₂ , ... 14_n gemäß einer Filter-/Verstärker-Abfolge von Komponenten beschrieben werden, ist davon auszugehen, dass bei allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Abfolge der Komponenten ebenso Verstärker/Filter sein könnte. Der Filter in jeder Stufe 14₁ , 14₂ , ... 14_n kann ein Einzelpol- oder mehrpoliger Filter sein, und die Verstärker in den Stufen 14₁ , 14₂ , ... 14_n sind gesteuerte Verstärker zur Amplitudenverstärkung, welche jeweils einen individuellen Verstärkungsbereich mit einer Minimalverstärkung haben, welche positiv oder negativ sein kann, und eine maximale positive Verstärkung. Die Dämpfung des Störsignals durch die Filter relativ zu dem gewünschten Signal kann über die Stufen 14₁ , 14₂ , ... 14_n gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt sein, und der Verstärkungsbereich für jede Stufe 14₁ , 14₂ , ... 14_n kann ebenfalls von Stufe zu Stufe unterschiedlich sein. Außerdem werden die AGC-Einstellungen 15₁ , 15₂ , ... 15_n auf die Verstärker in den Stufen 14₁ , 14₂ , ... 14_n angewendet, um die Verstärkung jedes Verstärkers derart zu steuern, dass die Amplitude des Signals am Ausgang jedes entsprechenden Verstärkers in Richtung eines vorgesehenen Signalpegels tendiert, wie von der jeweiligen AGC-Einstellung 15₁ , 15₂ , ... 15_n festgelegt. Es kann der Fall eintreten, dass ein oder mehrere Verstärker so gesteuert werden, dass sie bei ihrer Minimal- oder Maximalverstärkung arbeiten, ohne den vorgesehenen Ausgangssignalpegel zu erreichen, der durch die AGC-Einstellung 15₁ , 15₂ , ... 15_n bei dem bestimmten Verstärker in dieser Stufe verlangt wird.
Im Betrieb arbeiten die komplexen Filter-/Verstärkerstufen 14₁ , 14₂ , ... 14_n unabhängig voneinander, und die Stufen arbeiten sequentiell an dem Eingangssignal, um ein gewünschtes Ausgangssignal mit einem vorher festgelegten Signalpegel H zu erzeugen, das in den beschränkten Dynamikbereich fällt, der am Ausgang erforderlich ist. Der Signalpegel H wird in der letzten Stufe 14_n erreicht, indem der Verstärker innerhalb der Stufe 14_n von der AGC-Einstellung 15_n gesteuert wird. Die AGC-Einstellungen 15₁ , 15₂ , ... 15_n werden auf bestimmte Pegel voreingestellt und repräsentieren den vorgesehenen Amplitudenpegel, der am Ausgang des jeweiligen Verstärkers gewünscht wird. Die AGC-Einstellungen 15₁ , 15₂ , ... 15_n werden verwendet, um die Verstärkung des jeweiligen Verstärkers in seinem entsprechenden Verstärkungsbereich zu steuern. Die Anzahl der Stufen 14₁ , 14₂ , ... 14_n in der Kaskadenstruktur 13 und das Maximum des Verstärkungsbereichs für jeden Verstärker sind voreingestellt, um die Gesamtverstärkung zu erhalten, die über die gesamte Kaskadenstruktur 13 erforderlich ist, um eine Vielzahl gewünschter Eingangssignalpegel aufzunehmen, bei welchen erwartet wird, dass der Empfänger ordnungsgemäß funktioniert. Die Verstärkungsbereiche oder die Maxima der Verstärkungsbereiche können im wesentlichen gleich sein, dies wird jedoch normalerweise nicht der Fall sein. Jeder Verstärkungsbereich eines Verstärkers wird vorzugsweise derart ausgewählt, dass die Verstärker bei Minimierung des Energieverbrauchs effizient arbeiten.
Am Eingang des HF-Funkempfängers ist anfänglich das gewünschte Eingangssignal verhältnismäßig viel kleiner als die Störsignale. Jede Stufe 14₁ , 14₂ , ... 14_n dämpft die Störsignale unter Verwendung eines komplexen Filters mit einem oder mehreren Polen. Das Signal wird dann von einer AGC verstärkt, welche sowohl das gewünschte Signal als auch das Störsignal verstärkt. wenn das Signal die nachfolgenden Stufen durchläuft, wird das gewünschte Signal relativ zum Störsignal größer, da beide verstärkt werden, aber nur das Störsignal von dem Filter gedämpft wird. Somit wird das gewünschte Signal in den letzten Stufen zum dominanten Signal, da das Störsignal gegen Null gehend gedämpft wird.
Als Beispiel kann eine aus fünf Stufen bestehende Filter-/Verstärker-Anordnung 13 für die fünf Stufen 14₁ , 14₂ , ... 14₅ Verstärkungsbereiche von +5 bis –5, +5 bis –5, +20 bis –5, +20 bis –5 beziehungsweise +15 bis –5 haben, um den Bereich der Signale aufzunehmen, die sie erfassen soll.
Bei einem Szenario könnte festgestellt werden, dass eine Fünf-Stufen-Anordnung 13 erforderlich ist, um ein gewünschtes Signal zu erfassen, das 50 dB unter dem Pegel H liegt, der erforderlich ist, um es zu digitalisieren, und auch ungefähr 40 dB unter dem Störsignal. In einem solchen Fall plaziert die AGC-Einstellung 15₁ , 15₂ eine Verstärkungsforderung an die ersten zwei Stufen, die sehr niedrig sind – sagen wir, in der Größenordnung von 2 und 6 dB – da das Störsignal hoch ist, so dass die Filter das Störsignal signifikant dämpfen, während die Signale von den Verstärkern in diesen frühen Stufen nicht signifikant verstärkt werden. In der dritten Stufe, wenn das gewünschte Signal und das Störsignal relativ gleich sind, kann die AGC-Einstellung 15₃ auf einen Pegel eingestellt werden, welcher eine Verstärkung des Verstärkers verlangt, die größer als ihr Verstärkungsbereichsmaximum von 20 dB ist. Somit ist bei dieser Stufe die Verstärkersignalverstärkung bei ihrem Maximum, während ihr Ausgangssignal niedriger als das geforderte ist. Die vierte Stufe kann erneut eine hohe AGC-Einstellung 15₄ haben, welche eine Verstärkung in der Größenordnung von 14 dB verlangen kann, welche unter ihrem Maximum von 20 dB liegt. Wenn es in die Endstufe geht, wird die AGC-Einstellung 15₅ so eingestellt, dass der gewünschte Verstärkerausgangspegel H erreicht wird. Da die Gesamtverstärkung des gewünschten Signals die Summe der einzelnen Verstärkungen ist, wäre sie an diesem Punkt 42 dB, und die Verstärkungsforderung an den letzten Verstärker beträgt 8 dB, was unter ihrem Maximum von 15 dB liegt.
In einem zweiten Szenario, das für das andere Extrem der möglichen Eingangssignale für dieselbe Fünf-Stufen-Anordnung 13 verwendet wird, kann das gewünschte Eingangssignal bereits größer als der Pegel H sein, der für seine Digitalisierung erforderlich ist – sagen wir beispielsweise, ungefähr 6 dB – und gleichzeitig etwas kleiner als das Störsignal. In einem solchen Fall verlangen die AGC-Einstellungen 15₁ , 15₂ große negative Verstärkungen der Verstärker in den ersten zwei Stufen 14₁ , 14₂ , um den Signalpegel zu senken. Da die Verstärker jedoch einen unteren Grenzwert von beispielsweise – 5 dB haben, werden sowohl das gewünschte Signal als auch das Störsignal von den Verstärkern bis zu diesem Grenzwert gedämpft, während die Störsignale ebenfalls von den Filtern gedämpft werden. Es ist nun festzustellen, dass das gewünschte Signal um ungefähr 4 dB unter dem geforderten Ausgangspegel H liegt. In der dritten bis fünften Stufe 14₃ , 14₄ und 14₅ ist die Verstärkung, die von den AGC-Einstellungen 15₃ , 15₄ und 15₅ verlangt wird, gering, da das gewünschte Signal nur 4 dB unter dem geforderten Ausgangspegel liegt.
Ein Ausführungsbeispiel der komplexen Filter-/AGC-ZF-Architektur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird in 2 als Teil eines HF-Funkempfängers 20 dargestellt. Eingangsseits enthält der Empfängers 20 einen Quadratur-Abwärtswandler 21 mit einem Paar von Mischern 22 und 23, an welche das Eingangs-HF-Signal angelegt wird. Ein synthetischer lokaler Oszillator 24 mit dem Phasenteiler 25 stellt zweite Eingangssignale, die bei einer vorher festgelegten Frequenz liegen, aber um 90° phasenverschoben sind, an die Mischer 22 und 23 bereit, um Quadratur-I- und -Q-Signale bei einer niedrigen Zwischenfrequenz oder Zwischenfrequenz von Null(LIF oder ZIF) zu erzeugen.
Die komplexe Filter-/Verstärkereinrichtung 26 umfaßt eine Mehrzahl von Filter-/Verstärkerstufen 27₁ , 27₂ , ... 27_n , die derart in Reihe geschaltet sind, dass das Ausgangssignal der einen Stufe das Eingangssignal für die nächste Stufe ist. Jede Stufe 27₁ , 27₂ , ... 27_n – entsprechend 14₁ , ..., 14_n in 1 – enthält einen komplexen Filter 28₁ , 28₂ , ... 28_n , welcher einen oder mehrere Pole haben kann, sowie einen Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung (AGC) 29₁ , 29₂ , ... 29_n . Den AGCs 29₁ , 29₂ , ... 29_n wird jeweils eine Pegelreglerspannung zugeführt, die als die AGC-Einstellungen 30₁ , 30₂ , ... 30_n bezeichnet wird. Obwohl jede Stufe 27₁ , 27₂ , ... 27_n so dargestellt wird, dass sie einen komplexen Filter 28₁ , 28₂ , ... 28_n enthält, dem eine AGC 29₁ , 29₂ , ... 29_n folgt, kann die Reihenfolge dieser Komponenten in jeder Stufe 27₁ , 27₂ , ... 27_n umgekehrt werden.
Das Ausgangssignal der letzten Stufe 27_n wird durch zwei Analog-Digital-Wandler (ADC) 33, 34 und einen Quadratur-Detektor 39 oder einen digitalen Demodulator eingespeist, welcher die Daten aus dem ursprünglichen Eingangsdatensignal bereitstellt.
Außerdem wird ein Signal, das die tatsächlichen Verstärkungen 31₁ , 31₂ , ... 31_n jeder AGC 29₁ , 29₂ , ... 29_n repräsentiert, auf einen Indikator der empfangenen Signalstärke (RSSI) 32 gerichtet, um die tatsächliche Eingangsdatensignalstärke zu bestimmen. Die Eingangsdatensignalstärke wird von dem RSSI 32 aus der Summe der tatsächlichen Verstärkungen 31₁ , 31₂ , ... 31_n geschätzt, was die Gesamtverstärkung der komplexen Filter-/Verstärkereinrichtung 26 und den gemessenen Signalpegel H am Ausgang von Stufe 27_n bereitstellt. Wenn die Verstärkungen 31₁ , 31₂ , ... 31_n der AGCs 29₁ , 29₂ , ... 29_n gesteuert werden, um ein Ausgangssignal von Stufe 27_n bereitzustellen, das einen relativ konstanten Signalpegel H ungeachtet des gewünschten Signalpegels am Eingang von Stufe 27₁ hat, dann ist bekannt, dass der Signalpegel H relativ konstant ist und nicht gemessen werden muß, um die Eingangsdatensignalstärke zu bestimmen. Das Ausgangssignal des Indikators 32 der empfangenen Signalstärke wird normalerweise verwendet, um die Verarbeitung eines vom Funkempfänger empfangenen Signals zu triggern. Jedoch könnten seine anderen Anwendungen das Informieren der Basisstation enthalten, dass ihr Signal eine Verstärkung für die ordnungsgemäße Operation des Funksystems benötigt.
Ein Ausführungsbeispiel eines komplexen Filters 28₁ , 28₂ , ... 28_n wird in 3 dargestellt. Der komplexe Filter 35 enthält einen Kanal 36_I für den gleichphasigen Eingang I und einen Kanal 36_Q für den Quadraturphasen-Eingang Q. In den Kanälen 36_I und 36_Q sind Addierer 37_I und 37_Q und Integrierer 38_I beziehungsweise 38_Q enthalten. Zusätzlich zu dem gleichphasigen Signal I und dem Quadratur-Signal Q, die an die Addierer 36_I beziehungsweise 36_Q angelegt werden, wird eine Rückführung mit einem Koeffizienten α, der jede beliebige reelle Zahl sein kann, an jeden Addierer 36_I beziehungsweise 36_Q angelegt. Ebenso wird eine Rückführung mit dem negativen Koeffizienten β von dem Ausgang von Integrierer 38Q an Addierer 36_I angelegt, während eine Rückführung mit dem positiven Koeffizienten β von dem Ausgang von Integrierer 38_I an Addierer 36_Q angelegt wird. Der Koeffizient β kann ebenfalls jede beliebige reelle Zahl sein. Die Auswahl von α, β und wo bestimmt die Bandbreite und die Mittenfrequenz des Filters 35. Ebenfalls in Abhängigkeit von den Werten von α, β und wo erfahren die positiven und negativen Frequenzen unterschiedlich Dämpfungen, was für eine LIF-Einrichtung gewünscht wird.
Komplexe Filter sind von besonderem Vorteil, da α, β und ω_o variiert werden können, um die Mittenfrequenz des Filters zu variieren, während die Breite des Bandpasses um die variierte Mittenfrequenz herum dieselbe bleiben kann, ohne die Anzahl der Pole in dem Filter zu verändern. Im Ergebnis dessen kann ein programmierbarer ZF-Empfänger so ausgeführt werden, dass zwischen den ZF-Frequenzen geschaltet werden kann.
Für eine ZIF-Einrichtung geht der Koeffizient β auf 0, wenn die Frequenz auf Null geht, und die kreuzgekoppelten Koeffizienten β haben somit keine Wirkung. Bei komplexen Filtern ist die Anzahl der Pole, die erforderlich ist, um ein Signal bei einer Frequenz von x Hz Abstand von der Mittenfrequenz zu dämpfen, von der Mittenfrequenz unabhängig. Dagegen ist bei realen Filtern die Anzahl der Pole, die erforderlich ist, um ein Signal bei einer Frequenz von x Hz Abstand von der Mittenfrequenz zu dämpfen, von der Mittenfrequenz abhängig und ist immer größer als diejenige, die bei Verwendung komplexer Filter erforderlich ist, außer in dem Fall, wenn die Mittenfrequenz Null ist, in welchem Fall es ein realer Filter ist.
Mehrpolige komplexe Filter mit zwei oder mehr Polen können zwei oder mehr Filter des unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Typs aufweisen, die in Reihe geschaltet sind.
Ausführungsbeispiele der AGCs 29₁ , 29₂ , ... 29_n werden in den 4a, 4b, 5a und 5b beschrieben. Schnelle Quadratur-Rückkopplungs-AGC-Schaltungen, die eine differentielle Signalgebung verwenden, werden unter Bezugnahme auf die 4a und 4b beschrieben, und schnelle Quadratur-Vorwärtskopplungs-AGC-Schaltungen, die eine differenzielle Signalgebung verwenden, werden unter Bezugnahme auf die 5a und 5b beschrieben.
Die in 4a dargestellte Rückkopplungs-AGC 40 umfaßt ein Paar von Kanälen 41_I und 41_Q für das gleichphasige Signal I beziehungsweise das Quadratur-Signal Q. Die Addierer 42_I und 42_Q und die Verstärker 43_I und 43_Q variabler Verstärker sind in den Kanälen 41_I beziehungsweise 41_Q in Reihe geschaltet. Das gleichphasige Signal I wird an einen Eingang des Addierers 42_I angelegt, während das Quadraturphasen-Signal Q an einen Eingang des Addierers 42_Q angelegt wird. Die Verstärkung der VGAs 43_I und 43_Q wird von einer Steuerschaltung 44 gesteuert, deren Eingänge mit den Ausgängen der VGAs 43_I und 43_Q verbunden sind, um den Amplitudenpegel dieser Signale zu bestimmen, und welche einen weiteren Eingang hat, der mit einem Pegeleinstellungssignal 45 verbunden ist, um die vorgesehenen Signalpegel am Ausgang der VGAs 43_I und 43_Q zu bestimmen. Der Ausgang der Steuerschaltung 44 ist mit den VGAs 43_I und 43_Q verbunden, um ihre Verstärkungen als eine Funktion der Differenz zwischen den tatsächlichen und den vorgesehenen Ausgangsamplitudenpegeln zu steuern. In Abhängigkeit davon, ob der tatsächliche Signalpegel höher beziehungsweise niedriger als der vorgesehene Signalpegel ist, kann die Verstärkung positiv oder negativ sein. Außerdem wird die Verstärkerverstärkungsvariabilität auf einen engen Bereich beschränkt, was die Verstärkung des Signals bis zu dem vorgesehenen Signalpegel verhindern kann, aber auch die Verzerrung bei Verstärkern mit geringem Energieverbrauch verhindert. Die VGAs 43_I und 43_Q können linear oder digital programmierbar sein. Digital programmierbare VGAs verbrauchen im Allgemeinen weniger Energie und werden daher bevorzugt.
Die in 5a dargestellte Vorwärtskopplungs-AGC 50 umfaßt ein Paar von Kanälen 51_I und 51_Q für das gleichphasige Signal I beziehungsweise das Quadratur-Signal Q. Die Addierer 52_I und 52_Q und die Verstärker 53_I und 53_Q variabler Verstärkung sind in den Kanälen 51_I beziehungsweise 51_Q in Reihe geschaltet. Das gleichphasige Signal I wird an einen Eingang des Addierers 52_I angelegt, während das Quadraturphasen-Signal Q an einen Eingang des Addierers 52_Q angelegt wird. Die Verstärkung der VGAs 53_I und 53_Q wird von einer Steuerschaltung 54 gesteuert, deren Eingänge mit den Ausgängen der Addierer 52_I und 52_Q verbunden sind, um den Amplitudenpegel der Eingangssignale in die VGAs 53_I und 53_Q zu bestimmen, und welche einen weiteren Eingang hat, der mit einem Pegeleinstellungssignal 55 verbunden ist, um den vorgesehenen Signalpegel am Ausgang der VGAs 53_I und 53_Q zu bestimmen. Der Ausgang der Steuerschaltung 54 ist mit den VGAs 53_I und 53_Q verbunden, um ihre Verstärkungen als eine Funktion der Differenz zwischen den tatsächlichen Eingangs- und vorgesehenen Ausgangsamplitudenpegeln zu steuern. In Abhängigkeit davon, ob der tatsächliche Signalpegel höher beziehungsweise niedriger als der vorgesehene Signalpegel ist, kann die Verstärkung positiv oder negativ sein. Außerdem wird die Verstärkerverstärkungsvariabilität auf einen engen Bereich beschränkt, was die Verstärkung des Signals bis zu dem vorgesehenen Signalpegel verhindern kann, aber auch die Verzerrung bei Verstärkern mit geringem Energieverbrauch verhindert. Erneut können die VGAs 53_I und 53_Q linear oder digital programmierbar sein. Digital programmierbare VGAs verbrauchen im Allgemeinen weniger Energie und werden daher bevorzugt.
Außerdem können DC-Kompensationsschaltungen zu den VGAs hinzugefügt werden, um den DC-Offset zu entfernen. Dies kann entweder unter Verwendung einer Rückkopplungsschaltung erfolgen, wie in den 4a und 5a dargestellt, oder unter Verwendung einer Vorwärtskopplungsschaltung, wie in den 4b und 5b dargestellt.
Die Rückkopplungs-DC-Kompensationsschaltungen 46_I und 46_Q in 4a erfassen den DC-Ausgang der VGAs 43_I und 43_Q und führen eine negative Spannung zurück in die Addierer 42_I und 42_Q , um den DC-Offset am Eingangssignal zu entfernen, bevor die Steuereinrichtung 44 die Eingangssignal-AC-Pegel schätzt.
Die DC-Kompensationsschaltungen 56_I und 56_Q in 5a erfassen den DC-Ausgang der VGAs 53_I und 53_Q und führen eine negative Spannung in die Addierer 52_I und 52_Q zurück, um den DC-Offset am Eingangssignal zu entfernen, bevor die Steuereinrichtung 54 die Eingangssignal-AC-Pegel schätzt. Unter Verwendung der obigen Vorwärtssteuerschaltung 54 macht die Einbeziehung der DC-Rückkopplung die AGC-Schaltung nicht instabil, da die DC-Verstärkung immer kleiner als Eins sein wird.
Die Vorwärtskopplungs-DC-Kompensationsschaltungen 47_I und 47_Q in 4b erfassen den DC-Ausgang der VGAs 43_I und 43_Q und führen eine negative Spannung vorwärts in die Addierer 48_I und 48_Q , um den DC-Offset an dem Ausgangssignal zu entfernen, bevor es in die nächste Stufe der Kaskadenstruktur eintritt. In ähnlicher Weise erfassen die Vorwärtskopplungs-DC-Kompensationsschaltungen 57_I und 57_Q in 5b den DC-Ausgang der VGAs 53_I und 53_Q und führen eine negative Spannung vorwärts in die Addierer 58_I und 58_Q , um den DC-Offset an dem Ausgangssignal zu entfernen, bevor es in die nächste Stufe der Kaskadenstruktur eintritt.
Unter den meisten Umständen sind die DC-Kompensationsschaltungen 46_I –46_Q , 56_I –56_Q , 47_I –47_Q und 57_I –57_Q nicht erforderlich, da die Filter 28₁ , 28₂ , ... 28_n die Gleichspannung herausfiltern. Insbesondere dämpfen die komplexen Filter alle Signale, ob es unerwünschte Wechselspannungs- oder Gleichspannungssignale sind. Da sich jedoch die DC-Offsets in den I- und Q-Signalen unterscheiden können, kann die Leistung durch Entfernen der jeweiligen DC-Offsets durch DC-Kompensationsschaltungen verbessert werden. Auf diese Weise werden die DC-Offsets nicht verstärkt und beschränken den Bereich der VGAs für die gewünschten Signale. Außerdem ist die DC-Kompensation für ZIF besonders wichtig, da die Filter die DC-Offsets nicht dämpfen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung 60, welche in den Ausführungsbeispielen der 4a, 4b, 5a und 5b als Steuerschaltung 44, 54 verwendet werden kann, wird in 6 dargestellt. Die Steuerschaltung 60 in jeder beliebigen Filter-/AGC-Stufe erfaßt die Größe des AC-Anteils der Verstärkereingangs-I- und -Q-Signale und stellt die erforderliche Verstärkung für diese Stufe ein. Es ist wichtig, die Größe des AC-Signals genau zu erfassen und die Schätzung der Größe schnell auszuführen. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel werden das gleichphasige Signal I in Kanal 61_I und das Quadratur-Signal Q in Kanal 61_Q in zwei Doppelweggleichrichter 62_I beziehungsweise 62_Q eingespeist, die die Ausgangssignale a und b bereitstellen. Die Signale a und b werden in einem Addierer 63 addiert, um ein Ausgangssignal c bereitzustellen, das vier Amplitudenspitzen pro Zyklus aufweist. Dieser Gleichrichtungs- und Summierprozeß stellt eine größere Signalamplitude und eine schnellere Spitzenanstiegszeit bereit, als sie mit Einweggleichrichtern bereitgestellt würden. Da viele integrierte Schaltungen eine differentielle Signalgebung verwenden, wenn die Verstärker differentielle Verstärker sind, ist es üblich, dass in diesen Schaltungen das gleichphasige I-Signal und die Quadratur-Signal-Q-Phase zusammen mit dem gleichphasigen I-Signal und dem Quadraturphasen-Q-Signal verfügbar sind. Die Einweggleichrichtung jedes der obigen vier Signale und ihre Summierung würde dann dasselbe Ergebnis erbringen wie die Doppelweggleichrichtung der I- und Q-Signale.
Das Signal c wird dann in einen Integrierer 64 eingespeist, welcher die Spitzen glättet und das summierte Signal c hält und im Wesentlichen als ein Tiefpaßfilter agiert, um das Signal d bereitzustellen. Das Signal d wird an einen Fehlersignalverstärker 65 angelegt, wo es mit einem vorgesehenen AGC-Pegelsignal e verglichen wird, um das erforderliche Verstärkungsschätzungsausgangssignal K bereitzustellen, welches proportional zur Differenz zwischen e und d ist, wenn e größer als d ist. wenn d größer als e ist, dann ist K negativ. Außerdem stellt der Fehlersignalverstärker 65 ein Ausgangssignal K bereit, welches auf den vorher festgelegten Verstärkungsbereich zwischen K_max und K_min der AGC in der bestimmten Stufe beschränkt ist, die er betreibt. Somit gilt K_min ≤ K ≤ K_max, wobei K_min negativ sein kann. Es wird auf
2 Bezug genommen; das spezielle Signal K in jeder bestimmten Stufe 27₁ , 27₂ , ... 27_n wird verwendet, um die I- und Q-VGAs in dieser bestimmten Stufe zu steuern sowie die Verstärkungssignale 31₁ , 31₂ , ... 31_n an den RSSI 32 bereitzustellen.
Wenn die VGAs linear gesteuert werden und dem Charakter nach analog sind, dann kann der Fehlersignalverstärker 65 unter Verwendung einer analogen Schaltung, wie beispielsweise eines Operationsverstärkers, konstruiert werden, wobei sowohl Eingänge als auch Ausgänge analog sind. Wenn jedoch die VGAs digital gesteuert werden, dann kann der Fehlersignalverstärker 65 unter Verwendung einer digitalen Logik konstruiert werden, wobei Eingänge und Ausgänge ihrem Charakter nach digital sind.
Der Gesamtvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine stabile Filter-/Verstärkerstruktur bereitgestellt wird, welche den Energieverbrauch minimiert. Da sie in der Lage ist, gewünschte Ausgangssignale bereitzustellen, die einen Amplitudenpegel innerhalb eines beschränkten Dynamikbereichs aufweisen, können weitere Energieeinsparungen in den Analog-Digital-Wandlern und Demodulatoren, die folgen, erreicht werden.
Während die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, die gegenwärtig als am zweckmäßigsten und bevorzugtesten betrachtet werden, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Fachleute werden verstehen, dass zahlreiche Modifizierungen und äquivalente Strukturen und Funktionen realisiert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie sie in den Ansprüchen definiert wird.

Claims

Einrichtung (13) zum Filtern und Verstärken eines empfangenen Signals, aufweisend: eine Mehrzahl sequentiell miteinander verbundener komplexer Filter/Verstärker-Stufen (14₁ , ..., 14_n ; 27₁ , ..., 27_n ) zum Verarbeiten komplexer Signale, wobei jede Stufe aufweist: – komplexe Filtermittel (28₁ , ..., 28_n ) zum Dämpfen eines störenden Teils relativ zu einem gewünschten Teil des empfangenen Signals; – gesteuerte Verstärkermittel (29₁ , ..., 29_n ), die eine festgelegte minimale Verstärkung K_min und maximale Verstärkung K_max zum Verstärken des empfangenen Signals aufweisen; und – Steuermittel (44, 54, 60) zum Steuern der Verstärkerverstärkung K, wobei K_min ≤ K ≤ K_max ist, derart, daß der gesteuerte Verstärker danach trachtet, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen vorgesehenen Amplitudenpegel aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das empfangene Signal in dem ZF-Band liegt.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei das empfangene Signal bei einer geringen Zwischenfrequenz (LIF) oder einer Zwischenfrequenz von im wesentlichen Null (ZIF) liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die komplexen Bandpaßfiltermittel das empfangene Signal filtern und die Verstärkermittel mit den Filtermitteln verbunden sind, um das gefilterte empfangene Signal zu verstärken.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das empfangene Signal komplexe Wirksignale I und Blindsignale Q umfaßt.
Einrichtung nach Anspruch 5, wobei jedes der komplexen Filtermittel bis zu zwei Polstellen aufweist und wobei optional ein oder mehrere komplexe Einzel-Polstellen-Filter in Reihe geschaltet sind.
Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die gesteuerten Verstärkermittel aufweisen: – einen ersten Verstärker variabler Verstärkung zum Verstärken des Wirksignals I; und – einen zweiten Verstärker variabler Verstärkung zum Verstärken des Blindsignals Q, wobei die Steuermittel ein Verstärkungssteuersignal zum Steuern der Verstärkung des ersten und des zweiten Verstärkers erzeugen.
Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuermittel das Steuersignal als Funktion der I- und Q-Eingangssignale in die Verstärker oder als Funktion der I- und Q-Ausgangssignale der Verstärker oder als Funktion des vorgesehenen Amplitudenpegels bestimmen.
Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuermittel aufweisen: – einen ersten Gleichrichter zum Aufnehmen des Ausgangssignals des ersten variablen Verstärkers, um ein erstes gleichgerichtetes Signal zur Verfügung zu stellen, wobei der erste Gleichrichter optional ein Doppelweggleichrichter ist; – einen zweiten Gleichrichter zum Aufnehmen des Ausgangssignals des zweiten variablen Verstärkers, um ein zweites gleichgerichtetes Signal zur Verfügung zu stellen, wobei der zweite Gleichrichter optional ein Doppelweggleichrichter ist; – Summiermittel zum Addieren des ersten und des zweiten gleichgerichteten Signals; und – Fehlerverstärkermittel mit einem mit den Summiermitteln gekoppelten ersten Eingang und einem mit einem vorgesehenen Amplitudenpegelsignal gekoppelten zweiten Eingang zum Erzeugen des Verstärkungssteuersignals.
Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuermittel aufweisen: – einen ersten Gleichrichter zum Aufnehmen des Eingangssignals des ersten variablen Verstärkers, um ein erstes gleichgerichtetes Signal zur Verfügung zu stellen, wobei der erste Gleichrichter optional ein Doppelweggleichrichter ist; – einen zweiten Gleichrichter zum Aufnehmen des Eingangssignals des zweiten variablen Verstärkers, um ein zweites gleichgerichtetes Signal zur Verfügung zu stellen, wobei der zweite Gleichrichter optional ein Vollweggleichrichter ist; – Summiermittel zum Addieren des ersten und des zweiten gleichgerichteten Signals; und – Fehlerverstärkermittel mit einem mit den Summiermitteln gekoppelten ersten Eingang und einem mit einem vorgesehenen Amplitudenpegelsignal gekoppelten zweiten Eingang zum Erzeugen des Verstärkungssteuersignals.
Einrichtung nach Anspruch 7, ferner aufweisend: einen Indikator der empfangenen Signalstärke mit: – Verstärkungssummiermitteln zum Empfangen des Verstärkungssteuersignals aus jeder komplexen Filter/Verstärker-Stufe zum Berechnen der Gesamtverstärkung der Einrichtung; – Mitteln zum Erfassen der Amplitude des Ausgangssignals der Einrichtung; und – mit den Verstärkungssummiermitteln und den Erfassungsmitteln gekoppelten Mitteln zum Anzeigen der Stärke eines von der Einrichtung empfangenen gewünschten Signals.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei jede komplexe Filter/Verstärker-Stufe ferner eine Gleichspannungskompensationsschaltung zum Dämpfen des Gleichspannungs-Offsets des empfangenen Signals enthält, wobei die Gleichspannungskompensationsschaltung optional eine Rückkopplungsschaltung oder eine Vorwärtskopplungsschaltung ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei K_min negativ ist.