PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004027184B3 12.01.2006
Titel Frequenzmodulator und Verfahren zur Frequenzmodulation
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Salfelner, Anton, Pernegg, AT
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 03.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004027184
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse H03C 3/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzmodulation, bei dem die Frequenz (fT,E) eines Trägersignals (TE) abhängig von der Frequenz (fM,E) eines Modulationssignals (ME) moduliert wird und bei dem das Modulationssignal (ME) integriert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Trägersignal (TE) integriert wird und dass ein Differenzsignal (D) aus integriertem Modulationssignal (MI) und integriertem Trägersignal (TI) gebildet wird und dass das Differenzsignal (D) phasenmoduliert wird, um das frequenzmodulierte Trägersignal (TM) als Ausgangssignal zu erhalten. Am zweckmäßigsten lässt sich dieses Verfahren mit Hilfe eines Frequenzmodulators (1, 11) realisieren, bei dem erfindungsgemäß zusätzlich zu einem ersten Integrierer (3), in dem das Modulationssignal (ME) integriert wird, ein weiterer Integrierer (4) vorgesehen ist, in dem das Trägersignal (TE) integriert wird, bei dem weiter ein Komparator (5, 15) vorgesehen ist, in dem ein Differenzsignal (D) aus integriertem Modulationssignal (MI) und integriertem Trägersignal (TI) gebildet wird und bei dem ein üblicherweise vorhandener Phasenmodulator (6, 16) nunmehr dazu vorgesehen ist, das Differenzsignal (D) in der Phase zu modulieren, um fas frequenzmodulierte Trägersignal (TM) als Ausgangssignal zu erhalten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Frequenzmodulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Frequenzmodulation nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Aus dem Stand der Technik ist ein in der 8 dargestellter Frequenzmodulator 101 bekannt.

Dieser Frequenzmodulator 101, der beispielsweise in den RKE-Transmitter-Familien TDx51xx und TDA525x sowie PMA5100 der Infineon Technologies AG, München, realisiert ist, umfasst einen Quarzoszillator 102 einen Phasenregelkreis 106 sowie einen elektronischen Schalter S, welcher im Takt eines an einem Eingang EM anliegenden Modulationssignals ME geöffnet bzw. geschlossen werden kann.

Ein Eingang des Quarzoszillators 102 ist über die Serienschaltung eines Quarzes Q mit einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren C1, C2 auf Masse geführt. Der Schalter S ist parallel zu einer dieser Kapazitäten C1, C2 (nämlich C1), diese bei geschlossenem Schalter S überbrückend, angeordnet.

Bei einem derartigen Frequenzmodulator 101 wird einem an einem Ausgang A abgreifbares und von einer Antenne 107 emittierbares frequenzmoduliertes Signal frequenzmoduliert, indem die Referenzfrequenz des Phasenregelkreises 106 frequenzmoduliert wird. Das Referenzsignal des Phasenregelkreises (Phase Locked Loop, PLL) 106 liefert der Quarzoszillator 102, welcher durch Verändern der durch die Einzelkapazitäten C1, C2 gebildeten Serienkapazität CS des Quarzes Q frequenzmoduliert wird.

Bei geöffnetem Schalter S ist die Serienkapazität CS = C1 × C2/(C1 + C2) klein, womit die Oszillatorfrequenz groß ist. Bei geschlossenem Schalter S ist die Serienkapazität CS = C2 groß, womit die Oszillatorfrequenz klein ist.

Nachteilig ist bei einem derartigen Frequenzmodulator, dass die Datenrate des Modulationssignals wegen transienter Einschwingvorgänge beim Schließen bzw. Öffnen des Schalters S limitiert ist.

Es sind nur geringe Frequenzhübe &Dgr;&ohgr; möglich, da die Oszillationsfrequenz eines Quarzes nur in geringem Umfang veränderbar ist. Da die Oszillationsfrequenz des Quarzoszillators bei einem Frequenzmodulator der vorstehend beschriebenen Art variabel ausgelegt werden muss, ergibt sich eine damit einher gehende geringe Frequenzstabilität des Quarzoszillators. Schließlich besteht keinerlei Flexibilität des Hubes. Weiter ist keine Basisbandfilterung möglich.

Ein Frequenzmodulator mit einem Integrierer, der das Modulationssignal intetriert, und bei dem das integrierte Signal einem Modulator zum Modulieren eines Trägersignals zugeführt ist, ist auch in der DE 31 13 800 A1 beschrieben.

Aus dem Stand der Technik ist weiter bekannt als Frequenzmodulator ein System mit direkter digitaler Synthese (DDS) einzusetzen. Derartige Frequenzmodulatoren sind extrem aufwändig und weisen nur einen geringen Wirkungsgrad auf. Es lässt sich mit derzeit verfügbaren Systemen nur ein frequenzmoduliertes Signal mit einem hohen parasitären Schwingungsanteil erzeugen.

Des weiteren werden sog. IQ-Modulatoren im Sendepfad vorgesehen. Derartige IQ-Modulatoren sind jedoch ebenfalls sehr aufwändig und niedereffizient.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen auf einfache Weise realisierbaren und leistungsarmen Frequenzmodulator vorzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein sehr einfaches Verfahren zur Frequenzmodulation vorzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Frequenzmodulator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Frequenzmodulation mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht davon aus, dass eine Frequenzmodulation – wie bei einem in der 8 dargestellten und oben beschriebenen Frequenzmodulator – mit Hilfe eines festen Trägeroszillators und nachgeschaltetem Phasenmodulator erreicht werden kann. Da eine Phasenmodulation mathematisch das Intergral einer Frequenzmodulation darstellt, ist es erforderlich, das Modulationssignal am Eingang des Phasenmodulators zu integrieren. Einzelheiten hierzu entnimmt man beispielsweise Köstner, R.; Möschwitzer, A.: "Elektronische Schaltungen", Karl Hanser Verlag München, Wien, 1993, ISBN 3-446-16588-6, Seiten 246 und 247.

Die Erfindung geht nunmehr von einem Verfahren zur Frequenzmodulation aus, bei dem die Frequenz eines Trägersignals abhängig von der Frequenz eines Modulationssignals moduliert wird und bei dem das Modulationssignal integriert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zusätzlich das Trägersignal integriert wird. Es wird ein Differenzsignal aus integriertem Modulationssignal und integriertem Signal gebildet. Dieses Differenzsignal wird phasenmoduliert, um das frequenzmodulierte Trägersignal als Ausgangssignal zu erhalten.

Schaltungstechnisch lässt sich dieses Verfahren am einfachsten mit Hilfe eines Frequenzmodulators realisieren, bei dem erfindungsgemäß zusätzlich zu einem ersten Integrierer, in dem das Modulationssignal integriert wird, ein weiterer Integrierer vorgesehen ist, in dem das Trägersignal integriert wird. Es ist ein Komparator vorgesehen, in dem ein Differenzsignal aus integriertem Modulationssignal und integriertem Trägersignal gebildet wird. Der aus dem Stand bekannte vorhandene Phasenmodulator ist nunmehr dazu vorgesehen, das Differenzsignal in der Phase zu modulieren. Am Ausgang des Phasenmodulators liegt dann das frequenzmodulierte Trägersignal als Ausgangssignal an.

Dieses Verfahren sowie diese Schaltungsanordnung zeichnen sich dadurch aus, dass keine Frequenzmodulation der Referenz, d. h. des Quarzoszillators, mehr erforderlich ist. Dadurch kann der Quarzoszillator auf maximale Stabilität hinsichtlich Frequenz und weiterer Parameter ausgelegt werden. Weiter kann die Leistungsaufnahme des Quarzoszillators minimiert werden. Der Frequenzhub kann flexibel über die Amplitude des integrierten Modulationssignals eingestellt werden.

Das vorgestellte Verfahren sowie die vorgestellte Schaltungsanordnung sind für jede Art von Frequenzmodulation geeignet, nicht allein für Frequenzumtastung (Frequency shift keying = FSK). Auch ist ein sogenanntes Basisband-shaping in einfacher Weise möglich.

Im übrigen zeichnet sich ein Frequenzmodulator der vorstehend genannten Art durch geringen Aufwand, geringen Stromverbrauch, geringe Komplexität, fehlende Spurs, die Übertragung hoher Datenraten, hohe Deviation und sehr gute Integrierbarkeit aus.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Figuren näher beschrieben.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Frequenzmodulators.

2 zeigt Ein- und Ausgangssignale eines Komparator des erfindungsgemäßen Frequenzmodulators gemäß der 1.

3 zeigt eine Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Frequenzmodulators.

4 zeigt gemessene Eingangs- und Ausgangssignale an einem Komparator der Schaltungsanordnung gemäß der 3.

5 zeigt einen Ausschnitt X der gemessenen Signale aus 4.

6 zeigt einen anderen Ausschnitt Y der gemessenen Signale aus 4.

7 zeigt das modulierte Ausgangssignal am Ausgang des Frequenzmodulators nach der 3.

8 zeigt einen Frequenzgenerator nach dem Stand der Technik.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Frequenzmodulators 1 als Blockschaltbild.

Der Frequenzmodulator 1 umfasst einen Quarzoszillator 2, zwei Integrierer 2 und 4, einen Komparator 5 sowie einen Phasenregelkreis 6, welcher auch als Phase Locked Loop (PLL) bekannt ist.

Der Quarzoszillator 2 ist eingangsseitig über eine Serienschaltung eines Quarzes Q und eines Kondensators C mit Masse verbunden. Ausgangsseitig ist der Quarzoszillator 2 auf den Eingang des ersten Integrierers 3 geführt. Dessen Ausgang ist auf den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 5 geführt.

Der invertierende Eingang des Komparators 5 ist mit dem Ausgang des zweiten Integrierers 4 verbunden. Der Ausgang des Komparators 5 ist auf den Eingang der PLL 6 geführt. Der Ausgang des Phasenregelkreises 6 bildet den Ausgang A des erfindungsgemäßen Frequenzmodulators 1, welcher zur Übertragung des modulierten Ausgangssignals TM mit einer Antenne 7 verbunden ist.

Bei der Erfindung wird der Quarzoszillator 2 nicht mehr wie beim Frequenzmodulator nach 8 frequenzmoduliert. Die Erfindung ist zwischen Quarzoszillator 2 und PLL 6 eingefügt. Konkret ist erfindungsgemäß zwischen diesen Bauteilen Quarzoszillator 2 und Phasenregelkreis 6 ein die Differenz zwischen integriertem Trägersignal TI und integriertem Datensignal MI bildender Komparator 5 vorgesehen, dem der Phasenregelkreis 6 unmittelbar nachgeschaltet ist.

Zur Beschreibung der Funktion des Frequenzmodulators 1 gemäß der Erfindung wird angenommen, dass der Quarz Q bei einer Frequenz fQ = 13 MHz schwingt.

Am Ausgang des Quarzoszillators 2 liege daher eine rechteckförmiges Spannungssignal als Trägersignal TE mit einer Trägerfrequenz fT,E = 13 MHz an.

Weiterhin wird angenommen, dass ein niederfrequentes Modulationssignal ME mit einer Frequenz fM,E und rechteckiger Signalamplitude dem Trägersignal ME aufmoduliert werden soll.

Das 13 MHz-Signal TE und das 10 kHz-Datensignal ME werden zunächst mit Hilfe der Integrierer 3, 4 integriert und dann einem Komparator 5 zugeführt. Das Ausgangssignal D des Komparators 5 ist wieder ein 13 MHz-Signal, allerdings sind die Phasen der Flanken moduliert. Da die PLL (Phase Locked Loop) auf die Phase einer Flanke des Eingangssignals reagiert, führt die PLL 6 dementsprechend die Ausgangsfrequenz fMA nach.

2 skizziert die Verhältnisse der Signale TE, ME, D am Komparator 5.

Der Zusammenhang zwischen Kreisfrequenz und Phasenmodulation lautet:

bzw. umgeformt: d&phgr; = ∫&Dgr;&ohgr;·dt

Diese Integration wird im Integrierer 4 für das 10 kHz-Datensignal MI ausgeführt. Der Komparator 5 verändert dann die Phase bzw. Flanken des 13 MHz-Trägersignals TI. Bei einem sägezahnförmigen integrierten Trägersignal TI mit Dreiecksamplitude beträgt die maximale Phasenverschiebung, welche mit dieser Art der Modulation erzielt werden kann, &Dgr;&phgr;max = ±90°. Von Spitze zu Spitze beträgt also der maximale Phasenwinkel &phgr;max = 180°.

Dieser Sachverhalt wird nachfolgend anhand eines Zahlenbeispiels noch einmal verdeutlicht:

Gewünscht sei eine HF-Ausgangsfrequenz fM,A von 434 MHz mit einer FSK-Deviation von &Dgr;f'M,A = ±50 kHz. Der PPL 6 habe einen Teilerfaktor F von 32. Das Signal des Oszillators muss also eine Frequenz fT,E von 13,56 MHz aufweisen bei einer Quasi-Deviation &Dgr;fT,E von ±1,5 kHz.

Wenn die Modulationsfrequenz fM,E = 10 kHz beträgt, dann beträgt die Dauer eines Datenbits 0,05 ms. Der Phasenwinkel &phgr; der Referenz TE muss als um den Wert d&phgr; = &pgr;∫&Dgr;f·dt

= 2·n·1,5k· 0,05m

= 0,47 rad

= 27°
verändert werden.

Da der hier erforderliche Phasenhub &Dgr;&phgr; von 27° kleiner als der maximal zulässige Phasenhub &Dgr;&phgr;max von 180° ist, ist die Anforderung realisierbar.

3 zeigt eine konkrete Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Frequenzmodulators 11, mit dem das vorstehend beschriebene Zahlenbeispiel verifiziert wurde.

Zur Funktionsprüfung ist der Frequenzmodulator 11 eingangsseitig mit Funktionsgeneratoren 12, 13 und ausgangsseitig mit einem Spektralanalysator 18 verbunden.

Die Integrationen von Trägersignal TE und Modulationssignal ME werden durch die Funktionsgeneratoren 12, 13 nachgebildet.

Kernbauelemente sind hier ein Komparator 15 (Baustein MAX961) und ein diesem nachgeschalteter Phasenregelkreis 16 in Form des integrierten Bausteins TDA5100.

Jeweils zwei 10 k&OHgr; und 1k5&OHgr; Widerstände R1, R2, R3 und R4 dienen zur DC-Einstellung des Arbeitspunktes an den Eingängen des Komparators 15. Drei 10nF Kondensatoren C3, C4, C5 dienen zur AC-Kopplung. Der 13 MHz-Generator 12 und der 10 kHz-Generator 13 liefern Dreiecksspannungen. Ein 30 k&OHgr;-Widerstand R5 am Ausgang des Komparators 15 dient zur Erzeugung einer Stromquelle mit 100 &mgr;A Strom, um den Quarzoszillator-Eingang COSC des Phasenregelkreises 16 TDA5100 zu treiben. Der Ausgang des Evalboards 16 ist an einen Spectrum-Analyzer 18 angeschlossen.

4 gibt die gemessenen Eingangs- und Ausgangssignale, nämlich das nachgebildete integrierte Trägersignal TI, das nachgebildete integrierte Modulationssignal MI und das hieraus abgeleitete Differenzsignal D in Abhängigkeit von der Zeit t wieder.

Zur Verdeutlichung des jeweiligen Signalverlaufs TI, MI und D zeigen die 5 und 6 Ausschnitte aus dem Diagramm nach 4 zum einen in der Nähe des Maximums des Modulationssignals (5) und zum anderen in der Nähe des Minimums des Modulationssignals (6).

Am Ausgang A des Frequenzmodulators 11 ist, wie das von dem Spektrum-Analyzer mit integriertem Signal-Analyzer 18 gelieferte Diagramm nach 7 zeigt, ein hochfrequentes Ausgangssignal TM' mit einer Frequenz f'M,A von 433,92 MHz und einem Frequenzhub &Dgr;f vom 50 kHz abgreifbar.

1Frequenzmodulator 2Quarzoszillator 3erster Integrierer 4zweiter Integrierer 5Komparator 6Phasenregelkreis = Phase Locked Loop = PLL 7Antenne 11Frequenzmodulator 12Funktionsgenerator 13Funktionsgenerator 15Komparator 16Phasenregelkreis = Phase Locked Loop = PLL 18Spektralanalysator 101Frequenzenmodulator 102Quarzoszillator 106Phasenregelkreis = Phase Locked Loop 107Antenne &Dgr;&ohgr;Kreisfrequenzhub &Dgr;fFrequenzhub &phgr;Phasenwinkel &phgr;maxmax. Phasenwinkel &Dgr;&phgr;maxmax. Phasenverschiebung tZeit fM,AFrequenz des modulierten Trägersignals f'M,AFrequenz des modulierten Trägersignals nach Frequenzteilung UBBetriebsspannung CKondensator, Kondensatorkapazität C1Kondensator, Kapazität C2Kondensator, Kapazität C3Kondensator, Kapazität C4Kondensator, Kapazität C5Kondensator, Kapazität CSSerienkapazität R1Widerstand, Widerstandswert R2Widerstand, Widerstandswert R3Widerstand, Widerstandswert R4Widerstand, Widerstandswert R5Widerstand, Widerstandswert SSchalter QQuarz DDifferenzsignal MEModulationssignal (am Eingang EM) MIintegriertes Modulationssignal TETrägersignal (am Eingang ET) TIintegriertes Trägersignal TMmoduliertes Trägersignal T'Mmoduliertes Trägersignal nach Frequenzteilung fQQuarzfrequenz fT,ETrägerfrequenz (am Eingang ET) fT,IFrequenz des integrierten Trägersignals fM,EFrequenz des Modulationssignals (am Eingang EM) fM,IFrequenz des integrierten Modulationssignals fDNominalfrequenz d. Differenzsignals FTeilerfaktor mModulationsindex ETEingang für Trägersignale EMEingang für Modulationssignale AAusgang d. modulierten Trägersignals/d. modulierten Trägersignals nach Frequenzenteilung XSignalausschnitt YSignalausschnitt

Anspruch[de]
  1. Frequenzmodulator (1, 11) zum Modulieren der Frequenz (fT,E) eines Trägersignals (TE) abhängig von der Frequenz (fM,E) eines Modulationssignals (ME)

    – mit einem ersten Integrierer (4) in dem das Modulationssignal (ME) integriert wird und

    – mit einem Phasenmodulator (6, 16),

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – ein zweiter Integrierer (3) vorgesehen ist, in dem das Trägersignal (TE) integriert wird, dass

    – ein Komparator (5, 15) vorgesehen ist, in dem ein Differenzsignal (D) aus integriertem Modulationssignal (MI) und integriertem Trägersignal (TI) gebildet wird und dass

    der Phasenmodulator (6, 16) dazu vorgesehen ist, das Differenzsignal (D) in der Phase zu modulieren, um das frequenzmodulierte Trägersignal (TM) als Ausgangssignal zu erhalten.
  2. Frequenzmodulator (1, 11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenmodulator (6, 16) ein Phasenregelkreis (PLL) ist.
  3. Verfahren zur Frequenzmodulation, bei dem die Frequenz (fT,E) eines Trägersignals (TE) abhängig von der Frequenz (fM,E) eines Modulationssignals (ME) moduliert wird und bei dem das Modulationssignal (ME) integriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersignal (TE) integriert wird und dass ein Differenzsignal (D) aus integriertem Modulationssignal (MI) und integriertem Trägersignal (TI) gebildet wird und dass das Differenzsignal (D) phasenmoduliert wird, um das frequenzmodulierte Trägersignal (TM) als Ausgangssignal zu erhalten.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das frequenzmodulierte Trägersignal (TM) um einen Teilerfaktor (F) geteilt wird, um ein moduliertes Trägersignal (TM') nach Frequenzteilung zu erhalten.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (ME) gleichspannungsfrei ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Quotienten aus Frequenzhub (&Dgr;f) und Modulationsfrequenz (fM,E) gebildete Modulationsindex (m) kleiner oder gleich Eins ist.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com