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Diese
Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine
Zellen-Basisstation und genauer eine Zellen-Basisstation, die eine
Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog-Umsetzung mit hoher Auflösung unter
Verwendung des Prinzips der Überabtastung
aufweist.
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Zellen-Basisstationen,
die im Zentrum oder am Rand eines Versorgungsgebiets angeordnet
sind, sind feste Stationen in einem drahtlosen Kommunikationssystem,
das für
die Funkkommunikation mit Mobilstationen verwendet wird. Sie umfassen
zahlreiche Funkkanäle
und weisen eine an einem Turm angebrachte Sende- und Empfangsantenne
auf. Eine typische Spezifikation einer Zellen-Basisstation erfordert
einen 16-Bit-DAU mit einer Ausgangsbandbreite von 200 MHz sowie
einem störungsfreien
Dynamikbereich in der Größenordnung
von etwa 100 dB. Obgleich Kosten- und Leistungsbeschränkungen möglicherweise
nicht so entscheidend sind, wo die Verwendung einer Basisstation
in Erwägung
gezogen wird, ist ein Betrieb mit hoher Auflösung unter Verwendung einer Überabtastung
bei erhöhter
Geschwindigkeit dennoch kompliziert. Insbesondere für Abtastraten
von etwa 400 Mio. Abtastungen pro Sekunde (Nyquist-Abtastung eines
auf 200 MHz bandbegrenzten Signals) wird die Durchführung von
Digital/Analog-Umsetzungen
in Echtzeit unter Verwendung einer Überabtastung äußerst schwierig
und verbraucht riesige Energiemengen. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen
ist dabei ein Eintauschen der Auflösung gegen eine Erhöhung der
Verarbeitungsgeschwindigkeit keine Option.
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Folglich
gibt es ein Bedarf für
eine Zellen-Basisstation, die eine Vorrichtung und ein Verfahren
mit einer Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog-Umsetzung mit hoher
Auflösung
aufweist.
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Digital/Analog-Umsetzung
bezieht sich auf den Prozess der Umsetzung diskreter digitaler Signale
in einen zeitkontinuierlichen Bereich analoger Signale. Die Umsetzung
analoger Signale in digitale Signale und umgekehrt wird häufig verwendet,
um reale Systeme, von denen viele eine kontinuierliche Veränderung analoger
Signale überwachen,
und digitale Systeme, die diskrete Werte abgetasteter analoger Signale
lesen, speichern, auswerten, manipulieren oder anderweitig verarbeiten,
miteinander zu verbinden.
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Die
Sigma-Delta-Modulation (die gelegentlich als "Delta-Sigma-Modulation" bezeichnet wird) stellt
eine Lösung
einer hochauflösenden
Digital/Analog-Umsetzung bereit. Sie integriert eine Rauschformungstechnik,
womit das Rauschen eines A/D-Umsetzers (oft ein 1-Bit-A/D-Umsetzer),
der mit einer Frequenz arbeitet, die viel größer als die Bandbreite ist,
zu hohen Frequenzen verschoben wird, die in dem Ausgangssignal nicht
von Interesse sind. Ein Filter hinter dem A/D-Umsetzer entfernt
das Außerbandrauschen.
Das resultierende System synthetisiert einen Datenumsetzer mit hoher
Auflösung,
wird aber aus Bausteinen mit niedriger Auflösung gebildet. Da Sigma-Delta-DAUs
eine Überabtastungs-Digital/Analog-Umsetzung während der
Abtastung von Signalen mit sehr hohen Frequenzen ermöglichen
(d. h. eine Abtastung mit Raten viel größer als die Nyquist-Rate),
werden hohe Signal-Rausch-Abstände erreicht.
Folglich kann die Kombination von Überabtastungs- und Rauschformungstechniken
unter Verwendung eines Sigma-Delta-DAU
implementiert werden, um eine hohe Auflösung ohne externes Trimmen
zu erzielen. Jedoch gibt es zurzeit keine Lösung mit einer Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog-Umsetzung
hoher Auflösung.
Einen guten Überblick
zur Theorie der Sigma-Delta-Modulation wird in "Oversampling Delta-Sigma Data Converters" von Candy und Temes,
IEEE Press, 1992, gegeben. Beispiele für D/A-Umsetzer, die eine Delta-Sigma-Modulation
verwenden, sind in den US-Patenten Nr. 4.901.077, Nr. 5.079.551,
Nr. 5.185.102, Nr. 5.313.205, Nr. 5.701.106, Nr. 5.712.635, Nr. 5.786.779,
Nr. 5.920.273 und Nr. 5.952.947 angegeben.
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Genauer
enthalten Sigma-Delta-DAUs üblicherweise
einen Eingangsinterpolator, der digitale Eingangsabtastwerte empfängt und
die Abtastrate der digitalen Eingangsabtastwerte erhöht (typisch
um das 64- bis 256-fache der Eingangsabtastrate). Allgemein als
Interpolation bezeichnete Techniken zur Erhöhung der Abtastrate sind für den Fachmann
auf dem Gebiet selbstverständlich.
Die meisten Ausführungen
verwenden mehrere Erhöhungsstufen.
Ein Sigma-Delta-Modulator empfängt
die höherfrequenten
Eingangsabtastwerte von dem Interpolator und setzt die Abtastwerte
in einen hochfrequenten Bit-Strom mit einer niedrigeren Auflösung (typisch eine
Ein-Bit-Auflösung)
um. Anstatt das Quantisierungsrauschen gleichmäßig über den Frequenzbereich von
0 bis zur Nyquist-Abtastfrequenz zu spreizen, formt der Sigma-Delta-Modulator
das Rauschen so, dass der größte Teil
des Rauschens zu den sehr hohen Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz gehört. Somit
entfernt er wirksam das Rauschen aus dem unteren Frequenzbereich,
was für
die oben angeführten
besonderen Anwendungen von Interesse ist.
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Ein Überabtastungs-DAU,
der einen Sigma-Delta-A/D-Umsetzer zweiter Ordnung und ein analoges
Tiefpassfilter verwendet, um die Daten von dem Sigma-Delta-A/D-Umsetzer
in ein analoges Signal umzusetzen, ist eine sehr effektive Vorrichtung
für langsame
Audio-Anwendungen. Allerdings ist diese Implementierung für Hochgeschwindigkeitsanwendungen
wie etwa die Zellen-Basisstation mit den oben erwähnten Kriterien
ungeeignet. Außerdem weist
dieser DAU-Typ eine relativ hohe Ausgangsdaten-Übertragungsrate auf, die eine
höhere
Leistung erfordert, als erwünscht
ist. Zudem werden angesichts der Überabtastungsinterpolationen
in der Größenordnung
von n = 256 für
hohe Abtastraten wie etwa die 400 Mio. Abtastungen/s, die für Anwendungen
einer Zellen-Basisstation erforderlich sind, extreme Taktraten (400
MHz·256)
ein gravierendes Konstruktionshindernis.
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Die
Veröffentlichung
der europäischen
Patentanmeldung Nr.
EP0589594 beschreibt
eine Frequenzmultiplex-Zellentelephon-Zellenstandort-Basisstation
und ein Verfahren für
ihren Betrieb. Das Dokument ist auf eine Zellentelephon-Zellenstandort-Basisstation
mit einem einzelnen Funksender und Funkempfänger zum Senden bzw. Empfangen
von frequenzmodulierten Multiplexsignalen (FM-Multiplexsignale) gerichtet. Ein mit
dem Sender verknüpfter Filterbanksynthetisierer
multiplexiert einzelne Signale zum Senden durch den Sender durch
exponentielles Modulieren der Signale zu höheren Frequenzbändern gefolgt
von einer Tiefpassfilterung und einer Interpolation unter Verwendung
diskreter Fourier transformationstechniken. Ein mit dem Empfänger verknüpfter Filterbankanalysator
demultiplexiert von dem Empfänger
empfangene FM-Multiplexsignale durch exponentielles Modulieren jedes
Signals zu seiner ursprünglichen
Spektralposition gefolgt von einer Tiefpassfilterung und einer Dezimierung
unter Verwendung diskreter Fouriertransformationstechniken.
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S.
A. Leyonhjelm u. a., "Digital
signal processing and direct conversion for multichannel transmitters", Vehicular Technology
Conference, 1994 IEEE 44th Stockholm, Schweden,
8.–10.
Juni 1994, New York, USA, IEEE, 8. Juni 1994, Seite 494–498 (ISBN: 0-7803-1927-3),
beschreiben eine Vielkanalsender-Architektur, die einen wirksamen
Transmultiplexer-Algorithmus mit einer Direktumsetzung kombiniert. 1 dieses
Dokuments zeigt eine kombinierte digitale Quadraturmodulation und
analoge Überlagerungsaufwärtsumsetzung.
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WO
95/06978 beschreibt ein ROM-Filter. 10 dieses
Dokuments beschreibt ein Filter, das das π/4-DQPSK-Codiersystem verwendet.
Das Filter enthält
ein Register, aus dem Daten in ein Zustandsmaschinen-ROM, das mit
einem Zustandsregister verknüpft
ist, eingegeben werden. Das Zustandsmaschinen-ROM besitzt sowohl
einen I-Ausgang als auch einen Q-Ausgang, die Sendedaten darstellende Symbole
an einen Doppel-Mischer-Modulator liefern, der lokale Oszillatoren
mit einem Phasenabstand von 90° aufweist.
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Folglich
gibt es einen Bedarf für
eine verbesserte Zellen-Basisstation mit einem DAU, der mit einer
höheren
Geschwindigkeit als der bisher erzielbaren betreibbar ist, der das
Sigma-Delta-Prinzip auf eine andere Weise verwendet.
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Hier
wird eine minimale Hardware-Anforderungen aufweisende digitale Zellen-Basisstation
offenbart, die eine Hochgeschwindigkeitskommunikation leicht unterstützen kann.
Zur Erzielung einer Lösung
für den
oben beschriebenen Bedarf enthält
die Zellen-Basisstation einen Grundband-Prozessor und -Modulator
für einen
digitalen Signalprozessor, einen Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog-Umsetzer mit hoher
Auflösung,
einen ersten Modulator, einen zweiten Modulator und eine Antenne.
Ein zu verarbeitendes Eingangssignal wird in den Digitalsig nal-Grundband-Verarbeitungsmodulator
eingekoppelt. Der Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog-Umsetzer mit hoher
Auflösung
ist so gekoppelt, dass er das verarbeitete Signal empfängt, wobei
er das Signal in ein analoges Signal umsetzt. Der erste bzw. der
zweite Modulator empfangen das Signal und modulieren das Signal
für zwei
verschiedene Geschwindigkeiten, eine zweite bzw. eine dritte Geschwindigkeit. Schließlich ist
die Antenne so gekoppelt, dass sie das Signal mit der dritten Geschwindigkeit
von dem zweiten Modulator empfängt
und sendet.
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Der
Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog-Umsetzer mit hoher Auflösung umfasst
ein Speichermittel zum Speichern von Delta-Sigma-Bitfolgen, die
allen möglichen
Werten einer digitalen Eingabe entsprechen, die in mehrere Ein-Bit-Digital/Analog-Umsetzer
eingekoppelt wird. Alle Digital/Analog-Umsetzer werden durch mehrphasige
Taktsignale getaktet, so dass jede Phase, die in jeweils einen der
Digital/Analog-Umsetzer eingegeben wird, in Bezug auf eine nächste Phase
durch eine Überabtastperiode
verzögert
ist, die die Nyquist-Periode dividiert durch die Anzahl vorgegebener
interpolierter Abtastwerte ist. Ein analoger Summierer ist mit allen Digital/Analog-Umsetzern
gekoppelt, um alle Ausgaben der mehreren Digital/Analog-Umsetzer
zu summieren, um eine analoge Ausgabe zu erzeugen. Die Integration
des Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog-Umsetzer mit hoher Auflösung reduziert
den für Zellen-Basisstationen
erforderlichen Hardware-Umfang.
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Besondere
und bevorzugte Aspekte und Ausführungsformen
der Erfindung werden in den beigefügten unabhängigen und abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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Für ein vollständigeres
Verständnis
von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun Bezug genommen
auf die folgende, lediglich beispielhaft bereitgestellte Beschreibung anhand
der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale anzeigen
und in der:
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1 einen
Blockschaltplan einer bekannten Zellen-Basisstation zeigt; und
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2 einen
Blockschaltplan einer Zellen-Basisstation in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind am verständlichsten im Vergleich mit dem
Stand der Technik. Daher beginnt diese ausführliche Beschreibung mit einer
Erläuterung
einer gut bekannten Zellen-Basisstation, wie sie in 1 gezeigt
ist. Ein Eingang ist mit dem digitalen Signalprozessor (DSP), der
als Grundbandprozessor 10 gezeigt ist, gekoppelt. Das verarbeitete
digitale Signal wird von einem langsamen Digital/Analog-Umsetzer 12 empfangen,
der an den Ausgang des Grundbandprozessors 10 gekoppelt
ist. Das umgesetzte analoge Signal wird von einem ersten Modulator 14 empfangen,
der das Signal mit einer ersten Zwischenfrequenz (ZF) typisch in
der Größenordnung
von 10 MHz moduliert. Ein zweiter Modulator 16 ist so angeschlossen,
dass er das modulierte Signal empfängt, wobei er ferner das Signal
mit einer zweiten Zwischenfrequenz typisch in der Größenordnung
von 100 MHz moduliert. Ein dritter Modulator 18 empfängt das
mit 100 MHz modulierte Signal und moduliert das Signal mit einer
Rundfunkfrequenz typisch in der Größenordnung von 1 GHz. Dieses
Signal wird über
eine Antenne 20 gesendet.
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Eine
in 2 gezeigte Zellen-Basisstation 22 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung umfasst einen DSP-Grundband-Prozessor und -Modulator 24,
einen Hochgeschwindigkeits-DAU 26 mit hoher Auflösung, einen
Hochfrequenzmodulator 30 (HF-Modulator) und eine Antenne 32.
Der DSP-Grundband-Prozessor und -Modulator 24 verarbeitet
das Eingangssignal. Das verarbeitete Signal wird von dem Hochgeschwindigkeits-DAU 26 mit
hoher Auflösung,
der mit dem DSP-Grundband-Prozessor und -Modulator 24 gekoppelt
ist, von digital nach analog umgesetzt. Der Hochgeschwindigkeits-DAU 26 mit
hoher Auflösung
der am 08.12.1999 eingereichten, gleichzeitig anhängigen Anmeldung
(TI-29328) mit der laufenden Nr. 60/169.819 bietet eine Offline-Sigma-Delta-Umsetzung
und -Speicherung, die es ermöglicht,
ein moduliertes Signal mit einer ersten Zwischenfrequenz typisch
in der Größenordnung
von 100 MHz direkt zu erzeugen. Der HF-Modulator 30 ist
so gekoppelt, dass er die Ausgabe des DAU 26 empfängt, wobei
er ferner das Signal mit einer Rundfunkfrequenz typisch in der Größenordnung
von 1 GHz moduliert. Dieses Signal wird über die Antenne 32 gesendet.
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Wie
in 2 gezeigt ist, reduziert die Zellen-Basisstation 22 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Hardware, die nötig ist, um das modulierte
Signal mit der ersten Zwischenfrequenz typisch in der Größenordnung
von 100 MHz direkt zu erzeugen.
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Die
Begriffe und Ausdrücke,
die in der vorhergehenden Beschreibung verwendet worden sind, sind
darin als Begriffe zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung verwendet,
so dass der Gebrauch derartiger Begriff und Ausdrücke Entsprechungen der
gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile hiervon nicht ausschließt, wobei
klar zu erkennen ist, dass der Umfang der Erfindung lediglich durch
die Ansprüche,
die folgen, definiert und begrenzt wird.
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Wenn
Ausführungsformen
der oben beschriebenen Erfindung wenigstens teilweise unter Verwendung
einer softwaregesteuerten programmierbaren Vorrichtung wie etwa
ein digitaler Signalprozessor, ein Mikroprozessor, andere Verarbeitungsvorrichtungen,
ein Datenverarbeitungsgerät oder
ein Computersystem implementierbar sind, ist klar, dass sich ein
Computerprogramm zum Konfigurieren einer programmierbaren Vorrichtung,
eines programmierbaren Geräts
oder eines programmierbaren Systems, um die vorhergehenden beschriebenen
Verfahren zu implementieren, als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
vorzustellen ist. Das Computerprogramm kann als Quellcode ausgeführt sein, wobei
es einer Kompilierung zur Implementierung in einer Verarbeitungsvorrichtung,
einem Verarbeitungsgerät
oder einem Verarbeitungssystem unterliegt, oder es kann z. B. als
Objektcode ausgeführt sein.
Der Fachmann versteht leicht, dass der Begriff Computer in seinem
allgemeinsten Sinn programmierbare Vorrichtungen wie etwa die oben
erwähnten sowie
ein Datenverarbeitungsgerät
und Computersysteme einschließt.
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Geeigneterweise
ist das Computerprogramm auf einem Trägermedium in maschinenlesbarer
oder einer von einer Vorrichtung lesbaren Form, z. B. in einem Festkörperspeicher
oder einem Magnetspeicher wie etwa eine Magnetplatte oder ein Band, gespeichert,
wobei die Verarbeitungsvorrichtung das Programm oder einen Teil
hiervon verwendet, um sie für
den Betrieb zu konfigurieren. Das Com puterprogramm kann enthalten
in einem Kommunikationsmedium wie etwa ein elektronisches Signal,
eine Funkfrequenz-Trägerwelle
oder eine optische Trägerwelle von
einer entfernten Quelle bereitgestellt werden. Derartige Trägermedien
sind ebenso als Aspekte der vorliegenden Erfindung anzusehen.