Verfahren und Anordnung zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Signals

Die Erfindung betrifft ein Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches sowie eine Anordnung zum Ausführen dieses Verfahrens .

In der Hochfrequenzmesstechnik werden oftmals frequenzmodulierte Ausgangssignale gebraucht, die einerseits einen relativ großen Frequenzhub (Bandbreite) besitzen und die außerdem eine Trägerfrequenz aufweisen, die in einem großen Frequenzbereich beispielsweise zwischen 1 GHz und 40 GHz einstellbar ist. Dies ist mit bekannten frequenzmodulierbaren Signalgeneratoren nicht erreichbar, je nach Eigenschaften des Generators sind damit höchstens Frequenzhübe von 10 - 20 MHz erreichbar. Mit sogenannten vektoriellen IQ-modulierbaren Mikrowellengeneratoren ist unter Verwendung von sogenannten AWG-Funktionsgeneratoren (arbitrary waveform generator) beispielsweise nach US 5,224,119 je nach verwendeten Digital -/Analog-Wandlern ein Frequenzhub von bis zu 100 MHz möglich. Ein größerer Frequenzhub ist jedoch auch mit diesen bekannten Anordnungen nicht erreichbar.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung aufzuzeigen, mit dem bzw. der ein frequenzmoduliertes Hochfrequenz-Ausgangssignal erzeugbar ist, dessen Trägerfrequenz in einem großen Frequenzbereich beliebig einstellbar ist und das trotzdem mit einem beliebig großen Frequenzhub erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut

Oberbegriff des Anspruches 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Eine Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 4 angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal beispielsweise am Ausgang eines üblichen IQ-modulierbaren Mikrowellen- Signalgenerators dadurch erzeugt, dass zunächst auf einer beliebigen festen Trägerfrequenz in bekannter Weise ein frequenzmoduliertes Signal erzeugt wird, das dann vektoriell in entsprechende IQ-Signale umgesetzt wird, die schließlich im IQ-modulierbaren Signalgenerator mit der gewünschten Trägerfrequenz aus dem breiten Frequenzbereich zum frequenzmodulierten Ausgangssignal umgesetzt wird. Vorzugsweise werden dabei die zunächst noch mit den Signalkomponenten der zur Erzeugung des frequenzmodulierten Signals benutzten Trägerfrequenz behafteten IQ-Signale einer Tiefpassfilterung unterworfen und so die IQ-Signale erzeugt.

Eine besonders einfache Anordnung zur Ausführung eines solchen Verfahrens ergibt sich aus dem Anspruch 4, denn zur Erzeugung des frequenzmodulierten Signals auf der beliebigen festen Trägerfrequenz kann jeder bekannte FM- Modulator benutzt werden. Die vektorielle Signalumsetzung in die IQ-Signale, bei der es sich im Prinzip um eine IQ- Demodulation handelt, kann mit einem üblichen IQ- Demodulator durchgeführt werden. Die Erzeugung des frequenzmodulierten AusgangsSignals aus diesen IQ-Signalen kann dann anschließend in einem üblichen IQ modulierbaren Mikrowellensignalgenerator erfolgen .

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann so auf einer Trägerfrequenz beispielsweise zwischen 1 GHz und 44 GHz ein frequenzmoduliertes Signal von beliebig großem Frequenzhub (Bandbreite) erzeugt werden, abhängig von der Bandbreite des IQ-Modulators, des IQ-Demodulators und des frequenzmodulierten Signals auf der beliebigen festen Trägerfrequenz. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet dabei rein analog und vermeidet so Bandbreiten-begrenzende Digital -/Analog-Wandler und digitale Signalverarbeitung.

In einfacheren Fällen kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch in Digitaltechnik ausgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur zusätzlichen Amplituden-Modulation, sodass beispielsweise sehr breitbandige frequenzmodulierte Signale mit bestimmter Hüllkurve erzeugt werden können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert . In der Zeichnung zeigt :

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung .

Fig. 2 2 Möglichkeiten für eine zusätzliche AM- Modulation

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Hochfrequenz- Ausgangssignals S3, dessen Trägerfrequenz f _c in einem großen Frequenzbereich mit beliebig großem Frequenzhub mittels eines Frequenzgenerators 1 eines üblichen IQ- Signalgenerators 2 einstellbar ist. Dazu wird zunächst in einem üblichen FM-Modulator 3 das aufzumodulierende Modulationssignal in einem Modulator 5 mit der beliebigen jedoch festen Trägerfrequenz f _o eines HF-Generators 4 zum frequenzmodulierten Signal Sl umgesetzt. In einem nach Art eines üblichen IQ-Demodulators arbeitenden vektoriellen Umsetzer 6 wird mit der gleichen festen Trägerfrequenz f _o das Signal Sl in die IQ-Signalbestandteile umgesetzt. Dazu werden in bekannter Weise in Frequenzumsetzern 9 und 10 einerseits mit der In-Phasenkomponente und andererseits mit der um 90° gedrehten Quadratur- Phasenkomponente der Trägerfrequenz f _o wie bei einem IQ-Demodulator die IQ Signale erzeugt.

In anschließenden Tiefpassfiltern 7 und 8 werden die IQ- Signale Si2 und S _q 2 erzeugt . Die so ins Basisband umgesetzten IQ-Signale Si2 und S _q 2 werden schließlich dem

darauffolgenden IQ-Modulator 2 zugeführt und dort mit der ausgewählten Trägerfrequenz f _c zum gewünschten frequenzmodulierten Ausgangssignal S3 vereinigt. Mit der In-Phasenkomponente bzw. der 90° Phasenverschobenen Quadratur-Phasenkomponente der Trägerfrequenz f _c werden mittels der Frequenzumsetzer 11 und 12 die IQ-Signale auf die Trägerfrequenz f _c umgesetzt und im Summierglied 13 zum frequenzmodulierten Ausgangssignal S3 zusammengefasst .

Der Frequenzmodulator 3 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er bei der festen Frequenz f _o einen möglichst großen, linearen Frequenzhub besitzt, also sehr breitbandig ist. Hierfür ist beispielsweise ein VCO (Voltage-controlled oscillator) geeignet.

Mit der beschriebenen Anordnung wird so aus einem frequenzmodulierten Signal (FM-Signal) Sl mit einer festen Trägerfrequenz f _o nach folgenden Formeln ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal S3 mit einer Trägerfrequenz f _c erzeugt und zwar mit großem Frequenzhub, abhängig vom IQ-Modulator, IQ-Demodulator und vom Frequenzhub des frequenzmodulierten Signals auf der beliebig festen Trägerfrequenz.

Ein frequenzmoduliertes Signal (FM-Signal) S ₁ (t) mit Trägerfrequenz / ₀ ist durch die Gleichung

S ₁ (t) = Asin(w _o t + p(ή) = A sin {φ (ή)

gegeben, mit der Amplitude A ₁ der Kreisfrequenz w ₀ =2πf ₀ und dem Signal p{t) , das gegeben ist durch

mit der Funktion

Die momentane Kreisfrequenz w(t) ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2) zu

In den Gleichungen (2) und (3) stellt das Signal f(f) das Modulationssignal dar.

Wird das FM-Signal (1) mit jeweils sin(w _o t) und cos(w ₀ t) multipliziert, so ergeben sich folgende Signale

_Sι (t)sm(w ₀ ή = -CQs(p(t))--cos(2w ₀ t +p(ή), (4a)

s ₁ (t)cos(w ₀ t) = -sin(p(t)) +-sm(2w ₀ t +p(t)) . (4b)

Durch Tiefpassfiltern dieser Signale ergeben sich die zeitabhängigen l(t) und Q(t) Signale

S _q 2(t)=Q(t)= →m{p(t)). (5b)

Das IQ-modulierte Signal s _IQ (t) mit der Trägerfrequenz f _c ist durch

gegeben. Durch Einsetzen der Ausdrücke aus (5) in diese Gleichung ergibt sich Die Gleichung (7) beschreibt ein frequenzmoduliertes Signal mit Trägerfrequenz f _c .

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für I/Q- modulierbare Mikrowellen-Signalgeneratoren geeignet, die in einem breiten Frequenzband beispielsweise zwischen 1

GHz und 44 GHz abstimmbar sind. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein solcher Generator sehr einfach zur Erzeugung eines frequenzmodulierten AusgangsSignals benutzt werden, indem nur noch ein entsprechender

Frequenzmodulator mit fester Trägerfrequenz und ein anschließender üblicher IQ-Demodulator vorgeschaltet werden .

Fig. 2 zeigt zwei Möglichkeiten für die zusätzliche

Amplitudenmodulation des breitbandig frequenzmodulierten Ausgangssignals S3. Die Grundschaltung für die Erzeugung des frequenzmodulierten Ausgangssignals entspricht Fig. 1. Eine erste Möglichkeit zur zusätzlichen Amplitudenmodulation, wie dies beispielsweise für frequenzmodulierte Signale mit bestimmter Hüllkurve erforderlich ist, besteht darin, mittels eines zusätzlichen Amplitudenmodulators 14 vor dem Umsetzer 6 die Amplitude des auf einer festen Trägerfrequenz erzeugten frequenzmodulierten Signals Sl mit dem beispielsweise der Hüllkurve entsprechenden Amplitudenmodulationssignal a(t) zu modulieren. Die Amplituden der anschließend im Umsetzer 6 erzeugten I- und Q-Signale S ₁ I und S _q 2 werden so mit dem Signal a (t) multipliziert. Bei diesem Verfahren wird die Amplitudenmodulation im Frequenzbereich des frequenzmodulierten Signals Sl durchgeführt.

Mit den beiden Amplitudenmodulatoren 15 und 16 ist eine andere Möglichkeit der zusätzlichen Amplitudenmodulation dargestellt, deren Vorteil darin besteht, dass die Amplitudenmodulation der I/Q-Signale im Basisband erfolgt. Die beiden Amplitudenmodulatoren 15 und 16 sind jeweils im Umsetzer 6 unmittelbar nach den Tiefpassfiltern 7,8 im I bzw. Q-Zweig angeordnet und werden wieder mit dem Amplitudenmodulationssignal a (t) angesteuert.

In den beiden Beispielen sind als Amplitudenmodulatoren jeweils steuerbare Verstärker dargestellt, es sind jedoch auch andere Amplitudenmodulatoren wie steuerbare Dämpfungsglieder oder der gleichen einsetzbar.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Alle technischen und/oder

gezeichneten Merkmale sind beliebig im Rahmen der Erfindung miteinander kombinierbar.