DE10048356A1 - Funkstation und Verfahren zum Empfang von Funksignalen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Funkstation und ein Verfahren zum Empfang von Funksignalen. DOLLAR A Eine Antenne A der Funkstation ist mit wenigstens zwei Eingangszweigen verbunden, die jeweils wenigstens eine gleichartige Signalverarbeitungskomponente (AMP, F, M, A/D) beinhalten. Eine Kombinationseinheit COMB ist eingangsseitig mit Ausgängen der Eingangszweige verbunden und dient zur Erzeugung eines gemeinsamen Ausgangssignals OUT aus den Ausgangssignalen der Eingangszweige.

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkstation und ein Verfahren zum Empfang von Funksignalen.

In Mobilfunksystemen wie beispielsweise dem GSM oder dem zu­ künftigen System der sogenannten dritten Gerenation (UTRA, CDMA2000, etc.) werden zur Verbesserung der Empfangsqualität oftmals mehr als eine Empfangsantenne eingesetzt. Dies wird als "Receiver Diversity" bezeichnet. Jede der Empfangsanten­ nen ist mit einem Eingangszweig verbunden. Die Eingangszweige erzeugen Ausgangssignale im Basisband, die anschließend nach dem Prinzip des "Diversity Combinings" miteinander kombiniert werden, um ein gemeinsames Ausgangssignal zu bilden. Aufgrund der unterschiedlichen Positionen der Empfangsantennen sind die von ihnen empfangenen Signale aufgrund ihrer unterschied­ lichen Ausbreitungswege in unterschiedlichem Masse einem Fa­ ding unterworfen. Durch die Kombination der Ausgangssignale der mit den unterschiedlichen Antennen verbundenen Eingangs­ zweige wird daher im Mittel eine Verbesserung der Empfangs­ qualität gegenüber der Verwendung einer einzelnen Empfangsan­ tenne erreicht.

Es gibt Situationen, in denen aufgrund geringen zur Verfügun­ ge stehenden Platzes, aufgrund behördlicher Vorschriften oder aus Kostengründen lediglich eine Empfangsantenne an der Funk­ station vorgesehen werden kann. Der Erfindung liegt die Auf­ gabe zu Grunde, eine Funktstation und ein entsprechendes Ver­ fahren zum Empfang von Funksignalen anzugeben, deren Emp­ fangsqualität auch bei Verwendung lediglich einer Empfangsan­ tenne gegenüber herkömmlichen Funkstationen verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch die Funkstation und das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhän­ gigen Ansprüche.

Eine Funkstation weist eine Antenne zum Empfang von Funksig­ nalen sowie wenigstens zwei Eingangszweige auf, die jeweils wenigstens eine gleichartige Signalverarbeitungs-Komponente beinhalten und jeweils eingangsseitig mit der Antenne verbun­ den sind. Eine Kombinationseinheit, die eingangsseitig mit Ausgängen der Eingangszweige verbunden ist, dient zur Erzeu­ gung eines kombinierten bzw. gemeinsamen Ausgangssignals aus den Ausgangssignalen der Eingangszweige. Die Kombinationsein­ heit führt beispielsweise ein Diversity Combining durch, zum Beispiel ein Maximum Ratio Combining.

Die Erfindung ermöglicht auch bei Nutzung lediglich einer einzelnen Empfangsantenne die Verbesserung der Empfangsquali­ tät. Die Erfinder haben nämlich festgestellt, daß gleicharti­ ge Signalverarbeitungskomponenten sich in aller Regel durch ihr Rauschen unterscheiden. Daher kommt es bei der erfin­ dungsgemäßen Funkstation in den unterschiedlichen Eingangs­ zweigen trotz der übereinstimmenden Eingangssignale zu einer "Rauschdiversität". Wichtig ist, dass die gleichartigen Rauschquellen bezüglich ihres Rauschens möglichst unkorre­ liert sind. Dies trifft für die meisten Signalverarbeitungs­ komponenten wie Verstärker usw. zu. Daher können die Aus­ gangssignale in günstiger Weise zu einem gemeinsamen Aus­ gangssignal kombiniert werden, was vorteilhafter Weise nach dem Prinzip des Maximum Ratio Combinings geschieht. Dieses Prinzip wird bislang zum Beispiel bereits bei Antennendiver­ sität (Receiver Diversity) angewendet.

Das Diversity Combining kann beispielsweise während einer Entzerrung der Empfangssignale, also gleichzeitig mit der Entzerrung, erfolgen (Möglichkeit 1). Es kann aber auch zu­ nächst jeweils eine Entzerrung der Ausgangssignale jedes Ein­ gangszweiges erfolgen und anschließend erst ein Diversity Combining anhand der entzerrten Ausgangssignale (Möglichkeit 2). Alternativ kann erst eine Kombination der Ausgangssignale der Eingangszweige erfolgen und anschließend eine Entzerrung des kombinierten Ausgangssignals (Möglichkeit 3).

Bei Möglichkeit 1 kann z. B. ein gemeinsamer Viterbi-Entzerrer für die Ausgangssignale beider Eingangszweige verwendet wer­ den, der ein "Metric Combining" durchführt und dabei seine beiden Eingangssignale während der Entzerrung kombiniert.

Bei Möglichkeit 2 kann jeder Eingangszweig z. B. einen Viter­ bi-Entzerrer aufweisen, der jeweils die Wahrscheinlichkeit für den Wert des jeweils zu decodierenden Symbols ermittelt. Die Kombinationseinheit addiert dann die Wahrscheinlichkeiten für die unterschiedlichen Werte der Symbole der beiden Ein­ gangszweige und führt dieses gemeinsame Ausgangssignal einem Kanaldecoder zu, der auf Grund der Summen der ermittelten Symbolwahrscheinlichkeiten einen Wert für das Symbol auswählt (ein solcher Kanaldecoder ist natürlich bei den Möglichkeiten 1 und 3 der Kombinationseinheit und dem Entzerrer bzw. den Entzerrern ebenfalls nachgeschaltet).

Bei Möglichkeit 3 kann vorteilhafter Weise ein phasenrichti­ ges und amplitudenrichtiges Addieren der beiden Eingangssig­ nale vor der Entzerrung vorgenommen werden. Dies erfolgt durch eine Gewichtung der Eingangssignale mit komplexwertigen Faktoren. Die komplexwertigen Faktoren werden kontinuierlich in Abhängigkeit des ermittelten Signal-zu-Rausch- Verhältnisses aktualisiert.

Als Entzerrer kommen außer Viterbi-Entzerrern beispielsweise auch Decision Feedback Equalizer oder auch Maximum A Posteri­ ori Decoder in Frage.

Vorteilhafter Weise führt die Kombinationseinheit bei der Er­ zeugung des gemeinsamen Ausgangssignals aus den Ausgangssig­ nalen der Eingangszweige eine Phasenkorrektur wenigstens ei­ nes dieser Ausgangssignale durch. Hierdurch werden die Aus­ gangssignale in ihrer Phasenlage angeglichen und möglichst in phasenmäßige Übereinstimmung gebracht. Die Kombination der Ausgangssignale kann dann phasenrichtig erfolgen. Hierdurch wird eine größtmögliche Effektivität des Kombinationsprozes­ ses erzielt.

Die Korrektur der Phasenlage erfolgt bei Möglichkeit 1 und Möglichkeit 2 durch den beziehungsweise die Entzerrer, die in diesen Fällen als Bestandteile der Kombinationseinheit aufge­ fasst werden können.

Günstigerweise ist die Empfangsantenne über einen Verstärker mit den Eingängen beider Eingangszweige verbunden. Das Emp­ fangssignal gelangt dann bereits vorverstärkt in die unter­ schiedlichen Eingangszweige. Ohne diese Vorverstärkung be­ steht die Gefahr, daß die Leistung des Eingangssignals zu ge­ ring ist, um eine Aufteilung der Leistung auf die verschiede­ nen Eingangszweige zu erlauben.

Die gleichartigen Signalverarbeitungskomponenten in jedem Eingangszweig, der mit der Antenne verbunden ist, sind vor­ zugsweise Verstärker. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß das Rauschen von gleichartigen Verstärkern sich in besonders starker Weise voneinander unterscheidet. Zusätzliche oder al­ ternative gleichartige Signalverarbeitungskomponenten können aber auch Filter, Mischer zum Ändern der Frequenzlage des empfangenen Signals oder A/D-Wandler sein. Im zuletzt genann­ ten Fall ist es besonders günstig, wenn die A/D-Wandler mit zeitversetzten Abtastzeitpunkten arbeiten. Ihre Ausgangssig­ nale weisen dann noch größere Unterschiede auf, die neben dem unterschiedlichen Rauschen der Komponenten zusätzlich noch durch den Abtastzeitpunkt bedingt sind. Insbesondere im letztgenannten Fall ist es wichtig, dass die Kombination der Ausgangssignale der Eingangszweige phasenrichtig erfolgt. Es ist daher günstig, vor der Kombination die oben beschriebene Phasenkorrektur durchzuführen.

Da das Rauschen der gleichartigen Signalverarbeitungskompo­ nenten in den unterschiedlichen Eingangszweigen unkorreliert ist, wird durch individuelle Entzerrung durch die Entzerre­ reinheit und die Erzeugung des gemeinsamen Ausgangssignals durch die Kombinationseinheit eine Verbesserung der Empfangs­ qualität im Vergleich zu lediglich einem Eingangszweig er­ reicht ("Rauschdiversität").

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 und 2 unterschiedliche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Funkstation.

Die Funkstation in Fig. 1 weist eine einzelne Empfangsanten­ ne A auf, die über einen Vorverstärker PAMP mit einem Koppler PS in Form eines Powersplitters verbunden ist. Der Koppler PS verteilt die Leistung des vorverstärkten Eingangssignals gleichmäßig auf die zwei Eingangszweige, die jeweils gleich­ artige Signalverarbeitungskomponenten aufweisen. Bei diesen Signalverarbeitungskomponenten handelt es sich um jeweils ei­ ne Verstärker AMP, einen Filter F, einen Mischer M, durch den das verstärkte und gefilterte Eingangssignal vom Trägerband in das Basisband versetzt wird, und einen A/D-Wandler A/D. Die A/D-Wandler tasten das im Basisband befindliche Empfangs­ signal mit einer Abtastfrequenz F_S ab. Günstigerweise, jedoch für die Erfindung nicht unbedingt Voraussetzung, arbeiten die A/D-Wandler zwar mit derselben Abtastfrequenz F_S, jedoch mit unterschiedlichen Abtastzeitpunkten t, t + T_S/2. Dabei ist T_S die Abtastperiode. Die Abtastzeitpunkte der beiden A/D- Wandler sind also um die halbe Abtastperiode gegeneinander verschoben. Die Abtastzeitpunkte können bei anderen Ausfüh­ rungsbeispielen der Erfindung auch um einen anderen Wert ge­ geneinander verschoben sein. Wählt man die Verschiebung je­ doch, wie im vorliegenden Fall, gleich der halben Abtastperi­ ode, ergeben sich hierdurch die größtmöglichen Unterschiede in den Ausgangssignalen der soeben beschriebenen Eingangs­ zweige. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich der angestrebten Verbesserung der Empfangsqualität. Durch Verwendung gleichar­ tiger Entzerrer wird die Phasenlage der beiden Ausgangssigna­ le der Eingangszweige in Übereinstimmung gebracht.

Die beiden soeben beschriebenen Eingangszweige sind ausgangs­ seitig mit jeweils einem Viterbi-Entzerrer EQ verbunden. Die Entzerrer EQ sind individuell an den jeweiligen Eingangszweig angepaßt. Trotz der gemeinsamen Empfangsantenne A und der daraus resultierenden übereinstimmenden Eingangssignale für beide Eingangszweige sind die Ausgangssignale der Eingangs­ zweige nämlich aufgrund des unterschiedlichen Rauschens der jeweils gleichartigen Signalverarbeitungskomponenten Verstär­ ker AMP, Filter F, Mischer M sowie A/D-Wandler A/D in unter­ schiedlicher Weise verzerrt.

Die Ausgangssignale der Entzerrer EQ werden einer Kombinati­ onseinheit COMB in Form eines Maximum Ratio Combiners zuge­ führt, der aus diesen ein kombiniertes bzw. gemeinsames Aus­ gangssignal OUT erzeugt. Das Ausgangssignal OUT wird einem Kanaldecodierer DEC zugeführt, der eine Kanaldecodierung vor­ nimmt.

In einer Abwandlung von Fig. 1 kann bei anderen erfindungs­ gemäßen Funkstationen eine abweichende Anzahl von gleicharti­ gen Signalverarbeitungskomponenten in den Eingangszweigen vorgesehen sein. Eine derartige Abwandlung zeigt Fig. 2, in der gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 auch gleichartige Komponenten bezeichnen. Dort sind zwischen dem Vorverstärker PAMP und dem Koppler PS ein gemeinsames Filter F und ein ge­ meinsamer Mischer M zum Versetzen des Empfangssignals in das Basisband vorgesehen. Als gleichartige Signalverarbeitungs­ komponenten weisen die beiden Empfangszweige nach dem Koppler PS bei diesem Ausführungsbeispiel lediglich jeweils einen Verstärker AMP sowie jeweils einen A/D-Wandler A/D auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen wäre es möglich, auch den Ver­ stärker AMP im Eingangssignalpfad vor den Koppler PS zu ver­ schieben und als gemeinsames Signalverarbeitungskomponenten in den Eingangszweigen lediglich die A/D-Wandler A/D vorzuse­ hen. Allerdings hat sich herausgestellt, daß sich die besten Qualitätsverbesserungen erreichen lassen, wenn zumindest auch separate Verstärker AMP in den Eingangszweigen vorhanden sind, denn deren Rauschen unterscheidet sich in aller Regel in besonders starkem Maße.

Wie im unteren Teil der Fig. 2 dargestellt, können Entzer­ rung und Kombinieren auch gleichzeitig durch einen einzelnen Entzerrer erfolgen, der auch das Diversity Combining durch­ führt, anstelle einer sequentiellen Entzerrung und Kombinati­ on, wie in Fig. 1. In Fig. 2 werden die Ausgangssignale der Eingangszweige direkt einer Kombinationseinheit zugeführt, die auch eine Entzerrung des von der Antenne empfangenen Sig­ nals vornimmt. Diese Kombinationseinheit kann beispielsweise als Viterbi-Entzerrer realisiert sein, der ein Metric Combi­ ning durchführt. Eine weitere alternative Ausführungsform sieht vor, zunächst die Ausgangssignale der Eingangszweige zu kombinieren und anschließend das kombinierte Signal einer Entzerrung zu unterziehen.

Zwar wurde bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ledig­ lich auf die Funktion der Antenne A als Empfangsantenne ein­ gegangen. Selbstverständlich ist es jedoch möglich, daß die Antenne A gleichzeitig als Sendeantenne benutzt wird, wofür natürlich weitere Komponenten notwendig sind, die dem Fach­ mann bekannt sind und auf die hier nicht weiter eingegangen werden muß.

Weiterhin ist es möglich, daß die erfindungsgemäße Funkstati­ on mehr als die lediglich zwei in den anhand von Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen beschriebenen Funksta­ tionen enthaltenen Eingangszweige mit gleichartigen Signal­ verarbeitungskomponenten aufweist. In Fig. 1 ist dies ange­ deutet. Die gestrichelten Pfeile entsprechen weiteren Emp­ fangszweigen, die parallel zu den beiden dargestellten Emp­ fangszweigen vorgesehen werden können. Auch diese Empfangs­ zweige weisen gleichartige Signalverarbeitungskomponenten wie die in Fig. 1 explizit dargestellten Eingangszweige auf. Ih­ re Ausgangssignale werden ebenfalls (ggf. nach vorheriger Entzerrung, Fig. 1) der Kombinationseinheit COMB zugeführt. Es läßt sich hierdurch eine weitere Verbesserung der Emp­ fangsqualität erreichen, jedoch um den Preis zusätzlichen Bauteileaufwands.

Obwohl die Erfindung eine Verbesserung der Empfangsqualität unter Verwendung lediglich einer einzelnen Empfangsantenne ermöglicht, ist es selbstverständlich auch möglich ihre Vor­ teile mit den Vorteilen einer Empfangsdiversität (Receiver Diversity) zu kombinieren. Es sind dann mehr als eine Emp­ fangsantenne A vorzusehen, die jeweils mit Eingangszweigen der anhand der Fig. 1 und 2 erläuterten Art verbunden sind, wobei die Ausgangssignale all dieser Eingangszweige der Kombinationseinheit COMB zugeführt werden, wobei die Kombina­ tionseinheit auch mehrstufig aufgebaut sein kann.

Die anhand der Ausführungsbeispiele erläuterten Funkstationen können beispielsweise Stationen eines beliebigen Mobilfunk­ systems sein. Die Anwendung der Erfindung eignet sich dabei sowohl zum Einsatz in Basisstationen als auch in Teilnehmer­ stationen. Allerdings eignet sich die Anwendung der Erfindung auch zum Einsatz in beliebigen anderen Funksystemen, wie bei­ spielsweise beim Richtfunk.

Eine Verbesserung des Rauschabstandes durch Hinzufügen eines weiteren mit derselben Empfangsantenne verbundenen Eingangs­ zweigs ist immer dann möglich, wenn nach einer ersten Ver­ stärkerstufe verschiedene Rauschquellen dem System unkore­ liertes Rauschen hinzufügen. Der Effekt ist umso stärker, je größer der Rauschbeitrag der beiden Eingangszweige ist. Im Falle einer Mobilfunk-Basisstation kann die Reichweite und somit die Ausdehnung der von ihr versorgten Funkzelle hier­ durch vergrößert werden. Alternativ steigt bei Beibehaltung der gleichen Funkzellengröße die Empfangsqualität.

In den meisten Anwendungsfällen wird beispielsweise eine GSM- Basisstation mit zwei Empfangsantennen betrieben, so daß in vielen Fällen die Basisstation grundsätzlich mit zwei separa­ ten Empfangs- beziehungsweise Eingangszweigen ausgestattet wird. Soll bzw. darf eine solche Basisstation nur mit einer Antenne betrieben werden, wurde bislang lediglich einer der vorhandenen Empfangszweige genutzt, während der andere still­ gelegt wurde. Durch die Erfindung ist es nun vorteilhaft mög­ lich, bei der Montage die beiden in der Basisstation als Bau­ gruppen vorhandenen Eingangszweige im Falle von zwei montier­ ten Empfangsantennen (Receiver Diversity) mit jeweils unter­ schiedlichen Empfangsantennen zu verbinden, oder, im Falle von lediglich einer montierten Empfangsantenne A (keine Re­ ceiver Diversity) diese über einen Koppler PS gleichzeitig mit beiden Eingangszweigen zu verbinden (Rauschdiversität), wie dies in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist. Auf diese Weise werden die Signalverarbeitungskomponenten beider Ein­ gangszweige sowohl bei der Receiver Diversity (mehrere Emp­ fangsantennen) als auch ohne Nutzung von Receiver Diversity (lediglich ein Empfangsantenne) genutzt, wobei im letztge­ nannten Fall eine Verbesserung der Empfangsqualität im Ver­ gleich zur Stillegung des zweiten Empfangszweiges erreicht wird.

Claims (11)

1. Funkstation
mit einer Antenne (A) zum Empfang von Funksignalen,
mit wenigstens zwei Eingangszweigen, die jeweils wenigs­ tens eine gleichartige Signalverarbeitungskomponente (AMP, F, M, A/D) beinhalten und die jeweils eingangsseitig mit der Antenne verbunden sind,
und mit einer Kombinationseinheit (COMB), die eingangssei­ tig mit Ausgängen der Eingangszweige verbunden ist, zur Erzeugung eines gemeinsamen Ausgangssignals (OUT) aus den Ausgangssignalen der Eingangszweige.

2. Funkstation nach Anspruch 1, deren Kombinationseinheit bei der Erzeugung des gemeinsamen Ausgangssignals eine Phasenkorrektur wenigstens eines der Ausgangssignale der Eingangszweige vornimmt.

3. Funkstation nach Anspruch 1 oder 2, deren Antenne (A) über einen Verstärker (PAMP) mit den Ein­ gängen beider Eingangszweige verbunden ist.

4. Funkstation nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine der Signalverarbeitungskomponenten jedes Ein­ gangszweigs ein A/D-Wandler (A/D) ist.

5. Funkstation nach Anspruch 4, deren A/D-Wandler mit zeitversetzten Abtastzeitpunkten (t, t + T_S/2) arbeiten.

6. Funkstation nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine der Signalverarbeitungskomponenten jedes Ein­ gangszweigs ein Verstärker (AMP) ist.

7. Funkstation nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine der Signalverarbeitungskomponenten jedes Ein­ gangszweigs ein Filter (F) ist.

8. Funkstation nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine der Signalverarbeitungskomponenten jedes Ein­ gangszweigs ein Mischer (M) zum Ändern der Frequenzlage des empfangenen Signals ist.

9. Funkstation nach einem der vorstehenden Ansprüche, deren Kombinationseinheit (COMB) nach dem Prinzip des Diver­ sity Combinings arbeitet.

10. Funkstation nach einem der vorstehenden Ansprüche, deren Kombinationseinheit (COMB) eine Entzerrung der empfan­ genen Funksignale vornimmt.

11. Verfahren zum Empfang von Funksignalen, bei dem

• - ein Funksignal über eine Antenne empfangen wird,
• - das empfangene Signal zwei Eingangszweigen mit jeweils we­ nigstens einer gleichartigen Signalverarbeitungskomponente zugeführt wird,
• - Ausgangssignale der Eingangszweige zu einem gemeinsamen Ausgangssignal kombiniert werden.