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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Signalstärke am Eingang eines
Tuners sowie einen Tuner mit einem Phasenregelkreis zur selektiven Verstärkung und
Mischung mindestens eines Frequenzbandes aus einem Eingangssignal.
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Tuner dienen zum Beispiel bei einem Fernseh- oder Radioempfänger dazu, aus den von
einer Antenne aufgenommenen Empfangssignalen ein oder mehrere Frequenzbänder
("Kanäle") herauszufiltern, zu verstärken und gegebenenfalls in eine Zwischenfrequenz
umzusetzen. Die Frequenz der Eingangssignale liegt dabei typischerweise im Bereich
zwischen fünfzig und eintausend MHz.
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Zur optimalen Einstellung des Tuners ist es wichtig, die Signalstärke des
herauszufilternden Eingangssignals möglichst genau zu kennen. Diese Signalstärke kann auf Grund
schwankender Empfangsverhältnisse (Feldstärken) zeitlich variieren. Die Bestimmung der
Signalstärke wird dadurch erschwert, dass die Verstärkungskennlinie des Tuner von der
Frequenz des verstärkten Signals abhängt. Weiterhin weisen viele Tuner eine
rückgekoppelte Verstärkungsregelung auf, bei welcher ein Regelsignal für eine automatische
Verstärkungsreduktion sorgt, um Übersteuerungen zu verhindern und um das Ausgangssignal des
Tuners möglichst nahe bei einem optimalen Wert zu halten. Auch die Kennlinien dieser
Verstärkungsregelungen sind von der Frequenz des verstärkten Eingangssignals abhängig.
Die herkömmliche Ermittlung der Eingangssignalstärke aus dem Ausgangssignal des
Tuners ist daher in der Regel mit einer erheblichen Ungenauigkeit behaftet.
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Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
einen zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Tuner bereitzustellen, mit denen
eine präzisere Berechnung der Signalstärke am Eingang des Tuners möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch
einen Tuner mit Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in
den Unteransprüchen enthalten.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Signalstärke am Eingang
eines Tuners wird zunächst die Verstärkungskennlinie des Tuners in Abhängigkeit von der
Frequenz des Eingangssignals gemessen und gespeichert. Die Verstärkungskennlinie gibt
dabei das Verhältnis zwischen der Größe des Ausgangssignals zur Größe des
Eingangssignals des Tuners bei einer bestimmten Frequenz des Eingangssignals wieder. Auf Grund
bautechnischer Schwankungen kann diese Verstärkungslinie von Tuner zu Tuner variieren.
Die Auflösung, mit welcher die Verstärkungskennlinie gespeichert wird, richtet sich nach
der Größe des hierfür bereitgestellten Speicherplatzes sowie der gewünschten Genauigkeit.
Die gespeicherte Kennlinie wird dann während des Betriebs des Tuners dazu verwendet,
um aus dem Ausgangssignal des Tuners die Signalstärke am Eingang des Tuners zu
berechnen. Bei dieser Berechnung kann daher die frequenzabhängige Variation der
Verstärkung berücksichtigt und weitmöglichst kompensiert werden, sodass sich eine erheblich
genauere Abschätzung der Eingangssignalstärke ergibt.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Verstärkung des Tuners vermöge
mindestens eines Regelsignals automatisch reduziert, um eine Übersteuerung zu
verhindern und um eine vorgegebene Signalstärke am Ausgang des Tuners zu erhalten. Durch
diese Regelung der Verstärkung des Tuners wird sichergestellt, dass dieser möglichst in
seinem optimalen Bereich betrieben wird.
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Die Verstärkung des Tuners wird dabei vorzugsweise in mindestens zwei verschiedenen
Frequenzbereichen, in die ein Eingangssignal nacheinander umgewandelt wird,
automatisch reduziert. Das heißt, dass eine erste Verstärkungsreduktion am Eingangssignal selbst
und eine zweite Verstärkungsreduktion am daraus erhaltenen Signal mit einer
Zwischenfrequenz vorgenommen wird (sogenannte "double conversion").
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Ein Verfahren mit mindestens einer automatischen Verstärkungsreduktion wird
vorzugsweise dahingehend weiterentwickelt, dass die Kennlinie der automatischen
Verstärkungsreduktion in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals und dem Regelsignal,
über welches die Verstärkungsreduktion angesteuert wird, gemessen und gespeichert wird.
Bei mehreren Verstärkungsreduktionen können entsprechend mehrere Kennlinien
gemessen und gespeichert werden. Anschließend können im Betrieb des Tuners die
gespeicherten Kennlinien der Verstärkungsreduktionen verwendet werden, um aus dem
Ausgangssignal des Tuners die Signalstärke am Eingang des Tuners zu berechnen. Auf diese
Weise lassen sich die weiteren frequenzabhängigen Variationen im Verstärkungsverhalten
des Tuners erfassen und kompensieren.
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Darüber hinaus können weitere Kenngrößen des Tuners wie insbesondere eine
Identifikation des Gerätes sowie optimale Parametereinstellungen gespeichert und während des
Betriebs des Tuners zu Optimierungszwecken verwendet werden. Die Speicherung dieser
Größen kann in dem für die Speicherung der Kennlinien bereitgestellten Speicher
stattfinden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Tuner mit einem Phasenregelkreis zur selektivem
Verstärkung und Mischung mindestens eines Frequenzbandes aus einem Eingangssignal.
Der Tuner enthält weiterhin eine Speichereinheit und eine damit gekoppelte
Signalverarbeitungseinheit, wobei die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, ein Verfahren
der oben erläuterten Art durchzuführen. Das heißt, dass die Signalverarbeitungseinheit mit
Hilfe von in der Speichereinheit abgelegten Kennlinien aus dem Ausgangssignal des
Tuners die Signalstärke am Eingang des Tuners berechnen kann. Ein derartiger, um eine
Speichereinheit ergänzter Tuner erlaubt eine wesentlich genauere Bestimmung der
Signalstärken am Eingang.
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Die verwendete Speichereinheit kann insbesondere durch einen nichtflüchtigen Speicher
(ROM, PROM, EPROM, EEPROM etc.) verwirklicht werden. Dies erlaubt es, bei der
Herstellung des Tuners die erforderlichen Kennlinien einmal zu messen und mit
geeigneter Auflösung im Speicher abzulegen, wo sie dann für die restliche Lebensdauer des
Tuners zur weiteren Verwendung erhalten bleiben.
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Vorzugsweise ist der Tuner an eine Sende- und Empfangsantenne angeschlossen. Eine
solche Konfiguration liegt zum Beispiel bei sogenannten Set-top Boxen vor, welche einen
interaktiven Fernseh- bzw. Rundfunkempfang ermöglichen, bei dem der Benutzer Signale
an den Programmsender zurücksenden kann.
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Der Tuner kann ferner so ausgestaltet sein, dass er eine oder zwei
Frequenzkonversionsstufen enthält. Bei Frequenzkonversionsstufen wird das Eingangssignal zunächst in eine
erste Zwischenfrequenz umgewandelt, welche anschließend in eine zweite
Zwischenfrequenz transformiert wird.
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Vorzugsweise ist der Tuner für die Verarbeitung von analogen oder von digitalen
Fernsehsignalen eingerichtet.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigt:
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Fig. 1 schematisch einen Tuner mit einer einzigen Konversionsstufe;
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Fig. 2 schematisch einen Tuner mit zwei Konversionsstufen;
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Fig. 3 die Gesamtverstärkung des Tuners in Abhängigkeit von der Frequenz des
Eingangssignals;
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Fig. 4 die Abhängigkeit der Verstärkungsreduktion von der Größe des Regelsignals für
verschiedene Frequenzen;
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Fig. 5 die Anordnung integrierter Schaltkreise für einen erfindungsgemäßen Tuner;
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Fig. 6 eine alternative Anordnung integrierter Schaltkreise für einen erfindungsgemäßen
Tuner;
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Fig. 7 das Ergebnis einer erfindungsgemäßen Berücksichtigung von
Verstärkungskennlinien.
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In den Fig. 1 und 2 sind Tuner 1a bzw. 1b dargestellt, wie sie für Set-top Boxen
verwendet werden können. Das von einer Antenne 2 kommende Eingangssignal 18 wird bei
dem Tuner 1a aus Fig. 1 zunächst in einem Phasenregelkreis 3 (PLL) in verschiedenen
Frequenzbändern selektiv verstärkt und anschließend in eine Zwischenfrequenz
umgewandelt. Dabei durchläuft das Eingangssignal 18 einen Hochpassfilter 9 und anschließend
parallel drei Zweige mit drei vom Empfangskanal abhängigen Frequenzbereichen, wobei
die Zweige jeweils einen ersten Bandpassfilter 10, einen regelbaren Verstärker 11, einen
zweiten Bandpassfilter 12, und einen Mischer 13 aufweisen.
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Die umgewandelten Eingangssignale durchlaufen anschließend einen dritten
Bandpassfilter 14, einen Verstärker 15, einen vierten Filter 16 (typischerweise ein SAW oder
Oberflächenwellenfilter) sowie einen regelbaren Verstärker 17. Das hieraus erhaltene
Ausgangssignal 19 wird dann an einen Zwischenfrequenzprozessor 4 weitergeleitet. Der
Zwischenfrequenzprozessor 4 nimmt an zwei Stellen Einfluss auf die Verstärkung des
Phasenregelkreises 3. Zum einen geschieht dies über ein Regelsignal 8 an die Verstärker 11 ("Tuner-
AGC"), zum anderen über ein Zwischenfrequenz-Regelsignal 7 an den Verstärker 17
("Zwischenfrequenz-AGC"). Das Regelsignal 7 arbeitet dabei in einem Bereich geringer
Signalstärken, bis das Niveau der Zwischenfrequenz eine bestimmte Schwelle (Tuner-TOP
der Tuner-AGC: Take Over Point) erreicht. Jenseits dieser Schwelle tritt das Regelsignal 8
in Aktion.
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Ferner ist ein Mikroprozessor 6 mit einem Speicher vorhanden, der über Datenleitungen
20 sowohl mit dem Phasenregelkreis 3 als auch mit dem Zwischenfrequenz-Prozessor 4
verbunden ist und in der unten erläuterten Weise hierauf Einfluss nimmt.
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Über einen Rücksendekanal 5 kann der Benutzer über die Antenne 2 Signale aussenden,
um zum Beispiel bei einer Set-top Box Programminhalte auszuwählen und den
Programmanbieter über die Signalstärke zu informieren.
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Der in Fig. 2 dargestellte Tuner 16 unterscheidet sich von dem aus Fig. 1 (mit einer
einfachen Konversion) dadurch, dass das Eingangssignal 18 einer doppelten Konversion
(Frequenzumwandlung) unterworfen wird. Zu diesem Zweck durchläuft das
Eingangssignal der Reihe nach einen Tiefpassfilter 9, einen Verstärker 21, einen ersten Mischer 22,
einen ersten Bandpass 23, einen zweiten Mischer 24, einen Verstärker 15, einen zweiten
Bandpass 16 sowie einen regelbaren Verstärker 17. Die beiden Mischer 22 und 24 werden
von einem dualen Phasenregelkreis 25 angesteuert.
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Set-top Box Anwendungen mit in beiden Richtungen verlaufenden Kabelsignalen
erfordern eine präzise Identifikation der Signalstärken. Die Antennenniveaus können dabei
zwischen 50 dBµV und 75 dBµV oder in Kabelsystemen sogar jenseits dieser spezifizierten
Niveaus variieren.
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Der Tuner 1a bzw. 1b selektiert, verstärkt und konvertiert einen Kanal auf eine
Zwischenfrequenz (ZF). Der konvertierte ZF-Kanal wird dann weiterverstärkt und von einem
analogen Signal in ein digitales Signal umgewandelt (ADC). In analogen TV-Systemen muss
der ZF-Kanal ausreichend verstärkt werden, bevor eine Demodulation stattfindet.
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Um eine Überlastung zu vermeiden, wird im Tuner 1a, 1b eine automatische
Verstärkungsregelung (AGC) verwendet. Die Verstärkung, die Filterung und die AGC-
Charakteristik hängen von der Radiofrequenz (RF) des Eingangssignals ab. Für digitale
Empfangs-Tuner werden die einfache und die doppelte Frequenzkonversion verwendet.
Eine wie in Fig. 1 dargestellte einfache Konversion zeigt eine sehr viel höhere Variation
in den Verstärkungs- und Filtercharakteristiken verglichen mit Tunern mit doppelter
Konversion (Fig. 2). Die Variation in der Verstärkung als Funktion der empfangenen
Frequenz führt zu einer Ungenauigkeit in der Identifikation der Signalstärke an der
Antenne 2.
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Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem sowohl für einen Tuner mit einfacher als
auch mit zweistufiger Konversion, wobei insbesondere für Tuner mit einstufiger
Konversion diese Lösung zur Erfüllung entsprechender Qualitätsanforderungen benötigt wird.
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Die Lösung besteht darin, relevante Daten in einem Speicher beim Tuner zu speichern,
wobei die Daten Charakteristiken der Verstärkung als Funktion der Frequenz und des
Antennenniveaus und der AGC-Charakteristik enthalten. Diese Daten können während
Anpassungen und Messungen im Produktionsprozess ohne zusätzliche Ausrüstungen oder
eine erhöhte Bearbeitungszeit gewonnen werden.
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Außer mit den Daten für eine präzise Signalstärkendetektion kann der Speicher auch mit
beliebigen anderen Daten programmiert werden, welche einen verbesserten Betrieb und
optimale Einstellungen in Abhängigkeit vom Kanal erlauben. Hierzu gehören zum Beispiel
Einstellungen der Ladungspumpen im Phasenregelkreis, welche auf die Steigung (tuning
slope) des Tuners bezogen sind, oder tilt-Korrekturen. Auch für analoge Anwendungen
kann eine derartige Option verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern
oder um zusätzliche Merkmale zu erzeugen.
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Für einen Satellitenreceiver kann eine Anzeige der Signalstärke verwendet werden, um die
Schüssel auszurichten. Eine präzise Signalstärkenanzeige ist ferner eine gute Basis für einen
mobilen Empfang, wobei die Antennen-Diversity durch die Antennenniveaus kontrolliert
wird.
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Die Verstärkung des Tuners ist maximal, bis ein bestimmtes Niveau erreicht wird. Dieses
Niveau am Zwischenfrequenzausgang 19 des Tuners wird TOP-Niveau genannt (Take
Over Point). Das TOP-Niveau kann manuell angepasst oder programmiert werden. Wenn
bei dem Tuner 1a bzw. 1b das verstärkte und umgewandelte Niveau jenseits des
programmierten TOP-Niveaus liegt, dann wird die AGC-Spannung 7 bzw. 8 verringert, bis das
TOP-Niveau erreicht wird. Das Antennenniveau, bei welchem die Verstärkung
kontrolliert wird, liegt bei: 105 dBµV (TOP)-45 dBµV (typische Verstärkung) = 60 dBµV. Die
AGC-Spannung steuert die Verstärkung des Tuners, um ein konstantes Zwischenfrequenz-
Ausgangsniveau (TOP) zu erreichen. Durch Charakterisierung der AGC-Spannung
gegenüber der Verstärkungsreduktion kann das Antennenniveau bestimmt werden.
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Die Verstärkung und die Verstärkungsreduktion werden während des
Herstellungsprozesses des Tuners festgestellt und im Speicher an einer frequenzbezogenen Adresse
gespeichert. Die Verstärkungsdaten werden dabei vorzugsweise in Abständen von 8 MHz
bestimmt. Die Verstärkungsreduktions-Kennlinien benötigen eine Lookup-Tabelle für ein
tiefes Band (48-160 MHz), zwei für das mittlere Band (160-450 MHz) und vier für das
hochgelegene Band (450-850 MHz).
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Für Signale unterhalb des AGC-Startniveaus (60 dBµV) ist es erforderlich, das
Zwischenfrequenzniveau im Zwischenfrequenzverstärker zu bestimmen. In diesem Abschnitt wird
eine ähnliche Verstärkungsregelung verwendet. Die Zwischenfrequenz wird mit einer
maximalen Verstärkung verstärkt, bis die Zwischenfrequenz-TOP erreicht ist. Die
Zwischenfrequenz-TOP wird etwa bei 30 dBµV Antennenniveau erreicht. Daher ist
jenseits dieses Niveaus eine Anzeige des Antennenniveaus möglich. Die Kennlinie der
Zwischenfrequenzverstärkungsreduktion ist für alle Kanäle dieselbe, sodass eine Lookup-
Tabelle ausreichend ist.
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Die Bestimmung des Niveaus erfordert genaue Daten, um die Niveauanzeige mit einer
Genauigkeit innerhalb 2 dBµV zu erhalten:
- - Verstärkungskennlinien für jeden Kanal
- - AGC-Kennlinien für jeden Kanal
- - Tuner-TOP-Niveau
- - Zwischenfrequenz-TOP-Niveau
- - Zwischenfrequenz-AGC-Kennlinie.
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In Fig. 3 ist die Verstärkung (in dB) als Funktion der Radiofrequenz (in MHz) des
Eingangssignals 18 dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die maximale Verstärkungsvariation
5 dB beträgt. Um eine Genauigkeit von 1 dB zu erhalten, ist es erforderlich, die
Verstärkung mit einer Genauigkeit von mindestens 0,5 dB zu kennen.
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Bei dem Abschlusstest in der Tunerherstellung werden alle Kanäle des Tuners
überstrichen. Dabei kann die Verstärkung in Daten übersetzt und im Speicher gespeichert
werden, wobei die Adresse im Speicher in Beziehung zur Frequenz steht. Die Verstärkung
wird zwischen 48,25 MHz bis 855,25 MHz mit einer Schrittgröße von 8 MHz gemessen.
In Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit kann die Anzahl der verwendeten Bits
im Speicher definiert werden. Zum Beispiel kann die Verstärkung in 256 Schritten (8 Bit)
in einem Bereich von 20 dB (LSB 0,078125 dB) zwischen 38 und 58 dB ausgedrückt
werden. Das heißt, dass 45 dB als (45-38)/0.078125 = 89 gespeichert wird.
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Somit sind für jede Frequenz zwei Byte an Daten verfügbar. Das erste Byte steht für den
Gain, das zweite Byte mit 3 Bit für die AGC-Referenzkurve und mit 5 Bit für die
Abstimmungssteigung (tuning slope). In Fig. 7 wird die unkorrigierte Verstärkung V mit
der korrigierten Verstärkung V korr verglichen. Die Verwendung von 8 Bit zeigt dabei
eine hervorragende Genauigkeit für die Verstärkung.
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In Fig. 4 sind die AGC-Kennlinien für einige Frequenzen aufgetragen. Jede einzelne
Kennlinie gibt die Abhängigkeit zwischen der Regelspannung 8 (Vagc) und der hierdurch
verursachten Verstärkungsreduktion (gain reduction) wieder. Aus den Kurven ist
ersichtlich, dass bei einigen AGC-Spannungen die Reduktion der Verstärkung bei Anwendung
derselben Regelspannung unter verschiedenen Frequenzen um bis zu ±10 dB variieren
kann. Da die AGC-Kennlinien verhältnismäßig komplexe Kurven sind, kann in einem
begrenzten Speicher nicht für jeden Kanal eine Lookup-Tabelle abgelegt werden. Dies ist
jedoch unschädlich, da eine bestimmte Kennlinie über einen gewissen Frequenzbereich
hinweg gültig ist. Daher reicht es, in Abhängigkeit der gewünschten Genauigkeit nur
wenige (typischerweise 5 bis 10) Referenzkurven für das gesamte Frequenzspektrum
abzuspeichern. Zur Speicherung der Kurven wird die Verstärkungsreduktion für jeden
Kanal zwischen 1 und 20 dB gemessen. Die Spannung wird in eine ganze Zahl mit einer
Auflösung von typischerweise 14 Bit nach Analogdigitalwandlung übersetzt.
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Für eine Verringerung des Speicheraufwandes ist es ferner möglich, (stückweise) lineare
Approximationen für die AGC-Kennlinien zu bestimmen und nur die Parameter dieser
Approximationen zu speichern.
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Der im Tuner vorgesehene Speicher zum Ablegen der Kennlinien kann, da er einmal
vorhanden ist, vorteilhaft auch für andere relevante Daten verwendet werden. Hierzu
gehören zum Beispiel
- - eine Identifikation des Tunertyps, des Produktionsdatums und des Revisionscodes
- - Daten zur Prozessidentifikation
- - Bandgrenzen (Bandprogrammierung)
- - Tilt-Kennlinien (Amplitudendifferenz zwischen Bild- und Tonträger)
- - optimale Einstellungen für den Phasenregelkreis (Einstellung der Ladungspumpe,
Abstimmungssteigung etc.).
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Mit Hilfe dieser zusätzlichen Daten kann die Anwendungssoftware den Typ des Tuners
erkennen und die optimale Einstellung verwenden.
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Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit, den zusätzlichen Speicher 28 in einer Multichip-Montage
unterzubringen. Die kostengünstigen Speicherbausteine werden mit einer Technologie
hergestellt, die sich von der für die integrierten Schaltkreise (MOPLL = Mischeroszillator +
Phasenregelkreis) des Tuners verwendeten Technologie unterscheidet. Die Multichip-
Montage 26 kann verwendet werden, um diese zwei IC's zu kombinieren, da alle
Verbindungen für den Speicher bereits für den MOPLL, der durch IIC kontrolliert wird,
verwendet werden. Daher sind keine Extraanschlüsse auf dem MOPLL-IC erforderlich. Dies
spart entsprechenden Platz auf der gedruckten Schaltung.
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Fig. 6 zeigt eine alternative Lösung, bei der der Speicher 28 separat zur
Signalverarbeitungseinheit 27 an einen I2C Bus angeschlossen ist.
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Die Art des Speicherbausteins 28 kann ein einmal programmierbarer Baustein oder
vorzugsweise ein EEPROM sein. Das Letztere hat den Vorteil, dass die Daten aufgefrischt
werden können oder während des Produktionsprozesses für die Geschichte des Prozesses
verwendet werden können. Die benötigte Speicherkapazität beträgt typischerweise 1 K in
Abhängigkeit von der Genauigkeit und der Leistungsbreite.
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Natürlich ist im Rahmen der Erfindung auch eine Variante ohne die Hinzufügung von
Speicher denkbar, die bereits vorhandenen Speicher nutzt. Dabei könnten während der
Herstellung des Tuners Daten gesammelt und über eine Diskette, ein Netzwerk, oder auf
irgendeine andere Art transportiert und in dem bereits vorhandenen Speicher des Systems
gespeichert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Eingangssignalstärke kann beim
analogen TV, beim digitalen TV, beim automobilen TV, bei Set-top Boxen für Kabel oder
Satellit und/oder bei Ausrüstungen zur Messung des Antennenniveaus verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1a Tuner
1b Tuner
2 Antenne
3 Phasenregelkreis
4 Zwischenfrequenzprozessor
5 Rücksendekanal
6 Mikroprozessor
7 Zwischenfrequenz-Regelsignal
8 Regelsignal
9 Hochpassfilter
10 Bandpassfilter
11 Verstärker
12 Bandpassfilter
13 Mischer
14 Bandpassfilter
15 Verstärker
16 Filter
17 Verstärker
18 Eingangssignal
19 Ausgangssignal
20 Datenleitung
21 Verstärker
22 Mischer
23 Bandpass
24 Mischer
25 Phasenregelkreis
26 Multichip-Montage
27 Signalverarbeitungseinheit
28 Speicherbaustein