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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Breitband-Empfangssystem entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Heutigen,
nach den Prinzipien des Homo- oder des Heterodynempfängers
eingerichteten Empfängerarchitekturen, und zwar sowohl
für einen stationären Einsatz als auch für
einen Einsatz in Fahrzeugen, ist gemeinsam, dass die Empfangsfrequenz
eines Signals mit einer im Empfänger generierten, einstellbaren
Oszillatorfrequenz gemischt und in eine feste Zwischenfrequenz umgesetzt
wird, die anschließend digitalisiert und weiter verarbeitet
wird. Prinzipiell kann auf diese Weise ein breites Frequenzband
empfangen werden, wobei durch die einer Digitalisierung vorgelagerte
Mischstufe und die feste Zwischenfrequenz die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit,
insbesondere die Abtastrate sowie die Auflösung eines ADC
(Analog-Digital-Konverter), unabhängig von der jeweils
gewählten Empfangsfrequenz sind. Durch die Wahl einer niedrigen Zwischenfrequenz
und einer guten Selektion eines Bandes oder Kanals werden die Anforderungen
an den ADC weiter reduziert und eine gute Ausnutzung von dessen
Dynamikbereich erreicht.
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Dieses
bekannte Konzept ist jedoch in vielen Fällen, je nach der
konkreten Ausführung, durch Störungen gekennzeichnet,
die von einem Phasenrauschen eines Lokaloszillators, Nebenempfangsstellen durch
Harmonische des Oszillators, I-Q-Imbalance-Problemen und von einer
unvollkommenen Spiegelfrequenzunterdrückung durch die der
Mischstufe vorgelagerten Filter ausgehen. Zusätzlich führt
eine Durchgangsdämpfung der Mischstufe zu einem Empfindlichkeits-
und Leistungsverlust. Sämtliche dieser Unvollkommenheiten
machen umfangreiche Schaltungsmaßnahmen erforderlich, um
eine Korrektur oder wenigstens eine Minderung dieser Störungen
zu erreichen.
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Auch
ist bei diesem Konzept meist die Selektion nur eines Kanals vorgesehen,
um die Anforderungen an den nachgeschalteten ADC gering zu halten.
Da dieser Zustand hardwaremäßig nach Maßgabe
eines definierten Standards festgelegt ist, ist eine Umstellung
auf einen anderen Standard, z. B. mit einer anderen Kanalbreite,
so dass ein anderes Kanalfilter erforderlich wird, mit einem nicht
vertretbaren Aufwand verbunden, da dies mit einem Eingriff in die Hardware
verbunden wäre. Die Flexibilität dieses bekannten
Systems ist somit gering.
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Der
Umstand, dass nur ein Kanal empfangen wird, zwingt bei solchen Anwendungen,
bei denen mehrere Kanäle gleichzeitig empfangen werden müssen,
zu besonderen Maßnahmen. Es besteht beispielsweise bei
in Fahrzeugen eingesetzten Radioempfängern ein Bedürfnis,
mehr als nur einen Kanal gleichzeitig zu empfangen. Regelmäßig
sind in diesen Fällen nämlich drei, in Hardware
realisierte Empfängerzweige mit jeweils unterschiedlichen
Empfangskanälen aktiv, nämlich ein erster Zweig,
der gerade abgehört wird, ein zweiter, der im Hintergrund nach
Alternativfrequenzen des gleichen Programminhalts sucht und ein
dritter, der auf Verkehrsfunkanwendungen eingestellt ist. Die Anwendung
der bekannten Techniken führt zu der Einrichtung von drei
voneinander unabhängigen Empfangszweigen, von denen jeder
eine Mischstufe, eine Kanalselektion, das heißt ein auf
die Bandbreite des empfangenen Dienstes angepasstes Zwischenfrequenzfilter sowie
einen ADC aufweist, so dass sich insgesamt ein entsprechend erhöhter
Hardwareaufwand ergibt.
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Um
dem Bedürfnis nach einem Parallelempfang mehrerer Kanäle
entgegenzukommen, und zwar ohne die ansonsten hiermit einhergehende
Vervielfachung von Empfangszweigen der vorstehend genannten Art,
somit unter Vermeidung eines entsprechend erhöhten Hardwareaufwandes,
ist bei digitalen Radioempfängern ein Trend erkennbar,
die Schnittstelle zwischen analoger und digitaler Signalverarbeitung
so weit wie möglich an die Antenne zu verlegen, um ein
Höchstmaß an Flexibilität des Empfangssystems
zu gewährleisten, wobei von dem Umstand Gebrauch gemacht
wird, dass die Funktion einer digitalen Hardware letztendlich softwaremäßig definiert
wird, so dass diese im Bedarfsfall ohne großen Aufwand
umprogrammmiert werden kann, beispielsweise für eine Anpassung
an andere Standards.
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Das
Konzept eines Empfangssystems, bei welchem eine Digitalisierung
empfangener Analogsignale in der Nähe der Antenne und unter
Vermeidung einer analogen Mischstufe stattfindet, ist beispielsweise
aus „A Software Defined Multistandard Tuner Platform
for Automotive Applications", T. Müller, M. Sliskovic,
J. -F. Luy, H. Schöpp, Zeitschrift Frequenz, Berlin, Vol.
68, Part 5/6, Seiten 136 bis 139, Fachverlag Schiele & Schön
GmbH, 2004 bekannt. Bei dieser Direktabtastung werden alle
Kanäle des FM-UKW-Radiobands nach einer breitbandigen Filterung
mittels eines mehrstufigen UKW-Bandfilters selektiert und nach Pegelregelung
einem ADC zugeführt, so dass am Ausgang des ADC das gesamte UKW-Band
in digitaler Form vorliegt. Dieses bekannte Empfangssystem würde – eine
Signalverarbeitungseinheit (DSPE) von ausreichender Leistungsfähigkeit
einmal unterstellt – den parallelen Empfang beliebig vieler
Kanäle oder Standards ermöglichen.
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Das
dort vorgestellte Konzept einer Direktabtastung ist durch eine Abtastrate
nach dem Prinzip der Unterabtastung bei fs =
76,8 MHz so angelegt, dass das zu digitalisierende UKW-Radiofrequenzband
von 87,5 MHz bis 108 MHz komplett und mittig zu den Bandgrenzen
im 3. Nyquistband liegt. Eine Selektion und eine Aliasingunterdrückung
erfolgt mittels kaskadierter Bandpassfilter und Verstärker,
wobei der Verstärkungsfaktor bei den Verstärkern
teilweise digital programmierbar ist.
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Weil
bei diesem Konzept der Direktabtastung keine analoge Mischstufe
vorhanden ist, entfallen die vorstehend genannten, mit der Mischung
im Analogen verbundenen Probleme. Auch ist eine erhöhte Flexibilität
für den Fall einer Änderung des Standards gegeben.
Ungünstig stellt sich jedoch die Wahl der Abtastrate des
UKW-Radiobands dar, da dies einen hohen Grad an Filtermaßnahmen
erforderlich macht, um die Aliasingunterdrückungsanforderungen
für die Digitalisierung dieses Bandes zu erfüllen.
Dies führt zu einem hohen Hardwareaufwand und – hiermit
zusammenhängend – u. U. zu einer Störanfälligkeit
des Systems. Extensive Filtermaßnahmen führen
ferner zu einer hohen Dämpfung im Durchgangsband, so dass
in Abhängigkeit von der Positionierung der Filter im analogen
Empfangspfad die Empfindlichkeit des Systems vermindert wird, oder
es werden die Linearitätsanforderungen an analoge Frontendverstärker erhöht.
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Ein
weiteres Problem könnte sich bei diesem Konzept einer Direktabtastung
aus dem Umstand ergeben, dass – betrachtet aus der Richtung
der Antenne – dieser im Verlauf des Signalpfades benachbart ein
Festverstärker zugeordnet ist. Dies kann dazu führen,
dass sich bei für den Fall eines Nahempfangs möglichen
hohen Signalpegeln bzw. Starksignalen Verzerrungen aufgrund eines
nichtlinearen Verhaltens des Verstärkers ergeben, so dass
Intermodulationsprodukte oder harmonische Störer im Nutzband auftreten
und die Empfangsqualität veschlechtern.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Empfangssystem der eingangs
bezeichneten Gattung mit einfacher Systemarchitektur und gleichzeitig hoher
Leistungsfähigkeit bereitzustellen, welches in einfacher
Weise aufbauend auf den Techniken der Direktabtastung eines vollständigen
Frequenzbandes zwecks Umwandlung in eine digitale Form Standardunabhängigkeit
sowie die Möglichkeit eines Parallelempfangs mittels ausschließlich
softwaremäßig dargestellter Tuner ermöglicht.
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Gelöst
ist diese Aufgabe bei einem solchen Empfangssystem durch die Merkmale
des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
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Erfindungswesentlich
ist hiernach der zentrale ADC (Analog-Digital-Konverter), insbesondere dessen
Abtastfrequenz fS, welche im Zusammenhang
mit dem umzusetzenden Nutzband gesehen werden muss. In jedem Fall
muss das analoge Eingangssignal des ADC bandbegrenzt sein und durch eine
geeignete Wahl der Abtastfrequenz dafür Sorge getragen
werden, dass keine Störungen in der Form eines Aliasing
auftreten. Erfindungsgemäß ist grundsätzlich,
nämlich zumindest für den FM-Bereich eine Unterabtastung
eingerichtet, und zwar derart, dass das abzutastende Nutzband vollständig
in der zweiten Nyquistzone liegt, und zwar vorzugsweise mittig. Dies
ermöglicht einen guten Kompromiss zwischen den Anforderungen
an die Filtercharakteristik des analogen Teils und der Leistungsfähigkeit
des ADC und weiterer Funktionsgruppen des digitalen Teiles. Speziell
für die Direktabtastung des FM-Bandes ergeben sich im Vergleich
zu bekannten Anwendungen einer Direktabtastung in der Form einer
Unterabtastung geringere Anforderungen an die Flankensteilheit der
Charakteristika der analogen Vorfilter, ein geringerer Hardwareaufwand
sowie eine geringe Durchgangsdämpfung, und zwar bei vergleichbarer
Empfängerempfindlichkeit und hoher Aliasingunterdrückung.
Im Rahmen des analogen Teils des Systems können somit Standardfilterkomponenten
benutzt werden. Beispielsweise kann für das europäische UKW-FM-Radio-Band
von fmin = 87,5 MHz bis fmax = 108
MHz erfindungsgemäß eine Abtastfrequenz von 141,
5 MHz genutzt werden. Abweichungen demgegenüber, solange
sich das Nutzband in der zweiten Nyquistzone befindet, sind zulässig.
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Die
Abtastfrequenz entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 ist eine
optimale Frequenz, die sich ergibt, wenn die relativen Bandbreiten
beider Übergangsbänder gleich sind. Die Begriffe
relatives oberes bÜg,ob und relatives
unteres Übergangsband bÜg,un sind
jeweils definiert als bÜg,ob =
fk,ob/fmax und bÜg,un = fmin/fk,un, wobei fk,un die
untere und fk,ob die obere kritische Eckfrequenz
sind, bei denen unter- und oberhalb des Nutzbandes (durch Aliasing)
erstmalig Signalanteile in das Nutzband fallen. Zusätzlich
vorteilhaft, jedoch nicht zwingend erforderlich, ist eine symmetrische
Charakteristik der Filter für die in diesem Fall gilt,
dass die durch das Selektionsmodul hervorgerufene Dämpfung
bei den kritischen Frequenzen fk,un und
fk,ob gleich groß sind. Die vorgeschlagene
symmetrische Dimensionierung der Filter und die Wahl der Abtastfrequenz
so, dass die Bedingung bÜg,un =
bÜg,ob erfüllt ist, gewährleistet
optimalen Schutz gegen Störungen durch Aliasing im Nutzband bei
gleichzeitig einer einfachen, aufwandsarmen Filterrealisierung.
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Die
Merkmale der Ansprüche 3 bis 5 sind auf die Ausgestaltung
des analogen Teiles gerichtet. Aufgrund der geringen Anforderungen
an die Flankensteilheit können Filter einer niedrigen Ordnung
eingesetzt werden, wobei alternativ zum Schutz des ADC vor einer Übersteuerung
ein regelbarer Verstärker oder ein Festverstärker
in Kombination mit einem regelbaren Dämpfungsglied eingesetzt
werden kann. Durch das dem Festverstärker vorgeschaltete
Dämpfungsglied wird erreicht, dass der Eingang des Verstärkers
auch bei höchsten Signalpegeln von der Antenne vor Übersteuerungen
geschützt ist. Das Dämpfungsglied kann sowohl
eine kontinuierliche als auch eine stufenförmige Stellcharakteristik
aufweisen. Von besonderem Vorteil ist die Struktur des Selektionsmodules
nach 4, die eine Anwendung dieses Empfangssystems nicht
nur im FM-Bereich zur Darstellung einer Direktabtastung nach Art
einer Unterabtastung, sondern auch im AM-Bereich ermöglicht, der
eine Unterabtastung nicht zulässt.
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Eine
Einrichtung des Frontendverstärkers entsprechend den Merkmalen
des Anspruchs 6 führt zu einer optimalen Leistungsfähigkeit
des direktabtastenden Systems, insbesondere zu einer optimalen Nutzung
des Dynamikbereiches des ADC.
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Entsprechend
den Merkmalen des Anspruchs 7 ist zur Linearitätsverbesserung
ein Trafo mit Impedanztransformation am Eingang des ADC vorgesehen. Über
einen Trafo mit einem Übersetzungsverhältnis von
Sekundär- zu Primärseite von ü > 1 vor dem Eingang
des ADC wird eine Impedanztransformation zwischen einem sekundärseitig
parallelgeschalteten Abschlusswiderstand (20, 2)
und der trafoprimärseitigen Impedanz erreicht. Bei geeigneter
Dimensionierung des Trafos und des Abschlusswiderstandes weist eine
derartige Trafoanordnung eine inhärente Spannungsverstärkung
auf, so dass die Pegel an einem dem Trafo vorgeschalteten Verstärker
im Vergleich zu einer Anordnung ohne Trafo oder einem Trafo mit ü =
1 und bei gleicher Aussteuerung des ADC geringer ausfallen, was
zu weniger Verzerrungen und damit zu einer verbesserten Linearität
führt.
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Die
Merkmale der Ansprüche 8 bis 10 sind auf Funktionen der
DSPE gerichtet. Diese bestehen in der softwaremäßigen
Darstellung eines oder auch mehrerer Tuner, jedoch auch von zahlreichen,
ebenfalls softwaremäßig darstellbaren Steuerfunktionen. Lediglich
beispielhaft sei auf AGC-Algorithmen (Automatic Gain Control) hingewiesen,
die im Wege einer Softwareimplementierung einfach realisierbar sind.
Dies betrifft insbesondere auch nachträgliche Änderungen,
welche unter Zugrundelegung einer analogen Technik mit einem unverhältnismäßigen Aufwand
verbunden wären.
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Die
Merkmale der Ansprüche 11 bis 15 sind auf Anwendungen der
erfindungsgemäßen Form einer Direktabtastung gerichtet,
welche die Integration unterschiedlicher Dienste in ein Systemdesign
betreffen, beispielsweise die Behandlung von FM- und AM-Diensten,
welch letztere in dem Band von 150 kHz bis 30 MHz untergebracht
sind, das Konzept der digitalen Antenne sowie ein Antennendiversitykonzept.
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Das
Konzept der digitalen Antenne ermöglicht einer Mehrzahl
von Endgeräten beispielsweise den Parallelempfang, wobei
den Endgeräten über die DSPE Teilbänder
bzw. einzelne Kanäle, oder auch das gesamte im Wege der
Direktabtastung gewonnene Nutzband zugeleitet wird. Im letzten Fall
würden an jedem Endgerät sämtliche AM-
und FM-Radiodienste parallel anliegen, so dass jedes Endgerät
mittels mehrerer softwaremäßig dargestellter Tuner
beliebig viele Kanäle parallel demodulieren und auswerten
bzw. ausgeben könnte. Das Konzept der digitalen Antenne
bietet somit ein Höchstmaß an Flexibilität
und Rekonfigurierbarkeit, da am Ausgang der digitalen Antenne sämtliche
Funktionen softwaremäßig darstellbar sind und
das gesamte Nutzband digital verfügbar ist.
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Bei
einem Antennendiversitykonzept können über die
DSPE x Signalpfaden y Datenströme bzw. softwaremäßig
dargestellte Tuner auf der DSPE zugeordnet werden. Sämtliche,
mit der laufenden Bewertung und Zuordnung von Tunern und Signalpfaden
verbundenen Funktionen können softwaremäßig über
die DSPE abgewickelt werden. Aufgrund einer somit vollständigen
Software implementierung bietet dieses Diversitykonzept mit Direktabtastung
ein Höchstmaß an Flexibilität und einen
großen Spielraum in der Anwendung digitaler Algorithmen
und Optimierungen.
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Gemäß den
Merkmalen des Anspruchs 16 wird eine Mehrzahl der ADC mit einer
gemeinsamen Abtastfrequenz beaufschlagt. Dieses ist bei einer Verwendung
des Empfangssystems für den gleichzeitigen Empfang im FM-
und im AM-Bereich dahingehend angelegt, dass die eingangs genannten
Bedingungen einer Unterabtastung für den FM-Bereich gegeben
sind, wohingegen für den AM-Bereich bei dieser Abtastfrequenz
eine Überabtastung vorliegt. Eine Unterabtastung über
das gesamte Spektrum ist in diesem Fall nicht möglich.
Aufgrund der gemeinsamen Abtastfrequenz können jedoch beide
Bereiche mittels desselben Clockgenerators, z. B. eines Festfrequenzoszillators,
betrieben werden. Die Vorteile der einfachen Systemarchitektur und
insbesondere der einfachen Architektur des Analogteils bei gleichzeitig
hoher Leistungsfähigkeit sind für den Fall der Überabtastung
des AM-Bereiches ebenfalls vorhanden.
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Die
Merkmale der Ansprüche 17 und 18 sind auf die Steuerung
eines analogseitigen Dämpfungsgliedes oder eines hier eingesetzten
Verstärkers gerichtet. Dies ist, ausgehend von einem in
der DSPE eingerichteten AGC-Algorithmus, gegeben, bei dem eine inverse
Steuerungskennlinie des Dämpfungsgliedes in digitaler Form
oder in einer look-up-Tabelle (LUT) abgelegt ist. Auf diese Weise
ist sichergestellt, dass eine Pegeländerung am Eingang
des ADC oberhalb einer oder über eine AGC-Schwelle, beispielsweise
hervorgerufen durch Fadingeffekte im selektierten Band, nahezu direkt
gegengeregelt werden kann. Hierzu wird die Amplitude der Pegeländerung
bestimmt und unter Berücksichtigung einer momentan eingestellten
Steuerungsspannung der zugehörige Wert aus der LUT für
die Ansteuerung des Dämpfungsgliedes verwendet, der diesen
Pegelsprung gerade exakt ausgleicht.
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Da
ein derartiger AGC-Algorithmus lediglich auf Vergleichsoperationen
und Speicherzugriffen beruht und keine Filter benötigt
werden, die zu Verzögerungen führen würden,
wird auf diese Weise eine Fast-Attack-Characteristik erzielt und
ein guter Schutz des ADC vor einer Übersteuerung gewährleistet.
Insbesondere können Pegelanstiege schnellstmöglich
und exakt ausgeglichen werden, wobei eine Reaktionszeit lediglich
von der Stellgeschwindigkeit des Dämpfungsglieds abhängt.
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Bei
einem solchen AGC-Konzept können ein Fast-Attack-, ein
Slow-Release- oder auch ein Peak-Hold-Ansatz genutzt werden, so
dass stets eine gute Aussteuerung des ADC gegeben ist. Insbesondere
eine exakte und beliebig konfigurierbare Peak-Hold-Funktion ist
dagegen auf analogem Weg praktisch kaum realisierbar.
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Diese
Ansätze enthalten neben der Fast-Attack-Reaktion auf einen
Pegelsprung oberhalb der oder über die AGC-Schwelle eine
Peak-Hold-Funktion, bei der nach dem Auftreten eines Pegelspitzenwertes
der zur Ausregelung dieses Spitzenwertes zugehörige Stellwert
für das Dämpfungsglied eine Zeitlang gehalten
wird, wenn kein neuer Pegelspitzenwert auftritt. Tritt kein neuer
Spitzenwert auf, setzt das Slow-Release ein, so dass sich die Dämpfung langsam
verringert, bis entweder ein neuer Spitzenwert auftritt, der oberhalb
der AGC-Schwelle liegt oder bis die minimale Dämpfungseinstellung
des Dämpfungsgliedes erreicht ist.
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Indem
die Parameter des AGC-Konzeptes entsprechend eingestellt werden,
kann bei allen Pegelszenarien gewährleistet werden, dass
trotz einer AGC-Schwelle knapp unterhalb der Vollaussteuerung des
ADC fast nie eine Übersteuerung des ADC eintritt.
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Die
vorliegende, auf dem Konzept der Direktabtastung aufbauende Empfängerarchitektur
bietet aufgrund eines hohen Maßes an softwaremäßig
darstellbaren Funktionen ein Höchstmaß an Flexibilität und
Konfigurierbarkeit, insbesondere in allen Fällen, in denen
ein Parallelempfang mehrerer Kanäle erwünscht
ist. Es zeichnet sich gegenüber bekannten Formen der Direktabtastung
aufgrund der gewählten Abtastfrequenz durch einen einfachen,
kostengünstig realisierbaren Aufbau seines analogen Teiles
aus.
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Die
Merkmale der Ansprüche 19 bis 23 sind auf Möglichkeiten
einer Zusammenfassung des erfindungsgemäßen Direktabtastungskonzepts
mit herkömmlichen Mischkonzepten einschließlich
dessen Einbeziehung in ein Antennendiversitykonzept gerichtet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines herkömmlichen Heterodynempfängers;
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2 ein
Blockschaltbild zur Verbesserung der Linearität vor dem
Eingang eines Analog-Digital-Konverters;
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3 eine
Prinzipdarstellung eines Blockschaltbildes eines erfindungsgemäßen
Empfangssystems;
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4 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Empfangsystems
mit verbesserter Linerarität;
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5 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Empfangssystems
mit zwei Analog-Digital-Konvertern;
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6 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Empfangssystems
mit einem Analog-Digital-Konverter;
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7 ein
Blockschaltbild einer digitalen Antenne als Anwendung eines erfindungsgemäßen Empfangssystems;
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8 ein
Blockschaltbild einer Antennendiversity-Anordnung als Anwendungsfall
eines erfindungsgemäßen Empfangssystems;
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9 ein
Blockschaltbild der Erfindung in Form eines direktabtastenden Empfängers
für AM und FM in Kombination mit analogen Tunern für
die Integration von weiteren Diensten und selektierten Frequenzbereichen;
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10 ein
Blockschaltbild der Erfindung in Form eines direktabtastenden Empfängers
für AM und FM in Kombination mit analogen Tunern für
die Integration von weiteren Diensten und selektierten Frequenzbereichen
mit reduzierten Anforderungen an die ADC (12, 12')
für minimale Störungen durch Aliasing;
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11 eine
Kombination der Erfindung mit einem aufwandsarmen Antennenschaltdiversitykonzept
für die Optimierung der Signalqualität insbesondere
eines schmalbandigen Empfangsbandes oder eines Einzelkanals.
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Es
wird im Folgenden zunächst auf die Zeichnungsfigur 1 Bezug
genommen, welche das Schaltungskonzept eines herkömmlichen
Heterodynempfängers zeigt.
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Das über
eine Antenne 1 eingekoppelte Empfangssignal gelangt über
ein für die Unterdrückung einer Spiegelfrequenz
bestimmtes Filter 2 zu einer Mischstufe 3, in
der das Signal mit einer nach Maßgabe des gewünschten
Kanals eingestellten Frequenz eines Lokaloszillators 4 gemischt
und in eine feste, das heißt von der Empfangsfrequenz unabhängige
Zwischenfrequenz (ZF) umgesetzt wird. Ein zweites, sich anschließendes
Filter 5 ist zur Kanalselektion auf der Zwischenfrequenzstufe
sowie als Aliasingfilter für den Abtastprozess der Digitalisierung
bestimmt und eingerichtet. Durch eine automatische Verstärkungsregelung 6 (AGC)
wird das ZF-Signal hinsichtlich seines Pegels an die Eingangsseite eines
ADC 7 (Analog-Digital-Konverter) angepasst, wobei in einer
Signalverarbeitungseinheit 8 das nunmehr digitale Signal
weiter umgesetzt wird, und zwar mit dem Ziel einer Gewinnung des
Nutzsignals durch Demodulation.
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Wesentlich
für dieses bekannte Schaltungskonzept ist eine Umsetzung
eines Empfangsignals in eine feste Zwischenfrequenz durch Mischung
mit einer variablen Oszillatorfrequenz im analogen Bereich und eine
sich hieran anschließende Digitalisierung.
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Zur
Vermeidung der mit diesem bekannten Konzept verbundenen, eingangs
bereits dargelegten Unzulänglichkeiten, welche bei der
Darstellung eines gleichzeitigen Empfangs mehrerer Kanäle
auftreten, wird zunächst auf die Zeichnungsfigur 3 Bezug
genommen, welche das erfindungsgemäße Konzept
in Grundzügen zeigt.
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Mit 8 ist
ein analoger Teil bezeichnet, der eingangsseitig mit der Antenne 1 in
Verbindung steht und aus zwei Filtern 9, 10 besteht,
zwischen denen sich ein variabler Verstärker 11 befindet.
Es kann sich bei dem Verstärker 11 um einen einzelnen
Verstärker, jedoch auch um eine Kaskade von Verstärkern
handeln. Der Verstärker 11 ist mit der Maßgabe
angelegt, dass, betrachtet am Ausgang des ADC 12, der in
einem Kanal des Nutzbands durch den Verstärker erzeugte
Rauschpegel weniger als 10 dB oberhalb oder auch unterhalb des im
ungünstigsten Fall von dem ADC in diesem Kanal erzeugten
Rauschpegels liegt. Auf diese Weise ist ein guter Kompromiss zwischen
der System-Empfindlichkeit und der Ausnutzung des Dynamikbereichs
des ADC gegeben. Die Filter 9, 10 dienen zur Selektion
des über die Antenne 1 eingekoppelten Frequenzbands,
wobei das Filter 10 zusätzlich dazu bestimmt ist,
Störungen, die außerhalb des zu empfangenden Frequenzbandes
liegen, die jedoch durch den vorgeschalteten Verstärker
erzeugt werden, wie Harmonische oder ein breitbandiges Rauschen,
zu unterdrücken, da diese Störungen ansonsten
in dem nachfolgenden Abtastprozess mit der Abtastfrequenz fS erfasst werden und in das Nutzsignal gelangen
könnten (Aliasing).
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Der
Verstärker 11 bzw. die Kaskade aus Dämpfungsglied
und Festverstärker ist dahingehend angelegt und angesteuert,
dass die Amplitude des analogen Zeitsignals am Ausgang des Filters 10 bzw. am
Eingang des nachfolgenden ADC 12 geregelt ist, so dass
insbesondere der ADC nicht übersteuert wird. Der Verstärker 11 bewirkt
eine Entkopplung der beiden Filter 9, 10, so dass
sich deren Dämpfungswerte zu einer Gesamtdämpfung
addieren.
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Mit 13 ist
ein sich an den ADC 12 anschließender digitaler
Teil bezeichnet, der aus einer digitalen Signalprozessierungseinheit
(DSPE) 14 und einem Digital-Analog-Konverter (DAC) 15 besteht,
an dessen Ausgang das in üblicher Weise wiedergebbare Nutzsignal
zur Verfügung steht. Die DSPE 14 ist dahingehend
eingerichtet, dass der dieser Einheit eingangsseitig zugeführte
Datenstrom 16 mit der Wortbreite M Bit mit der Frequenz
fS weiter aufbereitet, insbesondere demoduliert
und ausgangsseitig in einen Datenstrom 17 mit der Wortbreite
N Bit umgesetzt wird, der das Nutzsignal darstellt, das in dem nachgeordneten
DAC 15 umgesetzt wird.
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Das
im Sinne der Erfindung wichtigste Element dieses Konzeptes ist der
ADC 12, da von diesem und der Abtastfrequenz fS sowie
deren Abstimmung mit der Frequenzlage des abzutastenden Bands der
entscheidende Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems
ausgeht.
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2 zeigt
eine Möglichkeit, die Linearität am Eingang des
ADC 12 zu verbessern, indem zwischen diesem und dem Filter 10 ein
Trafo 18 mit Impedanztransformation (Übersetzungsverhältnis
von Sekundär- zu Primärseite von ü > 1) angeordnet ist. Trafoausgangsseitig
ist der ADC 12 angeschlossen und hierzu parallel ein Terminierungswiderstand 20. Dies
bedeutet, dass sich die Spannungspegel am Terminierungswiderstand 20 um
das Übersetzungsverhältnis des Trafos 18 von
den Spannungspegeln am Trafoeingang 19 unterscheiden, so
dass der Trafo faktisch in dieser Anordnung einen Verstärker
bildet. Dies bedeutet ferner, dass bei gleichem Aussteuerbereich
des ADC 12 die Pegel am Verstärkerausgang um die
Verstärkung des Trafos niedriger sein können als
in dem Fall ohne die Anordnung eines Trafos oder bei Verwendung
eines Trafos mit einem 1:1 Übersetzungsverhältnis,
so dass die durch den Verstärker erzeugten Verzerrungen
geringer sind. Verzerrungen bei einem klassischen Verstärker
steigen im Allgemeinen an, je weiter dieser ausgesteuert wird.
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Da
Trafos bei den für den ADC-Eingang typischen Pegelbereichen
meist eine deutlich größere Linearität
aufweisen als Verstärker mit üblicher Stromaufnahme,
wird mit der Trafoanordnung gemäß 2,
welche eine Impedanztransformation darstellt, eine Verbesserung
der Linearität am Eingang des ADC 12 erreicht.
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Bei
der Darstellung gemäß 3 ist ein
variabler Verstärker 11 eingesetzt. Dieser kann
entsprechend der Darstellung gemäß 4 auch
durch die Kombination eines Festverstärkers 21 und
eines, diesem in Signalflussrichtung vorgeschalteten variablen Dämpfungsglieds 22 ersetzt
werden. Das Dämpfungsglied 22 steht über
einen Digital-Analog-Konverter (DAC) 23 mit der DSPE 14 in
Verbindung, in welcher eine digitale Steuergröße
generiert wird, die nach Analogwandlung über den DAC 23 zur
Steuerung des Dämpfungsmaßes genutzt wird.
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Mit 24 ist
in 4 ein Selektionsmodul bezeichnet, an dessen Ausgang
ein aus dem eingespeisten Antennensignal selektiertes Frequenzband pegelgeregelt
ausgegeben wird.
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5 zeigt
die Anwendung der Erfindung für den parallelen Empfang
aller FM- und AM-Radiofrequenzen. Zu diesem Zweck ist ein erster,
durch das Selektionsmodul 24 gekennzeichneter, auf das
Frequenzband von 76 MHz bis 108 MHz eingerichteter und ein zweiter,
durch das Selektionsmodul 24' gekennzeichneter, auf das
Frequenzband von 150 kHz bis 30 MHz abgestimmter Pfad vorgesehen.
Die Strukturen beider Pfade sind grundsätzlich gleich angelegt,
so dass innerhalb des Selektionsmoduls zwischen zwei Filtern ein
Festverstärker mit einem vorgeschalteten variablen Dämpfungsglied
angeordnet ist, wobei sich vor den Eingängen der ADC 12, 12' jeweils
ein Trafo 18, 18' zur Impedanztransformation und
zur Linearitätsverbesserung befindet. Beide Pfade stehen
mit einer DSPE 14 in Verbindung, welche die Aufgabe hat,
die von den beiden ADC 12, 12' ausgegebenen digitalen
Datenströme weiterzuverarbeiten. Beispielsweise können
auf der DSPE 14 Kanalselektions- und Demodulationspfade
implementiert sein, die aus den digitalisierten Daten einen oder mehrere AM-
oder FM-Kanäle selektieren, demodulieren und die hieraus
resultierenden Audiosignale über die DAC 15, 15' ausgeben.
Die Anzahl der DAC-Baugruppen bzw. der demodulierten Kanäle kann
nahezu beliebig sein und wird lediglich durch die Leistungsfähigkeit
der DSPE 14 eingeschränkt.
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Beide
ADC 12, 12' der Darstellung gemäß 5 werden
mit der gleichen Abtastfrequenz von fS =
130 MHz beaufschlagt. Dies bedeutet, dass im FM-Bereich Unterabtastung,
im AM-Bereich hingegen Überabtastung vorliegt.
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Bei
der in 6 gezeigten Darstellung wird in einem oberen,
die Selektionseinheit 24 einbeziehenden Pfad ein FM-Radio-Band,
z. B. das europäische UKW-Radio-Band, selektiert und einem
Combiner 25 zugeführt. Das zweite Eingangssignal
des Combiners 25 bildet das selektierte ausgangsseitige AM-Band
des Selektionsmoduls 24'. Das Ausgangssignal des Combiners 25 wird
wiederum mittels des Trafos 18 zur Linearitätsverbesserung
einem ADC 12 zugeführt, der mit einer Abtastrate
von fS = 160 MHz arbeitet.
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Diese
Abtastrate ist so gewählt, dass das UKW-FM-Band nach Maßgabe
einer Unterabtastung, das AM-Band hingegen nach Maßgabe
einer Überabtastung abgetastet wird. Bei dieser Wahl der Abtastrate
wird gewährleistet, dass es unter Verwendung üblicher
Filtercharakteristiken zu einem bestmöglichen Aliasingschutz
kommt.
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Die
Zeitsignale beider Pfade werden jeweils separat pegelgeregelt. Gegenüber
der Darstellung gemäß 5 ist nur
ein ADC 12 erforderlich, der jedoch eine etwas höhere
Abtastrate benötigt, so dass der Hardwareaufwand für
das System etwas reduziert werden kann. Erkauft wird dies jedoch
mit einer geringeren Blockingfestigkeit des Systems und einem etwas
reduzierten Aliasingschutz. Dieses Prinzip ist auch dann anwendbar,
wenn das gesamte globale UKW-Radio-Band direkt abgetastet werden
soll.
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Die
in 7 gezeigte Anordnung verdeutlicht die Grundidee
der "digitalen Antenne", hier am Beispiel für das gesamte
UKW-Radio-Band und für das Band aller AM-Dienste. Die gesamte
Antennenbaugruppe ist mit 27 bezeichnet, wobei die Signale einer
oder mehrerer Antennen 1, 1' mittels Direktabtastung
in digitale Daten umgewandelt werden, und zwar unter Zugrundelegung
des erfindungsgemäßen Prinzips, so dass die – in
Signalflussrichtung gesehen – vor der DSPE 14 befindlichen
Baugruppen denjenigen der 5, 6 entsprechen.
Die Ausgangssignale der DSPE 14 werden bei der vorliegenden
Anordnung jedoch einem oder mehreren digitalen Datenbussen 26, 26' zugeführt, über
welche die Ausgangssignale der digitalen Antenne 27 an
eines oder mehrere Endgeräte 28, 28' weiterverteilt
werden. Die über die Datenbusse 26, 26' weitergeleiteten
digitalen Daten können entweder Teile bzw. einzelne Kanäle
oder Teilbänder oder auch die gesamten, von der digitalen
Antenne 27 direkt abgetasteten Bänder an die Endgeräte
weiterleiten. Im letzten Fall würden für das gezeigte
Beispiel an jedem der Endgeräte 28, 28' sämtliche
FM- und AM-Radiodienste parallel anliegen, so dass jedes Endgerät
mittels mehrerer, softwaremäßig realisierter Tuner
beliebig viele Kanäle parallel demodulieren bzw. auswerten und
ausgeben könnte.
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Das
gezeigte Konzept der digitalen Antenne 27 bietet somit
ein Höchstmaß an Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit,
da am Ausgang der digitalen Antenne sämtliche weiteren
Funktionen softwaremäßig darstellbar sind und
das gesamte Nutzband in digitaler Form verfügbar ist.
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Falls
von der DSPE 14 nur Teilbänder, einzelne Kanäle
oder demodulierte Signale oder dergleichen ausgegeben werden, müssen
auf der DSPE 14 einzelne oder mehrere Selektionspfade implementiert
sein. Damit jedes der Endgeräte 28, 28' auf
das jeweils gesamte Nutzband, nämlich das gesamte AM- und
FM-Radioband, Zugriff hat, müssen diese Selektionspfade
durch Steuersignale von den Endgeräten 28, 28' aus
einstellbar sein. Für diesen Fall ist der digitale Datenbus 26, 26' jeweils
bidirektional eingerichtet und weist daher eventuell nur eine geringere
Kapazität auf, da nur Teile der Ausgangsdaten der digitalen
Antenne 27 über den jeweiligen Datenbus übertragen
werden. In diesem Fall wird somit ein hoher Grad an Flexibilität,
den die digitale Antenne 27 bietet, gegen geringere Anforderungen
an die Übertragungskapazität des digitalen Datenbusses eingetauscht.
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8 zeigt
die Anwendung der Erfindung bei einem Antennendiversity-Konzept
mit vier Antennen 1, 1', 1'', 1''',
so dass sich insgesamt vier Eingangspfade finden, die einzeln jeweils
einem einzelnen Pfad gemäß 6 entsprechen.
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Bei
bisherigen Empfängern wurden Diversity-Konzepte beispielsweise
nach dem "Switch-Diversity"-Prinzip verwendet, bei denen als Kriterium
für die Auswahl einer Antenne die Signalstärke
oder -qualität des momentan eingestellten Kanals verwendet
wird. Bei dieser Anordnung unterliegt das Nutzband einer jeden angeschlossenen
Antenne 1 bis 1''' für sich einer Direktabtastung
und wird jeweils in digitaler Form der DSPE 14 zugeführt.
Die Diversity-Funktionalität kann dann softwaremäßig
dargestellt werden, wobei für jeden zu empfangenden Kanal
aus jedem nun digital vorliegenden Antennen-Signal dieser Kanal
selektiert und gemäß dem Diversity-Konzept kombiniert
bzw. geschaltet wird. Auf der DSPE 14 sind in diesem Fall
der oder die Tuner ebenfalls softwaremäßig dargestellt.
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Aufgrund
der völligen softwaremäßigen Darstellung
bietet dieses Diversity-Konzept auf der Grundlage einer Direktabtastung
somit ein Höchstmaß an Flexibilität und
einen großen Spielraum in der Anwendung digitaler Algorithmen
und Optimierungen.
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Das
in 8 dargestellte Beispiel bezieht sich zwar auf
ein Diversity-System für das globale UKW-Radioband mit
vier Eingangsantennen und zwei, durch die DSPE 14 dargestellten
Tunern mit dementsprechend zwei Audioausgängen für
demodulierte Signale. Das Prinzip ist jedoch grundsätzlich auf
beliebige Bänder und beliebig viele Eingangsantennen mit
einer Anzahl größer als 1 und einer dementsprechend
beliebigen Anzahl an "Softwaretunern" erweiterbar.
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Es
wird im Folgenden auf die Zeichnungsfigur 9 Bezug genommen,
die eine Kombination der Erfindung mit analogen Tunern für
die Integration weiterer Dienste und Frequenzbereiche darstellt.
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Für
Frequenzbereiche, für die eine Direktabtastung aufgrund
der beschränkten Leistungsfähigkeit heutiger ADCs
nicht ökonomisch und effizient ist, kann das Direktabtastungskonzept
mit herkömmlichen Mischkonzepten kombiniert werden. Wesentlich
für den Erfindungsgedanken ist hierbei eine effiziente
und möglichst optimale Ausnutzung des ADC-Dynamikbereiches.
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In
der Darstellung aus 9 werden die direktabzutastenden
Nutzbänder (hier: AM- und FM-Band) der Antennen 1, 1' in
den Selektionsmodulen 24, 24' breitbandig selektiert
und im Combiner 25 zu einem einzigen Eingangssignal für
den ADC 12 zusammengefasst. Im einfachsten Fall besteht
der Combiner aus einer direkten Zusammenführung von Eingangs-
und Ausgangsleitungen. Die Abtastrate fS des
ADCs ist so gewählt, dass das FM-Band nach Maßgabe
der Erfindung unterabgetastet (Frequenzlage in der 2. Nyquistzone)
und das AM-Band überabgetastet wird.
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Für
die Integration von weiteren Frequenzbändern werden von
den Antennen 1'', 1''' Signalfrequenzbänder
mittels eines oder mehrerer analoger Tuner 29, 29' auf
eine oder mehrere Zwischenfrequenzen (IF1, IF2) umgesetzt. Diese
Zwischenfrequenzsignale werden mittels eines Combiners 25' zusammengeführt
und in einem weiteren ADC 12' oder einem weiteren ADC-Kanal
abgetastet. Bei geeigneter Wahl der Zwischenfrequenzen und bei ausreichender
Selektion der Zwischenfrequenzsignale wird erreicht, dass eine gleichzeitige
Digitalisierung der Zwischenfrequenzsignale ohne wesentliche Aliasingbeeinflussung
möglich ist. Die Verwendung mehrerer gleicher Tuner bietet
die Möglichkeit des Antennenschalt- und Phasendiversity
oder den gleichzeitigen Empfang mehrerer Kanäle oder Dienste
auf unterschiedlichen Frequenzen. Die Auswertung der Signale auf
den Zwischenfrequenzen erfolgt wie bei der Direktabtastung mittels
mehrerer auf der DSPE 14 implementierter digitaler Tunerpfade,
mittels derer ebenfalls eine gleichzeitige Auswertung der im ADC 12 direktabgetasteten
Kanäle möglich ist.
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Eine
Erweiterung dieses Konzeptes auf zusätzliche Bänder
und ADC-Kanäle ist ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung.
Beispielsweise kann dem ADC 12' parallel zu den beiden
Tunerpfaden 29, 29' über den Combiner 25' ein
weiteres direktabgetastetes FM-Band für die Implementierung
von Antennen- oder Phasendiversity zugeführt werden. Alternativ kann
die Integration weiterer direkt abzutastender Bänder auch über
einen oder mehrere zusätzliche ADC oder ADC-Kanäle
erfolgen.
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Die
Zuführung dieses Bandes zu der DSPE ist ebenfalls über
einen weiteren ADC oder ADC-Kanal möglich.
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Es
wird im Folgenden auf die Zeichnungsfigur 10 Bezug genommen,
die eine Kombination der Erfindung mit analogen Tunern für
die Integration weiterer Dienste und Frequenzbereiche mit optimierter
Frequenzbereichsausnutzung der ADCs darstellt.
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Gegenüber
der Darstellung aus 9 werden die beiden Zwischenfrequenzsignale
(IF1, IF2) und die direktabzutastenden Ausgangssignale der Selektionsmodule 24, 24' nun
nicht demselben ADC bzw. ADC-Kanal zugeführt, sondern sie
werden auf die beiden ADCs 12, 12' aufgeteilt
und jeweils mittels eines Combiners 25'', 25''' dem
jeweiligen ADC zugeführt. Da die Zwischenfrequenzsignale
für den Empfang einzelner Kanäle gegenüber
dem direktabgetasteten Band meist schmalbandig sind, wird eine bessere
Ausnutzung des verfügbaren ADC-Eingangsfrequenzbereiches
ermöglicht. Bei gleichem Aliasingschutz wie in der Anordnung
in 9 kann die erforderliche Abtastrate fS der
ADC für die Anordnung nach 10 reduziert
werden.
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Auch
für diesen konzeptionellen Ansatz ist eine Ausweitung auf
weitere ADCs oder ADC-Kanäle oder weitere Zwischenfrequenzsignale
und Direktabtastungsbänder im Erfindungsgedanken mit inbegriffen.
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Ebenfalls
im Erfindungsgedanken inbegriffen ist die Verwendung von Umschaltern
anstatt Combinern. Für eine derartige Anordnung wird ein
erhöhter Aliasingschutz erreicht, auf Kosten eines Verlustes der
gleichzeitigen Empfangbarkeit der dem Schalter (bzw. Combiner) zugeführten
Signale. Implizit kann ein derartiges Verhalten auch über
eine Absenkung bzw. eine zusätzliche Dämpfung
der Pegel in den analogen Tunern und/oder den Selektionsmodulen unter
Beibehaltung der Combiner erreicht werden.
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Es
wird im Folgenden auf die Zeichnungsfigur 11 Bezug genommen,
die eine Kombination der Erfindung mit einem Antennenschaltdiversity
darstellt.
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Von
mehreren Antennen 1, 1', 1'' wird stets nur
eine Antenne über einen Schalter 31 dem Direktabtastungsempfänger
bestehend aus dem Selektionsmodul 24, (hier: für
den FM-Empfang eingerichtet), dem ADC 12 mit der Abtastfrequenz
fS, den DACs 23, 15, 15' und
der DSPE 14 zugeführt. Die Logik für
die Umschaltung zwischen den Antennen ist im Diversitymodul 30 integriert.
Alternativ kann diese Logik auch in einer digitalen Implementierung
in der DSPE enthalten sein, in der eine Auswertung des digitalisierten
Empfangssignals erfolgt, auf dessen Basis zwischen den Antennen
umgeschaltet wird.
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Dieses
Konzept ermöglicht die Empfangssignaloptimierung mittels
Antennenschaltdiversity für ein begrenztes Frequenzband
bzw. einen einzelnen Kanal, was für viele Anwendungsfälle
ausreichend ist. Gegenüber einem Direktabtastungsempfänger mit
Phasendiversity für alle Empfangskanäle, für
den das komplette Nutzband mindestens zweifach direktabgetastet
werden muss, wird der Hardwareaufwand für dieses Antennenschaltdiversitykonzept deutlich
reduziert, da das Nutzband nur einfach abgetastet wird. Dieses Antennenschaltdiversitykonzept
lässt sich auf alle bisher dargestellten Formen der Erfindung
ausweiten, welche damit ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „A
Software Defined Multistandard Tuner Platform for Automotive Applications",
T. Müller, M. Sliskovic, J. -F. Luy, H. Schöpp,
Zeitschrift Frequenz, Berlin, Vol. 68, Part 5/6, Seiten 136 bis 139,
Fachverlag Schiele & Schön
GmbH, 2004 [0007]