DE102008047937A1

DE102008047937A1 - Rundfunk-Empfangssystem

Info

Publication number: DE102008047937A1
Application number: DE200810047937
Authority: DE
Inventors: Christian Heuer
Original assignee: Delphi Delco Electronics Europe GmbH
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-03-25
Also published as: US8836591B2; US20100066618A1

Abstract

Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses eines für ein Fahrzeug bestimmten, aus mehreren jeweils ausgeprägte Strahlungscharakteristika mit Richtwirkung aufweisenden Antennen (4, 6) bestehenden Rundfunk-Empfangssystems wird vorgeschlagen, die Antennen (4, 6) in dem Fahrzeug mit der Maßgabe auf räumliche Sektoren auszurichten, dass sich deren individuelle Strahlungscharakteristika zu einer bestimmten geforderten Strahlungscharakteristik ergänzen. Zu diesem Zweck werden die Signale der Antennen (4, 6) unter Zwischenanordnung von Verstärkern (10, 11) in einem aktiven Combiner (8) zusammengeführt und ein Summensignal über eine ausgangsseitige Leitung (12) einem Empfänger zugeführt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rundfunk-Empfangssystem entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Rundfunk-Empfangssysteme, bei denen die Signale mehrerer Antennen zur Verbesserung der Empfangsqualität eines Empfängers umgesetzt werden, sind beispielsweise in der Form der Diversity-Systeme im Gebrauch.
Diversity-Systeme, die zum Empfang von FM-Rundfunksignalen in Fahrzeugen bestimmt sind, bei denen mehrere Antennen eingangsseitig an ein Diversity-Modul angeschlossen sind, das ausgangsseitig über eine HF-Leitung mit einem Empfänger in Verbindung steht, wobei über die HF-Leitung ein Summensignal läuft, bestehend aus zwei ausgewählten Antennensignalen, deren eines eine Phasendreheinrichtung durchlaufen hat, sind beispielsweise aus der EP 1 763 151 A2 bekannt. Das Diversity-Modul ist dort durch zwei in einem Summierglied zusammengeführte Signalpfade gekennzeichnet, deren einer die als digital adressierbares Bauelement ausgebildete Phasendreheinrichtung enthält und deren jeder über einen durch eine Steuereinrichtung adressierbaren Signalwahlschalter eingangsseitig mit den Antennen in Verbindung steht. Der Signalwahlschalter ist in Abhängigkeit von der Qualität des Summensignals, insbesondere dem Auftreten von Störungen, zur Herstellung einer Verbindung zwischen den beiden Signalpfaden mit zwei aus der Gruppe der eingangsseitigen Antennen ausgewählten Antennen eingerichtet, wobei nach Maßgabe einer in der Steuereinrichtung abgelegten Phasenwertematrix die den einzelnen Stellungen der Signalwahlschalter fest zugeordneten diskreten Phasendrehwinkel eingestellt werden. Die diskreten Werte der Phasendrehwinkel sind auf der Grundlage der Strahlungsdiagramme der am Fahrzeug montierten Antennen mit Hinblick auf die Darstellung einer maximalen Diversity-Effizienz und einer möglichst kleinen Anzahl diskreter Werte der Phasenwinkel gewählt.
Unter Diversity-Effizienz ist nach dieser Fundstelle ein die Leistungsfähigkeit einer Mehrantennenanlage beschreibender Parameter zu verstehen, welcher der Anzahl der fiktiv verfügbaren dekorrelierten Empfangssignale entspricht. Im Summierungspunkt wird keine absolut gleichphasige Einstellung der zu summierenden Signale sondern eine solche Zusammenfassung angestrebt, welche ein maximales Signal/Rausch-Verhältnis liefert.
Aus der EP 1 126 631 B1 ist ein weiteres Diversity-System bekannt, das sich von dem vorstehend beschriebenen im wesentlichen dadurch unterscheidet, dass vor einem Summierungspunkt, an dem die Signalpfade zusammengeführt werden, im Verlauf des einen Pfades eine Phasendreheinrichtung angeordnet ist, die die zu summierenden Signale phasengleich ausrichtet. Das dann gebildete Summensignal wird anschließend einer Demodulation zugeführt. Die Vorgänge der Summierung der beiden Signalpfade sowie der Phasendrehung im Bereich des einen Signalpfades sind in eine Empfangseinrichtung verlagert, und es ist eine Mehrantennenanlage, die räumlich getrennt von der Empfangseinrichtung angeordnet ist, mit adressierbaren Auswahlschaltern versehen, über welche beliebige Verbindungen zwischen den beiden Signalpfaden sowie einer jeden der mehreren Antennen herstellbar sind. Mittels eines das Summensignal prüfenden Störungsdetektors ist bei Auftreten einer Störung anhand einer in einer logischen Schalteinrichtung der Mehrantennenanlage matrixartig abgelegten Liste möglicher Schaltstellungen der Auswahlschalter ein Weiterschalten in eine andere Konstellation dieser Schalter eingerichtet, und zwar unter Regelung der Phasendreheinrichtung nach Maßgabe eines maximalen Signal/Rausch-Verhältnisses.
Ein Wesensmerkmal dieser bekannten Anlagen besteht darin, dass Maßnahmen zur Berücksichtigung bzw. Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses im wesentlichen auf die Auswahl von Antennensignalen beschränkt sind, die in einem Summierungspunkt zumindest angenähert phasengleich zusammengefasst werden.
Für eine Antennenanordnung, die für den mobilen Empfang in Fahrzeugen bestimmt ist, insbesondere für den Satellitenempfang (z. B. Sirius oder XM), bei welchem ein Beamforming, nämlich ein Ausrichten auf den Satelliten nicht vorgesehen ist, wird häufig eine halbkugelförmige Strahlungscharakteristik gefordert. Dies führt jedoch im Vergleich zu einem Beamforming zu einer unvermeidbaren Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses. Die Ursachen der über die Antennen unvermeidbar eingekoppelten Störungen sind vielfältig, und es können diese störenden Signalanteile jedenfalls durch bloße Verstärkung nicht beseitigt werden. Diese wirken sich in jedem Fall mindernd auf die Empfangsqualität aus.
Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, ein Rundfunk-Empfangssystem der eingangs bezeichneten Art in einfacher Weise mit Hinblick auf ein günstiges Signal/Rausch-Verhältnis zu gestalten.
Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen System durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
Erfindungswesentlich ist hiernach, dass eine Rundumcharakteristik des Empfangssystems dadurch erreicht wird, dass die Signale mehrerer solcher Antennen zusammengefasst werden, die in dem Fahrzeug mit der Maßgabe positioniert sind, dass sich deren individuelle Strahlungscharakteristika zu einer bestimmten geforderten Strahlungscharakteristik ergänzen. Vorausgesetzt wird hierbei, dass die Strahlungscharakteristika der einzelnen Antennen jeweils eine ausgeprägte Richtwirkung aufweisen, so dass, bezogen auf die einzelne Antenne, dämpfende Einflüsse der Umgebung, insbesondere jedoch Störsignale aus einer anderen als der ausgeprägten Richtung, nahezu keine Wirkung entfalten. Indem jedoch die einzelnen Antennen unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Strahlungscharakteristika mit der Maßgabe positioniert sind, dass sich deren Strahlungscharakteristika räumlich zu einer zumindest angenäherten Rundumcharakteristik ergänzen, befindet sich immer unabhängig von einer Fahrzeugbewegung, insbesondere einer Fahrzeugorientierung zu einem Sender, durchschnittlich mindestens jeweils eine Antenne aufgrund ihrer Richtwirkung in einer angenähert optimalen Empfangsposition. Auf diese Weise ist im Vergleich zu einer einzelnen Antenne mit einer Rundumcharakteristik in einfacher Weise ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis erzielbar.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Signale der einzelnen Antennen zuerst separat verstärkt und anschließend zusammengefasst werden. Aufgrund der Richtwirkung der einzelnen Antennen können die sonst unvermeidbar ebenfalls verstärkten Störungen, darunter auch Rauschen, in Grenzen gehalten werden.
Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 4 sind auf alternative Ausgestaltungen der Antennen des Rundfunk-Empfangssystems gerichtet. Grundsätzlich kann dieses zum Empfang terrestrischer Signale des Bild- und Tonrundfunks eingerichtet sein, somit für eine lineare Polarisation. Es kommt jedoch auch eine Anwendung im Bereich des Satellitenempfangs in Betracht, somit für ein zirkular polarisiertes Feld. Hierbei können grundsätzlich beliebige, an die zu empfangenden Wellen angepasste Antennen, die jeweils eine ausgeprägte Richtwirkung aufweisen, eingesetzt werden, wobei über die Einbauposition der Antennen in dem Fahrzeug stets eine gleichförmige Rundumcharakteristik angestrebt wird, so dass unabhängig von der Fahrzeugposition und -orientierung im wesentlichen gleichmäßige, durch ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis gekennzeichnete Empfangsbedingungen gegeben sind.
Das erfindungsgemäße Rundfunk-Empfangssystem, insbesondere dessen Antennen ist/sind entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 5 und 6 vorteilhaft auch in bzw. zusammen mit einem Diversity-System nutzbar. In an sich bekannter Weise kann, ausgehend von einer Bewertung der Empfangsqualität der Signale der einzelnen Antennen, entweder eine einzelne Antenne auf die zu dem Empfänger führende Leitung geschaltet werden oder auch eine Gruppe von Antennen, deren jeweils zusammengefasste Signale ein aktuell bestmögliches Empfangssignal darstellen. Von Vorteil für die weitere Umsetzung der Signale der Antennen in einem Diversity-System ist in jedem Fall der Umstand, dass ein Einfluss von über die Antennen eingekoppelten Störungen kleinstmöglich gehalten ist. Weiterhin von Vorteil ist, dass Störungen unmittelbar im Bereich der Antennen reduziert werden.
Durch eine Anordnung von Phasenschiebern in wenigstens einem Teil der zu den Antennen führenden Leitungszweige entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 7 kann die Qualität des einem Empfänger zugeführten Signals weiter verbessert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung eines herkömmlichen Prinzips einer aktiven Antennenanordnung;
2 eine Darstellung eines herkömmlichen Prinzips einer phasenoptimierten Zusammenfassung der Signale von zwei Antennen;
3 eine Darstellung eines erfindungsgemäß erweiterten Prinzips einer aktiven Antennenanordnung;
4, 5 beispielhafte Darstellungen der Strahlungscharakteristik jeweils einer Antenne;
6 ein Beispiel für eine Strahlungscharakteristik einer erfindungsgemäßen Mehrantennenanordnung;
7 eine verallgemeinerte Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips einer Zusammenfassung der Signale von zwei Antennen;
8 eine Erweiterung des Prinzips der 7 auf mehr als zwei Antennen;
9 eine Zusammenfassung des erfindungsgemäßen Prinzips mit einer Diversity-Schaltung.
1 zeigt das allgemein bekannte Grundkonzept einer aktiven Antenne, bestehend aus einer Antenne 1, deren Signal über einen Verstärker 2 geführt ist, wobei sich nach Maßgabe der konkreten Gestaltung der Antenne 1 sowie der Polarisation des zu empfangenden Feldes eine azimutal gleichförmige Strahlungscharakteristik 3 ergibt.
Zwar ist eine solche Strahlungscharakteristik bei einer Verwendung in einem Fahrzeug mit ständigem Richtungswechsel der Fahrbewegung grundsätzlich erwünscht – sie mindert jedoch auch infolge ständig wechselnder Umgebungseinflüsse durch Dämpfung, Mehrwegeempfang, Störsignale usw. die Empfangsqualität dadurch, dass zusätzlich zu einem Nutzsignal unerwünschte Signalanteile zwangsläufig eingekoppelt und gleichermaßen verstärkt werden, so dass dementsprechend das Signal/Rausch-Verhältnis verschlechtert werden kann. Dieser somit völlig unselektive Empfang kann nach Maßgabe der jeweiligen örtlichen Bedingungen von erheblich beeinträchtigter Qualität sein.
2 zeigt ein dem eingangs dargelegten Stand der Technik entsprechendes Prinzip einer phasenoptimierten Addition der Signale von zwei Antennen 13, 14 in einem Combiner 15, dessen Summensignal nach Verstärkung in zwei hintereinander geschalteten Verstärkern 16, 17 umgesetzt wird. Wesentlich ist hierbei, dass die Signale der einzelnen Antennen 13, 14 stets zunächst zusammengefasst werden und erst anschließend ein Summensignal verstärkt wird.
Erfindungsgemäß wird entsprechend 3 vorgeschlagen, eine erste Antenne 4, deren Strahlungscharakteristik 5 in 4 gezeigt ist, und eine zweite Antenne 6, deren Strahlungscharakteristik 7 in 5 gezeigt ist, in einem aktiven Combiner 8 zusammenzuführen und ein Summensignal zu bilden, so dass sich aus dieser Überlagerung wenigstens zweier Antennensignale eine bestimmte geforderte Strahlungscharakteristik 9 gemäß 6 ergibt. Die Darstellung gemäß 3 ist beispielhaft durch lediglich zwei Antennen 4, 6 gekennzeichnet. Es kann jedoch aus drei und mehr Antennensignalen auf diesem Wege über einen Combiner ein Summensignal gebildet werden.
Die Antennen 4, 6 weisen jeweils Strahlungscharakteristika mit einer ausgeprägten Richtwirkung auf, wie sie beispielhaft in den 3 und 4 gezeigt ist. Zumindest bei einem Teil der Antennen 4, 6 kann es sich um linear polarisierende Elemente einer zirkular polarisierenden Antennenanordnung handeln, deren Eingangssignale nach jeweiliger Verstärkung mittels der Verstärker 10, 11 in dem 90° Phasen-Combiner 8 addiert werden. Am Ausgang 12 des Combiners 8 steht somit ein gegenüber der Antennenanordnung gemäß 1 ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis aufweisendes Signal zur Verfügung, welches über einen Verstärker 18 einem Empfänger zugeführt wird.
Die Verstärker 10, 11 einerseits und 18 andererseits bilden jeweils eine erste und eine zweite Verstärkungsstufe.
Wesentlich ist, dass die wenigstens zwei Antennen 4, 6 unter Berücksichtigung ihrer individuellen Strahlungscharakteristika 5, 7 sowie der Eigenschaften des zu empfangenden Feldes jeweils auf räumliche Sektoren ausgerichtet sind und durch die Zusammenfassung von Signalen eine bestimmte geforderte Strahlungscharakteristik erzielbar ist.
In den Zeichnungsfiguren 7 bis 9 sind Funktionselemente, die mit denjenigen der 3 übereinstimmen, entsprechend beziffert, so dass auf eine diesbezügliche wiederholte Beschreibung verzichtet werden kann.
In der Darstellung gemäß 7 ist das Prinzip gemäß 3 dahingehend verallgemeinert, dass über einen Combiner 19, der in einem mit der Antenne 4 in Verbindung stehenden Leitungszweig einen variablen Phasenschieber 20 enthält, so dass eine hinsichtlich der Phasenlage optimierte Addition der Signale der beiden Antennen 4, 6 ermöglicht wird.
8 zeigt eine Erweiterung des Prinzips der 7 auf drei und mehr Antennen 4, 6, 24, wobei in jedem Leitungszweig einer Antenne vor einem Combiner 21 ein Verstärker 10, 11, 25 angeordnet ist und wobei jedem Leitungszweig ein Phasenschieber 20, 22, 23 zugeordnet ist. Auf einen der gezeigten drei Phasenschieber 20, 22, 23 kann jedoch verzichtet werden.
9 zeigt die Zusammenfassung des erfindungsgemäßen Prinzips mit einer Diversity-Schaltung 26, welche mit Schaltern 27, 28, 29 in den Leitungszweigen der Antennen 4, 6, 24 in Wirkverbindung steht, so dass an einem Summierungspunkt 30 ein Summensignal gebildet ist, welches nach Maßgabe der Empfangsqualität der einzelnen Antennen der Addition der Signale aller Antennen oder einer Gruppe ausgewählter Antennen entspricht. In einem Grenzfall kann es sich auch um das Signal lediglich einer Antenne der gezeigten Mehrantennenanordnung handeln.
Jeder Leitungszweig ist wiederum mit einem variablen Phasenschieber 20, 22, 23 ausgerüstet, so dass die Darstellung einer hinsichtlich der Phasenlage optimierten Addition der Signale möglich ist.
Anstelle variabler Phasenschieber kommen auch solche Elemente in Betracht, welche eine festgelegte Phasenverschiebung bewirken.
Gemeinsam ist allen Darstellungen der 7 bis 9, dass vor einer Addition der Signale, somit unmittelbar der Antenne 4, 6, 24 nachgeordnet, eine erste Verstärkungsstufe eingerichtet ist, welche durch die Verstärker 10, 11, 25 dargestellt ist. Eine zweite Verstärkungsstufe, durch den Verstärker 18 dargestellt, befindet sich erst in dem das Summensignal führenden Leitungszweig.
Auf eine zweite Verstärkungsstufe kann an sich verzichtet werden. Sie wird jedoch regelmäßig infolge der Dämpfung durch die Phasenschieber und aufgrund der eingangsseitigen Anforderungen des nachgeordneten Tuners benötigt.

1: Antenne
2: Verstärker
3: Strahlungscharakteristik
4: Antenne
5: Strahlungscharakteristik
6: Antenne
7: Strahlungscharakteristik
8: Combiner
9: Strahlungscharakteristik
10: Verstärker
11: Verstärker
12: Ausgang
13: Antenne
14: Antenne
15: Combiner
16: Verstärker
17: Verstärker
18: Verstärker
19: Combiner
20: Phasenschieber
21: Combiner
22: Phasenschieber
23: Phasenschieber
24: Verstärker
25: Verstärker
26: Diversity-Schaltung
27: Schalter
28: Schalter
29: Schalter
30: Summierungspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1763151 A2 [0003]
- EP 1126631 B1 [0005]

Claims

Rundfunk-Empfangssystem für ein Fahrzeug bestehend aus einer Anordnung mehrerer, in dem Fahrzeug eingebauter, jeweils eine Strahlungscharakteristik mit ausgeprägter Richtwirkung aufweisender Antennen (4, 6, 24) und einer zur Übertragung eines Empfangssignals zu einem Empfänger bestimmten Leitung (12), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Antenne (4, 6, 24) ein separater Verstärker (10, 11, 25) zugeordnet ist, dass hinter den Verstärkern ein gemeinsames Auswahl- und Summierglied angeordnet ist, und dass jede Antenne (4, 6, 25) in dem Fahrzeug mit der Maßgabe positioniert ist, dass sich die individuellen Strahlungscharakteristika aller Antennen (4, 6, 25) zumindest angenähert zu einer geforderten Strahlungscharakteristik ergänzen.
Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Antennen (4, 6, 24) linear polarisierende Elemente einer zirkular polarisierenden Antennenanordnung sind.
Empfangssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (4, 6, 24) zum Empfang terrestrischer Signale eingerichtet sind.
Empfangssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (4, 6, 24) für den Satellitenempfang eingerichtet sind.
Empfangssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die n Antennen (4, 6, 24) mit einer Diversity-Schaltung (26) in Verbindung stehen, welche mit der Maßgabe angelegt ist, dass zumindest eine, das qualitativ beste Signal führende Antenne auf die Leitung (12) geschaltet ist.
Empfangssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diversity-Schaltung (26) ferner mit der Maßgabe angelegt ist, dass von den n Antennen (4, 6) N Antennen, welche zusammengefasst das qualitativ beste Signal führen, auf die Leitung (12) geschaltet sind, und zwar unter der Bedingung 2 ≤ N ≤ n.
Empfangssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Teil der Leitungszweige zwischen dem Auswahl- und Summierglied und den Antennen (4, 6, 24) Phasenschieber (20, 22, 23) vorgesehen sind.