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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft generell Funksysteme mit großer Bandbreite, die dazu ausgelegt sind, sich an verschiedene globale Funknormen anzupassen, und insbesondere an eine Mobilfunkarchitektur, die eine Kombination aus einem einzelnen Zirkulator, einem programmierbaren Bandpass-Abtastungs-Funkfrequenz(RF)-Frontend und einem optimierten digitalen Basisband verwendet, das in der Lage ist, alle aktuellen drahtlosen Mobilfunkzugangsprotokoll-Frequenzbänder zu unterstützen.
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Erläuterung des Standes der Technik
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Traditionelle Mobiltelefone verwenden unterschiedliche Betriebs-Modi und -bänder, die in der Hardware dadurch unterstützt werden, dass mehrere getrennte Radio-Frontend- und Basisband-Verarbeitungschips in einer Plattform integriert sind, wie Tri-Band oder Quad-Band-Benutzer-Handgeräte, die das Globale System für Mobilkommunikation (GSM), den General Packet Radio Service (GPRS) usw. unterstützen. Bekannte Mobilfunkempfänger haben einige der Antennen- und Basisband-Datenpfade integriert, aber dennoch bleibt der aktuelle Stand der Technik für den flächendeckenden Einsatz von mobilem und Fahrzeugfunk ein vielfacher, statischer Kanalisierungsansatz. Eine derartige statische Architektur ist besonders abhängig von schmalbandigen Filtern, Duplexern und standard-spezifischer Abwärtsmischung auf zwischenfrequente (IF) Stufen. Der Hauptnachteil dieses statischen, kanalisierten Ansatzes ist seine fehlende Flexibilität hinsichtlich veränderter Normen und Betriebsmodi. Während die Mobilfunkindustrie sich von 2G, 3G, 4G und darüber hinaus weiterentwickelt hat, hat jede neue Wellenform und jeder neue Modus eine Umkonstruktion des RF-Frontends und des Empfängers sowie die Erweiterung der vorgegebenen Kapazitäten des Basisband-Chipsatzes erforderlich gemacht, wodurch auch ein neues Handgerät notwendig wurde. Für Automobilanwendungen ist diese fehlende Flexibilität bei der Unterstützung aufkommender Anwendungen unerschwinglich teuer, für die Endnutzer stellt sie eine Belästigung dar.
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Das Bereitstellen eines zuverlässigen drahtlosen Zugangs für Fahrzeuge ist eine Herausforderung für die Automobilhersteller, da die Verfahren und Architekturen im Bereich der Mobilfunkkonnektivität weltweit sehr unterschiedlich sind. Ferner ändern sich die Normen und Technologien ständig, und ihr Entwicklungszyklus ist normalerweise um ein Vielfaches schneller als die mittlere Lebensdauer eines Fahrzeugs. Genauer gesagt werden aktuelle RF-Frontend-Architekturen für Fahrzeugradios für spezifische RF-Frequenzbänder entwickelt. Spezielle Hardware, die für die jeweilige Frequenz eingestellt wird, muss auf der Radioplattform für das bestimmte Frequenzband installiert werden, mit dem das Radio laufen soll. Wenn also Mobilfunkanbieter ihr bestimmtes Frequenzband ändern, kann das bestimmte Fahrzeug, für das das bisherige Band eingestellt wurde und das eine Lebensdauer von 15–20 Jahre hat, unter Umständen mit dem neuen Band nicht mehr effizient betrieben werden. Daher müssen die Automobilhersteller unzählige Plattformen, Komponenten und Lieferanten pflegen, um jede eingesetzte Norm zu unterstützen und die Aktualisierungsfähigkeit bereitzustellen, für den Fall, dass sich die Mobilfunklandschaft ändert. Das ist ein teures und komplexes Unterfangen.
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Bekannte software-definierte Funkarchitekturen fokussieren sich normalerweise auf nahtlose Basisbandoperationen zur Unterstützung mehrerer Wellenformen und weisen ähnliche Abwärtsmischungs-zu-Basisband-Spezifikationen auf. Desgleichen wurden auf der Senderseite parallele Leistungsverstärkerketten für unterschiedliche Frequenzbänder typischerweise verwendet, um unterschiedliche Wellenformnormen zu unterstützen. Somit waren Empfänger-Frontend-Architekturen normalerweise einfache, direkte Abtast- oder einstufige Mischverfahren mit einfachen Leistungsspezifikationen. Insbesondere hat keine bisherige Anwendung einen dynamischen Bereich von mehr als 110 dB mit einem zugehörigen IP3-Faktor und Leistungsmanagementanforderungen erfordert, gerade weil ein derartiger Leistungsbedarf mit analogen, komplementären Metalloxidhalbleiter(CMOS)-Technologien nicht realisierbar war. Es war nie klar, wie diese Metriken unter Verwendung vorhandener Architekturen für CMOS-Geräte erzielt werden können. Das macht das Sensitivitäts- und Multimodus-Interleaving im dynamischen Bereich sowohl für den Multi-Bit-Analog-nach Digital-Wandler (ADC) als auch für den Digital-nach-Analog-Wandler (DAC) im Wesentlichen zu einem sehr schwierigen Problem.
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Delta-Sigma-Modulatoren werden bei digitalen Empfängern häufiger eingesetzt, da sie nicht nur einen Breitbandbetrieb im hohen dynamischen Bereich ermöglichen, sondern auch viele abstimmbare Parameter aufweisen, die sie zu guten Kandidaten für rekonfigurierbare Systeme machen. Es wäre wünschenswert, über ein neues situatives Hochfrequenz-Wachsamkeitsttool zu verfügen, das mit einer software-definierten Funkarchitektur verwendet werden kann, um die Dienste zu verbessern, die einem Mobilfunknutzer bereitgestellt werden können. Insbesondere ist es wünschenswert, die Trägerauswahl zu verbessern und die in den Automobilanwendungen eines Multifunktions-Sender-Empfängers zu verwendenden Optimierungsprotokolle zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Bestimmen eines Orts, Bestimmen einer dem Ort zugeordneten Wellenform, Konfiguration eines Software Defined Radio gemäß dem Wellenform-Parameter, und Dekodierung eines Signals, das gemäß dem Wellenform-Parameter kodiert wurde.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ferner eine Vorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Ortungssensor zur Bestimmung eines Orts, einen Speicher zum Speichern eines Wellenform-Parameters und ein software-definiertes Radio zum Abrufen des Wellenform-Parameters in Reaktion auf den Ort und zum Konfigurieren des software-definierten Radios in Reaktion auf den Wellenform-Parameter. Das software-definierte Radio kann ferner ein Signal entsprechend des Wellenform-Parameters dekodieren.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Blockdiagramm einer bekannten multimodalen, Multiband-Mobilfunkkommunikations-Handgerätearchitektur;
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer software-programmierbaren, anwendbaren Mobilfunk-Radioarchitektur;
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3 zeigt ein exemplarisches System für die Implementierung einer standortbezogenen, Software Defined Radio(SDR)-Optimierungsarchitektur.
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4 zeigt ein exemplarisches System für die Implementierung einer standortbezogenen, Software Defined Radio(SDR)-Optimierungsarchitektur.
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5 ist ein Sender-Empfänger für die Implementierung einer standortbezogenen, Software Defined Radio(SDR)-Optimierungsarchitektur.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung bezüglich einer Mobilfunkarchitektur ist lediglich exemplarischer Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einschränken. So wird beispielsweise die Funkarchitektur der Erfindung beschrieben als Anwendung für ein Fahrzeug. Wie Fachleute auf dem Gebiet jedoch wissen, kann die Funkarchitektur auch andere Anwendungen als finden.
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Die hier erörterten Mobilfunkarchitekturen sind nicht nur auf Mobilfunktechnologien, wie beispielsweise WiFi-Technologien (IEEE 802.11), anwendbar. Weiter werden die Mobilfunkarchitekturen als drahtloses, vollständiges Duplex-System dargestellt, das heißt, als ein System, das sowohl sendet als auch empfängt. Für Drahtlosdienste, die nur empfangen werden, wie Global Positioning System (GPS), Global Navigation Satellite System (GNSS) und verschiedene Unterhaltungswellen, wie MW/UKW, Digital Audio Broadcasting (DAB), SiriusXM usw., wäre nur das hier beschriebene Empfängerdesign erforderlich. Das beschriebene Funkarchitekturdesign wird es einer Radiohardware auch ermöglichen, global betrieben zu werden und sich über Software-Aktualisierungen an verschiedene globale Darahtlosstandards anzupassen. Es ermöglicht auch eine längere Nutzungsdauer des Radiohardwaredesigns, weil sich das Radio an neue Drahtlosstandards anpassen kann, die auf den Markt kommen. 4G-Funktechnik-Entwicklungen und Frequenz-Zuordnungen sind beispielsweise sehr dynamisch. Damit kann eine Radiohardware, die sich schon auf dem Markt befindet, nach nur ein oder zwei Jahren obsolet werden. Für Anwendungen aus der Automobilindustrie kann die Lebensdauer zehn Jahre überschreiten. Diese Erfindung ermöglicht es einer fest installierten Hardwareplattform, durch Software-Aktualisierungen aktualisierbar zu sein und damit Nutzungsdauer und globale Wiederverwendung der Hardware zu verlängern.
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1 ist ein Blockschaltbild einer bekannten, multimodalen, Multi-Band-Mobilfunkarchitektur mit Nutzerhandgerät 10 für ein typisches Mobiltelefon. Die Architektur 10 beinhaltet einen Antennenaufbau 12, der HF-Signale an dem betreffenden Frequenzband empfängt und überträgt. Die Architektur 10 beinhaltet auch einen Schalter 14 im Frontend der Architektur 10, der auswählt, für welchen bestimmten Kanal das gesendete oder empfangene Signal gerade ist, und das Signal durch einen speziellen Filter- und Duplexersatz, dargestellt durch Box 16, an den jeweiligen Kanal leitet. Modul 18 stellt multimodale und analoge Multi-Band-Modulation und -Demodulation der Empfangs- und Sendesignale bereit und trennt die Signale in phasengleiche und quadratur-phasige Signale, die an einen Sender-Empfänger 20 gesendet werden oder von ihm empfangen werden. Der Sender-Empfänger 20 wandelt auch analoge Empfangssignale in digitale Signale und digitale Sendesignale in analoge Signale um. Ein digitaler Basisband-Signalprozessor 22 stellt die digitale Verarbeitung für die Sende- bzw. Empfangssignale für die spezielle Anwendung bereit.
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2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Mobilfunk-Frontend-Architektur 30, die software-programmierbare Fähigkeiten bereitstellt, wie nachfolgend im Detail erörtert. Die Architektur 30 beinhaltet einen Antennenaufbau 32 zum Empfangen und Senden der Mobilfunkfrequenzsignale, wie hier beschrieben, beispielsweise in einem Bereich von 400–3,6 GHz. Die von der Antennenstruktur 32 empfangenen und gesendeten Signale gehen durch einen Multiplexer 34, der drei Signalpfade beinhaltet, worin jeder Pfad für ein bestimmtes Frequenzband ausgelegt ist, wie in jedem Pfad festgelegt durch einen frequenzselektiven Filter 36. In dieser Ausführungsform wurden drei Signalpfade ausgewählt, die Architektur 30 könnte aber zu einer beliebigen Anzahl von Signalpfaden ausgeweitet werden. Jeder Signalpfad beinhaltet einen Zirkulator 38, der die Empfangs- und Sendesignale trennt und leitet und Isolation bereitstellt, so dass die übertragenen Hochleistungssignale nicht auf die Empfängerseite gelangen und die Empfangssignale an diesen Frequenzbändern sättigen.
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Die Architektur 30 beinhaltet auch ein Frontend-Sende-/Empfangsmodul 44, das sich hinter dem Multiplexer 34 befindet und ein Empfängermodul 46 beinhaltet, das die Empfangssignale verarbeitet, und ein Sendemodul 48, das die Sendesignale verarbeitet. Das Empfängermodul 46 beinhaltet drei Empfängerkanäle 50, einen pro Signalpfad durch den Multiplexer 34, wo ein anderer der Empfängerkanäle 50 wie dargestellt mit einem anderen der Zirkulatoren 38 verbunden ist. Jeder der Empfängerkanäle 50 beinhaltet einen Delta-Sigma-Modulator 52, der das analoge Signal an dem bestimmten Frequenzband empfängt und einen repräsentativen Strom an digitalen Daten unter Verwendung eines Interleaving-Verfahrens in Verbindung mit einer Anzahl von N-Bit-Quantisierer-Schaltungen erzeugt, die mit einer sehr hohen Taktrate laufen, wie nachfolgend im Detail erörtert. Wie weiter unten erörtert, vergleicht der Delta-Sigma-Modulator 52 die Differenz zwischen dem Empfangssignal und einem Rückkopplungssignal zur Erzeugung eines Fehlersignals, das repräsentativ für die empfangenen digitalen Daten ist. Die digitalen Datenbits werden einem digitalen Signalprozessor (DSP) 54 zur Verfügung gestellt, der den digitalen Datenstrom extrahiert. Ein digitaler Basisband-Prozessor (DBP) 56 empfängt und arbeitet auf dem digitalen Datenstrom zur weiteren Signalverarbeitung in einer Art und Weise, die Fachleuten bekannt ist. Das Sendermodul 48 empfängt die digitalen Daten, vom Prozessor 56 übertragen werden. Das Modul 48 beinhaltet eine Senderschaltung 62 mit einem Delta-Sigma-Modulator, der die digitalen Daten vom digitalen Basisband-Prozessor 56 in ein Analogsignal konvertiert. Das analoge Signal wird von einem einstellbaren Bandpassfilter (BPF) 60 gefiltert, um aus den Bandemissionen herausbewegt und an einen Schalter 66 gesendet zu werden, der das Signal an einen ausgewählten Leistungsverstärker 64 leitet, der für das gesendete Signalfrequenzband optimiert wurde. In dieser Ausführungsform wurden drei Signalpfade ausgewählt, das Sendemodul 48 kann jedoch unter Verwendung einer beliebigen Anzahl von Signalpfaden implementiert werden. Das verstärkte Signal wird an den jeweiligen Zirkulator 38 im Multiplexer 34 gesendet, je nachdem, auf welcher Frequenz übertragen wird.
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Wie aus der folgenden Erörterung offensichtlich wird, stellt die Konfiguration der Architektur 30 software-programmierbare Fähigkeiten durch hochleistungsfähige Delta-Sigma-Modulatoren bereit, die eine optimierte Leistung im betreffenden Signalband zur Verfügung stellen und über einen weiten Bereich von Trägerfrequenzen eingestellt werden können. Die Architektur 30 stimmt mit aktuellen Mobilfunk-Zugangsprotokollen über den Frequenzbereich 0,4–2,6 GHz überein, durch Dividieren des Frequenzbereichs in drei nicht-kontinuierliche Bänder. Jedoch wird angemerkt, dass andere Kombinationen von Signalpfaden und Bandbreite selbstverständlich möglich sind. Der Multiplexer 34 implementiert Frequenzbereichs-De-Multiplexing durch Leiten des am Antennenaufbau 32 empfangenen HF-Trägers in einen der drei Signalpfade. Umgekehrt wird das Sendesignal durch den Multiplexer 34 auf den Antennenaufbau 32 gemultiplext. Für drahtlose Fahrzeug-Zugangsanwendungen ist ein solches kostengünstiges integriertes Gerät wünschenswert, um Teilekosten, Komplexität und Veralterung zu reduzieren und global einen nahtlosen Einsatz zu ermöglichen.
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Die Delta-Sigma-Modulatoren 52 können nahe des Antennenaufbaus 32 angebracht werden, um so die HF-Empfangssignale im Empfangsmodul 46 direkt in Bits und Bits im Sendemodul 48 in ein HF-Signal zu konvertieren. Der Hauptvorteil der Verwendung von Delta-Sigma-Modulatoren 52 in den Empfängerkanälen 50 liegt darin, eine variable Signalerfassungsbandbreite und eine variable Mittenfrequenz zu ermöglichen. Dies ist möglich, weil die Architektur 30 eine Software-Manipulation der Modulator-Filterkoeffizienten zulässt, um die Signal-Bandbreite zu variieren und die Filtercharakteristiken im gesamten HF-Band einzustellen, wie nachstehend erläutert.
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Die Architektur 30 ermöglicht die Fähigkeit, die Signalerfassungs-Bandbreite zu variieren, die genutzt werden kann, um den Empfang von durchgehenden Träger-aggregierten Wellenformen zu aktivieren, ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Hardwareaufwands. Trägeraggregation ist eine Technik, mit der die Daten-Bandbreiten im Zusammenhang mit mehreren Trägern für normalerweise unabhängige Kanäle für einen einzigen Benutzer zusammengefasst werden, um viel größere Datenraten zu ermöglichen als ein einzelner Träger. Zusammen mit MIMO ist dieses Merkmal eine Anforderung in modernen 4G-Normen und wird aktiviert durch die Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)-Familie von Wellenformen, die eine effiziente spektrale Verwendung ermöglichen.
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Die Architektur 30 kann durch die Delta-Sigma-Modulatoren 52 die Situation für genaue Trägeraggregations-Szenarien und -Bandkombinationen durch Softwareabstimmung der Bandpassbandbreite handhaben und damit eine Multi-Segment-Erfassungsfähigkeit aktivieren. Der dynamische Bereich nimmt für breitere Bandbreiten ab, wo mehr Rauschen im Abtastungs-Bandpass zugelassen wird. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die Trägeraggregation normalerweise dann sinnvoll ist, wenn der Benutzer einen guten Signal-Rauschabstand hat und keine Mobilfunk-Begrenzungskanten vorliegen, wenn die Konnektivität selbst marginal sein kann. Zu beachten ist, dass die Interband-Träger-Aggregation automatisch von der Architektur 30 gehandhabt wird, da der Multiplexer 34 unabhängige Modulatoren in den Kanälen 50 speist.
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Die Zirkulatoren 38 leiten die Sendesignale vom Sendermodul 48 an den Antennenaufbau 32 weiter und stellen auch eine Isolierung zwischen den Hochleistungs-Sendesignalen und dem Empfängermodul 46 dar. Obwohl die Zirkulatoren 38 eine signifikante Signalisolierung bereitstellen, besteht einige Port-zu-Port-Leckage innerhalb des Zirkulators 38, der einen Signalpfad zwischen dem Sendermodul 48 und dem Empfängermodul 46 bereitstellt. Ein zweiter unerwünschter Signalpfad entsteht aufgrund von Reflexionen aus dem Antennenaufbau 32 und möglicherweise anderen Komponenten im Sender-Empfänger. Dadurch wird ein Teil des Sendesignals vom Antennenaufbau 32 aufgrund eines Fehlabgleichs zwischen der Impedanz der Übertragungsleitung und der Eingangsimpendanz der Antenne reflektiert. Diese reflektierte Energie folgt demselben Signalpfad wie das eingehende gewünschte Signal zurück zum Empfängermodul 46.
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Die Architektur 30 ist ebenfalls flexibel für die Aufnahme anderer drahtloser Verbindungsprotokolle. So kann beispielsweise ein Paar Schalter 40 und 42 vorgesehen werden, die durch den DBP 56 gesteuert werden, um die Empfangs- und Sendesignale durch bestimmte feste HF-Geräte 58 zu leiten, wie ein HF-Frontend-Modul in einem globalen System für Mobilkommunikation (GSM) oder ein WiFi-Frontendmodul. In dieser Ausführungsform werden einige bestimmte Signalpfade über herkömmliche HF-Geräte implementiert. 2 zeigt nur einen zusätzlichen Signalpfad, aber dieses Konzept kann je nach Einsatzfällen und Diensten auf eine beliebige Anzahl von zusätzlichen Signalpfaden erweitert werden.
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Delta-Sigma-Modulatoren sind eine bekannte Kategorie von Geräten zur Durchführung von Analog-Digital-Konvertierungen. Die wesentlichen Eigenschaften, die ausgenutzt werden, sind Überabtastung und Fehler-Rückkopplung (delta), die akkumuliert wird (sigma), um das gewünschte Signal in einen Impuls-modulierten Strom zu konvertieren, der anschließend gefiltert werden kann, um die digitalen Werte abzulesen und gleichzeitig das Rauschen über Shaping effektiv zu reduzieren. Die wichtigste Begrenzung der bekannten Delta-Sigma-Modulatoren ist das Quantisierungsrauschen im Impuls-Konvertierungsvorgang. Delta-Sigma-Wandler erfordern große Überabtastungsraten, um eine ausreichende Anzahl von Bitstrom-Impulsen für eine gegebene Eingabe zu produzieren. In Direktumwandlungs-Schemata ist die Abtastungsrate zur Vereinfachung der digitalen Filterung viermal größer als die HF-Trägerfrequenz. Somit haben erforderliche Multi-GHz-Abtastraten die Verwendung von Delta-Sigma-Modulatoren in Anwendungen mit höheren Frequenzen beschränkt. Eine andere Möglichkeit zur Rauschreduzierung war es, Delta-Sigma-Modulatoren einer höheren Kategorie zu verwenden. Während jedoch kanonische Delta-Sigma-Architekturen der ersten Kategorie stabil sind, können höhere Kategorien instabil sein, insbesondere angesichts der Toleranzen bei höheren Frequenzen. Aus diesen Gründen wurden Delta-Sigma-Modulatoren höherer Kategorien auf dem letzten Stand der Technik auf Audio- Frequenzbereiche beschränkt, d. h. auf zeitlich verschachtelte Delta-Sigma-Modulatoren, zur Verwendung bei Audio-Anwendungen oder speziellem Interleaving bei hohen Frequenzen.
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Der Filter-Eigenschaften eines Delta-Sigma-Modulators können wirkungsvoll modifiziert werden, um die Dopplerverschiebung zu kompensieren. Dopplerverschiebung tritt auf, wenn sich der Sender eines Signals in Bezug auf den Empfänger bewegt. Die relative Bewegung verschiebt die Signalfrequenz und macht sie am Empfänger anders als am Sender. Ein exemplarisches System gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt die software-definierte Funkarchitektur, um schnell eine Verschiebung der Trägerfrequenz zu schätzen und den Filter neu zu zentrieren, bevor das Signal unterbrochen wird oder verrauscht. Im Normalbetrieb wird die Kerbe des Modulator-Filters um die erwartete Trägerfrequenz des empfangenen Signals zentriert, wobei die Signalbandinformation um die Trägerfrequenz zentriert ist und die Bandbreite des Modulator-Filters nicht überschreitet. Eine Dopplerverschiebung würde den Träger um einen Betrag ∆f versetzen, was eine potenzielle Verschlechterung des Signalinhalts nach sich ziehen könnte, mit einem Rauschanstieg an einer Seite des Bandes. Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren und System kann sich der Empfänger in einem drahtlosen Mobilfunk-Kommunikationssystem durch Verschieben der Filterkerbe um denselben Betrag wie die Trägerfrequenz an Änderungen der HF-Trägerfrequenz anpassen und Signalintegrität aufrechterhalten.
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Für die hier erörterte Mobilfunkanwendung, die mehrere zugeordnete Frequenzbänder abdeckt, ist ein Sender mit Multimodus- und Multiband-Abdeckung erforderlich. Zudem steuern viele Anwendungen Sender, die beim Betrieb schnell zwischen Frequenzbändern einer einzigen Kommunikationsverbindung hin- und herschalten, was typische lokale Senderlösungen, die auf lokalen Oszillatoren (LO) beruhen, vor erhebliche Herausforderungen stellt. Das liegt daran, dass die Schaltzeit des LO-basierten Senders häufig durch die LO-Kanalumschaltungs-Zeit unter der Steuerung der Schleifenbandbreite des Frequenz-Synthesizer bestimmt wird, um 1 mHz. Daher liegt die erreichbare Kanalumschaltzeit bei mehreren Mikrosekunden, was leider für einen beweglichen Funk zu lang ist. Ein vollständig digitaler, PWM-basierter Multi-Standard-Sender, wie er in der Fachwelt bekannt ist, leidet an hohen Verzerrungen, und die Kanalumschaltzeit wird noch durch den LO bei der Trägerfrequenz bestimmt. Ein DDS als der LO verwendet werden, um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, aber diese Anordnung verbraucht erheblichen Strom und kann möglicherweise keinen hochfrequenten LO mit Bauteilen mit niedrigem Rauschanteil bereitstellen. Alternativ können einzelne Seitenbandmischer zur Erzeugung einer Anzahl von LOs mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen verwendet werden, die eine gemeinsame Phasenregelschleife (PLL) verwenden, deren Kanalumschaltzeiten schnell sein können. Dieser Ansatz kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl von LO-Optionen unterstützen. Alle zusätzlichen Kanäle zur Abdeckung des weiten Bereichs der erwarteten 4G-Bänder bräuchten zusätzliche Mischungen. Wie erörtert, wurden Sigma-Delta-Modulatoren in der Fachwelt vorgeschlagen, um als HF-Sender zu dienen, und diese Probleme zu überwinden. In der grundlegenden Architektur jedoch kann ein Sigma-Delta-Modulator aufgrund einer moderaten Taktfrequenz keinen sehr hohen dynamischen Bereich in einem Breitbandbetrieb bereitstellen. Gerade weil die Taktfrequenz durch heutige Technologie beschränkt ist, kann diese hochfrequente Betriebsart nicht unterstützt werden.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird ein exemplarisches System für die Implementierung einer standortbezogenen Software Defined Radio(SDR)-Optimierungsarchitektur dargestellt. Der vorgeschlagene Ansatz ist die komplementäre Integration von vier normalerweise unterschiedlichen Subsystemen eines Software Defined Radio: ein SDR-Frontend 350, eine Wellenform-Datenbank 310, ein Ortungssensor 320, ein Diagnosesystem 330 und ein Prozessor 340. Das SDR-Frontend 350 beinhaltet die abstimmbaren RF-Komponenten. Der Ortungssensor 320 kann mit einem GPS-Empfänger und/oder anderen Chipsätzen realisiert werden, einschließlich dem FlexRF-Frontend, das genaue oder angenäherte Ortsinformationen bereitstellen kann. Die Wellenform-Datenbank 310 ist die Firmware/Datenbank mit den spezifischen Trägervereinbarungen, der Wellenform-Datenbank und den Benutzerprofilen. Der Prozessor wird verwendet, um einen Maschinenanlern- und Verarbeitungsalgorithmus zu implementieren, der als zentrale Verarbeitungsmaschine für das System dient.
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Ein software-definiertes Radio bietet die Möglichkeit flexibler Radioparametereinstellungen. Um diese Parameter aber effektiv für eine bestimmte Konstellation oder einen bestimmten „Anwendungsfall“ einzustellen, sind Situationswachsamkeit hinsichtlich des Anwendungsfalls sowie jegliche Beschränkungen erforderlich. Es ist wünschenswert, anderweitig unterschiedliche Komponenten einer herkömmlichen Telematik- und Erfassungs-Infrastruktur aus dem Automobilbereich wirksam einzusetzen, sie mit den breiten HF-Erfassungsfähigkeiten eines echten software-definierten Radios zu integrieren und einen intelligenten und lernfähigen Rechner zu nutzen, der die Flexibilität des SDR leiten kann, um die notwendige situative Wachsamkeit effizient zu erzeugen. Zusätzlich kann diese rückkopplungs-getriebene Schleife anschließend den Betrieb des Automobil-SDR leiten und die Betriebsparameter dynamisch anpassen, um sich verändernde Bedingungen zu berücksichtigen.
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Das offenbarte System wird betrieben zur Verbesserung der Initialisierungsprozesse für die mobilen Endgeräte (UE) und zur Aktivierung der dynamischen Anpassung dieser Radios an sich verändernde Konstellationen, die bei Automobilanwendungen üblich sind. Derzeit müssen für mobile Kommunikationsgeräte, sowohl normale Mobilfunktelefone, die außerhalb des Hausbereichs roamen, als auch in Fahrzeugen installierte Geräte die Wellenform und andere physikalische HF-Schichtparameter, die für das Gerät verwendet werden, wenn sich das Fahrzeug an einem bestimmten Ort in der Welt befindet, als Teil der Träger- oder Servicevereinbarung vorprogrammiert oder über eine gemeinsame Kanalschnittstelle durch das lokale Mobilfunknetz-Infrastruktur orchestriert werden. Die UE-Radio ist oft „blind” hinsichtlich der eigentlichen HF-Situation und kann in den Kanälen, in denen es arbeiten kann, unnötig eingeschränkt werden, was auch die Datenraten/-dienste betrifft, die es unterstützen kann. Es wäre wünschenswert, ein schnelles, effizientes Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die HF-Umgebung von dem speziellen Ort des Benutzers und Referenzpunkts und den möglichen Träger- und Policeauswahlen festzulegen und eine stark optimierte und abgestimmte Möglichkeit zur Kontrolle des laufenden Betriebs zu bieten, auf der Grundlage der dynamisch veränderbaren Kanalbedingungen, automobilen/UE-Prognose und des Gesundheitszustands sowie beliebiger anderer durch den Benutzer einstellbaren Bedingungen.
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Der Prozessor 340 implementiert eine zentrale Optimierungsmaschine, die Eingangsdaten von 3 Radiomodulen nimmt und den Betrieb der Frontends des software-definierten Radios leitet. Der Prozessor 340 kann in zwei Modi arbeiten: 1) Initialisierung und 2) dynamischen Anpassung. Der Initialisierungsmodus wird während des Einschaltens des Mobilgeräts ausgeführt. Der Ortungssensor 320 wird abgefragt, um den physikalischen Ort des Geräts zu bestimmen, die Ortungsdaten sind an den Prozessor gekoppelt. Wenn ein Ortungssensor nicht verfügbar ist, kann das SDR-Frontend 350 alternativ als ein Ortungssensor konfiguriert werden, um GPS-Informationen zu empfangen oder als Wi-Fi Empfangseinrichtung mit entsprechender Backend-Software, zur Bestimmung der Ortsinformationen. Wenn also in der Praxis ein GPS- oder Wi-Fi-Chipsatz nicht im Fahrzeug vorhanden ist, kann das SDR-Frontend 350 fähig sein, den Ortungs-Abtastvorgang als Teil des Initialisierungsprozesses durchzuführen. Die Ortsinformationen werden verwendet, um die HF-Abtastungsanforderungen zu reduzieren, da dann die Optimierungsmaschine in der Lage ist, den Ort an Informationen im Träger und an die Regeln der Benutzerprofil-Datenbank für den spezifischen geografischen Bereich anzupassen, der in der Wellenform-Datenbank 310 gespeichert ist. Die Ortsinformationen dienen zur Ermittlung der tatsächlichen Bänder, in denen das Telefon betrieben werden kann, in Übereinstimmung mit den verschiedenen Servicevereinbarungen zwischen Träger, Benutzer und Diensteanbieter.
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Die Optimierungsmaschine kann betrieben werden, um weitaus aufwendigere Systemoptimierungsprozesse zu initiieren. Angesichts grundsätzlicher betrieblicher Einschränkungen, die durch Benutzerprofile entstehen, kann das SDR-Frontend dann die HF-Kanäle intelligent und anhand von Qualitäts- und Leistungsanforderungen scannen. So kann beispielsweise angesichts der Bedingungen in einer Automobilumgebung (Bewegung, Stillstand, Prognose oder Gesundheitszustand) bzw. der Benutzer- oder Anwendungsanforderungen (Sprache, Video, Kennfelddatenanforderung, Diagnose usw.) eine HF-Karte erstellt werden, um zu verwendende Kanäle, Codierraten, MIMO, Trägeraggregation usw. und auch andere physikalische Parameter, physikalische Schicht an Anwendungsschicht, zum Ausgleich der Service- gegenüber der Datenanforderungen zu priorisieren. Zusätzlich können Lernprofile mit Zeitreihenprotokollen konstruiert werden, um die Leistung des Algorithmus weiter zu optimieren und das Profil auf den Nutzungsfall abzustimmen. Schließlich kann diese Optimierungsmaschine API für andere Anwendungen liefern, die auf der Vorrichtung gehostet werden, und der Betrieb des Telefons kann auf die Bedürfnisse der Anwendungen abgestimmt werden, die durch den Benutzer dirigiert werden. Eine sehr feinkörnige und anpassbare Steuerung des Radios kann unter Verwendung dieser Architektur erzielt werden, die über das hinausgeht, was aktuell mit 4G- oder in Kürze mit 5G-Mobiltelefon-Architekturen möglich ist.
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Im dynamischen Adaptionsmodus wird regelmäßig eine Rückkopplungsschleife ausgeführt, um im Wesentlichen eine Teilmenge des oben erwähnten Initialisierungsbetriebs durchzuführen. Das HF-Frontend wird verwendet, um die HF-Karte regelmäßig zu überwachen, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist oder sich die Anwendungen oder Nutzerpräferenzen mit der Zeit ändern. Ziel ist die Verfügbarmachung des besten Kanals und der besten Linkqualität unter den gegebenen Einschränkungen und mobilen Anforderungen des Benutzers.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird ein exemplarisches Verfahren für die Implementierung einer standortbezogenen Software Defined Radio(SDR)-Optimierungsarchitektur 400 dargestellt. Das Verfahren kann in Reaktion auf einen Auslösebefehl 405 gestartet werden, aus dem hervorgeht, dass das System bereit ist zum Empfangen eines Signals. Der Auslösebefehl 405 kann durch ein Hochfahren des Systems, ein Rekonfigurierungsverfahren, in Reaktion auf einen Signalverlust oder durch ein periodisches Systemverfahren zum Sicherstellen einer optimalen Systemleistung ausgelöst werden.
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Als Reaktion auf den Auslösebefehl 405 ruft das Verfahren zunächst Ortsinformationen 410 ab. Die Ortsinformation 410 kann von einem Ortungssensor oder einem Speicher abgerufen oder in Reaktion auf eine Anforderung für die Ortsinformation empfangen werden. Alternativ kann das SDR konfiguriert sein, um Ortsinformationen in Abwesenheit eines Ortungssensors zu empfangen. Die SDR kann konfiguriert sein, um Drahtlos-Netzwerk-Informationen, GPS-Daten oder Ortsinformation von einem Anbieter für drahtlosen Datenaustausch zu empfangen.
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Sobald die Ortsinformationen abgerufen sind, wird das Verfahren anschließend operativ, um die Ortsinformationen mit einer Datenbank zur Bestimmung eines gewünschten Wellenform-Parameters 420 zu vergleichen. Der Wellenform-Parameter wird einem gewünschten, zu empfangenen Signal zugeordnet, das dem Ort und/oder einem gewünschten Service-Provider zugeordnet ist. Das Verfahren wird dann operativ, um den gewünschten Wellenform-Parameter und optional andere Informationen in dem Zusammenhang abzurufen, die oben beschrieben wurden. Das Verfahren wird dann operativ, um den gewünschten Wellenform-Parameter 430 abzurufen.
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Sobald der Wellenform-Parameter abgerufen ist, wendet das Verfahren den Wellenform-Parameter an, um das SDR zu konfigurieren und das gewünschte Signal 440 abzurufen. Diese Konfiguration kann die Auswahl eines Signalpfads und eines Prozessors für das gewünschte Signal, die Auswahl eines Bandpassfilters, die Auswahl einer geeigneten lokalen Oszillatorfrequenz und die Einstellung zusätzlicher Filterparameter beinhalten, wie Bandbreite und Mittenfrequenz. Sobald das SDR entsprechend für das gewünschte Signal konfiguriert ist, ist das Verfahren operativ, um dann das gewünschte Signal 450 zu dekodieren.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Sender-Empfänger für die Implementierung einer standortbezogenen, Software Defined Radio(SDR)-Optimierungsarchitektur 500 dargestellt. Die digitale Basisband- und Verarbeitungsmaschine 540 ist operativ, um Informationen von verschiedenen Fahrzeugsystemen über den Fahrzeug-Telematik-Bus 550 anzufragen, zu senden und/oder abzurufen. Diese Informationen können Benutzereingaben oder Automobilzustände, wie Bewegung, Stillstand oder Gesundheitszustand, bereitstellen sowie auch Anwendungsumgebungen, wie Sprach-, Video-, Kennfelddaten-Anforderungen, Diagnosen usw. Zusätzliche Informationen werden von einer Wellenform-Datenbank 555 empfangen, die Informationen, wie Trägerprofile, Benutzerprofile, Servicevertragsinformationen und zugeordnete Wellenform-Informationen, beinhaltet. Zusätzlich kann die Wellenform-Datenbank Wellenform-Parameter enthalten, die verwendet werden, um das SDR 530 und/oder software-definierbare Sender 520 zu konfigurieren. Die digitale Basisband- und Verarbeitungsmaschine 540 kann ferner operativ sein, um Informationen von Fahrzeug-Ortungssensoren 560, wie GPS-Empfängern, Wi-Fi oder anderen Ortsbestimmungs-Sensoren, zu empfangen.
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Bei Initiierung des Systems oder periodisch, wie gewünscht, wird eine digitale Basisband- und Verarbeitungsmaschine 540 verwendet, um ein SDR 530 und/oder den software-definierbaren Sender 520 zu optimieren und zu konfigurieren, um das gewünschte Signal zu empfangen und/oder zu senden. Diese Konfiguration kann die Auswahl eines Signalpfads und eines Prozessors für das gewünschte Signal, die Auswahl eines Bandpassfilters, die Auswahl einer geeigneten lokalen Oszillatorfrequenz und die Einstellung zusätzlicher Filterparameter beinhalten, wie Bandbreite und Mittenfrequenz. Das System ist wirksam, um ein gewünschtes Signal an einer Antenne 505 oder an einem anderen Signaleingang zu empfangen. Das gewünschte Signal wird drahtlos an den Apparat gesendet und an der Antenne 505 empfangen. Das gewünschte Signal kann dann an einen Zirkulator 510 gekoppelt werden, der teilweise verwendet wird, um den Empfangs-Signalpfad des Sender-Empfängers vom Sende-Signalpfad des Sender-Empfängers zu isolieren. Die digitale Basisband- und Verarbeitungsmaschine 540 wird dann operativ, um die Sende- und Empfangs-Ketten ständig zu optimieren und anzupassen, um das gewünschte Signal optimal zu empfangen. Die digitale Basisband- und Verarbeitungsmaschine 540 kann ferner operativ sein, um aktualisierte Ortsdaten regelmäßig zu überwachen, anzufordern oder abzurufen, und diese aktualisierten Ortsdaten mit der Wellenform-Datenbank zu vergleichen, um sicherzustellen, dass das bestmögliche Signal empfangen wird. Bei einem Signalverlust kann die digitale Basisband- und Verarbeitungsmaschine 540 operativ sein, um in Reaktion auf die Ortsinformationen und die Informationen innerhalb der Wellenform-Datenbank ein neues wünschenswertes Signal zu bestimmen.
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Wie Fachleuten hinreichend bekannt ist, können sich die hierin zur Beschreibung der Erfindung erörterten mehreren und unterschiedlichen Schritte und Verfahren auf Vorgänge beziehen, die von einem Computer, einem Prozessor oder anderen Geräten zur elektronischen Berechnung verwendet werden, die unter Zuhilfenahme elektrischer Vorgänge Daten manipulieren und/oder verändern. Diese Computer und elektronischen Geräte können unterschiedliche flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicher beinhalten, zu denen ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium mit einem ausführbaren darauf gespeicherten Programm, einschließlich verschiedenen Codes oder ausführbaren Anweisungen gehört, die in der Lage sind, von Computern oder Prozessoren ausgeführt zu werden, wobei es sich bei dem Speicher und/oder dem computerlesbaren Medium um sämtliche Formen und Arten von Speicher und sonstigen computerlesbaren Medien handeln kann.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden aus der besagten Abhandlung und aus den beigefügten Zeichnungen und Patentansprüchen leicht erkennen, dass ohne von dem in den folgenden Patentansprüchen definierten Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen an derselben vorgenommen werden können.
