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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Breitbandfunksystem zum Anpassen an verschiedene globale Funkstandards und insbesondere auf eine Mobilfunkarchitektur, die eine Kombination aus einem einzelnen oder mehreren Zirkulatoren oder n-Plexern, programmierbarem Bandpass-Sampling-Radiofrequenz-Frontend (RF) und optimiertem digitalem Basisband verwendet, das alle aktuellen Mobilfunk-Zugangsprotokoll-Frequenzbänder unterstützen kann. Das System und Verfahren enthält einen Datenkonverter, der gleichzeitig die eingehenden Signale ausgleichen und Rauschen formen kann, indem ein Kanal-Equalizer in einen Sigma-Delta-Datenkonverter integriert wird.
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ERLÄUTERUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
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Herkömmliche Mobiltelefone verwenden verschiedene Betriebsmodi und -bänder, die hardwaremäßig unterstützt werden, indem mehrere unterschiedliche Funk-Front-End- und Basisbandverarbeitungschips in einer Plattform integriert sind, wie beispielsweise Triband- oder Quad-Band-Benutzer-Handgeräte, die ein globales System für Mobilkommunikation (GSM), allgemeine Paketfunkdienste (GPRS-Global Packet Radio Service) usw. unterstützen. Bekannte Mobilfunkempfänger haben einige der Antennen- und Basisband-Datenpfade integriert, aber dennoch ist der heutige Stand der Technik für die Bereitstellung von Massen-Mobilfunkgeräten und Fahrzeugfunk nach wie vor ein mehrfacher statischer Kanalisierungsansatz. Eine derartige statische Architektur ist entscheidend von Schmalbandfiltern, Dopplern und einer standardspezifischen Abwärtskonvertierung in Zwischenfrequenz (IF)-Stufen abhängig. Der Hauptnachteil dieses statischen, kanalisierten Ansatzes ist seine Inflexibilität in Bezug auf die sich ändernden Standards und Betriebsarten. Da sich die Mobilfunkindustrie von 2G, 3G, 4G und darüber hinaus weiterentwickelt hat, erforderte jede neue Wellenform und jeder neue Modus eine Umgestaltung des HF-Frontends des Empfängers sowie die Erweiterung der Basisband-Chipsatz-Fähigkeit, was ein neues Handgerät erforderlich machte. Für Automobilanwendungen ist diese Unflexibilität zur Unterstützung neuer Anwendungen unerschwinglich teuer und für den Endverbraucher eine Belästigung.
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Die Bereitstellung von zuverlässigen, drahtlosen Zugängen für die Automobilindustrie ist aus der Sicht eines Automobilherstellers eine Herausforderung, da die mobilen Verbindungsverfahren und -architekturen weltweit unterschiedlich sind. Darüber hinaus ändern sich die Standards und Technologien ständig und weisen typischerweise einen Entwicklungszyklus auf, der um ein Vielfaches schneller ist als die durchschnittliche Lebensdauer eines Fahrzeugs. Insbesondere aktuelle RF-Frontend-Architekturen für Kfz-Funkgeräte sind für bestimmte Frequenzbänder ausgelegt. Dedizierte Hardware, die auf die richtige Frequenz abgestimmt ist, muss auf der Funkplattform für das jeweilige Frequenzband installiert sein, auf dem das Funkgerät betrieben werden soll. Wenn also Mobilfunkanbieter ihr jeweiliges Frequenzband wechseln, kann es sein, dass das Fahrzeug, auf welches das vorhergehende Band abgestimmt wurde und das eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren aufweisen kann, auf dem neuen Band nicht effizient funktioniert. Daher erfordert dies Automobilhersteller, eine Vielzahl von Funkplattformen, Komponenten und Zulieferern zu verwalten, um jeden eingesetzten Standard zu unterstützen und einen Weg zur Erweiterungsfähigkeit bereitzustellen, wenn sich die Mobilfunklandschaft ändert.
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Bekannte softwaredefinierte Funkarchitekturen haben sich typischerweise auf nahtlose Basisbandoperationen konzentriert, um mehrere Wellenformen zu unterstützen, und ähnliche Abwärtskonvertierungen in Basisband-Spezifikationen übernommen. Ähnlich wurden für die Senderseite typischerweise parallele Leistungsverstärkerketten für verschiedene Frequenzbänder verwendet, um unterschiedliche Wellenformstandards zu unterstützen. Somit weisen die Empfänger-Front-End-Architekturen typischerweise einfache Direktabtast- oder einstufige Mischverfahren mit bescheidenen Leistungsspezifikationen auf. Insbesondere bedurfte es bisher keiner Anwendung, die einen Dynamikbereich von mehr als 110 dB mit den damit verbundenen Anforderungen an IP3-Faktor und Leistungsaufnahme erforderte, da diese Leistungsanforderungen mit komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Analogtechnologien nicht realisierbar waren. Es ist nicht offensichtlich, wie diese Metriken unter Verwendung bestehender Architekturen für CMOS-Geräte erreicht werden können, sodass der Dynamikbereich, die Empfindlichkeit und die Multimode-Anbindung sowohl für den Multi-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) als auch für den Digital-Analog-Wandler (DAC) ein wesentlich schwierigeres Problem darstellen.
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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. Insbesondere beinhalten Delta-Sigma-Modulatoren einen softwaregesteuerten Filter zur Rauschformung eines eingehenden HF-Signals. Es wäre wünschenswert, die programmierbare Software des Delta-Sigma-Modulators zu nutzen, um die Verarbeitungslast eines digitalen Signalprozessors weiter zu reduzieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Vorrichtung, umfassend eine Antenne zum Empfangen eines ersten HF-Signals, eines zweiten HF-Signals, eines dritten HF-Signals und eines vierten HF-Signals, eine erste Bank von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern mit einem ersten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern zum Erzeugen eines ersten digitalen Signals und einem zweiten Delta-Signal-Analog-Digital-Wandlern zum Erzeugen eines zweiten digitalen Signals, eine zweite Bank von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern mit einem dritten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zum Erzeugen eines dritten digitalen Signals und einem vierten Delta-Signal-Analog-Digital-Wandler zum Erzeugen eines vierten digitalen Signals, einen ersten Multiplexer, der ein erstes Durchlassband und ein zweites Durchlassband aufweist, wobei der erste Multiplexer in Betrieb ist, um das erste HF-Signal mit einem ersten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zu koppeln, wobei das erste HF-Signal eine erste Mittenfrequenz innerhalb des ersten Durchlassbereichs aufweist, und worin der erste Multiplexer ferner wirksam ist, um das zweite HF-Signal mit einem zweiten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zu koppeln, wobei das zweite HF-Signal eine zweite Mittenfrequenz innerhalb des zweiten Durchlassbandes, einen zweiten Multiplexer mit einem dritten Durchlassband und einem vierten Durchlassband aufweist, worin der zweite Multiplexer wirksam ist, um das dritte HF-Signal mit einem dritten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zu koppeln, wobei das dritte HF-Signal eine dritte Mittenfrequenz innerhalb des dritten Durchlassbereichs aufweist, und worin der erste Multiplexer ferner wirksam ist, um das vierte HF-Signal mit einem vierten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zu koppeln, wobei das vierte HF-Signal eine vierte Mittenfrequenz innerhalb des vierten Durchlassbereichs aufweist, einen ersten Schalter zum Koppeln des ersten HF-Signals und des zweiten HF-Signals mit dem ersten Multiplexer und zum Koppeln des dritten HF-Signals und des vierten HF-Signals mit dem zweiten Multiplexer, einen Prozessor zum Erzeugen von Kommunikationsdaten in Reaktion auf mindestens eines der ersten digitalen Signale, des zweiten digitalen Signals, des dritten digitalen Signals und des vierten digitalen Signals zum Prozessor, und einen zweiten Schalter zum Koppeln mindestens eines des ersten digitalen Signals, des zweiten digitalen Signals, des dritten digitalen Signals und des vierten digitalen Signals zum Prozessor. Multiplex und n-Plexer, wie hierin verwendet, sind Oberbegriffe für Vorrichtungen, die Signale in verschiedene Frequenzbänder splitten und auch Sende- und Empfangssignale trennen oder isolieren.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschreibt eine Vorrichtung, die einen Eingang zum Empfangen eines ersten HF-Signals und eines zweiten HF-Signals, einen Leistungsverstärker zum Verstärken des ersten HF-Signals und des zweiten HF-Signals, eine Quelle eines LO-Signals, einen Mischer zum Erzeugen eines ersten IF-Signals in Reaktion auf das erste HF-Signal und das LO-Signal und ein zweites IF-Signal in Reaktion auf das zweite HF-Signal und das LO-Signal, einen Leistungsverstärker zum Verstärken des ersten HF-Signals und des zweiten HF-Signals, eine Quelle eines LO-Signals, einen Mischer zum Erzeugen eines ersten IF-Signals in Reaktion auf das erste HF-Signal und das LO-Signal und ein zweites IF-Signal in Reaktion auf das zweite HF-Signal und das LO-Signal, einen ersten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zum Erzeugen eines ersten digitalen Signals in Reaktion auf das erste IF-Signal, einen zweiten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zum Erzeugen eines zweiten digitalen Signals in Reaktion auf das zweite IF-Signal und einen Multiplexer mit einem ersten Durchlassband und einem zweiten Durchlassband umfasst, worin der erste Multiplexer wirksam ist, um das erste IF-Signal mit dem ersten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zu koppeln, wobei das erste IF-Signal eine erste Mittenfrequenz innerhalb des ersten Durchlassbereichs aufweist, und worin der erste Multiplexer ferner wirksam ist, um das zweite IF-Signal mit dem zweiten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler zu koppeln, wobei das zweite IF-Signal eine zweite Mittenfrequenz innerhalb des zweiten Durchlassbereichs aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschreibt eine Vorrichtung, die eine Antenne zum Übertragen eines ersten verstärkten HF-Signals und eines zweiten verstärkten HF-Signals, einen Prozessor zum Erzeugen eines ersten digitalen Signals in Reaktion auf ein Datenpaket, einen Delta-Signal-Digital-Analog-Wandler zum Umwandeln des ersten HF-Signals in ein erstes HF-Signal in Reaktion auf ein erstes Steuersignal und ein zweites HF-Signal in Reaktion auf ein zweites Steuersignal, einen ersten Verstärker zum Verstärken des ersten HF-Signals zum Erzeugen des ersten verstärkten HF-Signals, einen zweiten Verstärker zum Verstärken des zweiten HF-Signals zum Erzeugen des zweiten verstärkten HF-Signals, einen ersten Multiplexer zum Filtern des ersten verstärkten HF-Signals, einen zweiten Multiplexer zum Filtern des zweiten verstärkten HF-Signals, einen zweiten Multiplexer zum Filtern des zweiten verstärkten HF-Signals, und einen HF-Schalter zum Koppeln des ersten verstärkten HF-Signals und des zweiten verstärkten HF-Signals an die Antenne umfasst.
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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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Figurenliste
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- 1 stellt ein Blockdiagramm einer bekannten Multimode-Multiband-Mobilfunk-Handgeräte-Architektur dar;
- 2 stellt ein Blockdiagramm einer anwendbaren softwareprogrammierbaren Mobilfunkarchitektur dar;
- 3 stellt ein exemplarisches System zum Implementieren mehrerer Empfangspfade in einem softwaredefinierten Funkgerät dar.
- 4 stellt eine exemplarische Funksendearchitektur dar, um softwareprogrammierbare Mobilfunkfähigkeiten zu implementieren.
- 5 stellt eine exemplarische Funkarchitektur zur Unterstützung von Mehrkanal-MIMO dar.
- 6 stellt eine exemplarische Funkarchitektur zum Umgang mit höherfrequenten Wellenform-Trägerfrequenzen dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die nachfolgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Mobilfunkarchitektur gerichtet sind, ist lediglich exemplarischer Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einschränken. So ist beispielsweise die Funkarchitektur der Erfindung als Anwendung für ein Fahrzeug beschrieben. Wie jedoch von Fachleuten auf dem Gebiet der Technik wahrgenommen wird, kann die Funkarchitektur auch andere Anwendungen außer Automobilanwendungen bereitstellen.
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Die hierin erörterten Mobilfunkarchitekturen gelten nicht nur für Mobilfunktechnologien, wie beispielsweise WiFi (IEEE 802.11)-Technologien. Des Weiteren werden die Mobilfunkarchitekturen als Vollduplex-Funksystem präsentiert, d. h. als ein Funksystem, das sowohl sendet als auch empfängt. Für drahtlose Dienste, die nur empfangen werden, wie beispielsweise GPS (Global Positioning System), GNSS (Global Navigation Satellite System) und diverse Entertainmentgeräte, wie beispielsweise AM/FM, Digital Audio Broadcasting (DAB), SiriusXM usw., wäre nur das hierin erörterte Empfängerdesign erforderlich. Zudem ermöglicht das beschriebene Funkarchitekturdesign ein weltweit funktionierendes Design für eine Funkgeräte-Hardware, das durch Software-Updates verschiedenen globalen Mobilfunkstandards angepasst werden kann. Es ermöglicht auch eine längere Nutzungsdauer des Funkgerätedesigns, da sich das Funkgerät bei Markteinführung an neue Funkstandards anpassen kann. So sind beispielsweise Entwicklungen in der 4G-Funktechnologie und Frequenzzuweisungen sehr dynamisch. Somit kann die am Markt eingesetzte Funkgeräte-Hardware bereits nach ein bis zwei Jahren veraltet sein. Für Anwendungen, wie beispielsweise im Automobilbereich, kann die Lebensdauer über zehn Jahre betragen. Diese Erfindung ermöglicht es, eine feste Hardware-Plattform durch Software-Updates updatefähig zu machen und damit die Nutzungsdauer und die globale Wiederverwendung der Hardware zu verlängern.
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1 ist ein Blockdiagramm einer bekannten Multimode-Multiband-Mobilfünk-Handgeräte-Architektur 10 für ein typisches Mobiltelefon. Die Architektur 10 beinhaltet eine Antennenstruktur 12, die HF-Signale auf dem Frequenzband des Interesses empfängt und sendet. Die Architektur 10 beinhaltet auch einen Schalter 14 am Front-End der Architektur 10, der auswählt, für welchen bestimmten Kanal das gesendete oder empfangene Signal aktuell ist und das Signal durch einen speziellen Satz von Filtern und Duplexern leitet, die durch die Box 16 für den jeweiligen Kanal repräsentiert werden. Die Module 18 stellen die Multimode- und Multiband-Analogmodulation sowie die Demodulation der Empfangs- und Sendesignale bereit und trennen die Signale in Phasen- und Quadraturphasensignale, die an einen Empfänger 20 gesendet oder von ihm empfangen werden. Der Empfänger 20 wandelt auch analoge Empfangssignale in digitale Signale und digitale Übertragungssignale in analoge Signale um. Ein Basisband-Digital-Signalprozessor 22 stellt die digitale Verarbeitung der Sende- oder Empfangssignale für die jeweilige Anwendung bereit.
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2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer zellularen Funk-Frontend-Architektur 30, die softwareprogrammierbare Fähigkeiten bereitstellt, wie nachfolgend im Detail erläutert wird. Die Architektur 30 beinhaltet eine Antennenstruktur 32, die in der Lage ist, die hierin erörterten zellularen Frequenzsignale zu empfangen und zu übertragen, wie beispielsweise in einem Bereich von 400 MHz - 3,6 GHz. Die von der Antennenstruktur 32 empfangenen und übertragenen Signale durchlaufen einen Multiplexer 34 mit drei Signalpfaden, wobei jeder Pfad für ein bestimmtes Frequenzband vorgesehen ist, das durch einen frequenzselektiven Filter 36 in jedem Pfad bestimmt wird. In dieser Ausführungsform wurden drei Signalpfade gewählt, wobei die Architektur 30 auf beliebig viele Signalpfade erweitert werden konnte. Jeder Signalpfad enthält einen Zirkulator 38, der die Empfangs- und Sendesignale trennt und leitet sowie eine Isolierung bereitstellt, sodass die zu übertragenden Hochleistungssignale nicht auf der Empfängerseite eindringen und die Empfangssignale auf diesen Frequenzbändern sättigen.
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Die Architektur 30 beinhaltet auch ein Empfangsmodul 44, das sich hinter dem Multiplexer 34 befindet und ein Empfangsmodul 46, das die Empfangssignale verarbeitet sowie ein Sendemodul 48, das die Sendesignale verarbeitet. Das Empfangsmodul 46 beinhaltet drei Empfängerkanäle 50, einen für jeden der Signalpfade durch den Multiplexer 34, wobei ein weiterer Empfängerkanal 50 mit einem anderen der Zirkulatoren 38, wie dargestellt, verbunden ist. Jeder der Empfängerkanäle 50 beinhaltet einen Delta-Sigma-Modulator 52, der das analoge Signal im jeweiligen Frequenzband empfängt und über ein Verschachtelungsverfahren in Verbindung mit einer Reihe von N-Bit-Quantisierungsschaltungen, die mit einer sehr hohen Taktrate arbeiten, einen repräsentativen digitalen Datenstrom erzeugt, wie nachfolgend im Detail erläutert wird. Wie im Folgenden weiter erörtert wird, vergleicht der Delta-Sigma-Modulator 52 die Differenz zwischen dem Empfangssignal und einem Rückkopplungssignal, um ein für die empfangenen digitalen Daten repräsentatives Fehlersignal zu erzeugen. Die digitalen Datenbits werden einem digitalen Signalprozessor (DSP) 54 zugeführt, der den digitalen Datenstrom extrahiert. Ein digitaler Basisband-Prozessor (DBP) 56 empfängt und betreibt den digitalen Datenstrom für die weitere Signalverarbeitung in einer Art und Weise, die den Fachleuten im Stand der Technik wohlbekannt ist. Das Sendemodul 48 empfängt digitale Daten, die vom Prozessor 56 übertragen werden. Das Modul 48 beinhaltet eine Senderschaltung 62 mit einem Delta-Sigma-Modulator, der die digitalen Daten des digitalen Basisband-Prozessors 56 in ein analoges Signal umwandelt. Das Analogsignal wird von einem abstimmbaren Bandpassfilter (BPF) 60 gefiltert, um die Bandemission zu eliminieren und dann an einen Schalter 66 weitergeleitet, der das Signal an einen ausgewählten Leistungsverstärker 64 weiterleitet, der für das Frequenzband des übertragenen Signals optimiert ist. In dieser Ausführungsform wurden drei Signalpfade gewählt, wobei das Sendemodul 48 jedoch unter Verwendung beliebig vieler Signalpfade implementiert werden konnte. Das verstärkte Signal wird an den jeweiligen Zirkulator 38 im Multiplexer 34 gesendet, abhängig davon, welche Frequenz übertragen wird.
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Wie aus der folgenden Erörterung ersichtlich wird, stellt die Konfiguration der Architektur 30 softwareprogrammierbare Fähigkeiten durch Hochleistungs-Delta-Sigma-Modulatoren bereit, die eine optimierte Leistung im Signalbereich des Interesses bereitstellen und über einen breiten Bereich von Trägerfrequenzen abgestimmt werden können. Die Architektur 30 erfüllt die aktuellen Mobilfunk-Zugangsprotokolle im Frequenzbereich 0,4 - 2,6 GHz, indem sie den Frequenzbereich in drei nicht kontinuierliche Bänder unterteilt. Es ist jedoch zu beachten, dass selbstverständlich auch andere Kombinationen von Signalpfaden und Bandbreite möglich sind. Der Multiplexer 34 implementiert eine Frequenzbereichs-Demultiplexung, indem er den an der Antennenstruktur 32 empfangenen HF-Träger in einen der drei Signalpfade leitet. Demgegenüber wird das Sendesignal durch den Multiplexer 34 auf die Antennenstruktur 32 gemultiplext. Für drahtlose Zugriffsanwendungen in Fahrzeugen ist eine derartige, kostengünstige integrierte Vorrichtung wünschenswert, um Teilekosten, Komplexität und Veralterung zu reduzieren und eine nahtlose weltweite Bereitstellung zu ermöglichen.
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Die Delta-Sigma-Modulatoren 52 können in der Nähe der Antennenstruktur 32 positioniert werden, um die HF-Empfangssignale direkt in Bits im Empfängermodul 46 und Bits in ein HF-Signal im Sendemodul 48 umzuwandeln. Der Hauptvorteil der Verwendung der Delta-Sigma-Modulatoren 52 in den Empfängerkanälen 50 besteht darin, eine variable Bandbreite der Signalerfassung und variable Mittenfrequenz zu ermöglichen. Dies ist möglich, da die Architektur 30 eine Software-Manipulation der Modulator-Filterkoeffizienten ermöglicht, um die Signalbandbreite zu variieren und die Filtercharakteristik über das HF-Band abzustimmen.
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Die Architektur 30 ermöglicht es, die Bandbreite der Signalerfassung zu variieren, die zum Empfangen von kontinuierlichen trägeraggregierten Wellenformen ohne zusätzliche Hardware verwendet werden kann. Trägeraggregation ist ein Verfahren, bei dem die Datenbandbreiten mehrerer Träger für normalerweise unabhängige Kanäle für einen einzelnen Benutzer kombiniert werden, um wesentlich höhere Datenraten als bei einem einzelnen Träger zu erzielen. Zusammen mit MIMO ist dieses Merkmal eine Voraussetzung in modernen 4G-Standards und wird durch die orthogonale Frequenzmultiplextechnik (OFDM-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-Familie von Wellenformen ermöglicht, die eine effiziente spektrale Verwendung ermöglichen.
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Die Architektur 30 durch die Delta-Sigma-Modulatoren 52 kann durch Software-Tuning der Bandpassbandbreite präzise Trägeraggregationsszenarien und Bandkombinationen bewältigen und ermöglicht somit eine Multisegment-Erfassung. Der Dynamikbereich verringert sich bei größeren Bandbreiten, wenn mehr Rauschen in den Sampling-Bandpass eingespeist wird. Es wird jedoch angenommen, dass die Trägeraggregation typischerweise sinnvoll ist, wenn der Benutzer ein gutes Signal-RauschVerhältnis hat, und nicht etwa Zellbegrenzungskanten, wenn die Konnektivität selbst marginal sein kann. Es ist zu beachten, dass die Interband-Trägeraggregation automatisch von der Architektur 30 übernommen wird, da der Multiplexer 34 unabhängige Modulatoren in den Kanälen 50 einspeist.
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Die Zirkulatoren 38 leiten die Sendesignale des Sendemoduls 48 zur Antennenstruktur 32 und ermöglichen gleichzeitig die Trennung zwischen den Hochleistungs-Sendesignalen und dem Empfangsmodul 46. Obwohl die Zirkulatoren 38 eine signifikante Signaltrennung vorsehen, gibt es innerhalb des Zirkulators 38 eine Port-zu-Port-Leckage, die einen Signalpfad zwischen dem Sendemodul 48 und dem Empfangsmodul 46 darstellt. Ein zweiter unerwünschter Signalpfad entsteht durch Reflexionen von der Antennenstruktur 32 und mögliche andere Komponenten im Empfänger. Dadurch wird ein Teil des Sendesignals von der Antennenstruktur 32 aufgrund einer Fehlanpassung zwischen der Leitungsimpedanz und der Antenneneingangsimpedanz reflektiert. Diese reflektierte Energie folgt demselben Signalpfad wie das gewünschte eingehende Signal zurück zum Empfangsmodul 46.
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Die Architektur 30 ist auch für weitere drahtlose Kommunikationsprotokolle flexibel anpassbar. So kann beispielsweise ein Paar von Schaltern 40 und 42 vorgesehen sein, die vom DBP 56 angesteuert werden, um die Empfangs- und Sendesignale über dedizierte feste HF-Vorrichtungen 58 zu leiten, wie beispielsweise ein globales System für Mobilkommunikation (GSM), ein HF-Frontend-Modul oder ein WiFi-Frontend-Modul. In dieser Ausführungsform sind einige ausgewählte Signalpfade über herkömmliche HF-Vorrichtungen implementiert. 2 stellt nur einen zusätzlichen Signalpfad dar, kann aber je nach Verwendung und Einsatzgebiet auf eine beliebige Anzahl weiterer Signalpfade erweitert werden.
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Delta-Sigma-Modulatoren sind eine bekannte Geräteklasse zum Implementieren von Analog-Digital-Wandlern. Die grundlegenden Eigenschaften, die genutzt werden, sind Überabtastung und Fehlerrückkopplung (Delta), die akkumuliert (Sigma) sind, um das gewünschte Signal in einen pulsmodulierten Strom umzuwandeln, der anschließend zum Ablesen der digitalen Werte gefiltert werden kann, während das Rauschen durch Umformen effektiv reduziert wird. Die wesentliche Einschränkung der bekannten Delta-Sigma-Modulatoren ist das Quantisierungsrauschen beim Puls-Umwandlungsprozess. Delta-Sigma-Wandler erfordern große Überabtastverhältnisse, um eine ausreichende Anzahl an Bitstromimpulsen für einen gegebenen Eingang zu erzeugen. Bei direkten Wandlungsschemata ist die Abtastrate größer als das Vierfache der HF-Trägerfrequenz, um die digitale Filterung zu vereinfachen. Daher haben die erforderlichen Multi-GHz Abtastraten die Verwendung von Delta-Sigma-Modulatoren in höherfrequenten Anwendungen eingeschränkt. Eine weitere Möglichkeit zur Rauschunterdrückung ist die Verwendung von Delta-Sigma-Modulatoren mit einer höheren Ordnung. Während jedoch kanonische Delta-Sigma-Architekturen erster Ordnung stabil sind, können höhere Ordnungen aufgrund der Toleranzen bei höheren Frequenzen instabil sein, insbesondere die Toleranzen bei höheren Frequenzen. Aus diesen Gründen beschränken sich Delta-Sigma-Modulatoren höherer Ordnung auf Audiofrequenzbereiche, d. h. zeitlich verschachtelte Delta-Sigma-Modulatoren zur Verwendung in Audioanwendungen oder speziellen Verschachtelungen bei hohen Frequenzen.
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Die Filtereigenschaften eines Delta-Sigma-Modulators können effektiv modifiziert werden, um Dopplerverschiebungen zu kompensieren. Dopplerverschiebungen treten auf, wenn sich der Sender eines Signals in Bezug zum Empfänger bewegt. Die Relativbewegung verschiebt die Frequenz des Signals, sodass es am Empfänger unterschiedlich zum Sender ist. Ein exemplarisches System gemäß der vorliegenden Offenbarung nutzt die softwaredefinierte Funkarchitektur, um schnell eine Verschiebung der Trägerfrequenz abzuschätzen und den Filter neu zu zentrieren, bevor das Signal unterbrochen oder geschwächt wird. Im Normalbetrieb ist die Kerbe des Modulatorfilters um die erwartete Trägerfrequenz des empfangenen Signals zentriert, wobei die Signalbandinformationen um die Trägerfrequenz zentriert sind und die Bandbreite des Modulatorfilters nicht überschreiten. Eine Dopplerverschiebung würde den Träger um einen Betrag Δf verschieben, was zu einer potenziellen Verschlechterung des Signalinhalts mit einer Zunahme des Rauschens auf einer Seite des Bandes führen würde. Gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren und System kann sich der Empfänger in einem drahtlosen Mobilfunk-Kommunikationssystem an Änderungen der HF-Trägerfrequenz anpassen und die Signalintegrität erhalten, indem die Filterkerbe um denselben Betrag wie die Trägerfrequenz verschoben wird.
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Für die hierin erläuterte Mobilfunkanwendung, die mehrere zugeordnete Frequenzbänder abdeckt, ist ein Sender mit Multimode- und Multibandabdeckung erforderlich. Auch viele aktuelle Anwendungen erfordern Sender, die während des Betriebs einer einzelnen Kommunikationsverbindung schnell zwischen den Frequenzbändern wechseln, was eine erhebliche Herausforderung für typische lokale Oszillator (LO)-basierte Senderlösungen darstellt. Dies liegt daran, dass die Schaltzeit des LO-basierten Senders oft durch die LO-Kanalumschaltzeit unter der Steuerung der Schleifenbandbreite des Frequenzsynthesizers um 1 MHz bestimmt wird. Die erreichbare Kanalumschaltzeit liegt somit bei einigen Mikrosekunden, was für ein agiles Funkgerät leider zu lang ist. Ein vollständig digitaler PWM-basierter Multi-Standard-Sender, der im Stand der Technik bekannt ist, leidet unter hoher Verzerrung, und die Kanalumschaltzeit wird immer noch vom LO auf der Trägerfrequenz bestimmt. Ein DDS kann als LO-Quelle verwendet werden, um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, jedoch verbraucht dieses Design eine beträchtliche Leistung und liefert möglicherweise keine Hochfrequenz-LOs mit niedrigen Störkomponenten. Alternativ können mit Einseitenbandmischern auch mehrere LOs mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen über einen gemeinsamen Phasenregelkreis (PLL) erzeugt werden, dessen Kanalumschaltzeiten schnell sein können. Dieser Ansatz kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl an LO-Optionen unterstützen und zusätzliche Kanäle zum Abdecken des breiten Spektrums der erwarteten 4G-Bänder erfordern zusätzliche Mischungen. Wie erörtert, wurden im Stand der Technik Sigma-Delta-Modulatoren vorgeschlagen, die als HF-Sender zum Beheben dieser Probleme verwendet werden können. In der Grundarchitektur kann jedoch ein Sigma-Delta-Modulator aufgrund einer moderaten Taktfrequenz keinen sehr hohen Dynamikbereich in einem breitbandigen Betrieb bereitstellen. Gerade weil die Taktfrequenz durch die aktuelle Technologie eingeschränkt ist, kann diese Hochfrequenz-Betriebsart nicht unterstützt werden.
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Nun zu 3 ist eine exemplarische Funkarchitektur 300 zum Implementieren einer softwareprogrammierbaren Mobilkommunikationsfähigkeit dargestellt. Die Funkarchitektur 330 kann eine Antenne 305, einen Multipolschalter 315, einen ersten Multiplexer 320, einen zweiten Multiplexer 325, eine erste Bank von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern 330, eine zweite Bank von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern 335, einen Kreuzschienenschalter 340 und einen Prozessor 350, wie beispielsweise einen Basisbandprozessor, beinhalten. Die Funkarchitektur ist in der Lage, die Leistungsfähigkeit unserer aktuellen Funkarchitekturen zu erweitern, um Multi-Input-Multi-Output (MIMO)-Wellenformen, massive Trägeraggregations (CA)-Konfigurationen sowie Operationen oberhalb von 3 GHz zu unterstützen, wie sie für handelsübliche Long-Term-Evolution (LTE)-5G-Systeme vorgesehen sind.
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Die Funkarchitektur 300 setzt eine alternierende Kaskade und parallele Anordnung und Integration von abstimmbaren Sigma-Delta-Daten-Wandlern mit Multiplexern, Kreuzschienenschaltern und anderen Komponenten in einer hybriden Konfiguration ein. Das System ermöglicht eine wünschenswerte Flexibilität, um unterschiedliche Schichten des HF-Spektrums für die Parallelverarbeitung zu erfassen, und unterstützt somit eine große Kombination von CA- und MIMO-Wellenformen für 5G und darüber hinaus, wobei nur die Systemleistung und Größenbeschränkungen berücksichtigt werden. Diese Konfiguration weist die wünschenswerte Eigenschaft auf, über sehr weite Frequenzbereiche abstimmbar zu sein. Der Einsatz dieser Architektur unter Verwendung einer Anzahl dieser Vorrichtungen in einer parallelen Bankkonfiguration, gekoppelt mit einer mischerbasierten Lösung für mehr als 3 GHz, sodass das interessierende HF-Spektrum durch einen oder mehrere Empfangs- oder Übertragungspfade abgedeckt wird. In einer exemplarischen Konfiguration können die entsprechenden HF-Pfade aktiviert werden, wobei die Daten in mehreren Pfaden erfasst und anschließend in der digitalen Domain verarbeitet werden, um die MIMO/CA-Streams zu kombinieren.
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Ein weiterer wünschenswerter Aspekt der exemplarischen Funkarchitektur 300 ist, dass das Datenerfassungsverfahren Sigma-Delta-Modulatoren verwendet. Dies vereinfacht die erforderliche Filterarchitektur. Darüber hinaus erfolgt die Frequenzbereichsformung über programmierbare Komponenten, die in einer flexiblen Konfiguration angeordnet sind. Dies ermöglicht eine beliebige CA- und MIMO-Unterstützung innerhalb derselben physischen Hardware.
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Die Funkarchitektur 300 nutzt eine Antenne 305, um die gewünschten Funksignale zu senden und zu empfangen. Die Antenne kann eine einzelne Antenne oder eine Vielzahl von Antennen sein, um HF-Signale über den gesamten gewünschten Frequenzbereich abzudecken und effizient zu senden und zu empfangen. Die Funkarchitektur 300 verwendet ferner einen mehrpoligen Schalter 315, der dazu dient, Signale von der Antenne 305 oder einer Vielzahl von Antennen mit dem entsprechenden Multiplexer in Reaktion auf die Frequenz des zu sendenden oder zu empfangenden HF-Signals zu koppeln.
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In einer exemplarischen Ausführungsform können der erste Multiplexer 320 und der zweite Multiplexer 325 sowohl als eine Bank von Frequenzweichen als auch als eine Bank von Duplexern betrieben werden. Somit splitten die Multiplexer 320, 325 eingehende Signale in mehrere Pfade, die verschiedene Frequenzbereiche abdecken, die mit Bandpassfiltern realisiert werden können, und trennen auch die Übertragung von Empfangssignalen, die durch die Vorrichtung laufen, um die gleiche Antenne 305 zu bedienen. In einer exemplarischen Konfiguration kann jeder der Multiplexer 320, 325 einen nicht überlappenden Durchlassbereich aufweisen. Der obere Block kann beispielsweise die Frequenzplätze 1, 3, 5, 7, 9 abdecken, während der untere Block die Frequenzplätze 2, 4, 6, 8, 10 abdecken kann. So könnte beispielsweise der Frequenzbereich von Bin 1 700 MHz - 900 MHz, Bit 2 900 MHz-1100 MHz, Bin 3 1000 MHz - 1300 MHz usw. betragen. Die Multiplexer 320 325 leiten das gewünschte HF-Signal durch die Frequenzaufteilungsbins zu einer entsprechenden Bank von abstimmbaren Sigma-Delta-Modulatoren 330 335, einer für jeden Multiplexerzweig.
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Die Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern 330 335 sind funktionsfähig, um das HF-Signal, das durch jeden Zweig des Multiplexers geleitet wird, zu routen und zu erfassen und in einen digitalen Bitstrom umzuwandeln, der die Wellenforminformationen widerspiegelt, die der Träger in diesem Frequenzbin trägt. Die Abstimmbarkeit jedes Sigma-Delta-Modulators ermöglicht die Abdeckung über den spezifischen Multiplexer-Zweig, an den er angeschlossen ist, und die aggregierte Bank von Modulatoren und Multiplexer-Zweigen ermöglicht die Abdeckung aller massiven Träger-Aggregationskombinationen. Abschließend wird der digitale Bitstrom in einen Kreuzschienenschalter 340 eingespeist, um sicherzustellen, dass jeder Trägeraggregationsstrom von einem geeigneten Prozessor 350, wie beispielsweise einem digitalen Signalprozessor, entsprechend in das Basisband für die Wellenformverarbeitung und das Zusammenfügen der Kanäle geleitet wird. Die Größe und Struktur des Schaltmechanismus wird entsprechend der Anzahl der Trägeraggregationskombinationen gewählt, für die das System konzipiert ist. In einer exemplarischen Konfiguration können die Sigma-Delta-Modulatoren über einen Frequenzdarstellbereich von 400 MHz abstimmen und können im unteren Band (700 MHz-1,1 GHz), mittleren Band (1700 - 2100 MHz) oder im oberen Band (2200 - 2600 MHz) platziert werden. Der Multiplexer und der Schalter können konfiguriert werden, um 3, 4, 5 oder mehrere unabhängige Signalpfade über den gesamten Bereich abzudecken. Es ist zu beachten, dass im Gegensatz zu den heutigen modernen Architekturen keine statischen SAW/BAW-Filter erforderlich sind, da es sich um eine direkte HF-zu-digitale SDR-Architektur mit abstimmbaren Datenwandlern handelt.
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Nun zu 4 eine exemplarische Funkübertragungsarchitektur 400 zum Implementieren von softwareprogrammierbaren Mobilfunkkommunikationsmöglichkeiten dargestellt. Die Funkübertragungsarchitektur 400 ist eine exemplarische Ausführungsform, die für eine massive Trägeraggregation im Uplink-Betrieb geeignet ist, und beinhaltet eine Antenne 405, einen HF-Schalter 415, einen ersten Multiplexer 430, einen zweiten Multiplexer 435, einen ersten Breitbandleistungsverstärker 440, einen zweiten Breitbandleistungsverstärker 445, einen ersten Kombinator 450, einen zweiten Kombinator 455, eine Bank von Sigma-Delta-Digital-Analog-Wandlern (DAC) mit Bandpassfiltern 460 und einem Basisbandprozessor 465. Der Basisbandprozessor 465, der mit einem DSP implementiert werden kann, bereitet die einzelnen Komponententräger-Basisbandwellenformen vor, die anschließend durch mehrere abstimmbare Sigma-Delta-DACs 460 gespeist werden, um die Komponenten-HF-Träger zu erzeugen. Die Wellenformen werden dann durch die abstimmbaren FlexRF-Bandpassfilterbänke 460 geleitet, um die Außerbandemissionen zu reduzieren. Anschließend werden die Komponenten-HF-Träger durch einen Multiband-Leistungsverstärker 440 445 geleitet, um die Leistung jedes einzelnen Komponententrägers einer massiven Uplink-Träger-Aggregationswellenform zu erhöhen. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Bandbreite des Leistungsverstärkers 440 445 mit den Frequenzunterbrechungen der Multiplexer-Architektur 430 435 übereinstimmt. So können beispielsweise die Leistungsverstärker 440 445 eine größere Bandbreite aufweisen, so wird weniger Bandbreite benötigt als die der Multiplexer 430 435. Er kann so betrieben werden, dass der Ausgang der abstimmbaren Bandpassfilter 460 kombiniert wird, bevor er en masse durch einen von mehreren Leistungsverstärkern 440 445 verstärkt wird. Schließlich wird das verstärkte HF-Signal, das alle Wellenformen der Trägeraggregation trägt (durch einen Signalsplitter, falls erforderlich), zur Speisung der einzelnen Multiplexerbänke 430 435 geleitet, bevor es über den HF-Schalter 415 an die Antenne 405 zum Senden weitergeleitet wird. Der HF-Schalter kann mit einem dritten Kombinator oder dergleichen umgesetzt werden.
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Zuwendend nun auf 5 ist eine exemplarische Funkarchitektur zur Unterstützung eines Mehrkanal-MIMO 500 dargestellt. Die MIMO-Erweiterung der in Bezug auf 3 beschriebenen Basisarchitektur kann darin bestehen, die Empfangs- und Sendepfade, die in den und aus dem Basisbandchip eingespeist werden, zu replizieren, um eine erhöhte Anzahl an MIMO-Kanälen zu ermöglichen. Jeder Kanal kann eine Antenne 505, einen N-Umschalter/Splitter 515, einen ersten Multiplexer 520, einen zweiten Multiplexer 525, eine erste Bank von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern 530, eine zweite Bank von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern 535, einen Kreuzschienenschalter 540 und einen Prozessor 545, wie beispielsweise einen Basisbandprozessor, aufweisen. Somit würde der „N-te“ Kanal aus einer „N-ten“ Antenne 555, einem „N-ten“ N-Umschalter/Splitter 565, einem „N-ten“ ersten Multiplexer 570, einem „N-ten“ zweiten Multiplexer 575, einer „N-ten“ ersten Bank von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern 580, einer „N-ten“ zweiten Bank von Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlern 585 bestehen, die mit dem Kreuzschienenschalter 540 und dem Prozessor 545 gekoppelt sind. In dieser exemplarischen Ausführungsform können die MIMO-Wellenformen unabhängig voneinander über separate HF-Kanäle erfasst oder übertragen werden, wobei diese Architektur auf beliebig viele MIMO-Kanäle erweitert werden kann. Der Kreuzschienenschalter 540 kann repliziert oder optimiert werden, um die verschiedenen Datenströme in einem einzelnen Gefüge zu handhaben, basierend auf Leistungs-, Größen- und Funktionseinschränkungen. Darüber hinaus eröffnet diese Architektur den wünschenswerten Vorteil einer weiteren Systemoptimierung, indem sie die Komponenten aus einer geraden Verdopplung der Empfangs-/Sendekette reduziert und stattdessen die Multiplexer- und Sigma-Delta-Verzweigungen intelligent verteilt, sodass die gewünschte Anzahl an MIMO-Kanälen über unabhängige Signalpfade zur Verarbeitung an das Basisband weitergeleitet wird. Einige MIMO-Kombinationen können dadurch erreicht werden, dass die meisten anderen Komponenten ausgeschaltet bleiben und stattdessen durch einen der beiden aktiven Zweige geleitet werden, was auf die Abstimmbarkeit der Systemelemente zurückzuführen ist.
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Zuwendend nun auf 6, wird eine Funkarchitektur zum Umgang mit höherfrequenten Wellenform-Trägerfrequenzen 600 dargestellt. Die Funkarchitektur mit erweiterter Reichweite kann einen ersten Filter 610, einen rauscharmen Verstärker 620, einen Mischer 625, einen festen Bandpassfilter 630 und einen Sigma-Delta-Direktumwandlungsempfänger 650 beinhalten. Um beispielsweise höhere Eingangsfrequenzen Fin Wellenform-Trägerfrequenzen oberhalb von 3 GHz verarbeiten zu können, kann die zuvor beschriebene Architektur um Breitbandmischer für die Empfangskette erweitert werden, um bei Bedarf den erweiterten Bereich abzudecken. So zum Beispiel, wenn die exemplarisch abstimmbaren Sigma-Delta-Daten-Wandler mit bis zu 2,7 GHZ betrieben werden. Für Trägerwellenformen außerhalb dieses Bereichs kann ein Einstufenmischer 625 verwendet werden, um in den Bereich dieser Datenwandler herunterzukonvertieren, z. B. in einen festen Niedrigbandbereich (700-1100 MHz). Es kann lediglich erforderlich sein, die LTE-Wellenform-Bandbreite herunterzukonvertieren, zum Beispiel 20 MHz, kann jedoch auf 100 MHz erweitert werden, um eine zusammenhängende mehrkanalige Trägeraggregation zu ermöglichen. Ein Triplexer oder ein fester Filter kann das gewünschte Frequenzband auswählen, und ein spannungsgesteuerter Oszillator kann verwendet werden, um eine geeignete Lokaloszillatorfrequenz Flo zum Abstimmen auf den entsprechenden Frequenzbereich zu erzeugen, der den gesamten Frequenzbereich von 2,7 bis 5 GHz abdeckt. Bereich. Für die Signalübertragung kann eine Oberschwingung zweiter Ordnung des Sigma-Delta-DAC verwendet werden, um im Bereich von 2,7 bis 5 GHz zu übertragen. Die abstimmbaren Bandpassfilter können bis über diesen Bereich hinaus betrieben werden, so dass die gewünschten 2" Oberschwingungen herausgefiltert und in die entsprechenden Leistungsverstärker für den Bereich von 2,7 GHz bis 5 GHz eingespeist werden können.
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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 nichttransitorisches 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.
