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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung eines Funksignals im Signalpfad zwischen einer ersten Antenne zur Funk-Signalverbindung zu einem ersten Funk-Kommunikationsgerät und einer zweiten Antenne zur Funk-Signalverbindung zu einem zweiten Funk-Kommunikationsgerät, wobei die Schaltungsanordnung eine Detektionseinheit zur Erfassung einer Signalleistung des Funksignals in dem Signalpfad hat.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung von Intermodulationsprodukten in einer Verstärkeranordnung zur Verstärkung eines Funksignals
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Um die Empfangssituation eines Mobiltelefons zu verbessern, sind z.B. Mobilfunk-Repeater bekannt. Diese Geräte empfangen das Mobilfunksignal einer Basisstation mit einer Außenantenne, verstärken es und strahlen es auf einer Innenantenne wieder ab. Für das Signal vom Mobiltelefon zur Basisstation gilt das gleiche in umgekehrter Richtung. Diese Geräte werden z.B. in Zügen oder in Gebäuden mit dicken oder metallischen Wänden eingesetzt, um die Reichweite des Mobilfunknetzes auf den zu versorgenden Bereich zu erweitern.
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Weiterhin sind Geräte bekannt, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um die Abstrahlverluste eines Mobiltelefons in einem Fahrzeug zu kompensieren, sogenannte Kompensatoren. Diese Geräte sind an eine Koppelfläche angeschlossen, auf der das Mobiltelefon liegt. Weiterhin sind diese Geräte auch an eine Außenantenne angeschlossen, um das über die Koppelfläche vom Mobiltelefon empfangene Signal zu verstärken und über die Außenantenne wieder abzustrahlen. Das ganze System aus Mobiltelefon, Koppelantenne, Kompensator und Außenantenne kann als ein im Auto installiertes Mobiltelefonsystem betrachtet werden, als das es auch zugelassen wird. Die bei der Zulassung durchzuführenden Tests entsprechen denen des Mobiltelefons.
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Neuere adaptive Kompensatoren berücksichtigen auch den Fall, dass die Kopplung zwischen Mobiltelefon und Koppelfläche nicht immer konstant ist, sondern sich je nach verwendetem Mobiltelefon und der Lage auf der Koppelfläche verändert. Typischerweise variieren die Koppelverluste dabei zwischen 5 und 15 dB. Mit den adaptiven Kompensatoren werden die Koppelverluste berechnet und der Verstärkungsfaktor des Kompensators entsprechend gesetzt. Ein solcher adaptiver Kompensator ist beispielsweise in
DE 10 2012 113 158 B4 beschrieben.
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Da die Funkankopplung des Mobiltelefons nicht über eine HF-Steckverbindung geschieht, sondern das Signal von der internen Antenne des Mobiltelefons abgestrahlt und von der Koppelfläche wieder aufgefangen wird, ist keine starre Kopplung vorhanden. Der Koppelfaktor liegt, wie zuvor schon erwähnt, typischerweise zwischen 5 und 15 dB, was bedeutet, dass nur zwischen 3% und 32% der Leistung tatsächlich von der Koppelfläche aufgefangen und der Rest ins Fahrzeug abgestrahlt wird. Durch diese „lose“ Kopplung ist es auch möglich, dass von einem anderen Mobiltelefon, dass sich in der Nähe der Koppelfläche befindet, ebenfalls ein kleiner Teil der abgestrahlten Leistung von der Koppelfläche aufgefangen, vom Kompensator verstärkt und von der Außenantenne abgestrahlt wird. In diesem Fall ist das ganze System nicht mehr als Mobiltelefonsystem, das nur ein Mobiltelefon enthält, zu sehen, sondern es treffen die typischen Repeater-Eigenschaften zu.
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Repeater werden nach einer anderen Vorschrift getestet und zugelassen als Kompensatoren. Da Repeater das Signal von mehreren Telefonen gleichzeitig verstärken, muss sichergestellt werden, dass die Intermodulationsprodukte, die durch kleine Nichtlinearitäten des Verstärkers bei der Verstärkung von mehreren Signalen entstehen, keine anderen Mobilfunkübertragungen stören. Dazu sieht die Prüfvorschrift für Repeater einen Grenzwert der Intermodulationsprodukte von -36 dBm bei Frequenzen unterhalb von 1 GHz und -30 dBm bei Frequenzen ab 1 GHz vor. Die Prüfung geschieht bei maximaler Leistung des Nutzsignals an der Außenantenne. Die maximale Leistung eines GSM-Signals in 900 MHz - Bereich beträgt 33 dBm. Wenn zwei Signale auf benachbarten Kanälen liegen, kann jedes einzelne Signal eine Leistung von 30 dBm abstrahlen. Die einzelnen Intermodulationsträger dürfen eine Leistung von -36 dBm nicht überschreiten, wodurch ein Intermodulationsabstand von insgesamt 66 dB erreicht werden muss. Mit herkömmlichen Verstärkern aus diesem Bereich, die auch die kommerziellen Anforderungen für solche Geräte im Fahrzeug erfüllen, ist das nicht zu erreichen.
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US 9 628 122 B1 beschreibt eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Reduzierung von Interferenzen, die ein gewünschtes Signal spektral überlappen, basierend auf einer dynamischen Verstärkungsregelung und/oder einer Entzerrung. Hierzu werden die spektralen Leistungspegel erfasst und die Gesamtleistung der Sammlung von spektralen Leistungspegel mit einem vorgegebenen, abgespeicherten Schwellwert verglichen.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Verstärkung eines Funksignals und ein Verfahren zur Ermittlung von Intermodulationsprodukten zu schaffen.
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Die Aufgabe wird mit der Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Detektionseinheit zur Erfassung von spektralen Leistungsdichten innerhalb eines Funksignal-Frequenzbandes des Funksignals und zur Ermittlung von Intermodulationsprodukten aus Merkmalen der erfassten spektralen Leistungsdichten ausgebildet ist.
Die Detektionseinheit ist zum Vergleich der erfassten spektralen Leistungsdichten mit vorgegebenen Leistungsgrenzwerten für die Leistung und Feststellung einer Überschreitung eines Grenzwertes für Intermodulationsprodukte bei Überschreitung der vorgegebenen Leistungsgrenzwerte durch die erfassten spektralen Leistungsdichten ausgebildet. Erfindungsgemäß wird der Grenzwert dynamisch in Abhängigkeit von dem absoluten Leistungswert eines Hauptträgers variiert.
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Die erfassten spektralen Leistungsdichten sind in der Regel Spannungswerte von Messsignalen, die aus dem zu untersuchenden Funksignal im Signalpfad ausgekoppelt sind. Diese Spannungswerte oder vergleichbare Messgrößen stehen in Relation zu den spektralen Leistungsdichten der Funksignale im Signalpfad. Diese Messgrößen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung als spektrale Leistungsdichten des Funksignals im Signalpfad, d.h. der jeweiligen Funksignalleistung in ausgewählten Frequenzen bzw. Frequenzbereichen des gesamten Funksignal-Frequenzbandes, zu verstehen, da sie in Relation hierzu (bevorzugt direkt proportional) stehen.
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Intermodulationsprodukte liegen z.B. vor, wenn mehr als ein Träger vorhanden ist und die Verstärkung nicht exakt linear ist. Diese Träger sind durch ihre im Vergleich zu den Leistungswerten einer Mehrzahl von erfassten spektralen Leistungsdichten signifikant hohen Leistungen erkennbar. Sind mehrere Träger vorhanden und ist die Leistung des zweithöchsten Trägers größer als ein Grenzwert, bei dem höhere Intermodulationsprodukte entstehen als erlaubt, so kann auf das Vorliegen eines unzulässig hohen Intermodulationsproduktes geschlossen werden. Bei der Bewertung der spektralen Leistungsdichten kann die Relation des Hauptträgers zu dem zweitstärksten Träger des erfassten Leistungsdichtespektrums berücksichtigt werden. Der Grenzwert wird dynamisch von dem absoluten Leistungswert des Hauptträgers variiert. Die Festlegung des Grenzwertes für den maximal zulässigen Wert des zweitstärksten Trägers, d.h. der zweitstärksten spektralen Leistungsdichte im Leistungsdichtspektrum, in Abhängigkeit vom Hauptträger kann mit einer Funktion berechnet oder bevorzugt empirisch ermittelt und in einer Entscheidungstabelle hinterlegt werden. Der funktionale Zusammenhang ist von der Linearität der Verstärkerkurve abhängig.
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Die Schaltungsanordnung bspw. in Form eines Kompensators oder Repeaters hat eine Detektionseinheit (Leistungsdetektor), welche ein Leistungsdichtespektrum durch Messung einer Mehrzahl von Leistungen in ausgewählten, z.B. 200 kHz breiten Frequenzbändern des gesamten Funksignal-Frequenzbandes ermittelt. Die Detektionseinheit kann hierzu das komplette Funksignal-Frequenzband periodisch mit einer Schrittweite von z.B. 100 kHz abscannen und somit die spektralen Leistungsdichten für ausgewählte Frequenzbereiche innerhalb des gesamten Funksignal-Frequenzbandes durch Erfassung von Leistungen an ausgewählten Frequenzen bestimmen.
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Das Verfahren hat hierzu die Schritte:
- - Auskoppeln eines Messsignals aus dem Funksignal in dem Signalpfad;
- - Erfassen der spektralen Leistungsdichten des Messsignals innerhalb eines Funksignal-Frequenzbandes; und
- - Ermitteln von Intermodulationsprodukten aus Merkmalen der erfassten spektralen Leistungsdichten durch Vergleichen der erfassten spektralen Leistungsdichten mit vorgegebenen Leistungsgrenzwerten für die Leistung und Feststellen einer Überschreitung eines Grenzwertes für Intermodulationsprodukte bei Überschreitung der vorgegebenen Leistungsgrenzwerte durch die erfassten spektralen Leistungsdichten.
Erfindungsgemäß erfolgt ein dynamisches Variieren des Grenzwertes in Abhängigkeit von dem absoluten Leistungswert der spektralen Leistungsdichte eines Hauptträgers.
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Merkmale dieser spektralen Leistungsdichten erlauben nun einen Rückschluss auf das Vorliegen von Intermodulationsprodukten und deren Intensität.
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Die Schaltungsanordnung und das Verfahren haben den Vorteil, dass herkömmliche Bauteile inklusive Nichtlinearitäten in den Verstärkern genutzt werden können und gleichzeitig auf einfache und zuverlässige Weise sichergestellt werden kann, dass die Intermodulationsanforderungen in allen Funktionszuständen eingehalten werden. Damit ist es dann möglich, das Gerät im gewollten Zustand z.B. als Mobiltelefonsystem zu betrachten und in einem ungewollten Zustand, wenn das Signal von mehreren Telefonen verstärkt wird, trotzdem die Anforderungen an einen Repeater einzuhalten.
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Bei einem bidirektionalen Kompensator oder Repeater als Schaltungsanordnung, die mit einer Innenantenne mit einem mobilen Endgerät und mit einer Außenantenne mit einer Basisstation eines Funknetzwerkes, wie z.B. eines Mobilfunknetzes, in Verbindung stehen, erfolgt die Ermittlung der spektralen Leistungsdichten vorteilhaft im Signalpfad von der Innenantenne zur Außenantenne, da dort die Signalleistungen des Funksignals regelmäßig wesentlich höher sind, als im umgekehrten Signalpfad von der Außenantenne zur Innenantenne.
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In der Folge der Erkennung von Intermodulationsprodukten können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. So kann die Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung des Funksignals in Abhängigkeit von mindestens einem ermittelten Intermodulationsprodukt zur Reduzierung der Intermodulationsprodukte ausgebildet sein. Denkbar ist, dass die Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Verstärkung des Funksignals und/oder zum verstärkerlosen Durchleiten des Funksignals in einem Bypass ausgebildet ist. So kann auf den Bypass umgeschaltet werden, sobald keine weitere Reduzierung der Verstärkerleistung mehr zur Verfügung steht.
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Da Intermodulationsprodukte bei Signalen entstehen, die aus mindestens zwei Trägern bestehen, wird vorgeschlagen, das Spektrum so zu untersuchen, dass mehrere Träger erkannt und unterscheidbar sind. Dazu können sowohl die Leistung einzelner Träger, die Bandbreite einzelner Träger, als auch der Abstand der Träger zueinander als Merkmale der erfassten spektralen Leistungsdichten in die Analyse einbezogen werden.
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In der Folge kann die Verstärkung des Kompensators oder Repeaters herabgesetzt werden, bis der zweithöchste Träger den Grenzwert nicht mehr überschreitet. Wird bei minimaler Verstärkung der Grenzwert immer noch überschritten, so kann der Sendeverstärker komplett abgeschaltet und Signale über eine Bypass-Verbindung geführt werden.
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Die Detektionseinheit kann ein Koppelelement zur Auskopplung eines Messsignals aus dem Funksignal im Signalpfad, ein Frequenzbandfilter zur Bandpassfilterung des ausgekoppelten Messsignals für ein ausgewähltes Frequenzband und eine Abtasteinheit zur Abtastung der spektralen Leistungsdichten in den ausgewählten Frequenzen des gesamten Funksignal-Frequenzbandes haben.
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Die Abtasteinheit kann einen Oszillator, einen mit dem Oszillator und dem bandpassgefilterten Messsignal verbundenen Mischer zur Mischung des Oszillatorsignals mit dem bandpassgefilterten Messsignal und einen dem Mischer nachgeschalteten Bandpassfilter haben. Der Oszillator ist dann zur schrittweisen Auswahl von Frequenzen des Funksignal-Frequenzbandes eingerichtet. Mit dem nachgeschalteten Bandpassfilter, das als Schmalbandfilter für das mit dem Mischer erzeugte Signal an der Differenzfrequenz wirkt, gelingt es, das Leistungsspektrum schmalbandig sehr genau zu bestimmen.
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In einer Ausführungsform kann ein Koppelelement zur Auskopplung eines Messsignals aus dem noch nicht durch die Schaltungsanordnung verstärkten Funksignal im Signalpfad vorgesehen sein. Die Detektionseinheit ist dabei mit dem Koppelelement zur Erfassung des Leistungsdichtespektrums aus dem Messsignal verbunden. Das Vorliegen von Intermodulationsprodukten und deren beim verstärkten Funksignal auftretenden maximalen Intensität wird aus dem unverstärkten Funksignal indirekt ermittelt.
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Denkbar ist auch, dass ein Koppelelement zur Auskopplung eines Messsignals aus dem durch die Schaltungsanordnung verstärkten Funksignal im Signalpfad vorgesehen ist. Wiederum ist die Detektionseinheit mit diesem Koppelelement zur Erfassung des Leistungsdichtespektrums aus dem Messsignal verbunden. Damit können Intermodulationsprodukte und ihre maximale Intensität direkt im verstärkten Funksignal gemessen werden.
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Die indirekte Ermittlung von Intermodulationsprodukten aus dem unverstärkten Funksignal und die direkte Ermittlung aus dem verstärkten Funksignal kann auch miteinander kombiniert werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Detektionseinheit einen zur Ermittlung von Intermodulationsprodukten aus Merkmalen der erfassten spektralen Leistungsdichten eingerichteten Mikrocontroller hat.
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Die Auswirkungen dieses Verfahrens auf die einzelnen Mobilfunktechnologien werden nachfolgend für die drei in Europa verfügbaren Mobilfunkgenerationen aufgezeigt.
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Die GSM-Verbindung besteht aus einer gepulsten Trägerfrequenz mit einer maximalen Leistung von 33 dBm. Sollte ein weiteres Mobiltelefon im gleichen Band, aber auf einer anderen Trägerfrequenz, aber im gleichen Zeitschlitz senden, so können Intermodulationsprodukte entstehen. Aus einer Messung der Intermodulationsträger eines realen Verstärkers ist zu entnehmen, dass die Intermodulationsprodukte unterhalb von -36 dBm bleiben, wenn die beiden Nutzsignale nicht größer sind als 12,5 dBm. Sind unterschiedlich starke Nutzsignale vorhanden, ist das zweitstärkste Signal als Referenz für die Intermodulationsprodukte zu betrachten, da ein einzelnes Signal noch keine Intermodulationen hervorruft. Als Resultat ist festzuhalten, dass Intermodulationsträger unterhalb des Grenzwertes bleiben, wenn das zweitstärkste Nutzsignal in seiner Stärke 12,5 dBm nicht überschreitet. Ein Überschreiten dieses Wertes für den zweitstärksten Träger ist aber unwahrscheinlich, da das zweite Telefon sich prinzipbedingt etwas entfernt von der Koppelfläche befinden muss, und die Koppelverluste entsprechend hoch sind. Sollte der zweitstärkste Nutzträger trotzdem einmal größer als 12,5 dBm sein, wird die Verstärkung so weit herabgesetzt, dass er wieder unter den Grenzwert fällt.
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Im UMTS-Netz werden Bandbreiten von 5 MHz benutzt. Durch das eingesetzte Modulationsverfahren wird die Übertragung über die volle Bandbreite gespreizt, wodurch sich auch die abgestrahlte Leistung auf die ganze Bandbreite verteilt. Da die maximale Ausgangsleistung 24 dBm beträgt, verteilt sie sich auf die ganze Bandbreite mit 10 dBm pro 200 kHz. Das Signal lässt sich somit auch interpretieren, als hätte es 25 Einzelsignale mit jeweils 200 kHz Bandbreite, wobei jedes Einzelsignal eine maximale Abstrahlleistung von 10 dBm hat. Nach der Messkurve eines realen Verstärkers treten hierbei keine Intermodulationsträger auf, die stärker sind als - 36 dBm. Ein UMTS-Signal erfordert damit kein Eingreifen der Regelung.
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Im LTE-Netz werden unterschiedliche Bandbreiten eingesetzt. Einzelne Träger haben einen Abstand von 15 kHz zueinander und ebenfalls eine Bandbreite von 15 kHz. Es werden immer Ressource-Blöcke von jeweils 12 Träger mit einer gemeinsamen Bandbreite von 180 kHz benutzt. Im ungünstigsten Fall wird nur ein Ressource-Block mit einer maximalen Leistung von 23 dBm benutzt. Dabei hat dann jeder einzelne Träger eine maximale Leistung von 12,2 dBm. Nach der Messkurve eines realen Verstärkers würden Intermodulationsprodukte mit einer Stärke von - 35 dBm erzeugt. Da dies im Bereich unterhalb von 1 GHz um 1 dB zu hoch ist, kann das Problem dadurch gelöst werden, dass das Ausgangssignal auf 22 dBm begrenzt wird, was immer noch innerhalb der Mobilfunkspezifikation liegt.
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Die Schaltungsanordnung kann ein Kompensator sein, der aus einem Satz von mehreren Sendeverstärkerpfaden besteht, die jeweils einem Frequenzbereich und einer Übertragungstechnologie zugeordnet sind. Ferner gibt es einen Empfangsverstärker, der in Empfangsrichtung entweder frequenzselektiv oder breitbandig verstärkt. Am HF-Eingang zur Koppelfläche wird ein Teil des Signals ausgekoppelt, um entweder breitbandig oder frequenzselektiv die Leistung am Eingang zu messen. Durch Schaltmittel werden Filter für die einzelnen Bänder auf den Eingang geschaltet, um zyklisch nacheinander alle Frequenzbänder auf den Detektor zu schalten und die Leistung zu messen.
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Wurde ein Signal erkannt, wird der entsprechende Sende- und Empfangskanal für diese Frequenz eingeschaltet. Die Schaltmittel am Eingang schalten weiterhin zyklisch auch alle anderen Bänder durch, um bei einem stärkeren Signal auf einem anderen Band einen anderen Sende- und Empfangskanal durchzuschalten. Das auf jeweils ein Frequenzband begrenzte Signal wird nicht nur einem Detektor zugeführt, der die Leistung des gesamten Bandes misst, sondern auch einem Mischer, der das Signal des jeweiligen Bandes mit einem Signal aus einem Frequenzgenerator mischt.
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Der Ausgang des Mischers beinhaltet nun neben den beiden Eingangsfrequenzen auch ein Signal auf der Frequenz der Summe der beiden Eingangsfrequenzen sowie ein Signal auf der Frequenz der Differenz der beiden Eingangsfrequenzen. Das letztgenannte Signal kann vorteilhaft für die weitere Analyse genutzt und mit einem Bandpassfilter extrahiert werden. In dieser Ausführungsform kann die Oszillatorfrequenz so gewählt werden, dass sie zusammen mit der zu messenden Frequenz eine Differenzfrequenz von ca. 70 MHz ergibt. Der Ausgang des Mischers führt auf ein Filter mit einer Mittenfrequenz von 70 MHz bei einer Bandbreite von 200 kHz. Der Ausgang des Filters führt auf einen Detektor, der die Leistung in diesem 200 kHz breiten Band misst. Durch Verändern der Oszillatorfrequenz werden immer andere 200 kHz breite Abschnitte des gerade benutzten Mobilfunkbandes gemessen. Somit ist hier auf einfache Weise ein Spektralanalysator realisiert worden.
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Wenn die Schaltmittel am Eingang das gerade aktivierte Mobilfunkband auf den Detektor durchschalten, erzeugt der Oszillator zyklisch nacheinander alle Frequenzen, die es dem Detektor hinter dem Mischer erlauben die spektrale Leistungsverteilung im aktivierten Mobilfunkband zu messen. Der Mikrocontroller ermittelt somit die spektrale Leistungsverteilung und bestimmt daraus, ob darin mehrere Träger vorhanden sind, die zu Intermodulationsprodukten oberhalb der Grenzwerte führen können. Ist dies der Fall, so wird die Verstärkung herabgesetzt, bis keine Intermodulationsprodukte mehr entstehen können. Wenn die Verstärkung herabgesetzt wird, erhöht das Mobiltelefon typischerweise die Ausgangsleistung, damit an der Außenantenne wieder die Leistung anliegt, die die Basisstation für einen korrekten Signalempfang benötigt. Dadurch können aber wieder Intermodulationsprodukte entstehen, was zur Folge hat, dass die Verstärkung weiter abgesenkt werden muss. Dieser Kreislauf wird solange aufrechterhalten, bis das Mobiltelefon die Maximalleistung erreicht hat und sie nicht weiter erhöhen kann. Kann aber die Verstärkung nicht weiter abgesenkt werden, weil der Kompensator die minimale Verstärkung erreicht hat, dann wird der Sende- und Empfangsverstärkerpfad ganz abgeschaltet und der Bypasspfad eingeschaltet.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 - Skizze eines Wohngebäudes mit Repeater und Mobiltelefon ;
- 2 - Skizze eines Kraftfahrzeuges mit einem Kompensator;
- 3 - Diagramm einer typischen Koppeldämpfung zwischen einem mobilen Endgerät und der Koppelfläche einer Koppelantenne;
- 4a)- Diagramm eines Ausgangsleistungsverlaufs und der Leistungsdichten von Intermodulationsprodukten über die Eingangsleistung;
- 4b)- Diagramm eines Ausschnitts eines Leistungsdichtespektrums mit spektralen Leistungsdichten an den Abtastfrequenzen;
- 5 - Blockschaltbild eines Kompensators mit einer Detektionseinheit zur Erkennung der spektralen Leistungsdichten und Intermodulationsunterdrückung.
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1 zeigt eine Skizze eines Wohngebäudes 1 mit einem typischen Einsatz eines Repeaters 2 in dem Wohngebäude 1. Das Repeatersystem weist den Repeater 2, sowie eine Innenantenne 3 und eine Außenantenne 4 auf, die mit dem Repeater 2 verbunden sind. Ferner sind die Komponenten mobiles Endgerät 5 (Mobiltelefon, Smartphone, Tablet o.ä. Funkkommunikationsgerät) und Basisstation 6 eines Mobilfunknetzes 7 dargestellt, die über die Innenantenne 3 bzw. die Außenantenne 4 in Funkkommunikationsverbindung mit dem Repeater 2 stehen und damit über den Repeater 2 miteinander bidirektional kommunizieren können.
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2 zeigt eine Skizze eines Kraftfahrzeuges 8 mit einem Kompensator 9. Dies ist ein typischer Einsatz eines Kompensators 9 in einem Kraftfahrzeug 8, bei dem der Kompensator 9 einerseits mit einer Koppelantenne 10 und andererseits mit einer Außenantenne 11 für eine Basisstation 6 eines Mobilfunknetzes oder vergleichbarer Funkkommunikationsstationen eines vermaschten Funkkommunikationssystems verbunden ist. Die Koppelantenne 10 bildet z.B. die erste Antenne und die Außenantenne 11 die zweite Antenne im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Zwischen dem an die Koppelantenne 10 angekoppelten mobilen Endgerät 5 und dem Kompensator 9 tritt durch die Kopplung mit der Koppelantenne 10 und die Signalleitung ein Verlust von bspw. 23 dB auf. Dieser wird durch die Verstärkung (Gain) des Kompensators von bspw. 23 dB vollständig kompensiert. Damit kann die Sendeleistung Pout des mobilen Endgerätes von z.B. 33 dBm für den kritischsten Fall verlustfrei mit der gleichen Abstrahlleistung Pant = 33 dBm der Außenantenne 11 abgestrahlt werden.
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3 stellt ein Diagramm einer typischen Koppeldämpfung zwischen einem mobilen Endgerät 5 und der Koppelfläche einer Koppelantenne 10 in Abhängigkeit der Entfernung zwischen dem mobilen Endgerät 5 und der Koppelfläche der Koppelantenne 10 dar.
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4a zeigt in der oberen Kurve die Ausgangsleistung P-OUT eines typischen Verstärkers für den Mobilfunkbereich in Abhängigkeit von der Eingangsleistung. Der abgeflachte Kurvenverlauf bei höherer Leistung zeigt die Sättigung. Die untere Kurve stellt die bei der jeweiligen Eingangsleistung entstehenden Intermodulationsträger P-IT dar. Die gestrichelten Linien Pv-OUT und Pv-IT sind die virtuellen Erweiterungen des linearen Teils der beiden Kurven, wobei der Schnittpunkt auch Schnittpunkt dritter Ordnung (Intercept Point 3rd Order) oder kurz IP3 genannt wird, und ein Maß für die Intermodulation angibt.
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4b zeigt einen Ausschnitt eines Leistungsdichtespektrums mit spektralen Leistungsdichten für die Frequenzen 896,7 MHz, 896,9 MHz, 897,1 MHz und 897,3 MHz. Erkennbar ist die Lage von zwei Nutzsignalen im Frequenzbereich und die durch die Nichtlinearität der Verstärkung erzeugten Intermodulationsträger. Die Nutzsignale stammen z.B. von zwei in Empfangsreichweite der Schaltungsanordnung befindlicher mobiler Endgeräte 5, die ihre Sendeleistung in die Schaltungsanordnung einkoppeln. Erkennbar sind zwei signifikant herausstehende Signale mit einer Leistung von mehr als 0 dB für die beiden Hauptträger der Nutzsignale, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gleich groß sind, sowie die Intermodulationsträger bei 896,7 und 897,3 MHz. Deutlich wird, dass das Leistungsdichtespektrum im Frequenzabstand von 200 kHz abgetastet wurde.
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5 zeigt ein Blockschaltbild eines Kompensators 9 mit einer Detektionseinheit zur Erkennung der spektralen Leistungsdichten und Intermodulationsunterdrückung.
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Der Kompensator 9 hat einen Antennenanschluss 12, der das Signal einer ersten Antenne z.B. in Form einer Koppelantenne 10 auf ein Koppelelement 13 (z.B. einen 20dB-Koppler) führt, der einen Teil des Eingangssignals im Signalpfad zu Messzwecken auskoppelt. Von dem Koppelelement 13 (20dB-Koppler) wird das Funksignal weiter auf ein parametrierbares Dämpfungsglied 14 geführt und von dort aus auf einen HF-Schalter 15. Der HF-Schalter 15 kann von einem Mikrocontroller 50 betätigt werden, um das Signal auf einen der nachfolgenden Pfade 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f zu schalten. Dabei ist der Pfad 16a ein Bypass-Pfad, der das Signal passiv in beide Richtungen durchlässt. Die Pfade 16b bis 16f enthalten zuerst jeweils einen Duplexer 17b bis 17f, der jeweils das Uplink- und das Downlinksignal trennt, weiterhin Filter 18b bis 18f für das jeweilige Band und jeweils einen Leistungsverstärker 19b bis 19f. Der Ausgang der Leistungsverstärker 19b bis 19f führt wieder auf einen Duplexer 20b bis 20f für jeden Pfad, danach schaltet ein weiterer HF-Schalter 21 das Signal auf den Ausgang 22, der mit der Außenantenne 11 verbunden ist. Über einen zweiten Koppler 23 wird noch ein Teil des Ausgangssignals zu Messzwecken ausgekoppelt und über einen Detektor 44 von dem Mikrocontroller 50 ausgewertet. Die in den Duplexern 20b bis 20f abgekoppelten Downlinksignale werden über einen dritten HF-Schalter 24 auf den Downlink-Verstärker 25 und einen vierten HF-Schalter 26 in die Duplexer 17b bis 17f wieder eingekoppelt.
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Das zu Messzwecken im ersten Koppelelement 13 ausgekoppelte Messsignal wird über einen fünften HF-Schalter 30a auf (Bandpass-) Filter 31a bis 31f angeschaltet, die das Messsignal frequenzmäßig für eine ausgewählte Frequenz filtern. Nach den Filtern 31a bis 31f wird das Signal über einen sechsten HF-Schalter 30b auf einen Messsignal-Verstärker 33 geführt und von dort zum einen auf einen Detektor 34 und zum anderen auf einen Mischer 40 aufgeteilt. Der Mischer 40 bekommt sein zweites zu mischendes Signal aus einem Oszillator 41, der typischerweise als PLL (Phase Locked Loop) und VCO (Voltage Controlled Oszillator) ausgeführt ist. Der Ausgang des Mischers 40 ist über ein schmalbandiges Filter 43 auf einen weiteren Detektor 42 geführt.
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Die Ausgänge der Detektoren 34 und 42 sind mit dem Mikrocontroller 50 verbunden. Der Mikrocontroller 50 ist durch geeignete Programmierung eingerichtet, um alle HF-Schalter 15, 21, 24, 26, 30a, 30b anzusteuern und die Oszillationsfrequenz im Oszillator 41 einzustellen.
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Der Mikrocontroller 50 betätigt die HF-Schalter 30a und 30b so, dass zyklisch nacheinander mit dem Detektor 34 die Leistung in allen ausgewählten Frequenzbändern des gesamten Mobilfunkbandes, d.h. des Funksignal-Frequenzbandes gemessen wird. Bei Aktivität in einem der ausgewählten Frequenzen (d.h. schmalbandigen Frequenzbändern) wird über die HF-Schalter 15 und 21 und die HF-Schalter 24 und 26 der jeweilige Pfad 16b bis 16f durchgeschaltet und der dazugehörende Leistungsverstärker 19b bis 19f aktiviert. Die HF-Schalter 30a und 30b schalten weiterhin das mit dem Funksignal im Signalpfad proportionale Messsignal auf den Detektor 34, um auch die anderen Bänder zyklisch auf Aktivität zu überprüfen. Während der Zeit, in der die Schalter 30a und 30b die Filter für das gerade aktive Band angeschaltet haben, wird der Oszillator 41 nacheinander in kleinen Frequenzschritten durch den Mikrocontroller 50 auf solche Frequenzen geschaltet, dass über den Mischer 40 und das Filter 43 das komplette Spektrum des jeweils aktiven Bandes, genauer gesagt die spektralen Leistungdichten, erfasst wird.
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Der Mikrocontroller 50 führt zyklisch einen Algorithmus aus, um zu prüfen, ob in der Verteilung der spektralen Leistungsdichte des Eingangssignals bzw. des dazu proportionalen Messsignals Träger vorhanden sind, bei denen es unter Berücksichtigung der Einstellung des Dämpfungsgliedes und der den Leistungsverstärker 19b bis 19f charakterisierenden Verstärkungskurve zu Intermodulationsprodukten kommt, die über dem zulässigen Grenzwert liegen. Die Intermodulationsprodukte selbst werden in dieser Ausführungsform nicht gemessen, sondern es wird lediglich das Eingangssignal mit seiner spektralen Leistungsverteilung betrachtet. Mit Werten, die in einem Datenspeicher 51 abgelegt sind, werden charakteristische Punkte des gemessenen Leistungsspektrum verglichen und bei Überschreitung dieser Werte eine Aktion vorgenommen, die die Erzeugung von Intermodulationsprodukten verhindert. Diese Aktionen sind z.B. eine Reduktion der Verstärkung oder die Umschaltung des Sende- und Empfangspfades auf Bypass 16a.
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Eine andere Ausführung der Erfindung, die nicht in einem Bild dargestellt ist, besitzt eine Auskopplung des Ausgangssignals zu dem Messzweig für die spektrale Leistungsverteilungsmessung. Die Detektionseinheit kann hierzu für das Uplink-Signal an das Koppelelement 23 angeschlossen sein, um das verstärkte Funksignal auf Vorliegen von unzulässigen Intermodulationsprodukten zu untersuchen. Das Ausgangssignal wird in dieser Ausführung auf Vorhandensein und Stärke mehrerer Träger untersucht. Wenn hier eine Situation auftritt, die bekanntermaßen zu hohe Intermodulationsprodukte erzeugt, wird die im vorherigen Absatz beschriebene Aktion ausgeführt.
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Auch eine direkte Messung der Intermodulationsprodukte und Vergleich mit den zulässigen Grenzwerten ist in dieser Ausführung möglich. Hierbei wird die Aktion ausgeführt, wenn die gemessenen Intermodulationsprodukte die zulässigen Grenzwerte überschreiten.
