DE19548941C2

DE19548941C2 - Adaptives Polarisationsdiversitysystem

Info

Publication number: DE19548941C2
Application number: DE19548941A
Authority: DE
Inventors: Baruch Cyzs
Original assignee: Rafael Advanced Defense Systems Ltd; State of Israel
Current assignee: Rafael Advanced Defense Systems Ltd; State of Israel
Priority date: 1995-01-03
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2015-12-29
Also published as: JPH09162793A; DE19548941A1; IL112233A; US5691727A; IL112233A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Polarisationsdiversitysysteme für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung im allgemeinen und adaptive Polarisationsdiversitysysteme für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunk übertragung im besonderen.

Es ist allgemein bekannt, daß Schwund und sonstige Signalbeeinträchtigungen in landstationierten mobilen Funkverbindungen zwischen einer Basisstation und einer Anzahl von abgesetzten Teilnehmereinheiten aufgrund natürlicher und vom Menschen geschaffener Hindernisse auftreten. Schwund und andere Signalbeeinträchtigungen sind einer Mehrwegeausbreitung zwischen der Basisstation und den Teilnehmereinheiten und einer Zufallsorientierung bzw. Zufallsausrichtung der Antennen von Teilnehmereinheiten zuzu schreiben. Typischerweise wächst das Problem eines Nicht-Selektivfrequenzschwundes bzw. Nicht-Selektivspannungsschwundes proportional mit der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Teilnehmers, der Dichte von Siedlungen, der Übertragungsfrequenz und dergleichen an.

Raumdiversitysysteme, die Paare von Antennen an der Basisstation und an den Teilnehmereinheiten beinhalten, sind vorgeschlagen worden, um das Problem eines Nicht- Selektivfrequenzschwundes bzw. Nicht-Selektivspannungsschwundes zu lösen. Allerdings er fordern Raumdiversitysysteme Antennenabstände in der Größenordnung von 30 λ an der Basisstation und einer Wellenlänge an der Teilnehmereinheit, die unpraktisch oder unvorteilhaft sind.

Optimaldiversitysysteme, die ein adaptives Antennenfeld an der Teilnehmereinheit beinhalten, sind ebenso vorgeschlagen worden, um das Problem eines Schwundes zu lösen. Das effektive Signal an der Teilnehmereinheit ist die gewichtete bzw. gewertete Kombination der Signale von den Antennen des Antennenfeldes. Daher wirkt ein adaptives Antennenfeld tatsächlich als ein gerichtetes Feld bzw. Richtfeld, das dabei unter dem nachfolgenden Energieverlust, der mit einem Richtfeld verbunden ist, leidet.

Polarisationsdiversitysysteme, die Paare von Antennen an der Basisstation und an den Teilnehmereinheiten beinhalten, sind ebenso vorgeschlagen worden, um das Problem eines Schwundes zu lösen. Herkömmliche Polarisationsdiversitysysteme haben einigen Erfolg gehabt, leiden allerdings unter einem Energieverlust von 3 dB aufgrund einer Übertragung in beide orthogonalen Polarisationen.

Die US-PS 5,068,668 beschreibt ein Empfängersystem, das zwei Empfangsantennen besitzt, die zueinander orthogonal polarisiert sind. Dieses Empfängersystem ist in der Lage, die Polarisation der Empfangsantennen der Polarisation des eintreffenden Signals adaptiv anzupassen. Als mögliche Polarisationsarten kommen dabei sowohl lineare als auch zirkulare Polarisationen in Betracht.

R. G. Vaughan, Polarization Diversity in Mobile Communications, in: IEEE Transactions On Vehicular Technology, 1990, Vol. 39, No. 3, 177-186, lehrt die Verwendung von nur einer Übertragungsantenne in der mobilen Station und den Empfang mittels zweier orthogopal polarisierter Empfangsantennen.

Die EP 0 582 233 A1 beschreibt einen adaptiven Empfänger für Übertragungskanäle mit Schwund infolge der Mehrwegeausbreitung, wobei als Stand der Technik ein Empfangsgerät mit N Pfaden beschrieben wird. Diese Pfade weisen jeweils eine Antenne, einen Empfänger und einen Multiplizierer auf, wobei die Anteile aus den einzelnen Pfaden im Summierer zusammengefaßt werden. Die Koeffizienten für die Multiplizierer werden im Empfangsgerät mittels eines LMS-Algorithmus auf der Grundlage eines Trainingssignals selbst ermittelt.

F. H. Raab, Signal Processing for Through-the-Earth Electromagnetic Systems, in: iEEE Transactions On Industry Applications, 1988, Vol. 24, No. 2, beschreibt die Bestimmung einer Wichtungsmatrix mittels eines Direkt-Matrix-Inversions-(DMI)-Algorithmus.

Es besteht daher eine Notwendigkeit für ein adaptives Polarisationsdiversitysystem für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung, welche den Nachteilen herkömmlicher Polarisationsdiversitysysteme begegnet.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein adaptives Polarisationsdiversitysystem für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung.

Somit ist entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung ein adaptives Polarisationsdiversitysystem für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung zur Verfügung gestellt, umfassend: (a) eine Antenne einer Basisstation zum Übertragen entweder einer im Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung oder einer entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung, wobei die Übertragung ein Trainingspilotsignal (training pilot signal) umfaßt, und (b) wenigstens eine mobile Teilnehmereinheit zum Empfangen der Übertragung, wobei die wenigstens eine Teilnehmereinheit umfaßt: i) eine erste Antenne der Teilnehmereinheit zum Emfangen einer im Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung, ii) eine zweite Antenne der Teilnehmereinheit zum Empfangen einer entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung, iii) eine Einrichtung zur Umwandlung der analogen Übertragung in eine digitale Übertragung, und iv) einen Zweikanal-Empfänger zum adaptiven Kombinieren der im Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung mit der entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung im Verhältnis zu einer ersten bzw. zweiten Wichtung, wobei der Zweikanal-Empfänger die erste und die zweite Wichtung bestimmt, um so das Trainingspilotsignal zu maximieren.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung führt der Zweikanal- Empfänger einen Direkt-Matrix-Inversions-(DMI)-Algorithmus zum Verarbeiten einer Anzahl von Abtastwerten aus jedem seiner Kanäle aus, um so die erste Wichtung und die zweite Wichtung zu bestimmen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung führt der Zweikanal- Empfänger einen Mittleren-Fehlerquadrat-(LMS)-Algorithmus zum Verarbeiten einer Anzahl von Abtastwerten aus jedem seiner Kanäle aus, um so die erste Wichtung und die zweite Wichtung zu bestimmen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die erste Antenne der Teilnehmereinheit von der zweiten Antenne der Teilnehmereinheit beabstandet angeordnet.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die erste Antenne der Teilnehmereinheit und die zweite Antenne der Teilnehmereinheit nebeneinander angeordnet.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die wenigstens eine Teilnehmereinheit als eine an einem Fahrzeug angebrachte Vorrichtung realisiert.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die wenigstens eine Teilnehmereinheit als eine in einer Hand zu haltende Vorrichtung realisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines zirkularen adaptiven Polarisationsdiversitysystems für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung ist, welches als ein adaptives System direkter Speisung ausgeführt ist, und

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines zirkularen adaptiven Polarisationsdiversitysystems für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung ist, welches als ein adaptives Rückkopplungssystem ausgeführt ist.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein adaptives Polarisationsdiversitysystem für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung.

Die Prinzipien und Funktionsweise des adaptiven Polarisationsdiversitysystems für eine Funkverbindungsübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die beiliegende Beschreibung besser verständlich.

Allgemein gesagt, kombiniert das adaptive Polarisationsdiversitysystem der vorliegenden Erfindung adaptiv orthogonal polarisierte Signale, um eine effektive Polarisation zu erhalten, welche die tatsächliche Polarisation eines eingehenden empfangenen Signals anpaßt. Dies wird durch ein adaptives Zuordnen bzw. Zuweisen von Wichtungen bzw. Wertungen an beide orthogonal polarisierten Signale erreicht, um so ein Trainingspilotsignal zu maximieren, welches durch das eingehende Signal übertragen wird. Das adaptive Polarisationsdiversitysystem kann entweder als ein adaptives System direkter Speisung (direct feed adaptive system), welches einen Direkt-Matrix-Inversions-(DMI)-Algorithmus (Direct Matrix Inversion (DMI) algorithm) zum Bestimmen der Wichtungen bzw. Wertungen verwendet, oder als ein adaptives Rückkopplungssystem (feedback adaptive system), welches einen Mittleren-Fehlerquadrat-(LMS)-Algorithmus (Least Mean Square (LMS) algorithm) zum Bestimmen der Wichtungen bzw. Wertungen verwendet, ausgeführt sein. Das Diversityschema bzw. Verschiedenartigkeitsschema wird beibehalten, da die Mehrfachreflexionen einer Übertragung während einer Mehrwegeausbreitung von einer Basisstation zu einer abgesetzten Teilnehmereinheit eine hohe Dekorrelation zwischen den orthogonal polarisierten Komponenten des eingehenden empfangenden Signals aufweisen.

Weiterhin kann das adaptive Polarisationsdiversitysystem an einer Basisstation für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung in Aufwärtsrichtung oder an einer Teilnehmereinheit für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung in Abwärtsrichtung eingesetzt werden. Alternativ kann das adaptive Polarisationsdiversitysystem an einer Basisstation und einer Teilnehmereinheit für eine Zweiwege-Funkver bindungsübertragung bzw. Zweiwege-Richtfunkübertragung eingesetzt werden. Somit kann das adaptive Polarisationsdiversity system für eine mobile Funkverbindungsübertragung, WLAN-Funkverbindungsübertragung, Fernmeß-Funkverbindungsübertragung und dergleichen ausgeführt sein. Eine mobile Funkverbindungsübertragung beinhaltet eine Teilnehmereinheit, die als eine an einem Fahrzeug angeordnete Vorrichtung oder eine in einer Hand zu haltende Vorrichtung realisiert ist.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines im allgemeinen mit 10 bezeichneten adaptiven Polarisationsdiversitysystems für eine Funkverbindungsübertragung bzw. Richtfunkübertragung, die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung konstruiert und wirksam ist. Lediglich zum Zwecke der Erläuterung ist das adaptive Polarisationsdiversity system 10 für eine Funkverbindungsübertragung in Abwärtsrichtung von einer Basisstation 12 zu einer oder mehreren Teilnehmereinheiten 14, die physikalisch an einem Teilnehmereinheitsstandort lokalisiert sind, eingesetzt. Es sollte bemerkt werden, daß das adaptive Polarisationsdiversitysystem 10 ebenso für eine Funkverbindungsübertragung in Aufwärtsrichtung von einer Teilnehmereinheit zu einer Basisstation und für eine Zweiwege- Funkverbindungsübertragung zwischen einer Basisstation und einer Teilnehmereinheit ausgeführt sein kann.

Die Basisstation 12 umfaßt eine Antenne 16, die entweder eine zirkulare Polarisation im Uhrzeigersinn oder eine zirkulare Polarisation entgegen dem Uhrzeigersinn aufweist. Aus Gründen, die nachfolgend ersichtlich werden, überträgt die Übertragung von der Basisstation 16 ein moduliertes Trainingspilotsignal. In beiden Fällen kommt einiges der Übertragung von der Antenne 16 an der Teilnehmereinheit 14 als eine im Uhrzeigersinn polarisierte Übertragung und der Rest als eine entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierte Übertragung aufgrund der vielfachen Mehrwege-reflexionen an. Die Verteilung zwischen zwei zirkularen polarisierten Übertragungen hängt von einer Anzahl von Faktoren, die den Mehrweg zwischen der Basisstation 12 und der Teilnehmereinheit 14 beinhalten, und dergleichen ab.

Somit umfaßt die Teilnehmereinheit 14 ein Antennenpaar 18, das eine Antenne 20 der Teilnehmereinheit, welche eine zirkulare Polarisation im Uhrzeigersinn aufweist, um die Polarisationskomponente der Übertragung im Uhrzeigersinn zu empfangen, und eine Antenne 22 der Teilnehmereinheit, welche eine zirkulare Polarisation entgegen dem Uhrzeigersinn aufweist, um die Polarisationskomponente der Übertragung entgegen dem Uhrzeigersinn zu empfangen, umfaßt. Die Antennen 20 und 22 des Antennenpaares 18 sind vorzugsweise nebeneinander angeordnet, derart, daß die Teilnehmereinheit 14 leicht als eine an einem Fahrzeug montierte Vorrichtung oder eine in der Hand zu haltende Vorrichtung ausgeführt sein kann. Alternativ können die Antennen 20 und 22 in einer zueinander beabstandeten Konfiguration eingesetzt sein.

Die Teilnehmereinheit 14 beinhaltet einen im allgemeinen mit 24 bezeichneten Zweikanal- Empfänger zum adaptiven Kombinieren von Signalen entsprechend der im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Komponenten, welche durch die Antennen 20 bzw. 22 empfangen werden, entsprechend einer ersten bzw. zweiten Wichtung bzw. Wertung, um so eine Übertragung von der Basisstation 12 an die Teilnehmereinheit 14 optimal zu empfangen. Der Zweikanal-Empfänger 24 kann als Teil des Demodulators der Teil nehmereinheit 14 oder alternativ dazu extern ausgeführt sein.

Daher umfaßt der Zweikanal-Empfänger 24 einen im allgemeinen mit 26 bezeichneten ersten Kanal zum Verarbeiten bzw. Bearbeiten der im Uhrzeigersinn polarisierten Komponente der Übertragung, welche durch die Antenne 20 empfangen wird, und einen im allgemeinen mit 28 bezeichneten zweiten Kanal zum Verarbeiten bzw. Bearbeiten der entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Komponente der Übertragung, welche durch die Antenne 22 empfangen wird. Es sollte bemerkt werden, daß die Kanäle 26 und 28 benötigt werden, um eine identische Gruppenlaufzeit bzw. Signallaufzeit und Verstärkungseigenschaften zu besitzen, um so eine optimale Kombination innerhalb der empfangenen Signalbandbreite sicherzustellen.

Die Kanäle 26 und 28 umfassen jeweils vier Funktionseinheiten, die nun unter Bezugnahme auf den Kanal 26 beschrieben werden. Erstens umfaßt der Kanal 26 einen RF-Tuner 30 zum Bereitstellen eines ZF-Signals (IF signal) entsprechend der im Uhrzeigersinn polarisierten Komponente der Übertragung, welche an der Antenne 20 empfangen wird. Zweitens umfaßt der Kanal 26 einen synchronischen Detektor 32 zum Bereitstellen der realen gleichphasigen und imagitären Quadraturkomponenten des ZF-Signals. Der synchronische Detektor 32 konvertiert das ZF-Signal vorzugweise nach unten auf eine Basisbandfrequenz oder eine Nachbar Basisbandfrequenz. Drittens umfaßt der Kanal 26 einen A/D-Wandler bzw. eine A/D- Wandlereinheit 34 zum Abtasten der gleichphasigen und Quadraturkomponenten, um eine Folge bzw. Sequenz von digitalisierten komplexen Abtastwerten bereitzustellen. Schließlich umfaßt der Kanal 26 einen komplexen Multiplizierer bzw. Vervielfacher bzw. eine komplexe Multiplizierschaltung 36 zum Multiplizieren von Paaren von komplexen Zahlen, die aus einem komplexen Abtastwert aus dem A/D-Wandler 34 und einer komplexen Wichtung bzw. Wertung, welche durch einen nachfolgend beschriebenen komplexen Wichtungsgenerator bzw. Wertungsgenerator bzw. Wertigkeitsgenerator 46 zur Verfügung gestellt ist, bestehen. In einer ähnlichen Weise umfaßt der Kanal 28 einen RF-Tuner 38, einen synchronischen Detektor 40, einen A/D-Wandler bzw. eine A/D-Wandlereinheit 42 und einen komplexen Multiplizierer bzw. Vervielfacher bzw. eine komplexe Multiplizierschaltung 44.

In dem Fall, daß das adaptive Polarisationsdiversitysystem 10 als ein adaptives System direkter Speisung ausgeführt ist, bestimmt der komplexe Wichtungsgenerator 46 die Wichtungen bzw. Wertungen, die den Signalen von jedem der Kanäle 26 und 28 zuzuweisen sind, durch die Anwendung eines Direkt-Matrix-Inversions-(DMI)-Algorithmus, um so das modulierte Trainingspilotsignal, welches als Teil einer Übertragung von der Basisstation 12 zu der Teilnehmereinheit 14 übertragen wird, optimal zu empfangen. Typischerweise verarbeitet bzw. bearbeitet der DMI-Algorithmus eine ausreichende Anzahl von komplexen Abtastwerten aus der A/D-Wandlereinheit 34 und der A/D-Wandlereinheit 42, um so eine gute Abschätzung der optimalen Wichtungen bzw. Wertungen zu erhalten. Schließlich umfaßt der Zweikanal- Empfänger 24 einen komplexen Addierer bzw. eine komplexe Addierschaltung 48 zum adaptiven Kombinieren von komplexen Zahlen aus den komplexen Multiplizierern 36 und 44 entsprechend den Wichtungen bzw. Wertungen, die durch den komplexen Wichtungsgenerator 46 bestimmt sind.

Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, bestimmt der komplexe Wichtungsgenerator 46 im Fall, daß das adaptive Polarisationsdiversitysystem 10 als ein adaptives Rückkopplungssystem ausgeführt ist, die Wichtungen bzw. Wertungen, die den Signalen von jedem der Kanäle 26 und 28 zuzuweisen sind, durch die Anwendung eines Mittleren-Fehlerquadrat-(LMS)-Algorithmus, um so das modulierte Trainingspilotsignal, welches als Teil einer Übertragung von der Basis station 12 zu der Teilnehmereinheit 14 übertragen wird, optimal zu empfangen. Wie gezeigt, empfängt der komplexe Wichtungsgenerator 46 die digitalisierten komplexen Abtastwerte aus den AD-Wandlern 34 und 42 sowie ein Fehlersignal aus einem komplexen Subtrahierer bzw. einer komplexen Subtrahierschaltung 49, welche das kombinierte Signal aus dem komplexen Addierer 48 von einer gewünschten Antwort in Form des modulierten Trainingspilotsignals subtrahiert.

Es sollte bemerkt werden, daß die komplexen Multiplizierer 36 und 44, der komplexe Wichtungsgenerator 46 und der komplexe Addierer 48 sowie der komplexe Subtrahierer 49 entweder in Software oder als Hardwarekomponenten, wie im Stand der Technik bekannt, ausgeführt sein können.

Es ist offensichtlich, daß der Zweikanal-Empfänger 24 somit alles in allem in beiden Fällen die Signale entsprechend der im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Komponenten der Übertragung, welche von den Antennen 20 bzw. 22 empfangen werden, adaptiv wichtet bzw. wertet, um so eine Kreuzpolarisation der Übertragung zu kompensieren, die durch die Antenne 16 übertragen wird, welche durch eine Mehrwegeausbreitung von der Basisstation 12 zu der Teilnehmereinheit 14, die unbestimmte Orientierung bzw. Ausrichtung des Antennenpaares 20 und dergleichen hervorgerufen wird.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es verständlich, daß viele Variatiationen, Modifikationen und andere Anwendungen der Erfindung möglich sind.

Claims

1. Adaptives Polarisationsdiversitysystem für eine Funkverbindungsübertragung, umfassend:

a) eine Antenne (16) einer Basisstation (12) zum Übertragen entweder einer im Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung oder einer entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung, wobei die Übertragung ein Trainingspilotsignal umfaßt, und
b) wenigstens eine mobile Teilnehmereinheit (14) zum Empfangen der Übertragung, wobei die wenigstens eine Teilnehmereinheit (14) umfaßt:
- a) eine erste Antenne (20) der Teilnehmereinheit (14) zum Empfangen einer im Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung,
- b) eine zweite Antenne (22) der Teilnehmereinheit (14) zum Empfangen einer entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung,
- c) eine Einrichtung (34, 42) zur Umwandlung der analogen Übertragung in eine digitale Übertragung, und
- d) einen Zweikanal-Empfänger (24) zum adaptiven Kombinieren der im Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung mit der entgegen dem Uhrzeigersinn polarisierten Übertragung im Verhältnis zu einer ersten bzw. zweiten Wichtung, wobei der Zweikanal-Empfänger (24) die erste und die zweite Wichtung bestimmt, um so das Trainingspilotsignal zu maximieren.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweikanal-Empfänger (24) einen Direkt-Matrix-Inversions-(DMI)-Algorithmus zum Verarbeiten einer Anzahl von Abtastwerten aus jedem seiner Kanäle (26, 28) ausführt, um so die erste Wichtung und die zweite Wichtung zu bestimmen.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweikanal-Empfänger (24) einen Mittleren-Fehlerquadrat-(LMS)-Algorithmus zum Verarbeiten einer Anzahl von Abtastwerten aus jedem seiner Kanäle (26, 28) ausführt, um so die erste Wichtung und die zweite Wichtung zu bestimmen.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Antenne (20) der Teilnehmereinheit (14) von der zweiten Antenne (22) der Teilnehmereinheit (14) beabstandet angeordnet ist.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Antenne (20) der Teilnehmereinheit (14) und die zweite Antenne (22) der Teilnehmereinheit (14) nebeneinander angeordnet sind.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Teilnehmereinheit (14) als eine an einem Fahrzeug angebrachte Vorrichtung realisiert ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Teilnehmereinheit (14) als eine in einer Hand zu haltende Vorrichtung realisiert ist.