DE19852454B4

DE19852454B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Verbessern einer Funkübertragung über eine Funkstrecke zwischen einem Sender und einem Empfänger

Info

Publication number: DE19852454B4
Application number: DE19852454A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Perthold; Heinz Dr.-Ing. Gerhäuser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-12-08
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2018-11-14
Also published as: DE19852454A1

Abstract

Vorrichtung zum Verbessern einer Funkübertragung über eine Funkstrecke zwischen einem Sender und einem Empfänger (10), wobei die Funkübertragung Informationen mit einer Bitrate umfaßt, und wobei die Funkstrecke für destruktive Überlagerungen anfällig ist, mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Empfangsantenne (16), die ein erstes Antennensignal liefert; und
einer zweiten Empfangsantenne (18), die ein zweites Antennensignal liefert, und die von der ersten Empfangsantenne (16) räumlich beabstandet angeordnet ist;
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (20, 14; 20, 22) zum periodischen Beeinflussen entweder des ersten Antennensignals oder des zweiten Antennensignals oder der beiden Antennensignale, derart, daß ein Antennensignal bezüglich des anderen Antennensignals periodisch geändert wird, wobei das periodische Beeinflussen unabhängig von einem Pegel des ersten oder zweiten Signals durchgeführt wird und mit einer Frequenz stattfindet, die mehr als doppelt so groß wie die Bitrate ist, wodurch die Auswirkung einer durch die Funkstrecke bewirkten destruktiven Überlagerung reduziert wird; und
einen Empfänger...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbessern einer Funkübertragung über eine Funkstrecke zwischen einem Sender und einem Empfänger gemäß den Ansprüchen 1 und 9.

Es ist bekannt, daß bestimmte Funkstrecken für sogenannte "Deep Fades", d. h. destruktive Überlagerungen von zwei einfallenden Wellen, anfällig sind. Solche Funkstrecken finden sich in den unterschiedlichsten Bereichen der drahtlosen Übertragungstechnik. Wenn beispielsweise an eine Funkübertragung in einem urbanen Gebiet gedacht wird, das mit Hochhäusern relativ dicht bebaut ist, so kann es vorkommen, daß ein Empfänger ein Signal von einem Sender empfängt, das direkt zwischen denselben übertragen worden ist, und daß der Empfänger zusätzlich ein Signal von dem Empfänger empfängt, das denselben erst nach einer oder mehreren Reflexionen an Hauswänden oder ähnlichen Gegenständen erreicht hat.

Falls die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen aufgrund der unterschiedlichen Laufzeit, d. h. der unterschiedlich zurückgelegten Strecken der Signale, in der Nähe von 180° liegt, so wird an dem Empfänger eine destruktive Überlagerung, d. h. ein Deep Fade, der beiden einfallenden Signale auftreten. Die destruktive Überlagerung wird dazu führen, daß der Empfänger wenn überhaupt nur ein kleines Nutzsignal ausgeben kann, was zu Übertragungsfehlern und sogar zu einer Unterbrechung der Übertragung führen kann. Sind die beiden Signale dagegen um 360° phasenverschoben, so tritt ein günstiger Effekt in Form einer konstruktiven Überlagerung auf. Dem Empfänger wird in diesem Fall im wesentlichen die doppelte Signalstärke empfangen, d. h. seine Empfindlichkeit hat sich verdoppelt. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß eine vollständige Auslöschung bzw. Überlagerung nur auftritt, wenn die Amplituden der beiden Signale oder Wellen, die auf die Empfangsantenne treffen, gleich groß sind. Dies wird eher für eine Phasenverschiebung von 180° als für eine Phasenverschiebung von 360° zutreffen, da das um 360° verschobene Signal aufgrund der längeren Laufzeit und damit der längeren Strecke wesentlich stärker durch die Freiluftdämpfung gedämpft worden ist. Auch wenn die Amplituden der beiden Signale nicht vollständig gleich sind, d. h. die Amplitude des zweiten Signals wird immer etwas kleiner als die Amplitude des ersten Signals sein, so kann eine destruktive Überlagerung dennoch zu einer deutlichen Reduktion der Empfangsfeldstärke am Empfänger führen, die zumindest dazu führen kann, daß die Bitfehler-Wahrscheinlichkeit des Empfängers, wenn an eine digitale Übertragung gedacht wird, erheblich ansteigt.
Eine andere Funkstrecke, die noch mehr als die erste beschriebene Funkstrecke durch sogenannte Deep Fades gekennzeichnet ist, ist eine Funkstrecke, die der Datenübertragung zwischen rotierenden Teilen über kurze Entfernung bei starken Reflexionen dient. Eine solche Funkstrecke kann durch folgende praktische Anordnung realisiert werden. An der Felge eines Autorades ist ein Sender montiert. Im Radkasten befindet sich der zugehörige Empfänger. Innerhalb des Radkastens treten nun aufgrund dessen Leitfähigkeit durch Reflexion der elektromagnetischen Wellen sogenannte stehende Wellen auf, die abhängig von der Stellung des Rades zu einer schwankenden Feldstärke am Empfänger führen.
Im Stand der Technik ist es bekannt, zur Überwindung des Signalschwunds aufgrund destruktiver Überlagerung zweier Wellen statt einer einzigen Antenne zwei voneinander räumlich getrennte Antennen einzusetzen. Aufgrund der beiden voneinander beabstandeten Antennen ist die Wahrscheinlichkeit hoch, daß, wenn an einer Empfangsantenne eine destruk tive Überlagerung auftritt an der anderen Empfangsantenne ein ausreichendes Signal empfangen werden kann. Wenn nun die Empfangsfeldstärke jeder Antenne gemessen wird, kann immer die Antenne mit dem Sender verbunden werden, die gerade die höhere Empfangsfeldstärke liefert. Dieses Verfahren wird in der Technik auch als "Selection Diversity" bezeichnet.
Nachteilig an der bekannten Anordnung ist die Tatsache, daß ein relativ hoher Aufwand betrieben werden muß, da ständig die Empfangsfeldstärken beider Antennen überwacht werden müssen, um immer eine der beiden Antennen auszuwählen, die eine ausreichende Empfangsfeldstärke liefert, derart, daß die Funkübertragung nicht unterbrochen bzw. wesentlich gestört wird. Die dauernde Überwachung der Empfangsfeldstärken erfordert einen zusätzlichen apparativen Aufwand, derart, daß solche Systeme für einfache Funkstrecken sehr schnell zu teuer sind.
Das U.S.-Patent Nr. U 5,335,251 A offenbart einen Diversity-Empfänger, der eine erste und eine von der ersten Antenne beabstandete zweite Antenne umfaßt. Mit der ersten Antenne ist ein erster Empfangsabschnitt verbunden, welcher das HF-Signal auf einen ZF-Bereich umsetzt. Das ZF-Signal wird gefiltert und dann einem Schalter zugeführt. Der andere Antennenabschnitt enthält ebenso einen HF/ZF-Umsetzer und ein ZF-Filter. Der Ausgang des ZF-Filters des anderen Antennenzweigs wird ebenfalls in den Schalter eingespeist. Die Umschaltung von einer Antenne zu der anderen Antenne findet mit der halben Symbolfrequenz statt.
Die DE 195 34 616 A1 bezieht sich auf eine Reifendruck-Überwachungseinrichtung. Für jedes Rad eines Fahrzeugs ist eine Empfangsantenne vorgesehen, welche benachbart zum jeweiligen Rad ortsfest am Fahrzeug befestigt ist. Sämtliche Empfangsantennen haben zusammen einen einzigen Empfänger, der über eine Verbindungsleitung jeder Antenne verbunden ist. Diesem Empfänger ist eine Multiplexerschaltung zugeordnet, mit der pro Zeiteinheit nur eine einzige ausgewählte Antenne oder gleichzeitig mehrere ausgewählte Antennen auf den Empfänger geschaltet werden. Der Empfänger erfaßt ein Funktelegramm und dessen Feldstärke. Durch Auswertung der vom Empfänger erfaßten Feldstärken wird diejenige Antenne mit der größten Feldstärke selektiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches und damit preisgünstig zu realisierendes Konzept zum Verbessern einer Funkübertragung über eine für destruktive Überlagerungen anfällige Funkstrecke zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Auswahl der Antenne nicht, wie im Stand der Technik, in Abhängigkeit von der Empfangsfeldstärke vorgenommen wird, sondern daß der Aufpunkt eines Antennensystems periodisch geändert wird, d. h. im Fall von zwei Antennen periodisch zwischen den zwei Antennen umgeschaltet wird.

Wenn über die Funkstrecke digitale Daten mit einer bestimmten Bitrate übertragen werden, so erfolgt die Umschaltung zwischen zwei Antennen bevorzugterweise mit einer Frequenz, die erheblich über der Bitrate des Übertragungssystems liegt. Eine solche Umschaltung führt lediglich zu einer schlechteren Empfangsempfindlichkeit, die jedoch noch wesentlich besser als die Empfindlichkeit bei Auftreten eines "Deep Fades" ist.

Die vorliegende Erfindung ist darin vorteilhaft, daß keine Eingriffe in den Sender oder in den Empfänger nötig sind, da die periodische Umschaltung unabhängig von tatsächlich vorherrschenden Empfangsfeldstärken ständig, d. h. automatisch, durchgeführt wird. Weiterhin ist nur ein Antennenkabel vom Empfänger zu dem Antennensystem unbedingt notwendig. Schließlich ist das erfindungsgemäße Konzept preisgünstig, da keine Feldstärken der Empfangsantennen überwacht werden müssen, und der damit verbundene Aufwand wegfällt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2 eine Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt das empfängerseitige Ende einer Funkstrecke zwischen einem Sender (nicht gezeigt) und einem Empfänger 10. Der Emfänger 10 ist über ein Antennenkabel 12 mit einer Umschalteinrichtung 14 gekoppelt, wobei die Umschalteinrichtung 14 einen ersten Eingang 14a mit dem eine erste Empfangsantenne 16 gekoppelt ist, einen zweiten Eingang 14b, mit dem eine zweite Empfangsantenne 18 gekoppelt ist, einen Steuereingang 14c, mit dem ein Taktgenerator 20 gekoppelt ist, und einen Ausgang 14d aufweist, der mit dem Empfänger 10 gekoppelt ist. Die beiden Empfangsantennen 16 und 18 sind räumlich voneinander beabstandet, derart, daß davon ausgegangen werden kann, daß eine Antenne ein ausreichendes Empfangssignal liefert, wenn die andere Antenne gerade eine destruktive Interferenz erleidet und lediglich Rauschen ausgibt.
Der Taktgenerator 20 kann irgend ein Generator sein, der eine Sinus-Schwingung, eine Rechteckschwingung und dergleichen liefert. Eine typische Frequenz desselben, um periodisch zwischen den beiden Antennen 16 und 18 hin- und herzuschalten, liegt beispielsweise bei 100 kHz. Der Umschalter 14, der vorzugsweise in räumlicher Nähe zu den beiden Antennen 16 und 18 angeordnet ist, derart, daß die Verbindungskabel zwischen dem Umschalter 14 und den Antennen 16 und 18 möglichst kurz sind, kann in Form einer PIN-Diode, eines GaAs-Schalters oder auf ähnliche Art und Weise ausgeführt werden, derart, daß er eine Schaltfrequenz verarbeiten kann, die deutlich über der Bitrate beispielsweise eines digitalen Übertragungssystems liegt.
2 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Verbessern einer Funkübertragung über eine Funkstrecke zwischen einem Sender (nicht gezeigt) und dem Empfänger 10, wobei die Funkstrecke für destruktive Überlagerungen anfällig ist. Gleiche Elemente in den 1 und 2 tragen in 2 die gleichen Bezugszeichen wie in 1.
In Abweichung zu 1 zeigt die Vorrichtung in 2 keinen Schalter sondern einen Phasenschieber 22, der einen Eingang 22a, der mit einer der beiden Antennen 16 und 18, bei dem in 2 gezeigten Beispiel mit der Antenne 16, verbunden ist, einen Ausgang 22b, der mit einem Summationspunkt 24 verbunden ist, und einen Steuereingang 22c aufweist, der mit dem Taktgenerator 20 verbunden ist, derart, daß das periodische Taktsignal die Phasenverschiebungsmenge, die durch den Phasenschieber 22 bewirkt wird, periodisch verändert. Durch den steuerbaren Phasenschieber 22 wird somit das Empfangssignal der Antenne 16 periodisch bezüglich seiner Phase ver schoben, was dem Hinzufügen einer zusätzlichen Laufzeit zu dem Antennensignal der Antenne 16 entspricht.
So wäre es z. B. möglich, daß zwischen den Signalen, die von den beiden Antennen 16 und 18 geliefert werden, gerade eine destruktive Differenz herrscht, derart, daß das Signal zwischen dem Summationspunkt 24 und dem Empfänger 10 sehr klein ist. Indem jedoch ein Signal in seiner Phase bezüglich des anderen Antennensignals verschoben wird, wird die Überlagerung der beiden Antennensignale im Summationspunkt 24 nicht mehr zu einer destruktiven Interferenz führen, derart, daß der Empfänger 10 ein ausreichend hohes Nutzsignal erhält.
Im Nachfolgenden wird auf den Betrieb der in den 1 und 2 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtungen eingegangen. Das erfindungsgemäße Konzept ist besonders gut auf einfache Funkstrecken, die amplitudenmodulierte oder frequenzmodulierte Signale übertragen, und die eine ausreichende Verbindungsreserve, d. h. eine ausreichende Link Margin, aufweisen, anwendbar. Die Empfangsreserve oder "Zink Margin" stellt das Verhältnis der Leistung, die mindestens am Empfänger ankommen muß, um eine Übertragung zu gewährleisten, und der Leistung, die bei guten Übertragungsverhältnissen am Empfänger ankommt, dar. Dieses Verhältnis wird üblicherweise in dB ausgedrückt.
Vorzugsweise wird die Umschaltung durch die Schalteinrichtung 14 (1) bzw. die periodische Phasenänderung durch den steuerbaren Phasenschieber 22 (2) mit einer Frequenz durchgeführt, die erheblich über der Bitrate des Übertragungssystems liegt. wenn das Ausführungsbeispiel von 1 betrachtet wird, so ist zu sehen, daß die Umschaltung zwischen den Antennen sowohl zu kurzen Amplitudeneinbrüchen des Signals während der Umschaltung als auch zu einer Aufweitung des Spektrums des empfangenden Signals führt. Dies ist durch die mit der Umschaltung verbundene Phasenmodulation der Fall. Diese Spektralanteile werden jedoch sowieso durch das Zwischenfrequenzfilter im Empfänger 10 unterdrückt. Es geht jedoch Energie verloren, weshalb die Empfindlichkeit des Empfängers abnimmt. Bei typischen Systemen beträgt der Empfindlichkeitsverlust etwa 15 bis 20 dB. Ein Deep Fade kann jedoch einen Empflindlichkeitsverlust von bis zu 35 dB verursachen, weshalb das erfindungsgemäße Konzept eine Leistungserhöhung des Senders um bis zu 20 dB mit sich bringt.
Wenn das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrachtet wird, so ist zu sehen, daß eine destruktive Interferenz an einer der Empfangsantennen keine wesentliche Rolle spielt, wenn eine solche destruktive Interferenz an der anderen Empfangsantenne gerade nicht auftritt. Sind die beiden Antennen 16 und 18 jedoch nahe aneinander angeordnet, was im Beispiel des Radkastens der Fall sein kann, so kann es sein, daß eine destruktive Interferenz zwischen den beiden Empfangsantennen 16 und 18 auftritt. Während der Phasenschieber 22 zwar nicht den Betrag des Signals der Antenne 16 ändern kann, ändert derselbe jedoch den Betrag des Summensignals nach dem Summationspunkt 24, da sich die beiden Antennensignale mehr oder weniger stark addieren bzw. im Extremfall bei gleicher Amplitude und 180° Phasenverschiebung sogar auslöschen werden, wenn der Abstand der beiden Antennen beispielsweise im Bereich der halben Wellenlänge der HF-Frequenz ist. Durch periodisches Phasenverschieben des Signals einer Antenne ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, daß eine destruktive Interferenz am Summationspunkt 24 immer nur sehr kurz auftritt, während die meiste Zeit ein ausreichend hohes Summensignal gewonnen wird.
Das Steuersignal für den Phasenschieber 22, das vorzugsweise ein niederfrequentes Signal ist, wird durch den Taktgenerator oder Oszillator 20 erzeugt. Der Oszillator 20 kann sich in räumlicher Einheit mit den Antennen befinden und wird dann vorzugsweise über das Antennenkabel mit Gleichspannung versorgt. Alternativ dazu kann der Oszillator auch zusammen mit dem eigentlichen Empfänger 10 untergebracht sein. In diesem Fall muß das niederfrequente Signal des Oszillators ebenfalls über das Antennenkabel dem Phasenschieber 22 zugeführt werden. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, zwei separate Antennenkabel an den Empfänger zu führen. Dies ist jedoch aus Kostengründen nicht sinnvoll, da die Preisgünstigkeit des erfindungsgemäßen Konzepts auch darin besteht, daß lediglich ein Antennenkabel, das vom Empfänger 10 ausgeht, benötigt wird.
Das erfindungsgemäße Konzept des absichtlichen Reduzierens der Empfängerempfindlichkeit durch periodisches Beeinflussen entweder des ersten oder des zweiten oder von beiden Antennensignalen, derart, daß ein Antennensignal bezüglich des anderen Antennensignals geändert wird, liefert den vorteilhaften Effekt, daß eine durch die Funkstrecke bewirkte destruktive Überlagerung reduziert wird. Die absichtliche Reduzierung der Empfängerempfindlichkeit um einen gewissen Betrag verhindert somit wirkungsvoll einen Deep Fade, der zu einem wesentlich höheren Empfängerempfindlichkeitsverlust führen würde.

Claims

Vorrichtung zum Verbessern einer Funkübertragung über eine Funkstrecke zwischen einem Sender und einem Empfänger (10), wobei die Funkübertragung Informationen mit einer Bitrate umfaßt, und wobei die Funkstrecke für destruktive Überlagerungen anfällig ist, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Empfangsantenne (16), die ein erstes Antennensignal liefert; und einer zweiten Empfangsantenne (18), die ein zweites Antennensignal liefert, und die von der ersten Empfangsantenne (16) räumlich beabstandet angeordnet ist; gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20, 14; 20, 22) zum periodischen Beeinflussen entweder des ersten Antennensignals oder des zweiten Antennensignals oder der beiden Antennensignale, derart, daß ein Antennensignal bezüglich des anderen Antennensignals periodisch geändert wird, wobei das periodische Beeinflussen unabhängig von einem Pegel des ersten oder zweiten Signals durchgeführt wird und mit einer Frequenz stattfindet, die mehr als doppelt so groß wie die Bitrate ist, wodurch die Auswirkung einer durch die Funkstrecke bewirkten destruktiven Überlagerung reduziert wird; und einen Empfänger (10), der der Einrichtung (20, 14; 20, 22) zum periodischen Beeinflussen nachgeschaltet ist, und der ein Zwischenfrequenzfilter aufweist, wobei durch das Zwischenfrequenzfilter durch die periodische Beeinflussung in das erste und/oder zweite Antennensignal eingeführte Spektralanteile unterdrückt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum periodischen Beeinflussen folgende Merkmale aufweist: eine Schalteinrichtung (14) mit einem ersten Eingang. (14a), in den das erste Antennensignal einspeisbar ist, mit einem zweiten Eingang (14b), in den das zweite Antennensignal einspeisbar ist, mit einem Ausgang, der mit dem Empfänger (10) koppelbar ist, und mit einem Steuereingang (14c); und einen Taktgenerator (20), der mit dem Steuereingang (14c) der Schalteinrichtung (14) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Einrichtung zum periodischen Beeinflussen folgende Merkmale aufweist: einen Phasenschieber (22) mit einem Eingang (22a), in den eines der beiden Antennensignale einspeisbar ist, mit einem Ausgang (22b), aus dem ein eingespeistes Antennensignal mit einer Phasenverschiebung ausgebbar ist, und mit einem Steuersignaleingang (22c), um eine Phasenverschiebung des Phasenschiebers (22) zu steuern; und einen Taktgenerator (20), der mit dem Steuereingang (22c) des Phasenschiebers (22) gekoppelt ist; und wobei die Vorrichtung ferner folgendes Merkmal aufweist: einen Summationspunkt (24) zum Summieren des phasenverschobenen Antennensignals und des anderen Antennensignals, um ein Summensignal zu liefern, das dem Empfänger (10) zugeführt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Taktgenerator (20) räumlich entfernt von den beiden Empfangsantennen (16, 18) angeordnet ist, bei der der Phasenschieber (22) in räumlicher Nähe zu der einen Antenne (16) angeordnet ist; und bei der der Phasenschieber (22) über ein Antennenkabel (12) von dem Taktgenerator gesteuert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sender oder der Emfänger (10) relativ zueinander rotieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Sender an der Felge eines Automobils und der Empfänger (10) an einem Radkasten angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der von dem Empfänger (10) nur ein einziges Antennenkabel (12) ausgeht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Funkstrecke eine hohe Verbindungsreserve aufweist.
Verfahren zum Verbessern einer Funkübertragung über eine Funkstrecke zwischen einem Sender und einem Empfänger (10), wobei die Funkübertragung Informationen mit einer Bitrate umfaßt, wobei die Funkstrecke für destruktive Überlagerungen anfällig ist, mit folgenden Schritten: Liefern (16) eines ersten Signals von einem ersten Ort; und Liefern (18) eines zweiten Signals von einem zweiten Ort, der von dem ersten Ort räumlich beabstandet ist; gekennzeichnet durch folgende Schritte: periodisches Beeinflussen (14; 22) entweder des ersten Signals oder des zweiten Signals oder der beiden Signale, derart, daß ein Signal bezüglich des anderen Signals periodisch geändert wird, wobei das periodische Beeinflussen unabhängig von einem Pegel des ersten oder zweiten Signals durchgeführt wird und mit einer Frequenz stattfindet, die mehr als doppelt so groß wie die Bitrate ist, wodurch die Auswirkung einer durch die Funkstrecke bewirkten destruktiven Überlagerung reduziert wird; und Filtern (10) des periodisch beeinflußten ersten und/oder zweiten Signals in einem Empfänger mit einem Zwischenfrequenzfilter des Empfängers, wobei durch das Zwischenfrequenzfilter durch die periodische Beeinflussung in das erste und/oder zweite Antennensignal eingeführte Spektralanteile unterdrückt werden.