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Die
Erfindung betrifft einen Rundfunkempfänger mit mehreren Antennen,
denen Antennenverstärker
zugeordnet sind, mit mehreren Tunern und mit einer Steuereinheit
zur Steuerung des Rundfunkempfängers,
mit einer Einheit zur Bewertung der Empfangsqualität und einem
Speicher, in dem Empfangsqualitätswerte
für Antennen/Tuner-Kombinationen
einspeicherbar und abrufbar sind, und mit einen Multipath-Detektor,
der bei Feststellen eines Multipatheinbruchs im Empfangssignal ein
Steuersignal zum unmittelbaren Umschalten auf eine andere alternative
Antennen/Tuner-Kombination über
eine Steuerleitung an die Steuereinheit auslöst. Ein derartiger Rundfunkempfänger ist
z.B. aus
DE 41 11 847
A1 bekannt.
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Aus
DE 43 03 979 A1 ist
ein Autoradio mit Antennendiversity bekannt. Eine beliebige von
m Antennen ist über
einen Antennenwahlschalter mit m Eingängen – für jede der m Antennen einen – und mit einem
Ausgang an den Eingang eines Empfängers anschließbar.
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Aus
US 4 823 398 ist es bekannt,
in Abhängigkeit
von der Feldstärke
eine erste oder eine zweite Antenne an den Eingang eines ersten
Empfängers anzuschließen, während ein
zweiter Empfänger
ausgeschaltet ist, um Strom zu sparen.
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Die
Auswahl einer bestimmten Antenne erfolgt durch Bewertung des Empfangssignals
bei einer fest vorgegebenen Frequenz. Für diese Frequenz kann zwar
die bestmögliche
Empfangsantenne bestimmt werden, es kann aber nicht sichergestellt
werden, dass nicht noch ein besserer Empfang bei einer Alternativfrequenz möglich wäre. Umgekehrt
optimiert das konventionelle Frequenzdiversity System die Empfangsfrequenz
durch Vergleich von Qualitätskriterien,
ohne dabei die Auswahl der optimalen Empfangsantenne vornehmen zu
können.
Der sequentielle Ablauf der Empfangsoptimierung verhindert das Auffinden
des besten Paares Empfangsfrequenz/Antenne, das den bestmöglichen
Empfang bieten würde.
Zusätzlich
ist eine schnelle Reaktion auf Einbrüche des Trägersignals erforderlich, die
in der Regel durch Mehrwegeausbreitung verursacht werden.
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Aufgrund
der grossen Anzahl an Einzelkomponenten, der Antennenverstärker, der
FM Frontend Schaltkreise und Filter und der nachgeschalteten Signalverarbeitung
zeigen derartige Rundfunkempfänger
eine hohe Verlustleistung und somit eine erhebliche Erwärmung, die
die Funktionsfähigkeit
des Empfängers
beeinträchtigt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu beseitigen
oder zumindest zu mindern. Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Der
nachfolgend beschriebene, erfindungsgemäße Rundfunkempfänger nach
dem Antennen-/Frequenzdiversity System ermöglicht eine Optimierung der
Empfangsqualität
durch die zeitgleiche Auswertung der Antennensignale für unterschiedliche
Empfangsfrequenzen. Dadurch kann sowohl die optimale Alternativfrequenz
zum Empfang des gewünschten
Senders als auch die zugehörige
Antenne mit den günstigsten
Empfangseigenschaften ermittelt werden. Zusätzlich werden Massnahmen beschrieben,
die eine schnelle Reaktion auf Multipath-Störungen erlaubt. Mit der qualitätsabhängigen Konfiguration
des Rundfunkempfängers
kann bei Bedarf die Verlustleistung und somit die auftretende Erwärmung minimiert
werden.
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1 zeigt
ein Beispiel für
die Struktur eines Antennen-/Frequenzdiversity
Systems, das aus zwei Empfängermodulen
aufgebaut ist.
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Der
Vorteil des in 1 gezeigten Rundfunkempfängers liegt
darin, das die jeweils nicht benötigten
Empfangszweige teilweise oder vollständig zur Minimierung der Verlustleistung
abgeschaltet werden können.
Dies kann dabei sowohl für
einzelne Antennen mit den zugehörigen
Antennenverstärkern,
als auch für
den gesamten Empfangspfad mit FM Frontend und Signalverarbeitungseinheit
zutreffen. Das Ein- und Ausschalten der Empfangskomponenten erfolgt
in Abhängigkeit
von der ermittelten Empfangsqualität.
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Jeder
Empfangsteil ist dabei mit seiner Signalverarbeitungseinheit in
der Lage, eigenständig
als AutoBest Empfänger
zu arbeiten. Beim Zuschalten mindestens eines zweiten Empfängerzweiges
mit nur einer Antenne wird die Funktion eines Frequenzdiversity-Empfängers wahrgenommen.
Werden zusätzlich
weitere Antennenzweige aktiviert, kann ein Antennendiversity durchgeführt werden.
Dies betrifft sowohl den Betriebsfall mit nur einem Tuner als auch den
Betrieb mit mehreren Empfängern,
so dass in diesem Fall eine Antennen-/Frequenzdiversity Betriebsart
möglich
wird.
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Dabei
kann die Steuereinheit als zentrale Einheit in dem Rundfunkempfänger wie
in 1 dargestellt ausgebildet sein. Sie kann aber
auch als dezentrale, verteilte, Steuereinheit realisiert sein. Dabei sind
die dezentralisierten Elemente der Steuereinheit vorzugsweise in
den einzelnen Empfangszweigen angeordnet. Diese Elemente tauschen
dann über eine
Verbindungsleitung vergleichbar der Verbindungsleitung zwischen
der Steuereinheit und den Signalverarbeitungseinheiten in 1 Qualitäts- und Steuersignale
aus.
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Der
in 1 beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Rundfunkempfänger ist
dabei nicht nur auf zwei Empfangszweige mit je einem Tuner und mit
jeweils zwei Antennen beschränkt,
sondern es können
sowohl weitere Empfangszweige als auch jeweils weitere Antennen
in den Empfangszweigen betrieben werden. Um sicherzustellen, dass
einzelne Komponenten der Empfangszweige zielgerichtet ausgeschaltet
werden, ist eine Steuereinheit vorgesehen, die mit den abzuschaltenden
Einheiten in den Empfangszweigen mittels Steuerleitungen verbunden
ist Über
diese Steuerleitungen können
dann die einzelnen Komponenten zielgerichtet abgeschaltet werden.
Dieses Abschalten kann einerseits als völliges Abschalten und damit
als völliges
Trennen von der Stromversorgung ausgebildet sein, aber auch als Überführen in
einen Stromsparbetrieb, bei dem die betreffende Komponente des Empfangszweiges
in einen energieverbrauchreduzierten Zustand überführt wird, aus dem diese Komponente
vorteilhafterweise sehr kurzfristig wieder in Betrieb genommen werden
kann. Diese Steuerung kann neben der unmittelbaren Steuerung auch
mittelbar über
eine Steuereinheit in dem Empfangszweig erfolgen. Diese Steuereinheit
im Empfangszweig ist in der 1 als Signalverarbeitungseinheit
(DSB) ausgebildet. Neben dem Abschalten steuert die Steuereinheit
auch das in Betrieb nehmen der betreffenden Komponenten, sobald
ein entsprechender Bedarf besteht.
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Von
dem Abschalten bzw. Einschalten können zeitgleich eine Vielzahl
von einzelnen Komponenten der Empfangszweige betroffen sein, wie
auch ganze Empfangszweige, wie auch alle abschaltba ren Komponenten
eines Rundfunkempfängers
bis auf die Komponenten des aktuell verwendeten Empfangszuges, der
das empfangene Signal empfängt
und zur Wiedergabe bringt. In diesem Fall ist der Energieverbrauch
des Rundfunkempfängers
auf einen geringen Restenergieverbrauch reduziert.
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Typischerweise
werden beim Einschalten des Rundfunkempfängers zunächst alle Komponenten eingeschaltet,
um in möglichst
kurzer Zeit ein möglichst
umfassendes Bild der Empfangslandschaft zu erhalten, und um einen
möglichst
guten und stabilen Empfang zu gewährleisten. Stellt sich dabei
heraus, dass der Empfang des eingestellten Senders mit guter Qualität möglich ist,
ohne dass dabei eine ständige
Umschaltung auf eine andere Antenne erforderlich wird, können dementsprechend
die nicht benötigten
Antennen mit den zugeordneten aktiven Schaltungselementen abgeschaltet
bzw. in eine nur wenig Verlustleistung verursachende Bereitschaftsbetriebsart
geschaltet werden. Stellt sich weiterhin heraus, dass der Empfang
so stabil ist, dass auch das Umschalten auf eine Alternivfrequenz
nicht oder nur äußerst selten
notwendig wird, so dass die AutoBest Betriebsart eines Einzelempfängersystems
ausreichend erscheint, können
weitere Tuner zur Reduzierung der Verlustleistung abgeschaltet bzw.
in einen Power Down Modus geschaltet werden, bei dem der Speicherinhalt
des Teilsystems bis zum Wiedereinschalten erhalten bleibt. Auf diese
Weise kann der Rundfunkempfänger
qualitätsabhängig konfiguriert werden,
um zu jedem Zeitpunkt bestmöglichen
Empfang bei geringstmöglicher
Leistungsaufnahme zu gewährleisten.
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Der
Rundfunkempfänger
gemäß 1 zeigt eine
Funktionsweise, die nachfolgend dargestellt wird. Die Auswahl der
Antenne und die Einstellung der Empfangsfrequenz am FM Frontend
werden gesteuert durch die Steuereinheit von der Signalverarbeitungseinheit
(DSP) vorgenommen. Die Bewertung der Empfangssignalqualität erfolgt
ebenfalls in der Signalverarbeitungseinheit durch eine Einheit zur
Bewertung der Empfangsqualität.
Dort werden aus dem ZF-Signal, dem daraus gewonnen MPX-Signal sowie aus
dem Audiosignal Qualitätsparameter
abgeleitet wie beispielsweise die Empfangsfeldstärke, ein Mass für Störungen durch
Mehrwegeausbreitung, Nachbarkanal- und Gleichkanalstörungen,
der Frequenzhub, und der Signal-zu-Rauschabstand im Audiosignal
kann abgeschätzt
werden. Aus diesen Qualitätsmerkmalen
kann wiederum durch Anwendung einer Rechenvorschrift z.B. durch
gewichtete Summierung ein oder mehere Qualitätsmerkmale abgeleitet werden,
die die momentane und bei entsprechender zeitlicher Mittelung die
mittlere Empfangsqualität
beschreiben.
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Die
Signalverarbeitungseinheiten der einzelnen Empfangszweige tauschen
gesteuert durch die Steuereinheit Qualitäts- und Kontrollsignale aus. Dies
kann beispielsweise über
eine I2C/SPI oder über
eine MOST Netzwerkschnittstelle erfolgen. Wie bei einem konventionellen
Frequenzdiversity System übernimmt
dabei ein Empfangsmodul die Funktion des Hörempfängers während der oder die übrigen Empfänger als
Hintergrundempfänger
das Frequenzband nach Alternativfrequenzen absuchen bzw. die optimale
Empfangsantenne bestimmen.
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Die
Steuerung der Antennenumschaltung erfolgt gesteuert durch die Steuereinheit
durch die Signalverarbeitungseinheit im Empfangszweig. Daher können die
beim Umschalten auftretenden Störspitzen,
die durch Phasensprünge
im FM modulierten Signal hervorgerufen werden, in der Signalverarbeitungseinheit
auf einfache Weise kompensiert werden, da dieser Umschaltzeitpunkt
exakt bekannt ist. Somit lassen sich diese Störspitzen beispielsweise einfach
austasten oder interpolieren.
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Zur
Steuerung des Rundfunkempfängers wird
eine Qualitätsmatrix
in einem Speicher der Steuereinheit angelegt, in der die ermittelten
Qualitätsmerkmale
eingetragen werden. Diese Matrix gliedert sich beispielsweise nach
den Empfangsantennen als Zeilenvektor und den Empfangs- bzw. Alternativfrequenzen
als Spaltenvektor (oder umgekehrt). Jedes Matrixelement gibt somit
die mit einer bestimmten Antenne bei einer bestimmten Empfangsfrequenz
erzielbare Empfangsqualität
an. Der zeilenweise Aufbau der Qualitätsmatrix entspricht dabei dem
konventionellen Antennendi versity, bei dem für eine vorgebene Trägerfrequenz
die günstigste
Antenne gesucht wird. Der spaltenweise Aufbau dieser Matrix entspricht
dagegen dem Frequenzdiversityverfahren, bei dem die optimale Empfangsfrequenz
für eine
vorgegebene Antenne bestimmt wird. Der Vorteil des Antennen-/Frequenzdiversity
Systems liegt nun darin, nicht nur das Maximum der erreichbaren
Empfangsqualität
in einer einzelnen Spalte oder Zeile zu finden, sondern die Optimierung über die
gesamte Matrix vorzunehmen. 2 veranschaulicht
nochmals den Aufbau der Qualitätsmatrix,
in der die einzelnen Empfangsgüten
Qij als Matrixelemente eingetragen sind. Die Qualitätsmatrix
ist in 2 beispielhaft für 4 Antennen und n Alternativfrequenzen
angegeben.
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Die
Optimierung der Empfangsqualität
kann bei einem Doppelempfängersystem
entsprechend 1 beispielsweise folgendermaßen ablaufen:
Der Hörtuner
beginnt gesteuert durch die Steuereinheit mit Antenne A1 einen gewünschten
Sender der Frequenz f1 zu empfangen, wobei die ermittelte Empfangsqualität Q11 an
entsprechender Position in der Matrix eingetragen wird. Der Suchempfänger kann nun
die gleiche Frequenz f1 einstellen und die mit den Antennen A3 und
A4 erzielbare Empfangsqualität
Q13 und Q14 bestimmen. Falls mit einer dieser beiden Antennen ein
besserer oder zumindest gleich guter Empfang möglich wäre (Q13 oder Q14 >= Q11), wird auf die
entsprechende Antenne umgeschaltet und Such- und Hörtuner wechseln
ihre Rollen, und die verbleibende Antenne A2 kann getestet werden,
um ggf. bei besserem Empfang wiederum auf diesen Empfangspfad zurückzuschalten.
An dernfalls bleibt der Hörtuner
bei guter Empfangsqualität
zunächst
auf Antenne A1 und Frequenz f1 stehen.
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Nach
Prüfen
der Antennen (Aufbau einer Matrixzeile) beginnt der Spaltenaufbau
durch das Prüfen
der verschiedenen Alternativfrequenzen fi(i = 2 ... n). Da das Umschalten
zwischen den beiden an einem Empfangszweig angeschlossenen Antennen sehr
schnell erfolgen kann, wird für
jede Alternativfrequenz fi die günstigere
Empfangsantenne ermittelt. Sobald eine bessere Empfangsqualität als die
aktuell vom Hörtuner
gelieferte gefunden wird, erfolgt eine Umschaltung auf das bessere
Empfangspaar Antenne/Trägerfrequenz
und Hör-
und Suchtuner tauschen die Rollen. Auf diese Weise wird die Qualitätsmatrix Schritt
für Schritt
aufgebaut und aktualisiert, und es wird stets die bestmögliche Kombination
aus Antenne/Trägerfrequenz
zum Empfang des gewünschten Senders
genutzt.
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Zur
weiteren Optimierung können
in den Matrixelementen sowohl aktuelle Kurzzeitmesswerte als auch
zeitlich gemittelte Qualitätswerte
eingetragen werden. Dadurch kann bei der Empfangsoptimierung, d.h.
der Suche nach dem grössten
Matrixelement, zwischen einer Kurzzeit- und Langzeitstrategie unterschieden
werden. Dabei ist noch der Sonderfall zu berücksichtigen, dass auf plötzlich auftretende starke
Störungen,
die z.B. durch Multipath-Bursts verursacht werden und durch einen
Multipathdetektor erkannt werden, mit einer spontanen Umschaltung
der Empfangsantenne im Hörtunerzweig
reagiert wird. Diese Massnahme führt
gerade bei unkorrelierten Antennen zu einer schlagartigen Verbesserung
des Empfangs, insbesondere in Situationen, bei denen das Fahrzeug
an einer Stelle steht, bei der durch Mehrwegeempfang eine Auslöschung des
Trägersignals
stattfindet.
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Dabei
erfolgt das spontane, unmittelbare, sofortige Umschalten der Empfangsantenne
bzw. gegebenenfalls auch des Empfangszweiges bzw. des Tuners unmittelbar
nach dem Erkennen der Umschaltsituation, das heißt ohne eine Überprüfung der
Empfangsverhältnisse,
wie sie nach dem Umschalten vorliegen. Dabei wird insbe sondere nicht überprüft, ob das
nach dem Umschalten empfangene Empfangssignal von ausreichender
Qualität,
insbesondere von ausreichender Empfangsfeldstärke ist bzw. ob es sich auch
um das gewünschte
Empfangssignal (alternative Frequenz eines Programmes) handelt. Durch
dieses zielgerichtete Unterlassen der im gewöhnlichen Betrieb stattfindenden Überprüfungen wird
es möglich,
die Umschaltzeit erheblich zu reduzieren und dadurch das stark störbehaftete
Empfangssignal dem Benutzer nur kurz zum Hören zu geben. Diese Vorgehensweise
wird erfindungsgemäß ausschließlich für die durch
Multipath-Störungen
verursachten Signaleinbrüche
verwandt, da zur Behebung der anderen Störungen andere Mittel zur Störbeseitigung
gegeben sind.
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Die
Steuerung des Umschaltvorganges wird über eine Steuerleitung entweder
direkt durch die Steuereinheit auf die Antennenumschalter oder die Tuner
der Empfangszweige vorgenommen oder sie erfolgt indirekt unter Zwischenschaltung
der Steuereinheiten in den Empfangszweigen, welche in dem dargestellten
Beispiel durch die Signalverarbeitungseinheiten gebildet sind.
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Durch
diese dezentralisierte Verteilung der Steuerung ist es möglich, jede
einzelne Steuereinheit optimal nach ihren spezifischen Funktionalitäten auszubilden,
wodurch eine hohe Effektivität
der einzelnen Steuereinheiten erreicht werden kann, was die Performance
der gesamten Steuerung verbessert.
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Die
Detektion solch einer Multipath-Störung durch den Multipath-Detektor
kann z.B. durch Auswertung der Hüllkurve
bzw. der Amplitude des ZF-Signals erfolgen. Bei Mehrwege-Empfang
weist das FM modulierte Signal eine deutliche Amplitudenmodulation
auf, die im Falle einer fast vollständigen Auslöschung des Trägersignals
zu tiefen Einbrüchen
in der Hüllkurve
des ZF-Signals führt.
Diese Einbrüche können relativ
leicht detektiert werden, so dass in Abhängigkeit von der Häufigkeit
des Auftretens und der Tiefe der Amplitudeneinbrüche eine spontane, unmittelbare
Umschaltung der Antenne ausgelöst
werden kann, sobald eine vor gegebene Amplitudenschwelle bzw. Auftrittshäufigkeit
unter- bzw. überschritten
wird.
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Dabei
ist der Multipath-Detektor vorzugsweise in der Einheit zur Bewertung
der Empfangsqualität angeordnet
und diese Einheit ist vorzugsweise Teil eines Tuners eines Empfangszweiges.
Durch diese Anordnung ist sichergestellt, dass in diesem Empfangszweig,
der vorzugsweise den Hörtunerzweig darstellt,
stets die Empfangsqualität
des gehörten Rundfunkprogrammes
auf Multipath-Signaleinbrüche untersucht
wird und ein Umschalten unmittelbar, spontan und ohne Verzögerung erfolgen
kann. Vorzugsweise zeigt jeder Empfangszweig einen derartigen Multipath-Detektor
in der Einheit zur Bewertung der Empfangsqualität. Dadurch ist sichergestellt, dass
auch bei einem Aufgabentausch zwischen dem Hörtunerzweig und dem Suchtunerzweig
stets eine spontane, unmittelbare Umschaltung aufgrund eines detektierten
Multipath-Einbruchs
erfolgen kann.
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Findet
durch die spontane, unmittelbare, sofortige Antennenumschaltung
wider Erwarten keine deutliche Verbesserung der Empfangsqualität statt, wird,
wenn möglich,
auf eine andere Antennen/Tuner-Kombination umgeschaltet oder zielgerichtet
auf die Antenne/Tuner/Frequenz umgeschaltet, die dem grössten Kurzzeitwert
in der Qualitätsmatrix
entspricht und somit den momentan besten Empfang bieten sollte.
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Vorzugsweise
werden die einzelnen abschaltbaren Komponenten der Empfangszweige
so gesteuert, dass zeitgleich mindestens zwei alternative Antennen/Tuner-Kombinationen
in Betrieb sind und damit für
ein schnelles, spontanes, unmittelbares Umschalten zur Verfügung stehen.
Dabei werden bevorzugt die zwei Antennen/Tuner-Kombinationen gewählt, die
in der Qualitätsmatrix
die höchsten
Qualitätswerte
aufweisen. Durch dieses in Betrieb halten wird es möglich, bei
wesentlich erniedrigtem Energieverbrauch des Rundfunkempfängers auch
kurzfristige Signaleinbrüche
durch Multipath-Störungen
zu unterdrücken.
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Um
eine möglichst
aktuelle Liste der Empfangsqualitäten zu gewährleisten, werden die Alternativfrequenzen/Antennen
mit den grössten
Langzeitmittelwerten am häufigsten
abgeprüft,
so dass auf diese Weise eine Priorisierung und eine dynamische Listen- bzw. Matrixverwaltung
zu Gunsten einer schnelleren Durchlaufzeit erfolgt.
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Neben
der regelmäßigen Aktualisierung
der Matrixeinträge
findet auch eine Maximumsuche zur globalen Optimierung der Empfangsqualität statt.
Da in der Struktur nach 1 nicht jede Antenne von jedem
Empfänger
aus zugänglich
ist, neben der Möglichkeit,
die gesamte Qualitätsmatrix
in einem einzigen Speicher zentral bei einer zentralen Steuereinheit
einzuschreiben, ist es auch möglich,
die Qualitätsmatrix
in ihren durch die Antennen/Tuner-Zuordnung bedingten Aufteilung
anteilmäßig in Speichern der
einzelnen Empfangszweige einzuspeichern und entsprechend zu verwenden.
Durch diese Aufteilung ist sichergestellt, dass nur diejenigen Spalten
der Gesamtmatrix für
die alternativen Frequenzen verwaltet werden, die den an den entsprechenden
Tuner des Empfangszweiges angeschlossenen Antennen entsprechen.
Somit beschränkt
sich auch die Maximumsuche auf die dem Empfänger zugeordnete Teilmatrix,
so dass für
das Auffinden des globalen Maximums die einzelnen Empfangsmodule
Qualitätssignale
austauschen müssen.
Dies kann auf mehreren Weisen erfolgen. Beispielsweise signalisiert
der Hörtuner
dem oder den Suchempfängern
in regelmäßigen Abständen seine
momentane Empfangsqualität. Sobald
vom Suchtuner eine bessere Empfangsmöglichkeit gefunden wurde, wird
die Umschaltung auf die neue Alternativfrequenz bzw. Antenne vorgenommen
und Such- und Hörtuner
tauschen die Rollen.
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Der
Aufbau des Antennen-/Frequenzdiversity Systems aus mehreren Empfangsmodulen
besitzt den zusätzlichen
Vorteil, dass jeder Empfänger
in der Lage ist, als Einzelempfänger
eine Empfangsoptimierung nach dem AutoBest Verfahren durchzuführen. Dies
hat zur Folge, dass bei einem Ausschalten eines kompletten Empfangszweiges
oder bei einem Ausfall eines Empfängerzweiges oder der einem
Tuner zugeordneten Antennen, der verbleibende Empfängerzweig
als AutoBest-Empfänger
weiterarbeiten kann.