DE3713086A1

DE3713086A1 - Nachrichtenuebertragungssystem mit raumdiversity

Info

Publication number: DE3713086A1
Application number: DE19873713086
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Ulmer; Klaus Dipl Ing Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-04-16
Filing date: 1987-04-16
Publication date: 1988-11-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nachrichtenübertragungssystem für elektromagnetische Wellen, für die jeweilige Übertragungsrichtung bestehend aus einem Sender, in dem das zu übertragende Signal einem Träger aufmoduliert wird, einer Sende- und zwei Empfangsantennen mit dazwischenliegendem Funkfeld und einem Empfänger mit zugehörigem Raumdiversityempfänger, in dem die Signale der beiden Empfangszweige in eine gewünschte Frequenzebene umgesetzt, in einem Kombinator zusammengeführt und ausgewertet und anschließend demoduliert werde.

Bei Richtfunksystemen ist das Übertragungsmedium die Atmosphäre zwischen zwei Richtfunkantennen. Durch klimatische Einflüsse kann sich die Brechung der Funkstrahlen ändern, Reflexionen an Flächen und Schichten können auftreten. Es kommt dabei zu den bekannten Erscheinungen des Schwundes und des Mehrwegeschwundes. Am Empfängereingang ändert sich der Empfangspegel sowohl frequenzunabhängig (Flachfading) als auch frequenzabhängig (dispersives Fading). Dadurch kann der Signal-Geräuschabstand kleiner werden und es können bei Übertragung von digitalen Signalen Intersymbolstörungen auftreten, was zu einer unzulässigen Erhöhung der Bitfehlerquote und zum Totalausfall der Signalübertragung führen kann.

Ein wirksames Mittel zum Herabsetzen der Wirkung des Schwundes (Fading) ist der Mehrfach-Empfang (Diversity). Bei Raum-Diversity wird die Nachricht über zwei Anlagen mit räumlich getrennten Antennen empfangen. Überträgt man die Nachricht gleichzeitig mit zwei RF-Trägern, so handelt es sich um Frequenz- Diversity.

Ein Raumdiversity-Empfänger mit ZF-Kombinator als Teil eines Nachrichtenübertragungssystems der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise durch die DE 30 30 811 C2 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Nachrichtenübertragungssystem der eingangs beschriebenen Art eine Lösung anzugeben für eine sichere Signalübertragung mit einer möglichst niedrigen Bitfehlerquote.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß zusätzlich zum Empfangsraumdiversity die Sendeleistung aufgeteilt und gleichphasig und mit gleicher Gruppenlaufzeit auf zwei Antennen gegeben wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Sender- und Empfängerraumdiversity-Anordnung im Blockschaltbild,

Fig. 2 die Antennenaufschaltung von Sender- und Empfängerraumdiversity ohne Gleichkanalbetrieb,

Fig. 3 die Antennenaufschaltung von Sender- und Empfängerraumdiversity mit Gleichkanalbetrieb und

Fig. 4 bis 6 verschiedene Ausführungsformen von Sende- und Empfängerraumdiversity mit Phasendifferenzsteuerung von zwei Senderausgängen.

Fig. 1 zeigt ein Nachrichtenübertragungssystem mit Sender- und Empfängerraumdiversity, bei dem zusätzlich zum bekannten Empfängerraumdiversity die Sendeleistung auf zwei Sendeantennen AS 1 und AS 2 aufgeteilt wird. Im einfachsten, hier dargestellten Fall wird die Sendeleistung hinter dem Sendefilter 5, dem ein Modulator 1, ein erster Verstärker 2, ein Mischer 3 mit zugehörigem Lokaloszillator LO und ein zweiter Verstärker 4 vorangeschaltet sind, über einen 3-dB-Koppler 6 aufgeteilt und gleichphasig und mit gleicher Gruppenlaufzeit auf die beiden Antennen AS 1 und AS 2 gegeben. Die Zuleitungslängen L 1 und L 2 sind weitgehend gleich und sollen eine eventuelle Abstandsdifferenz der Antennen AS 1, AS 2 von einer Senderstrahlungsebene, die senkrecht zur Strahlungsrichtung steht, berücksichtigen. Der Phasenunterschied von 90° am Ausgang des 3-dB-Kopplers 6 wird durch eine Verlängerung der Leitung, die im voreilenden Zweig liegt, um Δ L = λ/4 in Bandmitte ausgeglichen. Da die übertragenen Bandbreiten meist <±5% sind, ist der Fehler an den Bandgrenzen <±5° und somit vernachlässigbar.

Die beiden Empfangszweige mit der ihnen zugeordneten Empfangsantenne AE 1 bzw. AE 2 enthalten jeweils einen Bandpass 7, 8, einen Mischer 9, 10, denen gemeinsam ein Lokaloszillator Il zugeordnet ist, und einen Verstärker 12, 13, deren Ausgänge an einen ZF-Kombinator 14 geführt sind. Dem ZF-Kombinator 14 sind ein Verstärker 15 und ein Demodulator 16 nachgeschaltet.

Gegenüber dem Fall des Empfangsraumdiversity erhöht sich beim Sender- und Empfängerraumdiversity die Anzahl der direkten Funkstrahlwege von 2 auf 4. Die Wahrscheinlichkeit, daß an beiden Empfangsantennen wegen Mehrwegeschwundes ein zu kleiner Empfangspegel erscheint; ist wesentlich geringer als im Falle der einfachen Empfangsdiversity. Der Abstand der Diversity-Antennen zu den Hauptantennen sollte so gewählt werden, daß die Differenz der Weglängen der Funkstrahlen klein gegenüber λ/2 ist, da bei einem Wegunterschied von λ/2 bei gleichen Leistungen Auslöschung des Signals erfolgt.

Eine einfache Rechnung gibt Anhaltswerte für die Dimensionierung: setzt man für den einfachsten Fall voraus, daß die sendeseitigen und empfangsseitigen Abstände a der Diversity-Antennen gegenüber der jeweiligen Hauptantenne gleich sind und bezeichnet man die Weglängen der Funkstrahlen zwischen jeweils gleichartigen Antennen (Hauptantennen AS 1-AE 1 und Diversity-Antennen AS 2-AE 2) mit d₁ und die Weglängen der Funkstrahlen zu der jeweils andersartigen Antenne mit d₂, so ergibt sich folgendes:

und für d₁<<a ist mit guter Näherung

Dabei sollte folgende Bedingung erfüllt sein:

d. h. der Wegunterschied zwischen d₁ und d₂ sollte wesentlich kleiner als λ/2 sein.
Z. B. für a = 10 m und d₁ = 50 · 10³ m
ergibt sich für

Bei einer Frequenz von 6 GHz beträgt λ/2 = 2,5 cm; hier ist bei den angegebenen Bedingungen die Forderung

ausreichend erfüllt. Die Summenspannung der auf den beiden unterschiedlichen Wegen an der Antenne ankommenden Signale ist bei gleichgroßen Signalspannungen U₀

Im gegebenen Beispiel mit Δ d = 0,1 cm und λ/2 = 2,5 cm ist

gegenüber dem Maximalwert ein Verlust von 0,02 dB.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch, daß sich eine wesentliche Verringerung des Mehrwegeschwundes erreichen läßt, ohne daß im Normalfall eines Betriebes mit Hin- und Rückrichtung die Anzahl der Antennen vermehrt werden müßte, da hier auf beiden Seiten des Funkfeldes zwei Antennen für den Raumdiversitybetrieb vorhanden sind. Dies ist recht deutlich in der Anordnung nach Fig. 2 erkennbar, die die Antennenaufschaltung von Sender- und Empfängerraumdiversity ohne Gleichkanalbetrieb zeigt. Die Antennen AS 1 und AS 2 der einen Endstelle A sowie die Antennen AE 1 und AE 2 der anderen Endstelle B sind zugleich Sendeantennen für die aufgeteilte Sendeleistung und auch Empfangsantennen für das Grund- und das Diversitysignal.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind jeweils 6 Sender und 6 Empfänger vorgesehen, wobei jeweils die ungeradzahligen und geradzahligen RF-Kanäle zusammengefügt sind. Dabei sind die Sender und Empfänger der Übertragungsrichtung A nach B jeweils mit einer Strichlierung versehen. Damit wird üblicherweise auch ausgesagt, daß die Kanalfrequenzen im Oberband eines Richtfunkbandes liegen. Liegen die Kanalfrequenzen im Unterband, so werden Ziffern ohne Strichlierung benutzt. Die Signale der Sender S 1′3′5′ werden zur Aufteilung einem 3-dB-Koppler 17 zugeführt, von dem die einzelnen Leistungsanteile über einen Zirkulator 19 und eine Polarisationsweiche 23 der einen Antenne AS 1 bzw. über einen Zirkulator 21 und eine Polarisationsweiche 24 der anderen Antenne AS 2 zugeführt werden. In entsprechender Weise werden die Signale der Sender S 2′4′6′ einem 3-dB-Koppler 18 zugeführt, von dem die einzelnen Leistungsanteile über einen Zirkulator 20 und die Polarisationsweiche 23 der Antenne AS 1 bzw. einen Zirkulator 22 und die Polarisationsweiche 24 der Antenne AS 2 zugeführt werden.

Hinsichtlich der empfangenen Signale auf der Endstelle A gelangt das Grundsignal von der Antenne AS 1 über die Polarisationsweiche 23 und die Zirkulatoren 19 und 20 in den Empfangszweig E 135 für die ungeradzahligen Kanäle bzw. den Empfangszweig E 246 für die geradzahligen Kanäle und in entsprechender Weise das Diversitysignal von der Antenne AS 2 über die Polarisationsweiche 24 und die Zirkulatoren 21 und 22 zu den Diversity-Empfängern für die ungeradzahligen und geradzahligen Kanäle.

Die Antennenaufschaltung der einzelnen Sender und Empfänger erfolgt in der Endstelle B in entsprechender Weise, so daß dies nicht im einzelnen aufgeführt zu werden braucht.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß durch die Benutzung beider Antennen - gleiche Sendeleistung an den Antennen und gleicher Antennengewinn vorausgesetzt - sich empfangsseitig die Eingangsfeldstärke verdoppelt und die Eingangsleistung vervierfacht. Der Leistungsverlust von ca. 3 dB pro Sendeantenne, der durch die Aufteilung der Sendeleistung in einem 3-dB-Koppler entsteht, wird durch einen Leistungsgewinn von ca. 6 dB auf der Empfangsseite überkompensiert, so daß ein Nettogewinn von ca. 3 dB im ganzen übrig bleibt.

Fig. 3 zeigt die Antennenaufschaltung von Sender- und Empfängerraumdiversity mit Gleichkanalbetrieb. Bei Gleichkanalbetrieb müssen die geraden und ungeraden Kanäle über einen weiteren 3-dB- Koppler sende- und empfangsseitig entkoppelt werden, falls es wegen des geringen Frequenzabstandes der Kanäle nicht möglich ist, alle Kanäle des Ober- oder Unterbandes über eine Zirkulatorkanalweiche zusammenzufassen. Durch die erfindungsgemäße Aufschaltung der Sender auf beide Antennen ergibt sich insgesamt nur ein Verlust von ca. 3 dB gegenüber ca. 6 dB bei Aufschaltung der geraden und ungeraden Kanäle auf eine Antenne. Würden die geraden und ungeraden Kanäle auf verschiedene Antennen gelegt, so ließe sich ein Verlust von 3 dB vermeiden, doch wäre diese Aufschaltung sendeseitig sehr nachteilig, da wegen des unterschiedlichen Fadings der von verschiedenen Antennen ausgehenden Funkstrahlen die Nachbarkanalstörung zu groß werden könnte.

Im einzelnen ist bei der Antennenaufschaltung von Sender- und Empfängerraumdiversity mit Gleichkanalbetrieb nach Fig. 3 vorgesehen, daß in der Endstelle A die Sender der ungeradzahligen Kanäle und horizontaler Polarisation S 1′ _H 3′ _H 5′ _H über einen ersten 3-dB-Koppler 33 und zweiten 3-dB-Koppler 37 bzw. 41 sowie Zirkulatoren 45 bzw. 47 und Polarisationsweichen 49 bzw. 50 an die Antennen AS 1 bzw. AS 2 geführt sind. Die Signalanteile der geradzahligen Kanäle horizontaler Polarisation S 2′ _H 4′ _H 6′ _H gelangen nach der Aufteilung in einen ersten 3-dB-Koppler 34 in gleicher Weise über die 3-dB-Koppler 37 und 41, die Zirkulatoren 45 und 47 sowie die Polarisationsweichen 49 und 50 an die betreffenden Antennen AS 1 bzw. AS 2. Die Signalanteile der ungeradzahligen Kanäle vertikaler Polarisation S 1′ _V 3′ _V 5′ _V gelangen über einen ersten 3-dB-Koppler 35 und weitere 3-dB- Koppler 39 und 43 sowie über Zirkulatoren 46 und 48 und die Polarisationsweichen 49 und 50 an die jeweilige Antenne AS 1 bzw. AS 2. Schließlich sind noch die Signale der geradzahligen Kanäle vertikaler Polarisation S 2′ _V 4′ _V 6′ _V zu nennen, die nach Aufteilung in einen ersten 3-dB-Koppler 36 über die bei den für die entsprechenden ungeradzahligen Kanäle bereits genannten 3-dB-Koppler 39 und 43, Zirkulatoren 46 und 48 sowie Polarisationsweichen 49 und 50 an die betreffenden Antennen AS 1 bzw. AS 2 gelangen.

Der Empfangsweg in der Endstelle A führt von der Polarisationsweiche 49 über die Zirkulatoren 45 und 46 zu 3-dB-Kopplern 38 und 40 (Signale E 1 _H 3 _H 5 _H und E 2 _H 4 _H 6 _H bzw. E 1 _V 3 _V 5 _V und E 2 _V 4 _V 6 _V ) sowie für das Diversitysignal über die Polarisationsweiche 50 und die Zirkulatoren 47, 48 zu 3-dB-Kopplern 42 und 44 (Signale Div E 1 _H 3 _H 5 _H und Div E 2 _H 4 _H 6 _H bzw. Div E 1 _V 3 _V 5 _V und Div E 2 _V 4 _V 6 _V ). Es erübrigt sich auch hier, die Antennenaufschaltung der Endstelle B näher zu beschreiben, da dies in gleicher Weise erfolgt wie in der Endstelle A.

Eine weitere verbesserte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß sendeseitig eine optimale Steuerung der Phasendifferenz der Sendeleistungen an beiden Antennen vorgenommen wird. Dies soll nachstehend anhand des Blockschaltbildes nach Fig. 4 näher erläutert werden. Dabei ist auf der Sendeseite nach dem Modulator 69 und dem Verstärker 70 eine Aufteilung vorgesehen in einen Sendezweig für das Grundsignal und einen Sendezweig für das Diversitysignal. Der Sendezweig für das Grundsignal enthält ein Laufzeitglied 71, einen Mischer 72 mit zugehörigem Lokaloszillator 75, einen Verstärker 73 sowie ein Sendefilter 74, im Sendezweig für das Diversitysignal sind ein Endlosphasenschieber 76, ein Mischer 77 mit zugehörigem Lokaloszillator 75, ein Verstärker 78 sowie ein Sendefilter 79 angeordnet. Die Empfangsseite entspricht im wesentlichen der der Sender- und Empfängerraumdiversity-Anordnung nach Fig. 1. Dabei ist der dem ZF-Kombinator 87 nachfolgende Verstärker 88 regelbar ausgebildet. An ihn ist eine Auswertung 90 angeschlossen, die über einen Rückkanal mit dem Endlosphasenschieber 76 auf der Sendeseite verbunden ist.

Für diese Phasendifferenzsteuerung benötigt man einen Sender mit zwei Ausgängen etwa gleicher Leistung, die durch den Endlosphasenschieber gegeneinander in der Phase geändert werden können. Die Steuerung des Endlosphasenschiebers erfolgt dabei über ein Signal, das im Empfänger erzeugt und auf der Gegenrichtung übertragen wird, z. B. im Dienstkanal. Kriterium ist das empfangene Signal, das durch entsprechende Steuerung des sendeseitigen Phasenschiebers immer auf maximale Amplitude geregelt wird. Dies kann über eine Mikroprozessorsteuerung oder durch ein Verfahren vorgenommen werden, bei dem der sendeseitige Phasenschieber dauernd über einen kleinen Phasenhub, z. B. ±5° gewobbelt wird.

Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung mit Aufteilung des Signalstromes vor dem Sende-RF-Verstärker 73 bzw. 78 besteht darin, daß ein Ausfall des RF-Verstärkers nicht zur Unterbrechung des Übertragungskanals führt (teilweiser Geräteersatz). Die Anordnung des Endlosphasenschiebers im ZF- Weg entsprechend Fig. 4 hat den Vorteil, daß dieser unabhängig von der Radiofrequenz (RF) für verschiedene Systeme gleich ist.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Schaltung für Sender- und Empfängerraumdiversity mit Phasendifferenzsteuerung von zwei Senderausgängen, bei der der Endlosphasenschieber im RF-Signalweg angeordnet ist, mit dem Vorteil, daß nur ein Umsetzer erforderlich ist. Hierbei ist auf der Sendeseite nach dem Modulator 69 und dem Verstärker 70 ein Mischer 91 mit zugehörigem Oszillator 75 angeordnet, dem ein RF-Verstärker 92 nachgeschaltet ist. Nach dem RF-Verstärker 92 erfolgt eine Aufteilung in einen Sendezweig für das Grundsignal mit dem Laufzeitglied 71, dem Verstärker 73 und dem Sendefilter 74 und in einen Sendezweig für das Diversitysignal. Letztgenannter Sendezweig enthält den Endlosphasenschieber 76, den Verstärker 78 und das Filter 79. Die empfangsseitige Ausbildung entspricht dem in Fig. 4 gezeigten Schaltungsteil.

Eine weitere Variante eines Sender- und Empfängerraumdiversity mit Phasendifferenzsteuerung von zwei Senderausgängen zeigt Fig. 6. Dabei ist der Endlosphasenschieber im RF-Oszillatorzweig eingeschaltet, wodurch der Aufwand verringert wird, da der Endlosphasenschieber nicht mehr im Signalweg liegt. Der übrige Schaltungsaufbau ist vollkommen identisch mit der Schaltung gemäß Fig. 4, deshalb auch für gleiche Baugruppen dieselben Bezugszeichen verwendet sind.

In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 6 ist die Auswerteschaltung 90 jeweils hinter dem ZF-Kombinator der Empfangsseite angeordnet. In diesem Fall wird die Phasendifferenz der beiden Sendesignale so optimiert, daß hinter dem ZF- Kombinator maximale Ausgangsleistung entsteht. Die Auswerteschaltung kann aber auch vor dem ZF-Kombinator angesetzt werden. Dies ist in den Fig. 4 bis 6 durch das strichliert eingezeichnete Kästchen A zwischen dem Signalweg für das Diversitysignal und dem Rückkanal dargestellt. In entsprechender Weise kann die Auswerteschaltung auch zwischen dem Signalweg für das Grundsignal und den Rückkanal eingeschaltet werden. Dann wird so optimiert, daß entweder an der Diversity-Antenne oder an der Hauptantenne maximale Ausgangsleistung entsteht. Dies kann vorteilhaft sein, weil dann die beiden Regelkreise für Empfängerraumdiversity und Senderraumdiversity nicht in Kette geschaltet sind und eventuell eine höhere Regelgeschwindigkeit erreicht wird.

Die Auswerteschaltung kann auf maximale Leistung regeln: "In-phase combiner" oder "Maximum-power-combiner" oder sie kann auch durch Abtastung des kombinierten Spektrums mit verschiedenen Detektoren, denen entsprechende Bandpässe vorangeschaltet sind, auf ein möglichst ebenes Summenspektrum ausgeregelt werden: "Minimum-dispersion-combiner".

Eine Anordnung mit mehreren Sendern und Empfängern gemäß der Antennenaufschaltung nach Fig. 3 kann auch durch ein Sender- Empfängerraumdiversity mit Phasendifferenzsteuerung von zwei Senderausgängen entsprechend den Fig. 4 bis 6 realisiert werden. Anstelle über die 3-dB-Koppler (33, 34, 35, 36 in Fig. 3) erfolgt dann die Aufschaltung derart, daß die Signale der jeweiligen Sender in der in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Weise in ein Grundsignal und ein Diversitysignal aufgeteilt und diese dann der betreffenden Antenne zugeführt werden.

Claims

1. Nachrichtenübertragungssystem für elektromagnetische Wellen, für die jeweilige Übertragungsrichtung bestehend aus einem Sender, in dem das zu übertragende Signal einem Träger aufmoduliert wird, einer Sende- und zwei Empfangsantennen mit dazwischenliegendem Funkfeld und einem Empfänger mit zugehörigem Raumdiversityempfänger, in dem die Signale der beiden Empfangszweige in eine gewünschte Frequenzebene umgesetzt, in einem Kombinator zusammengeführt und ausgewertet und anschließend demoduliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Empfangsraumdiversity die Sendeleistung aufgeteilt und gleichphasig und mit gleicher Gruppenlaufzeit auf zwei Antennen gegeben wird.

2. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeleistung über einen 3-dB-Koppler aufgeteilt und der 90°-Phasenunterschied am Ausgang des 3-dB-Kopplers durch eine Verlängerung um λ/4 in Bandmitte der Antennenzuleitung, die im voreilenden Zweig liegt, ausgeglichen wird.

3. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Diversity-Antennen von der jeweiligen Hauptantenne so gewählt ist, daß die Differenz der Weglängen der Funkstrahlen zu Haupt- und Diversity-Antenne sehr klein gegenüber λ/2 ist.

4. Nachrichtenübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig eine Steuerung der Phasendifferenz der Sendeleistungen an beiden Antennen erfolgt.

5. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Sender mit zwei Ausgängen etwa gleicher Leistung, die durch einen Endlosphasenschieber gegeneinander in der Phase veränderbar sind, und durch eine Steuerung des Endlosphasenschiebers über ein Signal, das im Empfänger erzeugt und auf der Gegenrichtung, z. B im Dienstkanal übertragen wird.

6. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Aufteilung des Signalstroms (Sendeleistung) vor dem Sende-RF-Verstärker (d. h. im ZF-Bereich).

7. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Endlosphasenschieber im ZF-Signalweg angeordnet ist.

8. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Endlosphasenschieber im Oszillatorweg angeordnet ist.

9. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Aufteilung des Signalstroms (Sendeleistung) im RF-Bereich.

10. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Endlosphasenschieber im RF-Signalweg angeordnet ist.

11. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 4, bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgänge des Senders über getrennte Kanalweichen und 3-dB-Koppler auf getrennte Antennen aufgeschaltet sind.