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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur
Auslöschung von Interferenzen, das unerwünschte
Interferenzwellen in Richtung der Seitenzipfel einer Empfangsantenne
löscht.
Hintergrund der Erfindung
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Ein Interferenzauslöschungssystem löscht unerwünschte Wellen,
die von einer hochbündelnden Antenne empfangen werden, die
in Richtung eines gewünschten Signals angeordnet ist, und
zwar durch Überlagerung des gewünschten Signals mit einem
unerwünschten Signal, das von einer anderen Antenne empfangen
wird, die in Richtung der unerwünschten Welle angeordnet
ist, mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phasenlage.
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Fig. 5 zeigt ein früheres Interferenzauslöschungssystem.
In Fig. 5 wird ein Ausgangssignal einer Hauptantenne 1 (das
"Hauptsignal" genannt wird) durch einen Empfängeroszillator
5 und einen Mischer oder Summierer 3 in ein
Zwischenfrequenzsignal umgesetzt. Das Ausgangssignal einer Hilfsantenne 2,
das als "Bezugssignal" bezeichnet wird, wird nach einer
Umsetzung durch einen Empfängeroszillator 5 und einen Mischer
4 in ein Zwischenfrequenzsignal mit einem Bewertungssignal
W überlagert, bei dem es sich um das Ausgangssignal einer
Bewertungssteuerschaltung 8 in einer variablen komplexen
Bewertungsschaltung 7 handelt, so daß ein angenommenes Signal
eines unerwünschten Signals, das in einem Hauptsignal
enthalten ist, gebildet wird. Mit 6 ist ein Summierer bezeichnet,
der das vermutete unerwünschte Signal vom Hauptsignal
subtrahiert.
Das Ausgangssignal des Summierers 6 ist das
Ausgangssignal des Interferenzauslöschungssystems. Das Bezugssignal
wird mit dem Ausgangssignal des
Interferenzauslöschungssystems in einem Multiplizierer 10 multipliziert. Mit 9 ist
ein Tiefpaßfilter bezeichnet, und die Kombination des
Multiplizierers 10 mit dem Tiefpaßfilter 9 bildet eine
Korrelationsschaltung. Das Ausgangssignal der Korrelationsschaltung
wird der veränderbaren komplexen Bewertungsschaltung 7 über
die Bewertungssteuerschaltung 8 zugeführt, so daß ein
Korrelationskreis gebildet wird. Der Korrelationskreis mißt eine
Restkomponente eines im Ausgangssignal enthaltenen
unerwünschten Signals.
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Wenn bei diesem Aufbau sowohl das erwünschte Signal als auch
das unerwünschte Signal Breitbandsignale sind, erstreckt
sich ihre gemeinsame Spektraldichtefunktion über einen
weiten Frequenzbereich. Da diese Signale ferner Zufallssignale
sind, ist der mittlere Korrelationswert nicht konstant,
sondern schwankt. Daher ist die frühere Korrelationsschaltung
mit einem Multiplizierer 10 und einem Tiefpaßfilter 9 nicht
zur Bildung eines genauen Korrelationswertes ausreichend,
und ein unerwünschtes Signal wird nicht ausreichend gelöscht.
Diese Tatsache ist das Problem bei dem früheren
Interferenzauslöschungssystem.
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Die US-Patentschrift 4 320 535 beschreibt eine aktive
Interferenzunterdrückungsanordnung, bei der eine Hauptantenne
sowohl ein gewünschtes Signal als auch ein Interferenzsignal
(Störsignal) und eine Hilfsantenne nur das Interferenzsignal
empfängt. Das Signal wird annähernd korrigiert, und dann
werden die Phasenlage und Amplitude in Abhängigkeit von der
Korrelation mit der gemessenen Leistung eingestellt.
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Die US-Patentschrift 3 177 489 beschreibt ein
Interferenzunterdrückungssystem für Richtungsempfangssysteme mit einem
Hauptempfänger und einem Hilfsempfänger zum Empfangen des
Interferenzsignals. Das Interferenzsignal wird so, wie es
von beiden Empfängern empfangen wird, mittels eines
Signalkorrelators verglichen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Nachteile eines bekannten Standes der Technik zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung ist bei einem System zur Auslöschung
von Interferenzen, bei dem das System ein Hauptsignal, das
ein erwünschtes Signal und ein unerwünschtes Signal in
Richtung eines Seitenzipfels einer Hauptantenne enthält, und
ein Bezugssignal empfängt, das im wesentlichen nur das
unerwünschte Signal enthält, so daß die unerwünschte
Signalkomponente im Hauptsignal unterdrückt wird, um das Hauptsignal
zu bilden, das nur die erwünschte Signalkomponente enthält,
dafür gesorgt, daß das System ferner aufweist: ein
Subtrahiermittel zum Subtrahieren des Bezugssignals über eine
variable komplexe Bewertungsschaltung vom Hauptsignal; ein
Mittel zum Messen der Ausgangsleistung des Systems und ein
Mittel zum Steuern der variablen komplexen
Bewertungsschaltung, so daß durch Änderung des Wertes des Bezugssignals
in positiven und/oder negativen Schritten die
Ausgangsleistung minimiert wird; und daß das Hauptsignal und das
Bezugssignal direkt dem Subtrahiermittel zugeführt werden.
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Durch die Erfindung wird ein ausgezeichnetes
Interferenzauslöschungssystem geschaffen, das unabhängig von der Bandbreite
und/oder dem Modulationssystem eines Signals ist, indem die
Leistung eines Ausgangssignals ausgenutzt wird.
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Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Anwendung eines
Rückführzweiges, der die Phase und Amplitude eines
Bezugssignals so einstellt, daß die im gewünschten Signalband
enthaltene Signalleistung ("Im-Band-Leistung" genannt) minimiert
wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar,
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Fig. 2 stellt eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels
dar,
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Fig. 3 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar,
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Fig. 4 stellt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar und
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Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines früheren
Interferenzauslöschungssystems.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die theoretische Erläuterung der Erfindung wird wie folgt
zusammengefaßt. Es sei angenommen, daß d eine gewünschte
Signalkomponente, i eine unerwünschte Signalkomponente und
n eine Störkomponente ist, dann läßt sich das Hauptsignal x
wie folgt darstellen:
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x=d+i+n (1).
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Ein Bezugssignal y habe die unerwünschte Signalkomponente
ia und die Störkomponente na. Wenn das Verhältnis ia/na in
einer Hilfsantenne hinreichend groß ist, läßt sich y wie
folgt darstellen:
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y = ia+na ia (2).
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Zwischen i und ia gilt die folgende Beziehung:
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ia=k·exp(j·Θ)·i (3)
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wobei k das Übertragungs- oder Bündelungsverhältnis zweier
Antennen in Richtung eines unerwünschten Signals und Θ die
Phasendifferenz ist, die sich auf die Differenz in der
Ausbreitungsweglänge bezieht. Das Ausgangssignal z des
Interferenzauslöschungssystems läßt sich unter Verwendung der obigen
Symbole wie folgt darstellen:
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z=d+(1-w·K)·i+n (4)
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wobei K = k·exp(j·Θ) (5).
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Wenn zwischen d, i und n keine Korrelation vorhanden ist,
läßt sich die Leistung des Ausgangssignals z wie folgt
darstellen:
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E[ z ²]=E[ d ²]+E[ 1-w·K ²· i ²]+E[ n ²] (6)
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wobei E[ z ²] die mittlere Leistung des Ausgangssignals z
ist. Man sieht daher, daß ein unerwünschtes Signal
hinreichend ausgelöscht wird, indem ein Bewertungssignal w so
bestimmt wird, daß die Leistung des Ausgangssignals z minimal
wird. Die Gleichung (6) zeigt, daß die Leistung des
Ausgangssignals z den Minimalwert hat. Zur Bestimmung des
Bewertungssignals w ist ein herkömmliches Verfahren zur Minimierung
einer Funktion, die zwei reelle Variable hat, anwendbar.
Es ist daher leicht, das Bewertungssignal w zu bestimmen.
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Fig. 1 stellt das erste Ausführungsbeispiel dar, bei dem
obige Theorie der Erfindung angewandt wird. In Fig. 1 wird
ein Ausgangssignal y (bei dem es sich um ein Bezugssignal
handelt) einer Hilfsantenne (2) mit einem Bewertungs- oder
Gewichtungssignal w multipliziert, bei dem es sich um das
Ausgangssignal einer Bewertungssteuerschaltung 8 handelt,
um ein angenommenes unerwünschtes Signal in einem
Ausgangssignal x
(Hauptsignal) einer Hauptantenne 1 zu bilden. Mit
13 ist ein Summierer bezeichnet, der bewirkt, daß das
angenommene unerwünschte Signal vom Hauptsignal subtrahiert wird.
Das Ausgangssignal des Summierers 13 wird durch einen
Empfängeroszillator 5 und einen Mischer 3 in ein
Zwischenfrequenzsignal umgesetzt. Mit 11 ist ein Bandpaßfilter bezeichnet,
das eine entsprechende Bandbreite, die sich auf die des
gewünschten Signals bezieht, durchläßt. Mit 15 ist ein
Zwischenfrequenzverstärker bezeichnet. Das Ausgangssignal des
Zwischenfrequenzverstärkers 15 ist das Ausgangssignal z des
vorliegenden Interferenzauslöschungssystems. Mit 12 ist ein
Leistungsfühler bezeichnet, der die Im-Band-Leistung des
Ausgangssignals z mißt. Das Ausgangssignal des
Leistungsfühlers 12 wird der Bewertungssteuerschaltung 8 zugeführt. Die
Bewertungssteuerschaltung 8 bestimmt das Bewertungssignal
w derart, daß die Im-Band-Leistung des Ausgangssignals z
minimal wird, und das Bewertungssignal w wird der komplexen
Bewertungsschaltung 7 zugeführt. Das Bewertungssignal w wird
durch Minimierung einer Funktion gebildet, die zwei reelle
Variable enthält, wie schon erwähnt wurde. Die
Bewertungssteuerschaltung wird daher einfach durch einen Mikroprozessor
realisiert. Die Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels
der Bewertungssteuerschaltung ist folgende.
(Anfangsoperation)
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Diese Operation bestimmt die Anfangswerte für die optimale
Steueroperation, die nachstehend beschrieben wird. Während
der Anfangsoperation werden folgende Schritte ausgeführt:
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a) Der Anfangswert wo, der variable Bereich der Amplitude
(δ) und der variable Bereich der Phase (Φ) des
Bewertungssignals w werden beliebig vorgegeben.
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b) Die Ausgangssignalleistung wird gemessen, wenn der Wert
des Bewertungssignals w gleich wo ist.
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c) Die Amplitude und Phase des Bewertungssignals werden
jeweils um (δ) und (Φ) gegenüber dem Anfangswert wo verschoben,
und die Ausgangssignalleistungen aller verschobenen Werte
werden gemessen (vier verschobene Werte oder acht
verschobene Werte werden gemessen).
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d) Die gemäß b) und c) gemessenen Ausgangssignalleistungen
werden miteinander verglichen, und das Bewertungssignal w&sub1;,
das die Minimalsignalleistung ergibt, wird ermittelt.
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e) Wenn der Wert w&sub1;, der gemäß d) gewonnen wird, von wo
abweicht, wird der Wert wo durch den Wert w&sub1; ersetzt, und dann
werden die Schritte nach dem Schritt b) wiederholt. Wenn
der Wert w&sub1; gleich wo ist, dann werden die Werte (δ) und
(Φ) halbiert.
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f) Wenn die Werte (δ) und (Φ) kleiner als die vorbestimmten
Werte werden, dann ist die Anfangsoperation beendet, und
es beginnt die nächste optimale Steueroperation. Andernfalls
wird die Operation nach dem Schritt b) wiederholt.
(Optimale Steueroperation)
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Die optimale Steueroperation wird so ausgeführt, daß das
Bewertungssignal w dem optimalen Wert folgt, und umfaßt die
folgenden Schritte.
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g) Das Bewertungssignal w wird auf den letzten Wert wo
eingestellt, der bei der Anfangsoperation ermittelt wurde. Und
die Werte (δ) und (Φ) werden auf einen kleinen Wert
eingestellt, so daß das Ausgangssignal durch diese Werte nicht
wesentlich beeinträchtigt wird.
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h) Die Ausgangssignalleistung wird gemessen, wenn das
Bewertungssignal gleich wo ist.
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i) Die Ausgangssignalleistung wird gemessen, wenn die Phase
des Bewertungssignals um ±Φ gegenüber wo verschoben wird.
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j) Die Ausgangssignalleistungen, die in den Schritten h) und
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i) gemessen wurden, werden miteinander verglichen, und das
Bewertungssignal, das die kleinste Ausgangssignalleistung
ergibt, wird ermittelt. Derjenige Wert, der die kleinste
Ausgangsleistung ergibt, wird als neuer endgültiger Wert
wo betrachtet.
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k) Das Bewertungssignal w wird auf wo eingestellt, und die
Ausgangssignalleistung für das revidierte Bewertungssignal
wird gemessen.
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l) Die Ausgangssignalleistung wird gemessen, wenn die
Amplitude des Bewertungssignals um (±δ) gegenüber wo verschoben
ist.
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m) Die Ausgangssignalleistungen, die in den Schritten k)
und l) ermittelt wurden, werden miteinander verglichen, und
das Bewertungssignal (1), das das kleinste Ausgangssignal
ergibt, wird ermittelt. Dieser Wert wird als neuer
endgültiger Wert wo angesehen.
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n) Die Schritte nach h) werden wiederholt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß obige Operation nur ein
Beispiel ist und daß irgendein anderes Verfahren zur Ermittlung
des kleinsten Wertes einer Funktion mit zwei Variablen nach
vorliegender Erfindung angewandt werden kann. Beispielsweise
kann das Newton-Lafson-Verfahren, das Verfahren des steilsten
Abfalls, ein konjugiertes Gradientenverfahren oder ein
Zufallssuchverfahren erfindungsgemäß angewandt werden.
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Wenn bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Amplitude
und die Phase des Bezugssignals so gesteuert werden, daß
die Fehler über die erforderliche Bandbreite jeweils kleiner
als 0,2 dB und 1,80 sind, dann wird das unerwünschte Signal
um mehr als 32 dB unterdrückt.
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Wie sich aus Gleichung (6) ergibt, hängt das
Bewertungssignal w nicht von dem Leistungspegel des erwünschten Signals,
des unerwünschten Signals und des Störsignals (Rauschsignals)
ab. Die Erfindung ist mithin auch dann anwendbar, wenn der
Störabstand S/N (das Verhältnis von Nutzsignalleistung zu
Störsignalleistung) oder das Verhältnis D/U der Leistung
des erwünschten Signals zur Leistung des unerwünschten
Signals klein ist. Wenn beispielsweise das Verhältnis S/N=10 dB,
D/U=-10 dB und k=10 ist, kann nach der Erfindung das
unerwünschte Signal um mehr als 30 dB unterdrückt werden.
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Fig. 1 stellt das Ausführungsbeispiel dar, das die Leistung
in der Zwischenfrequenzstufe mißt. Alternativ kann die
Leistung in der Basisbandstufe gemessen werden.
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Fig. 2 zeigt die Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach
Fig. 1. Die Merkmale der Fig. 2 sind die Verwendung eines
Frequenzuntersetzers 14 anstelle eines Empfängeroszillators
5 und eines Mischers 3 sowie das Weglassen eines
Zwischenfrequenzverstärkers 15. Die Schaltung nach Fig. 2 hat einen
einfacheren Aufbau als die nach Fig. 1.
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Fig. 3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird dann angewandt,
wenn mehrere erwünschte Signale wie bei einem
Mehrträger-Kommunikationssystem, das mit Mehrfachzugriff im
Frequenzmultiplexverfahren FDMA (= Frequency Division Multiple
Access) arbeitet und alle diese erwünschten Signale mit
unerwünschten Signalen interferieren (durch Störsignale gestört
werden).
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Nach Fig. 3 wird das Ausgangssignal y der Hilfsantenne 2 mit
dem Ausgangssignal w der Bewertungssteuerschaltung 8
multipliziert, so daß das Produkt, bei dem es sich um das
angenommene unerwünschte Signal handelt, das im Ausgangssignal x
der Hauptantenne 1 enthalten ist, gewonnen wird. Mit 13 ist
ein Summierer bezeichnet, der das angenommene unerwünschte
Signal vom Hauptsignal subtrahiert. Das Ausgangssignal des
Summierers 13 wird durch einen Frequenzwandler 14, der als
Frequenzuntersetzer ausgebildet ist, in das
Zwischenfrequenzsignal umgewandelt. Mit 11-1 bis 11-N sind Bandpaßfilter
bezeichnet, von denen jedes ein Signal jeder Bandbreite jedes
unerwünschten Signals durchläßt. Mit 12-1 bis 12-N sind
Fühler bezeichnet, die die Signalleistung in jedem Bandbereich
jedes unerwünschten Signals messen. Die Ausgangssignale der
Fühler 12-1 bis 12-N werden einer Bewertungssteuerschaltung
8 zugeführt, die das Bewertungssignal w so bestimmt, daß die
Ausgangsleistungen aller Fühler ein Minimum erreichen.
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Da das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 nur das in jedem
Bandbereich jedes erwünschten Signals enthaltene Signal
behandelt, ist es vorteilhaft, das unerwünschte Signal in einem
Mehrträger-Kommunikationssystem zu komprimieren.
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Nachstehend wird ein Beispiel der Wirkungsweise der
Bewertungssteuerschaltung angegeben.
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a) Der mittlere Empfangsleistungspegel don (n=1 . . . N) jedes
erwünschten Signals wird berechnet. Die Berechnung erfolgt
im allgemeinen beim Entwerfen des Schaltungsaufbaus.
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b) Die Ausgangsleistung zon (n=1 bis N) jedes Bandpaßfilters
wird ermittelt. Dann wird die Differenz von don wie folgt
berechnet.
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Pn = E [ zon ²]-don (n=1-N) (7)
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c) Der Wert no, der die maximale Differenz Pn darstellt,
wird ermittelt und der Wert w so gewählt, daß Pno maximal
wird. Diese Steuerung ist praktisch eine stufenweise
Nachstellung zweier Variabler. Andere nichtlineare
Optimierungsverfahren sind ebenfalls erfindungsgemäß anwendbar.
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d) Die Schritte b) und c) werden wiederholt.
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Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Das Merkmal der Fig. 4 ist
die Verbesserung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 derart,
daß eine Vielzahl unerwünschter Signale ausgelöscht werden.
In Fig. 4 sind mit 2-1 bis 2-M Hilfsantennen bezeichnet,
von denen jede ein unerwünschtes Signal aus einer anderen
Richtung empfängt. Das Ausgangssignal ym (m=1 bis M) wird
mit wm (m=1 bis M) multipliziert, bei dem es sich um das
Ausgangssignal der Bewertungsschaltungen 8 handelt, und das
Produkt ist das angenommene unerwünschte Signal zum
Auslöschen
des unerwünschten Signals im Ausgangssignal x der
Hauptantenne 1. Mit 13 ist ein Summierer bezeichnet, der
das angenommene unerwünschte Signal vom Hauptsignal
subtrahiert. Das Ausgangssignal des Summierers wird durch den
Frequenzuntersetzer 14 frequenzgewandelt, so daß das
Zwischenfrequenzsignal gewonnen wird. Mit 11-1 bis 11-N sind
Bandpaßfilter zum Durchlassen erwünschter Signale in jedem
gewünschten Band bezeichnet. Mit 12-1 bis 12-N sind Leistungsfühler
bezeichnet, von denen jeder die Ausgangsleistung in jedem
Bandbereich jedes erwünschten Signals mißt. Die
Ausgangssignale der Leistungsfühler 12-1 bis 12-N werden der
Bewertungssteuerschaltung 8 zugeführt, die das Bewertungssignal wm
(m=1 bis M) bestimmt, so daß die Im-Band-Leistung in jedem
Bandbereich jedes erwünschten Signals minimal wird.
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Ein Beispiel der Wirkungsweise der Bewertungssteuerschaltung
8 wird nachfolgend beschrieben.
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a) Der mittlere Empfangsleistungspegel don (n=1 bis N) jedes
erwünschten Signals wird berechnet. Dieser Leistungspegel
wird im allgemeinen beim Entwerfen des Schaltungsaufbaus
berechnet.
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b) Die Ausgangsleistung zon (n=1 bis N) jedes Bandpaßfilters
wird ermittelt, und der folgende Wert wird berechnet.
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Pn = [E{ zon ²}-don]/don n=(1-n) (8)
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c) Die folgende Objekt- oder Zielfunktion wird berechnet.
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Q=ΣPn (9).
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Der Wert {wm} (m=1 bis M) wird so gewählt, daß jede
Objektfunktion Q ein Maximum bei einem Satz von {Wm} komplexen
Bewertungssignalen hat.
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d) Die Schritte b) und c) werden wiederholt.
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Obwohl einfache Steuervorgänge bei den Ausführungsbeispielen
nach den Fig. 3 und 4 dargestellt wurden, können
erfindungsgemäß auch andere herkömmliche Optimierungsverfahren für
mehr Objektfunktionen angewandt werden.
Effekt der Erfindung
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Die Effekte der Erfindung sind nachfolgend aufgelistet.
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1) Die Steuerung ist genau, weil die Im-Band-Leistung eines
Ausgangssignals anstelle eines früheren Korrelationswertes
ausgenutzt wird. Ein unerwünschtes Signal wird daher
hinreichend infolge eines kleinen Fehlersignals unterdrückt und
der Schaltungsaufbau ist einfach.
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2) Selbst wenn es sich sowohl bei dem erwünschten als auch
bei dem unerwünschten Signal um ein Breitbandsignal handelt
und der Störabstand der Hauptantenne klein ist, wird eine
ausgezeichnete Unterdrückung des unerwünschten Signals
erreicht, weil die Im-Band-Ausgangsleistung selbst in obigen
Fällen genau gemessen werden kann.
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3) Die ausgezeichnete Unterdrückung eines unerwünschten
Signals wird selbst dann erreicht, wenn der Pegel des
unerwünschten Signals höher als der des erwünschten Signals ist.
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4) Die ausgezeichnete Unterdrückung eines unerwünschten
Signals wird selbst bei einem
Mehrfachträger-Kommunikationssystem wie FDMA erreicht, indem lediglich die Signalleistung
gemessen wird, die in dem Bandbereich jedes der erwünschten
Signale enthalten ist.
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5) Selbst wenn mehrere unerwünschte Signale vorhanden sind,
ist die vorliegende Erfindung anwendbar.
Gewerbliche Anwendbarkeit
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Nach der Erfindung kann ein unerwünschtes Signal in einem
Breitband-Kommunikationssystem unterdrückt werden, und der
Schaltungsaufbau ist einfach. Die Erfindung ist daher
besonders für dieses Kommunikationssystem geeignet.