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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft drahtlose Telekommunikationen. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren und eine
Vorrichtung zur Echtzeit-Erfassung und Identifizierung des Standortes
von Inband-Störern in
einer Basisstation eines drahtlosen Kommunikationssystems.
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II. Beschreibung des vorvandten
Standes der Technik
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Seit
der Einführung
von Mobiltelefonen auf dem Markt gibt es eine explosionsähnliche
Zunahme der Benutzung tragbarer Telefone. Das für eine drahtlose Telefonbenutzung
verfügbare
Frequenzspektrum stieg jedoch nicht so schnell an wie die Teilnehmerbasis.
Schließlich
begann die Anzahl von Teilnehmern an dem drahtlosen Telefondienst
die Kapazität
der drahtlosen Infrastruktur, die das AMPS (Advanced Mobile Phone System – fortgeschrittenes
zellulares Mobilkommunikationssystem) verwendet, zu übersteigen.
Als Reaktion auf dieses Ungleichgewicht entwickelten wegbereitende
Firmen, wie Qualcomm, Wege, um eine höhere Anrufkapazität als mit
AMPS anzubieten, ohne dass ein zusätzliches Frequenzspektrum erforderlich
ist.
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In
einigen Fällen
war, wie bei dem CDMA-Verfahren (Code Division Multiple Access),
diese Zunahme der Leistungsfähigkeit
von einer Zunahme der Komplexität
der drahtlosen Geräte
begleitet. Durch Einbauen von leistungsfähiger ASIC- und Mikroprozessor-Technologie
in die Geräte
sowohl des Handapparats als auch der Basisstation können derartige
weiterentwickelte drahtlose Systeme leistungsfähigere digitale Signalverarbeitungs-
und Kommunikationssystem-Techniken nutzen, um eine bessere Signalqualität und Kapazität zu erreichen.
CDMA-Kommunikationssysteme sind in den Vereinigten Staaten in TIA/EIA/IS-95-A
der Vereinigung der Telekommunikationsindustrie mit dem Titel „Mobile
Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband
Spread Spectrum Cellular System",
im Folgenden als IS-95 bezeichnet und durch Bezugnahme aufgenommen,
standardisiert.
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In
einigen drahtlosen Kommunikationssystemen können Probleme auftreten, welche
die Kapazität
zur Anrufübertragung
des Spektrums reduzieren können.
Ein derartiges Problem sind Interferenz erzeugende oder störende Übertragungen,
die in das für
die Benutzung durch das drahtlose System reservierte Spektrum eingeführt werden.
Nicht zu dem drahtlosen System gehörende Sender können derartige
störende Übertragungen
durch entweder absichtliches oder versehentliches Sendens eines
nicht autorisierten Signals in das für das drahtlose System reservierte
Spektrum verursachen. Während
eine Störung
durch ein jedem drahtlosen System eigenes thermisches Rauschen nicht
vermieden werden kann, können
Störsignale
entfernt und die daraus resultierende verlorene Kapazität wiedergewonnen
werden, in dem der Störsender
abgeschaltet wird. Natürlich
kann der Betreiber eines Störsenders
zum Unterlassen der Störungen
nur dann aufgefordert werden, nachdem das störende Signal erfasst wurde.
Manchmal ist auch ein dokumentierter Beweis der Störung erforderlich.
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In
einem großen
komplexen drahtlosen System ist es jedoch nicht immer leicht, Störsender
zu erfassen. Die Störung
kann sporadisch auftreten und schwierig nachzuverfolgen sein. Im
Moment haben drahtlose Basisstationen typischerweise nicht die eingebaute
Fähigkeit,
eine Spektralanalyse ihrer empfangenen Signale durchzuführen. Das
momentan vorherrschende Verfahren zum Erfassen von Störsendern
macht erforderlich, dass das Vorhandensein eines Störers durch
Analysieren einer Anrufkapazität
und Protokollen des Systems über
verlorene Anrufe zuerst vermutet wird. Wenn eine Basisstation eine
schlechte Anrufqualität
oder unerklärlich
hohe Raten verlorener Anrufe erfährt,
kann ein Außendienst-Techniker
eine externe Spektralanalyse-Ausrüstung zu der verdächtigen
Basisstation bringen und an dem Empfangsantennensystem anschließen. Derartige
Spektrumanalysatoren sind nicht in jede Basisstation eingebaut,
hauptsächlich
aufgrund der erhöhten
Kosten, die ein derartiges Design für Basisstationen in einem bereits
um Kosten konkurrierenden Markt bedeuten würde. Die zur Erfassung von
Störsendern
verwendeten externen Spektrumanalysatoren haben im Allgemeinen keine
Verbindungen zu Prozessoren innerhalb des drahtlosen Systemnetzes,
so dass die Daten der Spektralanalyse gesammelt und offline und
von dem Techniker per Hand analysiert werden müssen. Nur sporadisch auftretende
Störsignale
können
bei Verwendung solcher Verfahren schwierig zu erfassen sein, da sie
vorhanden sein müssen,
um bei den Messungen des Spektrums erfasst zu werden. Zusätzlich erhält, auch wenn
ein solches Störsignal
bei Verwendung derartiger Verfahren erfasst wird, der Techniker
aus den an einer einzigen Basisstation gesammelten Daten wenig Information über den
Standort des Störsenders.
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Die
meisten drahtlosen Empfänger
dekodieren Signale, die ein vorgegebenes Frequenzband besetzen.
Zu diesem Zweck wird das empfangene Signal durch einen Bandpass-Filter
geleitet, der Signale außerhalb
des für
das drahtlose System reservierten Spektrums entfernt. Viele Empfänger in
einem derartigen drahtlosen System sind auch mit Modulen zur automatischen
Verstärkungssteuerung
(AGC – automatic
gain control) ausgestattet, die das eingehende Signal dämpfen, damit
es besser in den dynamischen Bereich nachfolgender Empfänger-Schaltungen
passt. Derartige AGC-Module dämpfen
das empfangene Signal, so dass es den dynamischen Bereich der nachfolgenden
Abtast-Schaltungen nicht überschreitet
und eine im Allgemeinen als „Abschneiden" bzw. „Clipping" bezeichnete Signalverzerrung
verursacht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird eine AGC-Formel
verwendet, die den quadratischen Mittelwert (RMS) des verarbeiteten
Signals auf einem vorgegebenen konstanten Wert hält. Störende Signale, die innerhalb
des zugewiesenen Spektrums des drahtlosen Systems liegen, können nicht
durch eine Bandpass-Filterung entfernt werden. Derartige Inband-Störungen verursachen,
dass AGC-Schaltungen das empfangene Signal mehr dämpfen als
bei Abwesenheit von Störungen.
Das Ergebnis ist oft ein Signal, dessen spektrale Leistungsdichte eine
Form hat, die von der Form eines Signals zu unterscheiden ist, das
frei von Inband-Störungskomponenten ist.
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In
einem System, das Spread-Spectrum- bzw. Spreiz-Spektrum-Signale
verwendet, wie CDMA, übertragen
alle Teilnehmereinheiten Signale an die Basisstation unter Verwendung
desselben Frequenzbandes und verursachen eine gegenseitige Störung untereinander.
In einem CDMA-System wird eine Anrufkapazität maximiert, indem alle Teilnehmerstationen
zur Übertragung
mit der geringst erforderlichen Leistung angehalten werden, um einen
vorgegebenen empfangenen SNR (Störabstand – signal-to-noise
ratio) an der Basisstation zu unterstützen. Eine Inband-Störung erhöht den Störpegel,
den jede Teilnehmerstation überwinden
muss, um diesen SNR zu erreichen, wodurch jede Teilnehmerstation
mit höherer
Leistung senden muss.
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Eine
Zunahme der von Teilnehmern gesendeten Leistung verursacht mehrere
Probleme, einschließlich
einer erhöhten
Beanspruchung von Batterien, was zu einer geringeren Betriebsbereitschafts-
und Sprechzeit der Teilnehmerstationen führt. Sie verursacht auch eine
zusätzliche
Störung
für Teilnehmer,
die in angrenzenden Basisstation-Versorgungsbereichen in Betrieb
sind. Teilnehmer, die in diesen angrenzenden Basisstationen in Betrieb
sind, reagieren durch Erhöhung
ihrer Sendeleistung in einem eskalierenden Leistungswettlauf.
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Zusätzlich können Teilnehmerstationen
in der Nähe
der Versorgungsgrenze einer drahtlosen Basisstation bereits mit
ihrem maximalen Pegel senden. Wenn solche Teilnehmerstationen nicht
genug Leistung übertragen
können,
um einen akzeptablen SNR an dem Empfänger der Basisstation beizubehalten,
geht die Verbindung zu dieser Basisstation verloren. Somit kann
durch Erhöhen
des Pegels der Sendeleistung, der für eine Beibehaltung eines SNR-Grades
in der Nähe
des Randes der Versorgung erforderlich ist, ein Störsender
tatsächlich
eine Verkleinerung des effektiven Versorgungsbereichs für Rückwärtsverbindungen
einer drahtlosen Basisstation verursachen.
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In
vielen CDMA-Systemen wird der Vorwärtsverbindungsradius der Basisstation
bewusst verringert, um ihn an die Verkleinerung des Radius der Rückwärtsverbindung
anzupassen, die als Ergebnis einer Belastung der Rückwärtsverbindung
auftritt. Somit kann ein Störsignal
auch zu einer Verkleinerung des effektiven Versorgungsbereichs für Vorwärtssverbindungen
einer drahtlosen Basisstation führen.
Die Herstellung eines Gleichgewichts von Zellenradii von Vorwärts- und
Rückwärtsverbindungen
wird ferner offenbart im U.S. Patent 5,548,812 mit dem Titel „Method
and Apparatus for Balancing the Forward Link Handoff Boundary to
the Reverse Link Handoff Boundary in a Cellular Communications System", das dem Anmelder
der vorliegenden Erfindung erteilt wurde und durch Bezugnahme aufgenommen
ist.
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Wenn
die Anzahl der sendenden Teilnehmerstationen zunimmt, wird eine
Erfassung von Störern
(Jammern) schwieriger. Die zunehmende Schwierigkeit entsteht, da
der Störsender
einen kleineren Prozentsatz der gesamten empfangenen Leistung darstellt,
wodurch er leichter versteckt werden kann. Aus diesem Grund ist ein
eingebauter Spektrumanalysator, der das erhaltene Spektrum während spontan
auftretender Pausen in der Anrufaktivität analysieren kann, höchst wünschenswert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur konstanten Echtzeit-Erfassung von Inband-Störern mit unwesentlicher Auswirkung
auf die Kosten der Basisstation. Eine derartige Echtzeit-Spektralanalyse ist
insbesondere bei der Verwendung in breitbandigen drahtlosen Systemen,
wie CDMA, vorteilhaft, in denen alle Teilnehmer das gleiche Sendefrequenzband
verwenden. Zusätzlich
zur Erfassung von Störern
ermöglicht
die vorliegende Erfindung zusätzliche
Hardware- und System-Diagnosefähigkeiten.
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Mit
dem Erscheinen von weiterentwickelten Technologien, wie CDMA, werden
steigende Mengen von Verarbeitungsleistung in modernen drahtlosen Basisstationen
vorgesehen. Während ältere AMPS-Basisstationen
mit vielleicht einem Mikroprozessor und Baugruppenträgern mit
analogen Geräten
ausgestattet werden konnten, werden moderne CDMA-Basisstationen
mit dreißig
oder mehr Mikroprozessoren entwickelt, einschließlich leistungsfähiger Prozessoren
mit Taktfrequenzen von mehr als 60 MHz. Die vorliegende Erfindung macht
sich die Erkenntnis zunutze, dass eine moderne drahtlose Basisstation
einen Überschuss
an Verarbeitungsleistung haben kann, die zur Durchführung einer
komplizierten Signalanalyse ausreichend ist. Die Basisstation ist
derart gestaltet, dass ein bei der Demodulierung von Signalen der
Teilnehmerstation benutzter Strom digitaler Abtastwerte auch für einen
vorhandenen Prozessor für
digitale Signalverarbeitung verfügbar
gemacht wird.
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Mögliche Optionen
zum Erzeugen der erforderlichen digitalen Abtastwerte umfassen eine
Verwendung nur der FFT mit realen Eingabedaten unter Verwendung
nur von Daten in dem I- oder dem Q-Zweig und Durchführen einer
FFT mit komplexen Eingabedaten unter Verwendung beider Daten in
den I- und Q-Zweigen.
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Eine
FFT mit realen Eingabedaten hat den Vorteil, dass sie weniger Daten
und Verarbeitung pro FFT erfordert, da mit realen Daten und einigen
Tricks „zwei
FFTs fast für
die Kosten einer FFT" durchgeführt werden können. Die
andere Option hat den Vorteil, dass eine Prüfung des „gesamten Spektrums" durchgeführt werden kann,
von F0-Fs/2 bis F0 +
Fs/2, wobei F0 die CDMA-Mittenfrequenz und Fs die (Basisband)-Abtastrate
ist.
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Die
wichtige Frage ist nun: Ist Option A oder Option B hinsichtlich
der Erfassungsempfindlichkeit von Störungen besser?
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Die
Störungsleistung
wird mit Pj und die thermische + Benutzer - Leistung mit P bezeichnet.
Die Störungsleistung
wird gleichmäßig zwischen
den I- und Q-Zweigen
verteilt. Thermisches Rauschen wird aufgrund seiner Natur ebenfalls
gleichmäßig zwischen
I und Q verteilt. Die Benutzerleistung (= Signal von sendenden Telefonen)
wird ebenfalls gleichmäßig zwischen
I und Q verteilt, aufgrund der Natur des OQPSK PN-Spreading bzw.
Spreizen.
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Für eine FFT
mit realen Eingabedaten wird die thermische + Benutzer - Leistung
P/2 über
eine Bandbreite von 0 bis C/2 gespreizt, wohingegen in einer FFT
mit komplexen Eingabedaten die thermische + Benutzer - Leistung
P über
eine Bandbreite von -C12 bis C/2 gespreizt wird (C ist die CDMA-Signal-Bandbreite von ungefähr 1.25
MHz). Das bedeutet, dass die spektrale (Inband-) Leistungsdichte
für jede
der Techniken die gleiche ist, wobei die spektrale Leistungsdichte
gleich P/C ist. Der Schwellenwert der Störungserfassung wird relativ
zu diesem „Rauschgrund" gesetzt und es kann
gefolgert werden, dass der Schwellenwert der Störungserfassung für die beiden
Fälle derselbe
ist. Da jedoch die Störungsleistung
gleichmäßig zwischen
dem I- und dem Q-Zweig
aufgeteilt ist, ist die Störungsleistung
für die
FFT mit realen Eingabedaten um 3 dB geringer als in dem Fall der
FFT mit komplexen Eingabedaten.
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Die
daraus resultierenden Spektralanalyse-Daten werden verwendet, um
Störungssignale
mit Charakteristiken spektraler Leistungsdichte zu identifizieren,
die von denen der legitimen Teilnehmerübertragungen in dem Frequenzband
des drahtlosen Systems unterschieden werden können. Durch Verwendung mehrere
Basisstationen in der Nähe
des Störsenders
und durch Vergleichen der an diesen Basisstationen empfangenen spektralen
Leistungsdichten wird der Standort des Störsenders geschätzt.
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Zusätzlich werden
derartige Spektralanalyse-Daten verwendet, um abweichende Empfangsspektrums-Charakteristiken
zu erfassen, die einen Defekt oder den Ausfall einer Hardware anzeigen
können.
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Bei
Erfassen eines Störsignals
oder eines Hardware-Defekts kann die Basisstation eine geeignete Warnung über das
Hintergrundnetzwerk bzw. Backhaul an einen Netzwerk-Manager senden,
der sich in dem Basisstation-Controller
(BSC) befindet. Der Netzwerk-Manager kann die von mehreren Basisstationen
erhaltenen Warnungen korrelieren, um den Standort des Störsenders
zu schätzen.
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Somit
sehen die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung in einer drahtlosen Kommunikationsbasisstation
ein Verfahren vor zum Detektieren von Inband-Interferenzsignalen,
wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
Ausführen einer
Abwärtsumwandlung
und Bandpassfiltern eines empfangenen Analogsignals, um ein abwärts umgesetztes
bzw. umgewandeltes bandpassgefiltertes Analogsignal zu erzeugen,
dass ungefähr
innerhalb eines vorbestimmten Rückwärtsverbindungsfrequenzbandes
liegt;
Ausführen
von automatischer Verstärkungssteuerung
hinsichtlich des abwärts
umgesetzten bandpassgefilterten Analogsignals, um ein erstes verstärkungsgesteuertes
Signal zu erzeugen, dessen RMS-Amplitude (RMS = root mean square)
ungefähr
gleich ist zu einem vorbestimmten Wert;
Ausführen von
Analog-zu-Digital-Wandlung des ersten verstärkungsgesteuerten Signals,
um einen Strom von Digitalabtastungen zu generieren;
Ausführen einer
Analyse des Stromes von Digitalabtastungen, um einen ersten Satz
von Unterbandleistungsmessungen entsprechend zu der empfangenen
Leistung, die benachbarten Frequenzunterbändern zugeordnet ist, zu generieren,
wobei jedes Unterband einen Bruchteil eines vorbestimmten Spektrumanalysebandes repräsentiert,
wobei das Spektrumsanalyseband einen Super- bzw. Übersatz
des Rückwärtsverbindungsfrequenzbandes
darstellt; und
Ausführen
einer Spektrumbewertung bzw. -evaluierung, die eine Gruppe von einer
oder mehreren Nachbarunterbandleistungsmessungen, die eine vorbestimmte
Schwelle überschreiten,
identifiziert.
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Bevorzugter
Weise wird die Analyse ausgeführt
unter Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation bzw. Fast
Fourier Transform (FFT).
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Das
Verfahren kann weiterhin das Ausführen einer Fensterung auf den
Strom von Digitalabtastungen vor dem Ausführungen der Analyse aufweisen.
Bevorzugter Weise verwendet die Fensterung ein Hanning-Fenster.
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Die
vorbestimmte Schwelle kann variiert werden gemäß der Anzahl der Unterbandleistungsmessungen
der Gruppe.
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Das
Verfahren kann weiterhin das Wiederholen der Analyse mehrere Male über unterschiedliche
Teile des Stromes, um mehrere Sätze
von Unterbandleistungsmessungen zu erzeugen, und Mitteln der mehreren Sätze, um
einen zweiten Satz von Unterbandleistungsmessungen, zur Verwendung
in der Ausführung
der Identifikation und Evaluierung, aufweisen. In diesem Fall kann
die vorbestimmte Schwelle gemäß der gemittelten
Anzahl der mehreren Sätze
variiert werden.
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Die
Evaluierung kann weiterhin das Identifizieren einer jeglichen Gruppe
von einer oder mehreren Unterbandleistungsmessungen aufweisen, die
innerhalb des Rückwärtsverbindungsfrequenzbandes
liegen und geringer sind als eine vorbestimmte minimale Bodenschwelle.
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Alternativ
kann die Evaluierung weiterhin die Identifizierung einer Gruppe
von einer oder mehreren Unterbandleistungsmessungen aufweisen, die
außerhalb
des Rückwärtsverbindungsfrequenzbandes
liegen und größer sind
als eine vorbestimmte Außerbandschwelle
bzw. Externbandschwelle.
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Die
Analog-zu-Digital-Wandlung kann weiterhin das Ausführen einer
komplexen Abtastung, um den Strom von Digitalabtastungen zu erzeugen,
aufweisen.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sehen ebenfalls eine Drahtloskommunikationssystembasisstation
vor, die Folgendes aufweist:
ein Modul zur automatischen Verstärkungssteuerung
zum Dämpfen
eines abwärtskonvertierten
bandpassgefilterten Signals und zum Erzeugen eines verstärkungsgesteuerten
Signals mit einem RMS-Betrag, der ungefähr gleich zu einem vorbestimmten
Wert ist;
einen Analog-zu-Digital-Wandler, betriebsmäßig verbunden
mit dem Modul zur automatischen Verstärkungssteuerung, zum Verarbeiten
der Ausgabe des verstärkungsgesteuerten
Signals, um einen Strom von Digitalabtastungen zu erzeugen;
ein
Signalverarbeitungsmodul zum Verarbeiten des Stromes von Digitalabtastungen,
und zwar betriebsmäßig verbunden
mit dem Analog-zu-Digital-Wandler,
wobei das Signalsverarbeitungsmodul Folgendes aufweist:
ein
Zeit-zu-Frequenz-Wandlermodul zum Analysieren eines Teils des Stromes,
um Empfangsunterbandleistungsmessungen entsprechend zu benachbarten
Frequenzunterbändern
zu erzeugen, wobei jedes Unterband einen Bruchteil des Sendefrequenzbandes
repräsentiert;
und
ein Spektrumevaluierungsmodul zum Identifizieren einer
Gruppe von einer oder mehreren Leistungsmessungen von benachbarten
Unterbändern,
die eine vorbestimmte Schwelle überschreiten.
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Das
Zeit-zu-Frequenz-Wandlermodul kann eine schnelle Fourier-Transformation bzw.
Fast Fourier Transform (FFT) verwenden.
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Der
Spektrumsanalysierer kann weiterhin ein Fensterungsmodul aufweisen
zum Ausführen
einer nicht-rechteckigen Fensterung des Stromes von Digitalabtastungen.
Bevorzugter Weise verwendet das Fensterungsmodul ein Hanning-Fenster.
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Die
vorbestimmte Schwelle kann gemäß der Anzahl
der Unterbandleistungsmessungen in der Gruppe variiert werden.
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Der
Spektrumanalysierer kann weiterhin ein Unterbandsleistungsmittelungsmodul
aufweisen zum Mitteln von mehreren Sätzen von Unterbandleistungsmessungen,
um einen zweiten Satz von Unterbandleistungsmessungen zu erzeugen
zur Verwendung durch das Spektrumevaluierungsmodul. In diesem Fall
kann die vorbestimmte Schwelle gemäß der Anzahl von mehreren Sät zen, und
zwar gemittelt, variiert werden und/oder der Analog-zu-Digital-Wandler kann weiterhin
Mittel aufweisen zum Ausführen
einer Komplexabtastung, und wobei der Strom von Digitalabtastungen
Komplexdigitalabtastungen sind, und wobei das Zeit-zu-Frequenz-Wandlermodul
eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet, und wobei
das Verarbeitungsmodul weiterhin ein Absolutleistungsmodul aufweist,
das betriebsmäßig verbunden
ist zwischen dem Zeit-zu-Frequenz-Wandlermodul und dem Mittelungsmodul,
und wobei die Empfangsunterbandleistungsmessungen erzeugt werden
durch das Absolutleistungsmodul.
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Das
Spektrumevaluierungsmodul kann weiterhin eine Gruppe von einer oder
mehreren Unterbandleistungsmessungen identifizieren, die innerhalb
des Rückwärtsverbindungsfrequenzbandes
liegen und die geringer sind als eine vorbestimmte Minimalbodenschwelle.
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Alternativ
kann das Spektrumevaluierungsmodul eine Gruppe von einer oder mehreren
Unterbandleistungsmessungen identifizieren, die außerhalb
des Rückwärtsverbindungsfrequenzbandes
liegen und größer sind
als eine vorbestimmte Außerbandschwelle.
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Somit,
gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein Verfahren vorgesehen
zum Detektieren von inband-interferierenden Signalen, gemäß Anspruch
1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
des ersten Aspekts sind in den Ansprüchen 2-9 dargelegt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt wird eine Basisstation für ein Drahtloskommunikationssystem
vorgesehen, und zwar gemäß Anspruch
10. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
des zweiten Aspekts sind in den Ansprüchen 11-18 dargelegt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der unten angeführten detaillierten
Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen offensichtlicher,
in denen gleiche Referenzzahlen überall
sich Entsprechendes identifizieren, und wobei:
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1 ein
Diagramm ist, das die Pegel empfangender Leistung in einer drahtlosen
Basisstation für
verschiedene Benutzer- und Inband-Störer-Szenarien darstellt.
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2 ein
funktionelles Blockdiagramm eines Vorgangs ist, der ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist.
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3 eine
beispielhafte FFT-Ausgabe eines empfangenen Spektrums ist, das eine
auf einen Bin ausgerichtete Schmalband-Störer-Komponente enthält und ein
rechteckiges Fenster auf den Strom der Abtastwerte anwendet.
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4 eine
beispielhafte FFT-Ausgabe eines empfangenen Spektrums ist, das eine
nicht auf einen Bin ausgerichtete Schmalband-Störer-Komponente enthält und ein
rechteckiges Fenster auf den Strom der Abtastwerte anwendet.
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5 eine
beispielhafte FFT-Ausgabe eines empfangenen Spektrums ist, das eine
auf einen Bin ausgerichtete Schmalband-Störer-Komponente enthält und ein
Hanning-Fenster auf den Strom der Abtastwerte anwendet.
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6 eine
beispielhafte FFT-Ausgabe eines empfangenen Spektrums ist, das eine
nicht auf einen Bin ausgerichtete Schmalband-Störer-Komponente enthält und ein
Hanning-Fenster auf den Strom der Abtastwerte anwendet.
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7 ein
grafisches Beispiel der nicht gemittelten FFT ist, wie sie in einer
drahtlosen Breitband-Basisstation auftreten kann.
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8 ein
grafisches Beispiel der Ergebnisse ist, die durch Mittelwertbildung
von zwanzig Sätzen
von FFT-Ausgaben erhalten wurden.
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9 ein
idealisiertes Beispiel des nominal empfangenen Spektrums ist, das
von einer drahtlosen Breitband-Basisstation in Abwesenheit eines
Störers
verarbeitet wird.
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10 ein
idealisiertes Beispiel des empfangenen Spektrums ist, das von einer
drahtlosen Breitband-Basisstation verarbeitet wird, einschließlich einer
von einem Inband-Störer
beigesteuerte Leistung.
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11 ein
idealisiertes Beispiel des empfangenen Spektrums ist, das von einer
drahtlosen Breitband-Basisstation verarbeitet wird, die einen Hardware-Ausfall in dem AGC-Modul
der Basisstation hat.
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12 ein
idealisiertes Beispiel des empfangenen Spektrums ist, das einen
Störer
enthält.
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13 ein
idealisiertes Beispiel des empfangenen Spektrums ist, das einen
Breitband-Störer
enthält.
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14 mehrere
Basisstationen eines drahtlosen Netzes und idealisierte Anzeigen
des von jeder Basisstation empfangenen Spektrums bei Anwesenheit
eines Inband-Störers
darstellt.
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15 eine
Darstellung der Architektur für
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist.
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16 ein
Diagramm ist, das Teilmodule des Signalverarbeitungsmoduls von 15 zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Ein
drahtloses System weist typischerweise viele Basisstationen auf,
die mit den Teilnehmerstationen unter Verwendung des dem drahtlosen
System zugeteilten Spektrums kommunizieren. Jede Basisstation empfängt analoge
Signale, die thermisches Rauschen und alle von nahe gelegenen Teilnehmerstationen übertragenen
Signale enthalten. In einem drahtlosen System, das Spread-Spectrum-Signale
verwendet, wie CDMA, übertragen
alle Teilnehmer Signale innerhalb desselben breiten Frequenzbandes
für Rückwärtsverbindungen. Innerhalb
dieses Rückwärtsverbindungs-Frequenzbandes
können
sich auch unerwünschte
Interferenz erzeugende oder störende
Signale befinden. Wenn derartige Störsignale von nicht zu dem drahtlosen
System gehörenden
Sendern ausgehen, können
sie Frequenz-Charakteristiken aufweisen, durch die sie von Signalen, die
zu dem drahtlosen System gehören,
unterschieden werden können.
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1 zeigt
den Effekt, den ein Inband-Störer
auf ein drahtloses CDMA-System
haben kann. In den dargestellten Szenarien wird der SNR jedes Teilnehmers
auf 5% (oder ungefähr
-13 dB) gehalten und die Störerleistung
118 beträgt die Hälfte der
Leistung
112 des thermischen Rauschens. Die in diesen Graphen
gezeigte SNR und Störerleistung
wurden nur zu Darstellungszwecken ausgewählt und können in tatsächlichen
drahtlosen Systemen sehr verschieden sein. Tatsächlich kann eine in tatsächlichen
drahtlosen Systemen auftretende Störleistung sehr viel größer als
die Leistung des thermischen Rauschens sein.
- SNR
- – Störabstand (signal-to-noise ratio)
an dem Empfänger
der Basisstation
- Pu
- – Empfangene Leistung von jeder übertragenden
Teilnehmerstation
- Pj
- – Empfangene Leistung von einem
Inband-Störer
- Pn
- – Empfangene Leistung von thermischem
Rauschen
- Nu
- – Anzahl der übertragenden
Teilnehmerstationen
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Das
Verhältnis
zwischen SNR, Pu, Pn,
Pj und Nu wird in
den Gleichungen (1) und (2) gezeigt. Die Säulendiagramme in 1 zeigen
die Inband-Leistung, die von dem thermischen Rauschen, Störern und
Teilnehmereinheiten in den folgenden Szenarien belegt werden:
- – keine übertragenden
Teilnehmereinheiten, keine Störer 102
- – eine übertragende
Teilnehmereinheit, keine Störer 104
- – fünfzehn übertragende
Teilnehmereinheiten, keine Störer 106
- – eine übertragende
Teilnehmereinheit, mit Störern 108
- – fünfzehn übertragende
Teilnehmereinheiten, mit Störern 110
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Wie
in 1 dargestellt wird, ist thermisches Rauschen 112 ein
weißes
Rauschen, dessen Leistung im Allgemeinen über die Frequenz konstant ist.
In dem eine übertragende
Teilnehmereinheit und keine Störer darstellenden
Szenario 104 muss die Teilnehmerstation 114 nur
genügend
Leistung übertragen,
um mit dem thermischen Rauschen 112 zu konkurrieren. Somit
ist der SNR gleich zu dem Verhältnis
von Leistung der Teilnehmerstation 114 zu der Leistung
des thermischen Rauschens 112. Wenn andere Teilnehmerstationen
mit dem Übertragen
an dieselbe Basisstation beginnen, erhöht jede Teilnehmereinheit den
Grad des Rauschens, mit dem jede andere Teilnehmereinheit konkurrieren
muss. In dem Szenario 106 mit fünfzehn übertragenden Teilnehmereinheiten
und keinen Störern
wird die Stärke
der Störung
für jedes
empfangene Teilnehmersignal 114 durch Hinzufügen des
thermischen Rauschens 112 zu der Summe der von allen vierzehn
anderen Teilnehmern 122 empfangenen Leistung berechnet.
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In
einem System, in dem ein Störer
bzw. Jammer vorhanden ist und nur eine einzelne Teilnehmerstation überträgt (108),
wird diese einzelne Teilnehmerstation Leistungs-gesteuert, um ihre Übertragungsleistung 120 genügend zu
erhöhen,
um den gewünschten
SNR beizubehalten. Wenn dies in einem Sys tem mit einem Störer und
fünfzehn
Benutzern (110) passiert, müssen alle Teilnehmereinheiten
ihre Übertragungsleistung
erhöhen,
um die zusätzliche
Störung
auszugleichen. Somit muss jede Teilnehmereinheit 120 einen
Pegel an Übertragungsleistung
beibehalten, der zu der kombinierten Leistung des thermischen Rauschens 112,
des Störers 118 und
aller anderer Benutzer in dem System 124 proportional ist.
Wenn einige Teilnehmerstationen nicht genügend Leistung übertragen
können,
um den erforderlichen SNR aufrechtzuerhalten, kann diese Bedingung
zu verlorenen Anrufen führen.
Auch wenn die Anforderungen an erhöhte Leistung zu keinen verlorenen
Anrufen führen,
verursacht die Steigerung der Leistung 126 eine vermehrte
Störung
von Teilnehmerstationen innerhalb benachbarter Versorgungsbereiche.
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2 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zum Erfassen von Inband-Störern unter Verwendung vorhandener
Hardware in der Basisstation. Die analogen Signale werden von dem
Antennensystem der Basisstation empfangen und bandpassgefiltert
und abwärts
zu Basisbändern
umgesetzt (Schritte nicht gezeigt). Mehrere Techniken zum Durchführen dieser
Bandpassfilterung und Abwärtsumsetzung
sind im Stand der Technik bekannt. In dem in 2 gezeigten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die Signale durch ein Modul 204 zur automatischen
Verstärkungssteuerung
(AGC) geleitet, welches das ankommende Signal dämpft, so dass es optimaler
in dem dynamischen Bereich der Abtast-Schaltung liegt.
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Das
gedämpfte
Signal wird dann an einen Abtaster 208 gesendet, der vorzugsweise
als ein Analog-zu-Digitalwandler implementiert ist, um einen Strom
digitaler Abtastwerte zu erzeugen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst der Abtaster digitale Kosinus- und Sinus-Mischer. Die Ausgabe des
Analog-zu-Digitalwandlers wird an die digitalen Kosinus- und Sinus-Mischer
gesendet, die komplexe Abtastwerte erzeugen. Diese als komplexes
Basisband-Abtasten bekannte Technik ist im Stand der Technik bekannt
und verbessert eine nachfolgende Signalanalyse um 3 dB.
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Nach
dem Abtasten werden die entstandenen I- und Q-Abtastwertströme mit einer
Fenster-Funktion 210 multipliziert, bevor eine komplexe
schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf den I- und Q-Datenströmen 212 durchgeführt wird.
Eine FFT teilt das Spektrum in viele rechteckige Teilbänder oder
Bins, von denen jedes an diskreten abstandsgleichen Frequenzwerten
zentriert ist. Die Größe einer
sinusförmigen
Signalkomponente wird nur dann in der Ausgabe einer FFT genau dargestellt,
wenn sie an der Mittenfrequenz einer der Bins auftritt (auch als
Bin-ausgerichtet bezeichnet). Wenn ein derartiges Signal stattdessen
zwischen zwei benachbarten Bins auftritt (nicht-Binausgerichtet),
wird das Signal in beiden der benachbarten Bins erfasst, aber jeweils an
bzw. mit einer geringeren Größe.
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3 zeigt
die Ausgabe einer FFT, bei der die eingegebenen Abtastwerte nicht
mit einem Fenster versehen wurden und in der die Abtastwerte ein
sinusförmiges
Signal 302 mit einer Frequenz enthalten, die gleich der
Mittenfrequenz eines FFT-Bins ist. 4 zeigt
die Ausgabe einer FFT, bei der die eingegebenen Abtastwerte nicht
mit einem Fenster versehen wurden und in der das Eingangssignal
ein sinusförmiges
Signal 402 mit einer Frequenz enthält, die abstandsgleich zu den
Mittenfrequenzen zweier benachbarter FFT-Bins ist. Wie aus den Figuren
zu sehen ist, veranlasst ein nicht-Binausgerichtetes sinusförmiges Signal
die FFT, Frequenzkomponenten in den benachbarten Frequenz-Bins in
jede Richtung zu erfassen. Das Ergebnis ist eine Frequenzspitze,
die an ihrem Gipfelpunkt flach ist und einen kleineren Spitzenwert
hat. Zusätzlich
verursacht ein nicht-Bin-ausgerichtetes Signal eine Verbreiterung
der Basis der erfassten Leistungsspitze 404 sowie Artefakte
in Bins, die nicht an die Mittenfrequenz des Signals angrenzen,
wie an der Kante des Durchlassbands 406.
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Durch
Anwenden einer Kontur-Funktion, auch als Fensterung bekannt, auf
den Strom der Abtastwerte vor dem Durchführen einer FFT, kann die FFT
weniger anfällig
für die
Platzierung von Signalfrequenzen relativ zu FFT-Bins gemacht werden.
Mehrere Fensterungs-Funktionen, einschließlich Hanning-Fenster, sind im Stand
der Technik weit bekannt. 5 zeigt
die Ausgabe einer FFT, bei der die eingegebenen Abtastwerte unter
Verwendung eines Hanning-Fensters modifiziert wurden und bei der
die Abtastwerte ein sinusförmiges
Signal 302 mit einer Frequenz enthalten, die gleich der
Mittenfrequenz eines FFT-Bins ist. 6 zeigt
die Ausgabe einer FFT, bei der die eingegebenen Abtastwerte unter
Verwendung eines Hanning-Fensters modifiziert wurden und bei der
die Abtastwerte ein sinusförmiges
Signal 402 mit einer Frequenz enthalten, die abstandsgleich
zu den Mittenfrequenzen zweier benachbarter FFT-Bins ist. Die Größen der
in allen vier Szenarien (3-6) gezeigten
Komponenten des sinusförmigen
Signals sind gleich. Obwohl die Verwendung eines Hanning-Fensters
die Basis des erfassten Binausgerichteten Signals 504 im
Vergleich zu der des rechtwinkligen Fensters 304 verbreitert,
bleibt die Form der Kurve gleich bleibender, wenn das selbe Signal
zwischen zwei Bin-Frequenzen 604 auftritt. Zusätzlich verringert
eine Fensterung den Unterschied zwischen Spitzenwerten von Bin-ausgerichteten
Komponenten 502 und nicht-Bin-ausgerichteten Komponenten 602 und
verringert deutlich die anderen Frequenz-Artefakte, wie an der Kante
des Durchlassbands 506 und 606.
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Weiter
in der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in 2 erzeugt
der FFT-Schritt 212 einen Satz von Teilbandleistungsmessungen,
wobei jede Messung die in einem FFT-Bin empfangene Leistung darstellt.
Durch Durchführen
von FFTs auf mehreren Sätzen
von digitalen Abtastwerten können
mehrere Sätze
von Teilbandleistungsmessungen gesammelt und zusammen gemittelt
werden, wie in 214 gezeigt wird. Ein Mitteln der Ergebnisse
mehrerer FFTs erzeugt eine gleichmäßigere Kurve und macht eine
nachfolgende Frequenzanalyse weniger anfällig für Signalrauschen. Ein Mitteln
ist in einer Anwendung zur Störer-Erfassung und
Systemdiagnose geeignet, da angenommen wird, dass das Eingangs-Spektrum
sich sehr viel langsamer verändert
als das erfasste Signalrauschen. 7 ist eine
grafische Darstellung einer beispielhaften FFT-Ausgabe. 8 ist
eine grafische Darstellung eines ähnlichen Satzes von 20 beispielhaften
FFT-Abtastwert-Sätzen, die
zusammen gemittelt wurden.
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Nach
dem Mitteln mehrerer Sätze
von FFT-Ausgaben (214), werden die sich ergebenden Teilbandleistungsmessungen
analysiert (216), um jegliche Anomalien des Leistungsspektrum
zu identifizieren. Da eine drahtlose CDMA-Basisstation eine Kombination aus thermischen
Rauschen und Signalen, die sich additivem weißen Gaußschen Rauschen (additive white
Gaussian noise = AWGN) nähern,
empfängt,
nähert
sich das nominelle Frequenzspektrum des empfangenen Signals dem
von bandbegrenztem weißen
Rauschen an, wie in 9 in idealisierter Form gezeigt
wird. Wie gezeigt, sollte das nominelle Spektrum wenig oder keine
Energie außerhalb
des Frequenzbandes 902 für Rückwärtsverbindungen aufweisen.
Die in dem Rückwärtsverbindungs-Frequenzband
gemessene spektrale Leistungsdichte wird nominell auf einen charakteristisch
flachen oder konstanten Signalenergiegrund 904 gehalten.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird das empfangene Signal unter Verwendung eines
AGC-Moduls gedämpft,
das dafür
sorgt, dass der Signalenergiegrund für ein nominelles Eingabesignal
auf einem vorhersagbaren Grad gehalten wird.
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10 zeigt
eine idealisierte Darstellung des Frequenzspektrums eines Signals
mit einem Schmalband-Störer 1002,
der sich innerhalb des Rückwärtsverbindungs-Frequenzbandes 1004 befindet.
Es ist unwahrscheinlich, dass eine Schmalband-Störkomponente 1006 genügend Leistung
enthält,
um den von dem AGC gesetzten Signalgrund messbar zu beeinflussen,
so dass sie durch Suchen nach einer Spitze erfasst werden kann,
die einen Störerfassungs-Schwellenwert 1008 übersteigt.
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Die
beanspruchte Erfindung kann ebenso zur Erfassung bestimmter Probleme
der Hardware verwendet werden, welche die Form des empfangenen Spektrums
verändern. 11 ist
eine idealisierte Darstellung eines empfangenen Frequenzspektrums
einer Basisstation, die einen Defekt in ihrem AGC-Mechanismus hat. Wie
gezeigt, kann das Frequenzspektrum in der Form korrekt rechteckig
sein und sich innerhalb des Rückwärtsverbindungs-Frequenzdurchlaßbandes 1104 befinden.
Wenn aber der mittlere Leistungspegel innerhalb des Durchlassbandes 1102 geringer
als der nominelle Pegel ist, kann ein Defekt des AGC-Moduls angezeigt werden.
In einem nicht dargestellten Szenario kann ein Defekt des AGC-Moduls
auch erfasst werden, wenn der mittlere Leistungspegel innerhalb
des Durchlassbandes größer als
der nominelle Wert ist. Eine ungenügende Dämpfung des empfangenen Signals
durch das AGC-Modul kann zum Abschneiden bzw. Clipping durch den
Abtaster führen,
was dazu führen
könnte,
dass signifikante Frequenz-Komponenten
außerhalb
des Rückwärtsverbindungs-Frequenzbandes 1104 erfasst
werden.
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In
dem Fall, in dem ein Störer
in einem relativ breiten Frequenzband überträgt, kann er eine signfikante Störleistung
zu dem empfangenen Signal beitragen ohne eine einzige Frequenz-Bin-Spitze,
die einen nominellen Schmalband-Störer-Erfassungs-Schwellenwert übersteigt.
In einem derartigen Fall werden Reihen aufeinander folgender Teilbandleistungsmessungen
als eine Gruppe evaluiert und mit einem unterschiedlichen Schwellenwert
verglichen, der gemäß der Länge der
Reihe variierert. 12 zeigt eine idealisierte Darstellung eines
Spektrums für
ein Signal mit einer Störer-Komponente 1202,
die über
eine Reihe mehrere Teilbänder 1204 ausgebreitet
ist. Obwohl kein einziger Bin in der Darstellung eine größere Leistung
hat als der Einzel-Bin-Schwellenwert 1206,
kann der Störer
noch immer erfasst werden, wenn mehrere Teilbandmessungen evaluiert
werden und sie einen Mehrfach-Bin-Schwellenwert 1208 übersteigen.
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13 zeigt
eine weitere idealisierte Darstellung eines Spektrums für ein Signal
mit einer Störer-Komponente 1302,
die sogar ein noch breiteres Frequenzband 1304 besetzt.
Wiederum könnte,
obwohl ein derartiger Störer
unter Verwendung eines Einzel-Bin-Störer-Erfassungs-Schwellenwert 1306 nicht
erfasst würde,
er unter Verwendung eines Breitband-Schwellenwerts 1308 erfasst
werden. Bei einem derartigen Ansatz können Gruppen benachbarter Frequenz-Bin-Werte
zusammen gemittelt und mit Mehrfach-Bin-Störer-Erfassungs-Schwellenwerten gemäß der Anzahl
von Bins in der Gruppe verglichen werden.
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In
einem drahtlosen Kommunikationssystem, das mehrere Basisstationen
mit dieser Fähigkeit
zur Erfassung von Störungen
aufweist, kann die Analyse eines Rückwärtsverbindungs-Spektrums auch
die Schätzung
des Standortes eines Störsenders
ermöglichen. 14 zeigt
mehrere drahtlose Basisstationen 1404 und 1406,
die sich in unterschiedlichen Entfernungen zu einem Störsender 1402 befinden.
Jede Basisstation wird mit einer idealisierten Darstellung ihres
empfangenen Spektrums 1408 gezeigt. Der Störer wird über die
größten Leistungspegel
der zu dem Störer 1402 am
nächsten
liegenden Basisstationen 1404 erfasst. Der Störer kann
bei sehr niedrigen Pegeln von Basisstationen 1406, die
sich entfernter von dem Störer 1402 befinden, erfasst
werden oder gar nicht. Diese Messungen werden zusammen mit dem Wissen über den
Standort jeder Basisstation analysiert, um eine Schätzung des
Standorts des Störsenders
zu liefern.
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15 zeigt
in der Form einer Blockdarstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Störer-Erfassungsvorrichtung
der Basisstation. Die von dem (nicht gezeigten) Antennensystem der
Basisstation empfangenen analogen Signale werden unter Verwendung
(nicht gezeigter) Bandpassfilter und (nicht gezeigter) Abwärtsumsetzer-Schaltungen
verarbeitet. Das sich ergebende bandpassgefilterte und abwärts umgesetzte Signal
wird dann von einem Modul zur automatischen Verstärkungssteuerung
(AGC) 1502 gedämpft,
welches das Signal in den dynamischen Bereich einer Abtast-Schaltung
einpasst. Die Ausgabe des AGC-Moduls 1502 wird an das Abtast-Modul 1504 gesendet,
welches seine Eingabe an das Signalverarbeitungs-Modul 1506 sendet.
Wie oben erwähnt,
kann das Abtast-Modul 1504 ein komplexes Abtasten benutzen,
in dem Fall würde ein
komplexer Abtastwert-Strom an das Signalverarbeitungs-Modul 1506 gesendet.
Für einen
Fachmann ist offensichtlich, dass das Signalverarbeitungs-Modul
auf mehrere verschiedene Arten implementiert werden kann, einschließlich in
einer auf einem Mikroprozessor laufenden Software oder innerhalb
eines ASIC- oder programmierbaren logischen Geräts.
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16 zeigt
ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der sich innerhalb des Signalverarbeitungs-Moduls befindlichen Teilmodule.
Die durch I und Q dargestellten komplexen Abtastwerte werden unter
Verwendung eines Hanning-Fensters
in den Fensterungs-Modulen 1604 verarbeitet. Das entstehende
gefensterte Signal wird dann von dem FFT-Modul 1606 verarbeitet,
das eine komplexe FFT durchführt
und komplexe Teilbandleistungskomponenten ausgibt. Die Größe der komplexen
Teilbandleistungskomponenten wird durch Summieren der quadratischen
Werte der zwei Komponenten in einem Absolut-Leistungsmodul 1608 erhalten. Mehrere
der entstehenden Sätze
von Teilbandleistungsmessungen werden gesammelt und in dem Mittelungsmodul 1610 gemittelt,
bevor sie in dem Spektrumanalysemodul 1612 analysiert werden.
