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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Diversitäts-HF-Empfänger, und
insbesondere auf eine Kombinatorschaltung zur Verwendung in solchen
Empfängern.
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Hintergrund der Erfindung
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Signale,
die an einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung ankommen, wie
z. B. an einem Mobiltelephon, umfassen typischerweise eine komplexe Verschmelzung
von Wellen, einige direkt von der Sendeantenne und andere, die von
ortsfesten und bewegten Objekten reflektiert werden. Die resultierende
Wellenform unterliegt einer Auslöschung
oder Verstärkung
im Amplitudenbereich, sowie einer Verzerrung im Zeitbereich, die
aus Ausbreitungsverzögerungen über die
unterschiedlich langen Pfade resultieren, die die reflektierten
Signale durchlaufen. Diese Amplituden- und Zeitverzerrungen werden
als Mehrweg-Fading bezeichnet und erschweren die Decodierung der
Signale.
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In
Datensystemen können
solche Auslöschungen
Teile des erwünschten
Bitstroms löschen, wobei
die Dauer der Löschung
von verschiedenen Faktoren abhängt.
Eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC,
Forward Error Correction) ist eine übliche Technik zum Lösen dieses
Löschungsproblems.
Zu den gesendeten Daten werden redundante Informationen hinzugefügt, um ein
vorhergesagtes Niveau von Löschungen
und eine Wiedergewinnung der ursprünglichen Daten ohne erneutes
Senden zu erlauben. FEC ist nützlich,
jedoch muss mit zunehmender Bitrate immer mehr Redundanz hinzugefügt werden, was
zu einer Verringerung der Ausbeute führt. Die Redundanz reduziert
die effektive Bitrate des Systems.
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Eine
weitere Lösung
für die
durch Mehrweg-Fading hervorgerufenen Probleme besteht darin, zwei
unabhängige
Kanäle
zu verwenden, entweder durch die Verwendung zweier räumlich getrennter
Empfangsantennen oder durch zwei orthogonal polarisierte Empfangsantennen.
Diversitäts-Empfangssysteme
verwenden im Allgemeinen eine von drei unterschiedlichen Technikklassen,
um die mehrfach empfangenen Signale zu kombinieren, als da sind:
(i) Auswahlkombination, wodurch das Signal mit dem größten Trägerstörabstand
ausgewählt
wird (dies erfordert anspruchslose Überwachungs- und Steuerfunktionen,
führt jedoch
zu Zeit- und Phasenverschiebungen, die die Synchronisation beeinträchtigen
können);
(ii) Maximalverhältniskombination, wodurch
die Phasen der Signale unter Verwendung eines Phasenschiebers ausgerichtet
werden und die Stärken
unter Verwendung von automatischen Verstärkungssteuerungen (AGCs) angepasst
werden, so dass die auf jedes Signal angewendete Verstärkung proportional
zur Signalstärke
und umgekehrt proportional zur Störsignalleistung ist (dies erfordert sehr
komplizierte Überwachungs-
und Steuerfunktionen, führt
jedoch zu keinen Zeit- oder Phasenverschiebungen); und (iii) Gleichverstärkungskombination,
wobei die Phasen der Signale unter Verwendung eines Phasenschiebers
ausgerichtet werden und alle Signale mit gleicher Verstärkung kombiniert
werden, unabhängig
von der Stärke
irgendeines individuellen Signals, d. h. ohne Anpassung der Stärken (dies
erfordert komplizierte Überwachungs-
und Steuerfunktionen, führt
jedoch zu keinen Zeit- oder Phasenverschiebungen).
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Ferner
ist ein Nach-Demodulation-Gleichverstärkungskombinator bekannt, der
eine Diversitätskombination
ohne irgendeine Amplituden- oder Phasensteuerung erreicht (und somit
keine Überwachungs-
und Steuerfunktionen erfordert), und ohne Zeit- oder Phasenverschiebungen zu erzeugen.
Da er jedoch unvorteilhaft einen Nach-Demodulation-Prozess implementiert,
erfordert er eine Verdopplung der gesamten Empfänger-Eingangsschaltung einschließlich des
Demodulators. Ferner ist seine Leistungsfähigkeit nicht so gut wie die
der anderen Kombinatoren.
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Von
den vorangehenden drei Vor-Demodulation-Kombinatoren bietet der
Maximalverhältniskombinator
den besten kombinierten Trägerstörabstand, während der
Gleichverstärkungskombinator
eine nahezu genauso gute Leistungsfähigkeit wie der Maximalverhältniskombinator
bietet. Der Auswahlkombinator bietet die geringste Verbesserung
des Trägerstörabstands.
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Das
Dokument
EP A-0477158 offenbart
einen Diversitätsempfänger, der
die Stärke
des empfangenen und der kombinierten Signale bestimmt und die Verstärkung derselben
steuert, wobei die empfangenen Signale invertiert werden können.
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Es
besteht daher Bedarf an einem effektiven Mittel zum optimalen Kombinieren
von Signalen in einem räumlichen
Diversitätsempfänger, das
effektiv, jedoch weniger komplex ist als diejenigen des Standes
der Technik.
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Überblick über die Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird ein Kombinator für
einen Diversitäts-Funkempfänger geschaffen,
wobei die Umkehrung eines der empfangenen Signale auf einer Auswahlbasis
durchgeführt
wird, um das resultierende Ausgangssignal zu maximieren. Die Stärke jedes
Diversitätssignals
wird ebenso überwacht wie
die Stärke
des kombinierten Ausgangssignals. Eine Verstärkungssteuereinheit kombiniert
das stärkere
Signal mit entweder dem invertierten oder dem nicht-invertierten
schwächeren
Signal, um die (resultierende) kombinierte Ausgangssignalstärke zu maximieren.
Optional kann der Kombinator auch eine Amplitudenanpassung auf der
Grundlage der kanalinternen Störungen
für jedes
empfangene Signal durchführen,
wodurch die Stärke
der Signale sowie die kanalinterne Störsignalleistung und die individuellen Kanalstörabstände verwendet
werden, um die Verstärkungsfaktoren
anzupassen.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Kombinator zum Kombinieren mehrerer
empfangener Diversitätssignale
in einem Funkempfänger
und zum Erzeugen eines kombinierten Ausgangssignals hieraus geschaffen.
Eine Verstärkungssteuereinheit ist
dafür ausgelegt,
die Stärke
eines jeden empfangenen Signals und des kombinierten Ausgangssignals zu
bestimmen. Eine Verstärkungssteuerung
wird von der Verstärkungssteuereinheit
auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Bestimmungen gesteuert,
wobei die Verstärkungssteuerung
ein Schwächstes
der empfangenen Signale für
die Kombination mit den anderen empfangenen Signalen invertiert,
wenn eine solche Invertierung die Stärke des kombinierten Ausgangssignal
erhöht.
Die Verstärkungssteuereinheit führt eine
erste Bestimmung der Stärke
des kombinierten Ausgangssignals durch, bevor das schwächste empfangene
Signal invertiert wird, und eine zweite Bestimmung der Stärke des
kombinierten Ausgangssignals, nachdem das schwächste empfangene Signal invertiert
worden ist, wobei die Invertierung des schwächsten empfangenen Signals
fortgesetzt wird, wenn die Stärke
der zweiten Bestimmung diejenige der ersten Bestimmung übersteigt, und
aufgehoben wird, wenn die Stärke
der zweiten Bestimmung diejenige der ersten Bestimmung unterschreitet.
Die erste und zweite Bestimmung und das Invertieren des schwächeren Signals
werden entweder periodisch oder bei Auftreten einer Verringerung der
Stärke
des kombinierten Ausgangssignals um ein vorgegebenen Maß wiederholt.
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Die
Verstärkungssteuereinheit
ist vorzugsweise dafür
ausgelegt, das Störsignal
in Empfangssignalkanälen
zu bestimmen, wobei die Steuerung der Verstärkungssteuerung auch auf den
Störabständen beruht,
die für
die empfangenen Signale bestimmt werden, wobei jedes empfangene
Signal mit einer Verstärkung
proportional zu dem hierfür
bestimmten Störabstand
verstärkt
wird. Die Verstärkungssteuerung
in der bevorzugten Ausführungsform
umfasst eine automatische Verstärkungssteuerung
(AGC) für jedes
empfangene Signal, und die Verstärkungssteuereinheit
umfasst einen digitalen Signalprozessor.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kombinieren
mehrerer empfangener Diversitätssignale
in einem Funkempfänger
und zum Erzeugen eines kombinierten Ausgangssignals hieraus geschaffen.
Die Stärken
aller empfangenen Signale und des kombinierten Ausgangssignals werden
bestimmt. Die Verstärkung
der empfangenen Signale wird auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Bestimmungen
gesteuert, wobei ein Schwächstes
der empfangenen Signale für
eine Kombination mit den anderen empfangenen Signalen invertiert
wird, wenn eine solche Invertierung die Stärke des kombinierten Ausgangssignals
erhöht. Eine
erste Bestimmung der Stärke
des kombinierten Ausgangssignals vor dem Invertieren des schwächsten empfangenen
Signals und eine zweite Bestimmung der Stärke des kombinierten Ausgangssignals nach
dem Invertieren des schwächsten
empfangenen Signals werden durchgeführt. Die Invertierung des schwächsten empfangenen
Signals wird fortgesetzt, wenn die Stärke der zweiten Bestimmung
diejenige der ersten Bestimmung übersteigt,
und wird aufgehoben, wenn die Stärke
der zweiten Bestimmung diejenige der ersten Bestimmung unterschreitet.
Die erste und die zweite Bestimmung und das Invertieren des schwächeren Signals
werden entweder periodisch oder bei Auftreten einer Reduzierung
der Stärke
des kombinierten Ausgangssignals um ein vorgegebenes Maß wiederholt.
Vorzugsweise wird auch das Störsignal
in Empfangssignalkanälen
bestimmt, wobei die Verstärkung
ferner auf der Grundlage der Störabstände, die
für die
empfangenen Signale bestimmt worden sind, gesteuert werden, wobei jedes
empfangene Signal mit einer Verstärkung proportional zu dem hierfür bestimmten
Störabstand
verstärkt
wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genauer beschrieben:
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1 ist
ein Blockdiagramm der Komponenten einer ersten Ausführungsform
einer Funkempfänger-Kombinatorschaltung
gemäß der Erfindung;
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2(a) und (b) sind Vektordiagramme, die die
Addition von Zeigern darstellen, die dem empfangenen Signal oder
der Invertierung des empfangenen Signals entsprechen, wobei 2(a) Zeiger zeigt, die zwei empfangenen
Diversitätssignalen
entsprechen (eines von Antenne 1 und ein weiteres von Antenne 2),
die addiert werden, um ein resultierendes Signal zu erzeugen, das
stärker
als jedes der empfangenen Signale allein ist, und wobei 2(b) einen Zeiger zeigt, der einem empfangenen
Diversitätssignal
(von Antenne 1) entspricht, sowie einen weiteren Zeiger,
der dem amplitudeninvertierten Signal des anderen empfangenen Diversitätssignals (von
Antenne 2) entspricht, um ein resultierendes Signal zu erzeugen,
das stärker
als jedes der empfangenen Signale allein ist;
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3 ist
ein Flussdiagramm, dass die Schritte zeigt, die von einer Verstärkungssteuereinheit
der Funkempfänger-Kombinatorschaltung
der 1 ausgeführt
werden;
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4 ist
ein Blockdiagramm von Komponenten einer zweiten Ausführungsform
einer Funkempfänger-Kombinatorschaltung
gemäß der Erfindung;
und
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5 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte zeigt, die von einer Verstärkungssteuereinheit
der Funkempfänger-Kombinatorschaltung
der 4 ausgeführt
werden.
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Genaue Beschreibung der dargestellten
Ausführungsformen
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Eine
erste Ausführungsform
einer Vor-Demodulation-Auswahlinvertierungs-Kombinatorschaltung
gemäß der Erfindung
ist in 1 gezeigt. Zwei empfangene Diversitätssignale 10, 20 werden
mittels einer Verstärkungssteuereinheit 40 verarbeitet
und analysiert, die digitale Signalverarbeitungsmittel umfasst,
um Steuersignale 60, 70 zu erzeugen, die einer Verstärkungssteuerung
in Form automatischer Verstärkungssteuerungen
(ACGs) 20, 30 zugeführt werden, um die empfangenen
Signale 10, 20 in einer vorgegebenen Weise zu
modifizieren, wenn dies als angemessen bestimmt wird. Die modifizierten
Signale 80, 90, die von den AGCs 20, 30 ausgegeben
werden, werden anschließend
von einem Addierer 50 summiert, um ein kombiniertes Ausgangssignal 100 zu
erzeugen. Das kombinierte Signal 100 wird zurückgeführt und
in die Verstärkungssteuereinheit 40 eingegeben,
um es bei der Bestimmung der auf die empfangenen Signale 10, 20 anzuwendenden
Verstärkung
zu nutzen.
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Die
Verstärkungssteuereinheit 40 kann
die Form eines Prozessors und eines Softwarealgorithmus (z. B. eines
programmierten digitalen Signalprozessors) aufweisen, oder kann
mittels einer Rechenlogikschaltung vorgesehen sein, wenn gewünscht ist, eine
zweckbestimmte Hardware-Implementierung zu verwenden.
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Die 2(a) und (b) zeigen die Art, in der die empfangenen
Signale 10, 20 von der Kombinatorschaltung verarbeitet
und analysiert werden. Wie gezeigt ist, führt der Kombinator auf einer
auswählbaren Grundlage
eine Amplitudeninvertierung eines der empfangenen Signale durch,
um das resultierende Ausgangssignal zu maximieren. 2(a) zeigt
ein Beispiel, bei dem die von zwei verschiedenen Antennen empfangenen
Signale (Zeiger A und B) addiert werden können, um ein resultierendes
kombiniertes Signal (Zeiger C) zu erzeugen, das eine größere Amplitude
als jedes der empfangenen Signale aufweist. Im Gegensatz hierzu
zeigt 2(b) eine Situation, in der
die einfache Addition zweier empfangener Signale (Zeiger A und B)
ein kombiniertes Signal ergeben würde (Zeiger C'), das eine Stärke aufweist,
die kleiner ist als diejenige eines der Eingangssignale (Zeiger
A). Durch Invertieren des Kleineren der zwei Eingangssignale (Zeiger
B), um ein ausgewähltes
Invertierungssignal entsprechend hierzu zu erzeugen (Zeiger B'), und durch anschließendes Addieren
des invertierten Signals und des Größeren der zwei Eingangssignale
(Zeiger A und B'') wird ein resultierendes
kombiniertes Signal (Zeiger C) erzeugt, das eine größere Amplitude
als jedes der empfangenen Signale aufweist.
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Dieses
Verfahren der Kombination empfangener Diversitätssignale ist gegenüber Kombinatoren des
Standes der Technik vorteilhaft, da eine Amplitudeninvertierungsschaltung
einfacher zu verwirklichen ist als eine Phasenverschiebungsschaltung,
und da die Überwachungs-
und Steuerfunktionen dieses Kombinators einfacher zu verwirklichen
sind als diejenigen, die für
die Phasenausrichtung benötigt
werden.
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Der
Auswahlinvertierungskombinator der 1 überwacht
die Stärke
jedes Diversitätssignals sowie
die Stärke
des kombinierten Ausgangssignals. Die Verstärkungs steuereinheit 40 kombiniert
das stärkere
Signal mit entweder dem invertierten oder dem nicht-invertierten
schwächeren
Signal, um die (resultierende) kombinierte Ausgangssignalstärke zu maximieren.
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Das
Flussdiagramm der 3 zeigt die Schritte, die von
der Verstärkungssteuereinheit
der Funkempfänger-Kombinatorschaltung
der 1 ausgeführt
werden. Die Stärke
jedes empfangenen Signals 10, 20 wird bestimmt,
wobei, obwohl im Flussdiagramm der 3 nicht
explizit erwähnt,
zu beachten ist, dass solche Bestimmungen auf einer regelmäßigen und
kontinuierlichen Grundlage durchgeführt werden, um bei Bedarf während der
Ausführung
des Kombinationsprozesses das schwächere empfangene Signal zu
identifizieren. Das kombinierte Ausgangssignal 100 wird
ebenfalls bestimmt (gemessen). Wenn eines der empfangenen Signale 10, 20 schwächer ist
als das andere, wird es invertiert (d. h. es wird mit –1 multipliziert,
um seine Phase um 180° zu
erhöhen).
Die Stärke
des Ausgangssignals 100 wird anschließend erneut gemessen, wobei dann,
wenn sie stärker
ist als die Messung, die vor der Phaseninvertierung des schwächeren empfangenen
Signals erhalten worden ist, die Anwendung der Phaseninvertierung
auf das schwächere
empfangene Signal fortgesetzt wird, so dass das invertierte Signal
zum anderen empfangenen Signal addiert wird. Wenn jedoch die Stärke des
Ausgangssignals 100 schwächer gemessen wird als die
vor der Phaseninvertierung des schwächeren empfangenen Signals erhaltene
Messung, wird die Phaseninvertierung gestoppt, so dass das ursprüngliche
empfangene schwächere
Signal zu dem anderen empfangenen Signal addiert wird. Dieses Fortsetzen
oder Stoppen der Phaseninvertierung des schwächeren empfangenen Signals,
wie es der Fall sein kann, wird bis zu dem Zeitpunkt fortgesetzt,
zu dem entweder die Stärke
des kombinierten Ausgangssignals unter eine vorgegebene Schwelle
fällt,
oder bis eine vorgegebenen Zeitspanne verstrichen ist. Bei Eintreten
einer solchen Bedingung wird die Phase des schwächeren Signals invertiert,
wobei ein wiederholtes Durchlaufen des vorangehenden Prozesses der
erneuten Messung der Stärke
des kombinierten Ausgangssignals und der Bestimmung, ob es schwächer oder
stärker als
die letzte solche Messung ist, und dergleichen, ausgeführt wird
(wie in 3 gezeigt ist).
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Eine
zweite Ausführungsform
einer Vor-Demodulation-Auswahlinvertierungs/-Variabelverstärkungs-Kombinatorschaltung
gemäß der Erfindung
ist in 4 gezeigt. Diese Kombinatorschaltung führt einen
auswählbaren
Amplitudeninvertierungsprozess mit dem schwächeren empfangenen Signal durch, wie
oben mit Bezug auf 1 beschrieben worden ist, und
führt zusätzlich eine
Amplitudenanpassung durch, die zu dem Invertierungsauswahlprozess
beiträgt.
In dieser Ausführungsform überwacht
der Kombinator sowohl die Stärke
der empfangenen Signale als auch die kanalinterne Störsignalleistung,
in ähnlicher
Weise wie der herkömmliche
Maximalverhältniskombinator,
wobei die individuellen Kanalstörabstände verwendet
werden, um die Verstärkungsfaktoren anzupassen.
In einer Implementierung dieser Ausführungsform werden die individuellen
Verstärkungsfaktoren
proportional zu den Empfangssignalamplituden gemacht, sowie umgekehrt
proportional zu der kanalinternen Störsignaileistung, wie im Fall
eines Maximalverhältniskombinators.
Die individuellen Kanalstörabstände und
die Stärke
des kombinierten Ausgangssignals werden verwendet, um zu entscheiden,
ob das schwächere
Signal vor dem Kombinieren der empfangenen Signale zu invertieren
ist. Die Verstärkungssteuereinheit 40 kombiniert
das stärkere
Signal mit entweder dem invertierten oder dem nichtinvertierten
schwächeren
Signal, wie oben beschrieben worden ist, um die kombinierte Ausgangssignalstärke 100 zu
maximieren.
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Das
Flussdiagramm der 5 zeigt die Schritte, die von
einer Verstärkungssteuereinheit
der Funkempfänger-Kombinatorschaltung
der 4 ausgeführt
werden. Es werden Messungen der Stärken jedes empfangenen Signals 10, 20 und
der kanalinternen Störsignale,
die jedem empfangenen Signal zugeordnet sind, durchgeführt. Ein
Verstärkungsanpassungswert
für jedes
empfangene Signal wird bestimmt und auf das Signal auf der Grundlage des
für dieses
Signal gültigen
Störabstandes
angewendet. Obwohl im Flussdiagramm der 5 nicht ausdrücklich erwähnt, ist
zu beachten, dass solche Bestimmungen auf einer regelmäßigen und
kontinuierlichen Grundlage durchgeführt werden, um das schwächere empfangene
Signal bei Bedarf während der
Ausführung
des Kombinationsprozesses zu identifizieren, und um aktuelle (korrekte)
Störabstände zum
Anpassen der Verstärkungsfaktoren
(AGC) zu verwenden.
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Das
kombinierte Ausgangssignal 100 wird bestimmt (gemessen).
Wenn eines der empfangenen Signale 10, 20 schwächer ist
als das andere, wird es invertiert (z. B. wird es mit –1 multipliziert,
um seine Phase um 180° zu
erhöhen).
Die Stärke
des Ausgangssignals 100 wird anschließend erneut gemessen, wobei
dann, wenn sie stärker
ist als die Messung, die vor der Phaseninvertierung des schwächeren empfangenen
Signals erhalten worden ist, die Anwendung der Phaseninvertierung
auf das schwächere
empfangene Signal fortgesetzt wird, so dass das invertierte Signal
zu dem anderen empfangenen Signal addiert wird. Wenn jedoch die
Stärke
des Ausgangssignals 100 schwächer gemessen wird als die Messung,
die vor der Phaseninvertierung des schwächeren empfangenen Signals
erhalten worden ist, wird die Phaseninvertierung gestoppt, so dass
das ursprüngliche
empfangene schwächere
Signal zu dem anderen empfangenen Signal addiert wird. Dieses Fortsetzen
oder Stoppen der Phaseninvertierung des schwächeren empfangenen Signals,
wie es der Fall sein kann, wird bis zu dem Zeitpunkt fortgesetzt, zu
dem entweder die Stärke
des kombinierten Ausgangssignals unter eine vorgegebene Schwelle
fällt, oder
bis eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist. Bei Auftreten einer
solchen Bedingung wird die Phase des schwächeren Signals invertiert und
ein wiederholter Durchlauf des vorangehenden Prozesses der erneuten
Messung der Stärke
des kombinierten Ausgangssignals und der Bestimmung, ob es schwächer oder
stärker
als die letzte solche Messung ist, und dergleichen, wird ausgeführt (wie
in 5 gezeigt ist).
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Die
individuelle Elektronik und die Verarbeitungsfunktionen, die in
den vorangehenden beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden,
werden jeweils von Fachleuten gut verstanden. Für den Leser ist klar, dass
eine Vielfalt anderer Implementierungen von Fachleuten als Ersatz
erdacht werden kann. Fachleute auf dem Gebiet der Kommunikationsentwicklung
können
die vorliegende Erfindung leicht auf eine geeignete Implementierung
für eine
gegebene Anwendung anwenden.
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Folglich
ist klar, dass die bestimmten Ausführungsformen, die hier zur
Erläuterung
gezeigt und beschrieben worden sind, den vom Erfindung beanspruchten
Umfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, nicht einschränken sollen.