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Die
Erfindung betrifft die interaktiven Sendesysteme und die Kommunikationssysteme.
Insbesondere betrifft sie den Hochfrequenz-Duplexbetrieb der beiden
Strecken, die von diesen Systemen verwendet werden.
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Bereits
seit einigen Jahren orientieren sich die aktuellen Sendesysteme
zu einem neuen Konzept hin: der Interaktivität. Dies wird durch die Verwendung
von zwei Strecken ermöglicht.
Die Abwärtsstrecke,
die das auszustrahlende Programm enthält, ermöglicht es, das Signal einer
Basisstation zum Benutzer zu übertragen.
Die Aufwärtstrecke,
die die Rückleitungsstrecke
bildet, ermöglicht
es, das Signal vom Benutzer zur Basisstation zu übertragen. Der Duplexbetrieb
ermöglicht
es diesen beiden Strecken, der Abwärtsstrecke und der Aufwärtsstrecke,
gleichzeitig zu existieren. Ein solcher Duplexbetrieb wird seit
einigen Jahren von den analogen Sendesystemen über Kabel, und in jüngster Zeit
von den digitalen Sendesystemen über
Kabel und Satellit verwendet.
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Mit
den digitalen Funksendesystemen, und insbesondere dem digitalen
Funkfernsehen DVB-T, wird die Anwendung des Interaktivitätskonzepts
auf diese neuen Sendesysteme in Betracht gezogen. Um dies zu ermöglichen,
hat sich der Duplexbetrieb als Lösung
gezeigt.
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Bei
den vollständig
duplexierten Hochfrequenz-Kommunikations-
oder -Sendesystemen ermöglicht
der RF-Duplexer
die Kopplung der beiden Hochfrequenzstrecken der zwei getrennten
Kanäle: Aufwärtsstrecke
und Abwärtsstrecke
auf einer einzigen Antenne.
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Die
aktuellen RF-Duplexer bedingen einen minimalen Frequenzabstand Dx
zwischen der Abwärtsstrecke
J der Breite Bw und der Aufwärtsstrecke K
der Breite Bw, Duplexabstand genannt, um die Interferenzen zwischen den
beiden Strecken zu vermeiden, insbesondere, damit die Abwärtsstrecke nicht
von der Aufwärtsstrecke
K gestört
wird. 1 zeigt auf der Frequenzachse eine mögliche Anordnung
dieser beiden Strecken J und K unter Berücksichtigung des Duplexabstands
Dx.
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Die
aktuellen Techniken bedingen so einen Duplexabstand von 40 MHz.
Dies bedeutet, dass die Aufwärtsstrecke
K nicht in einer Zone gesendet werden kann, die auf die Abwärtsstreckenfrequenz
einer Breite von 80 MHz zentriert ist. Mit den heutigen RF-Duplexern
verwenden also die vollständig
duplexierten Kommunikations- und Sendesysteme ein sehr breites Frequenzband
nur für
eine Aufwärtsstrecke
und eine Abwärtsstrecke.
Die Anzahl von Operatoren, die sich das Frequenzband bei dieser
Art Anwendung teilen, wird dadurch verringert.
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2 zeigt
ein Beispiel eines RF-Duplexers gemäß den heutigen Techniken, der
von solchen Kommunikations- oder
Sendesystemen verwendet wird. Der RF-Duplexer weist einen 3dB-Koppler 2 auf,
der an seinem ersten Eingang E2 1 das
Signal m der Aufwärtsstrecke
empfängt,
das er über
seinen zweiten Eingang E2 2 an
die Antenne 1 überträgt. Das von
der Antenne 1 gesendete Signal me entspricht also
dem Signal m der Aufwärtsstrecke
gedämpft
um 3dB. Dieser Dämpfungsverlust
von 3dB für
die Aufwärtsstrecke
K bedingt eine Verringerung der Versorgung für die Übertragung.
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Außerdem empfängt die
Antenne 1 das Signal d der Abwärtsstrecke und überträgt es an
den zweiten Eingang E2 2 des
3dB-Kopplers 2, mit dem sie verbunden ist. Der Koppler 2 überträgt die Summe
s = d3dB + m3dB der
Signale der Abwärtsstrecke
und der Aufwärtsstrecke
gedämpft
um 3dB an seinem Ausgang S2 1.
Ein Bandpassfilter 30 ist mit diesem Ausgang
S2 1 gekoppelt. Dieses
Filter 30 ist auf die Frequenz des Signals
d der der Abwärtsstrecke
zentriert und liefert also das Signal dr =
d3dB entsprechend dem Signal d der Abwärtsstrecke
gedämpft um
3dB an die anderen Vorrichtungen des Kommunikations- oder Sendesystems,
in das es eingesetzt ist. Dieser Dämpfungsverlust von theoretisch
3dB (mehr als 3dB in der Praxis) im RF-Duplexer bedingt für die Operatoren
einen großen
Versorgungsverlust.
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Bei
Anwendungen wie dem digitalen Funkfernsehen DVB-T werden solche
RF-Duplexer außerdem
in die Demodulatoren/Decoder eingesetzt, die allgemein "Set-Top Box" genannt werden und
bei einem Benutzer der "breiten Öffentlichkeit" angeordnet sind.
Außer
den obigen technischen Problemen müssen die RF-Duplexer also Kriterien
geringer Abmessungen (Abmessungen gleich denjenigen der für das Kabel/den
Satellit verwendeten Duplexer) erfüllen. Schließlich dürfen die
Herstellungskosten solcher Duplexer nicht höher sein als diejenigen einer Vorrichtung
mit Rückleitung über Modem
(derzeit in der Größenordnung
von 7-15 $).
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Das
Patent EP-A-0 724 337 beschreibt einen verstärkten Mastkopf, der es ermöglicht,
Signale von einer Basisstation zu einer Antenne zu übertragen und
von einer Antenne empfangene Signale zu einer Basisstation zu übertragen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, diese Nachteile durch Extraktion des Signals der Abwärtsstrecke
mit einer Dämpfung
von theoretisch 0dB zu beseitigen.
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In
einer ersten Variante schlägt
die Erfindung ein Hochfrequenz-Duplexsystem, auch RF-Duplexer genannt,
vor, das aufweist:
- – einen ersten 3dB-Koppler 2,
der aufweist:
• einen
ersten Eingang E2 1,
der das Signal m der Aufwärtsstrecke
empfängt,
• einen zweiten
Eingang E2 2, der
ein Signal me abhängig vom Signal m der Aufwärtsstrecke
liefert und das Signal d der Abwärtsstrecke empfängt,
• einen ersten
Ausgang S2 1, der
die Summe s der Signale d und m der Abwärtstrecke und der Aufwärtsstrecke,
gedämpft
um theoretische 3dB und liefert,
• einen zweiten Ausgang S2 2, der die Summe
s90° der
Signale d und m der Abwärtsstrecke
und der Aufwärtstrecke
gedämpft
um 3dB und um 90° phasenverschoben
zum Signal s des ersten Ausgangs S2 1 liefert,
- – eine
Antenne 1, die mit dem zweiten Eingang E2 2 gekoppelt ist, das Signal me sendet
und das Signal d der Abwärtsstrecke
empfängt,
- – eine
mit diesen beiden Ausgängen
S2 1 und S2 2 gekoppelte Extraktionsvorrichtung 3' der Abwärtsstrecke,
die ausgehend von diesen das Signal dr entsprechend
dem Signal d der Abwärtsstrecke mit
einer theoretischen Dämpfung
von 0dB liefert; wobei die Extraktionsvorrichtung 3' ein erstes
Filter 311 aufweist, das mit dem
ersten Ausgang S2 1 des
Kopplers 2 gekoppelt ist.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung besteht in der Reflexion der Aufwärtsstrecke
durch eine mit den beiden Ausgängen
S2 1 und S2 2 des Kopplers 2 gekoppelte
Vorrichtung, die das Signal m der Aufwärtsstrecke zu diesen beiden
Ausgängen
S2 1 und S2 2 reflektiert, damit
der Koppler 2 am zweiten Eingang E2 2 das Signal me liefert,
das dem Signal m der Aufwärtsstrecke
mit einer theoretischen Dämpfung von
0dB entspricht. Die Reflexionsvorrichtung kann entweder eine Reflexionsvorrichtung 3'' unabhängig von der Extraktionsvorrichtung 3' in ihrer zweiten
Variante oder in diese Extraktionsvorrichtung integriert sein, um
eine Extraktions-/Reflexionsvorrichtung 3 in ihrer dritten
Variante zu bilden.
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Die
Erfindung schlägt
eine Ausführungsform der
Extraktions-/Reflexionsvorrichtung 3 der dritten Variante
vor. Die Extraktions-/Reflexionsvorrichtung 3 weist auf:
- – ein
zweites Filter 312 , wobei das erste
und das zweite Filter 311 und 312 Bandsperrfilter sind, die auf die
Frequenz des Signals m der Aufwärtsstrecke
zentriert sind,
- – einen
zweiten 3dB-Koppler 32, der um 90° zum ersten Koppler 2 phasenverschoben
ist und aufweist:
• einen
ersten und einen zweiten Eingang E32 1 und E32 2, die mit den Ausgängen des ersten Filters 311 bzw. des zweiten Filters 312 gekoppelt sind,
• einen ersten
Ausgang S32 1, der
an Masse gekoppelt ist,
• einen
zweiten Ausgang S32 2,
der das Signal dr entsprechend dem Signal
d der Abwärtsstrecke mit
einer theoretischen Dämpfung
von 0dB liefert.
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Eine
erste Verbesserung der dritten Variante der Erfindung ist die Frequenzsteuerung
durch ein Frequenzsteuersignal cf des ersten
und des zweiten Filters 311 und 312 .
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Eine
zweite Verbesserung der dritten Variante der Erfindung besteht aus
einer Restfilterungsvorrichtung 4, die aufweist:
- – einen
ersten und einen zweiten Eingang E4 1 und E4 2,
wobei der erste Eingang E4 1 mit
dem Ausgang S32 2 des
zweiten Kopplers 32 gekoppelt ist und das Signal dr empfängt,
während
der zweite Eingang E4 2 mit
dem ersten Eingang E2 1 des
ersten Kopplers 2 gekoppelt ist und das Signal m der Aufwärtsstrecke
empfängt,
- – eine
Phasenverschiebungs- und Regelvorrichtung 41, die vom Frequenzsteuersignal
cf und einem Verstärkungssteuersignal cg gesteuert wird und das Signal m der Aufwärtsstrecke
des zweiten Eingangs E4 2 um
180° phasenverschiebt
sowie in Abhängigkeit
vom Frequenzsteuersignal cf und vom Verstärkungssteuersignal
cg regelt, um ein Signal ȓ zu liefern,
- – einen
Operator 42, der das Signal d der Abwärtsstrecke, gedämpft um
theoretisch 0dB, des ersten Eingangs E4 1 und das Signal ȓ summiert, um
ein Signal x zu erzeugen, das der Summe aus dem Signal d der Abwärtsstrecke,
gedämpft
um theoretisch 0dB, und einem gedämpften Rest ra des
Signals m entspricht, der dem Rest r entspricht, der im durch das
Signal ȓ gedämpften
Signal dr enthalten ist.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein digitales Sende- oder
Kommunikationssystem über
Funkwellen, das das Hochfrequenz-Duplexsystem gemäß einer
der obigen Varianten aufweist, insbesondere ein System vom Typ DVB-T.
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen klarer aus der als Beispiel
dienenden Beschreibung und den Figuren hervor, die sich darauf beziehen.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Besetzung des Frequenzbands durch die
Aufwärtstrecke
und die Abwärtstrecke
bei der Verwendung eines RF-Duplexers gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein
schematisches Beispiel eines RF-Duplexers
gemäß dem Stand
der Technik,
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3 eine
schematische Darstellung einer ersten Variante des erfindungsgemäßen RF-Duplexers,
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4 eine
schematische Darstellung einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen RF-Duplexers,
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5 eine
schematische Darstellung einer dritten Variante des erfindungsgemäßen RF-Duplexers,
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6 eine
Ausführungsform
eines RF-Duplexers basierend auf der dritten Variante der 5,
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7 ein
Beispiel einer Verbesserung des RF-Duplexers der 6.
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3 zeigt
eine erste Variante des Hochfrequenz-Duplexsystems gemäß der Erfindung. Das Signal
m der Aufwärtsstrecke
ist am ersten Eingang E2 1 eines
ersten Kopplers 2 vorhanden, der ein 3dB-Koppler ist. Das
Signal d der Abwärtsstrecke, das
von einer Antenne 1 empfangen wird, ist am zweiten Eingang
E2 2 dieses ersten
Kopplers 2 vorhanden. Der Koppler 2 liefert an
seinem ersten bzw. zweiten Ausgang S2 1 bzw. S2 2 die Signale s und s90°. Diese
Signale s und s90° entsprechen der Summe der Signale
d und m der Abwärtsstrecke
und der Aufwärtsstrecke,
die am ersten und am zweiten Eingang E2 1 und E2 2 des
Kopplers 2 vorhanden sind, theoretisch um 3dB gedämpft. Diese
beiden Signale s und s90° sind um 90° phasenverschoben.
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Die
Extraktionsvorrichtung 3' der
Abwärtsstrecke
verwendet die 90°-Phasenverschiebung
zwischen diesen beiden Signalen s und s90°, um
durch Neukombination mindestens eines Teils der beiden Signale s
und s90° das
Signal dr zu liefern, das dem Signal d der
Abwärtsstrecke
mit einer theoretischen Dämpfung
von 0dB entspricht. Insbesondere kann die Extraktionsvorrichtung
(3') aus
den Signalen (s) und (s90°) die Signale (d) und
(d90°)
der Abwärtsstrecke
extrahieren und dann diese Signale (d) und (d90°) addieren,
um das Signal (dr) zu erhalten. Je nach
den Fähigkeiten
der Extraktionsvorrichtung 3' kann
das Signal dr ggf. einen Rest r des Signals
m der Aufwärtsstrecke
enthalten.
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Eine
zweite Variante des Hochfrequenz-Duplexsystems gemäß der Erfindung
ist in 4 dargestellt. Eine Reflexionsvorrichtung 3'' der Aufwärtsstrecke ist mit dem ersten
und dem zweiten Ausgang S2 1 und
S2 2 gekoppelt. Diese
Reflexionsvorrichtung 3'' empfängt also
die Signale s und s90°. Sie reflektiert die
Teile m' und m'90° entsprechend
dem Signal m der Aufwärtsstrecke,
das je in diesen Signalen s und s90° enthalten
ist, zu dem ersten und dem zweiten Ausgang S2 1 und S2 2 des
Kopplers 2. Der 3dB-Koppler 2 erzeugt aufgrund
seiner Funktion ausgehend von den Signalen m' und m'90° das zu sendende Signal me, indem er sie addiert. Dieser Reflexionsdurchgang ermöglicht sehr
geringe Verluste auf der Aufwärtsstrecke,
daher entspricht das zu sendende Signal me dem
Signal m der Aufwärtsstrecke
gedämpft
um theoretische 0dB.
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In
der dritten Variante des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Duplexsystems
der 5 werden die Extraktionsvorrichtung 3' und die Reflexionsvorrichtung 3'' von einer einzigen Extraktions-/Reflexionsvorrichtung 3 gebildet.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
der in 5 vorgeschlagenen dritten Variante des Hochfrequenz-Duplexsystems. Die
Extraktions-/Reflexionsvorrichtung 3 weist ein erstes und
ein zweites Filter 311 und 312 auf. Diese beiden Filter 311 und 312 sind mit
dem ersten bzw. zweiten Ausgang S2 1 bzw. S2 2 des Kopplers 2 gekoppelt. Das
Filter 311 empfängt also das Signal s, und
das Filter 312 empfängt das
Signal s90°.
Die Filter 311 und 312 sind für die Reflexion der Teile m' und m'90° entsprechend
dem Signal m der Aufwärtsstrecke,
die in den Signalen s bzw. s90° enthalten sind; und für die Übertragung
der Teile d' und d'90° entsprechend
dem Signal d der Abwärtsstrecke, die
in den Signalen s bzw. s90° enthalten sind, ausgelegt.
Zum Beispiel sind die Filter 311 und 312 Bandsperrfilter, die auf die Frequenz
des Signals m der Aufwärtsstrecke
zentriert sind.
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Die
Extraktions-/Reflexionsvorrichtung 3 weist außerdem einen
zweiten Koppler 32 auf. Die Filter 311 und 312 sind dann von zwei um 90° phasenverschobenen
Kopplern 2 und 32 umrahmt. Das erste Filter 311 ist mit dem ersten Eingang E32 1 des zweiten Kopplers 32,
bzw. das zweite Filter 312 ist
mit dem zweiten Eingang E32 2 des
zweiten Kopplers 32 gekoppelt. Aufgrund ihrer 90°-Phasenverschiebung wird
die Summe der phasenverschobenen Signale m und m90° bzw.
d und d90° am
Eingang E2 2 bzw.
am Ausgang S32 2 dieser
Koppler 2 bzw. 32 erhalten.
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Der
erste Ausgang S32 1 des
zweiten Kopplers 32 ist an Masse gekoppelt. Dieser zweite
Koppler 32 summiert die beiden Signale d' und d'90°, die
ein Signal enthalten, das dem Signal d der Abwärtsstrecke entspricht, alleine
oder mit einem Rest des Signals m der Aufwärtsstrecke. Bei Verwendung
gleicher Koppler wird der Koppelverlust von 3dB in jedem der Koppler
annulliert durch Summieren der beiden Signale d' und d'90° am Ausgang der Filter 311 und 312 . Der
zweite Koppler 32 liefert also an seinem zweiten Ausgang
S32 2 ein Signal
dr, das dem Signal d der Abwärtsstrecke
gedämpft
um theoretisch 0dB alleine oder mit einem Rest r des Signals m der
Aufwärtsstrecke
entspricht. Der Rest r des Signals m der Aufwärtsstrecke entspricht dem Signal
m der Aufwärtsstrecke
derart gedämpft,
dass seine Amplitude vernachlässigbar
ist bezüglich
der Amplitude des Signals d der Aufwärtsstrecke, das am Ausgang
des zweiten Kopplers 32 wiedergewonnen wird (Verhältnis der
beiden Amplituden < 1%).
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Wie 6 zeigt,
ist es möglich,
die Steuerung der Filter 311 und 312 durch ein Frequenzsteuersignal cf vorzusehen. Die Filter 311 und 312 gewinnen so eine Frequenzagilität. Diese
Frequenzagilität
ermöglicht
es, den Duplexabstand zu reduzieren.
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7 schlägt eine
Verbesserung des Hochfrequenz-Duplexsystems
vor. Diese Verbesserung wird durch das Einsetzen einer Restfilterungsvorrichtung 4 in
das Hochfrequenz-Duplexsystems erhalten. Die Restfilterungsvorrichtung 4 weist
einen ersten Eingang E4 1,
der das Signal dr empfängt, und einen zweiten Eingang
E4 2 auf, der mit
dem ersten Eingang E2 1 des
ersten Kopplers 2 gekoppelt ist, der das Signal m der Aufwärtsstrecke
empfängt.
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Wie
oben erwähnt,
kann das am Ausgang der Extraktionsvorrichtung 3' oder der Extraktions-/Reflexionsvorrichtung 3 erhaltene
Signal dr einen Rest r enthalten, der dem
Signal m der Aufwärtsstrecke
entspricht. Die Restfilterungsvorrichtung 4 ist konzipiert,
um diesen Rest r zu dämpfen
und ein Signal x zu liefern, das das Signal d der Abwärtsstrecke, gedämpft um
theoretisch 0dB, und den gedämpften Rest
ra entsprechend dem Signal m der Aufwärtsstrecke
enthält.
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7 schlägt eine
Ausführungsform
dieser Restfilterungsvorrichtung 4 vor. Die Restfilterungsvorrichtung 4 weist
eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung und Amplitudenregelung 41 auf,
die das Signal m der Aufwärtsstrecke
empfängt.
Ein Frequenzsteuersignal cf und ein Verstärkungssteuersignal
cg steuern diese Vorrichtung zur Phasenverschiebung
und Amplitudenregelung 41 so, dass sie ein Signal ȓ liefert,
das einer Schätzung
des um 180° phasenverschobenen
Rests r entspricht. So summiert der Operator 42 das Signal
dr des ersten Eingangs E4 1 und die Schätzung ȓ. Dies ermöglicht eine
stärkere
Dämpfung
des Signals m der Aufwärtsstrecke,
das in dem Rest r enthalten ist, sogar die Unterdrückung des
Rests r. Der Operator 42 erzeugt dann ein Signal x, das
das Signal d der Abwärtsstrecke,
gedämpft
um theoretisch 0dB alleine oder mit einem gedämpften Rest ra entsprechend
dem Signal m der Aufwärtsstrecke
enthält.
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Zum
Beispiel verbessert diese Restfilterungsvorrichtung 4 die
Filterung um etwa 30dB, der Rest ra ist
also um 30dB schwächer
als der Rest r. Dies entspricht einer Verstärkung von zwei Kanälen ausgedrückt in Duplexabstand.
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Die
Frequenzsteuersignale cf und Verstärkungssignale
cg, die von den beiden Filtern 311 und 312 und/oder
von der Restfilterungsvorrichtung 4 verwendet werden, können zum
Beispiel Sigma-Delta-Steuersignale sein oder mit Analog/Digital-Wandlern
hergestellt werden. Diese Steuersignale cf und
cg können
insbesondere tiefpassgefiltert werden. Das Frequenzsteuersignal
cf kann durch einen variablen Kondensator
erhalten werden.
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Die
verschiedenen Varianten und Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Duplexsystems
können
in jedem digitalen Sende- oder Kommunikationssystem über Funkwellen
verwendet werden. Sie ermöglichen
es, den Duplexabstand mindestens um ein Verhältnis 4 zu reduzieren.
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Insbesondere
können
die Modulatoren/Demodulatoren des digitalen Fernsehens vom Typ DVB-T
diese Duplexer verwenden, um die Programmsignale (Abwärtsstrecke)
mit den Rückleitungssignalen
(Aufwärtsstrecke)
zu koppeln, was die Interaktivität
der Programme, die Programmierung auf Wunsch ("video on demand" oder "near video on demand" gemäß den allgemein
verwendeten englischen Begriffen) ermöglicht. Die Umsetzung auf das digitale
Radio kann in Betracht gezogen werden.
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Allgemeiner
erlaubt ein solches Hochfrequenz-Duplexsystem
jede Kopplung einer Antenne oder von Signalen von zwei verschiedenen
Strecken mit einem theoretischen Dämpfungsverlust Null für die Abwärtsstrecke,
einem theoretischen Dämpfungsverlust
Null für
die Aufwärtsstrecke
und einem Duplexabstand, der mindestens durch 4 geteilt ist.