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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Antennendiversity-Empfänger, auf
Terminals mit derartigen Empfängern
und auf Verfahren zum betreiben von Kommunikationsdiensten über derartige
Terminals.
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HINTERGRUND
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Funkkommunikationssysteme
leiden oft an den Effekten von Mehrwegeausbreitung, wobei ein übertragenes
Signal einen Empfänger über eine
Anzahl unterschiedlicher Strecken von dem Sender erreicht. Eine
Lösung
dieses Problems ist Antennendiversity, wobei zwei oder mehr Empfangsantennen
für einen
Empfänger
vorgesehen sind. Es wird dabei vorausgesetzt, dass die Antennen
ausreichend voneinander getrennt sind, so dass die von einer einzigen Antenne
empfangenen Signale mit denen, die von anderen empfangen werden,
im Wesentlichen unkorreliert sind, wenn eine Antenne in einer Null
ist, ist eine andere Antenne wahrscheinlich imstande, ein gutes
Signal zu empfangen. Ein Beispiel eines Funkkommunikationssystems,
das Antennendiversity anwenden kann, ist ein Bluetooth-Netzwerk,
das entsprechend der Spezifikation, definiert von der "Bluetooth Special
Interest Group",
funktioniert. Ein derartiges Netzwerk ist bestimmt zum Schaffen
von preisgünstigen
Kurzbereich-Funkverbindungen zwischen mobilen PCs, Mobiltelefonen
und anderen Anordnungen, ob tragbar oder nicht. Kommunikation in
einem Bluetooth-Netzwerk erfolgt in dem unerlaubten ISM Band bei
etwa 2,45 GHz. Bei derartigen Frequenzen reichen Antennenabständen in
der Größenordnung von
einigen cm für
einen erfolgreichen Diversitybetrieb.
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In
einem Antennendiversity-Empfänger,
beispielsweise demjenigen, der in dem US Patent Nr. 5.940.452 beschrieben
worden ist, selektiert ein Diversitycontroller diejenige Antenne,
die nach einer Signalqualitätsmessung
das beste Signal liefert, was am gebräuchlichsten RSSI ("Received Signal Strength
Indication") ist.
Andere Messungen der Kanalqualität
können
auch angewandt werden, beispielsweise Prüfsummen in bestimmten Fällen in
einem DECT-System ("Digital
Enhanced Cordless Telecommunications"). In einem Funkkommunikationssystem,
wobei Daten in Paketen übertragen
werden, ist es wünschenswert,
dass der Diversitycontroller die optimale Antenne "paketweise" selektiert. Dies ist insbesondere
der Fall bei einem Frequenzsprungsystem, wie Bluetooth, weil aufeinander
folgende Pakete über
verschiedene Frequenzen gesendet werden, deren Charakteristiken
nicht korreliert sind.
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Implementierung
aber von Antennendiversity auf einer paketweisen Basis erfordert
Messung der Signalqualität
von jeder Antenne der Reihe nach (es sei denn, dass eine Anzahl
Empfänger
vorgesehen ist, was im Allgemeinen nicht eine praktische Lösung ist).
Der sequentielle RSSI Messungsprozess, der bei bekannten Empfängern durchgeführt wird,
kann dazu zuviel Zeit beanspruchen, insbesondere wenn die Präambel zu
jedem Paket kurz ist (beispielsweise, die in Bluetooth ist nur 4 μs lang).
Auf entsprechende Art und Weise wurde in der Patentanmeldung WO
0203570 vorgeschlagen, einen Antennendiversity-Empfänger zu
schaffen, der imstande ist die Signalqualität von zwei Antennen gleichzeitig
miteinander zu vergleichen, ohne die Notwendigkeit einer Anzahl
Empfänger.
Dies bedeutete Modifikation des Schalters, der entweder das Signal
von der ersten Antenne oder der zweiten Antenne selektiert, und dieses
Signal dem phasengleichen sowie dem Quadraturkanal zuführt. Der
modifizierte Schalter ist imstande, das Signal von der ersten Antenne
zu einem der Kanäle
zu lenken und das Signal von der zweiten Antenne zu dem anderen
Kanal zu lenken. Die resultierenden Signale werden um die Nullfrequenz
gefaltet und können
dazu nicht demoduliert werden, aber gültige Signalstärkenmessungen
können
dennoch für
jede Antenne angestellt werden. Ein Diversitycontroller ist imstande,
die Signalqualität
der beiden Antennen während
einer Präambel
in den übertragenen Daten
miteinander zu vergleichen und zu ermitteln, welche Antenne für die restlichen
Daten verwendet werden soll.
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Dieselbe
Patentanmeldung gibt an, dass in Niedrig-Zwischenfrequenz-Architekturen, wobei
ein Polyphasenfilter statt Tiefpassfilter verwendet wird, eine zusätzliche
Schaltungsanordnung erforderlich wäre zum Herleiten eines Signals
aus dem I-Kanal sowie dem Q-Kanal bevor es durch das Polyphasenfilter
hindurch geht. Jedes diese hergeleiteten Signale sollte dann durch
ein separates Kanalfilter hindurch gehen, um Nachbarkanalsignale
auszufiltern, bevor Signalqualitätsmessungen
durchgeführt
werden könnten.
Dies steigert die Kosten und die Komplexität. Auf jeden Fall ist die Selektion,
welche Antenne verwendet werden soll, dennoch ärmlich, weil die Präambel so
kurz ist, dass die Selektion sehr empfindlich ist für beliebige
Störungen
während
der Präambel.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes
Gerät oder
Verfahren zu schaffen, das sich mit derartigen Problemen befasst.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Antennendiversity-Empfänger geschaffen
zur Verwendung mit zwei oder mehr Antennen und vorgesehen zum Funktionieren
in einer niedrig-Zwischenfrequenz-Empfangsmode und in einer Diversityselektionsmode,
wobei der Empfänger
die nachfolgenden Elemente umfasst:
- – ZF-Kanäle,
- – eine
Umschaltanordnung zur Kopplung einer der Antennen mit den Kanälen, wenn
der Empfänger
sich in der Empfangsmode befindet,
- – einen
Diversity-Controller zum Vergleichen der Qualität von Signalen, die während der
Diversity-Selektionsmode gleichzeitig von den jeweiligen Antennen
empfangen worden sind, und zum Steuern der Selektion durch die Schaltanordnung in
der Empfangsmode, und zwar abhängig
von dem vergleich, dadurch gekennzeichnet, dass
- – der
Empfänger
dazu vorgesehen ist, bei Empfang eines Trägers bevor eine Präambel zu
dem gewünschten
Signal empfangen wird, in der Selektionsmode zu arbeiten.
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Ein
Null-ZF-Empfänger
kann dies nicht auf dieselbe Art und Weise erreichen, weil der nicht
modulierte Träger
ein DC empfangenes Signal erzeugt, das nicht auf geeignete Weise
von den unerwünschten
DC Offsets unterschieden werden kann, die an dem Ausgang der zwei
Kanalfilter vorhanden sein werden.
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Insbesondere
Signale von beiden oder allen Antennen können gleichzeitig gemessen
werden, was Vorteile gegenüber
herkömmlichen
Schemen zur sequentiellen Messung von einer Antenne nach der anderen
hat. Dies bedeutet, dass die gesamte dazu erforderliche Zeit typischerweise
um die Hälfte reduziert
werden kann. Eine Folge davon ist, dass der Leistungsverbrauch reduziert
werden kann, was besonders wichtig ist für kleine batteriebetriebene Empfänger. Auch
durch gleichzeitiges Messen wird die Messzeit für jedes Signal proportional
zu der Gesamtzeit gesteigert, so dass die Messung über eine längere Periode
gemittelt werden kann, was eine größere Immunität gegen
Störungen
und eine größere Genauigkeit
geben kann, wenn die Signalstärke
in der Zeit variiert. Auch gibt es durch gleichzeitiges Messen keine
Ungenauigkeit, verursacht durch die Signalstärken in die beiden Antennen,
die während der
Messperiode variieren.
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Insbesondere
ist es nicht wesentlich, dass die Messung vor der Präambel beendet
ist. Sollte es nicht möglich
sein, vor der Präambel
zu entscheiden, welche Antenne das stärkste Signal hat, kann die Messung
während
der Präambel
fortgesetzt werden. Selbstverständlich
bedeutet dies, dass Empfang der Präambel (oder eines Teils des
Signals) erst dann bestätigt
werden kann, wenn der Empfänger
in die Empfangsmode geschaltet wird.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass die Kanäle
ein komplexes Filter haben mit einer Kreuzkopplung zwischen den
Kanälen,
zur Auslieferung asymmetrisch gefilterter Kanalsignale in der Empfangsmode,
wobei der Controller dazu vorgesehen ist, unabhängige Tiefpass gefilterte Kanalsignale
zu verwenden, ohne Kopplung zwischen den Kanälen zum Vergleich in der Selektionsmode.
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Obschon
es möglich
ist, andere Filteranordnungen, oder andere Signale für den Vergleich
zu verwenden, würde
dies nicht so bequem sein und folglich wäre dies aufwendiger zu implementieren.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass das Filter ein Polyphasenfilter in Form eines komplexen
Filters mit einem asymmetrischen Frequenzgang ist, zentriert um
eine niedrige Zwischenfrequenz mit steuerbarer Kreuzkopplung zwischen
den Kanälen,
wobei der Controller dazu vorgesehen ist, Ausgänge des Polyphasenfilters mit Kreuzkopplung
zu verwenden, die während
der Selektionsmode unterdrückt
werden.
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Dies
ist insbesondere nützlich,
da dies ermöglicht,
dass der Schaltungsaufwand niedrig gehalten werden kann, wodurch
auch die Kosten und die Größe niedrig
gehalten werden können.
Das kann auch zu einem reduzierten Energieverbrauch in dem Polyphasenfilter
führen,
wenn die Kreuzkopplung in der Selektionsmode abgeschaltet wird.
Da die abgekoppelten Teile des Polyphasenfilters eine niedrige Durchlasscharakteristik
haben, gibt es nicht länger eine
Notwendigkeit, einzelne Tiefpassfilterung für die Kanalsignale durchzuführen, die
zum Vergleich verwendet wurden.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist der Diversitycontroller, der vorgesehen ist zum Messen der Signalqualität des von
der selektierten Antenne in der Empfangsmode empfangenen Signals.
Dies kann benutzt werden zur Bestätigung von Messungen, die an
dem nicht modulierten Träger
in der Selektionsmode durchgeführt
wurden.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist der Diversitycontroller, der vorgesehen ist um dafür zu sorgen,
dass die Umschaltanordnung eine andere Antenne mit den Kanälen koppelt, wenn
die Signalqualität
in der Empfangsmode unterhalb einer Schwelle liegt. Dies kann eine
Hilfe sein in dem Fall, dass die an dem empfangenen Signal durchgeführten Messungen
mehr Interferenz ausgesetzt sind als die Messungen an dem träger.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass ein Durchlassband eines Polyphasenfilters während der
Selektionsmode verbreitert wird. Dies ist nützlich um zu gewährleisten,
dass Messgenauigkeit nicht dadurch reduziert wird, dass Teile des
Signals durch das Filter unterdrück
werden, bevor sie gemessen werden. Dies kann in einem Extremfall
passieren, wie wenn der Träger
vor der Präambel
mit einer konstanten "1" moduliert wird,
oder wenn die Zwischenfrequenz wesentlich höher ist als die Bandbreite
des Signals.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass der Diversitycontroller dazu vorgesehen ist, das Umschalten
zwischen der Selektionsmode und der Empfangsmode zu steuern, und zwar
entsprechend vorbestimmten Zeitintervallen. Dies wird meistens vorgesehen
um Standards mit dem Typ des Empfängers in Übereinstimmung zu bringen.
Im Grunde ist eine Alternative oder eine Hinzufügung, das Timing aus den empfangenen
Signalen zu ermitteln.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass der Empfänger
zu dem Bluetooth-Standard kompatibel ist. Dies ist einer der wichtigeren
kommerziell wertvollen Standards.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass der Controller vorgesehen ist um für jedes Signal eine empfangene
Signalstärkenangabe
zu ermitteln. Dies ist eine nützliche,
allgemein angewandte Maßnahme.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass Verstärker
zum verstärken
von Signalen von jeder der Antennen, derart vorgesehen werden, dass
in der Empfangsmode Verstärker,
die zu nicht verwendeten Antennen gehören, abgeschaltet werden können. Dies
kann dafür
sorgen, dass der Energieverbrauch niedrig gehalten wird, was besonders
wichtig ist bei kleinen batteriegespeisten Terminals.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass es einen Ortsoszillator gibt zur Quadraturmischen mit
den Signalen von der Antenne, wobei der Ortsoszillator derart vorgesehen
ist, dass er für
die Selektionsmode eine andere Frequenz hat, damit ein Null-ZF-Betrieb
ermöglicht
wird. Dies ist eine Alternative zu der Abkopplung der Kreuzkopplung
des Filters, hat aber Nachteile, dass dies langsamer ist und einen
größeren Schaltungsaufwand
erfordert, und folglich teurer ist. Eine andere Alternative ist
die Verwendung einer niedrigeren Frequenz des Ortsoszillators während der
Selektionsmode, und zwar im Zusammenhang mit der Abkopplung der
Kreuzkopplung, so dass die Signale von den zwei Antennen in der
Selektionsmode optimal innerhalb der Bandbreite der zwei Tiefpassfilter
hindurch gehen. In der Empfangsmode kann eine höhere Zwischenfrequenz mit der
höheren
Frequenz des Ortsoszillators verwendet werden.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass der Controller dazu vorgesehen ist, die Kanalsignale vor
dem Folter zu verwenden, und Tiefpassfilterung auf jedes von ihnen
anzuwenden, und zwar zum Ermitteln der Signalqualität. Die ist
eine andere Alternative zum Abkoppeln der Kreuzkopplung, hat aber
den Nachteil, dass mehr Schaltungsaufwand erforderlich ist.
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Ein
zusätzliches
Merkmal einiger Ausführungsformen
ist, dass der Empfänger
als eine oder mehrere integrierte Schaltungen implementiert ist.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein mobiles Terminal
mit einer Antenne, wobei der Empfänger nach einem vorhergehenden Anspruch
mit der Antenne gekoppelt ist und ein Prozessor mit dem Empfänger gekoppelt
ist zum verarbeiten von Daten, die von dem Empfänger empfangen worden sind.
Dies wird explizit beansprucht, da die Vorteile durchgeführt werden
können
um bessere Terminals zu ermöglichen
mit viel mehr Mehrwert als der Wert des Empfängerelementes allein.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren
zum Anbieten eines Kommunikationsdienstes unter Verwendung des Terminals.
Dies wird auch explizit beansprucht, da die Vorteile durchgeführt werden
können
zum Schaffen besserer Dienste mit viel mehr Mehrwert als der Wert
des Empfängerelementes
allein.
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Jedes
zusätzliche
Merkmal kann mit einem anderen oder mit jedem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung kombiniert werden, was dem Fachmann einleuchten
dürfte.
Andere Vorteile dürften
dem Fachmann einleuchten, insbesondere gegenüber einem anderen, dem Erfinder
nicht bekannten Stand der Technik.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNG
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
eines Empfängers
zur Verwendung mit einer drahtlosen Kopplung und einem Netzwerk,
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2 Wirkungsweisen
eines Empfängers,
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3 eine
Ausführungsform
eines Empfängers,
wenn in einer Selektionsmode,
-
4 eine
Graphik eines Frequenzgangs eines umschaltbaren Polyphasenfilters
in der Selektionsmode,
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5 eine
Ausführungsform
eines Empfängers,
wenn in der Empfangsmode,
-
6 eine
Graphik eines Frequenzgangs eines Polyphasenfilters, wenn in der
Empfangsmode, und
-
7 ein
Beispiel eines Polyphasenfilters.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1. Ausführungsform
eines an ein Netzwerk gekoppelten Empfängers
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1 zeigt
eine Ausführungsform
eines Empfängers 60,
der über
eine drahtlose Kopplung mit einem anderen drahtlosen Terminal 3 gekoppelt
ist, der in jeden beliebigen Typ einer Anordnung einverleibt sein
kann. Das andere Terminal kann in einer eigenständigen Anordnung sein oder
kann mit einem Netzwerk oder Netzwerken 90 gekoppelt sein.
Eine besondere Applikation ist zum Empfangen von Daten in Bezug
auf Kommunikationsdienste, angeboten von einem Operator über das
Netzwerk, wie beispielsweise Sprechdienste oder Informationsdienste. Der
Empfänger
in diesem Beispiel ist in ein mobiles Terminal 70 einverleibt,
so dass er im Grunde in einer Basisstation angewandt werden könnte. Das
mobile Terminal umfasst ein Antennenpaar 1, 2,
geeignet für räumlichen
vielfältigen
Empfang. Andere Teile des mobilen Terminals, wie Benutzerschnittstelle,
Daten- oder Sprachverarbeitungsfunktionen
usw. werden durch den Teil 80 dargestellt. Der Empfänger kann
in jedem beliebigen Typ eines Terminals verwendet werden. Typischerweise
wird der Empfänger
in einen Transceiver einverleibt, so dass Senderteile der Deutlichkeit
halber nicht dargestellt sind.
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Der
Empfänger
umfasst eine Umschalteinrichtung 10, I- und Q-Kanäle 20, 30 und
einen Diversitycontroller 50. Ggf. gibt es andere Teile
des Empfängers,
die nicht dargestellt sind, wie Basisbandverarbeitung der Kanäle. Ein
Merkmal eines Empfängers
ist, dass zwei Kanäle
(normalerweise I und Q) für
den normalen Empfang erforderlich sind, aber jeder Kanal kann während einer
Periode der Messung der Signalqualität und des Vergleichs mit einem
anderen Signal gespeist werden. Der Schalter koppelt die Antennen
derart, dass die eine Antenne in einer Empfangsmode mit beiden Kanälen gekoppelt
ist. In einer Selektionsmode werden die Signale von jeder Antenne
einzeln verarbeitet, so dass die betreffenden Signalqualitäten simultan
gemessen und verglichen werden können.
Die Antenne mit der besseren Qualität wird in der Empfangsmode
verwendet. Der Diversitycontroller geht oft genug in die Selektionsmode um
die Selektion zu aktualisieren, da Empfangsumstände sich ändern, insbesondere wenn das
mobile Terminal sich verlagert. Dies kann sich vor jedem Paket oder
beispielsweise vor einer Sequenz von Paketen wiederholen.
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Dieselben
I- und Q-Kanäle,
wie in der Empfangsmode verwendet, können umgeschaltet und zum verarbeiten
der Signale verwendet werden zum Erhalten von Signalqualitätsmessungen,
wie dargestellt. Auf alternative Weise können im Grunde Duplikatkanäle verwendet
werden, obschon dies den Schaltungs- und Kostenaufwand steigern
würde.
Der Empfänger
kann als eine integrierte Schaltung implementiert werden.
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2, Empfängerbetrieb
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2 zeigt
Schritte im Betrieb des Empfängers
nach 1. In einer linken Spalte ist der Zustand des
Signals an den Antennen dargestellt. In der Mittenspalte ist der
Zustand der Umschaltanordnung dargestellt. In der rechten Spalte
ist die Wirkung des Diversity-Controllers angegeben. In der ersten
Reihe sind die empfangenen Signale unmodulierte Trägersignale
oder andere unerwünschte
Signale oder zwischendurch erwünschte
Signale. Der Diversitycontroller arbeitet zur Steuerung der Umschaltanordnung zum
Zuführen
verschiedener Antennensignale zu verschiedenen Kanälen. Der
Controller misst die Signale und vergleicht die Signalqualitäten. Diese
Messung kann über
eine Periode durchgeführt
werden, so dass eine Entscheidung auf mittleren Qualitäten basiert,
um eine Entscheidung zu erzielen, welche Antenne zum Empfangen des
nachfolgenden gewünschten
Signals verwendet werden soll. Dem gewünschten Signal kann ein Präambel vorhergehen, wie
in der zweiten Reihe der 2 dargestellt. Zu jeder Zeit
vor oder während
der Präambel,
nachdem die Signalqualitätsmessung
durchgeführt
worden ist, ändert
der Controller die Mode von Selektionsmode in Empfangsmode. Die
Präambel
kann als eine Sequenz empfangener Signale vor dem Informationsteil des
Signals zur Timing, Synchronisation und/oder Erkennung gewünschter
Signale in dem Empfänger
definiert werden.
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Die
Umschaltanordnung, wie in der zweiten reihe dargestellt, ändert sich
derart, dass die eine Antenne, diejenige, die als Ergebnis der vorhergehenden
Selektionsmode selektiert wurde, mit den beiden Kanälen gekoppelt
wird. Die Präambel
kann, abhängig
von dem Luftschnittstellenstandard, genügend Zeit schaffen um es zu
ermöglichen,
dass die aktuelle Signalstärke
eines demodulierten Signals gemessen werden kann. Dies kann in Termen
von RSSI, wie in den Bluetooth- oder in anderen drahtlosen Spezifikationen
definiert worden ist, oder es könnten
andere beliebige Messungen der Signalstärke durchgeführt werden
um den Diversitycontroller zu betreiben oder eventuell in das erforderliche
Format umzuwandeln. Ggf. kann dies durch den Controller durchgeführt und mit
einer Schwelle verglichen werden. Sollte der Wert zu niedrig sein,
so kann der Controller versuchen auf eine andere Antenne umzuschalten,
bevor das erwünschte
Signal eintrifft. Die dritte Reihe zeigt das gewünschte Signal in Form eines
Pakets mit Daten in Bezug auf einen Kommunikationsdienst, der bei
den Antennen eintrifft. Der Diversitycontroller ist für den Empfänger rechtzeitig
in der Empfangsmode um jedes Bit des Pakets zu empfangen, das empfangen werden
soll. Die Umschaltanordnung ist derart eingestellt, dass sie die
Selektierte Antenne mit beiden Kanälen koppelt. Nach dem Paket
oder der Kette von Paketen kann der Controller in die Selektionsmode zurückkehren.
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3, 4 Ausführungsform
eines Empfängers
in der Selektionsmode
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In 3 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines Empfängers
in der Selektionsmode dargestellt. Dieselbe Ausführungsform ist in 5 dargestellt,
wobei entsprechende Bezugszeichen verwendet worden sind, wenn er
sich in der Empfangsmode befindet. Der Empfänger kann ein Beispiel des
Empfängers
nach 1 oder von anderen Empfängern sein. HF-Signale werden
von der ersten und der zweiten Antenne 100 bzw. 110 empfangen, durch
Antennenfilter 120, 130 hindurch geführt und von
betreffenden rauscharmen Verstärken
(LNA) 170 bzw. 160 verstärkt. In dieser Stufe befinden
die HF-Signale in
einem ersten Frequenzband, das ein erwünschtes Signal enthält, während das
zweite und dritte Frequenzband unerwünschte Nachbarkanalsignale
enthalten.
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Die
Ausgangssignale der LNA werden mit quadraturbezogenen Mischschaltungen 220, 210 verbunden,
und zwar über
eine Umschaltanordnung in Form eines ersten und eines zweiten Zweiwegumschalters 180, 190,
und gesteuert von einem Diversitycontroller (DC) 230, der
die empfangene Signalqualität
vergleicht. Der DC ist ebenfalls mit den LNAn gekoppelt um die Speisung
abzuschalten, wenn irgendein LNA in der Empfangsmode nicht verwendet wird.
Wenn die beiden Schalter sich in der "Auf" Lage befinden,
wie in nachher zu beschreibenden 5 dargestellt,
verhält
sich der Empfänger
auf dieselbe Art und Weise wie ein herkömmlicher Nieder-ZF-Empfänger, der
Signale von der ersten Antenne empfängt und verarbeitet. Auf gleiche
Weise werden, wenn die beiden Schalter sich in der "Ab" Lage befinden Signale
nur von der zweiten Antenne empfangen. Obschon zwei Antennen dargestellt sind,
ist es durchaus möglich,
mehr als zwei zu haben mit Mehrwegschaltern und mit einem komplexeren
DC um beispielsweise mehrere Vergleiche durchzuführen.
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Das
Paar quadraturbezogener Mischer bekommt phasengleiche (I) bzw. Quadratur(Q)
Ortsoszillatorsignale (LO) zugeführt.
Die LO Signale werden von einem spannungsgesteuerten Oszillator
(VCO) 200 erzeugt, der von einem Frequenzsynthesizer (SYN) 150 mit
einer stabilen Bezugssignalquelle 140 betrieben wird. Die
LO Signale werden von der Mitte des Frequenzbandes, das das erwünschte Signal enthält versetzt,
so dass die Mischer das Signal auf eine Zwischenfrequenz mischen.
Die Signale haben nun ein Frequenzband mit dem erwünschten
Signal mit anderen Frequenzbändern
oben und unten mit Nachbarkanalsignalen.
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Die
Ausgangssignale von dem I- und dem Q-Mischer werden danach von ZF-Verstärkern 250, 240 verstärkt, danach
von dem Polyphase I- und Q-Kanalfilter 260 gefiltert. Dieses
Filter wirkt als ein Kanalfilter in der Empfangsmode und als ein
Tiefpassfilterpaar in der Selektionsmode. Polyphasenfilter sind
komplexe Aktivfilter mit einem asymmetrischen Frequenzgang, zentriert
um eine niedrige Zwischenfrequenz, wie in 6 dargestellt.
Sie sind nützlich,
weil sie in einem Nieder-ZF-Empfänger
verwendet werden können,
in dem unerwünschte
DC Offsets an dem Ausgang des Demodulators einfach dadurch gesperrt
werden, dass Kondensatoren genommen werden um die empfangenen Signal
ac zu koppeln. Dies ist meistens einfacher zu implementieren als
eine DC-Rückstellschaltung
(oder besser als das Gestatten von DC-Offsets) in einem typischen Null-ZF-Empfänger. Polyphasenfilter
werden typischerweise entweder mit Operationsverstärkern und Widerständen implementiert
oder mit Gyratoren und Kondensatoren, wie in 7 dargestellt.
In den beiden Fällen
wird ein Filter aus einem echten Tiefpassfilter in jeder der I- und Q-Strecken zusammengesetzt und
auch aus Elementen zur Kreuzkopplung von I mit Q und Q mit I. Dies
verdoppelt die Größe der zwei echten
Tiefpassfilter. Es ist die Kreuzkopplung, die den Frequenzgang in
die gewünschte
Zwischenfrequenz verschiebt. Wenn die Kreuzkopplung abgekoppelt
wird oder abgeschaltet wird, wie in 4 dargestellt,
verschiebt die Mittenfrequenz des Durchlassbandes zu Null-ZF und
die Bandbreite bleibt gleich, es sei denn, sie wird geändert, wie
nachstehend beschrieben.
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Gleichzeitig
durchgeführte
Signalqualitätsmessungen
(oder Vergleiche) können
angestellt werden, wenn der erste Schalter 180 sich in
der "Auf" Lage befindet und
der zweite Schalter 190 sich in der "Ab" Lage
befindet. Signale von der ersten Antenne werden dem I Mischer 220 zugeführt, zu
der Zwischenfrequenz heruntergemischt und gefiltert. Das resultierende
Signal kann nicht demoduliert werden, aber eine gültige Signalstärkenmessung
kann noch immer durchgeführt
werden. Auf gleiche Weise werden Signale von der zweiten Antenne
dem Q Mischer 210 zugeführt
und kann nach der Filterung ihre Signalstärke gemessen werden. Die Tatsache,
dass Signale von der ersten Antenne mit einem phasengleichen LO
Signal und die Signale von der zweiten Antenne mit einem Quadratur
LO Signal gemischt werden, hat keine Folge und hat keinen Effekt
auf die gemessene Signalstärke.
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Der
Diversitycontroller ist imstande, die Signalqualität der beiden
Antennen vor der Präambel
in den übertragenen
Daten zu vergleichen und zu ermitteln welche Antenne für den restlichen
Teil der Daten verwendet werden soll. Das Timing der Änderung
der Mode von Selektionsmode in Empfangsmode kann entsprechend vorbestimmten
Intervallen entsprechend dem Luftschnittstellenstandard eingestellt werden.
Im Falle von Bluetooth weiß der
Empfänger innerhalb
bestimmter Toleranzen, wann ein Paket erwartet werden kann und die
Dauer einer Präambel vor
dem Paket. Dieses Timing wird von dem DC überwacht. Wenn der Vergleich
nicht rechtzeitig beendet ist, kann der DC wählen, die Selektionsmode bis
in die Präambel
fort zu setzten.
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Im
Allgemeinen ist das empfangene Signal vor der Präambel typischerweise viel länger als
die Präambel,
vielleicht noch länger
als das Paket, wenigstens für
Bluetooth Signale. Dies ist weil es viel Zeit nimmt, den sendenden
Ortsoszillator innerhalb der erlaubten Toleranzen auf der erforderlichen
Frequenz zu verriegeln und weil oft das Einschalten eines Leistungsverstärkers in
dem Empfänger
den Ortsoszillator LO außer
Frequenz zieht, so dass der LO neu (fein) abgestimmt werden muss,
währender Verstärker eingeschaltet
ist und folglich während
dieser Zeit etwas überträgt und der
Empfänger
das Signal sehen kann.
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5, 6,
Ausführungsform
eines Empfängers, in
der Empfangsmode
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5 zeigt
dieselbe Ausführungsform
wie in 3, wenn sie sich in der Empfangsmode befindet. Wenn
der Vergleich von Signalen von den Antennen beendet ist, und die
Entscheidung getroffen worden ist, geht der DC in die Empfangsmode,
wie in 5 dargestellt, setzt die Schalter auf entsprechende Weise
und steuert das Polyphasenfilter, so dass der Empfänger wie
ein normaler Nieder-ZF-Empfänger funktioniert.
Der DC steuert auch die LNA, so dass der LNA, der mit der nicht
verwendeten Antenne verbunden ist, während des Datenempfangs abgeschaltet
wird, wodurch der Energieverbrauch des Empfängers minimiert wird. Die Funktionen
des DCs können in
herkömmlichen
Schaltungsanordnungen mit analogen und digitalen Elementen implementiert
werden, beispielsweise in derselben integrierten Schaltung wie die
anderen Teile des Empfängers.
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In
der Empfangsmode werden die Ausgangssignale von dem Polyphasenfilter
durch Kondensatoren 290, 280 an I- und Q-Begrenzer 300, 310 gekoppelt,
bevor sie durch I- und Q-Analog-Digital-Wandler mit nur einem Bit
(ADC) 330, 320 in digitale Signale umgewandelt
werden. Diese Begrenzer entfernen Amplitudeninformation vor der
Eingabe in die ADC. Die digitalen Signale werden danach einem Basisbandverarbeitungsblock
(BB) 340 zugeführt,
in sie demoduliert werden. Die Effekte der Spektrumfaltung können durch
die Basisbandverarbeitung entfernt werden, und zwar durch Verwendung
des I- und des Q-Kanals.
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Im
Vergleich zu einem herkömmlichen
Nieder-ZF-Empfänger,
erfordert der Empfänger
der dargestellten Ausführungsform
nur einen geringen zusätzlichen
Schaltungsaufwand (einen LNA und zwei Schalter in dem dargestellten
Beispiel) und bedeutet nur einen geringen Anstieg des Energieverbrauchs des
Empfängers,
insbesondere wenn der zusätzliche LNA
während
des Datenempfangs abgeschaltet wird, wie oben vorgeschlagen.
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Alternative
Strukturen für
den Empfänger sind
denkbar, so könnte
beispielsweise das Signal demoduliert und danach dem Basisbandteil
zugeführt
werden. Beschriebene Elemente, wie beispielsweise die Begrenzer,
die AC-Kopplung und die ADC, sind alle fakultativ, und zwar abhängig von
der gewünschten
Implementierung.
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7 Polyphasenfilter
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7 zeigt
ein Beispiel eines Polyphasenfilters zur Verwendung in den oben
beschriebenen Ausführungsformen,
oder in anderen Ausführungsformen.
Es besteht aus zwei Tiefpassfilteranordnungen, wobei Gyratoren und
Kondensatoren verwendet werden, mit einer Kreuzkopplung zwischen
den Anordnungen. Gyratoren sind durchaus bekannt zum Simulieren
von Induktivität
und bestehen aus Transistoren und Kondensatoren, die auf einfache
Weise in integrierten Schaltungen gebildet werden können, anders
als Induktivitäten.
In dieser Darstellung ist jede Tiefpassfilteranordnung aus einer
Kette von Gyratoren 400 gebildet mit einem parallel gekoppelten Kondensator 450 über den
Eingang jedes Gyrators. Die Kreuzkopplung wird von Kopplungen geliefert, welche
die Eingänge
jedes Gyrators mit dem Gegenteil in der Kette in der anderen Anordnung
koppeln. Ein anderer Gyrator 420 ist in jeder der Kreuzkopplungen
vorgesehen. Die Eingänge
jeder Kette zeigen eine Signalquelle 430 und eine Eingangsimpedanz 440.
Die Länge
der Kette kann entsprechend den gewünschten Filtercharakteristiken
nach den bestehenden Grundlagen gewählt werden. Um das Polyphasenfilter
schaltbar zu machen ist ein Mechanismus vorgesehen zum Unterdrücken der
Kreuzkopplung. Dies kann auf einfache Art und Weise durch Reduktion
oder Entfernung der Speisung zu den Gyratoren 430 in den
Kreuzkopplungen gemacht werden, oder durch andere Mitte, wie Schalter
in den Kopplungen.
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Der
Frequenzgang des Filters ist in den 4 und 6 dargestellt,
wie oben beschrieben. Eine weitere Verbesserung ist, die den Frequenzgang
zu ändern
um das Durchlassband für
die Selektionsmode zu verbreitern. Dies ist nützlich um den Punkt eines extremen
Falles zu behandeln, wie das Signal, das vor der Präambel mit
einer konstanten "1" moduliert wird.
Dies könnte
es aus dem Band des bekannten Tiefpassfilters ziehen und folglich
könnte
es in seiner Stärke
reduziert werden und auf diese Weise könnte die Messung weniger genau
sein. Wenn dasselbe für
beide Antennen passiert, wird der Vergleich dennoch gültig. Auch
die messbare RSSI ist weit unter dem Signalpegel, der auf nützliche
Weise demoduliert werden kann (d.h. unterhalb der Empfindlichkeitssignalstärke), sogar
wenn um sagen wir 16 dB reduziert, ist es noch immer genug um gemessen
zu werden. Dennoch durch Verbreiterung der Filterbandbreite sowie
durch Tiefpass in der Selektionsmode kann dieser Punkt vermieden
werden. Typischerweise ist eine Vorkehrung zum Variieren der Bandbreite
sowieso eingebaut um optimal für
Prozessstreuung abgestimmt zu werden. Dies kann dadurch erfolgen,
dass Elemente des Filters ein- und ausgeschaltet werden, und zwar
entsprechend bestehenden Entwurfsgrundlagen.
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Andere Variationen
und Schlussbemerkungen
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Variationen
von dem Empfängerentwurf
sind möglich.
So können
beispielsweise die Begrenzer entfernt werden und die EIN-Bit-ADC
können
durch Mehr-Bit-ADC
ersetzt werden, wodurch Signalstärkenmessungen
unmittelbar an dem digitalen Teil des Empfängers durchgeführt werden
können.
Die oben beschriebene Ausführungsform
ist ein Direkt-Umwandlungsempfänger,
wobei das HF-Signal unmittelbar zu der Zwischenfrequenz herunter
gemischt wird. Aber die vorliegende Erfindung ist auch auf andere Nieder-ZF-Architekturen,
wie diejenigen, die eine Zweistufen-Abwärtsmischung anwenden. Die Kanäle der Ansprüche können durch
alle Elemente oder nur durch Teile der Kette von dargestellten Elementen verkörpert werden.
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Es
sind Ausführungsformen
in Bezug auf die Bluetooth Spezifikation beschrieben worden, wobei es
folglich einleuchten dürfte,
dass die vorliegende Erfindung auf andere Kommunikationssysteme
anwendbar ist, bei denen Antennendiversity angewandt werden kann,
beispielsweise UMTS ("Universal
Mobile Telecommunication System"),
GSM ("Global System
for Mobile communications")
oder DECT.
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Ein
möglicher
praktischer Nachteil bei dem beschriebenen Polyphasenfilter ist,
dass wenn derart geschaltet, dass es wie zwei Tiefpassfilter arbeitet, das
Filter nicht länger
ein Störsignal
in dem negativen Nachbarkanal zurückweist. Wenn es ein negatives Nachbarsignal
gibt, wird die Antennenselektion auf der Kombination des erwünschten
und des störenden
Signals basiert sein. Wenn das störende Signal viel stärker ist
als das gewünschte
Signal, dann wird die beste Antenne für das gewünschte Signal dadurch gewählt, dass
die RSSI des Störers
ausgewertet wird und deswegen falsch sein könnte. Im Allgemeinen wird der
Störer
moduliert und das gewünschte
Signal nicht, so dass der Störer
durch das Filter in der Stärke
mehr reduziert wird als das erwünschte
Signal. Es gibt eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass der Störer für ein Problem
bei Bluetooth Empfängern verursacht,
wenn gegeben ist, dass es 79 Bluetooth Kanäle gibt, und das Schlimmste
was passieren kann, ist dass eine weniger optimale Antenne gelegentlich
gewählt
wird. Für
Bluetooth kann die erwartete Eintreffzeit um ± 10 μs daneben sein, so dass das
System wenigstens um 10μs
früher
fertig sein soll (in der Empfangsmode, mit anderen Worten, Einzelantennen-IQ-Mode). Wenn die
falsche Antenne gewählt
wurde, und zwar wegen eines starken nega tiven Nachbarstörers, wird,
beim einwandfreien Empfangen des gewünschten Signals die gemessene RSSI
abfallen. Wenn die RSSI unter den Empfindlichkeitspegel sinkt, kann
das Signal nicht empfangen werden. Wenn das Bluetooth Signal nicht
früh genug
eintrifft, gibt es wahrscheinlich dennoch Zeit um die RSSI zu messen
und wenn diese dann zu niedrig ist auf eine andere Antenne zu schalten,
in der Hoffnung, dass diese besser ist. Diese Verbesserung kann
dabei behilflich sein, dieses Interferenzproblem zu lindern.
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Eine
weitere Möglichkeit
ist ein "passives
Polyphasenfilter".
Dies ist ein anderer Typ eines Polyphasenfilters, das nur passive
Elemente benutzt, d.h. keinen Strom benutzt. Es hat keinen Tiefpassfrequenzgang.
Stattdessen weist es nur negative Frequenzen ab und lässt alle
positiven Frequenz durch. Wenn also die Signal durch ein passives
Polyphasenfilter hindurch gesendet werden, vor oder nach dem aktiven
Polyphasenfilter und ohne dass etwas anderes in der Selektions-
oder Empfangsmode gemacht wird, wird es keinen Einfluss auf die
Empfangsmode haben (ausgenommen vielleicht, dass es dabei hilft,
das Bild zu reduzieren, das aus einer dürftigen IQ-Unbalance entsteht)
aber in der Selektionsmode wird es den negativen Nachbarkanal zurückweisen
und auf diese Weise das Problem der Antennenselektion auf Basis
eines starken negativen Nachbarstörers wegnehmen. Es erfordert
mehr Schaltungsaufwand zum Implementieren aber es erfordert wenigstens
keinen zusätzlichen
Strom.
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Wie
oben beschrieben, hat ein Antennendiversity-Empfänger eine Nieder-ZF-Empfangsmode und
eine Diversity-Selektionsmode und eine Umschaltanordnung zur Kopplung
einer der Antennen mit den ZF-Kanälen, wenn in der Empfangsmode, und
zur Kopplung jedes Kanals mit einer anderen Antenne in der Selektionsmode.
Ein Diversity-Controller vergleicht
die Qualität
der gleichzeitig von den jeweiligen Antennen während der Selektionsmode empfangenen
Signale und steuert die Umschaltanordnung in der Empfangsmode um
die bessere Antenne zu verwenden. Die Qualitätsmessung erfolgt während des
Empfangs eines Trägers
bevor eine Präambel
zu einem gewünschten
Signal empfangen wird, so dass es mehr Zeit gibt zum Erhalten einer
besseren Signalqualitätsmessung
und zum Ermöglichen einer
besseren Mittelung über
die Zeit. Die Kanäle haben
ein Polyphasenfilter mit einer umschaltbaren Kreuzkopplung zwischen
den Kanälen,
so dass diese wie zwei unabhängige
Tiefpassfilter in der Selektionsmode wirken. Andere Variationen
und Beispiel innerhalb des Rahmens der beiliegenden Patentansprüche dürften dem
Fachmann einleuchten.