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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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(1) Sachgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein digitales Funksystem, in dem Daten in Bursts durch
ein Time Division Multiple Access (TDMA), ein Time Division Duplex
(TDD) oder Datenpakete übertragen
werden, und insbesondere auf einen Antennenumschalt-Diversity-Empfänger.
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(2) In Bezug stehender
Stand der Technik
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In einem Funksystem ist ein Übertragungskanal über Funkwellen-Propagationspfade
in Bezug auf die Umgebungen anfällig.
Funkwellensignale, die über
Propagationspfade laufen, werden einem „Fading" unterworfen: eine Funkwelle wird schwächer oder Übertragungscharakteristika
variieren an einem Empfangspunkt. Zum Beispiel tritt ein „Multipath-Fading" dann auf, wenn ankommende
Wellen, von denen jede deren jeweiliger Phase und Amplitude hat,
mit anderen an einem Empfangspunkt aufgrund von Reflexionen oder
Brechungen an Hindernissen entlang der Übertragungspfade in Wechselwirkung
treten.
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Das Multipath-Fading ist in einem
mobilen Funksystem kritisch, da es eine beträchtliche Fluktuation in der
empfangenen Signalstärke
(elektrische Feldstärke
einer Funkwelle) zu jedem Zeitpunkt verursacht, zu dem sich eine
mobile Station bewegt. Ähnlich
bewirkt, in einem digitalen Funksystem, das Multipath-Fading eine
Ausgangsverringerung oder eine Wellenformverzerrung, was zu einer
hohen Bitfehlerrate (Bit-Error-Rate – BER) führt; BER stellt ein Verhältnis von
fehlerhaft empfangenen Bits zu den gesamten Bits in einem empfangenen
Signal dar. Eine Bitfehler-Ratenerfassung kann zum Auswählen einer
Antenne, um ein digitales Funksignal von einer Vielzahl von Empfangsantennen
zu erfassen, verwendet werden, indem festgestellt wird, wenn die
Fehlerrate einen bestimmten Schwellwert übersteigt. Ein Schema für eine Bitfehler-Ratenerfassung ist
in der EP-A-0 400 983 angegeben.
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Unter Vorgabe dieser Probleme ist
eine „Diversity-Technik" in einer Vielfalt
von Ausführungsformen vorgeschlagen
worden. Grundsätzlich
werden zwei oder mehr Verzweigungen, die eine geringe Kreuzkorrelation
haben, d. h. eine geringe Wahrscheinlichkeit eines simultanen Fading,
verwendet, um die Fading-Effekte durch Auswählen oder Kombinieren der Ausgangssignale
von den Zweigen zu verringern.
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Die Diversity-Technik unterteilt
sich in verschiedene Schemata, die eine „Raum-Diversity" umfassen, und zwar in Abhängigkeit
von den Zweigen, die verwendet werden. [Für weitere Informationen siehe „Mobile Communications
Engineering", William
C. Y. Lee, McGraw-Hill Book Company] Das digitale Funksystem, das einen
einzelnen Träger
verwendet, setzt das Raum-Diversity ein: zwei oder mehr Übertragungspfade
werden durch Einstellen von physikalisch getrennten Antennen (gewöhnlich beabstandet
um eine Wellenlänge
eines Trägers
oder mehr herum) in einer angepassten Zahl, was eine Kreuzkorrelation
klein macht, aufgebaut.
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Weiterhin unterteilt sich die Raum-Diversity
in „eine
kombinierende Diversity" („combining
diversity") und „eine selektiv-kombinierende
Diversity" („selective
combining diversity").
Zwei oder mehr Signale werden in der kombinierenden Diversity kombiniert,
während
ein empfangenes Signal, das die beste Qualität besitzt, mittels einer Umschaltung
in der Umschalt-Diversity ausgewählt
wird. Verglichen mit der kombinierenden Diversity ermöglicht die
selektiv-kombinierende Diversity einen kompakteren und ökonomischeren
Empfänger. Dies
kommt daher, dass die kombinierenden Diversity im Wesentlichen eine
Phasensteuerschaltung umfasst, während
die selektiv-kombinierende Diversity dies nicht tut.
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Allerdings treten andererseits abrupte Änderungen
in Phasen und Amplituden nach jeder Auswahl oder Umschaltung und
Wellenformverzerrung mit der selektivkombinierenden Diversity auf.
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Die selektiv-kombinierende Diversity
unterteilt weiterhin in „Antennen-Selektion-Diversity" („antenna selection
diversity") und „antennen-umgeschalteter
Diversity" („antenna
switched diversity");
ein Beispiel der ersteren ist in der japanischen, offengelegten
Patentanmeldung Nr. 58-38037 und der letzteren in der japanischen,
offengelegten Patentanmeldung Nr. 56-68037 offenbart. In der Antennen-Auswahl-Diversity
ist jede Antenne mit deren jeweiligen Empfangseinheiten verbunden,
und eine Antenne, die den größten Stärke-Indikator des
empfangenen Signals (received-signal-strength indicator – RSSI)
be sitzt, wird ausgewählt.
Dagegen werden in der antennen-umgeschalteten Diversity alle Antennen
mit einer einzelnen Empfangseinheit verbunden, und sie werden eine
von der anderen dann umgeschaltet, wenn der RSSI einer momentan
ausgewählten
Antenne unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertpegels abfällt.
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Eine detailliertere Erläuterung
der Antennen-Auswahl-Diversity und der antennenumgeschalteten Diversity
wird nachfolgend angegeben.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm, das eine Struktur eines herkömmlichen Antennen-Auswahl-Diversity-Empfängers darstellt.
Der Empfänger
umfasst zwei physikalisch getrennte Antennen 11, 12.
Signale, empfangen durch die Antennen 11, 12,
werden jeweils in Empfangseinheiten 13, 14, um
decodiert zu werden, eingegeben. Die decodierten Signale werden
in RSSI-Prüfeinheiten 16, 17 jeweils
so eingegeben, dass jedes, das einen größeren RSSI besitzt, durch eine
Umschalteinheit 15 unter der Steuerung einer Steuerschaltung 18 ausgewählt wird.
Das decodierte Signal, das so ausgewählt ist, wird weiter zu einer
externen Vorrichtung über
einen Datenausgangsanschluss 19 ausgegeben.
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Wenn die Kreuzkorrelation zwischen
den Antennen 11, 12 klein ist, sogar dann, wenn
sich eines der zwei Signale ausblendet, verbleibt noch das andere
unausgeblendet. Deshalb wählt
der Empfänger,
der so aufgebaut ist, wie vorstehend, immer ein Signal aus, das
einen größeren RSSI
besitzt, was die Qualität
des decodierten Signals wesentlich verbessert. Allerdings gestaltet
es andererseits dessen eigene Struktur, d. h. zwei oder mehr Zweige
und RSSI-Prüfeinheiten
umfassend, schwierig, einen in der Größe verringerten oder ökonomischen
Empfänger
zu realisieren.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm, das eine Struktur eines herkömmlichen Antennenumschalt-Diversityempfängers darstellt.
Der Empfänger
umfasst zwei physikalisch getrennte Antennen 21, 22.
Im Gegensatz zu der Antennen-Auswahl-Diversity wird eines der Signale
von den Antennen 21, 22 durch eine Umschalteinheit 23 zuerst
ausgewählt,
und dann wird das ausgewählte
Signal in eine Empfangseinheit 24, um decodiert zu werden, eingegeben
und wird weiterhin zu einer externen Einheit über einen Datenausgangsanschluss 27 ausgegeben.
Die Empfangseinheit 24 gibt auch das ausgewählte Signal
zu einer RSSI-Prüfeinheit 25 aus,
die den RSSI des ausgewählten
Signals mit einem vorbestimmten Schwellwert vergleicht: wenn der
RSSI unterhalb des Schwellwerts abfällt, schaltet die Umschalteinheit 23 zu
der anderen, momentan nicht ausgewählten Antenne unter der Steuerung
einer Steuerschaltung 26 um.
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Ähnlich
wie in der Antennen-Auswahl-Diversity verbleibt, wenn die Kreuzkorrelation
zwischen den Antennen 21, 22 klein ist, gerade
wenn sich eines der zwei Signale ausblendet, das andere noch in
den meisten Fällen
unausgeblendet. Demzufolge wird die Qualität des decodierten Signals wesentlich
verbessert. Weiterhin realisiert die Struktur, umfassend einen Satz
einer Empfangseinheit und einer RSSI-Prüfeinheit, einen kompakteren
und ökonomischeren
Empfänger,
verglichen mit der Antennen-Auswahl-Diversity.
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Allerdings ist die antennen-umgeschaltete
Diversity gegenüber
der Antennen-Auswahl-Diversity
in dem Diversity-Effekt unterlegen. Der Diversity-Effekt um den
Schwellwert herum ist im Wesentlichen derselbe, da beide Schemata
eine Antenne basierend auf dem RSSI bestimmen. Allerdings wird,
wenn der mittlere RSSI weit den Schwellwert übersteigt, obwohl eine Antenne
mit einem größeren RSSI
immer mit dem Antennen-Auswahl-Diversity-Empfänger ausgewählt werden
wird, keine Umschaltung mit der antennenumgeschalteten Diversity
durchgeführt
werden, was keine Diversity insgesamt bewirkt. Dabei kann auch ein
Fall vorhanden sein, dass der durchschnittliche RSSI weit unterhalb
des Schwellwerts liegt. In dem Fall eines gleichzeitigen Ausblendens
verbleibt jeder RSSI der Antenne niedriger als der Schwellwert,
was eine übermäßige Umschaltung
verursacht, ein sogenanntes „Hunting", was ein unvorteilhaftes
Umschaltrauschen erzeugt. Allerdings wird der Diversity-Effekt beträchtlich
verringert, wenn das transiente Ansprechverhalten der Empfangseinheit
langsam ist.
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Zusätzlich wird eine antennen-umgeschaltete
Diversity leicht durch externes Rauschen oder Interferenzen beeinflusst,
die Interferenzen eines parallelen Kanals (cochannel) oder eines
angrenzenden Kanals in einem Mehrfach-Zellen-System umfassen. Solches
Rauschen oder solche Interferenzen erhöhen den gemessenen RSSI. Deshalb
wird das Einstellen des Schwellwertpegels, um umzuschalten, ungeeignet
und bewirkt eine Funktionsverschlechterung für eine antennen-umgeschaltete
Diversity, während
für eine
Antennen-Auswahl-Diversity die Funktionsweise nicht beeinflusst
wird, da die gemessen RSSIs in beiden Antennen relativ zueinander
verglichen werden.
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Für
ein weiteres Verständnis
werden die antennen-umgeschalteten Diversity-Charakteristika in weiterem Detail erläutert.
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Eine Vielzahl von Ausführungsformen,
wie beispielsweise Umschalten und Prüfen (switch-and-examine – SE) und
Umschalten und Verbleiben (switch-and-stay – SS), sind in Abhängigkeit
von Zuständen
für eine Umschaltaktivierung
oder Algorithmen vorgeschlagen worden.
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Bei der SE wird die Umschaltung wiederholt,
bis der RSSI einer der Antennen einen Schwellwert übersteigt.
Dies kann das Hunting verursachen, und ist demzufolge nicht bevorzugt,
insbesondere bei einer analogen Übertragung.
Dagegen wird in dem SS, gerade dann, wenn sich ein neu geschalteter
RSSI einer Antenne unterhalb des Schwellwerts befindet, die Umschaltung
erneut gestartet werden, nachdem deren RSSI den Schwellwert übersteigt.
[Für weitere
Informationen siehe „Performance
of Feedback and Switch Space Diversity 900 MHz FM Mobile Radio Systems
with Rayleigh Fading",
A. J. Rustako, Jr., Y. S. Yeh, R. R. Murray, Seiten 1257–1268, IEEE
Transactions on Communications, Vol. Com-21, Nr. 11, November 1973]
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Als nächstes wird die Analyse einer
kumulativen Wahrscheinlichkeitsverteilung (cumulative probability distribution – CPD) des
empfangenen Signals nach einem Umschalten und einer Diversity-Verstärkung angegeben.
Die CPD stellt eine Wahrscheinlichkeit P dar, dass ein Träger-zu-Rausch-Verhältnis (carrier-to-noise ratio – CNR) y
gleich oder geringer als x ist, (γ ≤ x). Es wird
angenommen, dass ein Antennenumschalt-Diversity-Empfänger,
der hier verwendet wird, zwei Antennen umfasst und entweder das
SS oder das SE unter Verwendung eines Schwellwerts einsetzt; die
Antennen besitzen eine kleine Kreuzkorrelation und beide werden einem
Rayleigh-Fading mit einem mittleren CNR T unterworfen. Ein Rayleigh-Fading
wird typischerweise in einer Land-Mobil-Übertragung beobachtet, die
eine abrupte RSSI Fluktuation bewirkt.
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Da keine Diversity CPD vorliegt,
wird q
x ausgedrückt als:
qx =
1 – e–x/Γ .....(1)P (γ ≤ x) kann ausgedrückt werden
als:
wobei γΓ ein Schwellwert CNR für eine Umschaltung
ist.
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Eine grafische Darstellung in 3 stellt das Ergebnis dar,
wobei γΓ den Wert ––-6,5 –4,0, –2,8 dB
von dem mittleren CNR T hat. In 3 sind
die CPD-Charakteristika der Nicht-Diversity und Auswahl-Diversity auch
in punktierten und unterbrochenen Linien jeweils zum Vergleich dargestellt.
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Um zu evaluieren, muss eine marginale
Qualität
in der Ausfallrate definiert werden.
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Ein Ausfall (outage), auf den hier
Bezug genommen wird, bezeichnet hier einen Zustand, bei dem sich die
Qualität
eines empfangenen Signals verschlechtert: Bitfehler treten auf,
da ein empfangenes Signal aufgrund eines Fading abfällt. Es
wird angenommen, dass die marginale Ausfallrate 10% ist, und zwar
zur Verwendung bei der Erläuterung
hier.
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Der Vergleich zwischen den punktierten
und unterbrochenen Linien einer kumulativen Wahrscheinlichkeit ergibt,
dass die Diversity-Verstärkung
in der Auswahl-Diversity groß ist,
wobei ein durchschnittlicher RSSI ausreichend hoch ist (zum Beispiel
in der Mitte einer Funkabdeckung), und klein dort ist, wo der mittlere
RSSI niedrig ist (zum Beispiel an der Grenze der Überdeckung).
Im Gegensatz dazu ist die Diversity-Verstärkung in der antennen-umgeschalteten
Diversity groß um
einen Schwellwertpegel herum und verringert sich schnell oberhalb
des Schwellwertpegels. Es ist anzumerken, dass die Diversity-Verstärkung beider
Diversitäten
gleich an dem Schwellwertpegel ist.
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Genauer gesagt erhält, unter
Vorgabe der Ausfallrate von 10%, die Auswahl-Diversity 5,5 dB als die Diversity-Verstärkung. Demzufolge
muss, um dieselbe Diversity-Verstärkung zu
haben, während
eine Verschlechterung innerhalb von 1,5 dB (= Diversity-Verstärkung von
4 dB) in der Antennenumschalt-Diversity beibehalten wird, γΓ auf einen
Bereich von –6,5
dB bis –2,8
dB von einem optimalen Schwellwertpegel von –4 dB eingestellt werden. Dies
bedeutet, dass der Schwellwertpegel präzise innerhalb eines Bereichs
von –2,5
dB bis +1,2 dB von dem optimalen Pegel eingestellt werden muss.
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Als nächstes wird, praktischer für ein digitales
System, ein mittleres BER analysiert; das Signal wird durch ein
nicht-kohärentes
FSK (Frequency Shift Keying ) hier moduliert. [Für weitere Informationen siehe „Comparison
of Selection and Switched Diversity Systems for Error-rate Reduction
at Base-station Sites in Digital Mobile Radio Systems", J. D. Parsons,
M. T. Feeney, Seiten 393–398,
IEEE VTC'87, 1987]
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Eine Relation zwischen einem CNR
y und einem BER Pe(γ) in einer Nicht-Fading-Umgebung wird ausgedrückt als: Pe(γ) = (1/2)e–γ/2 ..... (3)
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Dann wird ein mittleres BER, P
e,k, ausgedrückt als:
wobei P
2(γ) eine Wahrscheinlichkeits-Dichte-Funktion
eines CNR eines empfangenen Signals ist.
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Demzufolge wird ein mittleres BER
Pe,1 in einer Nicht-Diversity ausgedrückt als: Pe,1 =
1/(2 + γ0) .....(5)wobei γ0 ein
mittleres CNR ist.
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Deshalb wird ein mittleres BER, Pe,2, ausgedrückt als: Pe,2 =
Pe,1{1 – eγΓ/γ0 (1 – e–γΓ/2)} .....(6)
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Ausdruck (6) wird differenziert,
um einen minimalen Zustand für
Pe,2 zu finden, wobei dann erhalten wird γΓ = 2 ln(1 + γ0/2) .....(7)
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Demzufolge wird ein optimaler Schwellwert
CNR durch den Ausdruck (7) bestimmt. Es ist allerdings, da γ0 das durchschnittliche
CNR ist, in der Praxis schwierig, akkurat den optimalen Schwellwert
CNR mit der Gleichung (7) zu bestimmen. Daher benötigt es
eine ziemlich lange Zeit, um den durchschnittlichen Wert für eine Bewegungsgeschwindigkeit
abzuschätzen,
und das CNR muss externes Rauschen und Interferenzsignale berücksichtigen,
in Bezug auf die es schwierig ist, dass sie leicht gemessen werden.
Wenn dieses externe Rauschen und die Interferenzen nicht vernachlässigbar
sind, kann eine gesamte Rauschenergie nicht einfach abgeschätzt werden;
deshalb ist es nahezu unmöglich,
das CNR abzuschätzen,
obwohl das RSSI gemessen werden kann.
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Eine Beziehung zwischen einem Schwellwert
CNR und einem durchschnittlichen BER ist durch die grafische Darstellung
in 4 dargestellt. Die
punktierten und die unterbrochenen Linien stellen Fälle der Nicht-Diversity
und der Auswahl-Diversity, jeweils, dar. Die grafische Darstellung
stellt dar, dass die optimalen Schwellwerte γΓ für die durchschnittlichen CNRs
13 dB und 20dB jeweils 7 dB und 9 dB sind.
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Der Vergleich an Senken mit den unterbrochenen
und punktierten Linien ergibt, dass die Diversity-Verstärkung in
der Antennenumschalt-Diversity bei dem mittleren CNR von 13 dB ungefähr um zwei
Drittel, verglichen mit der Auswahl-Diversity, reduziert ist. Auch
ergibt der Vergleich, dass der Schwellwert CNR präzise innerhalb
eines Bereichs von ± 1,5
dB beibehalten werden muss, um eine weitere Verringerung zu verhindern. Daneben
variiert der optimale Schwellwert mit dem durchschnittlichen CNR
aus diesem Bereich (± 1,5
dB) und es ist in keinster Weise einfach, das CNR abzuschätzen, wenn
das externe Rauschen und die Interferenzsignale nicht vernachlässigbar
sind. Dies führt
zu einer Schlussfolgerung dahingehend, dass eine Einstellung eines
vorbestimmten Schwellwerts ineffektiv ist, um den Diversity-Effekt
in einem Fall der Antennenumschalt-Diversity heraufzusetzen.
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Demzufolge kann gefolgert werden,
dass die Antennen-Auswahl-Diversity vorteilhaft gegenüber der Antennenumschalt-Diversity
in dem Diversity-Effekt ist. Unter Vorgabe dieser Umstände ist
nach einer Technik, die einen kompakten, ökonomischen Antennenumschalt-Diversity-Empfänger, mit
dem Diversity-Effekt so ausgezeichnet wie die Antennen-Auswahl-Diversity,
realisiert, gesucht worden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß hat die vorliegende Erfindung
eine Aufgabe, einen kompakten und ökonomischen Antennenumschalt-Diversity-Empfänger zu
schaffen, der den Diversity-Effekt
so ausgezeichnet wie der Antennen-Auswahl-Diversity-Empfänger, ungeachtet
der Interferenz- und Rauschsignale, realisiert.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Antennenumschalt-Diversityempfänger zum Empfangen von Bursts
in einem digitalen Funksystem geschaffen, wobei der Empfänger umfasst:
eine Vielzahl physisch getrennter Antennen; eine Umschalteinrichtung
zum selektiven Umschalten auf eine der Vielzahl der Antennen zum
Empfangen eines Burst in einer Zeitreihe; eine Decodiereinrichtung
zum Decodieren von Sendedaten, die in dem empfangenen Burst enthalten
sind, auf zum Codieren umgekehrte Weise; und eine Bitfehler-Erfassungseinrichtung
zum Erfassen eines Bitfehlers in decodierten Daten in jedem empfangenen
Burst; dadurch gekennzeichnet, dass der Empfängedes Weiteren umfasst: eine
Steuereinrichtung zum Steuern der Umschalteinrichtung entsprechend
dem Bitfehler-Erfassungsergebnis, wobei die Steuereinrichtung so
eingerichtet ist, dass sie die Umschalteinrichtung aktiviert, wenn
die Bitfehler-Erfassungseinrichtung wenigstens einen Bitfehler in
jedem von aufeinanderfolgenden m Bursts erfasst, wobei m eine ganze
Zahl größer als
1 ist.
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Gemäß dem vorstehenden Aufbau steuert
die Steuerschaltung die Umschalteinheit, um zu einer anderen Antenne
dann umzuschalten, wenn eine Bitfehler-Erfassungseinheit Bitfehler
in sequenziellen Bursts in einer vorbestimmten Anzahl erfasst. Auf
diese Art und Weise werden die Antennen basierend auf Bitfehler-Daten
alleine oder zusammen mit RSSI Daten umgeschaltet, was den Diversity-Effekt
unabhängig
der Interferenz- und Rauschsignale realisiert. Weiterhin kann, durch
Einschließen
einer einzelnen Empfangseinheit, ein kompakter und ökonomischer
Antennenumschalt-Diversityempfänger
realisiert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Aufgaben, Vorteile
und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung
davon ersichtlich werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
vorgenommen wird, die spezifischen Ausführungsformen der Erfindung
darstellend. In den Zeichnungen:
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1 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Antennen-Auswahl-Diversity-Empfänger darstellt;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen Diversity-Empfänger unter
Verwendung eines Antennenumschalt-Diversityempfängers darstellt;
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3 zeigt
eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem CNR
und einem CPD darstellt;
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4 zeigt
eine grafische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem BER
und einem Schwellwert darstellt;
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5 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen Antennenumschalt-Diversity-Empfänger gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6 zeigt
ein Beispiel eines Datenaufbaus, geschickt zu dem Antennenumschalt-Diversity-Empfänger in
Bursts;
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7 zeigt
ein Blockdiagramm, das eine Empfangseinheit in 5 darstellt;
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8 zeigt
eine Ansicht, die einen Antennenumschaltvorgang des Antennenumschalt-Diversityempfängers in 5 erläutert;
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9 zeigt
ein Flussdiagramm, das detailliert den Antennenumschaltvorgang angibt; 10 zeigt ein Blockdiagramm,
das einen Antennenumschalt-Diversity-Empfänger gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In den nachfolgenden vier Ausführungsformen
sind die nachfolgenden Basis-Fading-Charakteristika von
primärer
Bedeutung. Ein Fading wird durch eine Interferenz mit einer Vielzahl
von ankommenden Wellen verursacht, die durch mehrere Propagationspfade
laufen, was eine augenblickliche Fluktuation in einem RSSI verursacht.
In einem Rayleigh-Fading ist ein Fading-Pitch proportional zu einer
Bewegungsgeschwindigkeit einer Station, und umgekehrt proportional
zu einer Wellenlänge.
Das Fading innerhalb eines Zeitintervalls von ungefähr 1/20fD(fD: die maximale
Dopplerfrequenz) besitzt eine Korrelation. Andererseits besitzen
solche, empfangen durch zwei Antennen, beabstandet um ungefähr eine
Wellenlänge,
im Wesentlichen keine Kreuzkorrelation.
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Es ist anzumerken, dass in den nachfolgenden
Ausführungsformen
das Fading dahingehend angenommen wird, dass es unter einer sehr
niedrigen Geschwindigkeit variiert (z. B. für eine Gehgeschwindigkeit ist
das fD ein paar Hz in einem 2 GHz-Band)
relativ zu einem Burst-Zyklus (z. B. einige hundert Hz). Dies ist ein
Zustand, der für
tragbare Vorrichtungen, getragen unter einer Gehgeschwindigkeit,
oder für
mobile Einheiten mit langsamer Geschwindigkeit, unter Verwendung
eines 2 GHz oder niedrigeren Bands, gilt.
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Es sollte auch festgestellt werden,
dass die Umschaltung nicht von dem CNR wie bei den herkömmlichen
Empfängern
in den nachfolgenden Ausführungsformen
abhängt.
Dies kommt daher, dass die Umschaltung auch von dem BER abhängen kann.
Demzufolge erhält
man, durch Substituieren von dem Ausdruck (7) in dem Ausdruck
(3) Pe(γΓ) = 1/(2
+ γ0)(=Pe,1(γ0)) .....(8) Der
Ausdruck (8) vermittelt, dass der optimale Schwellwert
in dem CNR ungefähr
ein CNR-Pegel ist, bei dem ein Bitfehler damit beginnt, aufzutreten.
Das Umschalten basierend auf dem BER ist dann bevorzugt, wenn die externen
Rausch- und Interferenzsignale nicht vernachlässigbar sind, da sie berücksichtigt
werden können.
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Allerdings ist das Umschalten in
Abhängigkeit
von dem BER nicht praktikabel, da es entweder eine sehr lange Zeit
benötigt,
präzise
das BER abzuschätzen,
oder eine Datenübertragungsgeschwindigkeit
verlangsamt. Weiterhin müssen,
um das BER zu berechnen, redundante Referenz-Daten-Sequenzen zu
den Übertragungsdaten
hinzugefügt
werden, und wenn die Zeit zum Abschätzen durch Erhöhen der
Anzahl von Sequenzen verkürzt
wird, verringert sich die Datenübertragungsgeschwindigkeit;
andererseits fällt,
falls die Datenübertragungsgeschwindigkeit
durch Verringern der Anzahl von Sequenzen erhöht wird, ein abgeschätztes BER
heraus, dass es nicht akkurat ist, oder die Abschätzung erfordert
eine lange Zeit, verglichen mit der Änderung in dem Kanal aufgrund
eines Fading.
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Um ein Umschalten zu realisieren,
das weder von dem CNR noch von dem BER abhängt, haben die Erfinder der
vorliegenden Erfindung ein Verfahren basierend auf sequenziellen
Bitfehlern entwickelt. Bitfehler treten hauptsächlich dann auf, wenn ein Signal
durch ein Impulsrauschen oder ein Fading beeinflusst wird: der erstere
Fall wird als ein Random-Fehler bezeichnet und er tritt diskret
auf, während
der letztere Fall als ein Burst-Fehler
bezeichnet wird, und er tritt sequenziell auf. Demzufolge kann ein „fade-out", bei dem das empfangene
Signal herausfällt,
ausreichend durch Erfassen von sequenziellen Bitfehlern anstelle
eines Abschätzens
eines präzisen
BER erfasst werden, und wenn das Umschalten auf einer fade-out basierenden,
sequenziellen Bitfehler-Erfassung vorgenommen wird, kann ein fehlerhaftes
Umschalten durch das Impulsrauschen vermieden werden.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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5 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen Antennenumschalt-Diversityempfänger gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Empfänger umfasst zwei physikalisch
getrennte Aritennen 51, 52; sie sind ungefähr eine
Wellenlänge
oder mehr allgemein beabstandet. Eines der Signale, empfangen durch
diese zwei Antennen, wird durch eine Umschalteinheit 53 ausgewählt, die
weiterhin zu einer Empfangseinheit 54, um decodiert zu werden, geschickt
werden. Das decodierte Signal wird von einem Datenausgangsanschluss 57 als
decodierte Daten ausgegeben. Auch wird das decodierte Signal zu
einer Bitfehler-Erfassungseinheit 55 geschickt, die die
Existenz eines Bitfehlers Burst für Burst prüft und das Erfassungsergebnis
zu einer Steuerschaltung 56 schickt. Die Steuerschaltung 56 steuert
die Umschalteinheit 53 basierend auf dem Erfassungsergebnis.
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Es ist anzumerken, dass die Steuerschaltung 56 die
Umschalteinheit 53 nur dann aktiviert, wenn die Bitfehler-Erfassungseinheit 55 mindestens
einen Bitfehler in jedem einer bestimmten Anzahl (zwei oder drei) von
sequenziellen Bursts erfasst. Die Bitfehler-Erfassungseinheit 55 verwendet,
zum Beispiel, einen zyklischen Redundanz-Prüf-Code (cyclic redundancy check
CRC code). Bei der CRC werden die Übertragungsdaten dahingehend
angenommen, dass sie ein Polynom hoher Ordnung sind und durch ein
vorbestimmtes, erzeugendes Polynom unterteilt werden, um den Rest
an dem Ende der Übertragungsdaten
als ein Prüf-Bit
anzuhängen.
Die decodierten Übertragungsdaten
werden durch das Erzeugungs-Polynom unterteilt: wenn der Rest 0 ist,
bedeutet dies, dass kein Bitfehler vorhanden ist; ansonsten ist
ein Bitfehler vorhanden [siehe „Digital Communications" Bernard Sklar, Seiten
288 bis 298, für
weitere Informationen]
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6 stellt
eine Struktur von Übertragungsdaten
in Bursts dar, die zu dem Empfänger
in einer vorbestimmten Zeitperiode in dem digitalen Funksystem geschickt
werden. die Bezugszeichen 61–64 sind separate Bursts,
umfassend jeweilige Signale, und jedes Burst weist eine Präambel 91,
ein eindeutiges Wort 92, Daten 93 und einen Bitfehlerrtassungscode 94 auf.
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Die Präambel 91, die tatsächlich ein
Bit-Synchronisierungs-Signal ist, erzeugt eine Symbol-Zeitabstimmung,
verwendet als eine Referenz, wenn das empfangene Signal decodiert
wird.
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Das eindeutige Wort 92,
das tatsächlich
ein Wort-Synchronisierungs-Signal ist, markiert den Beginn der Daten 93.
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Der Bitfehler-Erfassungscode 94 verwendet
einen CRC Code darin. Allerdings sind die anderen Vorwärts-Fehler-Korrektur-Code
auch dann anwendbar, wenn sie eine ausreichende Funktion einer Bitfehler-Erfassung
haben. Zusätzlich
können
Referenz-Daten an jedes Burst angehängt werden und nach einem Decodieren
mit Original-Referenz-Daten,
gehalten in dem Empfänger,
verglichen werden; die Referenz-Daten können an das Ende jedes Bursts
anstelle des Bitfehler-Erfassungscodes 94 angehängt werden,
oder können
in den Daten 93 oder in jedem Burst distributiv umfasst
sein. Das eindeutige Wort 92 kann auch als die Referenz-Daten
verwendet werden: ein Bitfehler wird dann erfasst, wenn der Detektor 548 für das eindeutige
Wort fehlschlägt,
das eindeutige Wort 92 zu erfassen.
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7 zeigt
ein Blockdiagramm, das eine Struktur der Empfangseinheit 54 darstellt.
Die Empfangseinheit 54 weist einen Funkfrequenzverstärker 541,
einen lokalen Oszillator 542, einen Mischer 543,
einen Zwischenfrequenzverstärker 544,
einen Detektor 545, eine Entscheidungsschaltung 546,
eine Takt-Regenerierschaltung 547, einen Detektor 548 für das eindeutige
Wort und einen Burst-Disassembler 549 auf.
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Der Funkfrequenzverstärker 541 verstärkt ein
empfangenes Signal. Der lokale Oszillator 542 und der Mischer 543 wandeln
das verstärkte,
empfangene Signal in ein Zwischenfrequenzsignal um. Der Detektor 545 ist,
tatsächlich,
eine digitale Demodulierschaltung. Die Takt-Regenerierschaltung 547 reproduziert
einen Symboltakt von dem Ausgang des Detektors 545. Die
Enscheidungsschaltung 546 erkennt den Ausgang von dem Detektor 545 und
entscheidet darüber,
und zwar über
eine Zeitabstimmung des Symboltakts von der Takt-Regenerierschaltung
547, um decodierte Daten zu erhalten. Der Detektor . 548 für das eindeutige
Wort erfasst das eindeutige Wort 92 in dem Ausgang von
der Entscheidungsschaltung 546 unter einer Zeitabstimmung
des Symboltakts von der Takt- Regenerierschaltung
547, um ein Burst-Erfassungssignal zu dem Burst-Disassembler 549,
der Bitfehler-Erfassungseinheit 55 und der Steuerschaltung 56 auszugeben.
Der Burst-Disassembler 549 diskriminiert
die Daten 93 und den Bitfehler-Erfassungscode 94 in
dem Ausgang von der Entscheidungsschaltung 546 unter Verwendung
des eindeutigen Worts 92: die Daten 93 werden
zu dem Datenausgangsanschluss 57 geschickt und sowohl die
Daten 93 als auch der Bitfehler-Erfassungscode 94 werden
zu der Bitfehler-Erfassungseinheit 55 geschickt.
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Der vorstehend aufgebaute Empfänger arbeitet
wie folgt. Eines der Bursts, empfangen durch die Antennen 51, 52,
wird durch die Umschalteinheit 53 ausgewählt und
wird weiterhin in die Empfangseinheit 54 eingegeben. Wenn
der Detektor 545 das ausgewählte Burst erfasst, richtet
die Empfangseinheit 54 eine Synchronisierung für den Symboltakt
unter Verwendung der Präambel 91 ein
und erfasst den Beginn der Daten 93 unter Verwendung des
eindeutigen Worts 92, unter Auswählen der Daten 93 und
des Bitfehler-Erfassungscodes 94 für eine weitere
Verarbeitung. Die Daten 93, die so von jedem Burst ausgewählt sind,
werden kombiniert, um zurück
zu Übertragungsdaten
decodiert zu werden und weiter von dem Datenausgangsanschluss 57 ausgegeben
zu werden. Auch schickt, unter Erfassen des Bursts, die Empfangseinheit 54 das
Burst-Erfassungssignal zu sowohl der Steuerschaltung 56 als
auch zu der Bitfehler-Erfassungseinheit 55, während sowohl
die Daten 93 als auch der Bitfehler-Erfassungscode 94 in
dem ausgewählten
Burst zu der Bitfehler-Erfassungseinheit 55 für eine Bitfehler-Erfassung
geschickt werden. Das Erfassungsergebnis wird zu der Steuerschaltung 56 geschickt,
die entsprechend die Umschalteinheit 53 bei dem Erfassungsergebnis
steuert.
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Der Umschaltsteuervorgang durch die
Steuerschaltung
56 ist aus drei Phasen aufgebaut, wie dies
in
8 dargestellt ist.
| Phase
1: | der
Zustand für
die Umschaltaktivierung wird geprüft. |
| Phase
II: | die
Umschaltung wird ausgeführt. |
| Phase
III: | der
Zustand nach einem Umschalten wird für eine vorbestimmte Anzahl
von Bursts, oder s (s > 1)
Bursts, beibehalten, bis die Steuerschaltung 56 zurück zu Phase
1 verschiebt. |
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Demzufolge steuert die Steuerschaltung 56 die
Umschalteinheit 53, um nach hinten und nach vorne zwischen den Antennen 51 und 52 umzuschalten,
wenn sie die drei Pha sen zirkuliert. Genauer gesagt steuert, wenn
der Aktivierungs-Zustand erfüllt
ist, die Steuerschaltung 56 die Umschalteinheit 53 so,
um die andere Antenne auszuwählen,
die momentan nicht ausgewählt
ist.
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Der Zustand für die Aktivierung, worauf hier
Bezug genommen wird, ist derjenige, dass die Bitfehler-Erfassungseinheit 55 sequenziell
Bitfehler in m (m > 1)
sequenziellen Bursts erfasst. Unter diesem Zustand wird die Umschalteinheit 53 nicht
durch einen Random-Bitfehler, verursacht durch ein Impulsrauschen,
aktiviert werden, oder, mit anderen Worten, wird die Umschalteinheit 53 zu
einer exakten Zeitabstimmung aktiviert werden, wenn ein fade-out
auftritt. Dies kommt daher, dass ein Fading viel langsamer als die
Burst-Periode variiert,
und die sequenziellen Bitfehler treten in einer fade-out-Periode
auf.
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Durch Einschließen der Phase III wird eine
transiente Ansprechzeit für
den Empfänger 54,
wie beispielsweise eine Synchronisation für eine Taktreproduktion, zugelassen,
um ein übermäßiges Umschalten oder
Hunting während
der transienten Ansprechzeit zu vermeiden. Wenn der Empfänger 54 ein
ausgezeichnetes transientes Ansprechverhalten zeigt, kann Phase
III durch Einstellen von s auf 1 weggelassen werden.
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9 zeigt
ein Flussdiagramm, das im Detail die Betriebsweise der Steuerschaltung 56 angibt.
Die Steuerschaltung 56 empfängt das Erfassungsergebnis
von der Bitfehler-Erfassungseinheit 55 (S1). In dem Fall keines
Bitfehlers stellt die Steuerschaltung 56 eine serielle
Zahl für
ein Burst i auf 0 ein (S2). In dem Fall eines Bitfehlers erhöht die Steuerschaltung 56i zu
jedem Zeitpunkt, zu dem sie ein Burst empfängt (S3), und prüft, ob i
gleich zu oder größer als
m(i > m) ist (S4).
Die Schritte 1–4
werden wiederholt, bis i den Wert m erreicht.
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Wenn i den Wert m erreicht, steuert
die Steuerschaltung 56 die Umschalteinheit 53 so,
um die andere, momentan nicht ausgewählte Antenne auszuwählen (S5).
Dann setzt die Steuerschaltung 56i zurück auf 0 (S6), um i zu jedem
Zeitpunkt zu erhöhen,
zu dem sie ein Burst empfängt
(S7), und prüft,
ob i gleich zu oder größer als
s ist (i > s) (S8).
Die Schritte 7, 8 werden wiederholt, bis i den Wert s erreicht.
Wenn i den Wert s erreicht, kehrt die Steuerschaltung 56 zurück zu Schritt
2.
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In der ersten Ausführungsform
aktiviert, im Gegensatz zu dem herkömmlichen Empfänger, der
die RSSI verwendet, die leicht durch externe Rausch- und Interferenzsignale
beeinflusst wird, die Steuerschaltung 56 die Umschalteinheit 53 basierend
auf den Bitfehler in dem decodierten Burst. Zusätzlich erfordert das System
nicht eine teure RSSI Prüfeinheit,
die einen dynamischen Bereich und eine Genauigkeit erfordert. Als
Folge wird ein kompakter, kostengünstiger Antennenumschalt-Diversity-Empfänger, der
eine ausgezeichnete Funktionsweise zeigt, realisiert.
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Die Steuerschaltung 56 kann
eine logische Schaltung sein, oder sie kann ein Programm, unter
Verwendung eines Mikroprozessors, sein. In dem letzteren Fall kann
die Bitfehler-Erfassungseinheit 55 mit diesem Programm
entweder partiell oder in der Gesamtheit arbeiten.
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ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
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10 zeigt
ein Blockdiagramm, das einen Antennenumschalt-Diversityempfänger gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Verglichen mit der ersten
Ausführungsform
empfängt
der Empfänger
der zweiten Ausführungsform
ein Burst-Signal von mehr als zwei Antennen. Aus diesem Grund wird
die Umschalteinheit 53 durch eine Umschalteinheit 1001 und
die Steuerschaltung 56 gegen eine Steuerschaltung 1002 ersetzt.
Nachfolgend sind ähnliche
Bauelemente mit den entsprechenden Bezugszeichen in Bezug auf die
erste Ausführungsform
bezeichnet, und die Beschreibung dieser . Bauelemente wird nicht
wiederholt.
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Die Steuerschaltung 1002 arbeitet
in derselben Art und Weise wie die Steuerschaltung 56 durch
Zirkulieren durch die Phasen 1 bis III, mit der Ausnahme,
dass sie, in Phase II, die Umschalteinheit 1001 so steuert,
um die Antennen in einer vorbestimmten Reihenfolge auszuwählen.
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Gemäß dem vorstehenden Aufbau erhöht sich
eine Wahrscheinlichkeit beim Auswählen der Antenne, die ein Burst
empfängt,
das die beste Qualität
besitzt, von einer breiten Vielfalt von Antennen, verglichen mit der
ersten Ausführungsform.
Demzufolge wird der Diversity-Effekt weiter verbessert und demzufolge
wird die Funktionsweise des Empfängers
heraufgesetzt.
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In jeder der vorstehenden Ausführungsformen
wird die Antenne basierend auf dem Bitfehler-Erfassungsergebnis
in jedem Burst umgeschaltet. Aus diesem Grund realisiert der Empfänger der
vorliegenden Erfindung einen Diversity-Effekt ebenso gut wie die
Auswahl-Diversity, ungeachtet der Interferenz- und Rauschsignale,
während
er gleichzeitig kompakt und ökonomisch
ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
vollständig
anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben worden ist, sollte angemerkt wer den, dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen für
Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, ohne
den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche bestimmt
ist, zu verlassen.
