DE69727664T2

DE69727664T2 - Funkfrequenz signal-verteilung durch infrastrukturen mit schmaler bandbreite

Info

Publication number: DE69727664T2
Application number: DE69727664T
Authority: DE
Inventors: B. John GEORGES; M. David CUTRER; Y. Kam LAU
Original assignee: LGC Wireless LLC
Current assignee: Commscope Connectivity LLC
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2017-04-19
Also published as: EP0894369B1; DE69727664D1; EP0894369A4; US5765099A; CN1240192C; PT894369E; AU715343B2; DK0894369T3; ATE260001T1; AU2811297A; CA2251959A1; WO1997040590A1; CA2251959C; ES2216144T3; CN1224549A; EP0894369A1; JP3565563B2; JP2000509224A

Description

HINTERGRUND – BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich Funkfrequenz- (RF-) Signalverteilung und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verteilen von RF-Signalen durch schmalbandige Infrastrukturen.
HINTERGRUND – BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Die Nachfrage nach drahtlosen Kommunikationen steigt weiterhin schnell. Der Bedarf an effizienten und kostenarmen Systemen zum Verteilen von Funkfrequenz- (RF) Signalen ist eine unmittelbare Folge dieses Wachstums. Die Verteilung von RF-Signalen ist besonders schwierig in Bereichen mit vielen natürlichen und künstlichen Hindernissen, die RF-Strahlung streuen oder absorbieren. So ist beispielsweise das Problem der RF-Verteilung besonders in und um Gebäudestrukturen akut.
Derzeitige gebäudeinterne Verteilungssysteme bestehen aus zwei Hauptteilen. Der erste ist ein Satz von Antennen und Zubehörteilen, die zum Weiterleiten der RF-Signale innerhalb von Gebäuden benötigt werden. Der zweite ist ein Verkabelungssystem, z. B. ein LWL-Netzwerk, das zum Verbinden der gebäudeinternen Antennen mit einer Hauptantenne verwendet wird. Letztere wird gewöhnlich auf dem Dach des Gebäudes oder an einer Stelle installiert, wo die externen RF-Signale leicht empfangen werden können. In Fällen, bei denen die RF-Signale über ein Kabel mit hoher Übertragungsbandbreite eingespeist werden, kann die Hauptantenne durch eine direkte Schnittstelle mit dem RF-Netzwerk ersetzt werden, z. B. im Keller.
Die Kosten von Installation und Wartung solcher gebäudeinterner Verteilungsnetze sind sehr hoch. Einer der größten Kostenfaktoren ist das Verkabelungsnetz. Darüber hinaus ist das Verlegen neuer Kabel zwischen verschiedenen Räumen, Stockwerken oder Flügeln eines Gebäudes gewöhnlich zeitaufwändig und störend. Aus diesem Grund sollen geeignete Lösungen für gebäudeinterne RF-Verteilungssysteme minimale Installationskosten verursachen, keine Spezialwerkzeuge erfordern (wie sie z. B. in LWL-Netzen nötig sind) und keine unnötigen Störungen im Gebäude bei Installation und Betrieb verursachen. Es wäre für solche Netze ebenso vorteilhaft, wenn sie mit der allgemeinen Kabelinfrastruktur in dem Gebäude im Einklang stünden.
Der rentableste Weg zum Erfüllen dieser Kriterien wäre die Verwendung einer existierenden oder standardmäßigen gebäudeinternen Kabelinfrastruktur. Leider stehen diesem Ansatz mehrere Hindernisse im Weg. Das Hauptproblem betrifft die Frequenzbänder, die zum Übertragen von RF-Informationssignalen verwendet werden. Zelluläre Kommunikationen arbeiten derzeit mit einer Trägerfrequenz von etwa 1 GHz. So verwendet beispielsweise das Advanced Mobile Phone System (AMPS) Protokoll die Bandbreite von 824–894 MHz, und GSM wird zwischen 890–960 MHz übertragen. Neuere Gesetzgebung lässt es zu, dass PCS-Dienste auf noch höhere Frequenzen gehen (z. B. 1,85–1,99 GHz). Im Vergleich dazu ist standardmäßige Gebäudeverkabelung wie geschirmte und ungeschirmte Zweidrahtleitungen (UTP und STP), die für lokale Netze (LAN) verwendet werden, Telefonkabel, LWL-Mehrmodenverbindungen und Stromleitungen, auf weitaus niedrigere Übertragungsbandbreiten begrenzt. So hat z. B. UTP-Kabel der Kategorie 5 (10 Base T) Signalverluste und Gegensprecheigenschaften, die die Bandbreite auf etwa 0–100 MHz für Distanzen von < 100 m beschränken. Diese Parameter reichen zwar für LAN-Anwendungen aus, sind aber für die Übertragung von zellulären und PCS-Signalen zu und von fernen Antennenorten eindeutig unzureichend.
Aus diesem Grund arbeiten Lösungen des Standes der Technik mit breitbandigen Medien wie Koaxialkabeln und LWL. Diese Medien müssen separat installiert werden und erfordern speziell geschultes Personal, wie oben erörtert.
Somit besteht die Herausforderung darin, hochfrequente RF-Signale über die oben erörterten standardmäßigen schmalbandigen Infrastrukturen zu übertragen. Das übliche Verfahren, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, das Band des RF-Signals auf eine Zwischenfrequenz (ZF) abwärts zu mischen, die innerhalb der Bandbreite des Kabels liegt. Dann wird das ZF-Signal durch das im Gebäude befindliche schmalbandige Standardkabel gespeist. Am fernen Antennenort wird das ZF-Signal wieder aufwärtsgemischt, um das ursprüngliche RF-Signal wiederherzustellen, und das wiederhergestellte RF-Signal wird von der Fernantenne weitergeleitet. Diese Lösung ist in 1 illustriert und wird in der ausführlichen Beschreibung erörtert.
Ein Hauptproblem, das bei der Implementation dieser Lösung auftritt, beinhaltet die Stabilität von Lokaloszillatoren. Diese erzeugen die Referenzsignale, die von den Mischern zum Abwärts- und Aufwärtsmischen der Signale benötigt werden. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten, müssen die Lokaloszillatoren einen stabilen Ton mit der gewählten hohen RF-Frequenz (z. B. 800 MHz) erzeugen. Es ist wesentlich, dass die Frequenz der beiden Oszillatoren wenigstens auf den Kanalabstand der RF-Signale abgestimmt wird. Es ist in der Tat wünschenswert, dass die Oszillatoren gegeneinander „verrastet" werden, um die Frequenz des RF-Signalbands zu konservieren. Dieser Punkt wird bei höheren Frequenzen noch wichtiger, z. B. bei der PCS-Bandbreite, die um 2 GHz herum zentriert ist, wo die relative Breite der Kommunikationskanäle im Vergleich zur Trägerfrequenz gering ist.
Die beiden Lösungen zu diesem Problem arbeiten entweder mit sehr stabilen Oszillatoren (z. B: < 1 Teil pro Million Stabilität), was zu teuer ist, oder sie verteilen den Oszillatorton von einer zentralen Stelle. Auch die zweite Option ist nicht praktikabel, da die betrachteten Medien nicht die Bandbreite haben, die für die Implementation eines solchen Systems benötigt wird.
Die existierenden Lösungen zum Verteilen eines stabilen Oszillatortons sind begrenzt. Das US-Patent 5,046,135 von Hatcher zeigt, wie Frequenzinstabilitäten in einem Empfängerfrequenzkonverter aufgrund einer inhärenten Lokaloszillatorinstabilität eliminiert werden, indem ein Markersignal in der Abwärtsmischstufe addiert wird. Das Markersignal wird auf dieselbe Weise verzerrt wie das ZF-Signal, und eine zweite Abwärtsmischstufe berechnet diese Verzerrung anhand eines Vergleichs mit dem Markersignal, bevor eine weitere Abwärtsmischung erfolgt.
Diese Lösung ist kompliziert, da sie den Mischvorgang in zwei Stufen unterteilt und die Addition eines Markertons zusätzlich zu den Oszillatorfrequenzen und dem Signal erfordert. Außerdem kann sie nicht in Zusammenhang mit den in Gebäuden befindlichen schmalbandigen Medien eingesetzt werden. In der Tat besteht der Hauptzweck der Erfindung darin, das empfangene sehr hochfrequente Signal, z. B. von Satelliten im Orbit, allmählich und zuverlässig abwärts zu mischen.
Das an Davidov et al. erteilte US-Patent 4,959,862 behandelt ein neues Schema für die Zuführung von FM-modulierten Hilfsträgern über eine faseroptische Verbindung für eine Kabelfernsehübertragung (CATV). Konventionelle CATV-Systeme arbeiten mit Restseitenband-Amplitudenmodulation (VSB-AM) für die Übertragung von analogen Videokanälen zu Heimbenutzern. Im Vergleich lassen sich mit frequenzmultiplexierten, frequenzmodulierten (FDM-FM) Signalen ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis und eine längere Übertragungsdistanz erzielen. Davidov et al. beschreiben ein Verfahren zur Umsetzung von VSB-AM Kanälen in FDM-FM Kanäle vor der Übertragung über die LWL-Verbindung. Nach der Übertragung werden die FM-Signale wieder zurück in AM-Signale konvertiert, bevor sie zum Heimbenutzer übertragen werden. Eine „Globalreferenz" von 4 MHz wird mit den FM-Signalen auf AM-Signale verteilt.
Davidov et al. behandeln zwar die Idee eines globalen Signals, das als Referenz („Rasterung") von Mischstufen verwendet werden kann, aber diese Idee ist nicht auf das vorliegende Problem anwendbar. Erstens ist das Referenzsignal hochfrequent und wird zwecks FM-AM-Signalumsetzung zu den fernen Antennenorten verteilt. Es ist kein Signal, das mit einem System auf der Basis eines begrenzten und schmalbandigen Mediums für die Übertragung von RF-Signalen kompatibel ist. In der Tat unterstreichen Davidov et al. die Tatsache, dass dieses System ein breitbandiges LWL-Medium verwendet. Außerdem ist es in der Systemarchitektur von Davidov nicht notwendig, die globale Referenz zu verwenden, sie wird lediglich bequemlichkeitshalber bereitgestellt. Der einzige Vorteil, den Davidov et al. durch die Verwendung eines zentralisierten Oszillators erzielen, ist die Reduzierung von Oszillatorphasenrauschen.
In US-Patent Nr. 5,109,532 erörtern Petrovic et al. Sender und Empfänger einer Funkkommunikationsverbindung. Diese Verbindung erfordert ein Auf- und Abwärtsmischen der Signale, die zu und von dem Funkband von Interesse übertragen werden sollen. Frequenz und Phase der zum Auf- und Abwärtsmischen verwendeten Oszillatoren sind ein großer Kosten- und Leistungsfaktor. Das Problem wird durch Addieren eines Funkfrequenzpilottons zu den aufwärtsgemischten Signalen vor der Übertragung gelöst. Am Empfänger werden sowohl das RF-Signal als auch der Pilotton mit einem Lokaloszillator abwärtsgemischt. Phasen- oder Frequenzabweichungen des Lokaloszillators beeinflussen das RF-Signal und den Piloton gleichermaßen. Somit können beide Signale zum Löschen der Phasen- und Frequenzvariationen verwendet werden, was zu einem sauberen wiederhergestellten Signal führt, wie in 2C des Petrovic-Patentes zu sehen ist. Dieses Löschverfahren löst das Problem der Lokaloszillatorstabilität am Empfänger.
Die Offenbarung soll zwar ein ähnliches Problem lösen wie die vorliegende Erfindung, nämlich die Stabilität eines Fernoszillators, aber das Verfahren, mit dem das Problem gelöst wird, ist doch ganz anders. Darüber hinaus beschreibt das Verfahren nicht, und es ist auch nicht offensichtlich, wie man diese Technik über ein schmalbandiges Medium implementieren würde, da der Pilotton eine RF-Frequenz hat.
Über das Entwickeln eines Systems zum geeigneten „Rasten" von Oszillatoren hinaus, damit RF-Signale durch eine schmalbandige Infrastruktur übertragen werden können, gibt es noch weitere ungelöste Probleme. In einem typischen RF-Verteilungssystem leiten mehrere Fernantennen das aufwärtsgemischte RF-Signal weiter. Um eine vollständige Versorgung zu gewährleisten, müssen die Versorgungsbereiche der individuellen Antennen einander überlappen. So wird ein Benutzer häufig Signale von mehreren Antennen gleichzeitig erhalten. Wenn die zum Aufwärtsmischen an diesen Antennen verwendeten individuellen Oszillatoren nicht genau frequenzabgestimmt sind, dann hört der Benutzer einen Basisbandton oder eine Schwebung an der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Lokaloszillatoren.
In der europäischen Patentanmeldung Nr. EP-A-0 442 259 A1 wird ein bidirektionales RF-Verstärkersystem zum Übertragen von RF-Signalen hoher Leistung durch das abstrahlende oder „verlustreiche" Koaxialkabel offenbart. Dieses Kabel ist sehr verlustreich, weil es nicht nur zur normalen Koax-Dämpfung kommt, sondern das RF-Signal auch absichtlich von dem Kabel über seine Länge streuen gelassen wird, um RF-Signalversorgung in Tunnels oder U-Bahnen zu erzielen. Aufgrund des finiten Koaxialdämpfungsfaktors des abstrahlenden Kabels ist es wesentlich, in regelmäßigen Abständen Inline-Signalverstärker zu verwenden. Diese Inline-Leistungsverstärker erzeugen jedoch eine unerwünschte Intermodulationsverzerrung. Die Lösung gemäß der Offenbarung in der Patentspezifikation besteht lediglich darin, Niederpegel-ZF-Signale über die gesamte Länge des abstrahlenden Kabels neu zu verstärken und gleichzeitig in jeder Stufe das RF-Signal nur für das nächste Segment des abstrahlenden Kabels zu verstärken, um dadurch im Wesentlichen die Menge an Intermodulationsverzerrung zu reduzieren, die aus einer sukzessiven Signalverstärkung resultiert. Da das RF-Signal auch durch das abstrahlende Kabel übertragen werden muss, ist das abstrahlende Kabel kein schmalbandiges Medium und kann auch keins sein. Demgemäß ist das in der Patentspezifikation offenbarte System nicht für die Übertragung eines RF-Signals geeignet, das in einer RF-Bandbreite über ein schmalbandiges Medium enthalten ist.
Somit ist eine effiziente und zuverlässige Verteilung von RF-Signalen über schmalbandige Infrastrukturen weiterhin ein ungelöstes Problem.
AUFGABEN UND VORTEILE DER ERFINDUNG
Angesichts der Nachteile des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Verteilen von RF-Signalen durch schmalbandige Infrastruktur bereitzustellen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, es zu ermöglichen, RF-Signale durch standardmäßige Gebäudeverkabelung zu verteilen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin zu gewährleisten, dass das System in seiner Ressourcenauslastung hocheffizient, einfach zu installieren und zu betreiben und kostenarm ist.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein System zum Verteilen von RF-Signalen in Gebäuden bereitzustellen, die Oszillatorinstabilitäten vermeiden, die Schwebungsfrequenzen und verwandte Effekte erzeugen und zu einer verringerten Verbindungsqualität führen.
Diese sowie weitere Aufgaben und Vorteile gehen aus einer Betrachtung der anschließenden Beschreibung und der Begleitzeichnungen hervor.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgaben der Erfindung werden durch ein einzigartiges System zum Übertragen eines Funkfrequenz- (RF-) Signals in eine RF-Bandbreite über ein schmalbandiges Medium gelöst, das eine Übertragungsbandbreite unter der RF-Bandbreite hat. Das schmalbandige Medium ist typischerweise ein standardmäßiges Kabel, das zu einer üblichen Gebäudeinfrastruktur gehört. Die RF-Bandbreite wird gewöhnlich aus der Gruppe von RF-Bandbreiten ausgewählt, die für zelluläre Kommunikationen, drahtlose Telefonie, lokale RF-Kommunikationen, Satellitenfernsehen, interaktives Multimedia-Video, lokale Netze mit hoher Bitrate und dergleichen verwendet werden. In diesen Situationen ist die RF-Bandbreite geringer als die Übertragungsbandbreite des schmalbandigen Mediums. Letzteres kann ein 10 Base T Kabel, eine Telefonleitung, ein LWL-Kabel, ungeschirmtes Kabel, Stromkabel oder eine beliebige andere schmalbandige, standardmäßige Gebäudeinfrastruktur sein.
Das System hat eine Einheit, gewöhnlich eine Hauptantenne oder eine Basisstation, zum Empfangen des RF-Signals. Ein globaler Referenzoszillator, vorzugsweise ein Oszillator mit sehr hoher Stabilität wie z. B. ein temperaturstabilisierter Kristalloszillator, erzeugt einen globalen Referenzton hoher Stabilität, z. B. mit < 1 Teil pro Million Stabilität, bei einer Frequenz innerhalb der Übertragungsbandbreite des schmalbandigen Mediums. In der bevorzugten Ausgestaltung befindet sich der globale Referenzoszillator an einem sicheren Ort in einem Verteilungshub, und der globale Referenzton wird von dort zum gesamten System geleitet.
Ein erster Lokaloszillator, vorzugsweise ein spannungsgeregelter Oszillator (VCO), wird von einem ersten Einstellsignal gesteuert, das vom globalen Referenzton abgeleitet wird. Mit Hilfe des ersten Einstellsignals erzeugt der erste Lokaloszillator einen ersten RF-Referenzton hoher Stabilität. Die Hauptantenne und der erste Lokaloszillator sind mit einem ersten Mischer verbunden, so dass der erste RF-Referenzton und das RF-Signal diesem ersten Mischer zugeführt werden. Von diesen beiden Signalen erzeugt der Mischer ein Zwischenfrequenz- (ZF-) Signal, das durch das schmalbandige Medium gespeist wird. Das ZF-Signal hat eine Frequenz, die innerhalb der Übertragungsbandbreite des schmalbandigen Mediums liegt.
Ein zweiter Lokaloszillator ist an einem fernen Ort, z. B. in einem fernen Versorgungsbereich vorgesehen. Der zweite Lokaloszillator wird von einem zweiten Einstellsignal gesteuert, das ebenfalls von dem globalen Referenzton abgeleitet wird. Auf diese Weise erzeugt der zweite Lokaloszillator einen zweiten RF-Referenzton hoher Stabilität mit derselben Frequenz wie der erste RF-Referenzton. Ein zweiter Mischer ist ebenfalls an dem fernen Ort vorgesehen und mit dem zweiten Lokaloszillator und dem schmalbandigen Medium verbunden. Somit empfängt der zweite Mischer die zweite RF-Referenz und das ZF-Signal. Durch Mischen dieser beiden Signale stellt der Mischer das ursprüngliche RF-Signal wieder her. Dieses System kann natürlich auf eine beliebige Zahl von Fernstellen erweitert werden, je nach den Erfordernissen in einem praktischen System, das Funkversorgung für eine gesamte Gebäudestruktur wie z. B. ein Bürogebäude oder ein Einkaufszentrum bereitstellt.
Das Verfahren zum Ableiten des ersten und zweiten Einstellsignals beruht auf einer/m Phasenrastungsschaltung oder Phasenregelkreis (PLL). Der globale Referenzton kann dem PLL auf mehrere verschiedene Weisen zugeführt werden. Er kann insbesondere direkt durch eine separate Verbindung wie z. B. eine kurze Kommunikationsverbindung zugeführt werden, wenn sich der globale Referenzoszillator in der Nähe des fraglichen Oszillators befindet. Dies ist dann der Fall, wenn Lokaloszillator und globaler Referenzoszillator im selben Gehäuse untergebracht sind, wie z. B. ein Haupthub. Ansonsten kann der globale Referenzton zusammen mit dem ZF-Signaldurch das schmalbandige Medium übertragen werden.
Beim Verteilen des globalen Referenztons durch das schmalbandige Medium zusammen mit dem ZF-Signal ist es wichtig, dass sich diese Signale nicht überlappen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass dies der Fall ist, und in der bevorzugten Ausgestaltung hat der globale Referenzton eine niedrigere Frequenz als das ZF-Signal. Ferner ist speziell für die Zwecke des Addierens des globalen Referenztons zu dem ZF- Signal ein Summierelement vorgesehen, so dass beide durch das schmalbandige Medium gespeist werden.
Es wird ein Filter zum Wiederherstellen des globalen Referenztons von dem schmalbandigen Medium an dem fernen Ort verwendet. Diese Funktion kann mit einem einfachen Bandpassfilter ausgeführt werden, dessen Fenster für den globalen Referenzton eingestellt ist. Der PLL befindet sich in diesem Fall zwischen dem Filter und dem Lokaloszillator an dem fernen Ort.
Die Phasenrastungsschaltung selbst umfasst einen Frequenzteiler, auch Prescaler genannt, der mit dem Lokaloszillator verbunden ist, um einen von diesem Oszillator erzeugten instabilen RF-Referenzton zu teilen, um einen instabilen ZF-Referenzton nahe der Frequenz des globalen Referenztons abzuleiten. Da der Lokaloszillator instabil ist, sind die Frequenzen natürlich nicht abgestimmt. Mit Hilfe eines Phasenkomparators wird der instabile ZF-Referenzton auf den globalen Referenzton gerastet, indem ein Ausgangseinstellsignal erzeugt wird, das zu der Fehlübereinstimmung zwischen Referenz- und ZF-Signal proportional ist. Vorzugsweise wird ein weiterer Filter, auch als Schleifenfilter bezeichnet, zwischen dem Ausgang des Phasenkomparators und dem Lokaloszillator vorgesehen. Das Einstellsignal stabilisiert den Lokaloszillator und veranlasst ihn, den zweiten RF-Referenzton hoher Stabilität zu erzeugen.
Das wiederhergestellte RF-Signal kann dann an einem oder vielen fernen Orten je nach den tatsächlichen Umständen weitergeleitet werden. Gewöhnlich werden für diesen Zweck lokale Antennen mit überlappenden Versorgungsbereichen verwendet. Die schmalbandige Infrastruktur kann ein Netzwerk wie z. B. ein Sternnetz, Baumnetz, Verzweigungsnetz oder ein beliebiger anderer üblicherweise in Gebäuden installierter Netztyp sein.
In der bevorzugten Weise der Ausübung der Erfindung wird die Frequenz des globalen Referenztons unter der Bandbreite des ZF-Signals gewählt. Auch lehrt das erfindungsgemäße Verfahren bidirektionale Kommunikationen, wie sie in praktischen Anwendungen benötigt werden.
Weitere Details und die bevorzugte Ausgestaltung werden in der Spezifikation mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines typischen RF-Verteilungssystems des Standes der Technik;
2 ist ein Diagramm, das die typische RF-Bandbreite und eine typische Übertragungsbandbreite zeigt;
3 ist ein Diagramm, das die Übertragungsbandbreite und die Bandbreite des ZF-Signals zeigt;
4 ist eine schematische Ansicht eines einfachen RF-Verteilungssystems gemäß der Erfindung;
5A ist ein Diagramm, das die Stabilisierung von Referenztönen zeigt;
5B ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem ZF-Signal und dem globalen Referenzton zeigt;
6 ist eine schematische Ansicht eines RF-Verteilungssystems gemäß der Erfindung mit mehreren fernen Versorgungsorten;
7 ist eine schematische Ansicht eines weiteren RF-Verteilungssystems gemäß der Erfindung;
8 ist eine schematische Ansicht, die die Überlappung in Versorgungsbereichen illustriert;
9 ist eine dreidimensionale Ansicht des RF-Verteilungssystems gemäß der Erfindung, an eine Gebäudestruktur angepasst;
10 ist ein Diagramm, das typische 10 Base T Gebäudekabel zeigt;
11 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren RF-Verteilungssystems gemäß der Erfindung;
12 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren RF-Verteilungssystems gemäß der Erfindung;
13 ist ein Diagramm, das einen Teil eines erfindungsgemäßen Systems zeigt, das optische Mehrmodenfaser verwendet;
14 ist ein Graph des Zweitontests für das System von 13;
15 ist ein Diagramm eines vorteilhaften ZF-Signalverstärkungsverfahrens gemäß der Erfindung.
BESCHREIBUNG
Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung werden am besten nach einer Betrachtung des typischen Verteilungssystems 10 des Standes der Technik für ein in 1 illustriertes Funkfrequenz- (RF-) Signal 12 verständlich. In diesem typischen System liegt das RF-Signal 12 in einer Bandbreite vor, die gewöhnlich für zelluläre Kommunikationen oder dergleichen verwendet wird. 2 zeigt eine RF-Bandbreite 30, die einen Bereich von 824 MHz bis 894 MHz überspannt. Dieser Bereich ist für das in zellulären Kommunikationen verwendete RF-Signal 12 typisch.
Das RF-Signal 12 wird von einer Haupt- oder Basisantenne 14 empfangen. Die Verbindung 16, typischerweise ein Koaxialkabel, überträgt das RF-Signal 12 von der Antenne 14 zu einem der Eingänge eines ersten Mischers 18. Der zweite Eingang des Mischers 18 ist mit einem ersten Lokaloszillator 20 verbunden. Der Oszillator 20 erzeugt einen RF-Frequenzton, der vom Mischer 18 zum Abwärtsmischen des RF-Signals 12 auf eine Zwischenfrequenz (ZF) und zum Speisen desselben durch ein schmalbandiges Medium 33 wie z. B. ein standardmäßiges, vorinstalliertes Kabel verwendet wird.
2 illustriert die Beziehungen der verschiedenen Signale und ihrer Bandbreiten besser. So ergibt insbesondere die Abwärtsmischung von RF-Signal 12 von der RF-Bandbreite 30 ein in einer Übertragungsbandbreite 34 enthaltenes ZF-Signal 32. Die Übertragungsbandbreite 34 liegt zwischen 0 und 100 MHz, was für schmalbandige Medien typisch ist, die gewöhnlich in Gebäudestrukturen installiert werden.
Wieder mit Bezug auf 1, das ZF-Signal 32 wird durch das Medium 33 zu einem fernen Ort 36 übertragen, der durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Ort 36 ist gewöhnlich ein Raum in einer Gebäudestruktur oder ein anderer Bereich, in dem eine RF-Versorgung gewünscht wird. An diesem Ort wird das ZF-Signal 32 von einem zweiten Mischer 38 empfangen, der das ZF-Signal 32 mit dem Oszillator 40 aufwärtsmischt, um das ursprüngliche RF-Signal 12 wiederherzustellen. Dann wird das RF-Signal 12 am fernen Ort 36 mit Hilfe einer Fernantenne 42 weitergeleitet.
Wie im Hintergrundteil umrissen wurde, leiden das Verteilungssystem 10 sowie andere verwandte Systeme des Standes der Technik unter Instabilität von Lokaloszillatoren 20 und 40 (es sei denn, es werden sehr teure Oszillatoren verwendet). Ein in 4 dargestelltes RF-Verteilungssystem 50 gemäß der Erfindung vermeidet diesen Nachteil auf einfache und effektive Weise.
Wie im Beispiel des Standes der Technik hat das System 50 eine Haupt- oder Basisantenne 52, die das RF-Signal 12 empfängt. Die Antenne 52 ist durch eine Kommunikationsverbindung 54, z. B. ein Koaxialkabel oder eine andere Verbindung, die das RF-Signal 12 ohne zu starke Verzerrungen übertragen kann, mit einem der Eingänge eines ersten Mischers 56 verbunden. Der als Mischer 56 gewählte Gerätetyp kann einen beliebigen einendigen, abgestimmten, doppelt abgestimmten, dreifach abgestimmten oder einen anderen Mischer beinhalten. Ein erster Lokaloszillator 58, vorzugsweise ein spannungsgeregelter Oszillator (VCO), ist mit einem anderen Eingang des Mischers 56 verbunden. Ein schmalbandiges Medium 60, z. B. das 10 Base T Kabel, ein Telefonkabel, ein LWL-Kabel, eine ungeschirmte oder geschirmte Leitung, ein Stromkabel oder ein anderes schmalbandiges Gebäudemedium ist mit dem Ausgang des Mischers 56 verbunden.
Der Oszillator 58 ist gewöhnlich ein kostenarmes Gerät, das allein einen instabilen RF-Referenzton erzeugt. Ein Ausgang des Oszillators 58 ist mit dem Mischer 56 verbunden, und ein weiterer Ausgang führt zu einem Frequenzteiler 62. Die Funktion des Teilers 62 wird mit einem/r Frequenzteilungsgerät oder -schaltung erfüllt, die den empfangenen Ton durch eine ganze Zahl dividieren kann. Der Ausgang des Teilers 62 ist ferner mit einem Eingang eines Phasenkomparators 64 verbunden. Geeignete Komparatoren sind in der Technik hinlänglich bekannt.
Der zweite Eingang des Komparators 64 ist mit einem globalen Referenzoszillator 66 verbunden. Wie gezeigt, ist der Oszillator 66 in einer separaten Gehäuseeinheit oder einem separaten Verteilungshub 68 untergebracht. Um Stabilität und hohe Leistung des Oszillators 66 zu gewährleisten, wird der Hub 68 in einem Bereich installiert, der keinen zu starken Temperaturfluktuationen, Vibrationen oder anderen externen Einflüssen ausgesetzt ist. Solche Verbindungen sind häufig in Gebäuden fern von Fenstern, Türen oder anderen Öffnungen anzutreffen, z. B. im Keller. Darüber hinaus verwendet die bevorzugte Ausgestaltung als Oszillator 66 einen temperaturstabilisierten Kristalloszillator. Geräte dieser Art können Stabilitätswerte von etwa 1 Teil pro Million erzielen und sind im Handel erhältlich. Die Frequenz des Oszillators 66 wird nachfolgend erörtert.
Es ist zu bemerken, dass im System 50 nur ein Referenzoszillator 66 verwendet wird. Somit kann jedes Element des Systems 50, das einen Ton vom Oszillator 66 benötigt, diesen über die Leitungen 70 erhalten. In diesem Fall verbindet eine der Leitungen 70 den Oszillator 66 mit dem anderen Eingang des Komparators 64.
Der Ausgang des Komparators 64 ist mit einem Filter 72 verbunden. Ein geeigneter Tiefpassschleifenfilter ist in der Technik hinlänglich bekannt und kann mit im Handel erhältlichen Komponenten konstruiert werden. Der Ausgang des Filters 72 ist mit dem Steuereingang des Oszillators 58 verbunden.
In der bevorzugten Ausgestaltung hat das System 50 ein Summierelement oder Addiergerät 74, das eine der Leitungen 70 mit einem schmalbandigen Medium 60 verbindet. Das Gerät 74 kann bereits durch das Medium 60 wandernde Signale mit einem beliebigen Zusatzsignal kombinieren, in diesem Fall mit dem vom Oszillator 66 erzeugten Signal. Geräte, die diesen Vorgang durchführen können, sind in der Technik hinlänglich bekannt.
An einem fernen Versorgungsort 76 ist das Medium 60 mit einem Filter 78 und einem zweiten Mischer 80 verbunden. Der Filter 78 hat einen voreingestellten Bandpass zum Wählen einer bestimmten Frequenz von den durch das Medium 60 übertragenen Signalen. Der Ausgang des Filters 78 ist mit einem der Eingänge eines Phasenkomparators 82 verbunden. Der andere Eingang des Komparators 82 ist mit dem Ausgang eines Frequenzteilers 84, analog zum Frequenzteiler 62, verbunden, der mit einem zweiten Lokaloszillator 86 verbunden ist. Wie zuvor, ist der Lokaloszillator 86 ein spannungsgeregelter Oszillator, der einen instabilen RF-Referenzton erzeugt. Der Ausgang des Komparators 82 wird durch einen Filter 88 mit dem Steuereingang des Oszillators 86 verbunden.
Gemeinsam bilden Oszillator 86, Teiler 84, Komparator 82 und Filter 88 eine) Phasenrastungsgerät oder -schaltung 90, häufig auch Phasenregelkreis (PLL) genannt. In der Tat bilden auch Oszillator 58, Filter 72, Komparator 64 und Teiler 62 eine Phasenrastungsschaltung 92. Beide Schaltungen, 90 und 92, sind im Hinblick auf Aufbau und Betrieb analog, wie nachfolgend gezeigt wird.
Am fernen Versorgungsort 76 befindet sich eine Weiterleitungseinheit 95, in diesem Fall eine RF-Antenne zum Weiterleiten des RF-Signals 12 vom Mischer 80. Eine ordnungsgemäße Positionierung der Antenne 95 am Ort 76 zum Gewährleisten einer RF-Versorgung wird von den Personen ermittelt, die das System 50 jeweils installieren.
Während des Betriebs empfängt die Hauptantenne 52 des RF-Verteilungssystems 50 das RF-Signal 12. Wie in 2 angedeutet, ist das RF-Signal 12 in einer RF-Bandbreite 30 enthalten, die von 824 MHz bis 894 MHz reicht. In der Praxis kann das RF-Signal 12 jedoch je nach Kommunikationstyp zu anderen RF-Bandbreiten gehören. Somit kann die RF-Bandbreite 30 aus der Gruppe von RF-Bandbreiten ausgewählt werden, die für zelluläre Kommunikationen, drahtlose Telefonie, lokale RF-Kommunikationen, Satellitenfernsehen, interaktives Multimedia-Video, lokale Netze mit hoher Bitrate und dergleichen verwendet werden. Das allen diesen RF-Bandbreiten gemeinsame charakteristische Merkmal ist, dass sie höher sind als die Übertragungsbandbreite 34 des Mediums 60.
Die Antenne 52 sendet ein RF-Signal 12 über eine Kommunikationsverbindung 54 zum ersten Mischer 56. Inzwischen sendet der Phasenregelkreis 92 einen ersten RF-Referenzton 96 (siehe 2) hoher Stabilität zum Mischer 56. Gemäß bekannten Mischtechniken reagiert der erste Mischer 56 auf diese beiden Eingänge damit, dass er ein ZF-Signal 94 erzeugt oder, mit anderen Worten, dass er das RF-Signal 12 abwärtsmischt. Das Ergebnis des Abwärtsmischens – das ZF-Signal 94 – ist in 3 dargestellt. In der vorliegenden Ausgestaltung hat das ZF-Signal 94 eine geringere Bandbreite (894 MHz – 824 MHz = 70 MHz) als die Übertragungsbandbreite 34 des Mediums 60. In der Tat belegt das ZF-Signal 94 nur die Bandbreite von 24 MHz bis 94 MHz. Die tatsächliche Bandbreite des abwärtsgemischten RF-Signals 12, d. h. ZF-Signal 94, kann gemäß Konditionierung durch die vorhandene Gebäudeinfrastruktur variieren. In jedem Fall wird das ZF-Signal 94, da der Ausgang des ersten Mischers 56 mit dem Medium 60 verbunden ist, durch das Medium 60 übertragen oder gespeist.
Der Abwärtsmischvorgang selbst ist von der Stabilität des ersten zum ersten Mischer 56 gespeisten RF-Referenztons 96 abhängig, wobei der erstere gewöhnlich von der Stabilität des ersten Lokaloszillators 58 abhängig ist. In diesem Fall ist jedoch der Ausgang des Oszillators 58 ein erster RF-Referenzton 96 hoher Stabilität. Dieses Ergebnis wird in mehreren Schritten mit dem Rest der Phasenrastungsschaltung 92 und des globalen Referenzoszillators 66 erzielt.
Zunächst wird, wie in 5A illustriert, der ursprüngliche Ausgang des Oszillators 58, der ein instabiler RF-Referenzton 98 ist, zum Frequenzteiler 62 gespeist. Die inhärente Fluktuation von Ton 98 ist an ihrer breiten Streuung möglicher Frequenzen erkennbar. Der Teiler 62 wird so eingestellt, dass der Ton 98 durch eine ganze Zahl dividiert wird, um wie gezeigt einen instabilen ZF-Referenzton 100 abzuleiten. Es ist beabsichtigt, dass der instabile ZF-Referenzton 100 eng mit der Frequenz eines globalen Referenztons 102 übereinstimmt, der von dem im Verteilungshub 68 befindlichen globalen Referenzoszillator 66 generiert wird. Auch sind der instabile ZF-Referenzton 100 sowie der globale Referenzton 102 in der Übertragungsbandbreite 34 des Mediums 60 enthalten.
Für einen höchst zuverlässigen Betrieb befindet sich der globale Referenzton 102 in der Mitte der Bandbreite, die von dem instabilen ZF-Referenzton 100 belegt wird. Ferner wird bevorzugt, dass die Bandbreite des ZF-Referenztons 100, und demzufolge die Frequenz des globalen Referenztons 102, außerhalb der Bandbreite des ZF-Signals 94 liegen. Diese Konfiguration vermeidet potenzielle Interferenzen zwischen dem ZF-Signal 94 und dem Referenzton 100. In 5A liegt die Bandbreite des ZF-Referenztons 100 unter der Bandbreite des ZF-Signals 94 und ist um die Frequenz des globalen Referenztons 102 von 8,0 MHz zentriert. Diese Werte wurden natürlich nur zu Demonstrationszwecken gewählt.
Der Phasenkomparator 64 empfängt an seinen beiden Eingängen den instabilen ZF-Referenzton 100 und, durch die Leitung 70, den hochstabilen globalen Referenzton 102. Als Reaktion auf diese beiden Eingänge erzeugt der Komparator 64 an seinem Ausgang ein erstes Einstellsignal 104, das für die Phasenfehlübereinstimmung oder die Differenz zwischen dem instabilen Ton 100 und dem stabilen Ton 102 repräsentativ ist. Der Filter 72 beseitigt hochfrequentes Rauschen vom Einstellsignal 104 und gewährleistet die Stabilität der Feedback-Schleife. Vom Filter 72 geht das Einstellsignal 104 zum Steuereingang des ersten Lokaloszillators 58. Dort wird das Einstellsignal 104 zum Feinabstimmen der Oszillationsfrequenz des Oszillators 58 verwendet.
Dank der Feedback-Natur der Phasenrastungsschaltung 92 erfolgt das Feinabstimmen oder Trimmen des Oszillators 58 kontinuierlich mittels des sehr stabilen globalen Referenztons 102 als Maßstab. Demzufolge wird bewirkt, dass der Ausgang des Oszillators 58 den ersten RF-Referenzton 96 hoher Stabilität erzeugt. Der erste Mischer 56 nutzt diesen Referenzton 96 hoher Stabilität zum Erzeugen eines sehr genauen abwärtsgemischten ZF-Signals 94, das dann durch das Medium 60 gespeist wird.
In der bevorzugten Ausgestaltung ist der Verteilungshub 68 mit dem Summierelement 74 verbunden, das Verbindung mit dem Medium 60 hat. Somit wird der globale Referenzton 102 vom Oszillator 66 dem Summierelement 74 zugeführt. Dort wird das bereits durch das Medium 60 wandernde ZF-Signal 94 mit dem globalen Referenzton 102 kombiniert und durch das Medium 60 zum fernen Versorgungsort 76 gesendet. Es entsteht keine unerwünschte Interferenz zwischen dem ZF-Signal 94 und dem Ton 102, da ihre Bandbreiten einander nicht überlappen. Auf diese Weise wird der globale Referenzton 102 auf effiziente Weise durch dasselbe Medium wie das nützliche Signal zum fernen Ort 76 weitergeleitet.
Am fernen Ort 76 stellt der Filter 78 den globalen Referenzton 102 vom Medium 60 wieder her. Inzwischen geht das ZF-Signal 94 durch zum zweiten Mischer 80. Die Phasenrastungsschaltung 90, die genauso arbeitet wie die Phasenrastungsschaltung 92, verwendet den Ton 102, um den Ausgang des zweiten Lokaloszillators 86 zu stabilisieren. Zu diesem Zweck erzeugt der Komparator 82 ein zweites Einstellsignal 106 und sendet es durch den Filter 88 zum Steuereingang des Oszillators 86. Der Ausgang des Oszillators 86 erzeugt den stabilen RF-Referenzton 96. Der Mischer 80 verwendet den stabilen RF-Referenzton 96 zum Aufwärtsmischen des ZF-Signals 94 und zum Wiederherstellen des RF-Signals 12 mit minimaler Signalverzerrung. Dann empfängt die RF-Antenne 95 das RF-Signal 12 und leitet es über den gesamten Ort 76 weiter.
Das System 50 ist somit gut für eine RF-Verteilung in Gebäuden und anderen Strukturen geeignet, die existierende schmalbandige Medien wie konventionelle Kabel verwenden. Die Systemressourcen sind einfach. Es wird lediglich ein kostenintensiver Oszillator, nämlich der globale Referenzoszillator 66, benötigt, um ein geeignetes Auf- und Abwärtsmischen von Signalen in dieser Anordnung zu gewährleisten. Die übrigen wesentlichen Elemente sind einfach, lassen sich leicht installieren und sind allgemein kostenarm. In der Tat können spannungsgeregelte Oszillatoren, wie z. B. die Oszillatoren 58 und 86, die einen stabilen RF-Referenzton 96 mit 800 MHz unter Verwendung von 3,125 MHz als globalen Referenzton 102 erzeugen, eine hohe Stabilität zu sehr niedrigen Kosten erzielen.
Die obige Ausgestaltung ist sehr einfach und soll lediglich einige Grundaspekte der Erfindung demonstrieren. Ein praktischeres RF-Verteilungssystem 110 gemäß der Erfindung ist in 6 illustriert. Entsprechende Teile dieser Ausgestaltung erhielten dieselben Bezugsziffern wie in der ersten Ausgestaltung.
Die Kommunikationsverbindung 54 sendet ein RF-Signal 12 zu einem Haupthub 112. Im Haupthub 112 sind der erste Mischer 56 und der erste Lokaloszillator 58 untergebracht. Teiler 62, Komparator 64 und Filter 72 sind auf dieselbe Weise wie oben beschrieben geschaltet und arbeiten auch so und befinden sich ebenfalls im Hub 112. In der Tat befinden sich auch der globale Referenzoszillator 66 und das Summierelement 74 im Hub 112. Auf diese Weise können alle Elemente, die zum Umsetzen des RF-Signals 12 in das ZF-Signal 94 nötig sind, in derselben kompakten Einheit angeordnet werden.
Das Summierelement 74 ist mit drei schmalbandigen Kabeln 114 verbunden, die zu ihren jeweiligen fernen Versorgungsorten 116, 118, 120 verlegt sind. Phasenrastungsschaltungen 122, 124, 126 sowie Filter 128, 130 und 132 sind auf dieselbe Weise verbunden und führen dieselben Funktionen aus wie der Filter 78 und die Schaltung 90 in der vorherigen Ausgestaltung. Mit anderen Worten, mit den Schaltungen 122, 124, 126 und den Filtern 128, 130 und 132 kann jeder ferne Ort 116, 118, 120 das globale Referenzsignal 102 ausfiltern und es zum Erzeugen eines stabilen zweiten RF-Referenzsignals 96 verwenden. Ferner hat jeder ferne Ort 116, 118, 120 seinen eigenen zweiten Mischer 134, 136 und 138 zum Wiederherstellen des RF-Signals 12 vom ZF-Signal 94. Nach dem Wiederherstellen wird das RF-Signal 12 an jedem fernen Ort 116, 118, 120 von einer entsprechenden RF-Antenne 140, 142, 144 weitergeleitet.
Das Verteilungssystem 110 ist aufgrund der Verwendung eines einzigen Hub 112 in einigen Anwendungen kompakter und praktischer. Aufbau und Ort des Hub 112 müssen natürlich gewährleisten, dass die Innenteile geschützt sind. Insbesondere muss der globale Referenzoszillator 66 auf eine solche Weise isoliert werden, dass die Stabilität des globalen Referenztons 102 gewährleistet ist.
7 illustriert ein weiteres RF-Verteilungssystem 150 gemäß der Erfindung. Wie in den vorherigen Ausgestaltungen wird das von der Hauptantenne 52 empfangene RF-Signal 12 zu einem ersten Mischer 56 gespeist, der es zur Erzeugung des ZF-Signals 94 abwärtsmischt. Der globale Referenzoszillator ist separat in einem Verteilungshub 52 untergebracht. Von dort wird der globale Referenzton 102 durch Verbindungen 154 zu den Netzwerkhubs 156 und 158 und zum Phasenregelkreis 92 verteilt.
Die Netzwerkhubs 156 und 158 enthalten mehrere Summierelemente 74, mit denen der globale Referenzton 102 über viele schmalbandige Kabel 160 übertragen werden kann. In der Tat bilden die Kabel 160 ein Netzwerk 162. Die Kabel 160A–D bilden, wenn sie unabhängig betrachtet werden, ein Baumnetz, während alle Kabel 160 zwei Sternnetze bilden, deren Mittelpunkte von den Hubs 156 und 158 gebildet werden.
Aus dieser Ausgestaltung wird klar, dass das erfindungsgemäße Verteilungssystem 150 an jedes beliebige existierende Netz von gebäudeinternen Kabeln angepasst werden kann. Insbesondere ist jedes Sternnetz, Baumnetz, Ringnetz oder Verzweigungsnetz zum Verteilen des RF-Signals 12 gemäß der Erfindung geeignet. Außerdem brauchen die Verbindungen 154 nicht Teil der Netzinfrastruktur zu sein, wenn der Systemdesigner andere Medien zum Verteilen des globalen Referenzsignals 102 als praktisch ansieht. So kann beispielsweise der globale Referenzton 102 durch LWL-Verbindungen oder Wechselstromleitungen verteilt werden.
8 zeigt einen besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung. Zwei ferne Versorgungsorte 170 und 172 haben entsprechende RF-Antennen 174 und 176 zum Weiterleiten des RF-Signals 12. Wie in den obigen Ausgestaltungen, wird das ZF-Signal 94 durch ein schmalbandiges Medium gespeist, in diesem Fall die Stromkabel 178 und 180. Die Einheiten 182 und 184 enthalten alle oben erörterten Elemente, die zum Wiederherstellen des RF-Signals 12 vom ZF-Signal 94 gemäß der Erfindung nötig sind.
Die RF-Versorgungsbereiche der Orte 170 und 172 überlappen einander. Die Region, in der dies geschieht, ist schraffiert und mit der Bezugsziffer 186 bezeichnet. Im Allgemeinen ist eine Überlappung bei der Versorgung benachbarter Orte wünschenswert, weil dadurch eine komplette Versorgung garantiert wird. Ein Benutzer, der einen RF-Empfänger besitzt (nicht dargestellt) und sich in der Region 186 befindet, erhält das RF-Signal 12 von beiden Antennen 174 und 176.
In Systemen des Standes der Technik verursacht die Instabilität von Lokaloszillatoren, selbst bei Geräten hoher Qualität, eine geringe Frequenzdifferenz Δf zwischen dem von der Antenne 174 kommenden RF-Signal 12 und demselben RF-Signal 12, das von der Antenne 176 ankommt. Diese Frequenzdifferenz (gewöhnlich etwa ±500 Hz) erzeugt eine hörbare Schwebungsfrequenz. Dies ist nicht nur lästig für den Benutzer, da es beispielsweise bei Telefongesprächen stört, sondern die Schwebungsfrequenz kann auch die Funktion der elektrischen Komponenten beeinträchtigen und spuriöse Signale verursachen. Für eine Datenübertragung verwendete RF-Verteilungssysteme können höhere Bitfehlerraten (BER) und andere nachteilige Effekte erfahren.
Glücklicherweise können RF-Verteilungssysteme gemäß der Erfindung das RF-Signal 12 ohne jegliche Frequenzverschiebung wiederherstellen. So hat im vorliegenden Fall das von der Antenne 174 und von der Antenne 176 abgestrahlte RF-Signal 12 dieselbe Frequenz und induziert keine Schwebungsfrequenzen.
9 illustriert ein RF-Verteilungssystem 190 gemäß der Erfindung, das in einer Gebäudestruktur 192 verwendet wird. In diesem Fall ist das System 190 bidirektional, d. h. an verschiedenen Orten über die Struktur 192 installierte RF-Antennen 194 können RF-Signale 12 weiterleiten und empfangen. Zur Vermittlung eines besseren Verständnisses sind übertragene RF-Signale mit 12A und empfangene RF-Signale mit 12B bezeichnet. Eine auf dem Dach der Struktur 192 montierte Hauptantenne 196 kann ebenfalls RF-Signale 12A und 12B senden und empfangen.
Das System 190 verwendet das gebäudeinterne schmalbandige Netz mit Kabeln 198, 200, 202, 204 und Verdrahtungsschränken 206 und 208 zum Verteilen des RF-Signals 12. In dieser besonderen Anordnung beherbergt der Verdrahtungsschrank 208 einen Verteilungshub 210. Letzterer sendet einen globalen Referenzton 102 von einem temperaturstabilisierten Kristalloszillator, der als globaler Referenzoszillator (nicht dargestellt) dient. Der Schutz des Hub 210 vor externen Einflüssen wird dadurch gewährleistet, dass der Schrank 208 im Erdgeschoss und fern von Öffnungen wie Türen oder Fenstern aufgestellt wird.
Es ist zu bemerken, dass Kabel 198, 200, 202, 204 ein vorexistierendes Netzwerk bilden können, das vom Designer nicht ohne kostenintensive Umverlegungsarbeiten extensiv modifiziert werden kann. So sind beispielsweise Kabel 198, 200, 202, 204 standardmäßige Wechselstromkabel, die selbst in alten Strukturen allgegenwärtig sind. Durch eine geeignete Wahl der Wechselstromkabel können RF-Signale in praktisch jeder Umgebung verteilt werden, ohne die Gebäudeverkabelung zu verändern, so dass ein äußerst kostenarmes RF-Verteilungsnetz entsteht. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung von Wechselstromleitungen ist, dass die Leistung zum Betreiben der Antennen 194 und eventueller weiterer notwendiger Elektronik (nicht dargestellt) durch Kabel 198, 200, 202 und 204 gleichzeitig mit dem ZF-Signal bereitgestellt werden kann. Da Wechselstromleitungen vorinstalliert sind, gibt es für den Designer des RF-Verteilungssystems natürlich einige Einschränkungen. In der Tat können die Orte der Antennen 194 in einigen Räumen durch die Infrastruktur vorgegeben sein.
Als Beispiel sei angenommen, dass das System 190 für drahtlose Telefonie verwendet wird. Drahtlostelefone arbeiten im Frequenzband von 900 MHz und haben eine geringe Bandbreite, mit der über Kabel 198, 200, 202, 204 übertragen werden kann. In dieser Anwendung müssten sich die Antennen 194 natürlich auch an Orten außerhalb des Gebäudes 192 befinden (z. B. in der Nähe eines Schwimmbeckens usw.).
10 illustriert das am häufigsten in Gebäuden anzutreffende schmalbandige Medium 220. Insbesondere ist das Medium 220 ein Kabel, das aus vier verdrillten Doppelleitungen 222, 224, 226, 228 oder Leitungspaaren besteht. Diese können alle zum Verteilen von Signalen für zelluläre Kommunikationen, Drahtlostelefonie, lokale RF-Kommunikationen, Satellitenfernsehen, interaktives Multimedia-Video oder lokale Netze mit hoher Bitrate verwendet werden.
11 illustriert schematisch noch ein weiteres RF-Verteilungssystem 230 gemäß der Erfindung. Die Hauptantenne 232 befindet sich auf dem Dach eines Gebäudes 234, um RF-Signale 12A und 12B zu empfangen und zu senden. Das System 230 besteht aus drei Sternnetzen 238A, 238B, 238C, einem pro Stockwerk, die individuell von der Antenne 232 gespeist werden. Die Netze 238A, 238B, 238C haben RF-Antennen 240 und unabhängige Hubs 242A, 242B, 242C zum Aufnehmen der oben erörterten wesentlichen Komponenten.
12 illustriert ein weiteres vorteilhaftes RF-Verteilungssystem 250 im selben Gebäude 252. Das System 250 nutzt eine vorinstallierte Nebenstellenanlage 254 (PBX) und verzichtet auf eine Hauptantenne als Einheit zum Empfangen und Weiterleiten von RF-Signalen 12A und 12B.
In dieser Ausgestaltung werden RF-Signale 12A und 12B zur PBX 254 geleitet und davon mit einem geeigneten breitbandigen Medium (nicht dargestellt) empfangen. Somit werden RF-Signale 12B von der PBX 254 zu Hubs 258A, 258B, 258C von drei Sternnetzen 256A, 256B, 256C gespeist. Dann werden RF-Signale 12A von Sternnetzen 256A, 256B, 256C empfangen und zurück zur PBX 254 gesendet, die sie über das breitbandige Medium weiterleitet.
Da PBX-Systeme weit verteilt sind, ist diese Ausgestaltung sehr praktisch. Es brauchen in diesem Fall keine zusätzlichen Kabel von externen RF-Antennen verlegt zu werden. In der Tat befinden sich PBX-Systeme an vielen Orten und sind häufig für die Verwendung in einer oder mehreren Gebäudestrukturen vorverdrahtet und in einigen Fällen auch für einen Betrieb im Freien vorverdrahtet. Für eine derartige Installation eines RF-Verteilungssystem gemäß der Erfindung sind einige Modifikationen nötig.
13 illustriert einen Teil eines weiteren Systems 260 gemäß der Erfindung. Ein schmalbandiges Medium 262, in diesem Fall ein LWL-Mehrmodenkabel, verbindet eine LED- (Leuchtdioden-) Einheit 264 mit einem langsamen Analogdetektor 266 an einem fernen Ort 270. Da die Übertragungsbandbreite von für diese Erfindung benötigtem LWL-Kabel 262 unter 100 MHz liegt, kann die Länge des Kabels 262 einen Kilometer überschreiten. Die Fähigkeit für eine Versorgung über solche Distanzen macht die Erfindung besonders nützlich für Einkaufszentren und andere Strukturen, die große Bereiche abdecken.
Derselbe Mischer 56 wie in 4 leitet das ZF-Signal 94 über ein schmalbandiges Medium 268 zur LED-Einheit 264. Das Medium 268 kann zu einem vorinstallierten Netz gehören, z. B. zu einem Wechselstrom- oder Telefonleitungsnetz.
Kostenarme LEDs haben ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten bei niedrigen Frequenzen, besonders in der Übertragungsbandbreite des Mediums 262 (< 100 MHz), und kein Ansprechverhalten bei höheren Frequenzen, z. B. 1 GHz. Somit ist die LED-Einheit 264 zum Speisen des ZF-Signals 94 durch das Medium 262 gut geeignet. Konventionelle optische Systeme verwenden Laser und optische Einmodenfasern, die beide kostenintensiv sind, um Signale bei verschiedenen Frequenzen zu senden. Diese Ausgestaltung ist im Vergleich zu konventionellen Systemen sehr kostenarm und im gewünschten Frequenzbereich sehr effizient. Um diese Tatsache zu stützen, zeigt 14 die Ergebnisse eines standardmäßigen Zweitontests für die LED-Einheit 264, die mit einem Kabel 262 von 1,3 um und 1 km Länge arbeitet.
Schließlich zeigt 15 eine vorteilhafte Addition zu einem Teil eines Systems 280 gemäß der Erfindung. System 280 verwendet ein Summierelement 288 zum Addieren des globalen Referenztons 102 zum ZF-Signal 94 wie oben erörtert, und um beide durch ein Netzwerk 290 zu speisen, das aus schmalbandigen Kabeln 286 besteht. Zwei Standardverstärker 282 und 284 zum Verstärken von Signalen in der Übertragungsbandbreite 34 sind mit Kabeln 286 verbunden.
Während des Betriebs verstärken die Verstärker 282 und 284 das ZF-Signal 94, während es durch das Kabel 286 wandert. Falls gewünscht, können beide oder einer der Verstärker 282, 284 auch den globalen Referenzton 102 verstärken. Die Fachperson wird die Tatsache zu schätzen wissen, dass das Verstärken von Signalen auf niedrigeren Frequenzen einfacher und kostenärmer ist als das Verstärken von Signalen mit RF-Frequenz. Somit stellt die vorliegende Ausgestaltung ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Konservieren der Stärke von Signalen bereit, die von einem System gemäß der Erfindung verteilt werden. Diese „Repeater-Funktion" kann in beliebige der obigen Ausgestaltungen integriert werden, indem geeignete Niederfrequenzverstärker (< 100 MHz) bei Frequenzen installiert werden, die den ZF-Signalen und/oder dem globalen Referenzton entsprechen.
Die Flexibilität von RF-Verteilungssystemen gemäß der Erfindung und ihre zahlreichen Ausgestaltungen ergeben ein Verfahren zum Verteilen von RF-Signalen. In der Tat wird die Fachperson den gegebenen Beispielen die charakteristischen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens entnehmen können.

Claims

System (50) zum Übertragen eines in einer RF-Bandbreite enthaltenen RF-Signals (12) über ein schmalbandiges Medium (60) mit einer Übertragungsbandbreite unter der genannten RF-Bandbreite, wobei das genannte System (50) Folgendes umfasst: ein Empfangsmittel (52) zum Empfangen des genannten RF-Signals (12), ein erstes Mischmittel (56), das mit dem genannten Empfangsmittel (52) und dem genannten schmalbandigen Medium (60) verbunden ist, einen ersten Lokaloszillator (58), der mit dem genannten ersten Mischmittel (56) verbunden ist, ein Übertragungsmittel (95) zum Übertragen des genannten RF-Signals (12) an einem von dem genannten Empfangsmittel (52) entfernten Ort (76), ein zweites Mischmittel (80), das mit dem genannten schmalbandigen Medium (60) und dem genannten Übertragungsmittel (95) verbunden ist, und einen zweiten Lokaloszillator (86), der mit dem genannten zweiten Mischmittel (80) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte System (50) ferner Folgendes umfasst: a) einen globalen Referenzoszillator (66), der mit dem genannten schmalbandigen Medium (60) verbunden ist, um einen globalen Referenzton (102) von hoher Stabilität mit einer Frequenz innerhalb der genannten Übertragungsbandbreite des genannten schmalbandigen Mediums (60) zu dem genannten System (50) zu senden; b) ein erstes Phasenrastungsmittel (92), das dem genannten ersten Lokaloszillator (58) vorgeschaltet und mit dem genannten globalen Referenzoszillator (66) verbunden ist, um ein erstes Einstellsignal (104) von dem genannten globalen Referenzton (102) hoher Stabilität abzuleiten, wobei das genannte erste Einstellsignal (104) den genannten ersten Lokaloszillator (58) so steuert, dass der genannte erste Lokaloszillator (58) einen RF-Referenzton (96) hoher Stabilität erzeugt; wobei das genannte erste Mischmittel den genannten RF-Referenzton (96) hoher Stabilität mit dem genannten RF-Signal (12) mischt, um ein ZF-Signal (94) innerhalb der genannten Übertragungsbandbreite des genannten schmalbandigen Mediums (60) zu erzeugen und das genannte ZF-Signal (94) durch das genannte schmalbandige Medium (60) auszugeben; und c) ein zweites Phasenrastungsmittel (90), das dem genannten zweiten Lokaloszillator (86) vorgeschaltet und mit dem genannten schmalbandigen Medium (60) verbunden ist, um ein zweites Einstellsignal (106) von dem genannten globalen Referenzton (102) hoher Stabilität abzuleiten, das von dem genannten schmalbandigen Medium (60) abgerufen wird, wobei das genannte zweite Einstellsignal (106) den genannten zweiten Lokaloszillator (86) so steuert, dass der genannte zweite Lokaloszillator (86) den genannten RF-Referenzton (96) hoher Stabilität zu dem genannten zweiten Mischmittel ausgibt; wobei das genannte zweite Mischmittel das genannte ZF-Signal (94) von dem genannten schmalbandigen Medium (60) und den genannten RF-Referenzton (96) von dem genannten zweiten Lokaloszillator (86) benutzt, um das genannte RF-Signal (12) mit minimaler Signalverzerrung wiederherzustellen und das genannte RF-Signal (12) zu dem genannten Übertragungsmittel (95) auszugeben.
System nach Anspruch 1, wobei der genannte erste Lokaloszillator (58) ein spannungsgeregelter Oszillator ist, der ursprünglich einen instabilen RF-Referenzton (98) ausgibt, und wobei das genannte erste Phasenrastungsmittel Folgendes umfasst: a) einen Frequenzteiler (62), der mit dem genannten ersten Lokaloszillator (58) verbunden ist, um den genannten instabilen RF-Referenzton (98) zu unterteilen, um einen instabilen ZF-Referenzton (100) abzuleiten, der eng mit der Frequenz des genannten globalen Referenztons (102) hoher Stabilität übereinstimmt; b) einen Phasenkomparator (64), der mit dem genannten globalen Referenzoszillator (66) und dem genannten Frequenzteiler (62) verbunden ist, um das genannte erste Einstellsignal (104) als Reaktion auf den genannten instabilen ZF-Referenzton (100) und den genannten globalen Referenzton (102) hoher Stabilität zu erzeugen; und c) einen Filter (72), der mit dem genannten Phasenkomparator (64) und dem genannten ersten Lokaloszillator (58) verbunden ist, um das genannte erste Einstellsignal (104) zu filtern und es dem genannten ersten Lokaloszillator (58) zuzuführen, wobei das genannte erste Einstellsignal (104) den genannten ersten Lokaloszillator (58) stabilisiert, so dass der genannte erste Lokaloszillator den genannten RF-Referenzton (96) hoher Stabilität erzeugt.
System nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: ein Addiermittel (74), das mit dem genannten schmalbandigen Medium (60) und dem genannten globalen Referenzoszillator (66) verbunden ist, um den genannten globalen Referenzton (102) hoher Stabilität zu dem genannten ZF-Signal (94) zu addieren, so dass sowohl das genannte ZF-Signal (94) als auch der genannte globale Referenzton (102) durch das genannte schmalbandige Medium (60) übertragen werden.
System nach Anspruch 1, wobei der genannte zweite Lokaloszillator (86) ein spannungsgeregelter Oszillator ist, der ursprünglich einen instabilen RF-Referenzton ausgibt, und wobei das genannte zweite Phasenrastungsmittel (90) Folgendes umfasst: a) einen Frequenzteiler (84), der mit dem genannten zweiten Lokaloszillator (86) verbunden ist, um den genannten instabilen RF-Referenzton zu unterteilen, um einen instabilen ZF-Referenzton abzuleiten, der eng mit der Frequenz des genannten globalen Referenztons (102) hoher Stabilität übereinstimmt; b) einen Phasenkomparator (82), der mit dem genannten Frequenzteiler (84) verbunden ist, um den genannten instabilen ZF-Referenzton mit dem genannten globalen Referenzton (102) hoher Stabilität zu rasten, so dass der genannte Phasenkomparator (82) das genannte zweite Einstellsignal (106) erzeugt; und c) einen Filter (88), der mit dem genannten Phasenkomparator (82) und dem genannten zweiten Lokaloszillator (86) verbunden ist, um das genannte zweite Einstellsignal (106) zu filtern und es dem genannten zweiten Lokaloszillator (86) zuzuführen, wobei das genannte zweite Einstellsignal (106) den genannten zweiten Lokaloszillator (86) stabilisiert, so dass der genannte zweite Lokaloszillator (86) den genannten RF-Referenzton (96) hoher Stabilität erzeugt.
System nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: einen Verteilungshub (68) zur Aufnahme des genannten globalen Referenzoszillators (66), so dass der genannte globale Referenzton (102) hoher Stabilität dem genannten System (50) von dem genannten Verteilungshub (68) zugeführt wird.
System nach Anspruch 1, wobei das genannte schmalbandige Medium ein Netzwerk umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die genannte RF-Bandbreite aus der Gruppe von RF-Bandbreiten ausgewählt wird, die für zelluläre Kommunikationen, drahtlose Telefonie, lokale RF-Kommunikationen, Satellitenfernsehen, interaktives Multimedia-Video, lokale Bereichsnetze mit hoher Bitrate verwendet werden.
System nach Anspruch 1, wobei die genannte RF-Bandbreite schmäler ist als die genannte Übertragungsbandbreite des genannten schmalbandigen Mediums.
System nach Anspruch 9, bei dem das genannte schmalbandige Medium aus der Gruppe bestehend aus 10 Base T Kabel, Telefondraht, faseroptischem Kabel, ungeschirmtem Kabel und Stromkabel ausgewählt wird.
System nach Anspruch 1, bei dem die Frequenz des globalen Referenztons (102) nicht mit der Bandbreite des ZF-Signals (94) überlappt.
System nach Anspruch 1, wobei die Frequenz des globalen Referenztons (102) unterhalb der Bandbreite des ZF-Signals (94) liegt.
Verfahren zum Übertragen eines in einer RF-Bandbreite enthaltenen RF-Signals (12) über ein schmalbandiges Medium (60) mit einer Übertragungsbandbreite unter der genannten RF-Bandbreite, wobei das genannte Verfahren die Schritte des Empfangens des genannten RF-Signals (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: a) Senden eines globalen Referenztons (102) hoher Stabilität mit einer Frequenz innerhalb der genannten Übertragungsbandbreite zu dem genannten schmalbandigen Medium (60) und zu einem Phasenrastungsmittel (92); b) Erzeugen eines instabilen RF-Referenztons (98); c) Ableiten eines instabilen ZF-Referenztons (100) von dem genannten instabilen RF-Referenzton (98), wobei der genannte instabile ZF-Referenzton (100) eng mit der Frequenz des genannten globalen Referenztons (102) hoher Stabilität übereinstimmt; d) Ableiten eines ersten Einstellsignals (104) von dem genannten instabilen ZF-Referenzton (100) und dem genannten globalen Referenzton (102) hoher Stabilität; e) Erzeugen eines RF-Referenztons (96) hoher Stabilität gemäß dem genannten ersten Einstellsignal (104); f) Mischen des genannten ersten RF-Referenztons (96) hoher Stabilität mit dem genannten RF-Signal (12), um ein ZF-Signal (94) innerhalb der genannten Übertragungsbandbreite zu erzeugen; g) Empfangen des genannten globalen Referenztons (102) hoher Stabilität und des genannten ZF-Signals (94) durch das genannte schmalbandige Medium (60) an einer entfernten Stelle; h) Ableiten, an der genannten entfernten Stelle, eines zweiten Einstellsignals (106) von dem genannten globalen Referenzton (102) hoher Stabilität und eines instabilen ZF-Referenztons, der eng mit der Frequenz des genannten globalen Referenztons (102) hoher Stabilität übereinstimmt; i) Erzeugen des genannten RF-Referenztons (96) hoher Stabilität gemäß dem genannten zweiten Einstellsignal (106) an der genannten entfernten Stelle; und j) Mischen des genannten RF-Referenztons (96) hoher Stabilität mit dem genannten ZF-Signal (94) an der genannten entfernten Stelle, um das genannte RF-Signal (12) mit minimaler Signalverzerrung wiederherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das genannte RF-Signal an einer Basisstation empfangen und durch das genannte schmalbandige Medium zu einem entfernten Versorgungsort gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das genannte RF-Signal an einem entfernten Versorgungsort empfangen und durch das genannte schmalbandige Medium zu einer Basisstation gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das genannte RF-Signal bidirektional über das genannte schmalbandige Medium übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das genannte ZF-Signal bei seiner Passage durch das genannte schmalbandige Medium verstärkt wird.