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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Mehrträger-Funkkommunika,tionssystem
mit Diversity-Empfang und insbesondere ein solches System für die Verwendung
mit einer digitalen Funkkamera.
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Analoge
Funkkameras sind gut bekannt. Es gibt mehrere Typen. Ein Beispiel
ist ein Diversity-Empfangssystem, bei dem eine einzelne Sendeantenne
an einer Kamera vorgesehen ist und eine Mehrzahl von Empfangsantennen
um den Bereich vorgesehen sind, in dem die Kamera arbeitet. Jede Empfangsantenne
prüft wiederholt
Stärke
und Qualität
des von der Funkkamera empfangenen Signals und wählt in Abhängigkeit von dieser Information
aus, welche Empfangsantenne für
einen nachfolgenden Empfang von Signalen von der Kamera verwendet werden
soll.
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Ein
weiterer Systemtyp wurde in unserem britischen Patent Nr. GB-B-2196211
vorgeschlagen. Darin sind eine Mehrzahl von Richtantennen an der Funkkamera
sowie eine einzelne Empfangsantenne vorgesehen. Während der
Bildaustastlücken
eines Videosignals wird von den einzelnen Kameraantennen nacheinander
ein bekanntes Signal gesendet. An der Empfangsantenne befindet sich
eine Schaltung, um zu ermitteln, welche Sendeantenne das beste Signal
im Hinblick auf Stärke
und Qualität
ergab, und ein Auswahlsignal wird über eine VHF-Verbindung zurück zur Funkkamera
gesendet, die dann die geeignete Antenne zur Übertragung des nächsten Feldes
von Videodaten auswählt.
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Zweck
des Entwickelns einer digitalen Funkkamera ist es, ein zuverlässiges System
zu erhalten, das mit digitaler TV-Produktion kompatibel ist. Einfach
analoge Modulation durch digitale zu ersetzen, bietet jedoch nicht
unbedingt das notwendige Maß an Zuverlässigkeit.
Es wird bevorzugt, dass ein System mit einer einfachen Rundstrahlantenne
an einer Kamera in Kombination mit einer Reihe von um den Bereich
von Interesse platzierten Empfangsantennen verwendet wird.
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Herkömmliche
digitale Diversity-Systeme beruhen auf komplexen Empfängern an
jeder Antenne, um das Signal zu verarbeiten, um bei der Entscheidung
zu assistieren, welche Antenne den besten Empfang hat. Diese Systeme
sind häufig
zu teuer.
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Der
Artikel „OFDM
with diversity and coding for advanced cellular internet services" von L. J. Cimini
und N. R. Sollenberger schlägt
einen Diversity-Empfänger
für OFDM
vor, bei dem auch ein Teil von Empfängern an jeder Antenne verwendet
wird, bevor die Signale von diesen Antennen summiert werden.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung haben die Aufgabe, ein
System für
die Verwendung mit einfachen Empfängern bereitzustellen, um die
Kosten zu senken und den Betrieb zu vereinfachen. Eine bevorzugte
Ausgestaltung stellt insbesondere ein Diversity-Empfangssystem unter Anwendung von Mehrantennen-Summierung
zur Erzeugung eines Signals bereit.
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Die
Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten in den beiliegenden
Ansprüchen
definiert, auf die nunmehr Bezug genommen werden sollte.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird nun ausführlich beispielhaft
mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm einer Funkkamera in einem Diversity-Empfangssystem
mit Signalsummierung;
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2 einen
Graph des an der mobilen Kamera von 1 erzeugten
COFDM-Signals;
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3 einen
Graph, der den summierten Ausgang des Addierers in 1 für eine geringe
Verzögerung
zwischen den an den beiden Antennen empfangenen Signalen zeigt;
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4,
die 3 entspricht, das Ergebnis der Einführung einer
längeren
Verzögerung
zwischen den Signalen an den beiden Antennen;
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5 ein
Blockdiagramm einer Ausgestaltung der Erfindung;
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6 ein
Blockdiagramm einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
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7 ein
System, bei dem eine dritte Antenne benötigt wird, um Absorptionsschwund
des Signals zu vermeiden.
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Ein
mit COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) bezeichnetes
System wurde für
DRB (Digital Audio Broadcasting) und digitales terrestrisches Fernsehen
entwickelt. Die Bits jeder digitalen Abtastprobe werden über eine
Reihe von beabstandeten Trägern
in einer Anzahl unterschiedlicher Zeitabstände verteilt. In jedem Zeitintervall
erfolgt eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) der Träger. Jede
FFT umfasst ein so genanntes Symbol und eine Mehrzahl davon werden
zu einem COFDM-Vollbild kombiniert. Die Vollbilder werden dann gesendet.
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Die
frequenzmäßige und
zeitliche Verteilung von Datenbits ergibt ein System, das sehr fehlerbeständig ist
und ein hohes Maß an
Mehrwegverzerrung bewältigen
kann.
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Ein
solches System wird gewöhnlich
als Gleichwellennetz mit einer Mehrzahl von Sendern verwendet, die
synchronisierte Datenframes aussenden. Eventuelle Mehrwegeausbreitungsverzögerungen
in einem solchen System sind gewöhnlich
lang, und infolgedessen sind eventuelle Schwundkerben im empfangenen
Signal gewöhnlich
in Bezug auf die vom ganzen Trägerensemble
belegte Bandbreite schmal. Daher klingen nur einige der Träger ab und mit
einer Fehlerkorrekturcodierung kann die gewünschte Information leicht wiederhergestellt
werden.
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Wir
haben erkannt, dass der Gleichwellenansatz mit einer digitalen Funkkamera
umgekehrt angewendet werden kann. Man bräuchte dazu lediglich alle Empfangsantennenausgänge zu kombinieren, um
ein Signal zu einem einzelnen COFDM-Demodulator zu erzeugen. Damit
würde man
erreichen, dass man eine Mehrzahl von kostenarmen Empfangsstellen
mit nur einem komplexen Decoder hätte.
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In
der Rundfunkanwendung neigen die Mehrwegeausbreitungsverzögerungen
dazu, lang zu sein. Infolgedessen sind durch Mehrwegeausbreitungsverzögerungen
verursachte Schwundkerben gewöhnlich
in Bezug auf die Bandbreite der COFDM-Träger schmal. Somit klingen nur
einige der Träger
ab und mit einer Fehlerkorrekturcodierung kann die benötigte Information
wiederhergestellt werden.
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Es
ist wahrscheinlich, dass die Funkkamera in Situationen verwendet
wird, z.B. in einem Fußballstadion,
in denen die Differentialverzögerungen
des an jeder Empfangsstelle aufgenommenen Signals sehr gering sind.
Dies hat sehr breite Schwundkerben zur Folge, und zuweilen können alle
Träger
verlorengehen. Wenn beispielsweise die Funkkamera in eine Position
praktisch genau zwischen zwei Empfangsantennen mit Zuführungskabeln
gleicher Länge zum
Empfängerdecoder
bewegt wird, dann würden fast
alle Träger
verlorengehen und der Empfängerdecoder
würde kein
Signal erhalten.
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Der
Schwundtyp, der auftreten kann, wird mit Bezug auf die 1, 2, 3 und 4 illustriert. 1 zeigt
eine Funkkamera 2, die ein COFDM-Signal zu einem Paar Empfangsantennen 4 und 6 sendet.
Diese wiederum senden die empfangenen Signale zu einem Addierer 8,
der einen summierten Ausgang zu einem COFDM-Decoder sendet.
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Das
ursprüngliche
an der Funkkamera erzeugte COFDM-Trägerensemble
ist in 2 dargestellt. Wie ersichtlich ist, haben alle
Träger
die gleiche Größe. Daten
werden auf diese mit einem geeigneten Modulationsschema wie z.B.
Vierphasen-Umtastung moduliert. Es ist natürlich die FFT aller dieser Träger, die
von der Kamera übertragen
wird.
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3 zeigt
die Leistungsverteilung der Träger
nach einer Umkehr-FFT am COFDM-Decoder 10. Diese Darstellung
gilt für
eine kleine Verzögerung zwischen
den beiden COFDM-Signalen.
Wie ersichtlich ist, ist eine große Kerbe in der Mitte des Trägerensembles
entstanden, so dass viele der Daten verlorengehen.
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In 4 ist
derselbe Ausgang zu sehen, aber für zwei Signale mit einer weitaus
größeren Verzögerung dazwischen.
Die durch Mehrwegeausbreitung erzeugte Kerbe ist weitaus schmäler als
in 3, und daher sind genügend Daten vorhanden, um die
in der Kerbe verlorenen Daten mittels herkömmlicher Fehlerkorrekturtechniken
wiederherzustellen.
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Die
Interferenzkerbe wurde zwar in den 3 und 4 in
der Mitte des COFDM-Ensembles gezeichnet, sie kann aber tatsächlich überall auftreten.
Es ist zu bemerken, dass mehr als eine Kerbe auftreten kann, wenn
das Ensemble eine größere Bandbreite
hat, da das Dämpfungsprofil
periodisch ist. Ferner nimmt der Frequenzabstand zwischen den Kerben
mit zunehmender Verzögerung ab,
so dass mehr Kerben in das Ensemble eingeführt werden. Die Stärke von
COFDM ist seine Fähigkeit, viele
Kerben zu bewältigen
und das Signal mittels Kanalcodierung trotzdem wiederherstellen
zu können.
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Man
wird verstehen, dass es eine maximale Kerbenbreite Δf gibt, die
toleriert werden kann, bevor zu viele Träger verlorengehen.
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Die
Lösung
des Problems, dass in eingeschränkten
Umgebungen eingesetzte digitale Funkkameras breite Kerben erzeugen,
besteht darin, in jeden Empfangsantennenausgang eine statische Verzögerung einzuführen. Der
Wert der Verzögerung muss
für jede
Antenne anders und groß genug
sein, um zu gewährleisten,
dass die maximale Kerbenbreite niemals einen vorgegebenen Bruchteil
der Bandbreite des COFDM-Ensembles überschreitet. Der genaue Bruchteil
ist von der Fehlerkorrekturtechnik, der Anzahl der Antennen und
der statistischen Verteilung der Kerben abhängig. 5 zeigt
ein Funkkamerasystem mit einer einzelnen Kamera und zwei Empfängern mit
Verzögerungen,
die gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung eingeführt werden. Wie ersichtlich
ist, wurden Verzögerungsglieder 12 und 14 jeweils
in die Zuleitungen von den Antennen 4 und 6 zum
Addierer 8 geschaltet. In der Praxis braucht in einer Situation
wie dieser nur ein Verzögerungsglied
in eine der Antennenzuleitungen geschaltet zu werden. Durch das
Schalten eines Verzögerungsgliedes
in jede Zuleitung erhält
man jedoch ein flexibleres System, bei dem Verzögerungen auf geeignete Weise
je nach der Umgebung justiert werden können, in der das System zum
Einsatz kommen soll.
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An
einem komplexen Ort, der viele Antennen benötigt, ist es nicht notwendig,
jeder Antenne eine eindeutige Verzögerung zu geben. Der Grund
hierfür ist,
dass die Verzögerungen
sich nur für
jeden abgedeckten Bereich zu unterscheiden brauchen. Verzögerungswerte
können
in anderen Bereichen wiederverwendet werden, unter der Voraussetzung,
dass die Funkkamera nicht zu zwei unterschiedlichen Antennen mit
derselben Verzögerung
senden kann, während
sie von einem Bereich zum nächsten
geht. Dadurch wird das Problem vermieden, dass man schließlich zu
große
Verzögerungen
hat, wenn eine große
Zahl von Antennen verwendet wird.
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Ein
solches System ist in 6 illustriert. Darin ist eine
Mehrzahl von Antennen 20 in einem Bereich 22 vorgesehen,
der durch eine Wand begrenzt wird und in dem sich zwei Hindernisse 24 befinden. Es
sind drei mit A, B und C beschriftete Funkkameras dargestellt, die
in diesem Bereich im Einsatz sind.
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Alle
Empfangsantennen 2C sind mit einem Addierer 8 gekoppelt,
der Ausgangssignale für
drei COFDM-Empfänger 10 erzeugt,
eins für
jede Funkkamera.
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Antennen,
die für
eine bestimmte Funkkamera nicht sichtbar sind, können dieselbe Verzögerung haben.
Daher speisen die beiden Antennen 20 unmittelbar neben
dem Hindernis 24 direkt verzögerungsfrei den Addierer 8.
Alle anderen Verzögerungen 30a, b
und c unterscheiden sich. Es ist jedoch ersichtlich, dass zwei der
Antennen 20 durch ein Verzögerungsglied 30a speisen.
Diese sind wiederum für
eine Funkkamera nicht sichtbar. Zweitens sind die Verzögerungsglieder 30b für eine Funkkamera
nicht sichtbar. Es gibt ein Endverzögerungsglied 30c,
das die letzte Antenne 20 mit dem Addierer 8 verbindet.
Die größten Verzögerungen
würden
wohl an den entferntesten Antennen verwendet, um den Effekt zu maximieren.
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Ein
Beispiel für
die Technik wird nachfolgend illustriert. In diesem Beispiel wird
davon ausgegangen, dass ein COFDM-Ensemble von 1000 orthogonalen
Trägern
eine Bandbreite von 20 MHz einnimmt. Diese Bandbreite ist für Strom
außerhalb
von Broadcast-Kanälen
typisch und unterstützt
nahezu 100 Mbits pro Sekunde mit 64 QAM-Modulation (Quadrature Amplitude Modulation,
ein höheres
QPSK-Level). Wenn der Fehlerschutz im COFDM 100% Redundanz im Signal
ergibt, dann könnte
die Videobitrate nahezu 50 Mbits pro Sekunde betragen. Dies könnte ausreichen,
um MPEG2-codierte Signale sehr hoher Qualität zu senden, unter der Voraussetzung,
dass das Schutzintervall zwischen COFDM-Symbolen nicht zu groß ist. Es
wird angenommen, dass, wenn ein Träger in dem Ensemble einen Pegel
6 dB unterhalb des größten Trägers hat,
er nicht wiederherstellbar ist und die Daten nur mit Fehlerkorrektur
wiederhergestellt werden können.
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Die
benötigten
Verzögerungslängen werden dadurch
berechnet, dass zunächst
die kombinierte Leistung P(f) von zwei sich störenden Trägern mit derselben Frequenz
betrachtet wird, die verschiedene Wege durchlaufen haben:
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Dabei
gilt:
- c
- gleich Lichtgeschwindigkeit
- f
- gleich Frequenz
- l
- gleich Weglängendifferenz
im Vakuum
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Daraus
wird ersichtlich, dass die Breite einer Schwundkerbe Δf in einem
COFDM-Ensemble, wo Träger
schwächer
als –6
dB in Bezug auf die maximale Leistung sind, wie folgt lautet:
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Wenn
mit Halbratencodierung gearbeitet wird, dann könnte die Hälfte der Träger in der Kerbe sein (bezieht
sich auf Annäherung).
Wenn das COFDM-Ensemble 20 MHz breit ist, dann beträgt Δf 10 MHz,
was, auf der Basis der obigen Gleichung, 1 = 10 m ergibt.
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Eine
Verzögerung
von 10 m entspricht einer Zeitperiode von 33 ns, was nur ein geringer
Bruchteil einer Symbolperiode von 50 μs ist. In der Praxis wird eine
zusätzliche
Verzögerung
benötigt,
die dem physischen Abstand zwischen den Antennen entspricht, um
zu gewährleisten,
dass die Signale von der Funkkamera weiterhin mit der zulässigen Mindestdifferentialverzögerung in
jeder Kameraposition summiert werden können. Wenn ein Bereich von
z.B. 50 m × 50 m
von vier um die Ränder
positionierten Antennen abgedeckt wird, z.B. eine an jeder Ecke
des Quadrats, dann sollte die Länge
der Differentialverzögerungsleitung
etwa 60 m betragen, um die zulässige Mindestverzögerung zu
halten. Dies ist eine maximale Verzögerung von 180 m für die vierte
Antenne. Diese Abstände
sind Längen
für Übertragungen
im Vakuum und es ist natürlich
besser, Verzögerungszeit zu
benutzen.
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Die
benötigte
Verzögerung
ist im Vergleich zur Videobildsynchronisation kurz, die weiterhin
von einem Bildspeichersynchronisierer korrigiert würde, wie
dies bei Funkkameras üblich
ist. In DAB wird absichtlich eine zusätzliche Verzögerung durch
Zeitverschachteln der Daten als Gegenmaßnahme gegen Schwund eingeführt. Zeitverschachtelung
kann auch im Funkkamerasystem benutzt werden. Die Diversity-Empfangsanordnung
soll jedoch durch den verzögerten
Summierprozess ständig
genügend
Träger zum
Empfänger
senden.
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Die
Länge der
benötigten
Verzögerungen
ist zu groß,
um als Kabelverzögerungen
implementiert zu werden, da Verluste bei den typischen Empfangsmikrowellenfrequenzen
zu hoch wären.
Es wäre
eine Abwärtskonvertierung
des Empfangssignals an der Antenne zum Reduzieren von Kabelverlusten
oder zur Verwendung mit einer SRW-Verzögerungsleitung möglich. Eine
Alternative ist, das Signal auf das Infrarotband aufwärts zu konvertieren
und einen Lichtwellenleiter sowohl als Verzögerungselement als auch als
Verbindungskabel zum Summierungspunkt zu benutzen.
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Die
Anzahl der Antennen, die einen Bereich abdecken, sowie ihr Standort,
sind vom vorhandenen Betrag an Mehrwegeverzerrung abhängig. Es
werden genügend
Antennen benötigt,
um das Problem zu vermeiden, dass alle ein Signal empfangen, das durch
einen Mehrweg mit kurzer Verzögerung
verzerrt ist. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem
Symmetrie verursachte, dass die Antennen 1 und 2 durch Absorptionsschwund
beeinträchtigt
wurden. In einem solchen Fall muss eine dritte Antenne das Signal
wiederherstellen.
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Selbst
bei drei Antennen kann es Positionen geben, in denen alle an Absorptionsschwund
leiden. Die Wahrscheinlichkeit wird jedoch im Vergleich zu einem
System mit nur zwei Antennen verringert. Die räumliche Verteilung ist von
der Betriebsfrequenz abhängig.
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Die
automatische Gewinnregelungsstrategie für die von jeder Antenne empfangenen
Signale würde
von einer Form von Schwellendetektor profitieren, um zu vermeiden,
dass Antennen kein Signal empfangen, das zum Rauschen am Summierpunkt
beiträgt.
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Um
Absorptionsschwund rückgängig zu
machen, müssen
zwei oder mehr Antennen summiert werden. Jede nachfolgende Antenne
benötigt
eine Verzögerung,
die ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Verzögerung ist, um zu vermeiden,
dass sich Verzögerungen
zwischen irgendeinem Antennenpaar auslöschen. So hat die erste Antenne
keine Verzögerung,
die zweite Antenne hat eine erste minimale Verzögerung, die dritte hat das
Zweifache der minimalen Verzögerung
und die vierte hat das Dreifache der minimalen Verzögerung.
So muss ein viertes Antennensystem eine maximale Verzögerung von
3 × 200
haben, nämlich
600 ns. Dies ist etwas über
1% der Symbolrate in diesem Beispiel und hat nur einen geringen
Einfluss auf die Kanalkapazität.
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Indem
das Schutzintervall nahezu um das 20fache verlängert wird, würden beispielsweise
10 μs zwischen
Symbolen eine Gesamtsymbolperiode von 60 μs ergeben. Dies würde immer
noch eine Kanalkapazität
von 100 Mbits pro Sekunde zulassen, während der zulässige Antennenabstand
auf nahezu 1 km erhöht
wird. Dies wäre
z.B. für
den Hubschrauberbetrieb nützlich.
Es gibt verschiedene Optionen zum Ausführen der Verzögerungen,
z.B. Abwärtskonvertierung,
SAW-Verzögerungen,
faseroptische Verzögerungen
usw. Es wäre
möglich,
jedes Antennensignal abwärts
zu konvertieren, um sehr geringe unterschiedliche Zwischenfrequenzen
zu erzeugen, so dass eine kontinuierlich variierende Phasenverschiebung
dazwischen entsteht, und eventuelle Nullen über das Passband im summierten
Signal zu wobbeln. Dies könnte,
in Kombination mit einer begrenzten Zeitverschachtelung, von Vorteil
sein.
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Derzeit
ist COFDM auf eine Bruttobitrate von etwa 50 Mbits pro Sekunde begrenzt,
was einer Videobitrate in der Größenordnung
von 25 Mbit pro Sekunde nahelegt. Das System braucht jedoch keine volle
COFDM-Implementation zu sein. Es könnten andere Mehrträger- oder
Breitbandtechniken zur Anwendung kommen. Die Anwendung von VLSI-Techniken
auf COFDM könnte
jedoch den kompakten benötigten
Schaltkomplex erzeugen, der möglicherweise
die Wirkung haben könnte,
die benötigte
Kapazität zu
erzielen, indem zwei oder mehr COFDM-Ensembles zusammen benutzt
werden.
