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Hintergrund
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Antennenvorrichtung zum Abschätzen der Eintreffrichtung von
Funkwellen zum Verändern
des Ausstrahlungsmusters der Antenne, wobei die Antenne in der Basisstation
eines Systems der Mobilkommunikation, beispielsweise in einem tragbaren
Telefon, einem PHS oder einem Pager, verwendet wird.
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Auf dem Gebiet der Mobilkommunikation
finden beispielsweise der Mehrfachzugriff im Zeitmultiplex (Time
Division Multiple Acces TDMA), der Mehrfachzugriff im Frequenzmultiplex
(Frequency Division Multiple Acces FDMA) und der Mehrzugriff durch
Codetrennung (Code Division Multiple Access CDMA) als Systeme zur
Unterbringung einer Vielzahl von Mobilstationen in einem jeder Basisstation
zugewiesenen Gebiet praktische Verwendung. Eine Basisstation weist
ein Versorgungsgebiet einer vorab festgelegten festen Größe auf und
verbindet nur die in diesem Gebiet befindlichen Mobilstationen funktechnisch
miteinander. Die von der Basisstation und von den im Versorgungsgebiet
der Basisstation befindlichen Mobilstationen verwendete Frequenz
ist zudem derart vorab festgelegt, dass bei benachbarten Basisstationen
und bei den Mobilstationen untereinander keine Interferenzen auftreten.
Daher ist bei den vorstehend erläuterten
Systemen die Anzahl der im Gebiet einer Basisstation untergebrachten
Mobilstationen beschränkt.
Insbesondere ist beim TDMA-System diese Anzahl durch die Gesamtzahl
der den Mobilstationen zugewiesenen Kommunikationsplätze beschränkt. Beim
FDMA-System ist
die Anzahl durch die Gesamtzahl der Frequenzkanäle beschränkt. Beim CDMA-System ist die
Gesamtzahl wiederum durch das vom Verhältnis der Datenübertragungsrate
und der Spreizspektrenchiprate abhängige Entstörvermögen beschränkt.
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Als Verfahren zum Hinausschieben
der Maximalzahl untergebrachter Mobilstationen wurde die „Dynamische
Zonenkonfiguration" (Dynamic Zone Configuration) vorgeschlagen.
Bei diesem Verfahren wird das Ausstrahlungsmuster der Antenne einer
Basisstation entsprechend der Anzahl der im Umfeld der Basisstation
befindlichen Mobilstationen und deren Richtungen derart verändert, dass
die Haupterstreckung des Gebietes des Ausstrahlungsmusters in Richtung
desjenigen Ortes umgelenkt wird, an dem die große Anzahl von Mobilstationen
befindlich ist. Dadurch wird es möglich, ein im Kommunikationsverkehr
auftretendes Ungleichgewicht zu beseitigen, das in einem Gebiet
auftritt, in dem eine Basisstation befindlich ist, wobei allerdings
die Form des Gebietes fest ist. So wird es möglich, die Gesamtzahl der Endteilnehmer
beziehungsweise Mobilstationen zu vergrößern. Zudem ist es bei diesem
Verfahren möglich, Interferenzen
zwischen verschiedenen Mobilstationen und Basisstationen zu verringern
und die kommunikationstechnisch überbrückbare Entfernung
dadurch zu vergrößern, dass
der Strahl des Ausstrahlungsmusters eng gewählt wird. Zur praktischen Durchführung des
Verfahrens ist es notwendig, die Anzahl von Mobilstationen und deren
Richtungen abzuschätzen,
was dadurch erfolgt, dass die Eintreffrichtungen der Funkwellen
von den Mobilstationen vorab abgeschätzt werden, und die Richtung
des Leistungsmaximums oder die Nullrichtung des Antennenausstrahlungsmusters
in die abschätzte
Richtung umgelenkt wird. Bei einem herkömmlichen Verfahren wird dies
durch einen Aufbau mit einer Einheit zum Abschätzen der Eintreffrichtung der
Funkwellen, einer Einheit zum Erzeugen eines digitalen Strahles und
anderen Einheiten unter Verwendung des MUSIC- und ESPRIT-Verfahrens als Verfahren
zum Abschätzen
der Eintreffrichtung der Funkwellen erreicht, wobei letztere Verfahren
beispielsweise in „Trial
Manufacture and Evaluation of Broadband Adaptive Array Antenna"
(Technical Report of IEICE, AP97-96, 1997-07, Seiten 39 bis 44)
beschrieben sind.
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Bei dem vorstehend erläuterten
herkömmlichen
Verfahren mit dem MUSIC- und ES-PRIT-Verfahren
als Verfahren zum Abschätzen
der Eintreffrichtung der Funkwellen ist es notwendig, zum Erhalten
der Abschätzung
eine große
Anzahl von Daten zu sampeln sowie zur Durchführung der Abschätzung eine
große
Anzahl von Berechnungen, beispielsweise von Kovarianzmatrizen, Eigenwerten
und Eigenvektoren, verarbeitungstechnisch vorzunehmen.
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Zudem ist es schwierig, eine Parallelverarbeitung
von Berechnungen – die
im Allgemeinen zum Zwecke der Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit
vorgenommen wird – vorzunehmen,
da die vorstehend erläuterten
Verfahren eine Matrizenberechnung mit einer großen Anzahl von Elementen bedingen.
Es besteht daher das Problem, dass die herkömmlichen Verfahren nicht in
Fällen
geeignet sind, in denen davon auszugehen ist, dass sich eine Mobilstation
mit großer
Geschwindigkeit im Umfeld einer Basisstation vorbeibewegt.
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Die US-A-5,515,378 offenbart die
Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Antennenvorrichtung zum Abschätzen der Eintreffrichtung von
Funkwellen bereitzustellen, wobei die Antennenvorrichtung in annehmbarer
Zeit eine Verarbeitung beim Abschätzen der Eintreffrichtung und
eine Veränderung
des Ausstrahlungsmusters der Antenne bei einer sich im Umfeld einer
Basisstation mit großer
Geschwindigkeit bewegenden Mobilstation ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Antennenvorrichtung
zum Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen gelöst, umfassend eine Array-Antenne mit
einer Vielzahl von Antennenelementen jeweils zum Empfangen einer
von einer Mobilstation gesendeten Funkwelle in einer Basisstation;
eine Frequenzumwandlungseinheit zum Umwandeln der Frequenz eines
an jedem Antennenelement der Array-Antenne empfangenen Funkfrequenzsignals
in ein jeweiliges Zwischenfrequenzsignal; eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit
zum Umwandeln des Zwischenfrequenzsignals in digitale Daten; eine Downsample-Einheit
zum Sampeln der in der Analog-Digital-Umwandlungseinheit erhaltenen
digitalen Daten auf eine niedrigere Frequenz; eine Eintreffrichtungsabschätzeinheit
zum Abschätzen
der Eintreffrichtung der Funkwelle unter Verwendung der in der Analog-Digital-Umwandlungseinheit
umgewandelten digitalen Daten; eine Eintreffrichtungserfasseinheit
zum Abschätzen
einer Änderung
der Eintreffrichtung der Funkwelle von der Mobilstation unter Verwendung
eines in der Eintreffrichtungsabschätzeinheit abgeschätzten Ergebnisses
als Anfangswert und unter Verwendung in der Downsample-Einheit auf eine
niedrigere Frequenz gesampelter digitaler Daten, um sequentiell
eine Richtung zu bestimmen.
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Entsprechend dem vorstehend erläuterten Aufbau
schätzt
die Eintreffrichtungsabschätzeinheit in
gewissen Zeitabständen
unter Verwendung des MUSIC- oder ESPRIT-Verfahrens die Anzahl der im Umfeld
der Basisstation befindlichen Mobilstationen sowie deren Richtungen
ab. Unter Verwendung der abgeschätzten
Werte als Anfangswerte berechnet die Eintreffrichtungserfasseinheit
die Differenz zwischen der aktuellen Richtung, in der sich die Mobilstation
befindet, und einer vorhergehenden Richtung, die ei nen Sample vor
dem aktuellen Zeitpunkt erhalten wurde, und schätzt die Richtung der Mobilstation unter
Verwendung der digitalen Daten ab. Es ist daher möglich, die
Verarbeitung beim Abschätzen
der Richtung der Mobilstation zu vereinfachen und die Anzahl der
Mobilstationen und deren Richtungen richtig zu bestimmen, da die
Eintreffrichtungsabschätzeinheit
die Anzahl der Mobilstationen und deren Richtungen in gewissen Zeitabständen abschätzt, wodurch
die Erfassung einer Änderung
der Anzahl der Mobilstationen möglich
wird. Des Weiteren schätzt
die Eintreffrichtungsabschätzeinheit
die Eintreffrichtung einer Funkwelle in kurzen Zeitabständen ab,
sodass die Eintreffrichtungserfasseinheit die Bewegung einer Mobilstation
angemessen erfassen kann.
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Die vorstehende Aufgabe wie auch
andere Aufgaben und Merkmale werden bei einer Betrachtung der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung deutlich, in
der Ausführungsbeispiele
beispielhalber dargestellt sind.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Diagramm, das bestimmte Betriebsvorgänge in einer Eintreffrichtungsabschätzeinheit
und einer Eintreffrichtungserfasseinheit bei der in 1 dargestellten Antennenvorrichtung zeigt.
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3 ist
ein Diagramm, das ein bestimmtes Beispiel einer Strahlbildungseinheit
bei der in 1 dargestellten
Antennenvorrichtung zeigt.
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4 ist
ein Diagramm, das ein erstes Beispiel einer Downsample-Einheit bei
der in 1 dargestellten
Antennenvorrichtung zeigt.
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5 ist
ein Diagramm, das ein zweites Beispiel einer Downsample-Einheit
bei der in 1 dargestellten
Antennenvorrichtung zeigt.
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6 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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7 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel einer Sendestrahlbildungseinheit
für die
Antennenvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
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8 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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9 ist
ein Konzeptdiagramm, das Betriebsvorgänge einer Antennenschalteinheit
der Antennenvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
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10 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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11 ist
ein Diagramm, das das Prinzip der Phasenberichtigung darstellt.
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12 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung anhand der 1 bis 12 beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 11 eine Array-Antenne, die in einer Basisstation
vorgesehen ist und eine Vielzahl von Antennenelementen zum Empfangen
von Mobilstationen gesendeter Funkwellen aufweist. Bezugszeichen 12 bezeichnet eine
Frequenzumwandlungseinheit, die eine Frequenzumwandlung eines an
jedem Antennenelement der Array-Antenne 11 empfangenen
Funkfrequenzsignals in ein jeweiliges Zwischenfrequenzsignal vornimmt.
Bezugszei chen 13 bezeichnet eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit,
die das Zwischenfrequenzsignal in digitale Daten umwandelt. Bezugszeichen 14 bezeichnet
eine Downsample-Einheit 13, die die digitalen Daten aus
der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 auf eine niedrigere
Frequenz sampelt. Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Eintreffrichtungsabschätzeinheit,
die die Eintreffrichtung einer Funkwelle unter Verwendung der in
der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 umgewandelten
Daten abschätzt.
Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Eintreffrichtungserfasseinheit,
die eine Veränderung
der Eintreffrichtung der Funkwelle von der Mobilstation unter Verwendung
des in der Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 abgeschätzten Ergebnisses
als Anfangswert und unter Verwendung der in der Downsample-Einheit 14 auf
eine niedrigere Frequenz gesampelten digitalen Daten abschätzt, um
sequentiell die Richtung zu bestimmen. Bezugszeichen 17 bezeichnet
eine Strahlbildungseinheit, die einen Ausstrahlungsstrahl einer
Antenne in Richtung der Mobilstation richtet. Bezugszeichen 18 bezeichnet
eine Demodulationseinheit, die ein in der Strahlbildungseinheit 17 erhaltenes
verarbeitetes Ergebnis einer Demodulation unterzieht.
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Die Strahlbildungseinheit 17 bestimmt
einen jeweiligen Gewichtungskoeffizient für ein an jedem Antennenelement
der Array-Antenne 11 empfangenes Signal unter Verwendung
des in der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 abgeschätzten Ergebnisses, multipliziert
die in der Downsample-Einheit 14 einer Umwandlung in eine
zweite Frequenz unterzogenen digitalen Daten mit den Gewichtungskoeffizienten und
addiert alle multiplizierten Ergebnisse, was eine Funktion zum Ausrichten
des Ausstrahlungsstrahles in Richtung der Mobilstation ergibt.
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2 ist
ein Diagramm, das bestimmte Betriebsvorgänge der Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 und
der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 zeigt. In 2 bezeichnen Bezugszeichen 21A, 21B, 21C und 21D eine
Verarbeitung in der Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 und Bezugszeichen 22A, 22B und 22C eine
Verarbeitung in der Eintreffrichtungserfasseinheit 16.
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3 stellt
ein besonderes Beispiel einer Strahlbildungseinheit 17 dar.
In 3 bezeichnen Bezugszeichen 31 eine
Fouriertransformationseinheit, Bezugszeichen 32A, 32B und 32C jeweils
einen Multiplizieren sowie Bezugszeichen 33 einen Addierer.
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4 stellt
ein erstes besonderes Beispiel einer Downsample-Einheit dar. In 4 bezeichnen Bezugszeichen 41 eine
Downsample-Einheit zur Erfassung der Eintreffrichtung und Bezugszeichen 42 eine
Downsample-Einheit zur Strahlbildung.
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5 stellt
ein zweites besonderes Beispiel der Downsample-Einheit dar. In 5 bezeichnen Bezugszeichen 51 eine
Downsample-Einheit zur Erfassung der Eintreffrichtung, Bezugszeichen 52 eine Downsample-Einheit
zur Strahlbildung und Bezugszeichen 53 eine Verzögerungseinheit.
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert Betriebsvorgänge bei
einer Antennenvorrichtung zum Abschätzen der Eintreffrichtung von
Funkwellen, wobei die Antennenvorrichtung wie vorstehend beschrieben
aufgebaut ist. Wie in 1 gezeigt
ist, empfängt,
wenn eine Mobilstation im Umfeld einer Basisstation zu senden beginnt,
die Basisstation über
die Array-Antenne 11 die von der Mobilstation gesendete
Funkwelle. Das an jedem Antennenelement der Array-Antenne 11 empfangene
Funkfrequenzsignal wird in der Frequenzumwandlungseinheit 12 einer
Frequenzumwandlung mit einem lokalen Signal derselben Phase unterzogen,
um ein Zwischenfrequenzsignal zu erhalten. Daher weisen die Zwischensignale,
deren Anzahl dieselbe wie diejenige der Antennenelemente ist, jeweils
dieselben relativen Phasendifferenzen und dieselben relativen Amplitudenverhältnisse
wie die an den Antennenelementen empfangenen Funksignale auf. Die
Zwischenfrequenzsignale werden in der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 in
digitale Daten umgewandelt. Sobald eine vorab festgelegte Anzahl
von Samples der digitalen Daten erreicht ist, schätzt die Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 mittels
eines Eigenwerte und Eigenvektoren verwendenden Verfahrens, wie
beispielsweise dem MUSIC- und
ESPRIT-Verfahren, die Eintreffrichtung der Funkwelle von der Mobilstation
ab, wodurch die Richtung des Ortes, an dem die Mobilstation befindlich
ist, abgeschätzt
wird.
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Die Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 gibt das
abgeschätzte
Ergebnis diskontinuierlich zu demjenigem Zeitpunkt aus, zu dem die
Verarbeitung abgeschlossen ist, und nicht während derjenigen Zeitspanne,
in der die vorab festgelegte Anzahl der digitalen Daten noch nicht
erreicht ist. Sodann wird die Verarbeitung beim Abschätzen der
Eintreffrichtung der Funkwelle unter Verwendung der erhaltenen digitalen
Daten abgeschlossen. Das in der Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 erhaltene
abgeschätzte
Ergebnis zeigt die Anzahl der Mobilstationen und die Richtung der
Orte an, an denen die Mobilstatio nen befindlich sind, und wird der
Eintreffrichtungserfasseinheit 16 als Anfangswert zugeführt. Die Downsample-Einheit 14 wandelt
die digitalen Daten mit einer in der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 vorgesehenen
Umwandlungsfrequenz in digitale Daten um, wobei die Umwandlungsfrequenz
niedriger als die in der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 vorgesehene
ist. Eine derartige Umwandlung wird durch einen Aufbau bewerkstelligt,
bei dem beispielsweise die Downsample-Einheit 14 digitale
Daten ausgibt, die in der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 bei
einem von N Malen (wobei N ein ganzzahliger Wert ist) der Umwandlung
unterworfen werden. 4 stellt
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Downsample-Einheit dar. In 4 beträgt die Mittenfrequenz
des Zwischenfrequenzsignals 450 kHz. Die Sample-Frequenz in der
Analog-Digital-Umwandlungseinheit
beträgt
1,2 MSamples/Sek. Die Downsample-Einheit 14 zur Erfassung
der Eintreffrichtung gibt einen von 1200 Samples der von der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 ausgegebenen
Daten mit einer Rate von 1 KSample/Sek aus, was der Verarbeitungsrate
der Eintreffrichtungserfasseinheit 14 entspricht. Die Downsample-Einheit 42 zur
Strahlbildung gibt einen von 6 Samples mit einer Rate von 200 KSamples/Sek
aus. Die Rate von 200 KSamples/Sek beträgt 1/(M + 0,25) (M = 1) mal der
Frequenz 450 kHz eines Zwischenfrequenzsignals. In diesem Fall werden
die Daten auf Signale mit einer Mittenfrequenz von 50 kHz gesampelt.
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5 zeigt
ein zweites besonderes Ausführungsbeispiel
der Downsample-Einheit. Wie 5 zeigt,
beträgt
die Mittenfrequenz des Zwischenfrequenzsignals 450 kHz. Die Sample-Frequenz
in der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 beträgt 1,8 MSamples/Sek.
Die Downsample-Einheit 15 zur Erfassung der Eintreffrichtung
gibt einen von 1800 Samples der von der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 ausgegebenen
Daten mit einer Rate von 1 KSample/Sek aus, was der Verarbeitungsrate
der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 entspricht. Die Downsample-Einheit 52 zur
Strahlbildung gibt einen von 16 Samples mit einer Ausgaberate von
112,5 KSamples/Sek aus. Die Rate von 112,5 KSamples/Sek ist 1/(M
+ 0,25) mal der Zwischenfrequenz + (Bandbreite/2), wobei die Zwischenfrequenz
gleich 450 kHz, die Bandbreite gleich 56,25 und M gleich 4 ist.
In diesem Fall werden die Daten zu Signalen mit einer Mittenfrequenz
von 0 kHz gesampelt. Die Verzögerungseinheit 53 stellt
eine einem Sample von 1,8 MSample/Sek entsprechende Verzögerung bereit. Entsprechend
der vorstehend beschriebenen Verarbeitung ist es möglich, I-
und Q-Signale unter Verwendung downgesampelter Daten und verzögerter downgesampelter
Daten zu erhalten, wodurch die Vor richtung in die Lage versetzt
wird, die Frequenzumwandlung auch ohne einen Mischerschaltkreis vorzunehmen.
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Wie 1 zeigt,
schätzt
die Eintreffrichtungserfasseinheit 16 anschließend die
Richtung einer sich bewegenden Mobilstation durch sequentielle Verarbeitung
unter Verwendung der Anzahl der Mobilstationen und der Richtungen
der Mobilstationen, die die in der Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 abgeschätzten Ergebnisse
darstellen, als Anfangswerte ab. 2 stellt
eine Beziehung zwischen der Verarbeitung in der Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 und
der Verarbeitung in der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 bei
sich bewegender Mobilstation dar. Zu dem Zeitpunkt 21A gibt
die Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 das
abgeschätzte
Ergebnis aus. Zu den Zeitpunkten 21A bis 22B (22A),
zu denen die Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 einen
nächsten
Wert mittels Stapelverarbeitung, beispielsweise Datensammlung und
Berechnung der Eigenwerte, ausgibt, gibt die Eintreffrichtungserfasseinheit 16 ein
abgeschätztes
Ergebnis sequentiell unter Verwendung des zu dem Zeitpunkt 21A erhaltenen
Ergebnisses aus, wann immer ein Eingabedatensample eintrifft. Die
Verarbeitung in der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 wird
beispielsweise unter Verwendung des im Detail bei „A Recursive
Algorithm for Tracking DOA's of Moving Targets by Using Linear Approximations" (spawc'
97 in Paris, 1997, von N. Kagiwada et al.) beschriebenen Verfahrens
ausgeführt.
Bei diesem Verfahren werden der Winkel der Richtung einer Mobilstation
und die Änderung
des Winkels der Mobilstation abgeschätzt, um das quadratisches Mittel
der Differenz zwischen dem abgeschätzten Wert eines an jedem Antennenelement
der Array-Antenne 11 aktuellen abgeschätzten Signals, das aus einen
Sample vor dem aktuellen Sample gesampelten Daten und der zugehörigen Änderungsrate
abgeschätzt
wurde, und einem an jedem Antennenelement der Array-Antenne 11 aktuell
empfangenen Signal zu minimieren.
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Die Strahlbildungseinheit 17 berechnet
das Ausstrahlungsmuster der Antenne derart, dass das Leistungsmaximum
des Ausstrahlungsmusters in die in der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 abgeschätzte Richtung
der Mobilstation umgelenkt wird. 3 stellt
einen besonderen Verarbeitungsinhalt der Strahlbildungseinheit 17 dar.
Die in der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 abgeschätzten Daten
hinsichtlich der Eintreffrichtung der von der Mobilstation gesendeten
Funkwellen werden als Koeffizient bei der Erzeugung eines Ausstrahlungsstrahles
der Antenne verwendet. Die Fouriertransformationseinheit 31 un terwirft
die abgeschätzten
Daten einer Fouriertransformation, wodurch ein jeweiliger Gewichtungskoeffizient
für das
an jedem Antennenelement empfangene Signal erhalten wird. Als Verfahren
zur Erzeugung eines Ausstrahlungsstrahles einer Antenne wird beispielsweise
das Sample-Verfahren nach Woodward-Lawson (Einzelheiten siehe „Antenna
Theory and Design" von W. L. Stutzmann et al., Wiley 1981, Seiten
534 bis 536) verwendet. In der Strahlbildungseinheit 17 multiplizieren
die Multiplizieren 32A, 32B und 32C jeweils
jeweilige digitale Daten mit einem Gewichtungskoeffizient. Anschließend addiert
der Addierer 33 die Daten für alle Antennenelemente. Die Demodulationseinheit 18 führt eine
Demodulation unter Verwendung der in der Strahlbildungseinheit 17 verwendeten
Ergebnisse durch.
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Wie vorstehend beschrieben, schätzt bei
diesem Ausführungsbeispiel
die Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 Anfangswerte
für die
Anzahl der Mobilstationen und deren Richtungen ab. Sodann führt die
Eintreffrichtungserfasseinheit 16 auf der Grundlage der
Anfangswerte sequentiell eine Verarbeitung durch, um die Richtung
des Ortes abzuschätzen,
an dem eine Mobilstation befindlich ist. Die Strahlbildungseinheit 17 bildet
einen Ausstrahlungsstrahl der Antenne. Sodann wird die Demodulation
durchgeführt.
Es ist daher möglich,
den Antennenstrahl genau auf eine sich mit hoher Geschwindigkeit
bewegende Mobilstation zu richten, und dadurch eine qualitativ hochwertige Übertragung
zwischen der Basisstation und den Mobilstationen zu erhalten.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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6 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie aus 6 hervorgeht, weist die Antennenvorrichtung
zum Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen denselben Aufbau wie diejenige des ersten Ausführungsbeispieles
auf. In 6 bezeichnet
Bezugszeichen 11 eine Array-Antenne, die in einer Basisstation vorgesehen ist
und eine Vielzahl von Antennenelementen zum Empfangen von Mobilstationen
gesendeter Funkwellen aufweist. Bezugszeichen 12 bezeichnet
eine Frequenzumwandlungseinheit, die eine Frequenzumwandlung eines
an jedem Antennenelement der Array-Antenne 11 empfangenen
Funkfrequenzsignals in ein jeweiliges Zwischenfrequenzsignal vornimmt. Bezugszeichen 13 be zeichnet
eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit, die das Zwischenfrequenzsignal
in digitale Daten umwandelt. Bezugszeichen 14 bezeichnet
eine Downsample-Einheit 13, die die digitalen Daten aus
der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 auf eine niedrigere
Frequenz sampelt. Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Eintreffrichtungsabschätzeinheit,
die die Eintreffrichtung einer Funkwelle unter Verwendung der in
der Analog-Digital-Umwandlungseinheit 13 umgewandelten
digitalen Daten abschätzt.
Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Eintreffrichtungserfasseinheit,
die eine Veränderung der
Eintreffrichtung der Funkwelle von der Mobilstation unter Verwendung
der in der Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 abgeschätzten Ergebnisse
als Anfangswerte und unter Verwendung der in der Downsample-Einheit 14 auf
eine niedrigere Frequenz gesampelten digitalen Daten abschätzt, um sequentiell
die Richtung zu bestimmen. Bezugszeichen 17 bezeichnet
eine Strahlbildungseinheit, die einen Ausstrahlungsstrahl einer
Antenne in Richtung der Mobilstation richtet. Bezugszeichen 18 bezeichnet
eine Demodulationseinheit, die ein in der Strahlbildungseinheit 17 erhaltenes
verarbeitetes Ergebnis einer Demodulation unterwirft. Die Strahlbildungseinheit 17 bestimmt
einen jeweiligen Gewichtungskoeffizient für ein an jedem Antennenelement
der Array-Antenne 11 empfangenes Signal unter Verwendung
des in der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 abgeschätzten Signals,
multipliziert die in der Downsample-Einheit 14 einer Umwandlung
in eine zweite Frequenz unterworfenen digitalen Daten mit den Gewichtungskoeffizient
und addiert alle multiplizierten Ergebnisse, was eine Funktion zum
Ausrichten des Ausstrahlungsstrahles in Richtung der Mobilstation
ergibt.
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Des Weiteren ist die Vorrichtung
des zweiten Ausführungsbeispieles
mit einer Sendefunktionseinheit versehen. In 6a bezeichnet
Bezugszeichen 61 eine Array-Sendeantenne, die in einer Basisstation
vorgesehen ist und eine Vielzahl von Antennenelementen zum Senden
eines Sendesignals an eine Mobilstation aufweist. Bezugszeichen 62 bezeichnet eine
Frequenzumwandlungseinheit, die eine Frequenzumwandlung eines Analog-Signals
in ein Sendefunkfrequenzsignal vornimmt, das der Array-Antenne 61 zugeführt wird.
Bezugszeichen 64 bezeichnet eine Sendestrahlbildungseinheit,
die ein Basisbandsignal mit einem jedem Antennenelement entsprechenden
und von der Empfangsstrahlbildungseinheit 17 bestimmten
Gewichtungskoeffizient multipliziert, um ein gewichtetes Sendesignal
zu erzeugen, und einen Ausstrahlungsstrahl der Antenne in Richtung
der Mobilstation richtet. Bezugszeichen 63 bezeichnet eine
Digital-Analog-Umwandlungseinheit,
die das gewichtete Sendesignal in ein analoges Sendesi gnal umwandelt.
Bezugszeichen 65 bezeichnet eine Modulationseinheit, die
ein moduliertes Signal der zu sendenden digitalen Basisbandsignale
erzeugt. Des Weiteren weist die Array-Antenne 61 eine Funktion
zum Senden des Sendefunkfrequenzsignals auf.
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7 ist
ein Diagramm, das ein bestimmtes Beispiel der Sendestrahlbildungseinheit
zeigt. In 7 bezeichnen
Bezugszeichen 71A, 71B und 71C jeweils
einen Multiplizieren, der modulierte Daten mit einem Gewichtungskoeffizient
multipliziert.
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert Betriebsvorgänge in der
Antennenvorrichtung zum Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen, wobei die Antennenvorrichtung
wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel
anhand 6 beschrieben
wurde, wird die Richtung einer Mobilstation durch die Eintreffrichtungsabschätzeinheit 15 und
die Eintreffrichtungserfasseinheit 16 abgeschätzt. Auf
der Grundlage des abgeschätzten
Ergebnisses wird ein Gewichtungskoeffizient von der Strahlbildungseinheit 17 bestimmt.
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Die Modulationseinheit 65 erzeugt
ein moduliertes Signal des an die Mobilstation zu sendenden digitalen
Basisbandsignals. Ein gewichtetes Sendesignal wird erzeugt, indem
das modulierte Signal mit dem jeweiligen jedem Antennenelement der
Array-Antenne entsprechenden
und von der Strahlformungseinheit 17 zum Zeitpunkt jedes
Empfanges bestimmten Gewichtungskoeffizient multipliziert wird.
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Wie in 7 dargestellt
ist, wird das modulierte Signal des Basisbandsignals einer Multiplikation
mittels einer numerischen Berechnung in jedem der Multiplizierer 71A, 71B und 71C unterworfen. Das
verarbeitete Ergebnis stellt den Antennenelementen entsprechende
digitale Daten dar. Anschließend
werden, wie in 6 dargestellt,
in der Digital-Analog-Umwandlungseinheit 63 digitale Daten
in analoge Signale umgewandelt und sodann in der Frequenzumwandlungseinheit 62 in
das Sendefunkfrequenzsignal umgewandelt. Das Sendefunkfrequenzsignal
wird von der Array-Sendeantenne 61 gesendet, die dieselben
Ausstrahlungseigenschaften wie die Array-Empfangsantenne 11 aufweist,
was bedeutet, dass die Funkwelle mit einem in Richtung der Mobilstation
gerichteten Ausstrahlungsstrahl der Antenne gesendet wird. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
sind die Array-Empfangsantenne 11 und die Array-Sendeantenne 61 unabhängig voneinander
angeordnet. So wird es möglich
zu verhindern, dass ein Sendesignal zur Empfangs einheit gelangt,
wodurch einer Verschlechterung der Empfangsleistung vorgebeugt wird.
Zudem wird es für
den Fall eines Kommunikationssystems, in dem Sende- und Empfangszeitgaben
nach der Zeit eingeteilt werden, möglich, eine gemeinsame Array-Antenne als Array-Sendeantenne 61 und
als Array-Empfangsantenne 11 zu verwenden, indem die Vorrichtung
mit einem Schalter versehen wird, der in zeitlicher Abstimmung mit
den Zeitgaben zwischen Senden und Empfangen hin- und herschaltet.
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Wie vorstehend beschrieben ist es,
da der in der Strahlbildungsvorrichtung 17 zum Zeitpunkt
des Empfanges bestimmte Gewichtungskoeffizient ohne irgendeine Art
von Verarbeitung bestimmt wird, bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung
möglich, einen
Sendestrahl in der Sendestrahlbildungseinheit 64 mit einem
einfachen Aufbau auf die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende
Mobilstation auszurichten. Des Weiteren wird es, indem der Sendestrahl
geeignet ausgebildet wird, möglich,
die Erzeugung von Interferenzen bei anderen Basis- und Mobilstationen zu
verhindern und daher die Sendeleistung zu der angepeilten Mobilstation
zu senken.
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Bei der Antennenvorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann, da die Vorrichtung mit einer Array-Sendeantenne
zum Senden eines Sendefunkfrequenzsignals und einer Empfangsantenne
getrennt versehen ist, die Übertragung
ohne gegenseitige Interferenz der gesendeten und der empfangenen
Signale in dem HF-Schaltkreis vorgenommen werden.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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8 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
zeigt. In 8 bezeichnen
Bezugszeichen 81 eine Sektorantenne, Bezugszeichen 82 eine
Antennenschalteinheit und Bezugszeichen 83 eine Frequenzumwandlungseinheit. 9 ist ein Konzeptdiagramm,
das Betriebsvorgänge
einer Antennenschalteinheit zeigt. In 9 bezeichnen
Bezugszeichen 91A, 91B, 91C, 91D, 91E und 91F jeweils
ein Antennenausstrahlungsmuster eines jeweiligen Antennenelementes
der Sektorantenne, Bezugszeichen 83 eine Array-Antenne
und Bezugszeichen 84 eine Mobilstation.
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert Betriebsvorgänge in der
Antennenvorrichtung zum Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen, wobei die Antennenvorrichtung
wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist. Wie 8 zeigt, schätzt die Eintreffrichtungserfasseinheit 16 die
Richtung des Ortes ab, an dem eine Mobilstation befindlich ist.
Das abgeschätzte
Ergebnis wird der Antennenschalteinheit 82 zugeführt. Die
Antennenschalteinheit 82 wählt aus den Antennenelementen
der Sektorantenne 81 ein Antennenelement aus, dessen Ausstrahlungsmuster
eine Haupterstreckung in Richtung der Mobilstation aufweist. Bei
dem Beispiel gemäß 9 setzt sich die Sektorantenne 92 aus
sechs Antennenelementen zusammen. Jedes Antennenelement weist ein
Antennenausstrahlungsmuster auf, das zum Senden oder Empfangen von
Funkwellen in einem Winkelbereich von 60°, wie in 9 jeweils mit 92A bis 92F bezeichnet,
vorgesehen ist. In diesem Fall wird die Richtung einer Mobilstation
in Abhängigkeit
von den von der Array-Antenne 93 empfangenen Funkwellen
abgeschätzt.
Sodann wählt
die Antennenschalteinheit 82 ein Antennenelement 92A,
von dem die Haupterstreckung des Ausstrahlungsmusters in Richtung
der Mobilstation 94 gerichtet ist, wodurch eine Funkwelle
von einer Mobilstation empfangen beziehungsweise eine Funkwelle
an eine Mobilstation gesendet wird. In 8 sind neben der Frequenzumwandlungseinheit 12 jeweils
die Frequenzumwandlungseinheit 83 und die Frequenzumwandlungseinheit 62 zur
Demodulation und Modulation vorgesehen.
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Wie vorstehend beschrieben, ist es,
da die Vorrichtung zum Senden oder Empfangen in Abhängigkeit
von einer in der Eintreffrichtungserfasseinheit abgeschätzten Richtung
einer Mobilstation eine Sektorantenne auch für den Fall schaltet, dass eine Übertragung
mit einer im Vergleich zur möglichen Rate
bei der digitalen Verarbeitung hohen Rate erfolgt, bei diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung möglich,
das Antennenausstrahlungsmuster zu verändern, um eine Datenübertragung
mit hoher Genauigkeit auszuführen.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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10 zeigt
den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum Abschätzen der Eintreffrichtung von Funkwellen
entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. In 10 bezeichnen
Bezugszeichen 101 eine Phasenberichtigungseinheit, und
Bezugszeichen 102 einen Referenzsender. 11 zeigt das Prinzip der Phasenberichtigung.
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert Betriebsvorgänge in der
Antennenvorrichtung zum Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen, wobei die Antennenvorrichtung
wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist. Wie 10 zeigt, empfängt die Array-Antenne 11 eine
Sendetestsignal von dem Referenzsender 102, der zu der
Array-Antenne 11 hin
weisend angeordnet ist. Jedes Element der Array-Antenne weist bedingt
durch die Weglänge
vom Referenzsender eine Ausbreitungswegdifferenz auf. 11 zeigt ein Beispiel, bei
dem die Array-Antenne 11 mit drei Antennenelementen ein
Signal von dem Referenzsender 102 empfängt und die Phasenberichtigung
vornimmt. Für
den Fall, dass die Array-Antenne drei Elemente aufweist, wird der
Referenzsender vor dem die Mitte der Array-Antenne darstellenden
Antennenelement 111 angeordnet, wobei beide zueinander
weisen. Der Abstand zwischen dem Referenzsender und dem mittleren
Element der Array-Antenne ist vorab festgelegt. In diesem Fall wird der
Abstand als L0 bezeichnet. Wegen des Abstandes d zwischen jedem
Antennenelement der Array-Antenne
sind die Abstände
L1 und L2, die die jeweiligen Abstände von dem Referenzsender
zu den anderen Antennenelementen 112 und 113 der
Array-Antenne bezeichnen, verschieden von 0. Jene Werte erhält man durch
Verwendung nachstehender Beziehung: L1 × L1 = L0 × L0 + d × d und
L2 × L2
= L0 × L0
+ d × d
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Wenn das mittlere Antennenelement
einer Array-Antenne als Referenz verwendet wird, und λ die Ausbreitungswellenlänge der
Funkwelle bezeichnet, erhält
man jede Phasendifferenz an einem jeweiligen Antennenelement wie
folgt:
(L1-L0)/λ an
dem Antennenelement 112,
(L2-L0)/λ an dem Antennenelement 113.
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Entsprechend werden gemessene und
einer Analog-Digital-Umwandlung unterzogene Daten zwischen den Antennenelementen
verglichen, und der erhaltene Wert wird als Berichtungswert verwendet.
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Wie vorstehend beschrieben, ist es,
da die Phasenberichtigung unter Verwendung des Sendetestsignals
von dem Referenzsender vorgenommen wird, bei diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung möglich,
eine durch Toleranzen von Geräteelementen
wie Antennenelementen und HF-Schaltkreisen bedingte Verschiebung
von Amplitude und Phase zu berichtigen, wodurch eine hohe Genauigkeit
beim Abschätzen
der Eintreffrichtung möglich
wird.
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Bei der Antennenvorrichtung der vorliegenden
Erfindung empfängt
die Array-Antenne ein Signal von einem Referenzsender, der zu der
Array-Antenne hin weisend angeordnet ist. Die Datenberichtigungseinheit
vergleicht die Phasenamplitude der von der Analog-Digital-Umwandlungseinheit
ausgegebenen digitalen Daten entsprechend jedem Antennenelement,
berechnet den Berichtungswert einschließlich der Wegdifferenz und
addiert die Berichtigungswerte zu den digitalen Daten. Sodann schätzen unter Verwendung
der so erhaltenen Daten die Eintreffrichtungsabschätzeinheit
und die Eintreffrichtungserfasseinheit die Eintreffrichtung ab,
und die Datenberichtigungseinheit berichtigt den Fehler des Schaltkreises.
So wird es möglich,
Phasendifferenzen zu beseitigen, es sei denn, es handelt sich um
eine Phasendifferenz, die durch den Winkel der Eintreffrichtung
der jedem Antennenelement zuzuführenden Funkwelle
bedingt ist.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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12 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Antennenvorrichtung zum
Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. In 12 bezeichnen
Bezugszeichen 121 eine Sendedatenerzeugungseinheit, Bezugszeichen 122 eine
Mobilstation, Bezugszeichen 123 eine Demodulationseinheit,
Bezugszeichen 124 einen Azimuthmagnet, Bezugszeichen 125 eine
Azimuthbestimmungseinheit für
die Basisstation, Bezugszeichen 126 eine Antenne und Bezugszeichen 127 eine Anzeigeeinheit.
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert Betriebsvorgänge in der
Antennenvorrichtung zum Abschätzen
der Eintreffrichtung von Funkwellen, wobei die Antennenvorrichtung
wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist. In 11 erzeugt die Sendedatenerzeugungseinheit 121 in
Abhängigkeit
von einer von der Eintreffrichtungserfasseinheit 16 abgeschätzten Richtung
der Mobilstation Daten, die den Winkel zwischen der Richtung und
beispielsweise „Norden"
darstellen. Die erhaltenen Daten werden der Modulationseinheit 65 zugeführt, um
von der Array-Sendeantenne 61 als Sendesignal gesendet
zu werden. Andererseits kennt, da die Mobilstation mit dem Azimuthmagnet 124 versehen
ist, die Mobilstation die Richtung, beispielsweise „Norden".
In Abhängigkeit
von den zwei Arten von Information bestimmt die Azimuthbestimmungseinheit 125 für die Basisstation
die Richtung der Basisstation. Die Anzeigeeinheit 127 zeigt
das jeweilige Ergebnis an. Ist die Mobilstation beweglich, beispielsweise
im Falle eines tragbaren Endgerätes,
richtet eine die Mobilstation haltende Person die Mobilstation in
Abhängigkeit
von der Information, die in der Azimuthbestimmungseinheit für die Basisstation
erhalten wurde, in Richtung der Basisstation aus.
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Wie vorstehend beschrieben, ist es
bei diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
den Fall einer aus Platz- und Kostengründen keine Eintreffrichtungsabschätzeinheit
aufweisenden Mobilstation möglich,
die Richtung der Basisstation zu bestimmen und die Mobilstation
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Information in Richtung der Basisstation auszurichten,
um eine hochzuverlässige
Datenübertragung sicherzustellen.
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Wie vorstehend beschrieben wird es
endungsgemäß möglich, die
Verarbeitung beim Abschätzen
der Eintreffrichtung und die Veränderung des
Ausstrahlungsmusters der Antenne bei einer sich im Umfeld einer
Basisstation mit großer
Geschwindigkeit bewegenden Mobilstation in annehmbarer Zeit vorzunehmen.
So wird es möglich,
eine hochzuverlässige
Datenübertragung
vorzunehmen, Interferenzen mit anderen Basis- und Mobilstationen zu
verringern und zudem die Übertragungsleistung zu
senken.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
können
zahlreiche Änderungen
und Abwandlungen daran vorgenommen werden, ohne ihren Schutzbereich
zu verlassen.