JP2014501463A - 位相ダイバーシチを伴う広帯域サンプリング - Google Patents

Abstract

高周波信号用の受信装置の動作方法であって、高周波信号を受信し、処理するための少なくとも２つのアンテナ（２、４）が設けられており、受信された高周波信号の受信の質に依存して切り替えをする方法において、各アンテナ（２、４）によって受信された高周波信号の周波数領域全体を、広帯域変換器（６、７）を用いて、アナログ信号からデジタル信号へと変換し、その後、周波数選択を行う。

Description

本発明は、独立請求項の各上位概念の特徴部分に記載されている、高周波信号用の受信装置の動作方法並びに、当該方法に従って動作する受信装置に関する。

自動車技術においては、高周波信号（例えば無線信号またはテレビ信号）用の受信装置を動作させるための方法が既に使用されている。ここでこの点に関して、高周波信号受信および処理用のアンテナをそれぞれ１つ備えた少なくとも２つの受信経路が設けられており、受信された高周波信号の受信の質に依存して、１つの受信経路から少なくとも別の受信経路への切り替えが行われる。このような方法は、アンテナダイバーシチシステムと称され、高周波信号の受信を改善するために、殊に、ラジオ放送受信またはテレビ放送受信を改善するために用いられる。受信改善は、少なくとも２つ（または複数の）アンテナ信号を適切に、位相に合わせて追加することによる、（受信信号の反射によって生じる）多経路ノイズの低減も、感度向上のためのアンテナ利得の獲得も目標にしている。

従来技術として、このようなアンテナダイバーシチシステムが図２に示されている。ここでは例えば２つの受信経路が存在する。ここでは、各受信経路内にアンテナ１００、２００が設けられている。アンテナダイバーシチシステムの構成によっては、２つよりも多くの受信経路も考えられる。各受信経路内には、高周波部分１０１、１０２が設けられている。これによって、アンテナ１００、２００によって受信された高周波信号が処理される。この処理は、位相同期回路（ＰＬＬ）および相応する選択方法によって、受信された高周波信号から、受信すべき送信者（送信周波数）が選択されるように行われる。その後、適切かつ公知の手段およびアルゴリズムを用いて、選択された高周波信号が各アナログ中間周波数信号（ＺＦ信号）に変換される。ここで各アナログＺＦ信号は属するアナログ／デジタル変換器１０３、１０４に供給される。アナログ／デジタル変換器は、適切なおよび既知のアルゴリズムによって、自身の入力側に印加されたアナログＺＦ信号を、デジタルＺＦ信号に変換する。しかしアナログ／デジタル変換器１０３、１０４の出力側のこのデジタルＺＦ信号は、ＺＦフィルタ１０５、１０６に供給される必要はない。アナログ／デジタル変換器１０３、１０４の出力信号はフィルタリングされなくてもよく、またはＺＦフィルタ１０５、１０６の出力信号は切り替えスイッチ１０７並びに位相ダイバーシチ装置１０８に供給される。出力側では、切り替えスイッチ１０７も、位相ダイバーシチ装置１０８も、属する復調器１０９、１１０と接続されている。これらの復調器は、供給されたデジタルＺＦ信号を適切な信号、再生に適切な信号、殊にマルチプレックス信号（ＭＰＸ信号）に処理する。相応の再生装置が設けられているが、これは図２には示されていない。

２つまたはそれよりも多くのアンテナ信号を適切に、位相を合わせて追加することによって多経路ノイズを低減する方法は、例えば、用語「フェイズドダイバーシチアンテナ」ないしは「フェイズドアレイアンテナ」のもとで、基本的に知られている。「フェイズドアレイアンテナ」によるこのような方法は、図３に、従来技術として示されている。

移相器内の既知でない量α、βの調整基準および増幅ないしは緩衝としてのａ、ｂは、既知の方法に従って生じる。テスト信号を伝送する場合には、これはいわゆる「Winner解」を介して、またはブラインド等化の場合には、例えば、既知の「Constant Modulus Algorithm（ＣＭＡ）」等の適切な方法を介して行われる。

上述した方法は、自動車内での受信、殊に超短波領域におけるラジオ放送の受信のために、ますます使用されるようになってきている。なぜならここでは、場所変換が絶え間なく起こることによって、受信される高周波信号の、反射によってトリガされるノイズに対する高い脆弱性が生じてしまうからである。超短波ラジオ放送信号も、自身の波長が短いことによって、また、変調方法／復調方法に基づいて、多経路ノイズの影響を非常に受けやすいものである。

従って改善のために既に、超短波でのラジオ・データ・システム（ＲＤＳ）の使用時に、受信が悪い場合に、択一的な周波数に切り替えられることが行われている。このために、１つまたは複数の受信器を用いる多くの方法が存在する。受信された高周波信号を処理するこれらの公知のシステムおよび方法では、共通して、位相同期回路（ＰＬＬ）が短時間で、この周波数変換を実行する。しかし受信器（受信経路）は、それぞれ、周波数のみを位相制御を介して調整することができるので、２つの受信経路が同じ受信周波数に同調されている場合にのみ公知のダイバーシチシステムも動作する。ＲＤＳによって受信されたデータの内容を利用して、周波数変換が行われる場合には、基本的に、２つの受信経路によって並行して切り替えを実現することができる、または、受信器によって選択肢を事前に検査するためにダイバーシチシステムを解体することができる、および／または補助受信経路によって、例えば切り替えスイッチを介して、少なくとも２つのアンテナの信号を別個に評価することができる。

しかしこの公知のシステムおよび方法は、基本的に欠点を有している。２つの受信器が、ある周波数から別の周波数への切り替えを並行かつ同時に実施する場合、可聴または可視のノイズが信号内での隙間によって生じてしまう。この隙間は、位相同期回路の整定時間によって生じる。従って欠点として、この時点では、択一的な周波数が実際に改善された受信を提供することが保証されない。ダイバーシチシステムを解体することによって別の手段を使用する場合、ダイバーシチでの聞こえるないしは見える周波数とダイバーシチを用いない選択肢との正確な比較が一層不正確になり、最適な選択肢の選択に関して判断を誤ってしまうことがある。

信号内のノイズを低減するための最適化タスクの他に、次のような要望が同時に生じる。この要望は、可聴（ないしは可視の）周波数および適切な択一的な周波数を選択する最適なストラテジーの他に、例えば、付加的にトラフィック無線メッセージまたは別のサービスを受信したい、という要望である。これらは、必ずしも、聞こえるまたは見える周波数で行われる必要はない。このために、多くの場合、付加的な受信器が構成される、または図２に示されているように、短時間、２つの受信経路のうちの１つを使用する。しかしこれは、視聴プログラムに対する位相ダイバーシチを介したノイズ低減が実施されない、という欠点を有している。

上述した欠点は、同調ユニットを備えた受信経路および属するＨＦ部分の数を、並行して観察されるべき送信周波数の所望の数に相応して増やすことによって、部分的または完全に除去される。しかしこれによって、コストが不相応に上昇してしまう。従って、このようなシステムの実現に関して、受信特性は改善されるが、コスト状況は極めて不満足なものになる。すなわち、全てのソリューションおよびストラテジーでは、高いコスト上の欠点が生じるか、または受信システムの性能に関する不所望な妥協が甘受されなければならない。

従って本発明の課題は、冒頭に記載した欠点を回避する、ダイバーシチ原理に従った高周波信号用の受信装置の動作方法を提供する方法、並びにこの方法に従って動作する受信装置を提供することである。

本発明では、方法に対しては、各アンテナによって受信された高周波信号の周波数領域全体が、アンテナに後置接続されている広帯域変換器によって、アナログ信号からデジタルシングに変換され、その後の周波数選択が行われる。すなわち、本発明の基本的な考えは、図２に示されているように、高周波領域において、再生されるべき周波数（すなわち、ラジオ放送送信機またはテレビ送信機）を選択することではなく、図１に示されているように、低周波領域、有利には中間周波数領域においてこれを実施することである。半導体技術の進歩によって、性能に関しても、コスト状況に関しても、今日、高解像度のアナログ／デジタル変換器を製造することが可能である。これは極めて高い帯域幅を有している。極めて高い帯域幅を有するこの高解像度ＡＤ変換器の様式はここでは、広帯域幅変換器と称される。従って、例えば、このような広帯域幅変換器によって、約８８ＭＨｚ〜１０８ＭＨｚまでの全体的な超短波帯域がスキャンされ、供給された高周波アナログ信号が相応するデジタル高周波信号に変換される。

本発明の発展形態では、デジタル信号は少なくとも１つの混合装置に供給される。ここでこの信号は、混合装置内で、少なくとも１つの発振器の少なくとも１つの信号と乗算され、これによって、少なくとも１つの中間周波数信号（ＺＦ信号）が得られる。すなわちこれは、デジタルレベルで、所望の周波数の混合および選択が行われ、これに続いて復調されることを意味している。この混合は有利には、広帯域変換器の出力信号と発振器の出力信号との乗算として行われる。有利には、数値制御発振器（ＮＣＯ）の出力信号との乗算として行われる。ＺＦ周波数に下降するように混合される。このＺＦ周波数はデジタル領域における、０ＭＨｚよりも大きい適切な中間周波数であり得る。これに対して択一的に、基本帯域に混ぜられる。これはこの箇所では重要ではない。

本発明の発展形態では、少なくとも１つのＺＦ信号がＺＦフィルタに供給され、フィルタリングされる。これによって、有利にはさらなるノイズ成分が除去される。

発明の方法を実施する受信装置の例 従来技術としてのアンテナダイバーシチシステム 従来技術としてのフェイズドアレイアンテナによる方法を示す図

次に、図１を参照して、本発明の方法を、この方法を実施する例示的な受信装置に基づいて、より詳細に説明する。

図１には、参照番号１によって、受信装置が示されている。この受信装置は、本発明の方法を実施するのに適しており、かつ本発明の方法を実施するように構成されている。位相ダイバーシチによって広帯域スキャンをする受信装置１は、ここでは、３つの受信経路を有している。これらの受信経路については後で詳細に述べる。しかしこの方法は、このような３つの受信経路に制限されず、４つ、５つ、または５つよりも多くの受信経路を有することもできる。この場合には、図１に示された受信装置１の記載されているエレメントの数は何倍にも増える。

この点において（従来技術に関して説明された受信経路とは異なり）、この１つの受信経路内に、後置接続されたＨＦ部分を有するアンテナ２が設けられている。ここではこれと同様に、この受信経路の別の部分に、アンテナ４と後置接続されたＨＦ部分５が設けられている。ＨＦ部分３、５は、図２に示されたＨＦ部分と、位相同期回路および受信された高周波信号選択を有していない、という点において異なっている。

受信されたアナログ信号１および２は、ＨＦ部分３、５の出力側から、各広帯域変換器６、７に出力される。この広帯域変換器６、７は、ＨＦ部分３、５のアナログ信号１、２の全体的な広帯域をアナログからデジタルに変換するのに適しており、そのために構成されている。ここで帯域幅とは例えば超短波の場合には、欧州において約８８ＭＨｚから１０８ＭＨｚまでの帯域であると理解されたい。この上述された帯域幅は単なる例であって、受信されるべき高周波信号の帯域幅に応じて変更され、場合によっては著しく変更される。

広帯域変換器６、７の出力側には、相応する数で、少なくとも１つの混合装置が接続されている。すなわち、各広帯域変換器６、７のデジタル出力信号は、属する混合装置８〜１３に供給される。この実施例では、広帯域変換器６には３つの混合装置８〜１０が後置接続され、これと同様に、第２の広帯域変換器７には、３つの混合装置１１〜１３が後置接続されている。

ここで、各広帯域変換器６ないしは７に、３つの混合装置が後置接続されるのではなく、１つまたは２つの混合装置のみが、または３つよりも多くの混合装置が後置接続されることもある。

しかし相応数の混合装置８〜１３においては、ＺＦフィルタ１４〜１９が必ずしも設けられていなくてもよい。このＺＦフィルタ１４〜によって、属する混合装置８〜１３の出力信号がフィルタリングされる。従って、ノイズにつながり得る不所望な信号成分がフィルタリングされる。

所望の周波数（すなわち、聞くべきおよび／または見るべき所望の送信者）へ受信装置１を同調させるために、上述のように、各広帯域変換器６、７のデジタル出力信号が属する混合装置８〜１３に供給される。ここでこれらの信号は各混合装置８〜１３内で、少なくとも１つの発振器２０〜２２の少なくとも１つの信号と乗算されて、少なくとも１つのＺＦ信号が得られる。この実施例では、発振器２０〜２２は、数値発振器２０（ＮＣＯ：数値制御発振器）として構成されている。これは、極めて迅速に、極めて低コストにかつとりわけ極めて正確に、所望の周波数に同調される、という利点を有している。

すなわち、デジタルレベルでは、（乗算による）混合および所望の周波数の選択が行われる。所望の周波数（すなわち、受信すべき送信機）の選択は、各混合装置８〜１３のフィルタリングされていない出力信号ないしは属するＺＦフィルタ１４〜１９の出力信号が、位相ダイバーシチ装置２３〜２５に供給されることによって行われる。各位相ダイバーシチ装置２３〜２５の出力信号は次に、属する復調器２６〜２８に供給される。この復調器は、再生に適している出力信号を供給する。

図１では、各広帯域変換器６、７のデジタル出力信号が属する混合装置８〜１３に供給され、次に、属する発振器２０〜２２の信号と乗算されて、フィルタリングされずまたはフィルタリングされて、このようにして得られたＺＦ信号が属する位相ダイバーシチ装置２３〜２５に供給されることが読み取れる。ここでは各位相ダイバーシチ装置２３〜２５の出力信号が属する復調器２６〜２８に供給される。すなわち、図１に示されているように、混合と復調との間に、位相ダイバーシチ装置２３〜２５を中間接続することによって、相応する回路部分を何倍にも増やすことによって、複数の周波数に対して並行して、位相ダイバーシチを実行することができる。すなわち、これによって例えば、復調器の出力側に最新の、聞かれるまたは見られるべき信号が印加される。また同時に、背後で、択一的な周波数を探すことができる。択一的な周波数が見つけられると、これに同調される。従って、その後、プログラム再生のためのある周波数を有する受信経路から、プログラムは同じであるが、改善された受信特性（より高い受信レベル等のより良好な受信の質）を有する、再生のための、択一的な周波数の別の受信経路へと切り替えられるべきか否かが判断される。

本発明の記載との関連において、用語「受信経路」が何を意味しているのか理解するために、以降の記載を参照されたい。

図１に示された受信装置は、アンテナ２からＨＦ部分３を介して第１の広帯域変換器６に至る高周波信号の信号路を有している。この他に、別の信号経路が設けられる。この信号経路は、別のアンテナ４から、ＨＦ部分５を介して、広帯域変換器７へと続く。各広帯域変換器６、７の出力側には相応の数で、混合装置８〜１３および後続するエレメントが後置接続されているので、これによって、第１の受信経路が広帯域変換器６の出力側から、混合装置８、場合によってはＺＦフィルタ１４を介して位相ダイバーシチ装置２３へと続くことが規定される。相応に、別の受信経路が同様に構成されている。これに加えて、第１の全体信号経路がアンテナ２からＨＦ部分３を介して、さらに広帯域変換器６、混合装置８、場合によってはＺＦフィルタ１４を介して、位相ダイバーシチ装置２３を介して、復調器２６まで続いている。これと同様に、別の全体信号経路がアンテナ４からＨＦ部分５、広帯域変換器７、混合装置１１、場合によってはＺＦフィルタ１７を介して、さらに位相ダイバーシチ装置２３を介して、復調器２６まで続いている。さらに図１から、同様に、混合装置９、１０および１２、１３を介して同様に、この関連において、受信経路が形成され、かつ全体信号経路が、アンテナ２、４、ＨＦ部分３、５並びに広帯域変換器６、７を考慮して形成されることが読み取れる。

図１に示された受信装置１の設計に基づいて、さらに、再生されるべき同じプログラムに、既存の受信経路を用いて同調させるか、または３つの異なる択一的な周波数に同調させることが可能である。これに対して択一的に、上述した方法によって、２つの択一的な周波数に同調させ、受信の質に応じて、これらの２つの受信周波数間で切り替えをすることができる。他方では第３の復調器において、背後で、別のプログラムが受信される。この第３の受信されたプログラムは例えば、トラフィック無線メッセージに関して評価される。３つの受信周波数に対する２つのアンテナを備えた受信経路の上述した数は、その数において固定されていない。従って、３つのアンテナと３つの受信経路を有するシステムでは、同様に３つの受信経路が評価され、さらに処理される。しかし、３つよりも多くの受信経路を有していても、３つよりも多くの送信機に同調されてもよい。すなわち、図１に示されている受信装置１内に設けられているような、相応する回路部分を何倍にも増やすことによって、複数の周波数に対して並行に位相ダイバーシチを実行することができる。３つの受信周波数に対する二倍のアンテナダイバーシチを有する、図１に示されたこの実施例は、今日の半導体技術によって、容易に、小さくかつ極めて低コストに実現可能である。同時に、関与しているデバイスの計算速度が著しく上昇する。従って、１つ回路部分または複数の回路部分を１つの演算装置によって、多重において、実現することも可能である。

少なくとも２つの復調器（例えば２６、２７または２７、２８または２６、２８）の出力側に、または２つよりも多くの復調器に、評価装置が接続されている。この評価装置は、属する復調器の信号を得て、これを、所定の判断基準に基づいて評価する。これらの基準は、例えば、レベルまたは受信の質である。次に、評価装置の入力側には、再生されるべき信号（殊に低周波信号）が印加される。これは、例えばラジオ信号、テレビ信号またはその他の信号であり得る。すなわち、一方の受信経路から別の受信経路への切り替えはここでは、評価装置において行われる。

相応する回路分を何倍にも増やすことによって、複数の周波数に対して並行してどのように位相ダイバーシチが実施されるのかを明らかにするために、さらに、以下のことを参照されたい。「何倍にも増やす」とは、図１内に設けられ、説明された構成部分が、同様に、各受信経路に対して追加さられることである。すなわち、別の受信経路が同様に少なくともアンテナ２、４および属するＨＦ部分３、５を利用するだろう。ここでこのＨＦ部分には、さらなる広帯域変換器が後置接続されている。この広帯域変換器にはこの場合には相応の数において、別の受信経路におけるように、混合装置も後置接続されるであろう。これはＺＦフィルタの付加または省略と同様である。付加的な混合装置の出力信号ないしは付加的なＺＦフィルタの出力信号は、適切に、さらなる位相ダイバーシチ装置およびさらに後置接続されている復調器に供給されるだろう。

１ 受信装置、 ２ 第１のアンテナ、 ３ 第１のＨＦ部分、 ４ 別のアンテナ、 ５ 別のＨＦ部分、 ６ 第１の広帯域変換器、 ７ 別の広帯域変換器、 ８ 混合装置、 ９ 混合装置、 １０ 混合装置、 １１ 混合装置、 １２ 混合装置、 １３ 混合装置、 １４ ＺＦフィルタ、 １５ ＺＦフィルタ、 １６ ＺＦフィルタ、 １７ ＺＦフィルタ、 １８ ＺＦフィルタ、 １９ ＺＦフィルタ、 ２０ 発振器、 ２１ 発振器、 ２２ 発振器、 ２３ 位相ダイバーシチ装置、 ２４ 位相ダイバーシチ装置、 ２５ 位相ダイバーシチ装置、 ２６ 復調器、 ２７ 復調器、 ２８ 復調器

Claims (9)

1. 高周波信号用の受信装置の動作方法であって、
   前記高周波信号を受信し、処理するための少なくとも２つのアンテナ（２、４）が設けられており、前記受信された高周波信号の受信の質に依存して切り替えをする方法において、
   前記各アンテナ（２、４）によって受信された高周波信号の周波数領域全体を、広帯域変換器（６、７）を用いて、アナログ信号からデジタル信号へと変換し、その後、周波数選択を行う、
   ことを特徴とする、高周波信号用の受信装置の動作方法。
2. 前記デジタル信号を少なくとも１つの混合装置（８〜１３）に供給し、少なくとも１つのＺＦ信号を得るために、少なくとも１つの発振器（２０〜２２）の少なくとも１つの信号と前記信号を前記混合装置（８〜１３）内で乗算する、請求項１記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの発振器（２０〜２２）の信号を、数値制御発振器によって生成する、請求項２記載の方法。
4. 少なくとも１つのＺＦ信号をＺＦフィルタ（１４〜１９）に供給する、請求項３記載の方法。
5. 前記少なくとも１つのフィルタリングされていない、またはフィルタリングされたＺＦ信号を位相ダイバーシチ装置（２３〜２５）に供給し、当該位相ダイバーシチ装置（２３〜２５）内での処理の後に復調器（２６〜２８）に供給する、請求項３または４記載の方法。
6. 各受信経路において、前記各広帯域変換器（６、７）のデジタル出力信号を、属する前記混合装置（８〜１３）に供給し、属する前記発振器（２０〜２２）の信号と乗算し、フィルタリングせず、またはフィルタリングして、各受信経路に対して前記のようにして得られたＺＦ信号を、属する前記位相ダイバーシチ装置（２３〜２５）に供給する、請求項１から５までのいずれか一項記載の方法。
7. 各位相ダイバーシチ装置（２３〜２５）に、それぞれ、各受信経路から得られたＺＦ信号を供給する、請求項１から６までのいずれか一項記載の方法。
8. 再生されるべき前記一つの同じプログラムに同調させるか、または３つの異なる択一的な周波数に同調させるか、または２つの択一的な周波数に同調させて、受信の質に応じて、前記２つの受信周波数間を切り替え、ここで同時に、背後で、別のプログラムを受信する、請求項１から７までのいずれか一項記載の方法。
9. 請求項１から８の少なくとも一項記載の方法を実施するように構成されている、
   ことを特徴とする、高周波信号を受信および処理するための受信装置。

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