Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzversatzdiversitätsempfänger und findet insbesondere, aber nicht ausschließlich, Anwendung bei Mehreingangs-Mehrausgangs-Systemen (Multiple Input Multiple Output Systems, MIMO-Systemen), wie z.B. HIPERLAN 2-Systemen, und Empfängersystemen, die Antennendiversität verwenden.

Ein Frequenzversatzdiversitätsempfänger ist aus den IEEE Transactions on Vehicular Technology, Bd. VT-36, Nr. 2, Mai 1987, beginnend mit Seite 63, „Frequency Offset Receiver Diversity for Differential MSK" von Tatsuro Masamura bekannt. Das beschriebene Empfängerdiversitätsschema ist für die Differenzdetektion von MSK (Minimum Shift Keying, Minimumumtastung) in einem Mobil-Satellitenkommunikationssystem hoher Qualität vorgesehen. Der Empfänger umfasst zwei Empfangszweige, von denen jeder seine eigene Antenne aufweist. Das Signal von jedem Empfangszweig wird in eine unterschiedliche Zwischenfrequenz (ZF) umgesetzt. Die ZF-Signale werden summiert und dann durch einen gemeinsamen Differenzdetektor detektiert. Die mehreren Signale werden in einer ZF-Stufe ohne Phasenjustierer, Signalqualitätsmessschaltungen oder eine Schaltsteuerung kombiniert. Die ZF-Signale unterscheiden sich in der Frequenz um den Trägerfrequenzversatz f_s. Der Frequenzversatz ist derart gewählt, dass er ausreichend groß ist, dass jedwede Störkomponenten in den Produkten der Mischung durch einen Tiefpassfilter unterdrückt werden können, der auf den Differenzdetektor folgt. Jeder der Empfangszweige umfasst effektiv zwei vollständige Empfängerketten, was nicht nur die Komponentenanzahl und dadurch die Kosten erhöht, sondern auch den Stromverbrauch steigert, was in tragbaren Handgeräten unerwünscht ist.

US-Patentspezifikation 5.742.583 betrifft Auswahldiversität und beschreibt ein Verfahren des Kombinierens diverser Spreizspektrumantennensignale, das vermeidet, separate „Rückführkabel" zwischen jeder Antenne und einem jeweiligen Anschluss eines Empfängers bereitstellen zu müssen. In einer Ausführungsform, die zwei Antennen aufweist, ist die Frequenz F₁ eines Spreizspektrumsignals, das an einer der zwei Antennen empfangen wird, um eine Frequenz +F₀ versetzt. Die nicht versetzten und die versetzten Signale werden kombiniert und an ein einzelnes Rückführkabel gelegt. An einer Basisstation wird das kombinierte Signal zerlegt, wobei ein Anteil direkt an einen ersten Empfängeranschluss gelegt wird, während der andere Anteil um –F₀ frequenzverschoben wird und das Ergebnis an einen zweiten Empfängeranschluss gelegt wird. Das nicht versetzte Antennensignal wird am Empfänger unverändert empfangen, und vom versetzten Antennensignal wird der Versatz entfernt, bevor es an den Empfänger gelegt wird. Die Versatzfrequenz F₀ wird so ausgewählt, dass sie so klein wie möglich ist, aber groß genug, um Signaltrennung aufrechtzuerhalten. F₀ kann 1/(2 × CPI) Hz klein sein, wobei CPI das kohärente Verarbeitungsintervall (Coherent Processing Interval) des Spreizspektrumsignals ist. Als Beispiel ist bei einer Spreizbandbreite von 10 MHz das CPI gleich 5 Mikrosekunden, und der Wert von F₀ ist gleich 100 kHz.

In einer zweiten Ausführungsform werden die Antennenspreizspektrumsignale von räumlich getrennten Antennen vor der Übertragung auf einem einzelnen Rückführkabel durch Codemultiplexen behandelt. An der Basisstation wird die Ausgabe aus dem Rückführkabel zerlegt, und die jeweiligen Anteile werden an Korrelatoren gelegt, die die jeweiligen Antennensignale entspreizen und decodieren.

Abgesehen vom Verringern der Anzahl Rückführkabel verringert dieses Verfahren die Anzahl der HF-Ketten im Basisstationsempfänger nicht.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Komponentenanzahl in Frequenzversatzdiversitätsempfängern zu verringern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Frequenzversatzdiversitätsempfänger geschaffen, der räumliche Antennendiversitätsmittel zum Aufnehmen jeweiliger von mindestens zwei modulierten HF-Signalen, wobei die räumlichen Antennendiversitätsmittel einen jeweiligen Ausgang für jedes der mindestens zwei modulierten HF-Eingangssignale aufweisen, ein HF-Signalkombiniermittel, das Signaleingänge und einen Ausgang aufweist, wobei jeder der Signaleingänge durch einen jeweiligen HF-Signalweg mit einem jeweiligen Ausgang der räumlichen Antennendiversitätsmittel gekoppelt ist, HF-Frequenzverschiebungsmittel in allen außer einem der HF-Signalwege und ein Signalverarbeitungsmittel umfasst, das mit dem Ausgang des HF-Signalkombiniermittels gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Frequenzverschiebungsmittel ausgelegt ist, um die Frequenz des HF-Signals in seinem jeweiligen Weg um mindestens einen Kanalabstand in einen jeweiligen Frequenzkanal zu verschieben, der einem Frequenzkanal benachbart ist, der durch das HF-Signal belegt ist, das mit dem einen der HF-Signalwege gekoppelt ist, dadurch, dass das Ausgangssignal vom HF-Signalkombiniermittel ein einzelnes Mehrkanal-HF-Signal umfasst, und dadurch, dass das Signalverarbeitungsmittel eine Zwischenfrequenzstufe (ZF-Stufe), die mit dem Ausgang des HF-Signalkombiniermittels zum Mischen des kombinierten Signals abwärts zum Basisband gekoppelt ist, eine Analog-Digital-Wandlerstufe (AD-Wandlerstufe), die mit der ZF-Stufe gekoppelt ist, um die Basisbandsignale zu digitalisieren, ein Frequenzdemultiplexmittel, das mit der Analog-Digital-Wandlerstufe gekoppelt ist, zum Wiederherstellen der jeweiligen modulierten Basisbandsignale und ein Mittel zum Kombinieren der Basisbandsignale umfasst, um ein Ausgangssignal bereitzustellen.

Im Unterschied zum bekannten Typ von Empfänger, der oben in dem Artikel der IEEE Transactions on Vehicular Technology beschrieben ist, sind die Eingangssignale im Wesentlichen bei HF, wenn sie kombiniert werden, wodurch eine Duplizierung von Komponenten im HF-Abschnitt des Empfängers und die ihnen zugehörigen Kosten vermieden werden. Frequenzabwärtswandlung zum Basisband erfolgt in einer gemeinsamen Stufe, und danach werden die Signale, die digitalisiert worden sind, Frequenzdemultiplexen unterzogen, um die ursprünglich empfangenen Signale wiederherzustellen, die darauf folgend kombiniert werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Frequenzversatzdiversitätsempfängers ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, und

2 ein schematisches Blockschaltbild eines MIMO-Empfängers ist. In den Zeichnungen sind, um entsprechende Merkmale zu bezeichnen, dieselben Bezugszeichen verwendet worden.

Der in 1 gezeigte Empfänger umfasst erste und zweite HF-Empfangszweige 10, 12, die mit jeweiligen Eingängen 11, 13 eines Kombinierers 14 gekoppelt sind. Der erste Empfangszweig 10 umfasst eine erste Antenne 16, die mit dem Eingang 11 des Kombinierers 14 gekoppelt ist. Der zweite Zweig 12 umfasst eine zweite Antenne 18, die von der ersten Antenne 16 räumlich getrennt ist und die über einen Schalter 20 mit einem Filter 22 gekoppelt ist. Ein Ausgang des Filters 22 ist mit einem ersten Eingang 23 eines Mischers 26 gekoppelt. Ein Lokaloszillatorsignal, das eine Frequenz FREQ.A aufweist, wird einem Eingang 24 des Mischers 26 zugeführt, um das Signal auf dem ersten Eingang 23 zu einem Frequenzkanal zu verschieben, der dem Kanal benachbart ist, der durch das Signal im ersten Empfangszweig 10 belegt ist. Ein Ausgang des Mischers 26 wird dem Eingang 13 des Kombinierers 14 zugeführt.

Der Kombinationssignalausgang des Kombinierers 14 wird zum Basisband in zwei Überlagerungsstufen frequenzabwärtsgewandelt, die einen HF-Mischer 28, der von einer geeigneten Quelle eine HF-Lokaloszillatorfrequenz FREQ.B empfängt, um das kombinierte HF-Signal auf eine ZF frequenzabwärtszuwandeln, und einen ZF-Mischer 30 beinhalten, der eine ZF-Lokaloszillatorfrequenz empfängt, um das ZF-Signal auf seinem anderen Eingang zum Basisband frequenzabwärtszuwandeln.

Optional können die Mischer 28 und 30 durch einen einzelnen Mischer (nicht gezeigt) ersetzt werden, in welchem Fall dessen Lokaloszillatorfrequenz ausgewählt wird, um das kombinierte HF-Signal zum Basisband zu wandeln.

Ein Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) 32 digitalisiert das Basisbandsignal vom Mischer 30 und führt es einer Basisbandverarbeitungsstufe 34 zu. Die Stufe 34 umfasst einen Frequenzdemultiplexer 36, der die jeweiligen ursprünglichen Modulationssignale wiederherstellt, die durch die ersten und zweiten Zweige 10, 12 empfangen werden, und sie auf jeweiligen Ausgängen 38, 40 bereitstellt. Das Signal auf dem Ausgang 40 hat die Frequenzverschiebung umgekehrt aufgewiesen, die durch den Mischer 26 erzeugt wird. Diese Ausgänge 38, 40 sind mit einer Phasenausricht- und Kombinationsstufe 42 gekoppelt, die ein einzelnes maximal kombiniertes Signal auf einem Ausgang 44 bereitstellt.

Die Basisbandverarbeitungsstufe 34 beinhaltet eine Nachbarkanalabtaststufe 46, die einen Eingang aufweist, der mit dem Ausgang des AD-Wandlers 32 gekoppelt ist. Die Stufe 46 weist drei Ausgänge 48, 50 und 52 auf. Der Ausgang 48 wird zum selektiven Betätigen des Schalters 20 verwendet, der Ausgang 50 stellt die Frequenz FREQ.A bereit, die verwendet wird, um die Frequenz des HF-Signals im zweiten Empfangszweig 12 zu verschieben, und der Ausgang 52 stellt dem Lokaloszillatoreingang des HF-Mischers 28 die Frequenz FREQ.B bereit.

Der Betrieb des dargestellten Empfängers wird nun mit Unterstützung der eingesetzten Wellenformdiagramme P, Q, R, S, T, V, W und X beschrieben. In den Diagrammen repräsentiert die Abszisse die Frequenz, und die Ordinate repräsentiert die Leistung.

Diagramm P stellt ein einzelnes Kanalsignal dar, das durch die erste Antenne 16 empfangen wird, und Diagramm Q stellt ein einzelnes Kanalsignal dar, das durch die zweite Antenne 18 empfangen wird. Beide Kanäle sind auf 5,2 GHz zentriert. Diagram R stellt das Signal, das durch die zweite Antenne 18 empfangen worden ist und das in der Frequenz um +20 MHz verschoben ist, dar, um so in einem Kanal zu liegen, der jenem benachbart ist, der durch das Signal auf der ersten Antenne 16 belegt ist. Das kombinierte Signal von der Stufe 14 ist in Diagramm S gezeigt, das diese Signale in benachbarten Frequenzdiversitätskanälen befindlich zeigt.

Diagramm T zeigt die kombinierten Signale zum Basisband frequenzabwärtsgewandelt. Diagramme V und W zeigen die jeweiligen Ausgänge 38, 40 vom Frequenzdemultiplexer 36. Im Falle des Diagramms W ist das Signal in der Frequenz zurückverschoben worden und ähnelt jenem, das im Diagramm Q gezeigt ist. Schließlich zeigt Diagramm X das Ergebnis des Phasenausrichtens und Kombinierens der in den Diagrammen V und W gezeigten Signale zu einem einzigen, weitgehend unverzerrten Puls.

In einer bevorzugten Betriebsart sind beide benachbarten Kanäle leer, in welchem Fall der Schalter 20 geschlossen ist und beide Signale verwendet werden. Sind jedoch beide benachbarten Kanäle belegt, kann der Empfänger nicht mit zwei durch Frequenzmultiplexen behandelten Signalen arbeiten, und der Schalter 20 ist geöffnet, sodass der Empfänger als gewöhnlicher Empfänger arbeitet, der immer noch Antennenumschaltung ähnlich einem klassischen Empfänger mit Antennendiversität einsetzen kann.

Kommt es vor, dass nur einer der Kanäle belegt ist, kann der Empfänger immer noch Frequenzmultiplexen einsetzen, kann aber erfordern, dass die Frequenzen FREQ.A und FREQ.B derart justiert werden, dass das durch Frequenzmultiplexen behandelte Signal nicht beschädigt wird.

Der dargestellte Empfänger kann den Zustand des benachbarten Kanals durch Basisbandverarbeitung untersuchen. Um dies zu tun, wird der Schalter 20 geöffnet, und die Signalstärken der gedemultiplexten Signale werden verglichen. Um den anderen benachbarten Kanal zu untersuchen, müssen die Frequenzen FREQ.A und FREQ.B justiert werden.

In einer nicht dargestellten Variante des Empfängers, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, könnte das Frequenzmultiplexen bei ZF nach dem ZF-Kanalfilter vorgenommen werden. Dies stellt sicher, dass benachbarte Kanäle stets leer sein würden. Diese nicht dargestellte Variante würde zwei HF-ZF-Frequenzabwärtswandler, aber nur einen ZF-Basisband-Frequenzabwärtswandler erfordern.

Das Signal im zweiten Empfangszweig 12 kann um mehr als einen Kanalabstand verschoben sein. In einem derartigen Fall müssen die ZF-Stufe und der AD-Wandler 32 über einem größeren Frequenzbereich arbeiten.

2 zeigt eine Ausführungsform eines Frequenzversatzempfängers zur Verwendung in einem MIMO-System. Der dargestellte MIMO-Empfänger ist in vielerlei Hinsicht eine einfache Extrapolation des in 1 gezeigten Empfängers, die mehr Kanäle oder Zweige aufweist. Obgleich in 2 vier Empfangszweige gezeigt worden sind, wird die Anzahl wiederholt, um genug Zweige für die Gesamtzahl von MIMO-Zweigen bereitzustellen.

Der in 2 gezeigte Empfänger umfasst vier Empfangszweige (oder Kanäle) 10, 12A, 12B und 12C, die mit jeweiligen Eingängen 11, 13A, 13B und 13C eines Kombinierers 14 gekoppelt sind. Ein erster der Empfangszweige, Zweig 10, umfasst eine erste Antenne 16, die mit dem Eingang 11 des Kombinierers 14 gekoppelt ist. Die Architektur der übrigen drei Zweige 12A, 12B und 12C ist im Wesentlichen dieselbe, und aus Gründen der Einfachheit der Beschreibung wird nur der zweite Zweig 12A beschrieben. Auf die entsprechenden Merkmale in den dritten und vierten Zweigen 12B und 12C wird in Klammern verwiesen.

Der zweite Zweig 12A umfasst eine Antenne 18A (18B, 18C), die mit einem Filter 22A (22B, 22C) gekoppelt ist. Ein Ausgang des Filters 22A (22B, 22C) ist mit einem ersten Eingang 23A (23B, 23C) eines Mischers 26A (26B, 26C) gekoppelt. Ein Lokaloszillatorsignal, das eine Frequenz FREQ.A (FREQ.C und FREQ.D) aufweist, wird einem Eingang 24A (24B, 24C) des Mischers 26A (26B, 26C) zugeführt, um das Signal auf dem ersten Eingang 23A (23B, 23C) zu einem Frequenzkanal zu verschieben, der dem Kanal benachbart oder nahe ist, der durch das Signal im ersten Empfangszweig 10 belegt ist. Ein Ausgang des Mischers 26A (26B, 26C) ist mit einem jeweiligen Eingang 13A (13B, 13C) des Kombinierers 14 gekoppelt. Als Beispiel weist der erste Kanal 10 eine Mittenfrequenz von 5,2 GHz auf, und die jeweiligen Lokaloszillatorsignale, die an die Eingänge 24A, 24B und 24C der Mischer 26A, 26B, 26C gelegt sind, sind derart, dass die jeweiligen Signale, die an die Eingänge 13A, 13B und 13C des Kombinierers 14 gelegt sind, [5,25 GHz + (1 × 20 MHz)], [5,2 GHz + (2 × 20 MHz)] und [5,2 GHz – (1 × 20, MHz)] sind.

Der Kombinationssignalausgang des Kombinierers 14, der Signale in vier benachbarten Frequenzkanälen umfasst, wird zum Basisband in zwei Überlagerungsstufen frequenzabwärtsgewandelt, die einen HF-Mischer 28, der von einer geeigneten Quelle eine HF-Lokaloszillatorfrequenz FREQ.B zum Frequenzabwärtswandeln des kombinierten HF-Signals auf eine ZF empfängt, und einen ZF-Mischer 30 beinhalten, der eine ZF-Lokaloszillatorfrequenz zum Frequenzabwärtswandeln des ZF-Signals auf seinem anderen Eingang zum Basisband empfängt.

Optional können die Mischer 28 und 30 durch einen einzelnen Mischer (nicht gezeigt) ersetzt werden, in welchem Fall dessen Lokaloszillatorfrequenz ausgewählt wird, um das kombinierte HF-Signal zum Basisband zu wandeln.

Ein Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) 32 digitalisiert das Basisbandsignal vom Mischer 30 und führt es einer Basisbandverarbeitungsstufe 34 zu. Die Stufe 34 umfasst einen Frequenzdemultiplexer 36, der die jeweiligen ursprünglichen Modulationssignale wiederherstellt, die durch die vier Zweige 10, 12A, 12B und 12C empfangen werden, und sie auf jeweiligen Ausgängen 38, 40A, 40B und 40C bereitstellt. Die Signale auf den Ausgängen 40A, 40B und 40C haben die Frequenzverschiebungen umgekehrt aufgewiesen, die durch die Mischer 26A, 26B und 26C erzeugt werden. Diese Ausgänge 38, 40A, 40B und 40C sind mit einer ersten MIMO-Stufe MIMO1 gekoppelt. Die MIMO1-Stufe ist in der Lage, einige oder alle der folgenden Elemente oder Funktionen auszuüben:

• (a) Funkkanalabschätzung (um die Koeffizienten der M-mal-N-Matrix zu bestimmen, die die Eigenschaft des Kanals repräsentiert, wobei M die Anzahl von Sendern ist und N die Anzahl von Empfängern ist. Erreicht werden kann dies durch die Verwendung entweder von Trainingssequenzen oder von Codiertechniken.).
• (b) Funkkanalmatrixinversion.
• (c) Kapazitätsabschätzung.
• (d) Nullung oder Strahlformung.
• (e) Störunterdrückung.
• (f) Störabstandsmaximierung.
• (g) Fehlererkennung und -korrektur.

Ausgänge 58, 60A, 60B und 60C der MIMO1-Stufe sind mit jeweiligen Eingängen einer zweiten MIMO-Stufe MIMO2 gekoppelt, die ein Multiplexer zum Neukombinieren der individuellen Datenströme in einen gemeinsamen Strom ist, der auf einem Ausgang 44 abgegeben wird.

Die Basisbandverarbeitungsstufe 34 beinhaltet eine Nachbarkanalabtaststufe 46, die einen Eingang aufweist, der mit dem Ausgang des AD-Wandlers 32 gekoppelt ist. Die Stufe 46 weist vier Ausgänge 50, 52, 54 und 56 auf. Der Ausgang 50 stellt die Frequenz FREQ.A bereit, die verwendet wird, um die Frequenz des HF-Signals im zweiten Empfangszweig 12A zu verschieben, der Ausgang 52 stellt dem Lokaloszillatoreingang des HF-Mischers 28 die Frequenz FREQ.B bereit, und die Ausgänge 54, 56 stellen jeweils FREQ.C und FREQ.D zum Verschieben der Frequenzen der HF-Signale in den dritten und vierten Empfangszweigen 12B, 12C bereit.

Beim Vergleichen von 1 und 2 wird man bemerken, dass es in 2 keine Schalter in den Zweigen 12A, 12B und 12C gibt, weil die Mehrzweigstruktur von MIMO jederzeit verfügbar sein muss, damit MIMO arbeitet. Nichtsdestotrotz kann es Gelegenheiten geben, bei denen einige der benachbarten Kanäle belegt sind und der Sender informiert werden muss. Dies kann über einen Rückkanal erfolgen, und der Sender kann in Reaktion darauf den Grad der MIMO-Zunahme begrenzen, den er verwendet.

In der vorliegenden Spezifikation und den Ansprüchen schließt das Wort „ein" oder „eine" (Englisch: „a" oder „an") vor einem Element das Vorhandensein mehrerer derartiger Elemente nicht aus. Ferner schließt das Wort „umfassen" (Englisch: „comprising") das Vorhandensein von anderen als den aufgeführten Elementen oder Schritten nicht aus.

Fig. 1 und Fig. 2

Power

Leistung

IFLO

ZFLO

RFLO

HFLO