WO2004017587A1 - Empfangsanordnung für ein funksignal - Google Patents

Abstract

Es ist eine Empfangsanordnung für ein Funksignal angegeben, welche einen Abwärtsmischer (3) mit nachgeschalteter Signalverarbeitungskette und Demodulator (6) umfaßt. Zwischen Abwärtsmischer (3) und Demodulator (6) wird, beispielsweise in einem Limiter (5), ein RSSI-Signal gewonnen. Dieses wird hochpaßgefiltert und gemittelt einem Komparator (15) zugeführt. In Abhängigkeit des Pegels des derart aufbereiteten RSSI-Signals kann in der Erkennungseinheit (8) problemlos detektiert wird, ob überhaupt kein Nutzsignal, ein amplitudenmoduliertes Signal oder ein frequenzmoduliertes Signal vorliegt. Entsprechend wird der Demodulator (6) von einer Steuereinheit (9) angesteuert. Gemäß dem beschriebenen Prinzip ist ein besonders einfaches und präzises Erkennen und entsprechendes Einstellen eines Demodulators möglich, in Abhängigkeit davon, ob ein amplituden- oder frequenzmoduliertes Signal empfangen wird.

Description

Beschreibung

Empfangsanordnung für ein Funksignal

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Empfangsanordnung für ein Funksignal .

Im modernen Mobilfunk, der mit digitalen Modulationsverfahren arbeitet, sind sowohl Phasen- oder Frequenzmodulationsverfah- ren, als auch Amplitudenmodulationsverfahren sowie Kombinationen der beiden üblich.

Es ist deshalb wünschenswert, universell einsetzbare Funkempfänger zu bauen, welche unterschiedliche Modulationsarten be- herrschen. Problematisch bei derartigen Mehrsystemempfängern ist jedoch, daß der Demodulator die Modulationsart kennen muß, um richtig demodulieren zu können. Hierfür ist es wünschenswert, möglichst früh in der Signalverarbeitungskette eine Erkennung durchzuführen, mit welchem Modulationsverfah- ren ein empfangenes Hochfrequenzsignal moduliert ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Empfangsanordnung für ein Funksignal anzugeben, die für zumindest zwei unterschiedliche Modulationsarten ausgelegt ist und eine ver- haltnismäßig schnelle Erkennung, nach welchem Modulationsverfahren ein Funksignal moduliert ist, mit geringem Aufwand ermöglicht .

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Empfangs- anordnung für ein Funksignal, umfassend:

- einen Abwärts-Frequenzumsetzer mit einem ersten Eingang zum Einkoppeln des Funksignals, mit einem zweiten Eingang zum Zuführen eines Lokaloszillator-Signals und mit einem Ausgang, - einen Verstärker mit einem Verstärkereingang, der mit dem Ausgang des Abwärts-Frequenzumsetzers gekoppelt ist, mit einem Verstärkerausgang und mit einem Ausgang zum Ableiten eines Empfangsfeldstärkesignals, - einen Demodulator zum Demodulieren eines abwärtsgemischten, verstärkten Signals, mit einem Signaleingang, der an den Verstärkerausgang angeschlossen ist, mit einem Signalausgang zum Ableiten eines demodulierten Signals und mit einem Steuereingang zum Vorwählen eines Demodulationsverfahrens aus einer Menge von vorbestimmten Demodulationsverfahren und - eine Erkennungseinheit, aufweisend ein Hochpaßfilter mit einem Eingang, der an den Ausgang des Verstärkers zum Ableiten eines Empfangsfeldstärkesignals angeschlossen ist, und einen Schwellwert-Komparator, der an seinem Eingang mit dem Ausgang des Hochpaßfilters und an seinem Ausgang mit dem Steuereingang des Demodulators gekoppelt ist, ausgelegt zur Abgabe eines das Modulationsverfahren des Funksignals repräsentierenden Wertes.

Der Verstärker kann mit einem Verstärkungsfaktor von 1 ausge- legt sein.

Gemäß dem vorliegenden Prinzip erfolgt zur Detektion, gemäß welchem Modulationsverfahren ein empfangenes Funksignal moduliert ist, eine Analyse des Empfangsfeldstärkesignals.

Das Empfangsfeldstärkesignal wird normalerweise auch als Re- ceive Signal Strength Indicator (RSSI) -Signal bezeichnet. Anhand des ohnehin normalerweise von der Empfangssignalkette bereitgestellten RSSI-Signals können gemäß dem vorgestellten Prinzip in einfacher Weise amplitudenmodulierte Signale von frequenz- und/oder phasenmodulierten Signalen unterschieden werden.

Beispielsweise können so in einer Amplitudenumtastung (Ampli- tude Shift Keying, ASK) modulierte Signale von frequenzumge- tasteten Signalen (Frequency Shift Keying, FSK) unterschieden werden. Neben der beispielhaften Unterscheidung zwischen ASK und FSK kann mit vorliegendem Prinzip auch jedes andere, auf Phasenoder Amplitudenmodulation beruhende, weiterentwickelte Modu- lationsverfahren detektiert werden.

Gemäß dem vorliegenden Prinzip wird zunächst der Gleichanteil des RSSI-Signals unterdrückt und lediglich die Wechselstromkomponente des RSSI-Signals ausgewertet.

Der Gleichanteil eines RSSI-Signals wird normalerweise zur Messung der aktuellen Feldstärke verwendet. In Abhängigkeit von der gemessenen Feldstärke wird in Abhängigkeit vom eingesetzten Mobilfunkstandard beispielsweise die Sendeleistung des jeweiligen Mobilfunkgerätes eingestellt. Das Meßsignal kann alternativ oder zusätzlich an die Basisstation übertragen werden zur Festlegung der Sendeleistung der Basisstation in einer adaptiven Regelung.

Wenn überhaupt kein Funksignal empfangen wird, hat der Wechselanteil des RSSI-Signals eine bestimmte Größe, welche von der Empfangsarchitektur, dem Funkkanal und den Rauscheigenschaften bestimmt ist. Das aufbereitete RSSI-Signal am Eingang des Schwellwert-Komparators nimmt bei Empfangen eines amplitudenmodulierten Signals zu, da durch die Amplitudenschwankungen die Signalenergie zunimmt. Beim Empfang eines in der Amplitude konstanten Signals hingegen, wie dies bei fre- quenz- oder phasenmodulierten Signalen der Fall ist, wird der gefilterte RSSI-Signalwert kleiner und strebt für größere Feldstärken gegen Null.

Insgesamt ist demnach durch die dem vorliegenden Prinzip entsprechende Auswertung des RSSI-Signals eine besonders einfache und schnelle Feststellung, wie ein empfangenes Funksignal moduliert ist, und/oder ob überhaupt ein Nutzsignal empfangen wird, möglich. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, daß in Funkempfängern ohnehin üblicherweise der Gleichanteil des RSSI- Signals ausgewertet wird, um die Empfangsfeldstärke zu bestimmen.

Gemäß vorliegendem Verfahren ist es möglich, überhaupt festzustellen, ob ein Signal im Empfangskanal vorhanden ist sowie statt dessen oder zusätzlich eine Entscheidung darüber zu treffen, ob ein empfangenes Funksignal phasen- oder frequenz- moduliert oder amplitudenmoduliert ist.

Das Empfangsfeldstärkesignal wird bevorzugt an einem Ausgang eines begrenzenden Verstärkers, eines sogenannten Limiters, der dem Abwärts-Frequenzumsetzer nachgeschaltet ist, bereit- gestellt.

Bevorzugt wird die AC-Komponente des RSSI-Signals, welche mit dem Hochpaß-Filter gewonnen wird, in der Erkennungseinheit durch Bilden des Mittelwertes, des Effektivwertes oder des Betragsmittelwertes verarbeitet.

Dabei darf das RSSI-Signal zuvor in seinem Spektrum nicht zu stark beschnitten werden.

Der Schwellwert-Komparator wertet das aufbereitete RSSI-

Signal bevorzugt bezüglich ein oder zwei Schwellwerten aus und bestimmt durch Vergleich des aufbereiteten RSSI-Signals mit den Schwellwerten, ob überhaupt kein Signal, ein amplitudenmoduliertes Signal oder ein lediglich phasen- oder fre- quenzmoduliertes Signal vorliegt.

Bei einem frequenzmodulierten Signal wird dabei gemäß vorliegendem Prinzip detektiert, ob das Signal eine konstante Einhüllende hat.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert .

Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Empfangsanordnung mit RSSI-Signalauswertung gemäß vorliegendem Prinzip,

Figur 2 den Vergleich eines RSSI-Signals bei Amplitudenmodulation mit einem bei Frequenzmodulation,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der das RSSI-Signal auswer- tenden Erkennungseinheit von Figur 1,

Figur 4 beispielhafte Signalverläufe ausgewählter Signale bei Frequenzmodulation und

Figur 5 beispielhafte Signalverläufe ausgewählter Signale bei Amplitudenmodulation.

Figur 1 zeigt eine Funkempfänger-Anordnung anhand eines Blockschaltbildes. An eine Empfangsantenne 1 ist ein rauscharmer Vorverstärker 2 angekoppelt, der an einen ersten Eingang eines Abwärts-Frequenzmischers 3 angeschlossen ist. Der zweite Anschluß des Abwärts-Frequenzmischers 3 ist an einen nicht eingezeichneten Frequenzgenerator angeschlossen, der ein Lokaloszillatorsignal mit der Trägerfrequenz des Emp- fangssignals bereitstellt. Am Ausgang des Frequenzmischers 3 steht ein Zwischenfrequenzsignal auf einer Zwischenfrequenze- bene IF bereit, welches in einem nachgeschalteten Bandpaßfilter 4 gefiltert wird. An den Ausgang des Zwischenfrequenzfil- ters 4 ist ein begrenzender Verstärker 5, ein sogenannter Li- miter, der mehrstufig aufgebaut ist, angeschlossen. Dessen Ausgang ist an den Eingang eines Demodulators 6 angeschlossen, der für Amplitudenumtastung und für Frequenzumtastung wählbar ausgelegt ist. An den Demodulatorausgang des Demodulators 6 ist ein weiteres Filter 7 angeschlossen.

Der Limiter 5 hat einen weiteren Ausgang, an dem ein Emp- fangsfeldstärkesignal bereitsteht, ein sogenanntes RSSI- Signal (Receive Signal Strength Indicator) . Der RSSI-Ausgang des Limiters 5 ist an eine Erkennungseinheit 8 angeschlossen, welche in Abhängigkeit von hochfrequenten Signalanteilen des RSSI-Signals eine Steuereinheit 9 ansteuert, welche an ihrem Ausgang mit einem Steuereingang zum Vorwählen eines Demodula- tionsverfahrens an dem Demodulator 6 verbunden ist.

Die Erkennungseinheit 8 umfaßt eingangsseitig ein Hochpaßfilter 10, 11 mit einer Serienkapazität 10 und einem gegen Masse geschalteten Widerstand 11. An das Hochpaßfilter 10, 11 schließt sich eine Effektivwert-Ermittlungsschaltung 12, 13, 14 an, die eine in Flußrichtung gepolte Diode 12 und einen daran in Serie angeschlossenen Widerstand 13 mit nachgeschaltetem Kondensator 14 gegen Masse umfaßt. Am Ausgang des Ef- fektivwertbildners steht demnach ein hochpaßgefiltertes und gemitteltes RSSI-Signal bereit, welches an einem Eingang eines Schwellwert-Komparators 15, an den der Effektivwertbildner angeschlossen ist, eingespeist wird. Der Schwellwert- Komparator 15 umfaßt zwei weitere Eingänge, denen je ein obe- res und unteres Schwellwertsignal zugeführt werden kann.

In Abhängigkeit davon, ob das gefilterte und gemittelte RSSI-Signal zwischen oberer und unterer Schwelle, oberhalb der oberen Schwelle oder unterhalb der unteren Schwelle liegt, stellt der Komparator 15 an jeweiligen Ausgängen ein

ASK-Indikatorsignal, ein FSK-Indikatorsignal oder ein Rauschindikatorsignal bereit. Je nachdem, ob ein amplitudenmoduliertes, ein frequenzmoduliertes oder überhaupt kein Nutzsignal detektiert wird, steuert die Kontrollogik 9 den Demodu- lator 6 an. Gemäß vorliegendem Prinzip wird zur Unterscheidung, ob ein amplitudenmoduliertes oder ein nicht amplitudenmoduliertes Signal vorliegt, der Effektivwert des RSSI-Signals ohne Gleichanteil -Komponente verwertet. Somit wird lediglich der Wechselanteil des Empfangsfeldstärkesignals zur Auswertung benutzt, ob ein amplitudenmoduliertes oder ein frequenz- /phasenmoduliertes Signal empfangen wird.

Für den ersten Fall, daß überhaupt kein moduliertes Nutzsi- gnal an der Antenne 1 empfangen wird, hat die zur Ermittlung verwendete Signalkomponente einen Wert, der vom System und den Rauscheigenschaften bestimmt ist. Wird ein amplitudenmoduliertes Signal empfangen, so nimmt der gleichgerichtete Wechselanteil des RSSI-Signals zu, da durch die Amplituden- Schwankung die Signalenergie zunimmt. Bei einem in der Amplitude konstanten Signal hingegen, also einem Signal mit konstanter Einhüllender, wie bei reiner Frequenz- oder Phasenmodulation, wird der Effektivwert oder Mittelwert kleiner und strebt für größere Feldstärken gegen Null . Diese Abnahme des Rauschpegels schreitet bei zunehmendem Empfangssignalpegel sehr rasch fort, da durch den Limitereffekt das Rauschen rasch verdrängt wird. Somit ist es möglich, nahe der Empfindlichkeitsschwelle des Empfängers das Signal hinsichtlich seiner Modulationsart zu bewerten.

Durch entsprechende Schwellwerte am Komparator 15 können insgesamt drei Fälle unterschieden werden: Liegt im ersten Fall der gemessene Effektivwert zwischen oberer und unterer Schwelle, so wird kein Nutzsignal empfangen. Liegt der Effek- tivwert über der oberen Schwelle, so handelt es sich um ein amplitudenmoduliertes Signal, beispielsweise um eine Amplitu- denumtastung. Ist der Effektivwert hingegen kleiner als die untere Schwelle, so wird ein Signal mit konstanter Einhüllender, wie beispielsweise ein frequenzumgetastetes Signal an der Antenne eingekoppelt. Demnach erlaubt das vorliegende Prinzip nicht nur eine Aussage darüber, ob ein amplitudenmoduliertes oder ein frequenzmoduliertes Signal vorliegt, sondern darüber hinaus auch, ob überhaupt ein Signal im Empfangskanal detektiert wird.

Figur 2 zeigt ein Schaubild in halblogarithmischer Darstellung, bei dem der Effektivwert des Wechselanteils des RSSI- Signals in Millivolt aufgetragen ist über der Empfangsfeldstärke des Hochfrequenzsignals gemessen in dBmW. Dabei wurden Frequenzen zwischen 0 und 100 kHz berücksichtigt. Man erkennt deutlich, daß bereits ab geringen Empfangsfeldstärken von ca. -115 dBm eine Unterscheidung möglich ist, ob ein amplituden- umgetastetes oder ein frequenzumgetastetes Signal, vorliegend bezeichnet mit ASK beziehungsweise FSK, vorliegt. Mit zuneh- mender Empfangsfeldstärke beziehungsweise Eingangsleistung wird die Unterscheidung immer einfacher.

Figur 3 zeigt anhand eines Schaltplanes einen beispielhaften Aufbau der Erkennungseinheit 8 mit am RSSI -Ausgang des Limi- ters 5 angeschlossenem Hochpaßfilter 10, 11, nachgeschaltetem Effektivwertbildner 12, 13, 14, umfassend eine Diode 12, einen Serienwiderstand 13 und eine Kapazität 14 gegen Masse sowie mit einem als Transimpedanzverstärker ausgebildeten Komparator 15 mit zwei Schwellwerteingängen.

Der Komparator umfaßt einen ASK-Schwellwerteingang und einen FSK-Schwellwerteingang, welche an einen Widerstandsteiler umfassend drei Serienwiderstände 16, 17, 18 angeschlossen sind, der zwischen einem Versorgungspotential von plus 3 V und Be- zugspotential geschaltet ist. Die Widerstandswerte der Widerstände 16 bis 18 sind so gewählt, daß am ASK-Schwellwerteingang ein Potential von 800 mV, am FSK-Eingang hingegen ein Potential von 400 mV bereitsteht. Der Transimpedanzverstärker 15 umfaßt eine gesteuerte Stromquelle, welche einen Strom in Abhängigkeit davon abgibt, ob das gemittelte RSSI-Signal bezüglich der Wechselanteile oberhalb der oberen oder unterhalb der unteren Schwelle liegt. Anhand des AusgangsSignals am Ausgang des Komparators 15 kann demnach festgestellt werden, ob überhaupt ein Nutzsignal detektiert wird. Die Tatsache, ob es sich um ein amplitudenmoduliertes oder ein frequenzmoduliertes Signal handelt, kann ebenfalls am Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers 15 abgelesen werden.

Im Beispiel von Figur 3 wird zusätzlich zu der bereits erläuterten Ansteuerung der Steuereinheit 9, die wiederum den Demodulator 6 ansteuert, vorliegend zusätzlich ein sogenannter Data Slicer in Abhängigkeit davon angesteuert, ob ein amplitudenmoduliertes oder ein frequenzmoduliertes Signal detektiert wird. Dieser Data Slicer 19 ist in der Signalverarbeitungskette von Figur 1 am Ausgang des Datenfilters 7 angeschlossen, dort jedoch nicht eingezeichnet.

Figur 4 zeigt die Simulationsergebnisse anhand eines Ausführungsbeispiels des vorliegenden Prinzips bei Vorliegen eines frequenzumgetasteten Signals gemäß Schaltplan von Figur 3. Dabei ist die SignalSpannung über der Zeit in Millisekunden aufgetragen. Im oberen Teil des Schaubildes erkennt man den

Verlauf des RSSI-Signals RSSI, den relativ konstanten Verlauf der entsprechenden, unteren Schwelle SU des Komparators 15 sowie den Signalverlauf des Ausgangssignals S des Komparators. Liegt das Ausgangssignal S des Komparators oberhalb der Schwelle SU, wird der Ausgang der Empfangssignalverarbei- tungskette freigeschaltet und ein entsprechendes demoduliertes Ausgangssignal A, siehe untere Bildhälfte, ausgegeben.

Figur 5 zeigt ebenfalls anhand von Schaubildern den Verlauf der charakteristischen Signale von Figur 3 anhand eines Beispiels mit amplitudenumgetastetem Signal. Auch hier ist deutlich der Verlauf des RSSI-Signals, der Signalschwelle SO, des Ausgangssignals S sowie des Ausgangssignals A der Empfangssignalkette gezeigt. Bezugszeichenliste

1 Antenne

2 Vorverstärker 3 Abwärtsmischer

4 ZF-Filter

5 Limiter

6 Demodulator

7 Datenfilter 8 Erkennungseinheit

9 Steuereinheit

10 Kapazität

11 Widerstand

12 Diode 13 Widerstand

14 Kapazität

15 Schwellwert-Komparator

16 Widerstand

17 Widerstand 18 Widerstand

19 Data slizer ASK Ampli udenumtastung FSK Frequenzumtastung S Ausgangssignal SU Schwellwert

RSSI Empfangsfeldstärkesignal A Ausgangssignal

Claims

Patentansprüche

1. Empfangsanordnung für ein Funksignal, umfassend

- einen Abwärts-Frequenzumsetzer (3) mit einem ersten Eingang zum Einkoppeln des Funksignals, mit einem zweiten Eingang zum Zuführen eines Lokaloszillator-Signals und mit einem Ausgang ,

- einen Verstärker (5) mit einem Verstärkereingang, der mit dem Ausgang des Abwärts-Frequenzumsetzers (3) gekoppelt ist, mit einem Verstärkerausgang und mit einem Ausgang zum Ableiten eines Empfangsfeldstärkesignals (RSSI) ,

- einen Demodulator (6) zum Demodulieren eines abwärtsgemischten, verstärkten Signals, mit einem Signaleingang, der an den Ausgang des Verstärkers (5) angeschlossen ist, mit einem Signalausgang zum Ableiten eines demodulierten Signals und mit einem Steuereingang zum Vorwählen eines Demo- dulationsverfahrens aus einer Menge von vorbestimmten Demo- dulationsverfahren und

- eine Erkennungseinheit (8) aufweisend ein Hochpaßfil- ter (10, 11) mit einem Eingang, der an den Ausgang des Verstärkers (5) zum Ableiten des Empfangsfeldstärkesignals (RSSI) angeschlossen ist, und einen Schwellwert- Komparator (15) , der an seinem Eingang mit dem Ausgang des Hochpaßfilters (10, 11) und an seinem Ausgang mit dem Steu- ereingang des Demodulators (6) gekoppelt ist, ausgelegt zur Abgabe eines das Modulationsverfahren des Funksignals repräsentierenden Wertes.

2. Empfangsanordnung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in der Erkennungseinheit (8) zwischen das Hochpaßfilter (10, 11) und den Schwellwert-Komparator (15) ein Mittel zur Mittelwert- oder Effektivwertbildung (12, 13, 14) geschaltet ist .

3. Empfangsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schwellwert-Komparator (15) einen Schwellwerteingang aufweist zum Zuführen einer Signalschwelle, deren Wert zwischen einem ein amplitudenmoduliertes Signal (ASK) kennzeichnenden Wertebereich und einem ein frequenzmoduliertes Signal (FSK) kennzeichnenden Wertebereich des gefilterten Empfangsfeldstärkesignals (RSSI) liegt.

4. Empfangsanordnung nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schwellwert-Komparator (15) einen weiteren Schwellwerteingang aufweist und daß der das Modulationsverfahren des Funksignals repräsentierende Wert einen von drei vorbestimmten Zuständen annehmen kann, welche von der Menge kein Signal, amplitudenmoduliertes Signal (ASK) und frequenzmodu- liertes Signal (FSK) umfaßt sind.

5. Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Kopplung des Schwellwert-Komparators (15) mit dem Steuer- eingang des Demodulators (6) eine Steuereinheit (9) vorgesehen ist zum Vorwählen eines Demodulationsverfahrens aus einer Menge von vorbestimmten Demodulationsverfahren in Abhängigkeit von dem das Modulationsverfahren des Funksignals repräsentierenden Wertes.

6. Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß am Ausgang des Demodulators (6) in der weiteren Signalverarbeitungskette ein Signalverarbeitungsblock (19) angekoppelt ist, mit einem Steuereingang, der mit dem Ausgang des Schwellwert-Komparators (15) gekoppelt ist.

7. Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Abwärts-Frequenzumsetzer (3) mit dem Verstärker (5) über ein Zwischenfrequenzfilter (4) gekoppelt ist.

8. Empfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Hochpaßfilter (10, 11) in der Erkennungseinheit (8) eine Serienkapazität (10) mit nachgeschaltetem Widerstand gegen Masse (11) umfaßt.

9. Empf angsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Verstärker (5) mit dem Ausgang zum Ableiten des Empfangs- feldstärkesignals (RSSI) ein begrenzender Verstärker ist.