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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Empfänger zum Empfang
eines Funkfrequenzsignals.
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Ein
Beispiel eines Empfängers zum Empfang eines Funkfrequenzsignals
ist ein GPS-Empfänger (GPS = global positioning system),
der zur Positionsbestimmung ein Signal von einem GPS-Satelliten
empfängt. Beispielsweise wird ein GPS-Signal auf einer
Trägerwelle mit einer Frequenz von 1575.42 MHz für
Sendezwecke moduliert, wobei das GPS-Signal eine Bandbreite von
ungefähr 2 MHz hat. In einem GPS-Empfänger, wie
er beispielsweise in der
US
2006/234667 entsprechend der
JP-2006-222759A beschrieben
ist, wird ein empfangenes Funksignal (RF-Signal) durch einen schmalbandigen
Filter mit einem festgelegten Durchlassbereich gefiltert, um den
Signal/Rausch-Abstand (SNR) des GPS-Signals zu verbessern.
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In
den letzten Jahren ist es zunehmend wichtiger geworden, eine Positionsbestimmung
unter Verwendung eines Satellitensystems anders als GPS durchzuführen,
und verschiedene Arten von Systemen wie GLONASS (Russland) und GALILEO
(EU) wurden entwickelt. Wenn es möglich ist, Signale von Satelliten
dieser abweichenden Typen von Systemen zu empfangen, kann eine Genauigkeitsverbesserung bei
der Positionsbestimmung erwartet werden.
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Jedoch ändern
sich die Frequenzen von Trägerwellen und die Signalbandbreiten
zur Modulation auf den Trägerwellen üblicherweise
abhängig von den Satellitensystemen. Beispielsweise hat,
wie oben beschrieben, das GPS-Signal eine Trägerwellenfrequenz
von 1575.42 MHz und eine Bandbreite von ungefähr 2 MHz.
Im Gegensatz hierzu hat ein Satellitensignal von GLONASS eine Trägerwellenfrequenz
von 1602 + 0.5625 n (n = 1, 2, ...24) MHz und eine Bandbreite von
ungefähr 1 MHz.
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Um
daher Signale von Satelliten anderer Systemtypen über einen
gemeinsamen Kanal zu empfangen, besteht die Notwendigkeit, den Durchlassbereich
eines bandbegrenzenden Filters zu erhöhen, um die Bandbreiten
aller Signale abzudecken. Wenn jedoch der Durchlassbereich des bandbegrenzenden
Filters erhöht wird, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit,
dass eine Störwelle empfangen wird.
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Angesichts
hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechenden
Empfänger zu schaffen, der in der Lage ist, eine Bandbegrenzung
durchzuführen, um den Einfluss von Störwellen zu
minimieren.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Empfänger zum
Empfang eines Funkfrequenzsignals einen Filter, einen Rechner und einen
Justierer oder Einsteller auf. Der Filter hat einen einstellbaren
Durchlassbereich und lässt das empfangene Funkfrequenzsignal
innerhalb des Durchlassbereichs durch, um ein gefiltertes Signal
zu erzeugen. Der Rechner berechnet einen Signal/Rausch-Abstand des
empfangenen Funkfrequenzsignals basierend auf dem gefilterten Signal. Der
Einsteller stellt den Durchlassbereich des Filters derart ein, dass
der berechnete Signal/Rausch-Abstand maximal wird.
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Allgemein
gesagt, die Lösungen der oben genannten Aufgabe erfolgt
durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, wobei die Unteransprüche vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt haben.
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Weitere
Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügte Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm des Aufbaus eines Empfängers gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
grafische Darstellung einer Verteilung eines empfangenen L1-GPS-Signals.
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3 ein
Flussdiagramm eines Ablaufs zur Einstellung eines einstellbaren
Filters des Empfängers; und
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4A eine
grafische Darstellung einer Vorgehensweise, bei der ein Durchlassbereich
des einstellbaren Filters erhöht wird, und 4B eine
grafische Darstellung einer Änderung eines Signal/Rausch-Abstands
mit zunehmendem Durchlassbereich des einstellbaren Filters.
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Ein
Empfänger 1 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Zeichnung beschrieben. Der Empfänger 1 ist
dafür ausgelegt, Satellitensignale von verschiedenen Arten
von Satellitensystemen zu empfangen, beispielsweise GLONASS (Russland)
und GALILEO (EU). Es sei festzuhalten, dass der Empfänger 1 auch
als ein Empfänger für andere Kommunikationswege
ausgelegt werden kann, beispielsweise Mobiltelefon, FM-Sendungen,
elektronischen Mauteinzug (ETC = electronic toll collection), sowie
Fahrzeuginformations- und Kommunikationssysteme (VICS).
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1 ist
ein Blockdiagramm des Empfängers 1. Der Empfänger 1 hat
eine Mehrzahl von Empfangskanälen, um gleichzeitig eine
Mehrzahl von Satellitensignalen zu empfangen. Da jeder Empfangskanal
die gleiche Auslegung hat, zeigt 1 nur einen
dieser Empfangskanäle. Der Empfänger 1 empfängt
gleichzeitig die Satellitensignale von einer Mehrzahl von Satelliten
und misst die Abstände (pseudoranges) zu den Satelliten.
Weiterhin führt der Empfänger 1 eine
Positionsberechnung basierend auf den gemessenen Abständen
durch, berechnet einen geschätzten Fehlerwert bezüglich
einer Positionsauflösung und berechnet die Endposition
basierend auf der Positionsauflösung und dem geschätzten
Fehlerwert.
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In 1 empfängt
eine Antenne 2 eine Mehrzahl von Satellitensignalen (RF-Signalen)
mit unterschiedlichen Frequenzen und gibt die empfangenen RF-Signale
an einen rauscharmen Verstärker (LNA) 3. Beispielsweise
kann die Antenne 2 sowohl eine L1-Welle (1575.42 MHz) von
GPS und eine L1-Welle (1602 + 0.5625 n (n = 1, 2, ...24) MHz) von GLONASS
empfangen. Der LNA 3 verstärkt das von der Antenne 2 empfangene
RF-Signal und gibt das RF-Signal an einen Bandpassfilter (BPF) 4.
Der BPF 4 hat einen Frequenzdurchlassbereich, innerhalb dem
Trägerwellenfrequenzen aller Satellitensignale vorliegen.
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Ein
spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 6 erzeugt ein Umwandlungssignal
basierend auf einer vorbestimmten Referenzfrequenz und gibt das Umwandlungssignal
an einen Mischer 5 aus. Das Umwandlungssignal hat eine
vorbestimmte Frequenz gegenüber einer Frequenz des RF-Signals, das
vom BPF 4 gefiltert wurde. Der Mischer 5 führt eine
Herunterwandlung („downconverting”) durch, indem
das RF-Signal, das den BPF 4 durchlaufen hat, und das Umwandlungssignal
vom VCO 6 gemischt werden, so dass ein Zwischenfrequenzsignal
(IF = intermediate frequency) erzeugt wird.
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Das
vom Mischer 5 erzeugte IF-Signal wird einem Bandpassfilter
(BPF) 7 eingegeben. Wie der BPF 4 hat der BPF 7 einen
Frequenzverteilungdurchlassbereich, der erlaubt, dass die Trägerwellenfrequenzen
aller Satellitensignale im IF-Signal den BPF 7 durchlaufen
können. Auf diese Weise wird eine Frequenzkomponente entsprechend
der Trägerwellenfrequenz des zu empfangenden RF-Signals
durch die beiden Bandpassfilter BPF 4 und BPF 7 entnommen.
Alternativ kann auf den BPF 7 verzichtet werden.
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Das
vom BPF 7 ausgegebene IF-Signal wird in einen IF-Verstärker 8 eingegeben
und vom IF-Verstärker 8 verstärkt. Das
vom IF-Verstärker 8 verstärkte IF-Signal
wird in einen Tiefpassfilter (LPF) 9 eingegeben. Der LPF 9 hat
eine vorbestimmte Grenzfrequenz und lässt eine Frequenzkomponente
des IF-Signals unterhalb der Grenzfrequenz durch. Das durch den
LPF 9 geführte IF-Signal wird einem Verstärker 10 zugeführt,
der eine AGC-Funktion (automatische Verstärkungssteuerung)
hat. Der Verstärker 10 verstärkt das
eingegebene IF-Signal unter Verstärkungssteuerung, so dass
das verstärkte IF-Signal eine bestimmte Amplitude haben
kann. Der Verstärker 10 gibt das verstärkte
IF-Signal an einen A/D-Wandler 11 (Analog/Digital-Wandler)
aus. Der A/D-Wandler 11 führt eine A/D-Wandlung
durch Abtasten des eingegebenen IF-Signals mit einer bestimmten
Abtastfrequenz durch, so dass das IF-Signal in ein digitales Signal
umgewandelt wird. Das vom A/D-Wandler 11 digitalisierte
IF-Signal wird in einen einstellbaren Filter 12 eingegeben.
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Der
einstellbare Filter 12 ist ein Bandpassfilter, der mit
einem digitalen Filter, beispielsweise einem FIR-Filter (finite
impulse response), einem IIR-Filter (infinite impulse response)
oder einem CIC-Filter (cascaded integrator-comb) gebildet ist. Eine
Mittenfrequenz und eine Bandbreite eines Durchlassbereiches des
einstellbaren Filters 12 können abhängig
von einem Steuersignal eingestellt werden, das von einem Positionsrechner 20 empfangen
wird.
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Alternativ
kann der einstellbare Filter 12 beispielsweise aus einem
Satz aus einer Fourier-Transformationsvorrichtung oder einer inversen
Fourier-Transformationsvorrichtung anstelle eines digitalen Filters
gebildet werden. Für den Fall, dass als einstellbarer Filter 12 der
Satz aus der Fourier-Transformationsvorrichtung und der inversen
Fourier-Transformationsvorrichtung verwendet wird, wird ein Leistungsspektrum
einer in Frequenzen zu blockenden Frequenz, erzeugt von der Fourier-Transformationsvorrichtung,
durch Null ersetzt. Das durch die Null-Substitution korrigierte
Leistungsspektrum wird von der inversen Fourier-Transformationsvorrichtung invers
Fourier-transformiert, so dass das digitale IF-Signal Frequenzkomponenten
nur in einem gewünschten Band von Frequenzen haben kann.
Wenn ein Satz aus einer Fourier-Transformationsvorrichtung und inversen
Fourier-Transformationsvorrichtung als einstellbarer Filter 12 verwendet
wird, wird die Rechenmenge erhöht, jedoch hat der einstellbare Filter 12 an
der Grenzfrequenz eine scharfe Dämpfungscharakteristik.
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Das
vom einstellbaren Filter 12 gefilterte IF-Signal wird dem
Positionsrechner 20 eingegeben. Der Positionsrechner 20 enthält
einen Korrelationsabschnitt 21 und einen SNR-Messabschnitt 22.
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Obgleich
in der Zeichnung nicht näher dargestellt, enthält
der Korrelationsabschnitt 21 einen Trägerkorrelationsabschnitt
und einen Codekorrelationsabschnitt. Der Trägerkorrelationsabschnitt
hat einen numerisch gesteuerten Oszillator (NCO), der ein Taktsignal
erzeugt, wobei Frequenz und Phase des Taktsignals gesteuert werden.
In dem Trägerkorrelationsabschnitt wird das eingegebene
digitale IF-Signal mit dem Taktsignal multipliziert, das vom NCO
erzeugt wird. Obgleich weiterhin in der Zeichnung nicht gezeigt,
wird der NCO durch eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) des
Positionsrechners 20 derart gesteuert, dass die Frequenz
und die Phase des Taktsignals, welches vom NCO erzeugt wird, gleich der
Trägerwellenfrequenz des eingegebenen digitalen IF-Signals
sind. Somit wird die Trägerwellenfrequenzkomponente von
einem Ausgangssignal des Trägerkorrelationsabschnitts entfernt.
Das Ausgangssignal vom Trägerkorrelationsabschnitt wird dem
Codekorrelationsabschnitt zugeführt.
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Obgleich
in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt, enthält der
Codekorrelationsabschnitt einen Codegenerator und einen numerisch
gesteuerten Oszillator (NCO). Der Codegenerator erzeugt einen Pseudozufallscode
basierend auf einer Taktfrequenz eines vom NCO erzeugten Codes.
Der erzeugte Pseudozufallscode ist äquivalent einem Code,
der zur Modulation eines Satellitensignals von einem zu erfassenden
Zielsatelliten verwendet wird. In dem Codekorrelationsabschnitt
wird der vom Codegenerator erzeugte Pseudozufallscode mit dem Ausgangssignal
vom Trägerkorrelationsabschnitt multipliziert. Ein Ausgangssignal
vom Codekorrelationsabschnitt wird der CPU eingegeben, und die CPU
steuert den NCO und den Codegenerator derart, dass Frequenz und
Phase des Pseudozufallscodes gleich Frequenz und Phase des Ausgangssignals
vom Trägerkorrelationsabschnitt sind. Durch diese Vorgehensweise
kann ein Signal, welches Navigationsdaten enthält, von
dem Empfangskanal des Empfängers 1 empfangen werden.
Die CPU entnimmt die Navigationsdaten, welche Zeitinformationen
eines Satellitentakts und Satellitenpositionsinformationen (Ephemeridendaten)
enthalten, dem vom Empfangskanal empfangenen Signal. Weiterhin berechnet
die CPU einen Abstand (pseudorange) zu dem Satelliten basierend
auf den Navigationsdaten und führt eine Positionsberechnung
basierend auf den Abständen zu vier oder mehr Satelliten
durch.
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Beispielsweise
kann der Zielsatellit basierend auf der Tatsache bestimmt werden,
dass es eine Korrelation gibt, wenn bestimmte Codes zu Satelliten abwechselnd
erzeugt werden. Weiterhin kann beispielsweise der Zielsatellit basierend
auf dem Ergebnis einer Frequenzanalyse von vorab empfangenen Signalen
bestimmt werden. Als anderes Beispiel kann ein Satellit, auf welchen
zugegriffen werden kann, basierend auf einem Satellitenorbit, einer
momentanen Position und einer momentanen Zeit abgeschätzt
werden und dann kann der Zielsatellit basierend auf dem Schätzergebnis
bestimmt werden.
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Wie
bereits erwähnt, enthält der Positionsrechner 20 weiterhin
den SNR-Messabschnitt 22. Der SNR-Messabschnitt 22 empfängt
ein Ausgangssignal vom Korrelationsabschnitt 21 und berechnet einen
Signal/Rausch-Abstand (SNR) durch Berechnen eines Verhältnisses
zwischen einem Ausgangssignalwert, der erhalten wird, wenn es eine
Korrelation zwischen einem bestimmten Code zum Zielsatelliten und
dem Pseudozufallscode gibt, und einem Ausgangssignalwert, der erhalten
wird, wenn es keine Korrelation zwischen dem bestimmten Code und dem
Pseudozufallscode gibt. Dann begrenzt der Positionsrechner 20 den
Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 basierend
auf der Trägerwellenfrequenz des Satellitensignals vom
Zielsatelliten und dem Signal/Rausch-Abstand, der vom SNR-Messabschnitt 22 berechnet
wurde.
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In
einem Fall, bei dem es nur thermisches Rauschen ohne eine Störwelle
gibt, wird der Signal/Rausch-Abstand erhöht, wenn der Durchlassbereich
des einstellbaren Filters 12 ausgehend von einer Mitte
einer Trägerwellenfrequenz als Empfangssignal erzeugt wird.
Ein Grund hierfür ist, dass beispielsweise die L1-Welle
von GPS eine Hauptkeule mittig der Trägerwellenfrequenz
und eine Seitenkeule in bestimmten Frequenzabständen hat,
wie in 2 gezeigt. Wenn jedoch eine Störwelle
im Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 vorliegt,
wird der Signal/Rausch-Abstand verringert (abgeschwächt),
da es den Einfluss der Störwelle gibt.
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Somit
wird bei der Ausführungsform eine Bandbegrenzung, die geeignet
ist, den Einfluss der Störwelle zu verringern, durchgeführt,
indem der Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 so
eingestellt wird, dass der Signal/Rausch-Abstand maximal wird. Die
Einstellung des Durchlassbereichs des einstellbaren Filters 12 wird
nachfolgend beschrieben.
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3 ist
ein Flussdiagramm, welches den Einstellvorgang des Durchlassbereiches
für den einstellbaren Filter 12 darstellt. Der
Ablauf beginnt bei S100, wo der Zielsatellit bestimmt wird, auf
den zugegriffen wird. Der Ablauf geht zu S110, wo die Mittenfrequenz
vom Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 bestimmt
wird, um der Trägerwellenfrequenz des Satellitensignals
vom Zielsatelliten zu entsprechen. Weiterhin wird bei S110 eine
Anfangsbandbreite (Bereich) des Durchlassbereichs des einstellba ren Filters 12 bestimmt.
Somit lässt der einstellbare Filter 12 nur eine
Frequenzkomponente innerhalb des anfänglichen Bandbereichs
bezüglich der Mittenfrequenz durch.
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Der
Ablauf geht dann zu S120, wo der Signal/Rausch-Abstand basierend
auf dem Ausgangssignal des Korrelationsabschnitts 21 gemessen
(berechnet) wird. Der Ablauf geht dann zu S130, wo bestimmt wird,
ob der momentan berechnete Signal/Rausch-Abstand größer
oder kleiner als ein vorheriger Signal/Rausch-Abstand ist, der früher
berechnet wurde. Wenn bestimmt wird, dass der momentane Signal/Rausch-Abstand
größer als der vorherige Signal/Rausch-Abstand
ist, was NEIN bei S130 entspricht, geht der Ablauf zu S140. Es sei
festzuhalten, dass, wenn der Ablauf das erste Mal von S120 zu S130
geht (das heißt, wenn es keinen vorherigen Signal/Rausch-Abstand
gibt), dann der Ablauf stets zu S140 weiterspringt.
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Bei
S140 wird der Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 um
eine bestimmte Bandbreite erhöht. Nach S140 kehrt der Ablauf
zu S120 zurück, so dass S120 und S130 wiederholt werden,
so dass eine Änderung im Signal/Rausch-Abstand beobachtet
wird.
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Durch
diese Vorgehensweise wird der Durchlassbereich des einstellbaren
Filters 12 kontinuierlich erhöht, wobei der Signal/Rausch-Abstand mit
zunehmendem Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 erhöht
wird. Als Ergebnis der Erhöhung des Durchlassbereiches
vom einstellbaren Filter 12 nimmt, wenn die Störwelle
im Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 vorhanden
ist, wie in 4A gezeigt, der Signal/Rausch-Abstand
abrupt ab, wie in 4B gezeigt.
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Wenn
daher bestimmt wird, dass der vorliegende Signal/Rausch-Abstand
kleiner als der vorherige Signal/Rausch-Abstand ist, was JA bei
S130 entspricht, geht der Ablauf zu S150. Bei S150 wird der einstellbare
Filter 12 auf einen Durchlassbereich unmittelbar vor der
Abnahme des Signal/Rausch-Abstands gesetzt. Somit wird der Durchlassbereich
des einstellbaren Filters 12 maximal derart, dass die Störwelle
im Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 nicht
vorhanden ist.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform kann auf verschiedene
Arten abgewandelt werden, d. h. beispielsweise wie folgt:
In
der Ausführungsform ist der einstellbare Filter 12 in Form
eines digitalen Filters mit der Ausgangsseite des A/D-Wandlers 11 verbunden,
und die Mittenfrequenz und die Durchlassbreite des einstellbaren
Filters 12 werden eingestellt. Alternativ können
Mittenfrequenzen und Durchlassbreiten von BPF 4 und BPF 7 als
analoger Filter eingestellt werden, so dass der BPF 4 und
der BPF 7 Frequenzkomponenten der Zielsatellitensignale
durchlassen, wobei die Störwelle verhindert ist.
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In
der Ausführungsform ist der Empfänger 1 zum
Empfang von L1-Wellen von z. B. GPS und GLONASS konfiguriert. Alternativ
kann der Empfänger 1 so konfiguriert sein, dass
er ein Signal eines anderen Frequenzbands empfängt, beispielsweise
eine L2-Welle.
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In
der Ausführungsform wird gemäß 4B der
Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 so eingestellt,
dass der Signal/Rausch-Abstand einen Maximalwert MAX hat. Alternativ
kann der Durchlassbereich des einstellbaren Filters 12 so
eingestellt werden, dass der Signal/Rausch-Abstand einen bestimmten
Schwellenwert TH übersteigt, der niedriger als der Maximalwert
MAX ist, wobei dies abhängig von der beabsichtigten Verwendung
erfolgt. Der bestimmte Schwellenwert TH entspricht einer benötigten
minimalen Empfangsempfindlichkeit. Mit einer solchen Vorgehensweise
lassen sich unerwartete von außen kommende Störwellen
verhindern, wobei die benötigte minimale Empfangsempfindlichkeit
sichergestellt bleibt.
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Solche Änderungen
und Abwandlungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie durch
die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente
definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/234667 [0002]
- - JP 2006222759 A [0002]