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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf digitale zellulare Telefonsysteme und
insbesondere auf Basisstationen, die Richtantennenfelder verwenden.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
zellulares Kommunikationssystem, das als Zeitmultiplex-Verfahren (TDMA)
bekannt ist, teilt das Funkspektrum in eine Vielzahl von Kanälen auf.
Jeder Kanal wird in Zeitschlitze unterteilt, die einem unterschiedlichen
Teilnehmer zugewiesen werden können.
Mobiltelefone, die mit dem US-amerikanischen D-AMPS-Standard arbeiten, der auch als
1554 oder 1S 136 bekannt ist, verwenden ein Syncwort bzw. Synchronisierungswort,
um Demodulation und Dekodieren eines an eine Mobilstation übertragenen
Signals zu unterstützen.
Das Syncwort besteht aus einem Muster bekannter Zeichen.
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Das
Syncwort wird zu Beginn jedes Zeitschlitzes übertragen, der einer Übertragung
von der Basisstation zu der Mobilstation zugewiesen wurde. Systeme,
die den D-AMPS-Standard verwenden, übertragen immer bei einem konstanten
Leistungspegel in allen Zeitschlitzen auf der gleichen Trägerfrequenz.
Eine Mobilstation kann den zugewiesenen Schlitz dekodieren, unter
Verwendung sowohl der bekannten Zeichen zu Beginn ihres zugewiesenen
Schlitzes als auch zu Beginn eines nachfolgenden Schlitzes, der
als Postambel bekannt ist. Demzufolge können Demodulation und Dekodierung
in einer Vorwärts-
oder Rückwärtsreihenfolge stattfinden.
Dies kann unter Verwendung der Algorithmen erfolgen, die in Dent
et al., US-Patent Nr. 5 335 250, oder der US-Anmeldung Nr. 08/218
236 beschrieben sind.
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Die
Verwendung eines Postambel-Syncwortes kann daher zum Verbessern
der Leistungsfähigkeit
verwendet werden. Seine Verwendung ist möglich, weil der D-AMPS-Downlink
TDM und nicht TDMA ist. TDM ist eine kontinuierliche Übertragung
mit Phasen-, Bit-Takt- und Leistungspegelkontinuität über Schlitzgrenzen
hinweg. Daher werden alle unterschiedlichen Schlitzen zugewiesenen
Signale mit der gleichen Trägerfrequenz von
der Basisstation bei gleicher Leistung übertragen. Der Leistungspegel
muss der größte unter
den drei Basisstations-Übertragungsleistungspegel
sein, welche die drei Mobiltelefone benötigen, die die drei Schlitze
pro Träger
besetzen. Schaeffer, US-Patent Nr. 4 866 710, offenbart ein System,
das Anrufe innerhalb jeder Frequenz konzentriert, um die Anzahl
von anruftragenden Frequenzen zu reduzieren. Alternativ offenbart
Dent in US-Patent Nr. 5 579 306 die Gruppierung von Anrufen auf
dem gleichen Träger,
die ähnliche
Downlink-Leistungsanforderungen
aufweisen, und anschließend
den Trägerleistungspegel
auf den größten der
in einem Schlitz benötigten
Leistungspegel minimieren. Daher beschreibt der Stand der Technik
verschiedene Beispiele für
den Versuch, Syncwort-Übertragungen
kohärent
mit dem vorhergehenden Schlitz zu halten, um dessen Verwendung durch
Empfänger
als Postambel zu erlauben.
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Es
werden beständig
zellulare Systeme entworfen zum Erzielen einer Kapazitätsverbesserung
zu erzielen. Ein mögliches
Verfahren basiert auf der Verringerung der Anntennenbandbreite,
die die Anzahl von azimuthalen Sektoren, die zum Errichten eines
Frequenzwiederverwendungsplans zur Verfügung stehen, effektiv erhöht. Das
Orts-/Stellenwiederverwendungsmuster
kann vorteilhafterweise kleiner sein. Beispielsweise kann anstelle
eines Wiederverwendungsplans mit sieben Orten bzw. Stellen auf drei
Sektoren ein Wiederverwendungsplan mit drei Orten bzw. Stellen auf
zwölf Sektoren
verwendet werden. Dies bringt ein Drittel der gesamten Frequenzkanäle innerhalb
eines Ortes zum Einsatz anstatt nur eines Siebtels. Dies schafft
einen Kapazitätsgewinn
von 7/3.
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Die
Erhöhung
der Antennenstrahlrichtfähigkeit
kann zu mehr Sektoren als Trägerfrequenzen
führen. Dann
ist es nicht mehr möglich,
jedem Sektor eine eindeutige Frequenz zu geben. Um die Verwendung
der gleichen Frequenz zur gleichen Zeit in verschiedenen Sektoren
desselben Orts zu vermeiden, kann jede Frequenz in Zeitschlitze
unterteilt werden zum Erzeugen einer großen Anzahl eindeutiger Zeitschlitz-Frequenzpaare,
die unter den Sektoren aufgeteilt werden können. Die Erstellung von Zeit-
und Frequenzwiederverwendungsplänen
wird in Dent, US-Patente
Nr. 5 539 730; 5 566 168; 5 619 503 und 5 594 941 sowie Honda et
al., US-Patent Nr. 5 555 271, beschrieben.
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Charas
et al., US-Patent Nr. 5 548 813, beschreibt, wie verschiedene Zeitschlitze
in einem TDMA-System unter Verwendung verschiedener Gruppen von
Elementen einer phasengesteuerten Anordnung bzw. eines phasengesteuerten
Felds übertragen
werden, um verschiedene effektive isotropisch abgestrahlte Leistungspegel
für unterschiedliche
Zeitschlitze zu erreichen.
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Der
oben beschriebene Stand der Technik überträgt verschiedene Zeitschlitze
in verschiedenen Richtungen oder bei verschiedenen Leistungspegeln.
Dies verstößt gegen
die schlitzübergreifende
TDM-Signalkontinuität,
die gegenwärtige
D-AMPS-Mobilstationen besitzen. Mazur et al., US-Patentanmeldung 08/887 726, offenbart
die Verwendung von Mehrfachantennenfeldern bzw. -anordnungen zum
Bewahren der Signalkontinuität über Zeitschlitze
hinweg.
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Eine
adaptive Kanalzuordnung (ACA) wird auch zum Erzielen von Kapazitätsverbesserungen
eingesetzt. ACA stellt einen Weg dar, um auf eineautomatische Weise
eine Wiederverwendungseinteilung zu erreichen. Kanäle können auf
einem engeren Gitter bzw. Raster wiederverwendet werden, wenn sie
bei einer geringeren als der maximalen Leistung an Mobiltelefone übertragen
werden, die sich näher
am Zentrum der Zellen und nicht an einem Zellrand befinden. Eine
1,7:1-Kapazitätsgewinn über feste
Wiederverwendungspläne wird
in Simulationen nachgewiesen. Diese Verstärkung hängt jedoch von der Verwendung
einer dynamischen Leistungssteuerung ab. Falls Leistungspegel nicht
dynamisch für
jeden Anruf angepasst werden, so fällt die Verstärkung bzw.
der Gewinn durch Verwenden von ACA auf ungefähr 1,3:1 ab. Es sei erneut
bemerkt, dass ein dynamisches Variieren des Leistungspegels zwischen
Schlitzen u. U. auch gegen die TDM-Signalkontinuität verstößt, die
bei gegenwärtigen
D-AMPS-Mobilstationen vorliegt.
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Daher
besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zum Bewahren der Signalkontinuität über Schlitze
hinweg, wenn Schlitze in verschiedene Richtungen und bei verschiedenen
Leistungspegeln übertragen
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren und ein System bereitgestellt, das überlagernde Schlitzübertragungen
unter Verwendung phasengesteuerter Anordnungen bzw. Felder einsetzt.
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Im
weiteren Sinn wird hierin eine Zeitmultiplex-(TDMA)-Basisstation offenbart
zum Bewahren der schlitzübergreifenden
Signalkontinuität
von Signalen, die in verschiedene Richtungen auf einer gegebenen Frequenz übertragen
werden. Die Basisstation enthält
eine Mehrfachrichtantenne zum Ausstrahlen von Signalen. Ein Prozessor
ist betriebsbereit mit der Antenne gekoppelt zum Erzeugen eines
ersten Datensignals für einen
ersten Zeitschlitz eines TDMA-Rahmens mit einem ersten vorbestimmten
Zeichenmuster und eines zweiten vorbestimmten Zeichenmuster zum
Erzeugen eines Datensignals für
einen zweiten Zeitschlitz des TDMA-Rahmens mit dem zweiten vorbestimmten
Zeichenmuster und zum Kommunizieren des ersten Datensignals und
des zweiten Datensignals an die Antenne, so dass das erste Datensignal
in eine erste Richtung ausgestrahlt wird und das zweite Datensignal
in eine zweite Richtung ausgestrahlt wird. Das erste Datensignal wird
mit einer ersten Phase zur Übertragung
in den ersten Zeitschlitz bei einem ersten Leistungspegel in der ersten
Richtung auf der gegebenen Frequenz moduliert. Das zweite Datensignal
wird bei einer zweiten Phase zur Übertragung in dem zweiten Zeitschlitz
bei einem zweiten Leistungspegel in der zweiten Richtung auf der gegebenen
Frequenz moduliert.
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Es
ist ein Merkmal der Erfindung, dass der erste Leistungspegel im
wesentlichen gleich dem zweiten Leistungspegel ist.
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Es
ist ein anderes Merkmal der Erfindung, dass die erste Phase eine
90°-Phasendifferenz
bezüglich der
zweiten Phase aufweist.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, einen Modulator bereitzustellen
zum Modulieren des ersten Datensignals und des zweiten Datensignals
auf der gegebenen Frequenz.
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Noch
ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass der Prozessor das Modulieren
des ersten Datensignals und des zweiten Datensignals auf der gegebenen
Frequenz ausführt.
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Es
ist noch ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass der Leistungspegel
des ersten Datensignals von dem ersten Leistungspegel auf Null heruntergefahren
wird, nachdem das zweite vorbestimmte Zeichenmuster in der ersten
Richtung übertragen
wird, und der Leistungspegel des zweiten Datensignals von Null auf
den zweiten Leistungspegel hochgefahren wird, vor einer Übertragung
des zweiten vorbestimmten Zeichenmusters in die zweite Richtung.
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Noch
ein zusätzliches
Merkmal der Erfindung ist, dass die erste Richtung und die zweite
Richtung zwei von vier vorbestimmten Richtungen sind.
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Es
wird gemäß eines
anderen Aspekts der Erfindung eine zellulare TDMA-Basisstation offenbart
zum Übertragen
von Signalen in verschiedenen Zeitschlitzen eines TDMA-Rahmens in
verschiedenen Richtungen, während,
von den vorgesehenen Empfängern
aus gesehen, schlitzübergreifende
Signalkontinuität
bewahrt wird. Die Basisstation enthält eine Antenne zum Bilden
einer Vielzahl gerichteter Strahlen. Ein erster Signalgenerator
moduliert ein erstes Datensignal mit einem ersten vorbestimmten
Zeichenmuster, ersten Datenzeichen und einem zweiten vorbestimmten
Zeichen auf einem gegebenen Funkfrequenzkanal, der während eines ersten
Zeitschlitzes bei einem ersten Leistungspegel in einer ersten Richtung
unter Verwendung der Antenne auszustrahlen ist. Der erste Signalgenerator
fährt einen
ersten Datensignalpegel gleichmäßig von
dem ersten Leistungspegel auf Null herunter, nach einer Übertragung
des zweiten vorbestimmten Zeichenmusters. Ein zweiter Signalgenerator
moduliert ein zweites Datensignal mit mindestens dem zweiten vorbestimmten
Zeichenmuster und zweiten Datenzeichen auf dem gegebenen Funkfrequenzkanal,
der während
eines zweiten Zeitschlitzes bei einem zweiten Leistungspegel in
einer zweiten Richtung unter Verwendung der Antenne auszustrahlen
ist. Der erste und der zweite Zeitschlitz überlagern einander während einer Übertragung
des zweiten bekannten Zeichenmusters, und der zweite Zeichengenerator
fährt vor
der Übertragung
des zweiten vorbestimmten Zeichenmusters von Null auf den zweiten
Leistungspegel hoch.
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Es
ist ein Merkmal der Erfindung, dass der erste Signalgenerator die
gleichen Datenzeichen wie der zweite Signalgenerator moduliert,
während
er das Herunterfahren ausführt.
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Es
ist ein anderes Merkmal der Erfindung, dass der zweite Signalgenerator
die gleichen Datenzeichen moduliert wie der erste Signalgenerator,
während
er das Hochfahren ausführt.
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Ein
zusätzliches
Merkmal der Erfindung ist, dass der erste und zweite Signalgenerator
dazu ausgebildet sind, das erste Signal so zu bewirken, dass es
eine 90°-Phasendifferenz
bezüglich
des zweiten Datensignals aufweist, wenn das erste und zweite Datensignal
von der Antenne in die erste und zweite Richtung ausgestrahlt werden
während
des Hochfahrens, einer zweiten vorbestimmten Musterübertragung
und des Herunterfahrens.
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Gemäß noch eines
anderen Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum Bewahren einer
schlitzübergreifenden
Signalkontinuität
von Signalen offenbart, die in verschiedene Richtungen auf einer
gegebenen Frequenz von einer TDMA-Basisstation übertragen werden, umfassend
die Schritte eines Erzeugens eines ersten Datensignals für einen
ersten Zeitschlitz eines TDMA-Rahmens mit einem ersten vorbestimmten
Zeichenmuster und einem zweiten vorbestimmten Zeichenmuster; eines
Erzeugens eines zweiten Datensignals für einen zweiten Zeitschlitz
mit dem zweiten vorbestimmten Zeichenmuster; eines Modulierens des
ersten Datensignals auf der gegebenen Frequenz mit einer ersten
Phase; eines Modulierens des zweiten Datensignals auf der gegebenen
Frequenz mit einer zweiten Phase; eines Übertragens des ersten Datensignals
von der Basisstation in dem ersten Zeitschlitz bei einem ersten
Leistungspegel in eine erste Richtung auf der gegebenen Frequenz
bei der ersten Phase; und eines Übertragens
des zweiten Datensignals von der Basisstation in den zweiten Zeitschlitz
bei einem zweiten Leistungspegel in eine zweite Richtung auf der
gegebenen Frequenz mit der zweiten Phase.
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Gemäß noch eines
anderen Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren offenbart zum Übertragen
von Signalen in verschiedene Zeitschlitze eines TDMA-Rahmens in
verschiedene Richtungen in einer zellularen TDMA-Basisstation unter Verwendung
eines Mehrfachstrahlrichtantennenfeldes, während, von den vorgesehenen
Empfängern
des Zeitschlitzes aus gesehen, schlitzübergreifende Signalkontinuität beibehalten
wird, enthaltend die Schritte eines Übertragens eines ersten Signals
in eine erste Richtung bei einem ersten Leistungspegel während eines
ersten Zeitschlitzes, einschließlich
der Übertragung
einer Postambel bestehend aus vorbestimmten Zeichen an einem Ende
des ersten Zeitschlitzes und der Übertragung eines zweiten Signals
in einer zweiten Richtung bei einem zweiten Leistungspegel während eines
zweiten Zeitschlitzes, einschließlich der Übertragung einer Präambel zu
Beginn des zweiten Zeitschlitzes bestehend aus den vorbestimmten
Zeichen und einer Überlagerung
der Übertragung
der Postambel.
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Es
ist ein Merkmal der Erfindung, Antriebselemente der Antenne zu enthalten,
so dass das erste Signal und die Postambel bei dem ersten Leistungspegel
von einem vorgesehenen Empfänger
empfangen werden, der in der ersten Richtung liegt, und die Präambel und
das zweite Signal bei dem zweiten Leistungspegel von einem anderen
vorgesehenen Empfänger
empfangen werden, der in der zweiten Richtung liegt.
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Es
ist ein anderes Merkmal der Erfindung, ein Auswählen des ersten und zweiten
Leistungspegels zu enthalten, so dass jeder der vorgesehenen Empfänger mindestens
einen akzeptablen Mindestsignalpegel empfängt, während eine Gesamtleistung,
die von dem Antennenfeld ausgestrahlt wird, minimiert wird.
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Es
ist ein anderes Merkmal der Erfindung, das Auswählen der Antennenelementantriebssignale
zu enthalten zum Bewirken einer gerichteten Übertragung, die sich gleichförmig von
der ersten Richtung zu der zweiten Richtung ändert während der überlagernden Übertragung
der Präambel
und Postambel.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, die Übertragung des ersten Signals
in der ersten Richtung für
eine Periode fortzusetzen, nach Beenden der Übertragung der Postambel, während der
Leistungspegel der Übertragung
des ersten Signals gleichförmig
bzw. glatt auf Null herabgefahren wird.
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Es
ist noch ein anderes Merkmal der Erfindung, den Beginn der Übertragung
des zweiten Datensignals in der zweiten Richtung für eine zweite
Periode zu umfassen, vor dem Starten der Übertragung der Präambel, während der
Leistungspegel der Übertragung
des zweiten Signals gleichförmig
bzw. glatt von Null heraufgefahren wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ohne weiteres aus der
Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Zeiteinteilungsdiagramm, das die Übertragung mehrerer Zeitschlitze
in verschiedene Richtungen gemäß der Erfindung
darstellt;
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2 zeigt
eine Kurve, die Strahlungsmuster zum Übertragen eines ersten und
zweiten Strahls gemäß der Erfindung
darstellt;
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3 stellt
eine Übertragung
in zwei Richtungen für
ein vierelementiges Antennenfeld gemäß der Erfindung dar; und
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4 zeigt
ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Basisstation.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß verwendet
eine digitale Zeitmultiplex- (TDMA)-Zellularbasisstation ein Richtantennenfeld.
Das Antennenfeld erzeugt eine Anzahl von gerichteten Übertragungen,
die auf Mobilstationen gerichtet sind, die sich unter verschiedenen
Azimuthwinkeln zu der Basisstationsstelle befinden. Eine Übertragung zu
einer gegebenen Mobilstation findet in einem zugewiesenen Zeitschlitz
einer TDMA-Rahmenperiode statt unter Verwendung einer zugewiesenen
Funkträgerfrequenz.
Die Übertragung
ist auf die Mobilstation gerichtet unter Verwendung des Richtantennenfeldes.
Die Erfindung erlaubt die Übertragung
von aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen auf der gleichen Trägerfrequenz
in verschiedene Richtungen oder bei verschiedenen Leistungspegeln
stattzufinden, während
von den Empfängern
aus gesehen eine Signalkontinuität
beibehalten wird.
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Viele
existierende Mobilstationen sind ausgelegt, um mit dem US-Digitalzellularsystemstandard
IS54 oder IS136 kompatibel zu sein, der auch als digitales fortgeschrittenes
Mobiltelefonsystem (D-AMPS) bezeichnet wird. Um die Kompatibilität mit diesen
existierenden Mobilstationen aufrechtzuerhalten, muss das Muster bekannter
Zeichen in dem zu Beginn jedes Zeitschlitzes übertragenen Syncwort mit einer
Phasen-, Leistungs- und Zeiteinteilungs- bzw. Synchronisierungskontinuität mit dem
vorhergehenden Schlitz sowie dem nachfolgenden Schlitz übertragen
werden. Dies erlaubt es der Mobilstation bekanntlich, entweder Vorwärtsdemodulation
oder Rückwärtsdemodulation
zu verwenden.
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Erfindungsgemäß wird die Übertragung
eines Zeitschlitzes in einer gegebenen Richtung unter Verwendung
des Richtantennenfeldes erweitert zum Übertragen des Syncworts in
dem nachfolgenden Zeitschlitz, der als Postambel bekannt ist. Die Übertragung
des nachfolgenden Zeitschlitzes in einer zweiten Richtung beginnt
durch die gleichzeitige Übertragung
des gleichen Syncwortes in der zweiten Richtung, wodurch die erweiterte Übertragung
in der ersten Richtung überlagert
wird. Die erste Übertragung
wird gleichförmig
beendet durch Herunterfahren ihres Signalpegels auf Null während der Übertragung
der gleichen Datenzeichen, die dem Syncwort in dem zweiten Schlitz
folgen. In ähnlicher
Weise beginnt die zweite Schlitzübertragung
gleichförmig
durch Hochfahren ihres Leistungspegels vor der Übertragung ihres Syncworts,
während
die gleichen Datensymbole übertragen
werden, die am Ende des ersten Schlitzes in der ersten Richtung übertragen
werden. Um zu verhindern, dass überlagernde Übertragungen
destruktiv interferieren, kann die zweite Übertragung mit einer 90°-Phasenverschiebung
gegenüber
der ersten Übertragung,
mit der sie sich überlagert,
stattfinden. Daher findet, wenn die Anzahl von Zeitschlitzen in
einem Rahmen ungerade ist, wie in einem Vollraten-D-AMPS, eine Übertragung
eines entsprechenden Schlitzes in nachfolgenden TDMA-Rahmen mit
einer alternierenden 90°-Phasenverschiebung
in alternierenden Rahmen statt oder mit einer aufeinanderfolgenden 90°-Phasenrotation.
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Gemäß eines
anderen Aspekts der Erfindung verwendet das Antennenfeld ein strahlbildendes
Gewichten während
der Syncwortübertragung,
welches am Ende eines ersten Schlitzes und zu Beginn eines zweiten
Schlitzes stattfindet. Die in der ersten Richtung liegende Mobilstation
empfängt
das Syncwort mit Phasen-, Amplituden- und Zeiteinteilungskontinuität zu den
ihren Schlitzen unmittelbar vorausgehenden Datenzeichen. Gleichzeitig
empfängt
die in der zweiten Richtung liegende Mobilstation das Syncwort mit
Phasen-, Amplituden- und Zeiteinteilungskontinuität zu den
ihren Schlitzen unmittelbar nachfolgenden Datenzeichen. Um dies
zu erreichen, muss der Leistungspegel, bei welchem die Übertragung
in dem zweiten Schlitz beginnt oder bei welchem die Übertragung
des ersten Schlitzes endet, in Abhängigkeit von der ersten und
zweiten Richtung und insbesondere in Abhängigkeit von dem Unterschied
in den Richtungen koordiniert werden. Diese Leistungspegel werden
koordiniert, um sicherzustellen, dass jede Mobilstation einen Signalpegel
empfängt,
der größer als
oder gleich einem akzeptablen Mindestsignalpegel ist, während sie
die Mindestgesamtmenge an Leistung von dem Antennenfeld überträgt.
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Unter
anfänglicher
Bezugnahme auf 1 stellt ein Zeiteinteilungsdiagramm
eine erste Übertragung eines
ersten Strahls 10 dar, der für eine erste Mobilstation vorgesehen ist,
und eine anschließende Übertragung
eines zweiten Strahls 12, der für eine zweite Mobilstation
vorgesehen ist. Ein erster Zeitschlitz 14 umfasst ein erstes
Präambel-Syncwort
S1, gefolgt von einem ersten Satz von Datenzeichen 16 und
einem Postambel-Syncwort 52. Der Strahl 10 der
ersten Übertragung
wird an die erste Mobilstation bei einem ersten Leistungspegel in
eine erste Richtung übertragen.
Daher wird die Übertragung
des ersten Zeitschlitzes erweitert, um die Übertragung des Postambel-Syncwortes
S2 zu enthalten.
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Ein
zweiter Zeitschlitz 18 umfasst ein Präambel-Syncwort S2, welches
dasselbe ist wie das Postambel-Syncwort S2 des ersten Zeitschlitzes
und dieses zeitlich überlagert.
Der zweite Zeitschlitz enthält
auch einen zweiten Satz von Datenzeichen 20 und ein Postambel-Syncwort
S3. Daher ist diese Implementierung der Erfindung durch die gleichzeitige Übertragung
des gleichen Syncwortes S2 in zwei Richtungen während einer überlagernden
Periode gekennzeichnet.
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Wie
dargestellt, wird die erste Übertragung
gleichförmig
auf einen Null-Leistungspegel heruntergefahren nach der Übertragung
des zweiten Syncwortes S2, wie bei 22 dargestellt. Auch
die zweite Übertragung 12 wird
gleichförmig
von einem Nullpegel hochgefahren vor der Übertragung des Syncwortes S2,
wie bei 24 dargestellt. Während der Hochfahrperiode 24 und
der Herunterfahrperiode 22 werden die gleichen Datenzeichen auf
den überlagernden Übertragungen
moduliert. 1 stellt auch die Übertragung
eines dritten Strahls 26 dar, die, wie ersichtlich, in ähnlicher
Weise die zweite Übertragung überlagert.
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Die
Zeitlänge
sowohl der Hochfahrperiode 24 als auch der Herunterfahrperiode 22 beträgt ungefähr eine
Millisekunde. Beide Zeiten zusammen machen ungefähr 30% der 6,6 Millisekunden
Burst-Zeitdauer des D-AMPS aus, aber schlimmstenfalls nur ungefähr 10% der
Gesamtleistung, wenn der erste und zweite Zeitschlitz den gleichen
Leistungspegel aufweisen.
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Ein
typisches Antennenfeld verwendet einen hermiteschsymmetrischen Links-rechts-Satz
von strahlbildenden Gewichtungen. Das Ausstrahlungsfeld des Feldes
bzw. Arrays weist in allen Richtungen die gleiche Phase auf, abgesehen
von einer Änderung
von + auf -, d.h. von 0° auf
180°, und
durchläuft
ein Ausstrahlungsmuster Null, daher weist die Nebenkeule oder Amplitude
a' in 2 ein
Minus-Vorzeichen auf, verglichen mit der Hauptkeule oder Amplitude 'a' (Strahl 1). Daher kann ein zweiter
Strahl, der die gleichen Daten zur gleichen Zeit in einer unterschiedlichen
Richtung überträgt, falls
er auch derartige Gewichtungen verwendet, entweder zu der Strahlung
des ersten Strahls in der zweiten Richtung addieren oder von ihr
subtrahieren. Erfindungsgemäß wird die Übertragung
des zweiten Strahls 12 so durchgeführt, dass sie eine Phasendifferenz
von 90° aufweist
(wie durch den imaginären
Normierungsfaktor 'j' in Strahl 2 gekennzeichnet)
zu der des ersten Strahls 10, wie in 2 dargestellt.
Dies vermeidet die Ungewissheit, ob sich die zwei Strahlen konstruktiv
oder destruktiv addieren. Insbesondere ist, wenn das Hochfahren
und Herunterfahren für
einen glatten bzw. gleichförmigen Übergang
von nichtüberlagernden Übertragungen
zu überlagernden Übertragungen
und wieder zurück verwendet
wird, der von jeder Mobilstation empfangene Signalpegel die Quadratwurzel
der Summe der Quadrate der Beiträge
jeder der Übertragungen.
Die Beiträge
sind der Hauptstrahlbeitrag in Richtung der Mobilstation, für die der
Strahl vorgesehen ist, beziehungsweise der Nebenkeulenbeitrag des
anderen Strahls in dieser Richtung. Eine quadratische Funktionsaddition
ist das bewusste Ergebnis der 90°-Phasenverschiebung
zwischen den zwei Übertragungen.
Dies stellt sicher, dass der von jeder Mobilstation empfangene Signalpegel mindestens
gleich dem gewünschten
Pegel ist, der von einem Strahl alleine übertragen wird, wenn der Leistungspegel
nach dem Hochfahren seinen stabilen Wert erreicht hat. Die Erhöhung des
Signalpegels während der überlagerten
Syncwort-Übertragung
verstößt nicht
gegen die gewünschte
schlitzübergreifende
Kontinuität, vorausgesetzt,
das Leistungshochfahren und -herunterfahren tritt langsamer auf
als Änderungen
im Signalpegel aufgrund des Rayleigh-Schwundes, den zu erwarten
der Empfänger
ausgelegt ist. Genausowenig verstößt die Phasenrotation der resultierenden
Summe der Beiträge
der Strahlen 1 und 2 in jeder Richtung gegen eine Phasenkontinuität, vorausgesetzt,
das Hoch- und Herunterfahren ist langsamer als der erwartete Schwund. Um
mit dem Schwund zurecht zu kommen, verwendet der Empfänger eine
Kanalverfolgung, die die Referenzamplitude und- phase aktualisiert,
die zum Dekodieren verwendet werden, nachdem jedes Datenzeichen
dekodiert wurde, und diese Kanalverfolgung kann dann die Änderungen
aufgrund des Hoch- und
Herunterfahrens verfolgen.
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In
der zweiten, oben erwähnten
Implementierung der Erfindung können
Signale von jedem Feldelement übertragen
werden, die so ausgewählt
werden, dass die erste Mobilstation das Postambel-Syncwort in der ersten
Richtung bei genau dem gleichen Pegel und der gleichen Phase empfängt wie
ihre vorangegangenen Datenzeichen. Gleichzeitig empfängt eine
zweite Mobilstation das gleiche Syncwort wie ihre Präambel in einer
zweiten Richtung und bei einem zweiten gewünschten Leistungspegel, welcher
gleich dem Leistungspegel der folgenden Datenzeichen ist. Die Möglichkeit
des gleichzeitigen Erfüllens
dieser zwei Anforderungen wird nachstehend mathematisch betrachtet.
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Falls
eine Übertragung
unter Verwendung eines N-elementigen Antennenfeldes erzeugt wird,
wobei N>2, dann wird
jedes Element mit Signalen a(i) getrieben zum Bilden des Spaltenvektors
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Wird
der Ausbreitungskanal von einem Antennenelement i zu einer Mobilstation
j als Cji bezeichnet, wobei j=1, 2, und werden a.S(t) und b.S(t)
als die zwei Syncwort-Signale für
die jeweiligen zwei zu empfangenden Mobiltelefone bezeichnet, wobei 'a' und 'b' die
gewünschten
Signalamplitudenpegel sind, dann ist
wobei S ein zweielementiger
Spaltenvektor ist. Es gibt N Unkekannte a1...a(N) und lediglich
zwei zu erfüllende Gleichungen.
Wird die zusätzliche
Bedingung auferlegt, dass die ausgestrahlte Gesamtleistung
A#.A ein Minimum
sein soll (dabei um die geringste Interferenz in unbeabsichtigte
Richtungen streuend), wird als eine eindeutige Lösung festgestellt
A = C#.
(CC#')–1.S .......... (1) -
Falls
die Richtungen der zwei Mobilstationen übereinstimmen, dann wird C.C# singulär.
Es kann dann nicht effizient sein, zu versuchen, verschiedene Signalpegel
an Mobilstationen zu übertragen,
die in ungefähr der
gleichen Richtung liegen, und es kann weniger Gesamtleistung erforderlich
sein, um den geringeren der zwei Signalpegel (a,b) zu erhöhen. Ein
numerisches Beispiel wird für
den Fall des vierelementigen Feldes 30 in 3 bereitgestellt.
In dem dargestellten Feld 30 werden, um jeweils in die
zwei Richtungen zu übertragen, die
vier Elemente 32, 33, 34 und 35 mit
Signalen versorgt C1=0,5(e–2jϕ1;
e–jϕ1;
ejϕ1; e2jϕ1) und C2=0,5(e–2jϕ2;
e–jϕ2;
ejϕ2; e2jϕ2) wobei ϕ1=2π d sin(θ1)/λ
und ϕ2=2π d sin(θ2)/λ.
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Daher
kann die Matrix C.C
# errechnet werden als
und δϕ=ϕ1–ϕ2
und ihr Inverses als
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Da
die Determinante in dem Nenner der Inversen erscheint, tendieren
die Komponenten der Inversen zu Unendlich, wenn die zwei Richtungen
einander näherkommen.
Jedoch konvergiert logischerweise das Ergebnis dann, falls diese
Matrix mit dem Spaltenvektor S=(a,b) mit gleichen Signalpegeln a=b
multipliziert wird, wenn die Richtungen sich einer Übereinstimmung
annähern;
und es gibt kein Problem, gleiche Signale in zwei nahe benachbarte
Richtungen zu übertragen.
Wenn 'a' und 'b' nicht gleich sind, konvergieren die
benötigten Feldantriebssignale
jedoch nicht, wenn die Richtungen dazu tendieren, übereinzustimmen,
da es nicht möglich ist,
zu verlangen, dass im wesentlichen verschiedene Signalpegel in nahe
angrenzende Richtungen ausgestrahlt werden. Für das symmetrische vierelementige
Feld 30 sind die Lösungen
für die
Feldantriebssignale (a+b)cos(ϕi)/(2–Δ) + j(a–b)sin(ϕi)/Δ wobei ϕi die Phase des Elements i für eine der
Strahlrichtungen ist.
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Addieren
der quadrierten Größen der
obigen für
alle vier Elemente
32–
35 ergibt
die Gesamtleistung. Die Gesamtleistung zum Übertragen einer Signalamplitude
1 in
eine Richtung und 0,5 in die spiegelbildliche Richtung ist in der
nachstehenden Tabelle 1 in dBs angegeben, relativ zu der Einheitsleistung
für verschiedene Strahlwinkelfehler,
für ein
vierelementiges Feld von ungerichteten Ausstrahlern mit einem Wellenlängenabstand
von 0,5. TABELLE
1
| +/– Winkelfehler (Grad) | Gesamtleistung (db) |
| 45,0000 | 4,2 |
| 40,0000 | 3,1 |
| 35,0000 | 1,5 |
| 30,0000 | 1,0 |
| 25,0000 | 1,6 |
| 20,0000 | 3,5 |
| 15,0000 | 3,9 |
| 12,0000 | 2,3 |
| 10,00000 | 1,2 |
| 9,00000 | 0,7 |
| 8,00000 | 0,3 |
| 7,00000 | 7,2 |
| 6,00000 | 3,2 |
| 5,00000 | 0,2 |
| 4,50000 | 0,4 |
| 4,00000 | 0,7 |
| 3,50000 | 1,2 |
| 3,00000 | 1,9 |
| 2,50000 | 2,9 |
| 2,00000 | 4,3 |
| 1,50000 | 6,3 |
| 1,00000 | 9,5 |
| 0,800000 | 11,3 |
| 0,700000 | 12,4 |
| 0,600000 | 13,7 |
| 0,500000 | 15,3 |
-
Tabelle
1 stellt die rasch abnehmende Effizienz dar beim Versuch, verschiedene
Signalpegel (a,b)=(1, 0,5) zu erzeugen, während der Winkelstrahlabstand
gegen Null konvergiert. Es gibt andere Bereiche mit geringerer Ineffizienz
um Strahlwinkel von +/–15° und +/–7°, die durch
Nebenkeulen eines Strahls hervorgerufen werden, der ein zu der Hauptkeulenausstrahlung
des anderen Strahls inverses Vorzeichen aufweist, was destruktive
Interferenz hervorruft.
-
In
diesem Fall wird bevorzugterweise das Vorzeichen des zweiten Strahls
invertiert durch Wählen
der Amplituden von (a,b)=(1, 0,5) mit dem in untenstehender Tabelle
2 gezeigten Ergebnis: TABELLE
2
| +/– Winkelfehler (Grad) | Gesamtleistung (db) |
| 45,0000 | 0,0 |
| 40,0000 | 0,0 |
| 35,0000 | 0,5 |
| 30,0000 | 1,0 |
| 25,0000 | 0,5 |
| 20,0000 | 0,0 |
| 15,0000 | 0,0 |
| 12,0000 | 0,2 |
| 10,00000 | 0,8 |
| 9,00000 | 1,3 |
| 8,00000 | 1,9 |
| 7,00000 | 2,8 |
| 6,00000 | 3,9 |
| 5,00000 | 5,2 |
| 4,50000 | 6,1 |
| 4,00000 | 7,0 |
| 3,500000 | 8,1 |
| 3,00000 | 9,4 |
| 2,50000 | 10,9 |
| 2,00000 | 12,8 |
| 1,50000 | 15,3 |
| 1,00000 | 18,8 |
| 0,800000 | 20,7 |
| 0,700000 | 21,8 |
| 0,600000 | 23,2 |
| 0,500000 | 24,8 |
-
Dies
zeigt, dass es Strahlwinkel gibt, die die Wahl der entgegengesetzten
Phase für
den zweiten Strahl favorisieren würden und andere Strahlwinkel,
die die Wahl der gleichen Phase favorisieren würden. Allgemeiner ausgedrückt, sollte,
wenn es ineffizient ist, zu versuchen, ein Signal in einer zweiten
Richtung zu erzeugen, das viel geringer ist als das in der ersten
Richtung, ein höherer
Signalpegel in der zweiten Richtung erzeugt werden, und sein optimaler
Pegel, jener, der in der Mindestgesamtleistung des Feldes resultiert,
kann durch Differenzieren bezüglich 'b' und Gleichsetzen mit Null gefunden
werden, wobei man erhält
-
-
Daher
sollte stattdessen der obige Optimalwert des zweiten Strahlpegels
während
der Überlagerungsperiode
verwendet werden, wenn das gleiche Syncwort in dem zweiten Strahl übertragen
wird.
-
Bei
Beendigung der ersten Strahlübertragung
kann ein Herunterfahren stattfinden, durch Herunterfahren von sowohl 'a' als auch 'b' von
dem höheren
Pegel von b(opt), bis 'b' den Zielsignalpegel
für den
zweiten Strahl erreicht. Es kann jedoch ineffizient sein, mit dem
Herunterfahren von 'a' fortzufahren, während 'b' beibehalten wird, es sei denn, die
erste Strahlrichtung wird in Richtung einer Übereinstimmung mit der zweiten Strahlrichtung
gedreht. Die optimale Lösung
kann verschiedene Hoch- bzw. Herunterfahrfunktionen für jedes Element
beinhalten, welche komplizierte Funktionen der tatsächlichen
Antennenelementeigenschaften sind. Jedoch ist die Kompliziertheit
u.U. nicht durch die geringe Leistungssteigerung gerechtfertigt.
Demzufolge wird die erste, oben beschriebene Implementierung bevorzugt,
in der der erste Strahl von seiner Signalamplitude 'a' heruntergefahren wird, nach Beendigung
der Übertragung
des zweiten Syncworts, während
der zweite Strahl von Null gleichförmig auf seine Amplitude "jb" hochgefahren wird,
vor der Übertragung
des gleichen Syncworts, wobei "jb" eine Signalamplitude
von "b", kombiniert mit
einer Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem
ersten Strahl, bezeichnet.
-
Unter
Bezug auf 4 stellt ein Blockdiagramm eine
Basisstation 50 zum Implementieren des Systems und Verfahrens
gemäß der Erfindung
dar. Die Basisstation 50 enthält einen digitalen Signalprozessor 52, der
mit einem Speicher 54 verbunden ist. Der Speicher 54 speichert
Programme, die von dem Prozessor 52 für Schlitz-, Frequenz- und Strahlrichtungszuweisungen
implementiert werden. Der Prozessor empfängt Datensignale von einem
Block 56, die an verschiedene Empfänger in Form von Mobilstationen
zu übertragen sind.
Der Prozessor 52 ist über
eine Modulatorbank 58 mit einem strahlbildenden Netzwerk 60 verbunden.
Das strahlbildende Netzwerk 60 ist über einen Satz linearer Spaltenverstärker 62 mit
einem Antennenfeld 64 verbunden. Das Antennenfeld 64 umfasst
ein Feld von Antennenelementen 66, wie z.B. Stückelemente,
die auf eine Platte 67 aus Streifenleitermaterial gedruckt
sind. Die Elemente 66 in jeder der vier Spalten 68, 69, 70 und 71 sind
miteinander in Phase durch eine Phasenleitung (nicht gezeigt) verbunden,
um ein kolineares Feld mit vertikaler Richtfähigkeit auf eine herkömmliche
Art und Weise zu bilden.
-
Die
Modulatorbank 58 besteht aus einem ersten Modulator 58-1 für Strahl
1, einem zweiten Modulator 58-2 für Strahl 2, einem dritten Modulator 58-3 für Strahl 3 und
einem vierten Modulator 58-4 für Strahl 4. Die linearen
Spaltenverstärker 62 umfassen
einen ersten Verstärker 62-1,
einen zweiten Verstärker 62-2,
einen dritten Verstärker 62-3 und
einen vierten Verstärker 62-4.
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Die
vier Spalten 68-71 werden durch die jeweiligen Leistungsverstärker 62-1 bis 62-4 angetrieben.
Die Leistungsverstärker,
generell als 62 bezeichnet, können
Mehrfachträger-Leistungsverstärker sein,
wobei jeder getreu eine Summe vieler Signale verschiedener Frequenzen
und Leistungspegel verstärkt,
so dass ein Satz von Spaltenverstärkern 62 für viele
gleichzeitige Strahlen und Frequenzen ausreicht.
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Das
strahlbildende Festnetzwerk 60, das als Butler-Matrix bekannt
ist, wird an dem Eingang des Satzes von Leistungsverstärkern 62 verwendet,
um Signale anzunehmen für
eine Ausstrahlung in eine bestimmte Richtung und um das Eingangssignal
in Phase zwischen seinen vier Ausgängen aufzuteilen, so dass die
Ausstrahlung von dem Antennenfeld 64 in der gewünschten
Richtung sein wird. Andere Eingänge
zu der Butler-Matrix 60 werden für die Übertragung in andere Richtungen
verwendet. Die Butler-Matrix 60 kann mehr als vier Eingänge aufweisen,
zum Beispiel acht Eingänge,
und sie hätte
dann eine entsprechende Anzahl von Ausgängen, von denen nur vier mit
den Leistungsverstärkern
verbunden sind. Dies erlaubt die Definition von mehr als vier verschiedenen
Richtungen, wobei dann die zusätzlichen
Strahlen die ursprünglichen
vier Strahlen erheblich überlagern.
Ein adaptives Kanalzuweisungsgerät
(nicht gezeigt) weist die zu benutzende Frequenz, den Zeitschlitz
und die Richtung für
jeden Anruf zu, um eine Interferenz mit anderen im Gange befindlichen Anrufen
zu minimieren, die von der gleichen oder anderen ähnlichen
Basisstationen in der Nähe übertragen werden.
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Signale
für eine Übertragung
in die gleiche Richtung unter Verwendung verschiedener Trägerfrequenzen
werden mit Hilfe des digitalen Signalprozessors 52 aus
den Datensignalen 56 erzeugt, addiert und dann gemeinsam
moduliert unter Verwendung der Modulatorbank 58, um die
Signale zum Anlegen an die Butler-Matrix 60 zu bilden.
Wie in den hier einbezogenen Referenzen beschrieben, kann der digitale
Signalprozessor 52 die Funktion der Butler-Matrix 60 implementieren
und sie numerisch ausführen,
wodurch der Bedarf für
Block 60 beseitigt wird. Ist dies geschehen, ist die Übertragung
nicht mehr auf eine endliche Anzahl von vorbestimmten Strahlrichtungen
beschränkt,
sondern jedes Signal in jedem Zeitschlitz und bei jeder Frequenz
kann eigenständig
in den Strahlrichtungen gesteuert werden, so dass die von den vorgesehenen
Empfängern
empfangene Signalqualität
maximimiert wird. Ein vereinfachtes Verfahren eines digitalen Bildens
von Übertragungsstrahlen
wird in Dent, US-Patent Nr. 5,909,460, beschrieben.
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Im
allgemeinen enthält
der Prozessor 52 die Funktionen Fehlerkodierung, Modulation,
Strahlbildung, digitale Frequenzverschiebung zu einem zugewiesenen
Kanal und digitales Frequenzeinteilungsmultiplexen von Signalen
auf verschiedenen Frequenzkanälen
zum Bilden von Feldantriebssignalen. Die Feldantriebssignale werden
dann zu dem gewünschten
Funkfrequenzband D/A-konvertiert und moduliert. Die Mitte des Bandes
wird durch ein Funkfrequenzsignal von einem Frequenzsynthetisierer 63 definiert,
welcher mit der Modulatorbank 58 in Zusammenhang steht.
Der Prozessor 52 kann auch programmiert werden, das Hochfahren
und Herunterfahren der Signale für
verschiedene Zeitschlitze und verschiedene Strahlen anzuwenden,
um das Verfahren der Erfindung zu implementieren. Ein Fachmann erkennt
mit Hilfe der hierin enthaltenen Offenbarung und der einbezogenen
Technik, dass sämtliche
der obigen Funktionen im numerischen Bereich unter Verwendung komplexer
Multiplikationen und Additionen durchgeführt werden können.
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Während die
vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen programmierten digitalen
Signalprozessor beschrieben wird, könnte das System, wie für den Fachmann
ersichtlich, unter Verwendung anderer Arten von Prozessoren oder
elektronischen Schaltungen implementiert werden. Daher sind andere
Implementierungen der Erfindung zwar möglich, gelten aber als im Umfang
der Erfindung, wie durch die Ansprüche definiert, enthalten.