DE2918857C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalkombinierschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Signalkombinierschaltungen werden insbesondere in Raumdiversity-Empfängern benutzt. Es ist bekannt, daß Hochfrequenzwellen, die von einem Sender zu einem Empfänger laufen, einer Vielzahl unterschiedlicher Wege folgen können und daß die relative Phase der verschiedenen, an der Empfangsantenne ankommenden Wellen so sein kann, daß eine schwächende Interferenz auftritt, die zu dem bekannten Schwund oder Fading führt. Um die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Schwunds zu verringern, ist das Raumdiversity- System entwickelt worden, das zwei voneinander entfernte Antennen zur Speisung eines gemeinsamen Empfängers verwendet. Dabei wird von der Theorie ausgegangen, daß das gleichzeitige Auftreten eines Schwundes an beiden Antennen weniger wahrscheinlich ist. Bei dem einfachsten System ist eine Einrichtung vorgesehen, die den Empfänger von einer Antenne abtrennt, sobald der Pegel des Empfangssignals unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts abfällt, und den Empfänger an die zweite Antenne anschaltet. Bei diesem sogenannten "blinden Umschalten" wird angenommen, daß das von der zweiten Antenne empfangene Signal stärker ist als das von der ersten Antenne empfangene Signal. Bei einem weiterentwickelten System werden die Signale der beiden Antennen hochfrequenzseitig mittels einer Signalkombinierschaltung kombiniert, statt zwischen ihnen umzuschalten. Dadurch werden mit dem Umschalten verbundene Amplituden- und Phasensprünge vermieden, und es ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß ein Signal größerer Amplitude an den Empfänger geliefert wird. Ein solches System erfordert jedoch eine dynamische Phasenkorrektur, um Schwankungen der relativen Phase zwischen den beiden Signalen zu kompensieren, die durch Änderungen der von ihnen durchlaufenen Weglängen verursacht werden. In bekannten Systemen dieser Art (US-PS 27 86 133, 40 79 318) ist ein einzelner, kontinuierlich einstellbarer Phasenschieber in einem der Antennenwege vorgesehen und wird automatisch so eingestellt, daß die Welle von der einen Antenne die richtige Phasenlage für eine Kombination mit der Welle von der anderen Antenne besitzt. Als Phasenschieber wird in bekannter Weise (DE-OS 27 27 975) auch schon eine elektronische Ausführung verwendet, bei der mit Hilfe digitaler Bauelemente die Phasenverschiebung in kleinen Schritten, beispielsweise 256 Schritten für 360° erfolgt. In der US-PS 35 82 790 ist mit weiteren Einzelheiten eine Einrichtung zur Kombination der beiden empfangenen Signale und zur Isolation der beiden Antennen voneinander beschrieben. Die Schaltung weist einen ersten Phasenschieber auf, der die Phase eines der Eingangssignale so schiebt, daß sie in Quadraturbeziehung zur Phase des anderen Eingangssignals gebracht wird. Die Quadratur- Signale werden in einem ersten Hybrid-Koppler unter Erzeugung eines Paares von Signalen gleicher Amplitude kombiniert. Die Phase eines der beiden Signale wird mittels eines zweiten Phasenschiebers um 90° verschoben, um die beiden Signale in Phase zu bringen. Die beiden gleichen, in Phase liegenden Signale werden in einem zweiten Hybrid-Koppler unter Erzeugung eines einzigen Ausgangssignals kombiniert, dessen Gesamtenergie gleich der Summe der Energie der beiden empfangenen Signale ist.

Bei diesen bekannten Systemen wird versucht, den beiden Signalen kontinuierlich mit Hilfe kontinuierlich oder quasikontinuierlich variabler Phasenschieber zu folgen. Die Schwierigkeit bei solchen Phasenschiebern besteht darin, daß für einen Übergang von maximaler Phasenschiebung zurück auf Null alle zwischenliegenden Phasenwerte durchlaufen werden müssen. Zur Erläuterung des Problems seien zwei Wellen betrachtet, deren relative Phasendifferenz langsam ansteigt. Wenn die Phase ansteigt, erreicht sie gegebenenfalls einen Wert von 360°, bei dem die beiden Signale wieder in Phase sind. Ein Phasenschieber beispielsweise des in der genannten US-PS 27 86 133 gezeigten Typs geht nicht einfach nach seiner maximalen Phasenverschiebung auf Null, sondern muß statt dessen unter Durchlaufen seines gesamten Bereichs von Werten zwischen seiner Maximaleinstellung und seiner Minimaleinstellung auf Null zurückgestellt werden, wodurch eine plötzliche Änderung der Ausgangssignalamplitude einschließlich einer möglichen Signalauslöschung bewirkt wird.

Eine zweite Schwierigkeit kann abhängig von der Art und Weise auftreten, in der das Phasenschieber-Steuersignal abgeleitet wird. In typischer Weise wird dem Signal in einem der beiden Antennenkreise eine kleine Phasenmodulation mitgeteilt, und zwar entsprechend beispielsweise der Erläuterung in dem Aufsatz "Diversity Reception and Automatic Phase Correction" von L. Lewin in "The Proceedings of the Institution of Electrical Engineers", Juli 1962, Seiten 295- 304 oder auch der vorgenannten DE-OS 27 27 975. Die Phasenmodulation erzeugt eine Amplitudenmodulation des zusammengesetzten Signals, das sich ergibt, wenn die beiden Signale kombiniert werden. Die Grundschwingung und die zweite Harmonische dieser Amplitudenmodulation wird durch die automatische Verstärkungsregelungsschaltung (AGC) des Empfängers festgestellt und zur Steuerung des Phasenschiebers benutzt. Das hierbei auftretende Problem besteht darin, daß es häufig schwierig ist, die verhältnismäßig kleine Komponente der zweiten Harmonischen bei Vorhandensein von Rauschen festzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalkombinierschaltung zu schaffen, die auf einfache Weise eine kontinuierliche Einstellung der Phasenbeziehung zwischen zwei Eingangssignalen in einem großen Bereich von Phasenabweichungen ermöglicht. Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei sind zur Verwendung in einem Raumdiversity-Empfänger das erste und das zweite Eingangssignal Antennensignale.

Durch die Kombination einer Phasenschritteinrichtung mit einem kontinuierlich veränderbaren Phasenschieber lassen sich die beiden Eingangssignale, insbesondere Antennensignale in Phase kombinieren, ohne daß Probleme in Verbindung mit der Rückkehr der Phase von 360° auf Null auftreten.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nur die Grundschwingungen der Phasenmodulation zur Steuerung beider Phasenschieber erforderlich ist. Es ist also nicht erforderlich, die zweite Harmonische festzustellen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Signalkombinierschaltung nach der Erfindung in Anwendung bei einem Raumdiversity-Empfänger;

Fig. 2 ein Vektordiagramm für die Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Kurve in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 4 und 5 Schaltungseinzelheiten von Bauteilen, die in Fig. 1 in Blockform dargestellt sind;

Fig. 6 eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist als Blockschaltbild eine Signalkombinierschaltung für Antennensignale in einem Raumdiversity-Empfänger dargestellt. Die Schaltungsanordnung enthält zwei Antennenschaltungen 10 und 11 sowie eine zugeordnete Steuerschaltung. Eine der Antennenschaltungen 10 umfaßt eine Antenne 1, einen Phasenmodulator 12, eine 90°-Phasenschritteinrichtung 13 und einen kontinuierlich veränderbaren Phasenschieber 14. Die zweite Antennenschaltung 11 umfaßt eine Antenne und einen Übertragungsweg 16.

Die Signale der beiden Antennenschaltungen werden mit Hilfe eines Signalkombinierers 15 kombiniert, dessen Ausgangssignal einem Hochfrequenzempfänger 8 zugeführt wird.

Die Phasenschieber in der Antennenschaltung 10 werden durch eine Steuerschaltung 9 gesteuert, die auf das im Hochfrequenzempfänger erzeugte Signal zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC) anspricht. Die Steuerschaltung enthält bei dem Ausführungsbeispiel einen Phasendetektor 17, einen Schwellenwertdetektor 19 und eine Logikschaltung 20.

Das von der Antenne 1 aufgenommene Signal E₁ wird im Modulator 12 mit einem verhältnismäßig niedrigfrequenten, sinusförmigen Signal (zwischen 0 und 40 Hz) phasenmoduliert, das von einem Niederfrequenz-Oszillator 21 erzeugt wird. Das auf diese Weise modulierte Signal E₁ und ein von der Antenne 2 aufgenommenes Signal E₂ werden dann durch den Signalkombinierer 15 kombiniert, und das sich ergebende Signal E wird an den Empfänger 8 gegeben.

Wenn die beiden Phasenschieber 13 und 14 keine Phasenverschiebung einführen, haben die beiden empfangenen Signale E₁ und E₂ irgendeine relative Phase a mit Bezug aufeinander. Dies wird durch das Vektordiagramm in Fig. 2 dargestellt. Das sich am Ausgang des Signalkombinierers 15 ergebende, zusammengesetzte Signal wird durch den Vektor E dargestellt, dessen Länge kleiner als die algebraische Summe der Signale E₁ und E₂ ist.

Der Einfluß der dem Signal E₁ mitgeteilten Phasenmodulation Δβ auf das zusammengesetzte Signal E wird durch die strichpunktierten Linien in Fig. 2 angegeben. Zusätzlich zur Änderung der relativen Phase bewirkt die Phasenmodulation eine Änderung der Amplitude des zusammengesetzten Signals zwischen einem Maximum E′′ und einem Minimum E′. Diese Amplitudenmodulation (Δ E=E′′-E′) des zusammengesetzten Signals wird durch die Verstärkungsregelschaltung des Empfängers abgefühlt und durch den Phasendetektor 17 in Form eines Synchrondetektors festgestellt.

Die günstigste Bedingung liegt dann vor, wenn die Signale E₁ und E₂ in Phase sind. Dann erzeugt die Phasenmodulation des Signals E₁ im wesentlichen keine Amplitudenmodulation (d. h. E≈E′′=E′), und es wird folglich kein Korrektursignal am Ausgang des Detektors 17 erzeugt. Wenn der Winkel α zwischen den beiden Signalen ansteigt, so wird der Grad der Amplitudenmodulation Δ E des zusammengesetzten Signals größer, (d. h. E′′-E′) und erreicht ein Maximum bei etwa α=90°, wie in Fig. 3 angegeben. Die durch den Phasendetektor festgestellte Grundschwingung der Amplitudenmodulation ist demgemäß ein Maß für die Phasendifferenz α und kann als Korrektur- oder Steuersignal für die Phasenschieber 13 und 14 benutzt werden. Da jedoch das Korrektursignal oberhalb von 90° wieder abnimmt, ergibt sich, daß eine kontinuierlich veränderbare Phasenverschiebung nur in dem Bereich zwischen 0 und ±90° benutzt werden kann. Im einzelnen wird der Bereich zweckmäßig auf etwa mehr als ±45° begrenzt, d. h. auf ±55°. Eine zusätzlich benötigte Phasenverschiebung wird durch eine andere Einrichtung bereitgestellt, nämlich die 90°-Phasenschritteinrichtung 13.

Die Grundschwingungskomponente des phasenmodulierten Signals wird demgemäß durch die automatische Verstärkungsregelschaltung des Empfängers und den Phasendetektor 17 festgestellt. Dieses Signal wird dann an den Phasenschieber 14 angelegt, der die angegebene Phasenkorrektur zur Minimierung von α erzeugt. Das festgestellte Signal wird außerdem an den Schwellenwertdetektor 19 gegeben, der nur dann anspricht, wenn das Steuersignal einen angegebenen Wert übersteigt. Beispielsweise steigt, wenn α in einer gegebenen Richtung ansteigt, das an den Phasenschieber 14 gegebene Steuersignal ebenfalls an und bewirkt eine kompensierende Phasenverschiebung R im entgegengesetzten Sinn, d. h. R≈-α. Die sich ergebende Phasendifferenz zwischen den beiden Antennensignalen am Eingang des Signalkombinierers 15 wird dadurch auf einen kleinen Fehlerwinkel Δα verringert. Wenn jedoch α über den Bereich des kontinuierlich veränderbaren Phasenschiebers ansteigt, so übersteigt das Steuersignal den Schwellenwert des Schwellenwertdetektors 19 und läßt die Schritteinrichtung eine zusätzliche Phasenverschiebung von 90° in die Antennenschaltung 10 einfügen. Kurzzeitig geht die relative Phase der Signale am Eingang des Signalkombinierers von Δα auf -90°+Δα, wodurch eine Umkehr des Vorzeichens des Steuersignals und eine entsprechende Änderung der durch den Phasenschieber 14 eingefügten Phasenverschiebung R von -55° auf R = -(α-90°) bewirkt wird. Wenn α weiter ansteigt und dadurch R wiederum sein Maximum erreicht, wird zusätzlich eine Phasenverschiebung von 90° als Schritt eingefügt. Es werden also mit Hilfe einer Kombination einer kontinuierlichen Phasenverschiebung und einer inkrementellen (schrittweisen) Phasenverschiebung die beiden Empfangssignale im wesentlichen in Phase kombiniert, und zwar ohne das bei bekannten Phasenkombinieranordnungen auftretende Problem in Verbindung mit der Rückkehr auf Null.

Die zu Erläuterung aufgenommenen Fig. 4 und 5 zeigen Einzelheiten einiger Schaltungsbauteile, die in Fig. 1 als Block angegeben sind. Beispielsweise umfaßt der kontinuierlich veränderbare Phasenschieber 14 einen Zirkulator 40 mit drei Anschlüssen, dessen Eingangsanschluß a mit der Phasenschritteinrichtung 13 und dessen Ausgangsanschluß c mit dem Signalkombinierer 15 verbunden sind. Der mittlere Anschluß b ist mit einer in Sperr-Richtung vorgespannten Varactor-Diode 41 zusammen mit dem Ausgangssignal des Phasendetektors 17 verbunden. Im Betrieb erzeugen Änderungen der Amplitude und Polarität des vom Phasendetektor 17 abgeleiteten Signals Änderungen der wirksamen Kapazität der Diode 41, die wiederum die Phasenlage des Signals beim Durchlaufen des Phasenschiebers 14 verändert.

Die in Fig. 4 dargestellte Phasenschritteinrichtung 13 weist einen 3-dB-90°-Hybridkoppler 42 und einen 3-dB-180°-Hybridkoppler auf, die mit Hilfe eines Paares von Phasenschiebern 44 und 45 in Reihe geschaltet sind, von denen jeder eine relative Phasenverschiebung von entweder 0° oder 180° zwischen Signalen in den beiden verbindenden Wegen einführt.

Tabelle I zeigt die vier Phasenzustände des Ausgangssignals der Phasenschritteinrichtung 13 als Funktion der durch die Phasenschieber 44 und 45 eingeführten Phasenverschiebungen R₁ und R₂.

Tabelle I

Man beachte, daß die Phase des Ausgangssignals sich in einer der beiden Richtungen in Beträgen von 90° immer dann ändert, wenn eine Änderung von entweder R₁ oder R₂ stattfindet. Demgemäß wird die Wahrheitstabelle für die von der Logikschaltung 20 gelieferten Steuersignale C-D der Phasenschritteinrichtung durch die Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Zukünftiger Stand

Zur Erzielung der vorstehenden Gruppe von Steuersignalen wird die Wahrheitstabelle für die Logikschaltung durch die Tabelle III angegeben.

Tabelle III

Eine Logikschaltung zur Verwirklichung der vorstehenden Wahrheitstabelle weist gemäß Fig. 5 eine Anordnung von UND-Gattern 50-57, ODER-Gattern 60-63 und JK-Flip-Flops 70 und 71 auf.

Ein Ausführungsbeispiel für einen Schwellenwertdetektor 19 zur Lieferung der Eingangssignale A und B für die Logikschaltung weist zwei Differenzverstärker 46 und 47 mit hoher Verstärkung auf, die entsprechend der Darstellung in Fig. 4 angeordnet sind. Das Phasendetektorausgangssignal wird dem Plus-Anschluß des Verstärkers 46 und dem Minus-Anschluß des Verstärkers 47 zugeführt. Eine positive Bezugsspannung +V liegt am Minus-Anschluß des Verstärkers 46 und eine negative Bezugsspannung -V am Plus-Anschluß des Verstärkers 47.

Es sei darauf hingewiesen, daß die speziellen, in Fig. 4 und 5 dargestellten Schaltungen lediglich Beispiele für die Vielzahl von Schaltungen sind, die zur Durchführung der angegebenen Funktionen entwickelt werden können.

Fig. 6 zeigt eine geringfügige Änderung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, und zwar hinsichtlich der Art und Weise, auf die das Signal in der Antennenschaltung 10 phasenmoduliert wird. Bei dem abgeänderten Ausführungsbeispiel ist der getrennte Phasenmodulator 12 weggelassen, statt dessen wird das Signal des Oszillators mit Hilfe eines Signalkombinierers 22 zum Ausgangssignal des Phasendetektors 17 addiert, und das kombinierte Signal wird zum kontinuierlich veränderbaren Phasenschieber 14 gegeben. In jeder anderen Hinsicht entspricht die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 der für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschriebenen Arbeitsweise.

Die Phasenschritteinrichtung 13 und der Phasenschieber 14 sind zwar in der gleichen Antennenschaltung dargestellt, aber es besteht für gewisse Anordnungen die Möglichkeit, sie in unterschiedlichen Antennenschaltungen vorzusehen. Außerdem ist die Antennenschaltung, die die Phasenschritteinrichtung 13 und den Phasenschieber 14 in Fig. 1 enthält, gleichzeitig auch die Antennenschaltung, die der Phasenmodulation unterliegt. Bei bestimmten Anordnungen kann aber auch die andere Antennenschaltung der Phasenmodulation unterliegen. Obwohl außerdem die Signalkombinierschaltung als für Raumdiversity-Empfänger verwendbar beschrieben worden ist, bei denen Signale in Phase kombiniert werden, besteht die Möglichkeit, daß die Schaltung in Anordnungen Verwendung findet, bei denen eine andere Phasenbeziehung erforderlich ist, beispielsweise Gegenphase.

Claims (6)

1. Signalkombinierschaltung zur Kombination eines ersten und eines zweiten Eingangssignals (E₁, E₂) mit vorbestimmter Phasenbeziehung, die an entsprechende Eingänge angelegt sind, mit einer variablen, einen kontinuierlich veränderbaren Phasenschieber (14) enthaltenden Phasenschiebeeinrichtung (13, 14) zur Änderung der relativen Phase zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal,
einer Kombiniereinrichtung (15) zur Kombination der in ihrer relativen Phase veränderten Signale und
mit einer Steuereinrichtung (9) zur Steuerung der Phasenschiebeeinrichtung in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten Eingangssignal (E₁, E₂), derart, daß diese in der Kombiniereinrichtung (15) mit einer vorbestimmten Phasenbeziehung kombiniert werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die variable Phasenschiebeeinrichtung zusätzlich zu dem kontinuierlich veränderbaren Phasenschieber (14) eine Phasenschritteinrichtung (13) aufweist,
daß die Steuereinrichtung (9) die Phasenverschiebungen des Phasenschiebers (14) und der Phasenschritteinrichtung (13) derart steuert, daß, wenn die Phasenverschiebung des Phasenschiebers (14) vorbestimmte Grenzwerte übersteigt, die Phasenschritteinrichtung (13) zum Ansprechen gebracht und die Phasenverschiebung des Phasenschiebers (14) so geändert wird, daß sie innerhalb der vorbestimmten Grenzwerte ist.

2. Signalkombinierschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Eingangssignal Antennensignale (E₁, E₂) sind, die in Phase kombiniert werden, daß eine Phasenmodulationseinrichtung zur Phasenmodulation des ersten oder des zweiten Antennensignals und ein Amplitudendetektor (in 8) vorgesehen sind, der auf die kombinierten Signale anspricht, die durch die Phasenmodulation erzeugte Amplitudenmodulation feststellt und ein Steuersignal erzeugt, das an den Phasenschieber (14) und die Phasenschritteinrichtung (13) angelegt wird, um deren Phasenverschiebung zu steuern.

3. Signalkombinierschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (9) einen Phasendetektor (17) zur Feststellung der Grundfrequenzkomponente für die Amplitudenmodulation der kombinierten Signale aufweist, ferner eine Koppeleinrichtung, die das Ausgangssignal des Phasendetektors (17) an den kontinuierlich veränderbaren Phasenschieber (14) und an einen Schwellenwertdetektor (19) ankoppelt, um festzustellen, wann die Größe der Grundfrequenzkomponente einen vorgeschriebenen Wert übersteigt, und eine Logikeinrichtung (20), die die Phasenschritteinrichtung (13) abhängig von einem Ausgangssteuersignal des Schwellenwertdetektors (19) aktiviert.

4. Signalkombinierschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationseinrichtung einen Oszillator (21) und einen getrennten Phasenmodulator (12) aufweist, der eines der Antennensignale moduliert.

5. Signalkombinierschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationseinrichtung einen Oszillator (21) und einen Signalkombinierer (22) aufweist, der das Signal des Oszillators (21) und das Ausgangssignal des Phasendetektors (17) kombiniert und das kombinierte Signal dem kontinuierlich veränderbaren Phasenschieber (14) zuführt.

6. Signalkombinierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschritteinrichtung (13) eine 90°-Phasenschritteinrichtung ist und daß der Bereich des kontinuierlich veränderbaren Phasenschiebers (14) etwa gleich ±55° ist.