DE4219361C2 - Verfahren zum Bandbreitereduzierung eines Frequenzbandes und Empfänger zum gleichenzeitigen Empfangen einer Vielzahl von Nachrichtensignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bandbreitenreduzierung eines Frequenzbandes aus einem breiten Hochfrequenzbereich ohne Reduzierung der Signalübertragungskapazität, bei dem das Frequenzband eine Vielzahl von zueinander beabstandeten aktiven Kanälen umfaßt, auf denen Nachrichtensignale empfangbar sind und von denen simultan mehrere gewünschte Kanäle auswählbar sind.

Die Erfindung betrifft ferner einen Empfänger zum gleichzeitigen Empfangen einer Vielzahl von Nachrichtensignalen aus zueinander beabstandeten Frequenzbändern unterschiedlicher Bandbreiten und Modulationsarten aus einem breiten Hochfrequenzbereich.

Konventionelle Autoradiosysteme sind sowohl für Amplituden­ modulation (AM) als auch für Frequenzmodulation (FM) tauglich. Viele Autos sind außerdem mit zellularen Radios bzw. Mobilfunk­ systemen sowohl zum Senden als auch zum Empfangen ausgerüstet. Zusätzliche Dienste, die andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums nutzen und entweder gegenwärtig implementiert werden oder von denen erwartet wird, daß sie in der Zukunft implemen­ tiert werden, umfassen Fax-Dienste, Computer-Dienste und globale Standortbestimmungssysteme (GPS). Der Empfang der verschiedenen Dienste wird durch den Wunsch erschwert, mehrere, entweder verschiedene oder den gleichen Dienst gleichzeitig nutzende Anwender, also mehrere Simultananwender, zu versorgen. Zum Beispiel ist es wünschenswert, eine Kapazität für Mobilfunk- Telefongespräche zur Verfügung zu haben, während gleichzeitig das Radio im AM- oder FM-Bereich empfängt und spielt. Es wird ebenfalls erwartet, daß sich verschiedene Anwender zur gleichen Zeit in das Kommunikationssystem einschalten können, wie zum Beispiel durch den jeweiligen Passagieren zugeordnete separate Kopfhörer, wobei jeder Passagier die Möglichkeit hat, seine oder ihre Radiostation zu empfangen, während die anderen Passagiere ihre jeweiligen Stationen hören, das zellulare Telefon nutzen, etc.

Die verschiedenen Radiobänder sind sehr unterschiedlich was ihre Bandbreiten, ihre Modulationstechnik und Bandfunktion angeht. Der konventionelle Ansatz, mehrere Kanäle auf mehreren Bändern zu empfangen, besteht darin, mehrere Empfänger vorzu­ sehen, wobei jedem Band ein getrennter Empfänger zugeordnet ist, und wenn die Möglichkeit der mehrfachen Simultannutzung eines einzelnen Bandes gewünscht wird, werden mehrere Empfänger dem einen Band zugeordnet. Jeder zusätzliche Empfänger bringt einen Nachteil in bezug auf die Anforderungen hinsichtlich der Kosten, des Gewichtes, der Leistung und des Platzbedarfes mit sich.

Es wurde erkannt, daß digitale Empfänger einen Weg darstellen, um sehr unterschiedliche Modulationsarten mit einem einzigen Empfängermechanismus zu verarbeiten, was die Notwendigkeit von verschiedenen Empfängertypen für jedes verschiedene Serviceband beseitigt. Da die Kanalwahl-Frequenzabstimmung, Kanalisolierung und Demodulation alle digital verwirklicht werden, wird nur ein einziger digitaler Empfängerpfad für all diese Funktionen benötigt. Das Wechseln zwischen verschiedenen Radioformaten und Bandbreiten wird erreicht, indem einfach Filterkoeffizienten in den digitalen Filtern und die Demodulationsalgorithmen in einem programmierbaren Demodulator geändert werden. Solch ein System ist in der am 5. Januar 1989 eingereichten parallelen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/293 894 von Stone et al. beschrieben.

Obwohl durch diese Patentanmeldung eine signifikante Reduzierung der Systemkomplexität und der Kosten durch Verwendung gemeinsamer digitaler Berechnung für die verschiedenen Servicebänder erreicht wird, ist es immer noch kostenintensiv, wenn es für Dienste ver­ wendet wird, die in der Frequenz weit voneinander beabstandet sind. Für die Amplitudenmodulation wird zum Beispiel das Rund­ funkband von 0,540-1,600 MHz mit 15 KHz Kanalbandbreite verwen­ det, für die Frequenzmodulation ein Rundfunkband von 87,9-­ 107,9 MHz mit 400 KHz Kanalabstand und 150 KHz Kanalbandbreite, während für das zelluläre Telefon das Rundfunkband von 865-­ 895 MHz mit 24 KHz Kanalbandbreite und 30 KHz Kanalabstand (mit entweder FM- oder digitalmoduliertem Rundfunkformat) verwendet wird. Es wäre sehr kostenaufwendig und oberhalb der Grenzen der zur Zeit verfügbaren Ausrüstung, das gesamte elektromagnetische Spektrum über diese verschiedenen Bänder mit einem einzigen Analog-Digital-Wandler (ADC) zu digitalisieren. Wenn jedoch die drei Bänder separat mit getrennten Analog-Digital-Wandlern für jedes Band digitalisiert werden, sind die Systemkosten wegen der Mehrzahl an Analog-Digital-Wandlern merklich erhöht.

In der US-PS 4 884 265 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein durch Frequenztrennung gemultiplextes Eingangssignal in einem ADC digitalisiert wird. Die Werte werden durch Mischen mit Basisband-Frequenzsignalen in der Frequenz umgesetzt, um Real- und Imaginär-Werte zu erhalten, die der Phaseninformation in den ursprünglichen Modulationssignalen entsprechen. Nach der Umsetzung werden die Werte in Real- und Imaginär-Digital­ filtern gefiltert. Die ursprüngliche Modulationsinformation wird dann durch Analyse der Positionen von Vektoren in der komplexen Ebene zurückgewonnen, die durch die Real- und Imaginär- Werte repräsentiert sind. Die Umsetzung wird vorzugsweise durch Multiplizieren der Eingangs-Abtastwerte mit digitalen Werten durchgeführt, welche Sinus- und Kosinuswerten von lokalen Oszillatorsignalen bei Basisbandfrequenzen entsprechen. Die Verwendung einer Vorauswahl-Filterung vor der Umsetzung wird vorgeschlagen, um die Eingangssignale zu dezimieren (ihre Datenrate zu reduzieren) und dadurch die nachfolgenden Ver­ arbeitungsanforderungen zu reduzieren.

Obwohl es eine Verbesserung im Aufbau digitaler Empfänger darstellt, löst der beschriebene Demodulator das Problem ebenfalls nicht, die mehrfache simultane Verwendung von weit voneinander getrennten Bändern zu handhaben, ohne die Komplexität oder die Kosten der notwendigen Analog-Digital-Wandler unnötig zu erhöhen.

Ferner ist es seit langem, u. a. aus der US-PS 642 344, bekannt, empfangene Radiosignale mit Oszillationssignalen zu mischen, die die Radiosignale in der Frequenz umsetzen und so die Verstärkereigenschaften und die Frequenzstärke von Kanälen verbessern.

Ausgehend von dem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung, ein Verfahren und einen Empfänger der vorstehend genannten Art zu schaffen, mit denen es möglich ist, verschiedene Nachrichtendienste simultan in mehreren Frequenzbändern zu empfangen.

Insbesondere sollen dabei die Frequenzbänder zueinander große Frequenzabstände aufweisen können und dennoch ein mehrfacher gleichzeitiger Zugriff auf einzelne Signale innerhalb dieser Frequenzbänder möglich sein. Der Schaltungsaufwand soll dabei preiswert sein und die im Stand der Technik erforderliche redundante Kapazität vermeiden.

Das eingangs erwähnte Verfahren zur Reduzierung der effektiven Bandbreite weist zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf:

• - Aufteilen des Frequenzbandes in mehrere Abschnitte,
• - Auswählen der Frequenzbandabschnitte und ihrer gegenseitigen teilweisen Überlagerung so, daß sich die gewünschten Kanäle und die verbleibenden aktiven Kanäle nach einer teilweisen Überlagerung der Abschnitte nicht gegenseitig stören, und
• - teilweises Überlagern der Abschnitte durch Bandfalten des Frequenzbandes, so daß die Abschnitte nach dem Überlagern gemeinsam ein Teilfrequenzband besetzen, das eine geringere Bandbreite besitzt als das Frequenzband vor dem Überlagern.

Hinsichtlich des eingangs genannten Empfängers wird diese Aufgabe durch die folgenden Merkmale gelöst:

• - Mittel zur Frequenzumsetzung einiger der Frequenzbänder, so daß die Frequenzbänder ein einziges, im wesentlichen zusammenhängendes, zusammengesetztes Frequenzband mit einer Bandbreite formen, die geringer ist als die gemeinsame Bandbreite der individuellen Frequenzbänder und der zwischenliegenden Frequenzbänder vor der Frequenzumsetzung,
• - einen einzigen Analog-Digital-Wandler, der die empfangenen Analogsignale innerhalb des zusammengesetzten Frequenzbandes in digitales Format wandelt, und
• - eine digitale Abstimmeinrichtung zur Auswahl mehrerer gewünschter Empfangsfrequenzen aus dem digitalisierten zusammengesetzten Frequenzband.

Auf diese Weise wird in Abhängigkeit von der Benutzerauswahl der verschiedenen Frequenzen eine effektive Bandbreite des Frequenzbandes erzeugt, die gegenüber der ursprünglichen Bandbreite reduziert ist, ohne daß sich die ausgewählten Frequenzen und die verbleibenden aktiven Frequenzen gegenseitig stören. Innerhalb eines Multiband-Empfangsverfahrens kann mit mehreren Frequenzbändern so verfahren werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die getrennten Frequenzbänder vor diesem Bandbreitenreduktionsverfahren in der Frequenz so umgesetzt werden, daß sie ein einziges, im wesentlichen zusammenhängendes zusammengesetztes Frequenzband bilden, in welchem die großen Frequenzlücken zwischen den Frequenzbändern im wesentlichen beseitigt sind. Das zusammengesetzte Wellenband kann dann mit einem einzigen konventionellen Analog-Digital-Wandler weiter­ verarbeitet werden. Die Frequenzbandumsetzung wird vorzugsweise durch Mischen der verschiedenen Frequenzbänder mit Oszillator­ signalen bei speziell ausgewählten Mischfrequenzen bewirkt.

Um die zusammengesetzte Bandbreite weiter zu reduzieren, wird wenigstens eines der Frequenzbänder "bandgefaltet", indem es in Abschnitte aufgeteilt wird, die sich innerhalb einer reduzier­ ten Bandbreite teilweise überlappen. Das Bandfalten wird durch Mischen des Frequenzbandes mit einem Oszillatorsignal bewirkt, das eine Zwischenfrequenz aufweist, die vorzugsweise innerhalb des mittleren Bereiches des Wellenbandes gelegen ist, so daß Signale zu beiden Seiten der Oszillatorfrequenz dem selben Oszillatorsignal zugeordnet werden.

Bei konventioneller Radioübertragung, bei der Kanäle auf eine Vielzahl von diskreten und gegenseitig beabstandeten Frequenzen beschränkt sind, von denen mehrere zu einer bestimmten Zeit in einem Multiservicesystem ausgewählt werden können, wird die Grundfrequenz für das Bandfalten so ausgewählt, daß die gewünsch­ ten abgefragten Frequenzen nicht mit dem Rest der aktiven Frequenzen interferieren. Dies wird erreicht, indem zuerst eine vorläufige Grundfrequenz ausgewählt wird, dann bestimmt wird, ob bei der vorläufigen Grundfrequenz Störungen zwischen den gewünschten Frequenzen und den verbleibenden aktiven Frequenzen auftreten, die vorläufige Grundfrequenz dann auf einen neuen Frequenzwert inkrementiert wird, wenn sich das Auftreten von Interferenzen zeigt, dann wieder das Auftreten von Interferenzen bestimmt wird und dann wieder der vorläufige Grundfrequenzwert erhöht wird, bis eine Grundfrequenz gefunden ist, die nicht zu Interferenzen führt. Die Auswahl einer geeigneten Grund­ frequenz für die Bandfaltung wird dadurch wesentlich vereinfacht, daß Interferenzen zwischen aktiven Frequenzen erlaubt werden, die nicht abgefragt werden sollen; da auf diesen Frequenzen nicht gehört bzw. empfangen werden soll, wird das Systemverhalten durch hier auftretende Interferenzen nicht nachteilig beeinflußt.

Bei der Anwendung auf das FM-Band (Frequenzmodulationsband) von 37,9-107,9 MHz, bei dem mögliche aktive Frequenzen bei ungeraden Zehnteln eines MHz liegen wird die Grundfrequenz vorzugsweise bei einem geraden Zehntel eines MHz ausgewählt.

Vorzugsweise startend entweder bei 97,0 oder 98,8 MHz wird die Grundfrequenz in 0,2 MHz Schritten in Richtung der Mittenfrequenz von 97,9 MHz (und erforderlichenfalls über die Mittenfrequenz hinaus) erhöht, bis eine geeignete Grundfrequenz lokalisiert ist. Für jede vorläufige Grundfrequenz wird sehr schnell ein einfacher Algorithmus ausgeführt, um zu bestimmen, ob die Grundfrequenz geeignet ist; die erforderlichen Berechnungen werden innerhalb einer solchen Zeit durchgeführt, daß sie von dem Zuhörer nicht bemerkt werden.

Das AM-Band (Amplitudenmodulationsband), das FM-Band und ein Block des zellulären Bandes können einschließlich der Schutz­ bänder in ein im wesentlichen zusammenhängendes zusammengesetztes Band umgesetzt werden, das sich über 41 MHz erstreckt, was eine Analog-Digital-Wandlung bei einer Rate von wenigstens 82 Millionen Abtastungen pro Sekunde erfordert. Diese Bandbreite kann mit der beschriebenen Bandfaltungstechnik weiter auf einen zusammengesetzten Wert von lediglich etwa 27-28 MHz reduziert werden, was einer entsprechenden Analog-Digital-Wandlungsrate von 56 Millionen Abtastungen pro Sekunde entspricht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen und in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorstehenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines die Erfindung verwendenden Multibandsystemes;

Fig. 2 ein Wellenbanddiagramm, das FM-, AM- und zelluläre Teilbänder nach der erfindungsgemäßen Umsetzung in ein zusammenhängendes zusammengesetztes Wellenband zeigt;

Fig. 3 ein Wellenbanddiagramm des zusammengesetzten Wellen­ bandes aus Fig. 2 nach der Bandfaltung des FM-Bandes;

Fig. 4 ein Flußdiagramm, das einen zur Bestimmung einer Grundfrequenz für die Bandfaltung verwendeten Algo­ rithmus illustriert;

Fig. 5 ein die Funktion des Algorithmus illustrierendes Diagramm; und

Fig. 6 ein Wellenbanddiagramm eines zusammengesetzten Bandes von 28 MHz mit einem bandgefalteten FM-Teilband.

Ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 wiedergegeben. Fig. 1 zeigt einen Multiservice-Digitalempfänger, der dazu bestimmt ist, gleich­ zeitig mehrere Kanäle eines bestimmten Dienstes, sowie AM-Sender, FM-Sender, Mobilfunk, Fax-Dienste, Computer-Dienste etc. oder eine Anzahl von Kanälen aus einer Kombination verschiedener Dienste zu empfangen. Im Ergebnis arbeitet eine einzige Hardware- Schaltung wie eine Anzahl von unabhängig funktionierenden Empfängern. Auf der linken Seite der Figur ist beispielhaft das Radiofrequenzspektrum längs einer vertikalen Achse 2 aufgetragen, um einige der verschiedenen zu bedienenden Dienste darzustellen. Eine Antenne 4, die vorzugsweise als eine Ansammlung von Antennenelementen mit einer Antenne für jeden gewünschten Dienst implementiert ist, ist auf dem Auto oder jeder anderen gewünschten Empfängereinrichtung montiert.

In der Darstellung von Fig. 1 werden AM-Bänder, FM-Bänder und zelluläre Bänder von zugeordneten Radiofrequenzverstärkern 6, 8 und 10 aufgenommen und verstärkt. Da das zelluläre Dienst­ band von 865-895 MHz zu groß sein kann für eine stromabwärts erfolgende geeignete Digitalisierung, wird es vorzugsweise in Teilbänder aufgesplittet, die auf Anforderung in einen festen Bereich der Eingangs-Bandbreite geschaltet werden, welcher spezifisch für zelluläre Dienste vorgesehen ist. Die zellulären Teilbänder werden, wie nachstehend diskutiert, durch Ändern einer zellulären lokalen Oszillatorfrequenz in diskreten Schritten ausgewählt. Mehrere zelluläre Sprachkanäle können ohne Teilband-Schaltung gehandhabt werden, wenn das Teilband groß genug ist, um alle zugeordneten Sprachkanäle aufzunehmen. Wenn die zugewiesenen Sprachkanäle aus verschiedenen Teilbändern stammen, können die Teilbänder im Zeitmultiplexverfahren in das für zellulare Sprachübertragung zugeordnete Frequenzband geschaltet werden. Wie dargestellt, teilt ein Wahlschalter 12 das zelluläre Band in acht Teilbänder von je ungefähr 4 MHz sowie ein Paar von 3 MHz Schutzbändern an jedem Ende auf.

Die Ausgänge der Radiofrequenzverstärker 6, 8 und 10 werden jeweils einem Mischer 14, 16 und 18 zugeführt, wo sie mit Signalen aus lokalen Oszillatoren 20, 22 und 24 gemischt werden. Die Frequenz eines jeden lokalen Oszillators ist so gewählt, daß sie den jeweiligen Radiofrequenzeingang in ein Basisband mit reduzierter Bandbreite umsetzt, was die großen Lücken zwischen den ursprünglichen Servicebändern eliminiert. In dem Beispiel der FM-, AM- und zellulären Servicebänder besetzt das FM-Band ungefähr 20 MHz plus 4 MHz Schutzbänder an jeder Seite, das AM-Band besetzt ein Band von ungefähr 3 MHz einschließlich Schutzbänder, und ein 4 MHz zelluläres Teilband erfordert an jedem Ende 3 MHz Schutzbänder. Dies ergibt eine gesamte Band­ breite von 41 MHz, wenn die Frequenzlücken zwischen den drei Servicebändern eliminiert werden. Wenn der FM-Oszillator 22 auf 83,9 MHz eingestellt wird, der AM-Oszillator 20 auf 111,9 MHz und der zelluläre Oszillator 24 auf 114,9 MHz eingestellt sind, besetzen die drei Dienste die folgenden nebeneinander­ liegenden Bänder (einschließlich Schutzbänder):

FM:	83,9-111,9 MHz
AM:	111,9-114,9 MHz
zellular:	114,9-124,9 MHz

Dieses zusammenhängende Basisband hat eine minimale Nyquist­ frequenz von 41 MHz, was einer minimalen Analog-Digital- Wandlungsrate von wenigstens 82 Millionen Abtastungen pro Sekunde entspricht.

Während in dem beschriebenen Beispiel der FM-Dienst an das untere Ende des zusammengesetzten Bandes, der zelluläre Dienst an das obere Ende und der AM-Dienst in die Mitte des Bandes gesetzt ist, können die relativen Positionen der verschiedenen Service­ bänder durch geeignete Auswahl ihrer entsprechenden Oszillator­ frequenzen ausgetauscht werden. Es ist jedoch gewünscht, das FM-Serviceband an ein Ende des zusammengesetzten Bandes zu legen, um die nachstehend diskutierte Bandfaltungstechnik zu ermög­ lichen, was die Bandbreitenanforderungen des Systems weiter reduziert. Das AM-Band wird vorzugsweise in den nächstniedrigeren Frequenzabschnitt des zusammengesetzten Frequenzbandes umgesetzt. Da der AM-Dienst einen im wesentlichen unverzögerten Dynamik­ bereich erfordert, wird er an das untere Ende der Eingangs- Bandbreite umgesetzt, wo die Zahl der effektiven Bits der Analog-Digital-Wandlung am höchsten und die (sin x)/x- Abschwächung gering ist. Der zelluläre Dienst wird innerhalb der verbleibenden zusammengesetzten Bandbreite angeordnet.

Die lokalen Oszillatoren 20 und 24 für den AM-Dienst und den zellulären Dienst sind als Festfrequenzoszillatoren dargestellt, während der lokale Oszillator 22 für den FM-Dienst als einstell­ barer Frequenzoszillator angegeben ist. Die Frequenzeinstellungs­ möglichkeit ist Teil der Bandfaltungseigenschaft. Wie nachstehend diskutiert, kann diese Eigenschaft auch in Zusammenhang mit anderen Diensten vorgesehen werden.

Die von den Mischern 14, 16 und 18 erzeugten frequenzumgesetzten Servicebänder werden in jeweiligen Analogfiltern 26, 28 und 30 weiterverarbeitet. Diese Filter sind von konventioneller Bauart und haben verschiedene Aufgaben. Bandpaß-Radiofrequenz­ filter sind vorgesehen, um außerhalb des Bandes liegende Signale und die Rauschleistung sowie den Fernsehkanal 6, der gerade unterhalb des FM-Bandes angeordnet ist, zu unterdrücken. Zwischenfrequenz-Bandpaßfilter sind vorgesehen, um durch das Mischen hervorgerufene Spiegelfrequenzen und Störschwingungen der lokalen Oszillatoren zu unterdrücken. Für das AM-Dienstband vorgesehene Tiefpaß- und Hochpaßfilter können wirksam und kostengünstig als LC-Typen oder spezialisierte aktive Filter vorgesehen werden. Als Bandpaßfilter für die Analog-Digital- Wandler-Eingangsbandbreite sind passive LC-Filter bevorzugt, während für das hohe VHF und UHF Oberflächenwellenfilter erforderlich sein können.

Die Ausgänge der Filter 26, 28 und 30 werden über entsprechende Schalter 32, 34 und 36 als ein zusammengesetzter Eingang einem einzigen Analog-Digital-Wandler 38 (ADC) zugeführt, welcher den analogen Eingang digitalisiert und einer digitalen Abstimm­ einrichtung 40 zuführt. Die Abstimmeinrichtung wird von dem/den Anwender(n) bedient, um die gewünschten AM- und/oder FM-Kanäle zum Zuhören und/oder einen zellulären Kanal auszuwählen. Alle Kanäle, bei denen das empfangene Signal einen Schwellwert überschreitet, was anzeigt, daß der Empfänger innerhalb des Empfangsbereiches des Kanales ist (nachstehend als "aktive Kanäle" bezeichnet), sowie die vom Anwender ausgewählten Kanäle werden einer F_mix-Auswahlschaltung 42 zugeführt. Diese Schaltung wählt die Mischfrequenz (F_mix) für den einstellbaren Frequenz­ oszillator 22 aus, um eine Grundfrequenz für die Wellenband­ reduktion durch Bandfaltung bereitzustellen. Wenn es gewünscht ist, das FM-Band durchzusuchen, um einen gewünschten Kanal zu finden, wird eine Suchschaltung 44 aktiviert, welche vorüber­ gehend die über die Schalter 32, 34 und 36 zugeführten Dienste unterbricht und die FM-Bandfaltung verhindert, indem die Frequenz des Oszillators 22 so eingestellt wird, daß sie einem Ende des FM-Bandes entspricht. Auf diese Weise steht das gesamte FM-Band zum Abtasten oder Durchsuchen zur Verfügung. Während die durch die Bandfaltungstechnik ermöglichte zusätzliche Bandbreiten­ reduktion während eines Suchmodus nicht verwendet wird, läßt die vorübergehende Entfernung des AM-Bandes und des zellulären Bandes genug Bandbreite für das volle FM-Serviceband übrig.

Stromabwärts von der digitalen Abstimmeinrichtung 40 sind ein digitales Filter 46, ein digitaler Demodulator 48 und ein digitaler Decoder 49 vorgesehen, um die ausgewählten Digital­ signale zu verarbeiten und für analoge Wiedergabe vorzubereiten. Vorzugsweise wird ein digitaler Signalprozessor (DSP) verwendet, um diese Funktionen sowie die F_mix-Auswahlfunktion zu implemen­ tieren. Ein DSP kann Filter mit beliebiger Kurvenform verwirk­ lichen und eignet sich für Hochleistungsdemodulation und adaptive optimale Detektionsalgorithmen. Durch Auswahl eines DSP mit entsprechend hohem Durchsatz können mehrere schmalbandige Signale gleichzeitig demoduliert werden. Dies führt zu dem einzigen Hardware-System aus Fig. 1, welches die Funktion einer Anzahl von unabhängig arbeitenden Empfängern bietet, die entweder auf verschiedene Servicebänder oder auf mehrere Frequenzen innerhalb eines einzigen Servicebandes eingestellt werden können. Nach der Decodierung wird das Signal in einem Digital-Analog-Wandler 50 (DAC) in analoges Format konvertiert und dann einem Laut­ sprecher oder einem anderen Ausgabegerät 51 zugeführt.

Fig. 2 illustriert ein zusammengesetztes Wellenband, das sich aus der Umsetzung des FM- und AM-Bandes sowie des zellularen Teilbandes in einen im wesentlichen zusammenhängenden Abschnitt des Frequenzspektrums ergibt. Die Servicebänder von FM, AM und zellulärem Dienst sind als in ein zusammengesetztes Serviceband umgesetzt dargestellt, das sich von Gleichspannung (DC) bis zu 41 MHz erstreckt. Es gibt keine größeren Lücken zwischen den verschiedenen Servicebändern, was zu einer merklichen Reduktion sowohl bei den Anforderungen an die Bandbreite als auch an die Digitalisierung führt.

Eine weitere merkliche Reduktion in der Bandbreite kann durch eine neue Bandfaltungstechnik erreicht werden. In Fig. 2 sind aktive Kanalfrequenzen für einen bestimmten Ort durch schraf­ fierte Balken 52 angedeutet. Bei einem 20 MHz FM-Band und möglichen Stationsstellen alle 200 KHz können maximal 100 Stationen versorgt werden. Aber für jeden gegebenen Ort werden viele der Kanäle nicht von einer aktiven Station besetzt sein. Diese leeren Kanäle sind in Fig. 2 durch Lücken G angedeutet (die Gesamtzahl der Kanäle ist in Fig. 2 aus Vereinfachungs­ gründen reduziert). Es wird nun angenommen, daß von drei unterschiedlichen Anwendern des Systems drei verschiedene Kanäle gleichzeitig ausgewählt wurden, wobei die ausgewählten Kanäle durch die Bezugszeichen F1, F2 und F3 bezeichnet sind. Die hier beschriebene Bandfaltungstechnik bewahrt die Bandbreite, indem aktiv die Stellen der Lücken bestimmt und diese verwendet werden, um die ausgewählten Stationen F1, F2 und F3 unterzubringen. Dabei entsteht normalerweise eine Interferenz zwischen nicht­ ausgewählten aktiven Stationen. Da die nichtausgewählten Stationen jedoch per Definition nicht gehört werden, hat die Interferenz keine Auswirkung. Wenn eine neue Station ausgewählt wird, wird die Bandfaltungsoperation wiederholt, um die Lücken auf das neu ausgewählte Stationsmuster abzustimmen, was sicher­ stellt, daß die neuen Stationen innerhalb der entsprechenden Lücken ohne Interferenz mit anderen aktiven nichtausgewählten Stationen untergebracht werden.

Die Bandfaltung wird durchgeführt, indem die Mischfrequenz des einstellbaren Frequenzoszillators 22 auf eine Zwischenfrequenz innerhalb des FM-Bandes und nicht auf 84 MHz oder 112 MHz an dem einen oder dem anderen Ende des FM-Bandes (einschließlich Schutzbänder) gesetzt wird. Die genaue FM-Mischfrequenz wird vorzugsweise so ausgewählt, daß sie an oder nahe der Mitte des Bandes liegt. Im Ergebnis faltet das FM-Band "über" die Misch­ frequenz F_mix, wobei der Abschnitt des Bandes unterhalb von F_mix den Abschnitt oberhalb von F_mix überlagert. Wenn F_mix als Mitte des FM-Bandes gewählt wird, überlagert das Schutzband an dem unteren Ende des FM-Bandes nach dem Falten genau das Schutzband an dem oberen Ende. Nach der Faltung wird das untere Ende des Bandes gegenüber dem oberen Ende genau zweimal um den Betrag verschoben sein, um den F_mix gegenüber der Mitte des FM-Bandes verschoben ist.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel der zusammengesetzten Servicebänder, nachdem das FM-Band auf diese Weise gefaltet wurde. Es sei angenommen, daß F_mix als in der Mitte des FM-Bandes liegend ausgewählt wurde. Nach der Faltung liegen F1, F2 und F3 alle in Lückenstellen auf der gegenüberliegenden Seite von F_mix. Auf diese Weise kann die FM-Breite bis auf die Hälfte ihres ungefal­ teten Wertes reduziert werden, wenn F_mix ungefähr in der Mitte des Bandes gewählt wird.

Der F_mix-Auswahl-DSP 42 (Fig. 1) ist so programmiert, daß er ein F_mix auswählt, welches eine Bandfaltung ohne Störungen zwischen den ausgewählten Stationen und anderen aktiven Stationen erzeugt, während Störungen zwischen nichtausgewählten aktiven Stationen ignoriert werden. Ein summarisches Flußdiagramm des Algorithmus, der zur Ausführung programmiert wurde, ist in Fig. 4 wieder­ gegeben. Zunächst werden die von dem Analog-Digital-Wandler 38 digital codierten Kanalstellen abgetastet, um die Lücken­ frequenzen zu lokalisieren (Block 54). Dann wird eine vorläufige Mischfrequenz F_mix ausgewählt (Block 56). Da die FM-Stationsorte bei jedem ungeraden Zehntel eines MHz (d. h. 87,9; 88,1; 88,3; etc.) liegen, wird F_mix so gewählt, daß es auf einem geraden Zehntel eines MHz liegt, so daß es zwischen Kanalstellen zu liegen kommt. Obwohl die Wahl eines ersten vorläufigen F_mix an sich beliebig ist, wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel entweder 97,0 oder 98,8 MHz ausgewählt, weil dies in sinnvoller Nähe zu der Bandmitte ist.

Die vorläufige F_mix wird dann mit den ausgewählten Stations­ frequenzen F1, F2 und F3 (gemeinsam mit F_j bezeichnet) verglichen, um zu sehen, ob sie von den ausgewählten Stationen um mehr als 100 KHz abweicht (Block 58). Diese Frequenztrennung ist wün­ schenswert, um das 1/f-Rauschen zu minimieren (welches sich umgekehrt proportional zu der Differenz zwischen einer ausge­ wählten Frequenz und der lokalen Oszillatorfrequenz verändert) und um die ausgewählte Station von der lokalen Oszillatorfrequenz freizuhalten. Wenn die Differenz zwischen F_mix und F_j nicht größer als 100 KHz ist, wird die erste vorläufige Mischfrequenz F_mix zurückgewiesen, und das System schleift längs einer Linie 60 zurück zu Block 56, um die nächste vorläufige Mischfrequenz F_mix auszuwählen, wobei 97,2 MHz auf 97,0 MHz folgt und 98,6 MHz auf 98,8 MHz.

Wenn ein hinreichender Abstand zwischen F_mix und den ausgewählten Stationen F_j vorliegt (Linie 62), wird dann bestimmt, ob jede ausgewählte Stationsfrequenz in eine Lücke in dem gefalteten Wellenband fällt (Block 64). Dies wird durchgeführt, indem F_mix verdoppelt wird und dann davon die Frequenzen einer jeden der ausgewählten Stationen F_j nacheinander abgezogen werden. Wenn das Ergebnis für eine der Stationen nicht mit einer in Block 54 lokalisierten Lücke übereinstimmt, schleift das System längs der Linie 66 zurück, um die nächste vorläufige Mischfrequenz F_mix auszuwählen. Wenn das Ergebnis für jeden ausgewählten Kanal positiv ist (Linie 68), wird die mögliche Mischfrequenz F_mix als für das FM-Band verwendbare lokale Oszillatorfrequenz gültig­ gesetzt. An diesem Punkt kann der Algorithmus entweder stoppen, oder die gültige Mischfrequenz F_mix kann gespeichert und die Iteration fortgesetzt werden, um alle verwendbaren Misch­ frequenzen F_mix zu bestimmen (Block 70).

Ein beliebiges Beispiel für den F_mix-Auswahlalgorithmus ist in Fig. 5 zusammengefaßt. Aus Darstellungsgründen wird angenommen, daß jede auf ,1; ,3 oder ,5 MHz endende Kanalfrequenz eine Lücke repräsentiert, während die auf ,7 oder ,9 MHz endenden anderen Kanalfrequenzen von aktiven Stationen besetzt sind. Weiter wird angenommen, daß die von den Anwendern ausgewählten F_j-Stationen bei 89,9, 96,9 und 98,7 MHz liegen.

Der Algorithmus beginnt mit der Wahl von 97,0 MHz als vorläufige Mischfrequenz F_mix. Diese Frequenz ist jedoch nicht mehr als 100 KHz von F_j = 89,9 MHz entfernt, so daß sie zurückgewiesen wird. Die nächste vorläufige Mischfrequenz F_mix ist 97,2 MHz, was mehr als 100 KHz von jedem F_j entfernt ist. Für F_j = 89,9 und 96,9 MHz erfüllt sie auch die Anforderung, daß 2 × F_mix - F_j innerhalb einer Lücke liegt. Für F_j = 98,7 MHz ergibt die Berechnung jedoch 95,7 MHz, was mit einer aktiven Stations­ frequenz übereinstimmt. Damit ist 97,2 MHz als Mischfrequenz F_mix nicht geeignet.

Die nächste vorläufige Mischfrequenz F_mix ist 97,4 MHz. Diese Frequenz ist ebenfalls von jedem F_j weit genug entfernt, aber führt zu einer Interferenz zwischen F_j = 89,9 und 96,9 MHz (welche jeweils mit aktiven Stationen bei 106,9 und 97,9 MHz inter­ ferieren).

Der Algorithmus inkrementiert dementsprechend auf die nächste vorläufige Mischfrequenz F_mix bei 97,6 MHz. Diese Frequenz erfüllt beide Anforderungen, sowohl was den Abstand von den ausgewählten Stationen als auch was das Fehlen von Interferenzen zwischen den ausgewählten und den nichtausgewählten aktiven Stationen nach der Faltung des FM-Bandes um F_mix angeht. Dementsprechend wird 97,6 MHz als eine geeignete Mischfrequenz F_mix für dieses spezielle Muster von aktiven Stationen, Lücken und ausgewählten Stationen zum Zuhören erkannt.

Es ist zu bemerken, daß, obwohl die ausgewählten Frequenzen F_j nach der Bandfaltung alle innerhalb von Frequenzlücken liegen müssen, andere aktive Stationsfrequenzen, die nicht ausgewählt wurden, nach der Faltung um F_mix mit vorhandenen aktiven Stations­ frequenzen zusammenfallen können. Diese Situation ist in Fig. 3 dargestellt, welche die Ergebnisse der Bandfaltung des FM- Spektrums aus Fig. 2 um eine spezielle Mischfrequenz F_mix darstellt. Die interferierenden aktiven Stationen sind durch kreuzschraffierte Balken I dargestellt. Da diese Stationen jedoch nicht gehört werden, beeinträchtigt die Interferenz den Empfang der Anwender nicht. Die auf der einen Seite von F_mix gelegenen aktiven Stationen, die nach der Bandfaltung in Lücken auf der anderen Seite von F_mix liegen, sind durch einfache Schraffierung hervorgehoben. Durch den oben beschriebenen Algorithmus sind die Stationen F_j = F1, F2 und F3 bei den nicht-interferierenden Stationen angeordnet, so daß sichergestellt ist, daß die von den Anwendern ausgewählten Stationen zu jeder Zeit frei von Interferenzen mit anderen Stationen sind.

Die Frequenzorte der Stationslücken werden durch Durchsuchen aller der 100 möglichen Stationsorte bestimmt, die in digitaler Form von dem Analog-Digital-Wandler 38 geliefert werden. Dieses Durchsuchen kann mit einem konventionellen DSP in ungefähr einer Millisekunde pro Stationsort durchgeführt werden, was zu einer totalen Suchzeit von ungefähr einem Fünftel einer Sekunde führt. Dies ist eine zufriedenstellende Zeitspanne für einen Zuhörer, der gerade eine neue Stationswahl getätigt hat.

Wenn gewünscht, kann das FM-Band in das obere Ende des zusammen­ gesetzten Wellenbandes umgesetzt und in einer Weise bandgefaltet werden, die analog zu der gerade beschriebenen ist. Mit einer Mischfrequenz F_mix nahe der Mitte des FM-Bandes kann die gesamte zusammengesetzte Bandbreite auf bis zu ungefähr 27 oder 28 MHz einschließlich entsprechender Schutzbänder für jedes der drei Servicebänder reduziert werden. Eine weitere Reduktion der gesamten Bandbreite kann durch Bandfaltung des zellulären Bandes in ähnlicher Weise erzielt werden. Wie eingangs erwähnt, ist die Erfindung ebenfalls auf andere Typen von Radiodiensten anwendbar.

Die Bandfaltung kann beispielsweise auch dadurch durchgeführt werden, indem statt mit einer Grundfrequenz zu mischen Aliasing­ bilder eines Bandpasses oder eines Radiofrequenz-Analog-Digital- Wandlers verwendet werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bandbreitenreduzierung eines Frequenzbandes aus einem breiten Hochfrequenzbereich ohne Reduzierung der Signalübertragungskapazität, bei dem das Frequenzband eine Vielzahl von zueinander beabstandeten aktiven Kanälen umfaßt, auf denen Nachrichtensignale empfangbar sind und von denen simultan mehrere gewünschte Kanäle auswählbar sind, mit den Schritten:

• 1. Aufteilen des Frequenzbandes in mehrere Abschnitte,
• 2. Auswählen der Frequenzbandabschnitte so, daß sich die gewünschten Kanäle und die verbleibenden aktiven Kanäle nach einer teilweisen Überlagerung der Ab­ schnitte nicht gegenseitig stören,
• 3. teilweises überlagern der Abschnitte durch Bandfalten des Frequenzbandes, so daß die Abschnitte nach dem Überlagern gemeinsam ein Teilfrequenzband besetzen, das eine geringere Bandbreite besitzt als das Frequenzband vor dem Überlagern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Frequenzbandabschnitten ausgewählt und teilweise überlagert wird, indem eine Mischfrequenz innerhalb des Frequenzbandes ausgewählt und die Signale innerhalb des Frequenzbandes mit der Mischfrequenz gemischt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband in ein Paar von Frequenzbandabschnitten geteilt wird, die sich beidseitig einer Grundfrequenz erstrecken, und daß die Frequenzbandabschnitte durch Falten eines von ihnen über die Grundfrequenz überlappt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschten Frequenzen zu Anfang bestimmt werden, indem vor dem Falten das Frequenzband abgetastet wird, und daß die Frequenzbandabschnitte ausgewählt werden, nachdem die gewünschten Frequenzen bestimmt wurden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Nachrichtensignale ursprünglich in analogem Format empfangen werden, gekenn­ zeichnet durch eine Umwandlung der analogen Nachrichten­ signale in digitales Format, aus dem die gewünschten Frequenzen auswählbar sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zum gleichzeitigen Empfangen einer Vielzahl innerhalb einer Vielzahl von individuellen Frequenzbändern übertragener Nachrichtensignale dient, die in dem breiten Hochfrequenzbereich zueinander im Abstand angeordnet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verfahren zur Bandbreitenreduzierung so viele der individuellen Frequenzbänder frequenzumgesetzt werden, bis ein einziges, im wesentlichen zusammenhängendes, zusammengesetztes Frequenzband gebildet ist.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein individuelles Frequenzband an einem Ende des zusammengesetzten Frequenzbandes über eine Zwischen­ grundfrequenz aus dem Frequenzband gefaltet wird, so daß die Grundfrequenz eine reduzierte Bandbreitengrenze für das zusammengesetzte Frequenzband definiert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das gefaltete Frequenz­ band eine Vielzahl von zueinander beabstandeten aktiven Kanälen umfaßt, aus denen mehrere gewünschte Kanäle auswählbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Grund­ frequenz durch Identifizieren einer vorläufigen Grund­ frequenz ausgewählt wird, daß für die vorläufige Grund­ frequenz bestimmt wird, ob es zwischen den gewünschten Kanälen und den verbleibenden aktiven Kanälen eine Inter­ ferenz gibt, daß die vorläufige Grundfrequenz auf einen neuen Frequenzwert inkrementiert wird, wenn die Bestimmung das Vorliegen von Interferenz anzeigt, und daß das Bestimmen des Auftretens von Interferenzen und des Inkrementierens der vorläufigen Grundfrequenz auf einen neuen Frequenzwert fortgesetzt wird, bis eine Grundfrequenz lokalisiert ist, die nicht zur Interferenz führt.

10. Empfänger zum gleichzeitigen Empfangen einer Vielzahl von Nachrichtensignalen aus zueinander beabstandeten Frequenz­ bändern unterschiedlicher Bandbreiten und Modulationsarten aus einem breiten Hochfrequenzbereich, mit:

• 1. Mitteln (16-36) zur Frequenzumsetzung einiger der Frequenzbänder, so daß die Frequenzbänder ein ein­ ziges, im wesentlichen zusammenhängendes zusammen­ gesetztes Frequenzband mit einer Bandbreite formen, die geringer ist als die gemeinsame Bandbreite der individuellen Frequenzbänder und der zwischenliegenden Frequenzbänder vor der Frequenzumsetzung,
• 2. einem einzigen Analog-Digital-Wandler (38), der die empfangenen Analogsignale innerhalb des zusammen­ gesetzten Frequenzbandes in ein digitales Format umwandelt, und
• 3. einer digitalen Abstimmeinrichtung (40) zur Auswahl mehrerer gewünschter Empfangsfrequenzen aus dem digitalisierten zusammengesetzten Frequenzband.

11. Empfänger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (14-34) zur Frequenzumsetzung jeweils Oszil­ latoren (20-24) innerhalb eines jeden der individuellen Frequenzbänder aufweisen, mit deren Oszillatorsignalen die empfangenen Frequenzbänder in Mischern (14, 16) frequenzumgesetzt werden.