DE69103036T2

DE69103036T2 - Regenerierendes Zweiwege-RF-Verstärkersystem.

Info

Publication number: DE69103036T2
Application number: DE69103036T
Authority: DE
Inventors: Surinder Kumar; Michael A Morgan; Harold K Sohner
Original assignee: Andrew LLC
Current assignee: Commscope Technologies LLC
Priority date: 1990-01-18
Filing date: 1991-01-09
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2011-01-10
Also published as: US5187803A; AU6920691A; AU632197B2; CA2033796C; DE69103036D1; EP0442259A1; EP0442259B1; CA2033796A1; ATE109326T1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Signalregeneration in einem HF-Kommunikationssystem, das Regenerativverstärker verwendet, und auf ein verbessertes HF- Kommunikationssystem, das kaskadierte Regenerativverstärker verwendet, in denen übermäßige Intermodulationsstörungen vermieden sind.
Aus der US-A-3 750 020 ist ein Funkkommunikationssendesystem für bewegliche Fahrzeuge, die eine Spur verfolgen, bekannt, bei dem ein Zwischenfrequenz- (ZF-) Kommunikationssignal über ein Koaxialleckkabel niedrigen Verlustes von einer Feststation übertragen wird. Dieses Signal wird, falls notwendig, periodisch verstärkt, um die Dämpfung zu kompensieren, und es wird außerdem in regelmäßigen Abständen in ein Hochfrequenz- (HF-) Signal gewandelt, das zusammen mit dem vorgenannten ZF-Signal auf demselben Koaxialleckkabel übertragen wird, um gleichförmig längs des Koaxialleckkabels auszutreten zur Kopplung auf eine Antenne an einem Fahrzeug, das benachbart dem Koaxialleckkabel fährt. Ein Sender ist an dem beweglichen Fahrzeug angeordnet und sendet ein zweites HF-Signal vom Fahrzeug aus, um das Signal in das Koaxialleckkabel zur Ubertragung darüber zu koppeln Dieses zweite HF-Signal wird dann in ein zweites ZF-Signal für die nachfolgende Übertragung mit geringem Verlust über dasselbe Koaxialleckkabel zum Empfang durch die Feststation gewandelt.
Von einem System dieser Art wird ein Haupthindernis gegen die optimale HF-Versorgung in verdeckten Bereichen, wie Tunnels, U-Bahnen, tiefergelegten Straßen, Gebäuden usw. beseitigt, wo die strahlende HF-Energie sowohl in Sendeals auch in Empfangsrichtung im wesentlichen abgeschirmt ist.
Wegen des endlichen Koaxialdämpfungsfaktors des strahlenden Kabels ist es wichtig, Signalverstärker in regelmäßigen Intervallen zu verwenden. Die Verstärker sind typischerweise bidirektional, um Signale aufnehmen und verstärken zu können, die sich längs des Kabels in beiden Richtungen bewegen, und sie haben eine feste Verstärkung für jedes HF-Trägersignal in jeder Signalrichtung. Da die meisten Kommunikationssysteme mehrere Träger für normalen Betrieb verwenden, wird es notwendig, lineare A-Verstärker einzusetzen, die eine breitbandige Verstärkung aufweisen.
Da in der Praxis ideale lineare Verstärker nicht realisiert werden können, weisen Zweiweg-Kommunikationssysteme, die strahlende Kabel verwenden, Signalstörungen auf, die aus der endlichen Intermodulationsstörung resultieren, die aufgrund von Nichtlinearitäten von Bauelementen hervorgerufen werden, wenn Verstärkung bei hohen Leistungspegeln auftritt. Außerhalb des Bandes auftretende Intermodulation stellt kein ernstes Problem dar, weil sie gewöhnlich vom System ausgefiltert werden kann. In-Band-Intermodulation, die durch Intermodulationsfrequenzen hervorgerufen werden, die aus unerwünschten Kombinationen von Sinuskomponenten eingegebener Frequenzen resultieren, können das Systembetriebsverhalten empfindlich beeinträchtigen, weil sie eine Störquelle für eine Empfangseinheit darstellt, die nicht ausgefiltert werden kann.
Das Intermodulationsstörproblem ist noch ernster, wenn mehrere Verstärker in Kaskade geschaltet sind, um die hohen Sendesignalpegel zu erzielen, die notwendig sind, die Koaxialverluste zu überwinden, die aus der Verwendung eines strahlenden Kabels längs langer Tunnel oder U-Bahn-Schächte resultieren. Wenn eine Kette aus kaskadierten Verstärkern vorhanden ist, dann wird die von einer Stufe erzeugte Intermodulation um den Verstärkungsfaktor einer jeder nachfolgenden Stufe verstärkt, die ihrerseits weitere Intermodulationskomponenten erzeugt. Tatsächlich führt eine phasengleiche Addition von Frequenzkomponenten an jeder Verstärkerstufe in einem kaskadierten Verstärkersystem ebenfalls zu einer Kaskadierung oder Zusammensetzung von Intermodulationskomponenten. Das Endergebnis ist eine ernste Verschlechterung der HF-Signale bis zu einem nicht mehr beherrschbaren Niveau.
Dementsprechend weisen die bekannten Zweiweg-HF-Kommunikationssysteme auf der Grundlage strahlender Kabel ernste Einschränkungen hinsichtlich der praktischen Anzahl in einem einzigen Zug verwendbarer Verstärker auf.

Übersicht über die Erfindung

Es ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Signalregenerierung in einem verbesserten HF-bidirektional-Verstärkersystem anzugeben, das eine wesentlich herabgesetzte Intermodulationsstörung aufweist, die aus sukzessiver Signalverstärkung resultiert.
Dieses Ziel wird durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen davon sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein verwandtes Ziel ist es, ein Regenerativerstärkersystem der obengenannten Art anzugeben, das die Vorzüge des obengenannten Verfahens aufweist.
Dieses Ziel wird durch die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen davon sind Gegenstand der davon abhängigen Ansprüche.
Kurz gesagt, gemäß der Erfindung werden die obigen Ziele mittels eines HF-Kommunikationssystems erreicht, das mehrere kaskadierte Verstärkerstufen zum periodischen Regenerieren von Signalen enthält, die längs einer Serie von Längenabschnitten eines strahlenden Kabels ausgesendet und empfangen werden, das Basisstations-Sendeempfänger mit tragbaren oder dergleichen mobilen Kommunikationseinheiten verbindet. Gemäß einem bedeutenden Aspekt dieser Erfindung wird ein Zwischenfrequenz- (ZF-) Verteilersystem verwendet, so daß der erforderliche Verstärkungspegel durch die vielen kaskadierten Verstärkerstufen nicht direkt beim HF-Signalpegel, sondern stattdessen beim Pegel von ZF-Signalen erreicht wird, die aus den ursprünglichen HF-Signalen im Zusammenwirken mit geeigneten Überlagereroszillator- und Pilotsignalen erzeugt werden. Wird der kaskadierte Effekt, der aufgrund der Vielzahl kaskadierter Verstärkerstufen auftritt, auf die ZF-Signale relativ niedrigen Leistungspegels beschränkt, wodurch ein vernachlässigbarer Umfang an Intermodulationskomponenten während der verschiedenen Verstärkungsstufen erzeugt wird.
Spezieller gesagt, am Ort der Basisstation werden die HF- Trägersignale, die von der Basisstation über die strahlenden Kabelsegmente zu den umgebenden tragbaren Einheiten gesendet werden sollen (die "Sende"-Signale), als Block auf einen ZF-Pegel hinab umgesetzt. Die Abwärtsumsetzung wird unter Veiwendung eines Pilotsignals im Zusammenwirken mit einem Bezugssignal ausgeführt, das von einem Überlagereroszillator erzeugt wird. Die so erzeugten ZF-Signale werde anschließend mit dem Pilotsignal summiert und dem strahlenden Kabel zugeführt.
An jeder Verstärkerstelle werden die über den vorangehenden Längenabschnitt des strahlenden Kabels ausgebreiteten ZF- Signale aufwärts umgesetzt auf den Pegel der ursprünglichen HF-Frequenzsignale durch einen Mischvorgang, der ein Überlagereroszillatorsignal verwendet, das aus dem Bezugspilotsignal abgeleitet ist. Im Anschluß daran werden die regenerierten HF-Frequenzsignale verstärkt, mit den ZF- und Pilotsignalen kombiniert und dann dem nachfolgenden Längenabschnitt des strahlenden Kabels zugeführt. Die ausgesendeten HF-Frequenzsignale werden daher an jeder Verstärkerstelle aus den Niederpegel-ZF-Signalen unter Verwendung eines Mehrfachüberlagerervorgangs regeneriert. Es ist signifikant, daß die HF-Signale durch die verschiedenen Stufen der Verstärkerkette nicht kaskadiert werden. Stattdessen werden die ZF- Signale, die aufrelativ niedrigen Leistungspegeln sind, durch die verschiedenen Verstärkerstufen kaskadiert, wodurch ein vernachlässigbarer Umfang an Intermodulationskomponenten und damit einhergehender Störung erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung werden die HF- Frequenzsignale, die von den tragbaren Einheiten empfangen und über die strahlenden Kabelabschnitte an die Basisstationen zu senden sind (die "Empfangs"-Signale), nicht dem oben beschriebenen Mehrfachüberlagerungsvorgang an allen kaskadierten Verstärkerstufen unterworfen; vielmehr werden die Empfangssignale beim HF-Frequenzpegel an den kaskadierten Verstärkerstufen direkt verstärkt.
Im Falle der Sendesignale ist es wichtig, einen ausreichend hohen Leistungspegel am Empfängerende zur Verfügung zu stellen, weil die Signale am Ausgang einer jeden Verstärkerstufe einen Leistungspegel haben müssen, der ausreichend hoch ist, um eine Vielzahl von Signaldämpfungsfaktoren zu überwinden, wie den Koaxialverlust des Kabels, die Kopplungsverluste, die Antennenverluste der tragbaren Stationen usw. Die erforderlichen hohen Leistungspegel erzeugen wiederum wesentliche Intermodulationskomponenten, wenn sie von den kaskadierten Verstärkerstufen anschließend verarbeitet werden. Im Falle der Empfangssignale sind die Signalpegel, die dem Eingang der Verstärkerstufen zugeführt werden, jedoch niedrig genug, daß Intermodulation gewöhnlich kein Problem darstellt, so daß man auf das ZF-Verteilersystem verzichten kann.
Gemäß einem weiteren Merkmal dieser Erfindung werden die kaskadierten Verstärkerstufen, die das Zweiweg-HF-Kommunikationssystem dieser Erfindung enthält, kontinuierlich auf Betriebsausfälle sowohl im Sendeweg als auch im Empfangsweg durch Verwendung der Pilot- und ZF-Signalge überwacht. Vorzugsweise wird die Überwachungstunktion von einem Zentralrechner ausgeführt, der mit dem Regenerativverstärkersystem durch eine geeignete Schnittstelle verbunden ist, wie beispielsweise eine SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)-Schnittstelle, die einen Parallel-Eingangs-/Ausgangs-Kanal hat, der sowohl eine Statusinformation liefert als auch eine Verstärkersteuerung ausführt. Zusätzlich kann auch die Verstärkungsregelung der Sende- sind Empfangswegsignale durch den Zentralrechner gesteuert werden, um in Auswirkungen von Schwankungen der Verstärkungspegel gegenzuwirken, die davon herrühren, daß die Verstärker den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind und die Verstärker und das strahlende Kabel altern.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt dieser Erfindung wird ein ZF-Verteilersystem auch für den Basisstations-Empfangsweg bei Anwendungen eingesetzt, bei denen die Länge des Koaxialkabels, das die Signale dem strahlenden Kabel von der Basisstation und die Längenabschnitte, die im HF-blockierten Bereich verwendet werden, ausreichend lang sind, daß die hochfrequenten HF-Trägersignale zu stark gedämpft werden. Unter solchen Bedingungen ist es notwendig, mehrere bidirektionale Verstärker zu verwenden, um die Dämpfungsverluste, die die HF-Signale erleiden, insbesondere längs der Koaxialzuführleitung im Empfangspfad von mobilen oder tragbaren Kommunikationseinheiten zu den Basisstationen, zu kompensieren.
Die Verwendung eines Systems auf ZF-Grundlage erlaubt die Aussendung von Empfangssignalen längs der Koaxialzuführleitung mit geeigneten Leistungspegeln ohne Verwendung mehrerer bidrektionaler Verstärker. Dasselbe Pilotträgersignal, das auf der Sendeseite zur Herabsetzung übermäßiger Intermodulationsstörungen an den kaskadierten Verstärkerstufen verwendet wird, gelangt auch auf der Empfangsseite zur Aufwärtswandlung und Abwärtswandlung der Empfangs-HF- Signale auf und von spezifizierten ZF-Frequenzen zum Einsatz.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus dem Studium der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, die ein Zweiweg-Kommunikationssystem zur Einrichtung von HF-Verbindungen zwischen Basisstationen und mobilen Kommunikationseinheiten in einem Tunnel oder dergleichen HF-blockierten Bereich zeigt;
Fig. 2 ein Blockschaltbild, das die Art zeigt, in der HF- Signale abwärts auf einen ZF-Pegel vor der Aussendung über das strahlende Kabel umgesetzt werden;
Fig. 3 ein schematische Blockschaltbild, das die Art zeigt, in der HF-Signale an der Verstärkerstufe regeneriert werden;
Fig. 4 ein detaillierte Blockschaltbild eines bidirektionalen Verstärkers, der zur Verwendung mit den ZF-Signalen geeignet ist, die von der Anordnung nach Fig. 2 erzeugt werden, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung, und
Fig. 5 ein detailliertes Blockschaltbild, das eine bevorzugte Ausführung einer Basisstation zeigt, die zur Verwendung mit den ZF-Signalen eingerichtet ist, die von dem in Fig. 4 gezeigten Verstärker verwendet werden.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bezug nehmend nun auf Fig. 1 ist dort ein Zweiweg-Kommunikationssystem 10 zur Erzeugung einer HF-Überdeckung innerhalb eines geschlossenen Bereichs, wie beispielsweise eines Tunnels 12, dargestellt. Gemäß diesem System von Fig. 1 sind mehrere Basisstationen 14 miteinander durch mehrere strahlende Kabelabschnitte 16 verbunden. Das strahlende Kabel 16 ist typischerweise ein Schlitzkabel, bei dem Schlitze in dem nienallischen Außenleiter des Kabels angeordnet sind, um einen kontrollierten Anteil der elektromagnetischen Signale, die durch das Kabel übertragen werden, längs des Kabels abgestrahlt wird. Diese Lösung mit strahlendem Kabel ist speziell in Zweiweg-Kommunikationssystemen vorteilhaft, weil elektromagnetische Signale, die nahe dem Kabel ausgesendet werden, in die Strahlungsschlitze eingekoppelt und längs des Kabels zurück zu den zugehörigen Basisstationen geleitet werden. Dementsprechend können Funksignale, die von mobilen oder tragbaren Kommunikations- ("Funk") Einheiten benachbart dem strahlenden Kabel ausgesendet werden, vom Kabel direkt aufgenommen und an die Basisstationen weitergeleitet werden.
Übliche Koaxialkabelleitungsabschnitte 19 werden verwendet, um Signale zu und und von der Basisstation 14 und den strahlenden Kabelabschnitten 16 innerhalb des Tunnelbereichs zu leiten. Strahlendes Kabel wird in diesen Bereichen nicht verewendet, da die Notwendigkeit zur Abstrahlung von HF-Signalen nur innerhalb des Tunnelbereichs vorhanden ist, wo sich die Funkeinheiten befinden.
In einem Kommunikationssystem der oben beschriebenen Art, das ein strahlendes Kabel verwendet, beschränkt der Verlust an Signalpegel, der durch das Kabel unvermeidbar verursacht wird, die Kabellänge, über die HF-Signale ohne Verschlechterung der Sendesignale unter einen erforderlichen Schwellenwertpegel übertragen werden können. Daher wird es notwendig, die ausgesendeten HF-Signale in regelmäßigen Abständen über den umschlossenen Bereich, in dem das Kabel verwendet wird, zu verstärken, um Zweiweg-Verbindungen einzurichten. In der Praxis werden die Signale, die zwischen den Basisstationen 14 und den Funkeinheiten (nicht dargestellt) übertragen werden, über eine Serie von Verstärkern 18 verteilt, die die strahlenden Kabellängenabschnitte 16 miteinander verbinden. In Fig. 1 ist auch gezeigt, daß die Verstärker 18 typischerweise bidirektional sind, um Signale aufnehmen und verstärken zu können, die längs des Kabels sowohl in Sende- als auch im Empfangsrichtung übertragen werden. Insbesondere enthält jeder Verstärker 18 eine Verstärkungsstufe, die eine feste Verstärkung für die übertragenen HF-Signale in jeder Signalrichtung erzeugt.
Um der Vielzahl von HF-Trägern Rechnung zu tragen, die typischerweise in den meisten Kommunikationssystemen benutzt werden, müssen die Verstärker 18 gewöhnlich lineare A-Verstärker sein, die in der Lage sind, breitbandig zu verstärken. Wie oben beschrieben, führen die den Bauelementen innewohnenden Nichtlinearitäten, die selbst in "linearen" Verstärkern vorhanden sind, bei höheren Leistungspegeln zu einer wesentlichen Signalverzerrung aufgrund der Erzeugung eines endlichen Anteils von Intermodulationsstörungen. In einem typischen HF-Kommunikationssystem, in dem mehrere bidirektionale Verstärker in Kaskade geschaltet sind, erzeugt jede Verstärkerstufe Internmodulationskomponenten, und die von einer Stufe erzeugte Intermodulation wird mit dem Verstärkungsfaktor einer jeden nachfolgenden Stufe vestärkt. Die Erzeugung gleichphasiger Intermodulationsfrequenzkomponenten in jeder Verstärkerstufe vergrößert die Intermodulationsstörung in einem solchen Ausmaß, daß eine erhebliche Verschlechterung der HF-Signale daraus resultiert.
Um den kaskadierten Intermodulationseffekt zu bekämpfen, ist es wichtig, den Umfang von Intermodulationsleistung zu minimieren, die von jedem der linearen Verstärker erzeugt wird, was wiederum durch Verminderung der Gesamtausgangsleistung gegenüber dem Sättigungspegel der Verstärkerstufen realisiert werden kann. Die "back off"-Leistung PBo, die notwendig ist, um Intermodulationskomponenten dritter Ordnung zu begrenzen, kann wie folgt ausgedrückt werden:
PBo = Bs/(N * Pc) ... (1)
wobei Bs die Sättigungsausgangsleistung einer jeden Verstärkerstufe, N die Gesamtzahl der vom Verstärker zu verarbeitenden HF-Träger und Pc die Leistung pro Träger ist.
Bei der Gestaltung des kaskadierten Verstärkersystems der in Fig. 1 gezeigten Art ist ein wichtiger Systementwurfsparameter das Verhältnis der Trägerleistung zur Intermodulationsleistung, gewöhnlich als Träger/Intermodulations-Verhältnis (C/Im-Verhältnis) genannt. Das Verhältnis wird in dB ausgedrückt und stellt die Größe der gewünschten Signalleistung dar, die bei Anwesenheit einer unerwünschten Intermodulationsleistung vorhanden ist. Da die HF-Systemkonfiguration nach Fig. 1 aus einer Serie in Kaskade geschalteter Verstärker besteht, muß der Gesamtintermodulationsbeitrag eines jeden Verstärkers in Betracht gezogen werden, der wie folgt definiert ist:
C/Im(Amp&sub1;) = 10 * log&sub1;&sub0;(10.67 * Pbo²) ... (2)
Wenn N Verstärkerstufen miteinander in Kaskade geschaltet sind, dann ist das Gesamt-Träger/Intermodulations-Verhältnis des Systems wie folgt definiert:
C/Im(System)=C/Im(Amp&sub1;) - 20 * log&sub1;&sub0;(n) ... (3)
Aus dem vorgenannten Verhältnis geht hervor, daß das SystemC/Im-Verhalten eines kaskadierten Verstärkersystems durch einen Faktor von 29 log&sub1;&sub0; (N) verschlechtert wird, was eine Verschlechterung von 6 dB für jeden zusätzlichen Verstärker in einer Kette kaskadierter Verstärkerstufen darstellt. Dementsprechend ist die praktisch verwendbare Anzahl Verstärkerstufen in einer Kette kaskadierter Verstärker zur Ausführung eines verkabelten HF-Sendesystems für Tunnel stark eingeschränkt.
Das regenerative, bidirektionale HF-Verstärkersystem gemäß dem System dieser Erfindung beseitigt den oben beschriebenen Internmodulationseffekt kaskadierter HF-Verstärker.
Gemäß einem wichtigen Aspekt dieser Erfindung wird ein Zwischenfrequenz- (CF) -Verteilersystem verwendet anstelle der Verstärkung der ausgebreiteten Signale direkt bei den ursprünglichen HF-Frequenzpegeln. Die Folge ist eine Einschränkung des Kaskadeneffekts, der aufgrund der Vielzahl kaskadierter Verstärkerstufen auftritt, auf ZF-Signale relativ niederiger Leistung. Daher ist der Umfang an Intermodulation, der während der durch die vielen kaskadierten Verstärkerstufen erzeugt wird, auf einen vernachlässigbaren Pegel beschränkt.
Genauer gesagt, am Ort der Basisstation werden die HF-Trägersignale, die über das strahlende Kabel ausgesendet werden sollen, auf einen vorbestimmtn ZF-Pegel abwärts gewandelt, bevor sie über die strahlenden Kabelabschnitte ausgesendet werden. Eine Anordnung zur Erzielung dieses Ergebnisses ist in Fig. 2 gezeigt wo Signale von Sendeeinheiten an der Basisstation 20 einem üblichen Mischer 22 zugeführt werden. Der andere Eingang des Mischers 22 ist ein Pilotsignal, das von einem Pilotgenerator 24 zusammen mit einem zugehörigen Überlagereroszillator 26 erzeugt wird. Die Frequenz des Pilottons ist so ausgewählt, daß die dem Mischer zugeführten HF- Frequenzsignale wirksam auf den gewünschten ZF-Pegel abwärts gewandelt werden.
Ein schmales Signalband der abwärts gewandelten ZF-Signale werden unter Verwendung eines Bandpaßfilters (BPF) 28 gefiltert und werden über eine geeignete Last 30 einem Verstärker 32 zugeführt. Das vom Pilotgenerator 24 erzeugte Signal wird auch einer Summiereinheit 34 zugeführt, die an ihrem anderen Eingang den Ausgang des Verstärkers 32 empfängt. Der Ausgang der Summiereinheit 34 stellt die Kombination der gefilterten ZF-Signale und des Pilotsignals dar und wird dem strahlenden Kabel 16 zur Aussendung durch den Tunnelbereich zugeführt. Das Pilotsignal wird über das strahlende Kabel 16 zur Verwendung durch die nachfolgenden Verstärkerstufen gesandt.
An jeder der Verstärkerstufen werden die ZF-Signale, die sich über das strahlende Kabel fortpflanzen, nach oben auf die ursprüngliche HF-Frequenz durch einen Mischvorgang umgesetzt der ein Überlagereroszillatorsignal verwendet, das aus den Bezugspilotsignalen abgeleitet wird, das ebenfalls über das strahlende Kabel übertragen wird. Eine repräsentative Anordnung zur Ausführung desselben ist in Fig. 3 gezeigt, wo die Sende-HF-Signale durch einen bidirektionalen Signalteiler (oder eine Kombination aus Teil er und Summierer) 40 geführt werden. In der Senderichtung laufen die HF-Signale durch einen Signalteiler 42, von dem ein Ausgang zu einem Bandpaßfilter 44 ührt, der ein ausgewähltes Frequenzband zu einem Mischer 46 durchläßt.
Dem Mischer 46 wird ein überlagerersozillatorsignal zugeführt, das von einer Pilotbezugswiedergewinnungsschaltung 48 erzeugt wird, die den zusammen mit den ZF-Signalen über das strahlende Kabel übertragenen Pilotton extrahiert. Der Mischvorgang wandelt die gefilterten Signale wirksam nach oben auf die ursprüngliche HF-Frequenz zurück, von wo ein ausgewähltes Band durch ein Bandpaßfilter 50 gefiltert wird. Die gefilterten HF-Signale laufen durch ein variables Dämpfungsglied 52 in einen Vorverstärkter 54, der die erforderliche HF-Verstärkung ausführt, bevor die Signale dem End- (Summier-) Leistungsverstärker 56 der Verstärkerstufe zugeführt werden. Anschließend werden die verstärkten Signale durch einen bidirektionalen Signalteiler 64 geführt und dann durch den strahlenden Kabelabschnitt abgestrahlt, der die Verstärkerstufe mit der nachfolgenden Verstärkungsstufe verbindet zum Empfang durch Funkeinheiten innerhalb des Überdeckungsbe- reichs in Nachbarschaft des Kabels.
Signale vom Teiler 42 werden auch durch ein Tiefpaßfilter 58 geleitet, das nur die ZF-Signale durchläßt, die ausgangsseitig der Verstärkerstufe für die nachfolgende Regenerierung der HF-Frequenzen weitergeleitet werden müssen. Die gefilterten ZF-Signale laufen durch ein einstellbares Dämpfungs glied 60 und einen Vorverstärker 62, der die notwendige ZF- Verstärkung zur Verfügung stellt, bevor sie dem Leistungsendverstärker 56 zugeführt werden. Die verstärkten ZF-Signale werden anschließend über das strahlende Kabel zusammen mit den HF-Signalen ausgesendet. Die Sende-HF-Frequenzen werden an jeder Verstärkerstufe durch einen Heterodyn-Vorgang aus den Niedrigpegel-ZF-Signalen regeneriert. Die ZF-Signale werden durch die Verstärkerkette bei relativ niedrigen Leistungspegeln kaskadiert, wodurch ein vernachlässigbarer Umfang an Intermodulationsfrequenzkomponenten erzeugt wird. Es ist bemerkenswert, daß die regenerierten HF-Signale durch die Verstärkerkette nicht kaskadiert werden. Stattdessen erfahren die Signale eine einfache Verstärkung an jeder Verstärkerstufe vor der Ausbreitung durch den zugehörigen strahlenden Kabelabschnitt, um davon zu in der Nähe befindlichen Funkeinheiten abgestrahlt zu werden.
Es sollte angemerkt werden, daß in Senderichtung die Signale am Ausgang einer jeden Verstärkerstufe einen Leistungspegel besitzen müssen, der ausreichend groß ist, den Koaxialverlust des Kabels, den Kopplungsverlust, den Empfangsantennenverlust usw. zu überwinden und noch immer einen ausreichend hohen Signalpegel für die Empfangseinheiten zu haben. Daher werden relativ hohe Leistungspegel pro Träger erforderlich.
Die Anordnung von Fig. 3 realisiert die gewünschten hohen Signalträgerpegel, da der HF-Verstärkungspegel an jeder Verstärkerstufe in geeigneter Weise eingestellt werden kann. Der gewünschte Signalleistungspegel wird ohne die Intermodulationsverzerrung erreicht, die konventionellen Verstärkersystemen typischerweise eigen ist. Dies rührt daher, daß die HF-Signale durch die verschiedenen Verstärkerstufen nicht kaskadiert werden und stattdessen nur die ZF-Signale niedrigen Leistungspegels durch die Verstärkerstufen kaskadiert werden.
Zur Aussendung längs des Empfangsweges, d.h. für Verbindungen von Funkeinheiten mit den Basisstationen, sind die Signalpegel, die dem Eingang jeder Verstärkerstufe zugeführt werden ausreichend niedrig, daß jegliche damit verbundene Intermodulation die Sendesignalpegel nicht unzulässig stören, und sie kann dementsprechend ignoriert werden. Daher können die Empfangssignale direkt bei den HF-Frequenzpegeln verstärkt werden, ohne daß das oben beschriebene, für die Sendesignale verwendete Heterodyn-Verfahren eingesetzt werden muß. In der Anordnung von Fig. 3 werden die Empfangssignale durch den bidirektionalen Signalteiler 64 geleitet und dann durch ein Bandpaßfilter 66 geführt, das nur die gewünschten HF-Sendefrequenzen durchläßt. Die gefilterten HF-Signale laufen durch einen oder mehrere Signalverstärker 68, die jeweils eine vorbestimmte HF-Verstärkung aufweisen. Anschließend laufen die verstärkten Signale durch ein Hochpaßfilter 70, bevor sie durch den Signalteiler 40 zu den strahlenden Kabelabschnitten und gegebenenfalls zur Basisstation geleitet werden.
Es sei nun auf Fig. 4 Bezug genommen, in der ein detialliertes Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines bidirektionalen Verstärkers gezeigt ist, der für die Verwendung mit den von der Anordnung nach Fig. 2 erzeugten ZF-Signalen geeignet ist. Die bevorzugte Anordnung von Fig. 4 wird im Zusammenhang mit einem Kommunikationssystem beschrieben, das zwei separate HF-Trägerfrequenzsender verwendet, deren Mitte bei 80 Mhz und 160 Mhz liegen, und weiterhin einen Pilotton von 5 Mhz verwendet. Es ist augenscheinlich, daß zwei getrennte ZF- Bänder ZF&sub1; und ZF&sub2;, entsprechend den zwei HF-Trägerbändern zu verwenden sind. Die Regenerierung von HF-Signalen an jeder Verstärkerstufe wird hier bezüglich dieser zwei Trägerfrequenzbänder für illustrative Zwecke nur beschrieben. Es ist für den Fachmann offenkundig, daß gerade ein Band oder mehr als zwei Bänder HF-Trägerfrequenzen in Abhängigkeit von der Anzahl der Kanäle und der Sendeleistung eines jeden solchen Kanals, die zur Befriedigung der gewünschten Benutzungskapazität des Systems erforderlich ist, verwendet werden können.
Wie in Fig. 4 gezeigt, werden die ZF-Signale im Sendeweg einem bidirektionalen Koppler 70 zugeführt, wo die Sende- und Empfangssignale voneinander getrennt werden. Anschließend werden die Sendesignale einem Vier-Wege-Leistungsteiler 71 zugeführt, dessen Ausgänge mit vier Signalwegen verbunden sind, die unten im Detail beschrieben werden.
Der erste Weg liefert eine Verstärkung für die ZF-Bänder. Die zusammengesetzten Sendesignale werden durch ein Tiefpaßfilter (LPF) 72 geleitet, das eine Drei-dB-Grenzfrequenz von 40 Mhz hat, so daß alle Signale außer dem 4 Mhz-Pilotton und der zwei ZF-Bänder ZF&sub1; und ZF&sub2; unterdrückt werden. Die gefilterten Signale werden dann einem programmierbaren Dämpfungsglied 73 zugeführt, dessen Dämpfungsfaktor durch ein Signal B&sub1; beeinflußt wird, das seinem Steuereingang zugeführt wird. Anschließend laufen die gefiltertn zusammengesetzten Signale durch eine Festverstärkungsstufe 74. Der Ausgang der Festverstärkungsstufe 74 ist mit dem einen Eingang des Leistungsendverstärkers 75 der Verstärkerstufe verbunden.
Vorzugsweise wird das Steuersignal B&sub1; zum Steuern des programmierbaren Dämpfungsgliedes 73 vom Steuerausgang einer Rechnerschnittstelle geliefert, wie beispielsweise der SCADA-Schnittstelle, die zu einem Zentralrechner führt, der dazu eingerichtet ist, den Betrieb des gesamten HF-Überdeckungssystems zu steuern. Eine bevorzugte Anordnung zum programmierbaren Steuern verschiedener Aspekte eines HF-Kommunikationssystems, das eine solche Schnittstelle verwendet, ist in der anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Titel "DISTRIBUTED AMPLIFIER NETWORK MANAGEMENT SYSTEM" beschrieben, die ebenfalls dem Zessionar der vorliegenden Anmeldung gehört; die Offenbarung jener Anmeldung wird hier durch Bezugnahme eingeschlossen.
Der zweite Signalweg vom Leistungsteiler 71 führt zu einem Bandpaßfilter 76, das das 5 Mhz-Pilotsignal, das in den Sende- ZF-Signalen enthalten ist, extrahiert. Das extrahierte Pilotsignal wird dann den Eingängen von phasenverriegelten Oszillatoren (PLOs) 77 und 78 zugeführt, die bei Frequenzen arbeiten, die dazu dienen, die ZF-Bänder auf die ursprünglichen HF-Pegel mittels zweier zugehöriger Mischer 79 bzw. 80 aufwärts zu wandeln. Genauer gesagt, um die ursprünglichen HF-Frequenpegel von 80 Mhz und 160 Mhz zu erhalten, arbeitet der phasenverriegelte Oszillator 77 bei einer Frequenz von 138 Mhz, und der phasenverriegelte Oszillator 78 arbeitet bei einer Frequenz von 75,5 Mhz.
Der dritte Ausgangweg vom Signalteiler 71 führt zu einem Bandpaßfilter 81, das eine Mittenfrequenz von 30,5 Mhz und eine effektive Bandbreite von 12 Mhz hat, um das erste ZF-Band von Frequenzen (ZF) zu realisieren. Dieses Band gefilterter Frequenzen wird dann mit dem 138 Mhz-Signal vom PLO 77 am Mischer 79 gemischt, um sowohl die Summen- als auch die Differenzfrequenzkomponenten zu erzeugen. Die Summenkomponenten werden anschließend zurückgehalten, indem die Signale durch ein Bandpaßfilter 82 geleitet werden, das eine Mittenfrequenz von 168,5 Mhz und eine Bandbreite von 12 Mhz hat, um die ursprünglichen HF-Signale wirksam zu regenerieren. Die resultierenden HF-Trägersignale werden dann einem programmierbaren Dämpfungsglied 83 zugeführt, das durch ein Steuerisignal B&sub2; gesteuert wird, vorzugsweise durch den Steuerausgang der SCADA-Schnittstelle. Dann werden die gedämpften HF-Signale durch eine Festverstärkerstufe 84 geleitet, von wo die Signale durch einen Koppler 85 gelangen, um einem Eingang des Leistungsendverstärkers 75 zugeführt zu werden, um dann zum strahlenden Kabel zu gelangen, das mit der Verstärkerstufe verbunden ist
Der vierte Ausgangsweg des 4-Wege-Teilers 71 liefert die ZF- Sendesignale an ein Bandpaßfilter 86, das eine Mittenfrequenz von 10,5 Mhz und eine effektive Bandbreite von 5 Mhz hat, um das zweite ZF-Band von Frequenzen (IF&sub2;) zu realisieren. Dieses Band von Frequenzen wird dann mit dem 75,5 Mhz-Ausgang des PLO 78 am Mischer 80 gemischt, um sowohl Summen- als auch Differenzfrequenzkomponenten zu erzeugen. Ein Bandpaßfilter 81a, das eine Mittenfrequenz von 86 Mhz und eine schmale Bandbreite von 5 Mhz hat, hält nur die Summenkomponenten aus den Signalen am Ausgang des Mischers 80 zurück, um so die zweiten HF-Trägersignale effektiv zu regenerieren. Die resultierenden HF-Signale werden dann einem programmierbaren Dämpfungsglied 87 zugeführt, dessen Dämpfungsfaktor durch ein Steuersignal B&sub3; gesteuert wird, das an seinem Steuereingang anliegt. Wie im Falle der Dämpfungsglieder 73 udn 78 wird der Dämpfungspegel des Dämpfungsgliedes 87 vorzugsweise durch den SCADA- Steuerausgang gesteuert. Die gedämpften HF-Trägersignale werden dann durch eine Festverstärkerstufe 88 geleitet und schließlich über einen Signalkoppler 89 dem einen Eingang des Leistungsendverstärkers 75 zugeführt, um zum strahlenden Kabel abgegeben zu werden.
Bei der obigen Anordnung wirkt der Verstärker 75 auf das 5 Mhz-Pilotsignal, das ZF&sub1;-Band, das ZF&sub2;-Band, das 86 Mhz- Band und 168,5 Mhz-Band. Der verstärkte Ausgang des Verstärkers 75 wird über einen Signalkoppler 90 einem Zweiwege-Leistungsteiler 91 zugeführt, von dem die Signale dem zugehörigen, damit verbundenen strahlenden Kabel zugeführt werden. Vorzugsweise ist der Leistungsverstärker 75 so ausgelegt, daß er in der Lage ist, bis zu 5 Watt (37 dBm) Leistung für alle durch ihn fortgeleiteten Signale zu liefern.
Der andere Eingang des Zweiwege-Leistungsteilers 91 empfängt die HF-Fequenzen für den Empfangsweg, d.h. die Empfangssignale, die von den Funkeinheiten in der Nachbarschaft des strahlenden Kabelabschnitts empfangen werden, der der Verstärkerstufe zugeordnet ist. Ein solches 29pfangssignal wird einem geeigneten Leistungsteiler (nicht dargestellt) zugeführt und dann zu einem Paar Bandpaßfiltern 92 und 93. Das Bandpaßilter 92 hat eine Mittenfrequenz von 164 Mhz und eine effektive Bandbreite von 15 Mhz. Das andere Bandpaßfilter 93 hat eine Mittenfrequenz von 77 Mhz und eine effektive Bandbreite von 5 Mhz. Die Filter 92 und 93 schaffen die erforderliche Selektivität für die Frequenzen im Empfangsweg. Außerdem verhindern diese Filter, daß Signale vom Sendeweg in den Empfangsweg zurücklaufen. Die Ausgänge der Filter 92 und 93 werden an einer Summiereinheit 94 miteinander summiert und dann einer Festverstärkerstufe 95 zugeführt,
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird das Pilotträgersinal, das in den Sendewegen benutzt wird, auch im Empfangsweg zur Überwachung von Verstärkerausfällen benutzt. Genauer gesagt, die verstärkten Sendesignale am Ausgang des Leistungsverstärkers 75 werden auch durch den Signalkoppler 90 zu einem schmalbandigen Bandpaßfilter 96 gerichtet, das eine Mittenfrequenz von 5 Mhz hat. Der Ausgang des Filters 96 wird dem einen Eingang des Verstärkers 95 im Empfangsweg zugeführt.
Der Ausgang des Bandpaßfilters 96 wird auch einem Leistungsdetektor 97 und dann einem Komparator 98, der einen festen Schwellenwertpegel hat, zugeführt. Die Anordnung ist derart, daß der Ausgang des Komparators 98 logisch "1" ist, wenn das 5 Mhz-Pilotsignal ermittelt wird, um dadurch die Anwesenheit eines akzeptablen Zustands anzuzeigen. Wenn das Pilotsignal nicht ermittelt wird, was wegen einer Vielzahl von Gründen, wie beispielsweise Kabelfehler usw., auftreten kann, hat der Ausgang des Komparators 98 eine logische "0", um dadurch die Anwesenheit eines Fehlers anzuzeigen. Diese Zustandsbedingung wird vorzugsweise durch den Zustandseingangsanschluß der SCADA-Schnittstelle mittels eines Befehlssignals A&sub1; abgefragt.
Unter normalen Bedingungen enthält der Ausgang des Empfangsverstärkers 95 das 5 Mhz-Pilotträgersignal, und dieser Zustand wird durch eine vergleichbare Anordnung ermittelt, die ein 5 Mhz-Bandpaßfilter 99, einen Leistungsdetektor 100 und einen zugehörigen Komparator 101 mit festem Schwellenwert enthält, der in der Lage ist, durch ein Signal A&sub2; abgefragt zu werden. Vor der Ermittlung wird der Ausgang des Empfangsverstärkers 95 über ein programmierbares Dämpfungsglied 102 verarbeitet, das einen Dämpfungspegel aufweist, der durch ein Steuersignal B&sub4; gesteuert wird, das mit der SCADA-Schnittstelle verbunden ist. Wenn aus irgendwelchem Grunde der Empfangsverstärker 95 ausfällt, wird der Ausfallzustan durch die Anwsenheit einer logischen "0" am Ausgangsanschluß des Komparators 101 angezeigt.
Gewisse der Sendesignalfrequenzen können in das Frequenzband fallen, das durch einige der Empfangssignalfrequenzen besetzt ist. Da der bidirektionale Koppler 70, der die Sendewegausgangssignale mit den Empfangswegeingangssignalen koppelt, typischerweise nur etwa 30 dB Trennung aufweist, ist es wichtig, daß eine Überkopplung von Sendewegsignalen beschränkt wird, um Instabilität und Schwingungen zu vermeiden.
Diese Abtrennung der Sendesignale von dem Empfangssignalen wird mittels einer Löschschaltung erreicht, die ein Hochpaßfilter 103 und einen Phasenschieber 104 enthält. Genauer gesagt die Ausgangssendesignale vom Leistungsverstärker 75 werden durch den Koppler 90 zu einem Hochpaßfilter 103 geleitet, das eine Grenzfrequenz von 164 Mhz hat. Der gefilterte Ausgang wird dann einem Phasenschieber 104 zugeführt, der eine Phasenverschiebung von 180º für alle Frequenzen mit einem Pegel höher als 164 Mhz ausführt. Anschließend wird ein Dämpfungsglied 105 dazu verwendet, den Ausgang des Phasenschiebers 104 auf einen Pegel einzustellen, der für die Löschung am Ausgang des Empfängerverstärkers 95 geeignet ist.
Nach der Verarbeitung durch das programmierbare Dämpfungsglied 102 werden die kombinierten HF-Signale, die aus dem Empfangsverstärker 95 austreten, durch eine 40 Mhz-Tiefpaßfilter 106 gefiltert und dann dem strahlenden Kabel in der Empfangsrichtung durch den bidirektionalen Koppler 70 zugeführt.
Vorzugsweise werden alle aktiven Elemente sowohl im Sende- als auch im Empfangsweg kontinuierlich auf Ausfall auf der Grundlage des Pilotsignals und des ZF-Signals überwacht. Beim ZF-Signalpegel beispielsweise wird der Ausgang der Festverstärkerstufe 84 auch durch den Koppler 85 zu einem Leistungsdetektor 107 geführt und dann zu einem Komparator 108 mit festem Schwellenwert. Der Komparatorausgang wird durch Verwendung eines Signals A&sub3; von einem Statusausgang der SCADA-Schnittstelle abgefragt.
In gleicher Weise wird der ZF-Ausgang des Verstärkers 88 über den Koppler 89 einem Leistungsdetektor 109 zugeführt und dann zu einem zugehörigen Komparator 110 mit festem Schwellenwert. Der Ausgang des Komparators 110 wird unter Verwendung eines Signals A&sub4; von der SCADA-Schnittstelle abgefragt. Vorzugsweise ist jeder Verstärkerstufe eine spezielle Code-"Adresse" zugewiesen, die von dem zentralen Steueranschluß verwendet wird, der der SCADA-Schnittstelle zugeordnet ist, um jede der Verstärkerstufen nacheinander periodisch abzufragen.
Die obige Anordnung ist auch dahingehend vorteilhaft, daß die Verstärkungssteuereinstellung der Sende- und Empfangswegsignale ebenfalls einfach durch den Steueranschluß der SCADA-Schnittstelle gesteuert werden kann. Die Verstärkungs pegel können somit bequem variiert werden, um langsamen Änderungen der Verstärkungspegel Rechnung zu tragen, die davon herrühren, daß die kaskadierten Verstärkerstufen den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind und das strahlende Kabel und die Verstärker altern.
Vorzugsweise ist jede der Verstärkerstufen auch mit einem unabhängigen, redundanten Stand-By-System in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Anordnung von Fig. 4 ausgerüstet. Ein solches Stand-By-System enthält ein redundantes Netzteil, so daß das Stand-By-System jederzeit eingeschaltet werden kann, um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Eine Ausfallermittlung wird im Stand-By-System in einer Weise ausgeführt, die identisch zu der im Hauptverstärker ist, wobei vergleichbare Pilotdetektorkreise verwendet werden. Die periodische Abfrage der Sende- und Empfangsverstärkerausgänge durch den Steuerrechner über die SCADA-Steueranschlüsse erlaubt eine bequeme Überwachung und Ermittlung jedes Fehlers der Verstärker.
Vorzugsweise ist auch die SCADA- und Steuerstatusschnittstelle für das Stand-By-System unabhängig vom Hauptverstärkersystem und hat ihre eigene Adresse. Eine Ersatzlast wird am Ausgang der Senderichtung der Stand-By-Einheit verwendet, wenn die Einheit nicht in Betrieb ist. Die SCADA-Schnittstelle enthält einen parallelen Eingangs/Ausgangs-Anschluß, der sowohl Statusinformation als auch Verstärkersteuerung mittels Verstärkungspegeleinstellungen und Schalten des redundanten Stand-By-Systems besorgt.
Wie oben im Detail erläutert, basieren die bidirektionalen, regenerativen Verstärker gemäß dem System der vorliegenden Erfindung auf einer Heterodyn-Lösung, wo die Sendeträgerfrequenzen (80 Mhz und 160 Mhz gemäß einer bevorzugten Ausführungsform) nach oben von einem entsprechenden Paar Zwischenfrequenzen umgesetzt werden, um die übermäßige Modulationsstörung zu beseitigen, die von der Kaskadierung mehrerer linearer Hochleistungsverstärker hervorgerufen wird. Dementsprechend ist eine bemerkenswerte Funktion, die am Ort der Basisstation ausgeführt werden muß, die Erzeugung des erforderlichen Paares ZF-Frequenzbänder direkt aus den HF-Trägern zur Verteilung über das strahlende Kabel.
Wie speziell in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde, ist die Übertragungsleitung, die für die Ausbreitung von HF-Signalen in einem umschlossenen oder HF-blockierten Bereich verwendet wird, vorzugsweise ein strahlendes Kabel. Die Verbindung zwischen dem strahlenden Abschnitt des Kabels und der Basisstation im Bereich außerhalb des blockierten oder unterunnelden Bereichs wird jedoch typischerweise von einem üblichen Koaxialkabel gebildet, da in diesem Bereich (wie auch in anderen vergleichbaren Bereichen) der Zweiwege-Nachrichtenverbindung keine Notwendigkeit zur Abstrahlung von Energie besteht. Außerdem ist es in manchen Bereichen eines Kabels für Tunnelkommumikationssysteme, wo die Gestalt des Tunnels die Anordnung von Sendeleitungsabschnitten benachbart zueinander notwendig macht, wichtig, nicht-strahlendes Kabel für wenigstens einen der benachbarten Kabelabschnitte zu verwenden, um Strahlungsinterfenz zu vermeiden, die sonst aus den benachbart angeordneten strahlenden Kabelabschnitten resultieren würde. Beispielsweise ist es in Fig. 1 notwendig, einen Längenabschnitt nicht-strahlenden Koaxialkabels 19A unmittelbar benachbart dem strahlenden Kabelabschnitt 16A zu verwenden. Wenn die Länge der Koaxialleitung relativ kurz ist (in der Größenordnung von einigen 100 Metern), dann ist die Zuführdämpfung der HF-Trägerfrequenzen des Systems nicht signifikant und genügt sowohl den ZF- Frequenzen als auch den HF-Frequenzen. Wenn jedoch die Koaxial-Zuführleitung extrem lang wird (in der Größenordnung von Kilometern), speziell am Leitungsende, das die Basisstation mit dem strahlenden Kabel verbindet, dann wird die Zuführdämpfung zu groß, insbesondere für die hochfrequenten HF-Träger. Beispielsweise im Falle der dargestellten Trägerfrequenzen, auf die im Zusammenhang mit Fig. 4 Bezug genommen wird, wird die Dämpfung der Koaxialzuführleitung über dem 160 Mhz-Träger zu groß, wenn die Zuführlänge 2.000 Meter erreicht ode überschreitet. Unter diesen Umständen wird es notwendig, mehrere bidirektionale Verstärker einzusetzen, um den Koaxialverlust zu kompensieren, der im Zuführabschnitt zwischen der Basisstation und dem ersten Längenabschnitt strahlenden Kabels im Tunnelbereich entsteht. Eine solche Verwendung mehrere bidirektionaler Verstärker trägt wesentlich zu den Installationskosten und zu den Wartungskosten des gesamten HF-Uberdeckungssystems bei.
Gemäß einem weiteren Merkmal dieser Erfindung wird die Notwendigkeit der Verwendung solcher Verstärker durch den Einsatz eines Zwischenfrequenzverteilerschemas für den Basisstationssende- und -empfangsweg vermieden. Insbesondere wird dasselbe Pilotträgersignal, das für den Sendeweg verwendet wird, auch auf dem Empfangsweg für die Aufwärtsumsetzung auf und für die Abwärtsumsetzung von den System-ZF-Frequenzen verwendet.
Eine bevorzugte Anordnung zur Ausführung eines solchen ZF- Verteilerschemas ist in Fig. 5 dargestellt, wo die Sende- HF-Signale durch Kombinieren von Ausgängen erzeugt werden, die von mehreren HF-Sendern geliefert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden ein Ersatzsender und acht Betriebssender dazu verwendet, die 160 Mhz-HF-Signale zu erzeugen, die einem Kombinierer 202 zugeführt werden, um das erste zusammengesetzte HF-Signal mit 160 Mhz zu erzeugen. In gleicher Weise werden ein Ersatz- und zwei Betriebssender 203 dazu verwendet, getrennte 80 Mhz-HF-Signale zu erzeugen, die von einem Kombinierer 204 kombiniert werden, um das zweite zusammengesetzt HF-Signal zu erzeugen. Mehrere Sender und Empfänger sind notwendig, um die Vielzahl von Kanälen zu befriedigen, die für die Handhabung des typischerweise großen Umfangs gleichzeitiger Übertragungen erforderlich sind, wie sie bei den meisten Tunnel- und U-Bahn-Kommunikationssystemen gefordert werden.
Die zwei zusammengesetzten HF-Signale werden dann mit den daraus erzeugten ZF-Signalen kombiniert und einem Signalteiler 205 zugeführt, der die Sendesignale von den Empfangssignalen trennt. Der Ausgang des Teilers 205 wird dann dem Zuführkabel für eine der Sendeleitungen, bezeichnet mit F&sub1;, zugeführt. Die Ersatzsender für die 160 Mhz- und 80 Mhz-HF-Träger können eingeschaltet werden, um jede der erforderlichen Betriebssendefrequenzen zu erzeugen.
Es sei angemerkt, daß die in Fig. 5 dargestellte Anordnung dazu eingerichtet ist, dieselben Basisstationsdienste zur Handhabung von HF-Verbindungen zwischen zwei getrennten Tunnelsystemen (nicht dargestellt) zu verwenden, die jeweils durch Zuführleitungen F&sub1; und F&sub2; versorgt werden. Die Zuführleitung F&sub2; ist dazu eingerichtet, direkt zu einer Verstärkerstufe zu führen, wo die erforderlichen HF-Signale erzeugt werden. Dementsprechend brauchen die Sendesignale für die Leitung F&sub2; nur die ZF-Signale und das Pilotsignal enthalten.
Die Zuführleitung F&sub1; ist jedoch dazu eingerichtet, HF-Signale zusätzlich zu den ZF-Signalen und dem Pilotsignal zu einem strahlenden Kabelabschnitt zu führen, so daß die HF-Signale abgestrahlt werden können, bevor die Signale von den ZF- Signalen vor der Verstärkung in der ersten Verstärkerstufe regeneriert werden.
Genauer gesagt in Fig. 5 wird ein Teil des ersten HF-Sendesignale (das 160 Mhz-HF-Signal) am Ausgang des Kombinierers 202 über einen Richtkoppler 206 zum einen Eingang eines Mischers 207 geleitet. Der andere Eingang des Mischers 207 ist vom 138 Mhz-Uberlagereroszillator 208, abgeleitet von einem 5 Mhz-Pilotbezugssignal 209. Der Ausgang des Mischers 207 enthält sowohl Summen- als auch Differenzfrequenzen aus den zwei Eingangsfrequenzen. Ein Bandpaßfilter (BPF) 210 mit einer Mittenfrequenz von 30,5 Mhz und einer effektiven Bandbreite von 12 Mhz wird dazu verwendet, nur die Differenzfrequenzen am Ausgang des Mischers 207 zurückzuhalten. Der Ausgang des Bandpaßfilters 210 bildet den ersten Satz Frequenzen ZF&sub1;.
In gleicher Weise wird ein Teil des zweiten zusammengesetzten Sendesignals (80 Mhz-HF-Signal) am Ausgang des Kombinierers 204 über einen Richtkoppler 211 zum einen Eingang eines Mischers 212 geleitet. Der andere Eingang des Mischers ist ein 75,5 Mhz-Signal von einem Überlagereroszillator 213, der im Zusammenwirken mit dem 5 Mhz-Pilotbezug 209 arbeitet. Wieder enthält der Ausgang des Mischers 212 sowohl Summen- als auch Differenzfrequenzen der zwei dem Mischer zugeführten Eingänge. Ein Bandpaßfilter 214 mit einer Mittenfrequenz von 10,5 Mhz und einer effektiven Bandbreite von 5 Mhz wird dazu verwendet, nur die Differenzfrequenzen am Ausgang des Mischers 212 zurückzuhalten. Der Ausgang des Bandpaßfilters 214 bildet den zweiten Satz ZF-Frequenzen ZF&sub2;
Die zwei Sätze ZF-Frequenzbänder ZF&sub1; und ZF&sub2; werden mit dem 5 Mhz-Pilotsignal am Kombinierer 215 kombiniert und über einen Signalteiler 216 geleitet. Vom Signalteiler 216 werden die Signale am Kombinierer 205 mit den Ausgängen der Kombinierer 206 und 211 kombiniert, die die zwei zusammengesetzten HF-Trägersignale enthalten, um die ersten Zuführleitung F&sub1; zu betreiben. Der Signalteiler 216 macht auch ein zusammengesetztes Signal verfügbar, das die zwei ZF-Frequenzbänder und den 5 Mhz-Pilotträger enthält, um über einen weiteren Signalteiler 217 nach geeigneter Verstärkung die zweite Zuführleitung F&sub2; zu versorgen.
Es sei angemerkt, daß die Empfangssignale von der zweiten Zuführleitung F&sub2; aus demselben Paar ZF-Bänder und 5 Mhz-Pilotbezugssignal besteht, wie im Sendeweg vorhanden ist. Der bidirektionale Verstärker, der mit dieser Zuführleitung verbunden ist, erzeugt gemäß Fig. 4 die erforderlichen ZF- Bandsignale und ist daher von den anderen Leitungsverstärkern abgesetzt. In der Praxis ist dieser Verstärker ähnlich der Anordnung von Fig. 4, enthält jedoch zusätzliche Schaltung ähnlich der ZF-Banderzeugungsanordnung von Fig. 3 zur Erzeugung der geeigneten ZF-Bänder für die Abwärtswandlung der HF-Signale von Funkeinheiten und die nachfolgende Aufwärtswandlung auf die ursprünglichen HF-Pegel, wie oben im Detail erläutert. Vorzugsweise sind die Mittenfrequenzen der ZF-Bänder von jenen im Sendeweg verschieden, um Interterenzprobleme zu vermeiden.
Die Empfangssignale von der F&sub2;-Leitung werden über einen Leistungsteiler 218 zu einem Satz aus drei Bandpaßfiltern 219, 220 und 222 geführt. Das erste Filter 219 ist ein schmalbandiges Bandpaßfilter mit einer Mittenfrequenz von 5 Mhz, um den 5 Mhz-Pilotträger aus den Empfangssignalen zu extrahieren. Das zweite Filter 220 hat eine Mittenfrequenz von 19 Mhz und eine effektive Bandbreite von 5 Mhz, um ein ZF-Band aus dem zusammengesetzten Empfangssignal zu separieren. Der Ausgang des Filters 220 wird dem einen Eingang eines Mischers 223 zugeführt, der an seinem anderen Eingang ein 67 Mhz-Überlagerersignal empfängt, das von einem Überlagereroszillator 225 aus einer 5 Mhz-Pilotwiedergewinnungsschaltung 225 abgeleitet wird. Der Ausgang des Mischers 223 enthält Summen- und Differenzfrequenzen aus den zwei Eingängen, von denen nur die Summenfrequenzen zurückgehalten werden, um die 80 Mhz-Empfängerfrequenzen abzugeben.
Das dritte Bandpaßfilter 222 hat eine Mittenfrequenz von 45 Mhz und eine effektive Bandbreite von 12 Mhz, um das verbleibende ZF-Band aus den zusammengesetzten Empfangssignalen zu separieren. Der Ausgang des Filters 222 ist dem einen Eingang eines Mischer 226 zugeführt, dem an seinem anderen Eingang ein 123,5 Mhz-Überlagerersignal zugeführt wird, das von einem Überlagereroszillator 227 aus der 5 Mhz-Pilotrückgewinnungsschaltung 225 abgeleitet wird Wieder haben die Mischerausgänge sowohl Summen- als auch Differenzfrequenzen, von denen nur die Summenfrequenzen zurückgehalten werden, um die 160 Mhz-Empfängerfrequenzen abzugeben.
In Fig. 5 werden die aufwärts umgesetzten HF-Frequenzen von der Zuführleitung F&sub2; mit den Empfängerfrequenzen von der Zuführleitung F&sub1; von einem Kombinierer 228 miteinander kombiniert und dann über einen Teiler 229 einem Kombinierer 231 zugeführt, der auch einen Eingang vom Ausgang des Mischers 226 erhält. Die kombinierten Signale werden einem Paar Bandpaßfilter 231 und 232 zugeführt, um das 169 Mhz-HF-Band abzutrennen. Das Bandpaßfilter 231 hat eine Mittenfrequenz von 160 Mhz und eine effektive Bandbreite von 2 Mhz, um das untere Ende des 160 Mhz-Bandes zu isolieren. Das andere Bandpaßfilter 232 hat eine Mittenfrequenz von 167 Mhz und eine Bandbreite von 2 Mhz, um das obere Ende des Bandes zu isolieren. Die beiden Bandpaßfilter 231 und 232 blenden somit den Satz der 164 Mhz-Sendefrequenzen aus, die von den zugehörigen Sendern am Kopplungspunkt für die F&sub1;-Zuführleitung einkoppeln
Die Empfangssignale vom Kombinierer 229 werden weiter mit den Ausgangssignalen vom Mischer 223 am Kombinierer 234 miteinander kombiniert. Anschließend wird ein Bandpaßfilter 235 mit einer Mittenfrequenz von 77 Mhz und einer effektiven Bandbreite von 5 Mhz dazu verwendet, das 80 Mhz-HF-Band vom zusammengesetzeten Empfangssignal zu separieren.
Die separierten Empfangssignale am Ausgang des Filters 235 werden über einen Multikoppler 236 jedem von drei 80 Mhz-Empfänger 237 zugeführt, die aus zwei Betriebsverstärkern und einem Ersatzverstärker bestehten. In gleicher Weise werden die gefilterten 160 Mhz-Signale vom Ausgang der Filter 231 und 232 über einen Multikoppler 238 jedem von 8 getrennten 160 Mhz-Empfänger 239 zugeführt, die aus Betriebsempfängern und 1 Reserveempfänger bestehen. Wie im Falle der Reservesender können der 160 Mhz-Reserveempfänger und der 80 Mhz-Reserveempfänger jeweils gesteuert geschaltet werden, um jede der Betriebsempfangsfrequenzen zu empfangen.
Es sei angemerkt, daß alle Audioausgänge der Empfänger über eine Schnittstelle mit dem seriellen Diversityabfrageschema verbunden werden können, das im Zusammenwirken mit der SCADA- Schnittstelle verwendet wird, um das regenerative Verstärkersystem, wie oben beschrieben, zu steuern. Jeder Verstärker kann auch bis zu 2 Rauschschwellen (typischerweise 29 dB und 40 dB aufweisen, die dazu verwendet werden können, die Abfrageschaltung zur Auswahl entweder des Übertage-Empfängers (außerhalb des Tunnelbereichs) oder eines Untertage-Empfängers (im Tunnelbereich) zu steuern.
Die obige Anordnung macht auch die Verwendung von Funksendern für Hauptoszillatorsynchronisierung für Simultanbetrieb mit dem Übertage-Kommunikationssystem möglich. In diesem Falle erhält man Sendeaudio aus den vorhandenen Verteilungsverstärkern, die Audio für das Übertagesystem bereitstellen. Die Ersatzsender- und -empfängereinheiten für die 80 Mhz- und 160 Mhz-HF-Bänder können gesteuert eingeschaltet werden, wenn irgendeine der Betriebseinheiten ausfällt. Alle Audio-, Steuer- und HF-Verbindungen können einfach auf den geeigneten Kanal mit einem einzigen Vorgang geschaltet werden.

Claims

1. Verfahren zur Signalregeneration in einem HF-Kommunikationssystem, das mehrere kaskadierte Verstärkerstufen (18) zum Verstärken von gesendeten und empfangenen Signalen enthält, die längs mehrerer Längenabschnitte (16) einer Übertragungsleitung angeordnet sind, enthaltend die Schritte:

Abwärtsumsetzen der gesendeten HF-Signale auf einen Zwischenfrequenzpegel unter Verwendung eines Pilotsignals in Kombination mit einem Überlagereroszillatorsignal;

Anlegen der abwärts gewandelten ZF-Signale in Kombination mit dem Pilotsignal an die Übertragungsleitungslängenabschnitte (16) an jeder der Verstärkerstufen (18), Empfangen und Aufwärtswandeln eines Teils der empfangenen ZF-Signale, um die ursprünglichen HF-Signale zu regenerieren unter Verwendung des Pilotsignals,

Verstärken eines weiteren Teils der ZF-Signale an jeder der Verstärkerstufen (18) auf einem gewünschten Niveau, Verstärken der regenerierten HF-Signale jeder der Verstärkerstufen (18) auf einem gewünschten Niveau und Anlegen der verstärkten regenerierten HF-Signale an die Längenabschnitte (18) der Übertragungsleitung an einem Ausgangsende der Verstärkerstufen (18), und

an jeder der Verstärkerstufen (18) Anlegen der verstärkten ZF-Signale und der Pilotsignale zur Regenerierung der HF- Signale an der nachfolgenden Verstärkerstufe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die HF-Signale zwischen wenigstens einer Basisstation (14) und wenigstens einer mobilen Kommunikationseinheit, die benachbart den Längenabschnitten (16) der Übertragungsleitung angeordnet ist, gesendet und empfangen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die übertragungsleitung ein strahlendes Kabel enthält, wodurch HF-Signal, die von der Basisstation (14) ausgesendet und an die übertragungsleitung angelegt werden, davon nach außen strahlen, um von den mobilen Kommunikationseinheiten empfangen zu werden, und wodurch Signale, die von den mobilen Einheiten ausgesendet werden, in die Längenabschnitte (16) der Übertragungsleitung eingekoppelt und zur Basisstation (14) übertragen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Verstärkerstufen (18) bidirektional sind, so daß sowohl Sende- als auch Empfangssignale verstärkt werden, und wobei die Emfpangssignale an jeder der Verstärkerstufen (18) ohne ZF-Umsetzung direkt verstärkt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Empfangssignale an der ersten der kaskadierten Verstärkerstufen (18) auf den Pegel derselben ZF-Signale abwärts gewandelt werden, die für die Sendesignale verwendet werden, indem das Pilotsignal verwendet wird;

die abwärts gewandelten ZF-Signale und das Pilotsignal zur Basisstation (14) übertragen werden; und

die ZF-Signale an der Basisstation (14) aufwärts gewandelt werden unter Verwendung des Pilotsignals, um die usrprünglichen HF-Empfangssignale von den mobilen Einheiten zu regenerieren.

6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Pilotsignal, das für die Abwärtswandlung und Regenerierung der HF-Sendesignale auch zusammen mit den ZF-Signalen dazu verwendet wird, jeglichen Ausfall der Verstärkerstufen (18) beim Verstärken der Sende- und Empfangssignale überwacht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Phase der regenerierten verstärkten Sendesignale an jeder der Verstärkerstufen (18) verschoben und zusammen mit den Empfangssignalen in der Empfangsrichtung verstärkt wird.

8. Zweiweg-Kommunikationssystem (10) zum Einrichten einer HF- Signalbedeckung innerhalb eines HF-blockierten Bereichs, wie beispielsweise innerhalb eines Tunnels, einer U-Bahn oder dergleichen, enthaltend:

wenigstens eine Basisstation (14) zum Senden und Empfangen von HF-Signale innerhalb oder außerhalb des HF-blockierten Bereichs;

wenigstens eine Funkeinheit, die innerhalb des HF-blockierten Bereichs angeordnet ist;

mehrere Längenabschnitte (18) strahlenden Kabels, die innerhalb des HF-blockierten Bereichs angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, Signale von der Basisstation (14) abzustrahlen, die sich durch sie längs fortpflanzen, um von einer Funkeinheit empfangen zu werden, die um das Kabel angeordnet ist, und um HF-Signale von einer solchen Funkeinheit zu empfangen und diese an die Basisstation (14) weiterzuleiten; und

mehrere Verstärkerstufen (18), die die strahlenden Kabellängenabschnitte (16) miteinander verbindden und dazu eingerichtet sind, sowohl die Sende- als auch die Empfangssignale zu verstärken;

wobei die Basisstation (14) Einrichtungen (22, 24, 26) zum Abwärtswandeln der gesendeten HF-Signale in ein Band von Zwischenfrequenz(ZF)-Signalen durch Verwendung eines Pilotsignals im Zusammenwirken mit einem Uberlagereroszillatorsignal enthält;

eine Einrichtung (34) zum Anlegen der abwärts gewandelten ZF-Signale in Kombination mit dem Pilotsignal an die strahlenden Kabellängenabschnitte (16) vorgesehen ist; wobei jede der Verstärkerstufen (18) enthält:

ein Ausgangsende, eine Einrichtung (40, 42, 44,46) zum Empfangen und Aufwärtswandeln eines Teils der HF-Signale zur Regenerierung der ursprünglichen HF-Signale unter Verwendung des Pilotsignals, eine Einrichtung (56, 59, 62, 64) zum Verstärken eines weiteren Abschnitts der ZF-Signale und der regenerierten HF-Signale auf einem gewünschten Niveau und zum Anlegen der verstärkten HF-Signale an den strahlenden Kabellängenabschnitt an einem Ausgangsende der Verstärkerstufe, und eine Einrichtung (34) zum Anlegen der verstärkten ZF-Signale und des Pilotsignals an den strahlenden Kabellängenabschnitt, damit die HF-Signale an jeder nachfolgenden Verstärkerstufe regeneriert werden können.

9 Kommunikationssystem (10) nach Anspruch 8, bei dem die Basisstation (14) mit den strahlenden Kabellängenabschnitten (16) in dem HF-blockierten Bereich mittels wenigstens eines Längenabschnitts (19) nicht-strahlenden Kabels verbunden ist.

10. Kommunikationssystem (10) nach Anspruch 9, bei dem eine der Verstärkerstufen (18), die dem nicht-strahlenden Kabellängenabschnitt (19) benachbart ist, der mit der Basisstation (14) verbunden ist, weiterhin eine Einrichtung zum Abwärtswandeln der Empfangssignale auf etwa dasselbe ZF- Band, das für die Sendesiganle verwendet wird, mittels des Pilotsignals und eine Einrichtung zum Anlegen der ZF-Signale und des Pilotsignals an den nicht-strahlenden Kabellängenabschnitt (19) zur Weiterleitung an die Basisstation (14) enthält; und

die Basisstation (14) weiterhin eine Einrichtung zum Verwenden des Pilotsignals zum Aufwärtswandeln der ZF-Signale für die Regenerierung der ursprünglichen Empfangssignale von den Funkeinheiten enthält.

11. Kommunikationssystem (10) nach Anspruch 8, bei dem das Pilotsiganl, das für die Abwärtswandlung und Regenerierung der HF-Sendesignale verwendet wird, auch im Zusammenwirken mit den ZF-Signalen zum Überwachen jeglichen Ausfalls der Verstärkerstuf en (18) beim Verstärken der Sende- und Empfangssignale verwendet wird.

12. Kommunikationssystem (10) nach Anspruch 10, bei dem die Verstärkerstufen (18) weiterhin Einrichtungen (104, 95) zum Verschieben der Phase eines Teils der regenerierten verstärkten Signale und zum Verstärken des phasenverschobenen Signals mit den Empfangssignalen in der Empfangsrichtung enthält.