DE9003588U1 - Vertically polarized receiving antenna arrangement - Google Patents

Description

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BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Die Erfindung bezieht si; auf eine vertikal polari si arte Empfangsantennenai. ., dnung s^näß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a vertically polarized receiving antenna according to the preamble of patent claim 1.

Als -ertikal polarisierte Empfangsantennen mit Rundstrahlcharakttristik in der horizontalen Ebene ins-As vertically polarized receiving antennas with omnidirectional characteristics in the horizontal plane in particular besondere zum i,<, <bilen Empfang von Rundfunksignalen werden üblicherweise stabförmige Monopole benutzt, welche eine elektrische Länge von einer Viertelwellenlänge oder einer 5/8-Wellenlänge aufweisen. Der Antennengewinn von stabförmigen Monopolen liegt beiEspecially for the reliable reception of radio signals, rod-shaped monopoles are usually used, which have an electrical length of a quarter wavelength or a 5/8 wavelength. The antenna gain of rod-shaped monopoles is Viertelwellenlängenantennen bei 0,39 db und bei 5/8-Wellenlängenantennen bei 3,3 db, bezogen gemäß CCIR-Definitionen auf den Semi-isotropen-Strahler.Quarter-wavelength antennas at 0.39 dB and 5/8-wavelength antennas at 3.3 dB, based on the semi-isotropic radiator according to CCIR definitions.

Da bei terrestrischen Empfang von Rundfunksignalen im allgemeinen eine ausreichende Empfangsfeldstärke vorliegt, läßt sich trotz der genahnten geringen Antennengewinne bei einem stabförmigen Monopol ein befriedigender mobiler Rundfunkempfang erzielen. Bei der Satellitenübertragung von Hörfunksignalen, wie dies künftig im Bereich zwischen 500 MHz undSince terrestrial reception of radio signals generally provides sufficient reception field strength, satisfactory mobile radio reception can be achieved despite the low antenna gains expected with a rod-shaped monopole. Satellite transmission of radio signals, as will be the case in the future in the range between 500 MHz and

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2 GHz vorgesehen ist, sind jedoch wegen der begrenzt=n Sendeleistung des Satelliten-Transponders mit im Vergleich zu terrestrischem Empfang wesentlich geringeren Empfangsfeldstärk^n zu rechnen, so daß die genannten geringen Antenr :.₍gewinne von stabförmigen Monopolen für einen befriedigenden Rundfunk-2 GHz, however, due to the limited transmission power of the satellite transponder, considerably lower reception field strengths are to be expected compared to terrestrial reception, so that the low antenna gains of rod-shaped monopoles mentioned above are _not sufficient for satisfactory broadcasting. empfang in vielen Fällen nicht ausreichend seinreception may not be sufficient in many cases werden. Da beim mobilen Empfang die Verwendung von Parabolantennen wegen deren Richtcharakteristik nicht möglich ist, sind Empfangsantennen mit einem größeren Gewinn als bei stabförmigen Monopolen wünschenswert.Since the use of parabolic antennas is not possible for mobile reception due to their directional characteristics, receiving antennas with a higher gain than rod-shaped monopoles are desirable.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine &bull;vertikal polarisierte Empfangsantennenanordnung zu schaffen, insbesondere für den mobilen Satelliten-Hörfunkempfang, welche eine gegenüber einem stabförmigen Monopol wesentlich höheren Antennengewinn auf weist und damit eine entsprechend erhöhte Empfangssicherheit gewährleistet.The object of the invention is therefore to create a vertically polarized receiving antenna arrangement, in particular for mobile satellite radio reception, which has a significantly higher antenna gain than a rod-shaped monopole and thus ensures a correspondingly increased reception reliability.

Diese Aufgabe wird erfindung&gemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the invention by the characterizing features of patent claim 1.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Empfangsantennenanordnung ist in dem Unteranspruch angegeben. 30An advantageous embodiment of the receiving antenna arrangement according to the invention is specified in the subclaim. 30

Die erfindungsgemäße Empfangscv.tennenanordnung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels erprobt und ihr horizontales Strahlungsdiagramm gemessen. Die Antennengewinne sowie das vertikale Strahlungsdiagramm wurden mathematisch ermittelt. Es ergaben sich folgende GewinneThe receiving antenna arrangement according to the invention was tested using an example and its horizontal radiation pattern was measured. The antenna gains and the vertical radiation pattern were determined mathematically. The following gains were obtained:

Viertelwellenlängen-Antennenanordnung: 5,3' db '.·/8-Wellenlängen-Antennenanordnung : 7,33 db.Quarter-wave antenna array: 5.3' db './ 8-wavelength antenna array: 7.33 db.

Damit liegen die erzielbaren Antennengewinne der erfindungsgemäßen Antennenanordnung deutlich über den eingangs genannten Antennengewinnen von stabförmigen Monopolen. Die horizontalen und vertikalen Strahlungsdiagramme der erfindungsgemäßen Empfangsantennenanordnung sind identisch mit denjenigen der entsprechenden Einzel-Monopolen. Die Unrundheit der Horizontaldiagramme bei der erfindungsgemäßen Empfangsantennenanordnung liegt unterhalb von 1 db.The achievable antenna gains of the antenna arrangement according to the invention are therefore significantly higher than the antenna gains of rod-shaped monopoles mentioned at the beginning. The horizontal and vertical radiation patterns of the receiving antenna arrangement according to the invention are identical to those of the corresponding individual monopoles. The out-of-roundness of the horizontal patterns in the receiving antenna arrangement according to the invention is below 1 dB.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail using an embodiment illustrated in the drawings. It shows:

Fig. 1 eine perspektivische DarstellungFig. 1 a perspective view

einer erfindungsgemäßen Empfangsantennenanordnung, unda receiving antenna arrangement according to the invention, and

Fig. 2 ein teils elektrisches, teilsFig. 2 a partly electric, partly

schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Empfangsantennenanordnung nach Fig. 1.schematic circuit diagram of the receiving antenna arrangement according to the invention according to Fig. 1.

Die in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Empfangsantennenanordnung umfaßt vier stabförmige Monopole 11, 12, 13, 14, von denen die Monopole 11, 12 und 13 an den Ecken und der Monopol 14 im Schwerpunkt eines gedachten, gleichseitigen Dreiecks so angeordnet sind, daß sämtliehe Monopole 11 bis 14 mit ihren LängsachsenThe receiving antenna arrangement designated 10 in Fig. 1 comprises four rod-shaped monopoles 11, 12, 13, 14, of which the monopoles 11, 12 and 13 are arranged at the corners and the monopole 14 is arranged at the center of gravity of an imaginary equilateral triangle in such a way that all monopoles 11 to 14 with their longitudinal axes

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parallel und in die gleiche Richtung orientiert sind. j..'parallel and oriented in the same direction. j..'

Das gedachte, gleichseitige Dreieck wird baulich durch 'f. The imaginary equilateral triangle is structurally represented by 'f.

eine Trägerplatte 15 aus Isoliermaterial gebildet, |a carrier plate 15 made of insulating material, |

welche mit ihrer leitenden Unterseite mit einem Erdnetz 16, beispielsweise in Form eines Kraftfahrzeugdaches, :which is connected with its conductive underside to an earth network 16, for example in the form of a motor vehicle roof:

leitend in Verbindung steht. Die Befestigung der Trägerplatte 15 auf dem Kraftfahrzeugdach kann beispielsweise über nicht dargestellte Magnet-Haftfüße erfolgen. Wesentlich ist, daß die Monopole 11, 12 unc' 13 an den Ecken Richtstrahler sind und daß der Monopol 14 im Schwerpunkt als gemeinsamer Reflektor dient. Infolge der parallelen, senkrechten Anordnung der Monopole 11 bis 14 ergibt sich eine vertikal polarisierte Empfangscharakteristik. Jeder Richtstrahler 11, 12, 13 bildet zusammen mit dem Reflektor 14 eine Zweileiter-Richtantenne, welche eine Richtstrahlcharakteristik in der horizontalen Ebene besitzt, welche die Form einer Kardiode (Herzform) besitzt. Aufgrund der identischen gegenseitigen Abstände zwischen den Monopolen 11 bis 14 ergibt sich eine symmetrische Antennenanordnung, bei welcher die drei einzelnen, herzförmigen Horizontaldiagramme zu einem kreisförmigen Horizontaldiagramm verschmelzen. Die herzförmigen horizontalen Richtdiagramme jedes einzelnen Richtstrahlers ist hierzu mit einem solchen Öffnungswinkel ausgelegt, daß je kardioides Richtdiagramm ein Kreissektor von 120° überdeckt wird· Damit ergibt sich aus den drei einzelnen, gerichteten Horizontaldiagrammen ein nahezu vollständiges Rundstrahldiagramm. Dies ist gerade für den mobilen Empfang von entscheidender Bedeutung, da ein Fahrzeug laufend seine Richtung bezüglich eines strahlenden Hörfunk-conductively connected. The carrier plate 15 can be attached to the vehicle roof, for example, using magnetic adhesive feet (not shown). It is important that the monopoles 11, 12 and 13 are directional antennas at the corners and that the monopole 14 serves as a common reflector at the center of gravity. The parallel, vertical arrangement of the monopoles 11 to 14 results in a vertically polarized reception characteristic. Each directional antenna 11, 12, 13 forms a two-wire directional antenna together with the reflector 14, which has a directional beam characteristic in the horizontal plane that has the shape of a cardiode (heart shape). Due to the identical mutual distances between the monopoles 11 to 14, a symmetrical antenna arrangement is obtained, in which the three individual, heart-shaped horizontal diagrams merge into a circular horizontal diagram. The heart-shaped horizontal directional diagrams of each individual directional antenna are designed with such an opening angle that each cardioid directional diagram covers a circular sector of 120°. This means that the three individual, directional horizontal diagrams result in an almost complete omnidirectional diagram. This is particularly important for mobile reception, as a vehicle must constantly change its direction in relation to a radio broadcast.

satelliten verändert und deshalb nur mit Hilfe einer : Antennenanordnung mit Rundstrahlcharakteristik einnnsatellites and can therefore only be used with the help of an : antenna arrangement with omnidirectional characteristics

Empfang gewährleistet. Da sich jedoch - wie dargelegt die Rundstrahlcharakteristik aus drei um jeweils 120° zueinander versetzten Einzel-Richtstrahlcharakte- \ ristiken zusammensetzt, ergeben sich hinsichtlich desReception is guaranteed. However, as explained above, the omnidirectional radiation pattern consists of three individual directional radiation patterns offset by 120° from each other,

&iacgr; Antennengewinns der erfindungsgemäßen Empfangsantennen- &iacgr; Antenna gain of the receiving antenna according to the invention

anordnung nahezu gleiche günstige Werte wie bei einem - für das Fahrzeug zunächst unbrauchbaren - Richtantennenempfang. In dieser Ausnutzung von Richtantennencharakteristika für den Rundstrahlempfang liegt der eigentliche Erfindungsgedanke.
15arrangement almost the same favorable values as with a directional antenna reception - which is initially unusable for the vehicle. The actual idea behind the invention lies in this use of directional antenna characteristics for omnidirectional reception.
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Die Empfangssignale der Monopole 11, 12, 13 werden, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist, einer Schaltungsanordnung 70 zugeführt, wo eine Wellenwiderstandsanpassung und eine Phasenbestimmung in drei getrennten Zweigen 30a, 30b, 30c (Fig. 2) erfolgen. Die drei Zweig· signale werden in einem Summierglied 50 summiert und einem Empfänger 60 als Eingangssignal zugeführt. Der Aufbau der Schaltungsanordnung 70 ist in Fig. 2 näher dargestellt.
25The received signals of the monopoles 11, 12, 13 are, as schematically indicated in Fig. 1, fed to a circuit arrangement 70, where a characteristic impedance adjustment and a phase determination take place in three separate branches 30a, 30b, 30c (Fig. 2). The three branch signals are summed in a summing element 50 and fed to a receiver 60 as an input signal. The structure of the circuit arrangement 70 is shown in more detail in Fig. 2.
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Die in Fig. 2 näher dargestellte Schaltungsanordnung 70 weist für jeden der drei Monopole 11, 12, 13 einen zugeordneten Schaltungszweig 30a bzw. 30b bzw. 30c auf, welcher vom Fußpunkt des betreffenden Mono-The circuit arrangement 70 shown in more detail in Fig. 2 has for each of the three monopoles 11, 12, 13 an associated circuit branch 30a or 30b or 30c, which extends from the base point of the relevant monopole

30 pols gespeist wird. Jeder Schaltungszweig 30a, 30b, 30c besteht aus der Hintereinanderschaltung eines Wellsnwiderstands-Anpaßgliedes 41 bzw. 42 bzw. 43 und30 pols. Each circuit branch 30a, 30b, 30c consists of a series connection of a Wellsn resistance adapter 41 or 42 or 43 and

eines Phasengliedes 31 bzw. 32 bzw. 33. In der Leitungsverbindung zwischen Anpaßglied z.B. 41 undof a phase element 31 or 32 or 33. In the line connection between matching element e.g. 41 and

Phasenglied z.B. 31 ist eine Spannunqsiinzapfung bzw. Auskopplungsstelle vorgesehen, welche zu dem zugeordneten Eingang 51 bzw. 52 bzw. 53 eines Summiergliedes 50 führt. Die Phasenglieder 31, 32, 33 der drei Schaltungszweige 30a, 30b, 30c führen zu einem gemeinsamen Wellenwiderstands-Anpaßglied 20, das seinerseits zum Fußpunkt des als Reflektor dienenden Monopols 14 führt.Phase element e.g. 31 is provided with a voltage tap or decoupling point, which leads to the associated input 51 or 52 or 53 of a summing element 50. The phase elements 31, 32, 33 of the three circuit branches 30a, 30b, 30c lead to a common characteristic impedance matching element 20, which in turn leads to the base point of the monopole 14 serving as a reflector.

Die Funktion der Anpaßglieder 41, 42, 43 einerseits und des Anpaßgliedes 20 andererseits besteht darin, die als Stromverzweigung aufzufassende Parallelschaltung der Schaltungszweige 30a, 30b, 30c an den gemeinsamen Verzweigungspunkt, der zum Reflektor 14 führt, hinsichtlich des Wellenwiderstandes anzupassen. Hierzu weisen die Anpaßglieder 41, 42, 43 beispielsweise je einen Wellenwiderstand von 180 0hm auf, während der Wellenwiderstand des Anpaßgliedes 20 einen Wert von 60 0hm besitzt. Dies bedeutet, daß am Eingang und Ausgang des Anpaßgliedes 20 derselbe Wellenwiderstand von 60 Ohm vorhanden ist.The function of the adapters 41, 42, 43 on the one hand and of the adapter 20 on the other hand is to adapt the parallel connection of the circuit branches 30a, 30b, 30c, which is to be understood as a current branch, to the common branching point that leads to the reflector 14 in terms of the characteristic impedance. For this purpose, the adapters 41, 42, 43 each have a characteristic impedance of 180 ohms, for example, while the characteristic impedance of the adapter 20 has a value of 60 ohms. This means that the same characteristic impedance of 60 ohms is present at the input and output of the adapter 20.

Als Anpaßglieder 20, 41, 42, 43 sind in Fig. 2 konzentrierte Schaltelemente aus je einer angezapften Induktivität und einer zwischen Anzapfpunkt und Masse liegenden Kapazität vorgesehen. Die Verwe &oacgr;·_;·9 konzentrierter Schaltelemente ist jedoch nur beispielhaft; selbstverständlich können auch gedruckte Schaltelemente (insbesondere bei sehr hohen Frequenzen) eingesetzt werden.As matching elements 20, 41, 42, 43 in Fig. 2, concentrated switching elements are provided, each consisting of a tapped inductance and a capacitance located between the tapping point and ground. The use of concentrated switching elements is only an example, however; printed switching elements can of course also be used (particularly at very high frequencies).

Als Phasenglieder 31, 32, 33 sind in Fig. 2 Umweg-The phase elements 31, 32, 33 shown in Fig. 2 are detour

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leitungen gleicher Länge vorgesehen, wobei die Umweglänge die Form des herzförmigen Horizontaldia-lines of equal length are provided, whereby the detour length takes the form of the heart-shaped horizontal grammes des zugeordneten Strahlers 11 bzw. 12 bzw. mitbestimmt. Es weiterer Parameter für die Bestimmung der Form der einzelnen Richtdiagramme ist dar Abstand zwischen den Monopolen 11 bis 14 (Seigram of the associated radiator 11 or 12 or. Another parameter for determining the shape of the individual directional diagrams is the distance between the monopoles 11 to 14 (see tenlänge des gedachten, gleichseitigen Dreiecks). Somit lassen sich durch Wahl unterschiedlicher Umweglängen und unterschiedlicher Monopolabstände auf einfache Weise eine große Anzahl verschiedener Richtdiagramme und damit eine Diagrammoptimierung der er-length of the imaginary equilateral triangle). Thus, by choosing different detour lengths and different monopole distances, a large number of different directional diagrams can be easily created and thus a diagram optimization of the first findungsgemäßen Empfangsantenne auf den jeweiligen Einsatzfall erzielen.inventive receiving antenna for the respective application.

Die elektrischen Längen der Monopole 11 bis 14 entsprechen einem Viertel oder 5/8-tel der Betriebs-The electrical lengths of monopoles 11 to 14 correspond to a quarter or 5/8th of the operating wellenlänge, wodurch sich beispielsweise fur eine Frequenz von ca. 800 MHz eine Monopol-Länge von etwa 7,5 cm ergibt. Der optimierte Monopol-Abstand bei dieser Betriebsfrequenz liegt bei etwa G cm, wodurch sich eine äußerst kleine und kompakte Bau-wavelength, which for example results in a monopole length of about 7.5 cm for a frequency of about 800 MHz. The optimized monopole distance at this operating frequency is about G cm, which results in an extremely small and compact construction. form der erfindungsgemäßen Empfangsantennenanordnung ergibt. Darüberhinaus kann aufgrund der kleinen Abmessungen der Empfangsantennenanordnung und des hohen Antennengewinns eine ebenfalls kleine, unauffällige Abdeckhaube über die Empfangsantennenanordnung gesetztform of the receiving antenna arrangement according to the invention. In addition, due to the small dimensions of the receiving antenna arrangement and the high antenna gain, a small, unobtrusive cover can be placed over the receiving antenna arrangement. werden, um diese gegen Witterungseinflüsee und Beschädigungen zu schützen. Eine derartige Abdeckhaube fügt sich ferner störungsfrei in das Fahrzeugdeeign ein, so daß die erfindungsgemäße Empfangsantennenanordnung nicht als unästhetischer Fremdkörper bei Montageto protect them against weather influences and damage. Such a cover also fits seamlessly into the vehicle design, so that the receiving antenna arrangement according to the invention does not appear as an unaesthetic foreign body during installation. am &Ggr;ahrzeugäußeren in Erscheinung tritt.appears on the exterior of the vehicle.

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In dem Summierglied werden die ausgekoppelten Teil Antennenspannungen aufaddiert und als Summensignal dem nachgeschalteten Empfänger 60 zugeführt. Als ?jfiifiiierglied kommen beliebige, bekannte Schaltur ,-in Betracht-, so daß bei der Darstellung in Fig. 2 für das Summiergiiec 50 lediglich ein Schaltungcblock gewählt wurde.In the summing element, the decoupled antenna voltages are added together and fed to the downstream receiver 60 as a sum signal. Any known circuit can be used as the summing element, so that in the illustration in Fig. 2, only one circuit block was selected for the summing element 50.

Es versteht sich, daß bei der erfindungsgemäßen Empfangsantennenanordnu^q nicht nur Monopole 11 bis 14, r-ondern auch nicht dargestellte Dipole vor gesehen werden können, welche spiegelbildlich zu und in Verlängerung der Monopole anzuordnen sind. Bei einer solchen symmetrischen Dipolanordnung ent fällt das Erdnetz 16.It is understood that in the receiving antenna arrangement according to the invention not only monopoles 11 to 14 but also dipoles (not shown) can be provided, which are arranged as a mirror image of and as an extension of the monopoles. With such a symmetrical dipole arrangement, the earth network 16 is omitted.

Claims (2)

INSTITUT FOR RUNDFUNKTECHNIK GMBH 8000 HONCHEN 45 REG. 800 vertikal polarisierte ehpfmngsantennekanordnung ANSPRÜCHEINSTITUT FOR RUNDFUNKTECHNIK GMBH 8000 HONCHEN 45 REG. 800 vertically polarized reception antenna arrangement CLAIMS 1. Vertikal polarisierte Empfangsantennenanordnung mit Rundstrahlcharakteristik, insbesondere für den mobilen Satelliten-Hörfunkempfang, mit wenigstens einem stabförmigen Monopol, gekennzeichnet durch vier Monopole (11, 12» 13, 14), welche an den Ecken und im Schwerpunkt eines gedachten gleichseitigen1. Vertically polarized receiving antenna arrangement with omnidirectional characteristics, in particular for mobile satellite radio reception, with at least one rod-shaped monopole, characterized by four monopoles (11, 12» 13, 14) which are arranged at the corners and in the center of gravity of an imaginary equilateral Dreiecks angeordnet sind, von denen die an den Ecken angeordneten Monopole (11, 12, 13) jeweils als Richtstrahler und der im Schwerpunkt angeordnete Monopol (14) als gemeinsamer Reflektor für die Richtstrahler dienen, und ferner durchtriangle, of which the monopoles (11, 12, 13) arranged at the corners each serve as directional radiators and the monopole (14) arranged at the center of gravity serves as a common reflector for the directional radiators, and further by eine Schaltungsanordnung (/0, 50) zur Wellenwiderstandsanpassung, Phasenbestimmung und
Signalsummation der von den Richtstrahlern
(11, 12, 13) empfangenen HF-SignLle.a circuit arrangement (/0, 50) for characteristic impedance adjustment, phase determination and
Signal summation of the directional antennas
(11, 12, 13) received RF signals. -2--2- 2. Empfangsantennnnanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 2. Receiving antenna arrangement according to claim 1, characterized in daß die Schaltungsanordnung (70, 50) für jeden Richtstrahler (11, 12, 13) einen aus einem Wellenwiderstands-Anpaßglied (41, 42, 43) und einem Phasenglied (31, 32, 33) bestehendenthat the circuit arrangement (70, 50) for each directional antenna (11, 12, 13) comprises a wave impedance matching element (41, 42, 43) and a phase element (31, 32, 33) in Schaltungszweig (30a bzw. 30b bzw. 30c) aufin circuit branch (30a or 30b or 30c) on weist, welcher zwischen dem betreffenden Richtstrahler (11 bzw. 12 bzw. 13) und einem für sämtliche drei Schaltungszweige (30a, 30b, 30c) gemeinsamen, zu dem Reflektor (14) führenden Wellenwiderstands-Anpaßglied (20) angeordnetwhich is arranged between the relevant directional antenna (11 or 12 or 13) and a characteristic impedance adapter (20) which is common to all three circuit branches (30a, 30b, 30c) and leads to the reflector (14) sind, und daß die Schaltungsanordnung (70, 50) ferner ein Summierglied (50) aufweist, welches von den drei Schaltungszweigen (30a, 30b, 3Uc) über jeweils einen zugeordneten Spannungsabgriff zwischen Phasenglied (z.B. 31) und Anpaßgliedand that the circuit arrangement (70, 50) further comprises a summing element (50) which from the three circuit branches (30a, 30b, 3Uc) via an associated voltage tap between the phase element (e.g. 31) and the matching element (z.B. 41) mit den Empfangssignalen gespeist wird.(e.g. 41) is fed with the received signals.