DE4219357A1 - Digitaler empfaenger fuer mehrere simulananwender und digitales empfangsverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen digitalen Empfänger für mehrere Simultananwender sowie ein digitales Empfangs­ verfahren für ein Radiofrequenz-Signal mit mehreren gewünschten Teilfrequenzbändern.

Die Erfindung betrifft damit digitale Radiofrequenzempfänger, also digitale Empfangssysteme und -methoden zum gleichzeitigen Versorgen mehrerer Anwender.

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 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 Kommunikations­ system 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. 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 07/2 93 894 von Stone et al. beschrieben. Während durch diese Patentanmeldung eine signifikante Reduzierung der Systemkomplexität und der Kosten durch Verwendung gemeinsamer digitaler Berechnung für die verschiedenen Servicebänder erreicht wird, kann das beschriebene System nur einen Anwender zur Zeit versorgen. Daher wären mehrere Empfänger erforderlich, um mehrere Simultananwender zu versorgen.

Ein anderer digitaler Empfänger ist in dem Artikel von Dieter Baecher in "Society of Automative Engineers Technical Paper Series", International Congress and Exposition, Detroit, Paper No. 8 61 039, 1986, Seiten 77-84 beschrieben. In diesem Artikel wird ein digitaler Empfänger mit Zwischenfrequenz-Abtastung (IF-Abtastung) anstatt mit Radiofrequenz-Abtastung (RF-Abtastung) diskutiert. Der Empfänger verarbeitet nur ein empfangenes Signal zur Zeit; mehrere IF-abgetastete digitale Empfänger wären nötig, um mehrere Signale zu verarbeiten.

Ein digitaler Empfänger, der bestimmte Arten von Mehrfachsignalen gleichzeitig handhaben kann, ist beschrieben in J. Ashjaee, "Ashtech XII GPS Receiver", IEEE International Position Location & Navigation Symposium, 28. November 1988. Dieses System ist jedoch nicht auf übliche Dienste wie FM, AM oder Mobilfunk anwendbar. Es ist für Systeme wie GPS entworfen, in denen alle Kanäle auf derselben Frequenz aber mit unterschiedlichen Codes versehen übertragen werden. Der Empfänger verarbeitet mehrere Signale durch Code-Multiplexing.

In dem US-Patent Nr. 48 84 265 von Schroeder et al. wird ein durch Frequenztrennung gemultiplextes Eingangssignal digitali­ siert. Die digitalisierten 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-Digitalfiltern gefiltert. Die ursprüngliche Modulationsinformation wird dann durch Analyse der Positionen von Vektoren in der komplexen Ebene zurückgewonnen, die durch die Real- und Imaginär-Werte repräsen­ tiert sind. Die Umsetzung wird vorzugsweise durch Multiplizieren der Eingangs-Abtastwerte mit digitalen Werten durchgeführt, welche Sinus- und Cosinuswerten 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 Verarbeitungsanforderungen zu reduzieren. Obwohl es eine Verbesserung im Aufbau digitaler Empfänger darstellt, löst das beschriebene System das Problem der Handhabung mehrfacher Simultananwender ebenfalls nicht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein digitales Empfangsverfahren und einen digitalen Empfänger zum Empfangen und Verarbeiten von Radiofrequenz-Signalen zu schaffen, das die Nachteile im Stand der Technik beseitigt. Es soll also ein Verfahren bzw. ein Empfänger geschaffen werden, bei dem mehrfacher gleichzeitiger Zugriff auf verschiedene Signal­ frequenzen innerhalb des gesamten Signales vorgesehen ist, und zwar entweder innerhalb eines gemeinsamen Servicebandes oder über verschiedene in der Frequenz voneinander getrennte Service­ bänder. Weiterhin ist ein relativ preiswerter Aufbau angestrebt, der zudem die mit den bekannten Systemen verbundenen Anforde­ rungen nach Mehrfachkapazitäten vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der digitale Empfänger für mehrere Simultananwender die folgenden Merkmale aufweist:

• - Mittel zum Digitalisieren eines Radiofrequenz-Eingangs­ signales,
• - Mittel zum digitalen Abstimmen auf eine Vielzahl von gewünschten Teilfrequenzbändern innerhalb des Eingangs­ signales, so daß die gewünschten Teilfrequenzbänder gegeneinander versetzt in einem ausgewählten Frequenzband liegen,
• - Mittel zum digitalen Isolieren des ausgewählten Frequenz­ bandes von dem restlichen Eingangssignal, und
• - Mittel zum digitalen Trennen, Demodulieren und Verarbeiten der gewünschten Teilfrequenzbänder in dem isolierten Frequenzband, um mehrere Ausgänge aus dem Empfänger bereitzustellen.

Ein digitales Empfangsverfahren für ein Radiofrequenz- Eingangssignal mit mehreren gewünschten Teilfrequenzbändern weist erfindungsgemäß die Schritte auf:

• - Digitalisieren des Radiofrequenz-Eingangssignales,
• - Durchführen von mehreren Frequenzumsetzungen des digitali­ sierten Radiofrequenz-Eingangssignales, um jedes der gewünschten Teilfrequenzbänder in getrennte Bereiche eines ausgewählten Frequenzbandes umzusetzen,
• - digitales Filtern des digitalisierten Radiofrequenz- Eingangssignales nach dem Frequenzumsetzen, um das Frequenz­ band zu isolieren, und
  digitales Trennen, Demodulieren und Verarbeiten der gewünschten Teilfrequenzbänder in dem isolierten Frequenz­ band, um mehrere Ausgänge aus dem Empfänger bereitzustellen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Ein empfangenes Radiofrequenzsignal wird digitalisiert und mittels digitaler Abstimmung mehreren Frequenz­ umsetzungen unterzogen, so daß jedes aus einer gewünschten Anzahl von Teilbändern in einen getrennten Bereich eines ausgewählten Frequenzbandes umgesetzt wird. Die Ergebnisse der Frequenz­ umsetzungen werden zu einem zusammengesetzten Signal innerhalb des ausgewählten Frequenzbandes kombiniert, welches durch ein Zwischenfrequenz-Filter isoliert wird. Die gewünschten Teil­ frequenzbänder werden dann digital getrennt, demoduliert und im Tonfrequenzbereich weiterverarbeitet (audioprozessiert), um mehrere Ausgänge aus dem einzigen Empfänger zu erzeugen.

Die Frequenzumsetzungen werden vorzugsweise durch Offset- Abstimmung auf die gewünschten Teilbänder auf einer Zeit- Multiplexbasis bewirkt, wobei die entstehenden gemultiplexten Signale durch Reduzierung der Datenrate kombiniert werden. Die Teilbänder können entweder durch Zeit-Multiplexing oder durch Abstimmung verschiedener Demodulatorschleifen auf die jeweiligen Teilbänder separiert werden. Wenn Zeit-Multiplexing angewendet wird, kann ein mehrfaches Filter mit begrenzter Impulsantwort (FIR) verwendet werden, das für jedes zu verarbeitende unter­ schiedliche Serviceband einen anderen Speicher für FIR-Filter­ koeffizienten aufweist. Die Verwendung von mehreren Demodulator­ schleifen ermöglicht die Teilband-Trennung und -Demodulation in einem einzigen Schritt, wobei für diesen Zweck phasenstarr verriegelte Kreise (PLL-Kreise) bevorzugt sind.

Das System liefert getrennte gleichzeitige Ausgänge mit einem eigenen Ausgang für jeden Anwender.

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 eine Frequenz-Auftragung eines typischen FM-Spektrums;

Fig. 2 eine Frequenz-Auftragung, welche die Lücken zwischen benachbarten FM-Stationen zeigt;

Fig. 3 eine Frequenz-Auftragung, welche die durch ein bei der vorliegenden Erfindung bevorzugtes digitales Zwischenfrequenz-Filter bewirkte Kanalisolation zeigt;

Fig. 4a und 4b Frequenz-Auftragungen, welche die Ergebnisse von Zeit- Multiplexing und Zwischenfrequenz-Filterung eines Radiofrequenz-Eingangssignales bei zwei verschiedenen gemischten Frequenzen F₁ und F₂ zeigen;

Fig. 5 eine Frequenz-Auftragung von zwei Teilfrequenzbändern F₁ und F₂, die von dem restlichen Radiofrequenz- Eingangssignal in Übereinstimmung mit der Erfindung isoliert sind;

Fig. 6 eine Frequenz-Auftragung von drei gewünschten Teil­ frequenzbändern bei F₁, F₂, und F₃, welche von einem Radiofrequenz-Eingangssignal isoliert sind;

Fig. 7 eine Frequenz-Auftragung eines gespiegelten FM- Spektrums;

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer in dem Empfänger aus Fig. 8 verwendeten Ausführungsform eines Teilband- Separators;

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines weiteren Teilband-Separa­ tors, der eine Demodulatorfunktion beinhaltet; und

Fig. 11 eine Frequenz-Auftragung, welche die Anwendung der Erfindung auf gleichzeitigen AM- und FM-Empfang zeigt.

Während die Erfindung auf zahlreiche unterschiedliche Arten von Radiofrequenz-Diensten anwendbar ist, wird sie nachstehend überwiegend im Zusammenhang mit FM-Empfang erläutert. Die Erfindung kann jedoch ebenfalls für andere Dienste als solche oder für die Kombination verschiedener Typen von Diensten mit mehrfachem Simultanempfang verwendet werden.

Fig. 1 zeigt eine Frequenz-Auftragung von drei gewünschten Stations-Teilbändern, die innerhalb eines typischen FM-Spektrums um Frequenzen F₁, F₂ und F₃ angeordnet sind. Frequenzmodulation verwendet ein Sendeband von 87,9-107,9 MHz mit 200 KHz Band­ breiten für die Stationsteilbänder und 400 KHz Abstand zwischen den Stationen. Benachbarte Stationsbereiche sind voneinander durch Frequenzlücken getrennt. Wenn eine zugeordnete Stations­ frequenz in einem bestimmten Gebiet nicht von einer tätigen Station besetzt ist, gibt es zwischen den Stationen auf der jeweiligen Seite eine zusätzliche Lücke. Solche zusätzlichen Lücken sind rechts von den Frequenzen F₁ und F₃ sowie links von F₂ dargestellt. Die Situation ist in Fig. 2 vergrößert darge­ stellt, wobei drei aktive Stationsteilbänder 2, 4 und 6 über der Frequenz aufgetragen sind. Die Maximalamplitude jeder Station belegt etwa 150 KHz, während die Bandbreite an ihren Basen jeweils 200 KHz beträgt. Die Stationen 2 und 4 belegen unmittel­ bar benachbarte Stationsbereiche, während die Stationen 4 und 6 durch einen zwischenliegenden unbesetzten Stationsbereich voneinander getrennt sind. Damit gibt es ein ungenutztes Band von ungefähr 200 KHz zwischen den Stationen 2 und 4 sowie ein ungenutztes Band von ungefähr 600 KHz zwischen den Stationen 4 und 6. Die Erfindung macht Gebrauch von diesen leeren Bändern, um für einen mehrfachen gleichzeitigen Empfangsdienst von verschiedenen Frequenzen zu sorgen.

Mit der Hilfe dieser ungenutzten Bänder gruppiert die Erfindung verschiedene gewünschte Stations-Teilbänder zusammen, isoliert sie von dem restlichen Radiofrequenz-Eingangssignal, separiert die isolierten Stationssignale, demoduliert sie und führt eine Weiterverarbeitung im Tonfrequenzbereich durch, so daß sie für mehrere Anwenderdienste verfügbar sind. Der bevorzugte Weg zum Erzielen der gewünschten Teilband-Gruppierung und -Isolierung verwendet eine Modifikation eines digitalen Zwischenfrequenz- Empfängers, wie er in Zusammenhang mit einem Einzelstations­ empfänger in der obenerwähnten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/2 93 894 von Stone offenbart ist. Gemäß dieser Anmeldung spricht ein komplexer digitaler Mischer auf ein empfangenes digitales Radiofrequenz-Eingangssignal an, um ein gewünschtes Stations-Teilband auszugeben, das um die Null- Frequenz angeordnet ist. Dieser Ausgang wird von einem digitalen Tiefpaßfilter weiterverarbeitet, welches die gewünschten gefilterten Teilbänder isoliert. Ein mit dem gefilterten Teilband beaufschlagter komplexer digitaler Mischer setzt dann den ausgewählten Kanal auf eine vorbestimmte Zwischenfrequenz um.

Die Ergebnisse dieses Filtervorganges sind in Fig. 3 dargestellt. Eine FM-Station 8 ist mit schraffierten Linien dargestellt, während die durch das Zwischenfrequenz-Filter bewirkte Kanal­ isolation durch eine Hüllkurve 10 angedeutet ist, welche das Teilband 8 von dem Rest des empfangenen Signales trennt.

Die Erfindung macht Gebrauch von diesem Filtertyp, um nicht ein sondern mehrere gewünschte Teilfrequenzbänder zu isolieren. Dies wird vorzugsweise auf einer Zeit-Multiplex-Basis bewirkt, wobei die verschiedenen Teilbänder anfänglich voneinander in der Zeit getrennt sind, aber die Erfindung könnte genauso gut durchgeführt werden, indem parallele Stationsisolationspfade vorgesehen werden, wobei jeder Pfad einem bestimmten gewünschten Teilband zugeordnet ist. Obwohl die in der obengenannten US- Patentanmeldung 07/2 93 894 von Stone offenbarte Technik bevorzugt wird, können auch andere Wege zum Gruppieren gewünschter Teilbänder und zu deren Isolation von dem Rest des empfangenen Signals gegangen werden.

Die Fig. 4a und 4b illustrieren den gegenwärtigen Zeit- Multiplexing-Ansatz zum Gruppieren und Isolieren gewünschter Stationsteilbänder; diese Teilbänder werden in der Regel ursprünglich voneinander getrennt in verschiedenen Bereichen des FM-Spektrums vorliegen. Zu einem ersten Zeitpunkt t₁ wird der Empfänger auf das um F₁ zentrierte erste gewünschte Teilband abgestimmt. Dies bewirkt, daß das empfangene Signal in der Frequenz umgesetzt wird, so daß F₁ um Null zentriert wird. Nach dem Filtern ist dieses Teilband von dem Rest des empfangenen Signals durch eine Isolationshüllkurve I₁ (Fig. 4a) isoliert. In dem nächsten Zeitpunkt t₂ ist der Empfänger auf F₂ abgestimmt. Hierdurch wird das empfangene Signal so umgesetzt, daß F₂ und dessen Teilband um Null zentriert sind; nach dem Filtern sind diese Frequenzen von dem Rest des Signales durch eine Isolations­ hüllkurve I₂ (Fig. 4b) isoliert. Sind mehr Teilbänder gewünscht, so wird das System jeweils auf deren Mittenfrequenzen abgestimmt, wenn der Multiplexing-Vorgang weitergeht. Andernfalls erfolgt die Abstimmung oszillierend zwischen den Frequenzen F₁ und F₂.

Wenn die beiden isolierten Teilbänder um F₁ und F₂ einander überlagert werden, werden sie überlappen und interferieren. Es wird nun angenommen, daß das System nicht unmittelbar auf F₁ und F₂ sondern auf die entgegengesetzten Kanten ihrer entspre­ chenden Teilbänder (F₁-100 KHz und F₂+100 KHz) abgestimmt wird. Hierdurch wird F₁ auf +100 KHz und F₂ auf -100 KHz umgesetzt. Wenn die Teilbänder dann kombiniert werden, erscheinen sie wie in Fig. 5 dargestellt, das F₁-Teilband befindet sich unmittelbar rechts von Null und das F₂-Teilband unmittelbar links davon. Durch derartige Abstimmung des Zwischenfrequenz-Filters, daß es eine Isolationshüllkurve I_1,2 erzeugt, welche 400 KHz umfaßt, können die F₁- und F₂-Teilbänder von anderen Stationen 12 in dem Eingangssignal isoliert werden. Auf dieser Theorie basiert die vorliegende Erfindung. Im Ergebnis wird die Station F₁ in ein ungenütztes Band neben der Station F₂ umgesetzt und umgekehrt.

Dieses Konzept kann auf drei Stationen ausgedehnt werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. In dieser Konfiguration sind drei gewünschte Stationen, die um die jeweiligen Mittenfrequenzen F₁, F₂ und F₃ angeordnet sind, in getrennte Abschnitte einer gemeinsamen Isolationshüllkurve I_1,2,3 umgesetzt. Diese Isolations­ charakteristik wird durch ein dreifach breites Zwischenfrequenz- Filter erreicht. Der digitale Mixer wird über Zeit-Multiplexing so abgestimmt, daß F₁ auf Null, F₂ auf -200 KHz und F₃ auf +200 KHz gemischt wird.

Diese Drei-Stationen-Technik ist nur möglich, wenn es eine doppelte Lücke (freien Stationsbereich) neben jeder der beiden Stationen gibt, welche in die äußeren Bereiche der Isolations­ hüllkurve umgesetzt werden. Die doppelte Lücke kann jedoch auf jeder Seite der beiden Stationen liegen. Wenn beide Lücken auf derselben Seite liegen, kann die gespiegelte Station so gemischt werden, daß die Lücke umgesetzt wird. Eine Auftragung eines negativen FM-Spiegelfrequenzspektrums, welches das Spiegelbild des positiven FM-Frequenzspektrums aus Fig. 1 ist, mit den Lücken auf den gegenüberliegenden Seiten des in Fig. 1 gezeigten positiven Bildes, ist in Fig. 7 wiedergegeben.

Eine absolute doppelte Lücke ist für das dreifache Signalmischen nicht erforderlich. Es reicht aus, wenn die Leistung einer Station neben der gewünschten Station ungefähr 6-10 dB geringer ist als die der gewünschten Station. Wie durch das FM-Fang­ verhältnis bestimmt, wird der FM-Demodulator die Signale mit geringer Leistung größtenteils abschwächen, so daß sie im Ergebnis vernachlässigt werden können. Lücken an gewünschten Frequenzstellen können im Ergebnis dadurch "erzeugt" werden, daß das gesamte FM-Band abgeschwächt wird, so daß die schwache Station an der gewünschten Lücken-Stelle von dem FM-Fang­ verhältnis erfaßt wird. Im digitalen Bereich wird die Abschwä­ chung dadurch bewirkt, daß die digitalen Bits der jeweiligen Station zu niederwertigen Bitstellen verschoben werden. Diese Abschwächungstechnik ist auf FM und digitale Modulationsdienste anwendbar, aber nicht auf AM.

Ein bevorzugtes System zur Ausübung der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Eine Antenne 14 empfängt die Radiofrequenz- Rundfunksignale; diese kann als Ansammlung von getrennten Antennen ausgelegt sein, wenn der gleichzeitige Mehrfachempfang von verschiedenen Servicebändern gewünscht ist. Die empfangenen Radiofrequenz-Signale werden durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 16 in digitales Format konvertiert. Die von AM, FM und Zellularradio überstrichene volle Bandbreite (0,540-895 MHz) ist im allgemeinen zu groß, um von einem einzelnen Analog- Digital-Wandler gegenwärtiger Bauart verarbeitet zu werden. In einer parallelen Anmeldung mit dem Titel "digitale Multiband- Empfangsvorrichtung und digitales Multiband-Empfangsverfahren mit Bandbreitenreduktion" (entsprechend der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 7 14 494) ist jedoch eine Umsetzung der Servicebänder vorgeschlagen, so daß sie benachbarte Abschnitte des Spektrums einnehmen. Wenn die in der erwähnten parallelen Patentanmeldung vorgeschlagene Serviceband-Umsetzungstechnik verwendet wird, kann für alle drei Servicebänder ein einziger Analog-Digital-Wandler verwendet werden. Anderenfalls kann für jedes Serviceband ein getrennter Analog-Digital-Wandler vor­ gesehen werden.

Die Abtastrate der Analog-Digital-Wandler hängt davon ab, ob

• a) Basisband- oder Durchlaßband-Abtastung verwendet wird, sowie
• b) von der Bandbreite der Signalinformation und/oder der maximalen Signalfrequenz und schließlich
• c) von dem Aliasing- Bild-Bereich.

Basisband-Abtastung erfordert eine Abtastrate, die wenigstens zweimal so hoch ist wie die höchste Augenblicks­ frequenz, die in dem abzutastenden Signal enthalten ist. Bandpaß- Abtastung erlaubt eine Abtastrate, welche geringer ist als die Frequenz der unteren Bandkante, so lange die Abtastrate wenig­ stens zweimal so groß ist wie die Bandbreite des Radiofrequenz- Signales. Weitere Informationen über bevorzugte Abtastraten sind in der parallelen Anmeldung von Stone et al. zu finden.

Multiuser-Stationswahl wird durch eine Mehrfach-Simultan- Abstimmeinrichtung ermöglicht, welche aus einem modifizierten programmierbaren unmittelbaren digitalen Frequenzsynthesizer besteht. Die Abstimmeinrichtung (der Tuner) liefert Misch­ frequenzsignale auf einer Zeit-Multiplex-Basis zu einem komplexen Multiplizierer 18, wo sie mit dem digitalisierten Signal von dem Analog-Digital-Wandler 16 gemischt werden, um das Signal­ spektrum wie in Zusammenhang mit den Fig. 4a-5 beschrieben umzusetzen. Der Tuner umfaßt Stationswahleinrichtungen 20a, 20b für jeden Anwender, um seine oder ihre gewünschte AM- oder FM-Station auszuwählen; eine Stationswahl kann auch auf einen anderen Dienst, wie zum Beispiel Mobilfunk, gerichtet sein. Für jeden unterschiedlichen Anwender ist eine eigene Stationswahl vorgesehen; ein Mechanismus für zwei Anwender ist in Fig. 8 dargestellt.

Die ausgewählten Stations-Teilbänder werden durch digitale Offset-Generatoren 22a und 22b gegenüber ihrer Mittenfrequenzen versetzt, wie dies in Fig. 5 illustriert ist. Wenn mehr als zwei Stationen gleichzeitig gewünscht sind, wird zunächst durch Hochgeschwindigkeitsabtastung über der FM-Bandbreite mit einem Abtaster 24 eine Lücke lokalisiert, die groß genug ist, um die gewünschte Anzahl von ausgewählten Stationen aufzunehmen. Die ausgewählten Teilband-Frequenzen werden dann, bezogen auf die Mitte der lokalisierten Lücke, versetzt oder verschoben. Wenn nur zwei gleichzeitige Stationen gewünscht werden, kann die Kante einer der beiden als die Mittenmischfrequenz verwendet werden, weil auf jeder Seite einer Station wenigstens eine einzige Frequenzlücke vorhanden ist.

Für jede ausgewählte Station sind jeweilige Phaseninkrementoren 26a, 26b als Zwischenspeicher eingerichtet und erzeugen eine Treppenfunktion von Phasenwerten, welche eine Rampe approxi­ mieren, und zwar bei Frequenzen, die bestimmt sind durch die anwendbaren Phaseninkremente der offset-ausgewählten Stations­ frequenzen. Um Kohärenz zwischen den verschiedenen Frequenzen zu bewahren, wird die Phasenakkumulation für jede einzelne in einem getrennten Zwischenspeicher durchgeführt. Die Register und Zwischenspeicher für die Phaseninkremente erfordern jedoch nur einen geringen zusätzlichen Schaltungsaufwand.

Die Ausgänge der Phaseninkrement-Zwischenspeicher 26a, 26b werden durch einen Multiplexer 28 in der Zeit gemultiplext, was die Signale auf einer einzelnen Leitung in der Zeit verschachtelt. Der Ausgang des Multiplexers 28 wird einem Sinus/Kosinus- Lesespeicher (ROM) 30 zugeführt, der eine Codierung speichert, welche die in den Zwischenspeichern 26a, 26b akkumulierten Werte in digitalisierte Sinus- und Kosinus-Ausgangswerte übersetzt, welche die Real- und Imaginärkomponenten der digitalen syntheti­ sierten Frequenz darstellen. Die Ausgangs-Sinuswellen haben vorzugsweise eine Genauigkeit von ungefähr 14 Bit, was ungefähr 216 Eintragungen in dem Lesespeicher erfordert. Die abgetasteten digitalen Sinus- und Kosinus-Ausgangswerte haben dieselben Frequenzen wie die Offset-Trägerfrequenzen der abzustimmenden ausgewählten Stationen. Der Lesespeicher mit der Sinus/Kosinus- Nachschlagtabelle ist bei einer höheren Frequenz getaktet als die Phaseninkrementoren, um mehrere Frequenzwörter zu generieren. Werden beispielsweise zwei Phaseninkrementoren verwendet, die jeweils mit einer Rate von 10 MHz getaktet werden, so beträgt die Abtastrate, mit welcher der Sinus/Kosinus-Lesespeicher 30 adressiert wird, 20 MHz.

Der Ausgang des Sinus/Kosinus-Lesespeichers 30 wird dem komplexen Multiplizierer 18 zugeführt, wo er mit dem digitalisierten Eingangssignal von dem Analog-Digital-Wandler 16 gemischt wird. Hierbei wird komplexes Mischen verwendet, weil dies es erlaubt, das gesamte Spektrum in eine Richtung zu verschieben, was einen Unterschied zu dem "Real-Mischen" (d. h. wo nur eine Multipli­ kation verwendet wird) ausmacht, welches zu Störungen hervor­ rufenden überlappenden Bildern führen kann. Bekanntermaßen erzeugt reales Mischen vier Bilder der ursprünglichen positiven und negativen Spektralbilder.

Die in der Zeit gemultiplexten komplexen Ausgänge des komplexen digitalen Mischers (Multiplizierers) 18 werden in einem Dezi­ mierer 32 zu einem zusammengesetzten Signal kombiniert, wobei der Dezimierer oder Reduzierer 32 die Datenrate um einen Faktor reduziert, welcher der Anzahl von unterschiedlichen, gleichzeitig ausgewählten Stationen entspricht. In dem vorliegenden Beispiel mit zwei gleichzeitigen Stationen reduziert der Dezimierer 32 die Datenrate im Verhältnis 2:1.

Das zusammengesetzte Signal wird dann in einem digitalen Tiefpaßfilter 34 verarbeitet, das vorzugsweise von dem in der Stone et al. Patentanmeldung beschriebenen Typ ist. Der Ausgang dieses Filters entspricht dem in Fig. 5 gezeigten isolierten Zwischenfrequenzsignal, in welchem nur die gewünschten Stations- Teilbänder innerhalb der Isolationshüllkurve I_1,2 vorzufinden sind. Die beiden Stations-Teilbänder werden dann in einem Signalseparator 36 getrennt. Eine Anzahl verschiedener Ausfüh­ rungen dieser Funktion können verwendet werden und werden weiter unten ausführlich diskutiert.

Die separierten Stations-Teilbänder werden dann demoduliert und im Tonfrequenzbereich weiterverarbeitet. Vorzugsweise wird ein einziger digitaler Signalprozessor (DSP) für alle Stationen verwendet. Der Signalprozessor TMS320C30 von Texas Instruments ist für diese Zwecke geeignet. Die für die FM-Demodulation und die Verarbeitung im Tonfrequenzbereich (einschließlich Stereo­ decodierung) verwendete Signalprozessor-Software erfordert weniger als 10 000 000 Befehle pro Sekunde (MIPS), wobei der TMS320C30 DSP ungefähr 33 MIPS ausführen kann. Es können also bis zu drei getrennte Stationen gemeinsam verarbeitet werden.

Das digitale Verarbeitungssystem stromabwärts von dem Signal­ separator 36 besteht aus digitalen Demodulatoren 38a, 38b, welche die Trägersignale von ihren entsprechenden dezimierten Eingängen entfernen, aus Stereodecodern 40a, 40b, welche für jede getrennte Station das linke und das rechte Stereosignal trennen, aus digitalen Audioprozessoren 42a, 42b, welche die Signale mit Funktionen wie Klangkontrolle, Volumenkontrolle, etc. versehen, sowie aus Digital-Analog-Wandlern (DAC) 44a, 44b, welche die prozessierten digitalen Signale in analoge Form konvertieren; die Digital-Analog-Wandler können als Teil der Audioprozessor- Funktion angesehen werden. Nach entsprechender Verstärkung (nicht gezeigt) werden die Analogsignale weitergeleitet, um entspre­ chende Lautsprecher 46a, 46b oder andere gewünschte Ausgabegeräte zu betreiben.

Die Funktionen digitale Demodulation, Stereodecodierung und Audioprozessierung sind für einen einzelnen Kanal üblich und zum Beispiel in dem eingangs erwähnten Artikel von Dieter Baecher diskutiert. Durch zeitliches Verschachteln seines Durchsatzes (Time-Sharing-Betrieb) arbeitet der programmierbare DSP unab­ hängig auf dem Datenstrom für jede ausgewählte Station. Auf diese Weise kann ein einziger Prozessor verwendet werden, um gleichzeitig eine Anzahl von bestimmten Stationen zu demodu­ lieren, decodieren und im Tonfrequenzbereich zu prozessieren. Wenn die mehreren Signalpfade in dem programmierbaren DSP zu verschiedenen Servicebändern gehören, sind für jedes Band unterschiedliche Demodulationsalgorithmen erforderlich. Wenn nur ein einziges Serviceband empfangen wird, so wie das FM-Band, kann ein gemeinsamer Algorithmus für jede ausgewählte Station verwendet werden.

Fig. 9 illustriert einen Ansatz zum Implementieren der Signal- Trenn-Funktion 36. Der Zwischenfrequenz-Ausgang des Filters 34 wird einem komplexen Multiplizierer 48 zugeführt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die endgültige Stationstrennung erreicht durch Abstimmung auf jede der vielen Stationen und durch Bilden eines Kanal-Isolationsfilters. Abstimmung wird durch Zeit- Multiplexing in einer Art ähnlich zu der Abstimmung erzielt, die anfangs verwendet wird, um die ausgewählten Stations- Teilbänder als Eingang für das Zwischenfrequenz-Filter 34 aus Fig. 8 herzurichten. Die Ausgänge von Phaseninkrementoren 50a, 50b, welche auf die gewünschten Stations-Teilbänder eingestellt sind, werden durch einen Multiplexer 52 in der Zeit gemultiplext und verwendet, um entsprechende zeitgemultiplexte digitale Abstimmungssignale aus einem Sinus/Kosinus-Lesespeicher 54 zu generieren. Diese Signale werden dann in dem komplexen Multi­ plizierer 48 mit dem Eingangs-Zwischenfrequenzsignal gemischt.

Der komplexe Ausgang des komplexen digitalen Mischers (Multi­ plizierers) 48 wird einem anderen komplexen Multiplizierer 56 zugeführt, welcher Teil eines FIR-Filters ist. Dieses Filter dient als Bandpaßfilter für jedes der gemultiplexten Service­ bänder. Separate FIR-Lesespeicher 58a, 58b speichern FIR- Koeffizienten für jedes getrennte Serviceband. Wenn nur ein einziges Serviceband verwendet wird, wie wenn alle Anwender auf verschiedene FM-Stationen abgestimmt sind, ist nur ein einziger FIR-Lesespeicher mit FM-Koeffizienten erforderlich. Die Anzahl der Koeffizienten pro Lesespeicher wird entsprechend der ursprünglichen Abtastrate in der End-Datenrate variieren, aber in der Regel in dem Bereich von ungefähr 20-200 liegen.

Die FIR-Lesespeicher werden in einer Zeit-Multiplex-Weise von einem Multiplexer 60 adressiert. Die digitalen Zwischenfrequenz­ signale werden in dem komplexen Multiplizierer 56 mit den FIR- Lesespeicher-Koeffizienten multipliziert. Die Ergebnisse dieser Multiplikation werden mittels eines Demultiplexers 62 in getrennte Datenströme für jede ausgewählte Station getrennt und entsprechenden Zwischenspeichern 64a, 64b für jede aus­ gewählte Station zugeführt. Jedes aufeinanderfolgende Eingang­ sdatum zu dem komplexen Multiplizierer 56 wird mit einem aufeinanderfolgenden Koeffizienten für sein entsprechendes Serviceband multipliziert, wobei die Zwischenspeicher 64a, 64b für jede ausgewählte Station die Multiplikationsergebnisse für das entsprechende Eingangssignal aufaddieren. Bezogen auf die Abtastrate ihrer Zwischenfrequenz-Eingangssignale ist der Datenratenausgang der Akkumulatoren so um einen Faktor reduziert, welcher der Anzahl der FIR-Koeffizienten entspricht. Die Akkumulatorenausgänge repräsentieren die getrennten Signale für die ausgewählten Stationen, welche dann der Demodulation zugeführt werden.

Die Signalabtastrate an dem Ausgang des Zwischenfrequenz-Filters 34 wird gegenüber der von dem Radiofrequenzeingang um einen Faktor in der Größenordnung von 1000:1 reduziert, was zu einer Zwischenfrequenz-Abtastrate führt, die in der Regel ungefähr einige hundert KHz beträgt. Bei dieser relativ niedrigen Abtastrate ist es möglich, den Tuner/Filter aus Fig. 9 in Software zu implementieren.

Ein alternativer Ansatz zur Signalseparation, welcher die Signalseparation mit der Demodulation kombiniert, ist in Fig. 10 gezeigt. Dieses System verwendet eine digitale phasenstarr verriegelte (PLL-) Schleife, wobei die Schleifenbandbreite sowohl zur Kanalisolation als auch zur Demodulation verwendet wird. Digitale tangens-verriegelte Schleifen könnten statt phasenstarr verriegelter Schleifen verwendet werden. Das in Fig. 10 gezeigte System ist nur für FM-Dienste anwendbar. Wenn andere Service­ bänder gleichzeitig verarbeitet werden, würden sie getrennte Demodulatoren verlangen.

Eine separate Schleife ist vorgesehen, um jedes Teilband einer ausgewählten FM-Station zu separieren und demodulieren. Die erste Schleife umfaßt einen numerisch kontrollierten Oszillator 66a, welcher auf die Frequenz der ersten ausgewählten Station eingestellt ist. Der numerisch kontrollierte Oszillator 66a umfaßt einen Phaseninkrementor 68a und einen Sinus/Kosinus- Lesespeicher 70a, dessen Ausgang in einem komplexen Multi­ plizierer 72a mit dem Zwischenfrequenz-Eingangssignal multi­ pliziert wird. Das resultierende Signal der ausgewählten Station wird dann in einem FIR-Filter 74a weiterverarbeitet. Dieses Filter umfaßt einen FIR-Lesespeicher 76a, welcher FM-Koeffi­ zienten enthält, einen komplexen Multiplizierer 78a, welcher die Stationssignale von dem numerisch kontrollierten Oszillator mit den FIR-Lesespeicher-Koeffizienten multipliziert, sowie einen Zwischenspeicher 80a, welcher die Ergebnisse der Multi­ plikation akkumuliert. Der demodulierte Stationsausgang des Zwischenspeichers 80a kann direkt dem Stereodecoder 40a (Fig. 8) zugeführt werden.

Wie bereits erwähnt, ist im Falle von zwei gleichzeitig ausge­ wählten Stationen das Stationseingangssignal zu dem phasenstarr verriegelten Kreis um 100 KHz versetzt. Wenn drei Stationen gleichzeitig ausgewählt sind, betragen die entsprechenden Offset- Werte +200 KHz, -200 KHz und null. Durch einen Addierer 82a wird eine kompensierende Offset-Frequenz eingeführt, wobei der Addierer 62a den Ausgang des Zwischenspeichers 80a empfängt und diesen zusammen mit der addierten kompensierenden Offset- Frequenz zu dem Phaseninkrementor 68a des numerisch kontrol­ lierten Oszillators 66a liefert.

Eine ähnliche phasenstarr verriegelte Schleife ist für jede zusätzliche Station vorgesehen, für die gleichzeitiger Empfang gewünscht ist. Eine derartige zweite Schleife ist in Fig. 10 angedeutet. Um die Elemente zu identifizieren, welche dieselben sind, wie in der ersten Schleife, sind gleiche Bezugszeichen verwendet, allerdings mit dem Zusatz "b". In der zweiten Schleife ist der 100-KHz-Offset negativ zu dem Offset aus der ersten Schleife. Wie bei dem Tuner/Filter-Ansatz aus Fig. 9 erlaubt die relativ niedrige Zwischenfrequenz-Datenrate es auch hier, den Separator/Demodulator aus Fig. 10 vollständig in Software zu implementieren.

Falls gleichzeitig AM- und FM-Empfang gewünscht wird, ist ein getrennter AM-Demodulator erforderlich. AM-Stationen sind viel dichter längs des Radiofrequenz-Spektrums angeordnet als FM- Stationen. Dies kann zu der in Fig. 11 dargestellten Situation führen, bei welcher eine gewünschte FM-Station 84 auf die rechte Seite eines von einem Filter isolierten Wellenbandes 86 umgesetzt wurde, wobei das der FM-Station benachbarte ungenutzte Band auf der gegenüberliegenden Seite des Isolationsbandes liegt. Während jedoch nur eine einzige FM-Station in das Isolationsband 86 hineinpaßt, können mehrere AM-Stationen 88 darin aufgenommen werden, wenn eine gewünschte AM-Station auf die linke Seite des Isolationsbandes frequenzmäßig umgesetzt wird. Um diese Situation zu handhaben, kann ein getrennter Tuner/Filter verwendet werden, um die gewünschte AM-Station von den anderen AM-Stationen in dem Bereich des ungenutzten FM-Bandes zu trennen. Die AM-Stationen 88, welche das FM-Stationsband 84 überlagern, wirken ähnlich wie einzelne Klänge in dem FM-Demodulator und werden in der Regel während der FM-Demodulation unterdrückt.

Claims (15)

1. Digitaler Empfänger für mehrere Simultananwender, mit:

• - Mitteln (16) zum Digitalisieren eines Radiofrequenz- Eingangssignales (RF),
• - Mitteln (18-32) zum digitalen Abstimmen auf eine Vielzahl von gewünschten Teilfrequenzbändern (2-8) innerhalb des Eingangssignales, so daß die gewünschten Teilfrequenzbänder (2-8) gegeneinander versetzt in einem ausgewählten Frequenzband liegen,
• - Mitteln (34) zum digitalen Isolieren des ausgewählten Frequenzbandes von dem restlichen Eingangssignal, und
• - Mitteln (36-44) zum digitalen Trennen (36), Demodu­ lieren (38) und Verarbeiten (40, 42, 44) der gewünsch­ ten Teilfrequenzbänder (2-8) in dem isolierten Frequenzband, um mehrere Ausgänge aus dem Empfänger bereitzustellen.

2. Digitaler Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Frequenzband im wesentlichen andere Anteile des Eingangssignales ausschließt.

3. Digitaler Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (18-32) zum digitalen Abstimmen die gewünsch­ ten Teilfrequenzbänder auf einer Zeit-Multiplex-Basis abstimmen.

4. Digitaler Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (36) zum digitalen Trennen der gewünschten Teilfrequenzbänder Mittel (56, 58, 60) zum Zeitmultiplexen der Teilfrequenzbänder umfassen.

5. Digitaler Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (36-44; 66-82) zum Trennen und Demodulieren der gewünschten Teilfrequenzbänder mehrere Demodulator­ schleifen (66, 74, 82) und Mittel (66) zum Abstimmen einer jeden Schleife auf ein jeweils gewünschtes Teilfrequenzband innerhalb des ausgewählten Frequenzbandes umfassen.

6. Digitaler Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (34) zum digitalen Isolieren des ausgewählten Frequenzbandes ein digitales Zwischenfrequenzfilter (34) umfassen.

7. Digitaler Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (18-32) zum digitalen Abstimmen Mittel (18-30) zum Durchführen mehrerer Frequenz­ umsetzungen des Eingangssignales in ein ausgewähltes Frequenzband umfassen, so daß für jede Umsetzung ein jeweils gewünschtes Teilfrequenzband (2-8) des Eingangssignales auf dem ausgewählten Frequenzband zu liegen kommt.

8. Digitales Empfangsverfahren für ein Radiofrequenz-Eingangs­ signal mit mehreren gewünschten Teilfrequenzbereichen (2-8), mit den Schritten:

• - Digitalisieren (16) des Radiofrequenz-Eingangs­ signales,
• - Durchführen (18-32) von mehreren Frequenzumsetzungen des digitalisierten Radiofrequenz-Eingangssignales, um jedes der gewünschten Teilfrequenzbänder (2-8) in getrennte Bereiche eines ausgewählten Frequenz­ bandes umzusetzen,
• - digitales Filtern (34) des digitalisierten Radio­ frequenz-Eingangssignales nach den Frequenz­ umsetzungen, um das Frequenzband zu isolieren, und
• - digitales Trennen (36), Demodulieren (38) und Verar­ beiten (40, 42) der gewünschten Teilfrequenzbänder in dem isolierten ausgewählten Frequenzband, um mehrere Ausgänge aus dem Empfänger zu erzeugen.

9. Digitales Empfangsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisse der Frequenzumsetzungen zusammengefügt werden, um vor dem digitalen Filtern ein zusammengesetztes, ausgewähltes Frequenzband zu bilden.

10. Digitales Empfangsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrfachen Frequenzumsetzungen auf einer Zeit-Multiplex-Basis durchgeführt werden.

11. Digitales Empfangsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der Frequenzumsetzungen das ausgewählte Frequenzband im wesentlichen nur von einem jeweils gewünschten Teilfrequenzband besetzt ist.

12. Digitales Empfangsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ungewünschte Frequenzkomponenten des Radiofrequenz-Eingangssignales sowie ein gewünschtes Teilfrequenzband in das ausgewählte Frequenzband umgesetzt werden, wobei der Schritt der Trennung des Teilfrequenz­ bandes den Schritt der digitalen Abstimmung auf das gewünschte Teilfrequenzband innerhalb des ausgewählten Frequenzbandes ohne die ungewünschten Frequenzkomponenten umfaßt.

13. Digitales Empfangsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschten Teilfrequenzbänder durch Zeit-Multiplexing getrennt werden.

14. Digitales Empfangsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschten Teilfrequenzbänder durch Verarbeitung des isolierten ausgewählten Frequenz­ bandes in mehreren, auf jeweils gewünschte Teilfrequenz­ bänder abgestimmte Demodulatorschleifen getrennt und demoduliert werden.

15. Digitales Empfangsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das digitalisierte Radiofrequenz- Eingangssignal während des Schrittes der digitalen Filterung auf eine Zwischenfrequenzebene reduziert wird.