Anordnung zum Phasenabgleich von Zuleitungskabeln einer Antennenanordnung mit Hilfe eines Sendepilottons.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Phasenabgleich von N zur Ansteuerung einer Antennenanordnung dienenden Zuleitungskabeln mit Hilfe eines Sendepilottons.
Bei Funkkommunikationssystemen werden Antennenanordnungen mit Einzelantennen verwendet, die über Zuleitungskabel angesteuert werden. Diese Zuleitungskabel beeinflussen durch vorhandene mechanischen Längenunterschiede bzw. durch Phasenunterschiede untereinander das Strahlungsdiagramm der Antennenanordnung, weshalb diese Phasenunterschiede systembedingt vorgegebene Maximalwerte nicht überschreiten dürfen.
Bei einer aus N Einzelantennen bestehenden Phased-Array-Antennenanordnung, die bei sogenannten "Switched-Beam"-Funkkommunikationssystemen zur Anwendung kommt, ist zur Ansteuerung der N Einzelantennen beispielsweise eine NxN Butler-Matrix vorgeschaltet. Zwischen der Butler-Matrix und einer Sendeeinrichtung sind insgesamt N Zuleitungskabel angeordnet, die beispielsweise für bestimmte Anwendungsfälle im wesentlichen gleichlang sein sollen. Als typischer Wert wird hier beispielsweise ein maximal zulässiger Phasenunterschied von ±5° der einzelnen Zuleitungskabel untereinander gefordert.
Ein Abgleich der Längen der Zuleitungskabel erfolgt dabei üblicherweise vor Inbetriebnahme einer Antennenanordnung derart, dass zuerst mit Hilfe eines Network-Analysers ein auf ein als Referenzkabel dienendes Zuleitungskabel bezogener Phasenunterschied zwischen den einzelnen Zuleitungskabeln bestimmt wird und anschließend ein Phasenabgleich auf eine einheitliche Phase durch entsprechendes Kürzen der einzelnen Zuleitungskabel erfolgt. Vorteilhafterweise ist auf einer Grundlänge ein Teil des Zuleitungskabels als sogenanntes "Jumperkabel" ausgebildet, dessen Grundlänge bevorzugt zum Phasenabgleich verwendet wird.
Der Phasenabgleich der Zuleitungskabel erfolgt vor Ort, da sich die elektrischen Längen der Zuleitungskabel während der Standort-Montage durch Biegungen der Zuleitungskabel verändert. Nach erfolgter Inbetriebnahme des Funkkommunikationssystems bzw. deren Antennenanordnungen ist eine Überprüfung des Phasenabgleichs bzw. des Phasenunterschieds im einzelnen nicht mehr vorgesehen bzw. während des Betriebs der Antennenanordnung nicht durchführbar.
Der zur Bestimmung des Phasenunterschieds von beispielsweise einem Montageteam verwendete Network-Analyser ist üblicherweise als relativ teures Laborgerät ausgebildet und ist durch sein Gewicht, seine mechanische Abmessungen sowie durch seine Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen nur begrenzt für Inbetriebnahmen vor Ort geeignet.
Das Dokument WO-A-9963619 offenbart eine Anordnung zur Kalibrierung eines Phased-Array-Systems, in der ein Sendepilotton der am Eingang des Speisenetzwerkes eingekoppelt ist, über eine der Antennenanordnung vorgeschalteten Auskoppeleinrichtung wieder auskoppelbar ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Antennenanordnung einen einfacheren Phasenabgleich von Zuleitungskabeln ohne aufwändige Messmittel und ohne Einschränkungen bezüglich Messzeitpunkt, Messdauer und Betriebszustand der Antennenanordnung zu ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Sendepilotton zeitlich versetzt, also nacheinander, in jedes einzelne Zuleitungskabel eingekoppelt und nach dem jeweiligen Durchlaufen des entsprechenden Zuleitungskabels wieder als Empfangspilotton ausgekoppelt. Durch den erfindungsgemäßen Vergleich des Sende- und des Empfangspilottons werden zwischen den Zuleitungskabeln Phasenunterschiede ermittelt und diese mit Hilfe einer den Zuleitungskabeln vorgeschalteten Abgleicheinrichtung entsprechend korrigiert.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht den Phasenabgleich sowohl vor der Inbetriebnahme als auch während des Betriebs der Antennenanordnung und wird vorteilhafterweise mit Hilfe einer von außen durch ein Serviceteam zu bedienenden Abgleicheinrichtung durchgeführt.
In der Abgleicheinrichtung ist dabei für jedes einzelne der insgesamt N Zuleitungskabel jeweils ein Phasenstellglied für den Phasenabgleich vorgesehen. In einer vorteilhaften Weiterbildung sind diese N Phasenstellglieder als extern zu bedienende Differential-Drehkondensatoren ausgeführt, wodurch auf eine aufwändige elektrische Ansteuerung der Phasenstellglieder verzichtet werden kann.
Vorteilhafterweise erfolgt werksseitig bereits ein Grobabgleich der Zuleitungskabel in der Länge und eine beidseitige wasserfeste Steckermontage, während vor Ort nur noch ein Feinabgleich im Phasenunterschied mit Hilfe der Phasenstellglieder vorgenommen wird. Das bereits beschriebene Problem eindringender Feuchtigkeit wird vermieden und Kosten und Arbeitszeit eingespart.
Die Ermittlung der Phasenunterschiede erfolgt über eine serielle Schnittstelle mit Hilfe eines handelsüblichen Laptop's, der die Funktion eines "Local-Maintenance-Terminals (LMT)" übernimmt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung werden die Phasenunterschiede der Zuleitungskabel vorteilhafterweise bei verschiedenen Frequenzen bestimmt, wodurch eine Erhöhung der Genauigkeit des Phasenabgleichs erreicht wird.
Erfindungsgemäß erfüllt dabei der in die einzelnen Zuleitungskabel eingekoppelte Sendepilotton die in den ETSI-Spezifikationen festgelegten Kriterien einer sogenannten "Spurios Emission" einer Trägerfrequenz, da der Sendepilotton ja ebenfalls zur Abstrahlung an die Antennenanordnung gelangt.
Erfindungsgemäß werden vorteilhafterweise für den Sendepilotton Trägerfrequenzen verwendet, die sich knapp unterhalb einer systembedingt vorgegebenen unteren Frequenzbandgrenze bzw. knapp oberhalb einer oberen Frequenzbandgrenze befinden. Dies bietet den Vorteil, dass sich in der Nähe dieser Trägerfrequenzen keine für Übertragungen benutzte Trägerfrequenzen sondern höchstens Intermodulationsprodukte befinden. Zusätzlich sperren in diesem Frequenzbereich als Empfangs- bzw. Sendebandpass verwendete Duplexfilter noch nicht.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
FIG 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung und zum Abgleich eines Phasenunterschieds von N=4 Zuleitungskabeln L1, L2, L3, L4, die zur Ansteuerung einer Antennenanordnung ANT dienen. Die Zuleitungskabel L1 bis L4 sind einerseits mit einer Auskoppeleinrichtung AKE verbunden, die der Antenennanordnung ANT vorgeschaltet ist, und andererseits über eine Abgleicheinrichtung AGE und eine Einkoppeleinrichtung EKE mit einer Sendeeinrichtung SE verbunden.
Ein Sendepilotton SP gelangt an die Einkoppeleinrichtung EKE und mit deren Hilfe über die Abgleicheinrichtung AGE zeitlich versetzt in jedes einzelne der Zuleitungskabel L1 bis L4. Mit Hilfe der Auskoppeleinrichtung AKE wird er als jeweiliger Empfangspilotton EP aus dem entsprechenden Zuleitungskabel L1, L2, L3, L4 wieder ausgekoppelt. Anschließend werden relative Phasenunterschiede zwischen den Zuleitungskabeln L1 bis L4 ermittelt, die mit Hilfe der Abgleicheinrichtung AGE entsprechend systembedingter Vorgaben korrigiert werden.
Zum Abgleich des Phasenunterschieds weist die Abgleicheinrichtung AGE für jedes einzelne der Zuleitungskabel L1 bis L4 je ein steuerbares Phasenstellglied PSG1, PSG2, PSG3, PSG4 auf, das jeweils als extern zu bedienender Differential-Drehkondensator ausgeführt ist.
Die Einkoppeleinrichtung EKE weist einen Schalter S mit einem Eingang zur Aufnahme des Sendepilottons SP und erste bis N-te, jeweils dem ersten bis N-ten Zuleitungskabel L1 bis L4 zugeordnete Ausgänge auf. Jedem der N Ausgänge des Schalters S ist jeweils ein Koppler K11, K12, K13, K14 derart nachgeschaltet, dass der Sendepilotton SP durch den Schalter S zeitlich versetzt nacheinander in jeweils eines der Zuleitungskabel L1 bis L4 eingekoppelt wird.
Die Auskoppeleinrichtung AKE weist zum Auskoppeln des Empfangspilottons EP aus dem jeweiligen Zuleitungskabel L1 bis L4 erste bis N-te, jeweils dem ersten bis N-ten Zuleitungskabel L1 bis L4 zugeordnete Koppler K21, K22, K23, K24 und einen Combiner CB auf, über den der jeweils ausgekoppelte Empfangspilotton EP über einen Pilottoneingang PTI an eine Pilottoneinrichtung PTE zur signaltechnischen Weiterverarbeitung gelangt.
Mit Hilfe der Pilottoneinrichtung PTE wird der Sendepilotton SP erzeugt. Dieser gelangt über einen Pilottonausgang PTO an die Einkoppeleinrichtung EKE.
Beispielhaft sei hier ein Einkoppeln des Sendepilottons SP über den Schalter S und den Koppler K11 in das Zuleitungskabel L1 gezeigt. Mit Hilfe des Kopplers K21 wird er als Empfangspilotton EP wieder ausgekoppelt und gelangt über den Combiner CB an die Pilottoneinrichtung PTE.
Die Pilottoneinrichtung PTE ist über n Datenausgänge mit einer ihr nachgeschalteten Kontrolleinrichtung CTL verbunden, der beispielsweise ein Laptop DV als LMT-Terminal über m Leitungen nachgeschaltet ist. Mit Hilfe des Laptop DV werden die Phasenunterschiede zwischen den Zuleitungskabeln L1 bis L4 ermittelt.
In diesem Beispiel ist die Antennenanordnung ANT als Phased-Array-Antennenanordnung mit vier Einzelantennen A1, A2, A3, A4 ausgeführt, die über eine der Antennenanordnung ANT vorgeschaltete Butler-Matrix BM angesteuert werden. Die Sendeeinrichtung SE beinhaltet einen Combiner COMB mit vier Ausgängen für eine Einspeisung von Signalen in die vier Zuleitungskabel L1 bis L4 und vier Eingänge für eine Aufnahme von Eingangssignalen PA1, PA2, PA3, PA4.
FIG 2 zeigt ein Schaltbeispiel zur Realisierung der in FIG 1 geschilderten Pilottoneinrichtung PTE.
Die Pilottoneinrichtung PTE weist eine mit dem Pilottoneingang PTI verbundene Empfangsschaltung ES, eine mit dem Pilottonausgang PTO verbundene Sendeschaltung SS, eine erste und eine zweite Signalaufbereitungsschaltung SAS1 bzw. SAS2 und eine Demodulationseinrichtung DEM auf.
Die Demodulationseinrichtung DEM ist über die Signalaufbereitungsschaltung SAS1 mit der Empfangsschaltung ES und über die Signalaufbereitungsschaltung SAS2 mit der Sendeschaltung SS verbunden. Ein mit einem Clock-Signal CLK1 getakteter Synthesizer SYN dient zur Einspeisung eines Synthesizersignals in die Empfangsschaltung ES und in die Sendeschaltung SS. Ein mit dem Clock-Signal CLK1 getakteter Pseudo-Noise-Generator PNG dient zur Einspeisung eines Pseudo-Noise-Signals in die zweite Signalaufbereitungsschaltung SAS2 und in die Demodulationseinrichtung DEM.
Die Empfangsschaltung ES weist einen Empfangsmischer ESM auf, dem eingangsseitig einerseits über einen Empfangsbandpass ESBP der Empfangspilotton EP und andererseits das Synthesizersignal des Synthesizers SYN zugeführt ist und dessen Ausgang mit der ersten Signalaufbereitungsschaltung SAS1 verbunden ist.
Um eine synchrone Detektion des Empfangspilottons EP zu ermöglichen, wird für die Bildung des Sendepilottons SP und für die Analyse des Empfangspilottons EP der gleiche Synthesizer SYN verwendet.
Die erste Signalaufbereitungsschaltung SAS1 weist eine Serienschaltung aus einem ersten Verstärker V1, einem ersten Bandpass BP1, einem zweiten Verstärker V2, einem Begrenzer BG und einem zweiten Bandpass BP2 auf. Ein von der ersten Signalaufbereitungsschaltung SAS1 gebildetes Ausgangssignal liegt als erstes Eingangssignal am Demodulator DEM an.
Die zweite Signalaufbereitungsschaltung SAS2 weist eine Serienschaltung aus einem Mischer MI, einem Oszillator OSZ, einem Verdoppler VD und einem Bandpass BP auf. Ein vom Mischer MI aus einem Signal des Oszillators OSZ und dem vom Pseudo-Noise-Generator PNG geliefertem Pseudo-Noise-Signal gebildetes erstes Ausgangssignal liegt an der Sendeschaltung SS an.
Ein vom Verdoppler VD aus dem Signal des Oszillators OSZ gebildetes Signal liegt nach Durchlaufen des Bandpasses BP als zweites Eingangssignal an der Demodulationseinrichtung DEM an.
Die Sendeschaltung SS weist einen Sendemischer SSM auf, dem eingangsseitig das erste Ausgangssignal des Mischers MI der zweiten Signalaufbereitungsschaltung SAS2 und das Synthesizersignal zugeführt sind und dessen Ausgang mit einem Sendebandpass SSBP verbunden ist. Dessen Ausgangssignal bildet den Sendepilotton SP.
Die Demodulationseinrichtung DEM weist einen I/Q-Demodulator I/Q-DEM mit zwei Ausgängen I bzw. Q auf, die über je einen Kondensator C1 bzw. C2 an je einen Ausgangszweig AZ1 bzw. AZ2 angekoppelt sind, für eine weitere Verarbeitung eines vom I/Q-Demodulator gelieferten I-Signals IS bzw. Q-Signals IQ. Als Eingangssignale sind dem I/Q-Demodualtor I/Q-DEM das erste und das zweite Eingangssignal der Demodulationseinrichtung DEM zugeführt.
Der erste und der zweite Ausgangszweig AZ1 bzw. AZ2 der Demodulationseinrichtung DEM weist jeweils einen Invertierer INV, einen Umschalter US, einen Tiefpass TP und einen Analog-Digital-Wandler ADC auf, wobei über den Umschalter US in Abhängigkeit des ihn steuernden Pseudo-Noise-Signals das I-Signal IS bzw. das Q-Signal QS entweder über den Invertierer INV oder direkt an den Tiefpass TP gelangt. Ein vom jeweiligen Tiefpass TP an den entsprechenden Analog-Digital-Wandler ADC geleitetes Signal gelangt als digitales Datensignal an insgesamt n Datenausgänge der Pilottoneinrichtung PTE.
Zur Dimensionierung bei einem GSM 900 Funkkommunikationssystem werden beispielhaft nachfolgende Dimensionierungen vorgenommen.
Der Empfangsbandpass ESBP und der Sendebandpass SSBP weisen einen Durchlassbereich von 935 bis 960 MHz auf.
Die Bandpässe BP1 und BP2 der ersten Signalaufbereitungsschaltung SAS1 weisen eine Bandbreite von 1,6 MHz auf. Der Bandpass BP der zweiten Signalaufbereitungsschaltung SAS2 weist eine Durchlassfrequenz von 221 MHz auf.
Die Tiefpässe TP der beiden Ausgangszweige AZ1 bzw. AZ2 der Demodulationseinrichtung DEM weisen eine Grenzfrequenz von 30 Hz auf.
Der Synthesizer SYN liefert Synthesizersignale mit einer Frequenz von 824 MHz bzw. 850 MHz, die Clockfrequenz CLK1 des Synthesizers SYN und des Pseudo-Noise-Generators PNG weist eine Frequenz von 1 MHz auf, während das Signal des Oszillators OSZ eine Frequenz von 110,6 MHz aufweist.
Das Ausgangssignal des Empfangsmischers ESM weist vorteilhafterweise eine Frequenz von 110,6 MHz auf, da es in diesem Frequenzbereich geeignete SAW-Filter gibt. Das dort aufbereitete Signal kann durch den Begrenzer BG begrenzt werden, da es nachfolgend nur für eine Phasenmessung benötigt wird und es mittels des Oszillators OSZ bei 110,6 MHz synchron demoduliert wird.
Der hierfür vorgesehene I/Q-Demodulator I/Q-DEM zur Erzeugung des I-Signals IS bzw. des Q-Signals IQ als 90° Vektoren, teilt die Frequenz der ihm zugeführten Signale, weshalb dem Oszillator OSZ ein Verdoppler VD entsprechend nachgeschaltet ist.
Wegen der für die Auswertung des Phasenunterschieds erforderlichen Synchronisation, wird der Sendepilotton SP aus dem Synthesizersignal und einem Zwischenfrequenz-Oszillatorsignal zusammengesetzt.
Der Sendepilotton SP bzw. der Empfangspilotton EP wird mit dem Pseudo-Noise-Signal phasenmoduliert bzw. demoduliert. Dies bewirkt eine Spreizung auf ca. 1MHz. Bei der synchronen Demodulation mit Hilfe des I/Q-Demodualtors I/Q-DEM entsteht als Modulationssignal das 1-Signal bzw. das Q-Signal im Basisband. Diese beiden Signale werden jeweils kapazitiv gekoppelt, um einen durch den I/Q-Demodulator bedingten Offset zu eliminieren. Anschließend werden beide Ausgangssignale des I/Q-Demodulators I/Q-DEM mit dem Pseudo-Noise-Signal über den Umschalter US rückgetastet, wobei eine nahezu offsetfreie Gleichspannung entsteht. Gleichzeitig werden eventuell vorhandene Störsignale in ihrer Frequenz "breitgetastet" und diese mit dem einfachen Tiefpass TP des jeweiligen Ausgangszweiges AZ1 bzw. AZ2 wirkungsvoll weggefiltert. Eine derart erzeugte Gleichspannung wird anschließend mit Hilfe des jeweiligen Analog-Digital-Wandlers ADC der beiden Ausgangszweige AZ1 bzw. AZ2 in digitale Datensignale umgewandelt, die an die n Datenausgänge der Pilottoneinrichtung PTE gelangen.
Bei einem vorteilhaft verwendeten 2:1 Combiner CB bei der Auskoppeleinrichtung AKE errechnet sich als maximale Leistung am Eingang der Antennenanordnung ANT ein Pegel von +42dBm. Bei einem erlaubten Intermodulationsabstand von 70 dB ergibt sich somit ein Intermodulationspegel von -28dBm.
Ein erlaubter Pegel einer Störausstrahlung (Spurious Emission) liegt maximal bei -36dBm. Berücksichtigt man noch 6dB als Reserve, so ergibt sich ein realisierbarer Störabstand des Sende- bzw. Empfangspilottons von ca. -14dB.