DE60310432T2 - Kommunikationsverfahren und vorrichtung - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zur Funkfrequenzkommunikation über das Stromkabelnetz und andere Verdrahtung, insbesondere Kommunikation bei Mikrowellenfrequenzen. Ausführungsformen der Erfindung sind besonders für Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikation geeignet.
- Methoden für UWB-Kommunikation haben sich aus Radar- und anderen militärischen Anwendungen entwickelt, und Pionierarbeit ist von Dr. G. F. Ross geleistet worden, wie in
US 3718632 beschrieben. Ultrabreitband-Kommunikationssysteme verwenden sehr kurze Impulse elektromagnetischer Strahlung mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten, was zu einem Spektrum mit sehr großer Bandbreite führt. Manche Systeme verwenden direkte Anregung einer Antenne mit einem solchen Impuls, die dann mit ihrer charakteristischen Impuls- oder Schrittantwort (abhängig von der Anregung) strahlt. Solche Systeme werden als trägerlos oder "trägerfrei" bezeichnet, weil der resultierenden RF-Emission jede wohldefinierte Trägerfrequenz fehlt. Jedoch strahlen andere UWB-Systeme einen oder einige wenige Zyklen eines Hochfrequenzträgers aus, und somit ist es trotz der großen Signalbandbreite möglich, eine sinnvolle Mittenfrequenz und/oder Phase anzugeben. Die Bundeskommission für das Nachrichtenwesen (FCC) der USA definiert UWB als eine -10-dB-Bandbreite von mindestens 25% einer Mitten-(oder Durchschnitts-)frequenz oder als eine Bandbreite von mindestens 1,5 GHz; die Definition der US-DARPA ist ähnlich, bezieht sich aber auf eine Bandbreite von –20 dB. Solche formalen Definitionen sind nützlich und grenzen UWB-Systeme deutlich von herkömmlichen Schmalband- und Breitbandsystemen ab, aber die in dieser Spezifikation beschriebenen Methoden sind nicht auf Systeme beschränkt, die unter diese präzise Definition fallen. - UWB-Kommunikationssysteme haben eine Anzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Systemen. Allgemein gesagt, ermöglicht die sehr große Bandbreite Kommunikation mit sehr hoher Datenrate, und da Strahlungsimpulse verwendet werden, kann die mittlere Sendeleistung (und ebenso der Stromverbrauch) niedrig gehalten werden, obwohl die Leistung in jedem Impuls relativ groß sein kann. Da außerdem die Leistung in jedem Impuls über eine große Bandbreite gespreizt wird, kann die Leistung pro Einheitsfrequenz natürlich sehr klein sein, so daß UWB-Systeme gleichzeitig mit anderen Nutzern des Spektrums vorhanden sein können und in militärischen Anwendungen eine niedrige Abhörwahrscheinlichkeit bieten können. Die kurzen Impulse machen UWB-Kommunikationssysteme auch relativ unempfindlich für Mehrweg-Effekte, da Mehrfachreflexionen im allgemeinen aufgelöst werden können. Schließlich eignen sich UWB-Systeme für eine im wesentlichen vollständig digitale Implementierung mit daraus folgender Kosteneinsparung und anderen Vorteilen.
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1a zeigt ein Beispiel eines analogen UWB-Sendeempfängers100 . Dieser umfaßt eine Sende/Empfangsantenne102 mit einer charakteristischen Impulsantwort, die durch das Bandpaßfilter (BPF)104 gekennzeichnet ist (auch wenn in manchen Fällen ein Bandpaßfilter ausdrücklich eingeschlossen werden kann), gekoppelt mit einem Sende/Empfangsschalter106 . - Die Sendekette umfaßt einen Impulsgenerator
108 , der durch einen Basisband-Sendedateneingang110 und einen Antennentreiber112 modulierbar ist. Der Treiber kann weggelassen werden, da im allgemeinen nur ein kleiner Ausgangsspannungshub erforderlich ist. Eine aus einer Vielzahl von Modulationsmethoden kann verwendet werden, normalerweise entweder OOK (Ein/Aus-Umtastung, d.h. Senden oder Nichtsenden eines Impulses), M-äre Amplitudenumtastung (Impuls-Amplitudenmodulation), Phasenverschiebungsmodulation oder PPM (Pulslagenmodulation, d.h. Ausgleichen der Impulslage mittels Dithersignal). Normalerweise hat der gesendete Impuls eine Dauer von < 1 ns und kann eine Bandbreite in der Größenordnung von Gigahertz haben. - Die Empfangskette umfaßt normalerweise eine rauscharme Verstärkerstufe (LNA)
114 mit automatischer Verstärkungssteuerung (AGC), gefolgt von einem Korrelator oder abgestimmten Filter (MF)116 , das auf die empfangene Impulsform abgestimmt ist, so daß es einen Impuls ausgibt, wenn ihm RF-Energie mit der richtigen (übereinstimmenden) Impulsform übergeben wird. Das Ausgangssignal des MF116 wird im allgemeinen durch einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC)118 digitalisiert und dann an eine (digitale oder auf Software beruhende) Schwellwertschaltung mit variabler Verstärkung120 übergeben, deren Ausgangssignal die empfangenen Daten umfaßt. Der Fachmann wird verstehen, daß Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC) wie etwa Block-Fehlercodierung und andere Basisband-Verarbeitung ebenfalls verwendet werden kann, aber solche Methoden sind bekannt und herkömmlich, und daher werden sie der Klarheit halber ausgelassen. Vorteilhafterweise können RAKE-Empfängermethoden verwendet werden (siehe zum Beispiel WO 01/93441, WO 01/93442, WO 01/93482). -
1b zeigt ein Beispiel eines trägergestützten UWB-Senders122 . Ein ähnlicher Sender ist inUS 6026125 ausführlicher beschrieben. Diese Art von Sender ermöglicht, daß die Mittenfrequenz und die Bandbreite der UWB-Übertragung gesteuert werden, und weil sie trägergestützt ist, ermöglicht sie die Verwendung von Frequenz- und Phasen- sowie von Amplituden- und Pulslagenmodulation. Somit kann zum Beispiel QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation) oder M-äre PSK (Phasenumtastung) verwendet werden. - Mit Bezug auf
1b erzeugt ein Oszillator124 einen Hochfrequenzträger, der durch einen Mischer126 gesteuert wird, der eigentlich als Hochgeschwindigkeitsschalter fungiert. Ein zweites Eingangssignal wird durch einen Impulsgenerator128 an den Mischer übergeben, gefiltert durch ein (optionales) Bandpaßfilter130 . Die Amplitude des gefilterten Impulses bestimmt die Zeit, wie lange die Mischerdioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, und folglich die effektive Impulsbreite und die Bandbreite des UWB-Signals am Ausgang des Mischers. Die Bandbreite des UWB-Signals wird auf ähnliche Weise auch durch die Bandbreite des Filters130 bestimmt. Die Mittenfrequenz und die momentane Phase des UWB-Signals werden durch den Oszillator124 bestimmt und können durch einen Dateneingang132 moduliert werden. Ein Beispiel eines Senders mit einer Mittenfrequenz von 1,5 GHz und einer Bandbreite von 400 MHz ist inUS 6026125 beschrieben. Kohärenz von Impuls zu Impuls kann durch Phasensynchronisation des Impulsgenerators mit dem Oszillator erreicht werden. - Das Ausgangssignal des Mischers
126 wird durch ein Bandpaßfilter134 verarbeitet, um Außerbandfrequenzen und unerwünschte Mischerprodukte zu unterdrücken, wahlweise durch ein digital gesteuertes RF-Dämpfungsglied136 gedämpft, um zusätzliche Amplitudenmodulation zu ermöglichen, und dann zu einem breitbandigen Leistungsverstärker138 wie etwa einem MMIC (monolithisch integrierter Mikrowellenschaltkreis) und einer Sendeantenne140 weitergeleitet. Der Leistungsverstärker kann synchron mit den Impulsen vom Generator128 ein- und ausgetastet werden, wie inUS 6026125 beschrieben, um die Leistungsaufnahme zu verringern. -
1c zeigt einen ähnlichen Sender wie den von1b , wobei gleiche Bestandteile gleiche Bezugszeichen haben. Der Sender von1c ist allgemein gesagt ein Spezialfall des Senders von1b , in dem die Oszillatorfrequenz auf null gesetzt worden ist. Das Ausgangssignal des Oszillators124 von1b ist infolgedessen ein Gleichspannungspegel, was dazu dient, den Mischer126 immer eingeschaltet zu lassen, so daß diese Bestandteile weggelassen werden (und der Impulsgenerator oder sein Ausgangssignal wird moduliert). -
1d zeigt einen alternativen trägergestützten UWB-Sender142 , der ebenfalls inUS 6026125 beschrieben ist. Wiederum werden gleiche Bestandteile wie die in1b durch gleiche Bezugszeichen dargestellt. - In der Anordnung von
1d steuert eine Zeitgatterschaltung144 das Ausgangssignal des Oszillators124 unter Steuerung eines Taktsignals146 . Die Impulsbreite dieses Taktsignals bestimmt die momentane Bandbreite des UWB-Signals. Somit kann die UWB-Bandbreite des Sendesignals durch Regulieren der Breite dieses Impulses reguliert werden. - Ultrabreitband-Empfänger, die zur Verwendung mit den UWB-Sendern von
1b bis1d geeignet sind, sind inUS 5901172 beschrieben. Diese Empfänger verwenden Detektoren auf der Grundlage von Tunneldioden, um Einzelimpulserkennung mit hohen Geschwindigkeiten (mehrere Megabit pro Sekunde) mit verringerter Anfälligkeit für Inbandstörung zu ermöglichen. Allgemein gesagt wird eine Tunneldiode zwischen der aktiven und der inaktiven Betriebsart umgeschaltet, wobei eine in der Diode gespeicherte Ladung während ihrer inaktiven Betriebsart entladen wird. Die Tunneldiode wirkt eigentlich als ein zeitgesteuertes abgestimmtes Filter, und der Korrelation wird auf die ankommenden Impulse synchronisiert. -
1e zeigt ein weiteres Beispiel eines bekannten UWB-Senders148 , der inUS 6304623 ausführlicher beschrieben ist. In1e erzeugt ein Impulsgeber150 einen RF-Impuls zur Übertragung durch eine Antenne152 unter Steuerung eines Taktsignals154 , das durch einen Präzisions-Taktgenerator156 bereitgestellt wird, der seinerseits durch eine stabile Zeitbasis158 gesteuert wird. Ein Codegenerator160 empfängt einen Referenztakt vom Taktgenerator und übergibt pseudozufällige Zeitversatzbefehle an den Taktgenerator, um die Impulslagen des Senders mit einem Dithersignal auszugleichen. Dies hat die Wirkung, daß das kammartige Spektrum gespreizt und abgeflacht wird, das sonst durch regelmäßige, schmale Impulse erzeugt würde (in machen Systemen kann für eine ähnliche Wirkung Amplitudenmodulation verwendet werden). -
1f zeigt einen entsprechenden Empfänger162 , der ebenfalls inUS 6304623 beschrieben ist. Dieser verwendet eine(n) ähnliche(n) Taktgenerator164 , Zeitbasis166 und Codegenerator168 (der die gleiche Pseudozufallsfolge erzeugt), aber die Zeitbasis wird durch ein Phasennachlauffilter170 mit dem empfangenen Signal synchronisiert. Das Takt-Ausgangssignal des Taktgenerators164 steuert einen Maskengenerator172 , der ein Maskensignal ausgibt, und ein Korrelator/Abtaster176 und ein Akkumulator178 tasten das empfangene Signal ab und korrelieren es mit der Maske, indem es über eine Öffnungsdauer des Korrelators integriert wird, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das am Ende eines Integrationszyklus durch einen Detektor180 abgetastet wird, um zu bestimmen, ob eine Eins oder eine Null empfangen worden ist. -
1g zeigt einen UWB-Sendeempfänger182 , der Codiermethoden vom Spreizspektrumtyp verwendet. Ein Sendeempfänger des allgemeinen Typs ist inUS 6400754 ausführlicher beschrieben, auf das Bezug genommen werden kann. - In
1g übergeben eine Empfangsantenne184 und ein rauscharmer Verstärker186 ein Eingangssignal an einen über die Zeit integrierenden Korrelator188 . Ein zweites Eingangssignal wird durch einen Codefolgengenerator190 an den Korrelator übergeben, der einen Code vom Spreizspektrumtyp erzeugt, wie etwa einen Kasami-Code, das heißt einen Code mit einem hohen Autokorrelationskoeffizienten aus einer Familie von Codes mit niedrigen Autokorrelationskoeffizienten. Der Korrelator188 multipliziert das analoge Eingangssignal mit dem Referenzcode und integriert über eine Periode der Codefolge, und er kann ein abgestimmtes Filter mit einer Vielzahl von Phasen umfassen, die unterschiedliche Zeitsynchronisationen des Eingangssignals und des Referenzcodes darstellen. Das Ausgangssignal des Korrelators wird durch den Analog/Digital-Umsetzer192 digitalisiert, der ein Ausgangssignal an einen Bus194 übergibt, der durch einen Prozessor196 mit einem Speicher198 gesteuert wird. Der Codefolgengenerator190 wird durch einen von einem Kristalloszillator angesteuerten Taktgeber200 angesteuert. Ein Sendeantennentreiber202 empfängt Daten vom Bus194 , die mit einer Codefolge vom Generator190 multipliziert und von der Sendeantenne204 gesendet werden. Im Betrieb werden codierte Folgen von Doppelimpulsen empfangen und gesendet, wobei in einer Anordnung jedes Bit eine 1023-Chipfolge aus 10-ns-Chips umfaßt, so daß es eine Dauer von 10 μs hat und einen Verarbeitungsgewinn von 30 dB liefert. Für höhere Bitraten können kürzere Spreizfolgen und/oder schnellere Takte verwendet werden. - Der in
US 6400754 beschriebene Sendeempfänger verwendet eine Modifikation einer frequenzunabhängigen stromgesteuerten geschirmten Rahmenantenne (beschrieben inUS 4506267 mit einer flachen rechteckigen leitfähigen Platte. Diese Antenne wird als Netzstromstrahler-(LCR-)Antenne bezeichnet, und wenn sie mit einem Strom angesteuert wird, strahlt sie von der Oberfläche der Platte nach außen ab. -
1h zeigt eine Treiberschaltung206 für eine solche LCR-Sendeantenne208 . Die Antenne wird durch eine H-Brücke angesteuert, die vier MOSFETs210 umfaßt, die durch linke (L) und rechte (R) Steuerleitungen212 ,214 gesteuert werden. Wenn die Leitung214 auf Hochpegel und dann auf Tiefpegel geschaltet wird, während die Leitung212 auf Tiefpegel gehalten wird, wird ein Doppelimpuls (das heißt ein Paar von Impulsen entgegengesetzter Polarität) einer ersten Polarität gesendet, und wenn die Leitung212 auf Hochpegel und dann auf Tiefpegel geschaltet wird, während die Leitung214 auf Tiefpegel gehalten wird, wird ein Doppelimpuls entgegengesetzter Polarität ausgestrahlt. Die Antenne strahlt nur, während sich der durch sie fließende Strom ändert, und sendet bei jedem Übergang einen einzelnen Gaußschen Impuls. -
2a bis2h zeigen einige Beispiele von UWB-Wellenformen.2a zeigt eine typische Ausgangs-Wellenform eines UWB-Impulssenders, und2b zeigt das Leistungsspektrum der Wellenform von2a .2c zeigt einen Wavelet-Impuls (der, wenn er verkürzt wird, ein Monozyklus wird), wie er etwa von einem der Sender von1b bis1d ausgestrahlt werden kann.2d zeigt das Leistungsspektrum von2c .2e zeigt einen Doppelimpuls und2f das Leistungsspektrum des Doppelimpulses von2e . Es ist ersichtlich, daß das Spektrum von2f einen Kamm mit einem Abstand (in der Frequenz) umfaßt, der durch den Abstand (in der Zeit) der Impulse des Doppelimpulses bestimmt wird, und eine Gesamtbandbreite, die durch die Breite jedes Impulses bestimmt wird. Aus2e und2f ist auch zu erkennen, daß das Ausgleichen der Impulslagen mittels Dithersignal dazu führt, daß die Nullstellen des Kammspektrums verringert werden.2g zeigt Beispiele von Doppelimpuls- Basiswellenformen für eine logische 0 und eine logische 1.2h zeigt ein Beispiel einer TDMA-UWB-Übertragung, wie sie etwa vom Sendeempfänger von1g ausgestrahlt werden kann, wobei Bursts von Codemultiplex-Mehrfachzugriff-(CDMA-)codierten Daten durch Perioden der Nichtübertragung getrennt werden, um den Zugriff durch andere Geräte zu ermöglichen. - Ultrabreitband bietet potentiell erhebliche Vorteile für die drahtlose Wohnungsvernetzung, insbesondere Breitbandvernetzung fair Audio- und Video-Unterhaltungsgeräte. Jedoch erregt die große Bandbreite von UWB-Kommunikation Bedenken, vor allem in bezug auf mögliche Störung von Systemen, nämlich GPS (Globales Positionsbestimmungssystem) und Luftfahrtelektronik. Aus diesem Grund ist der Betrieb, obwohl die Verwendung von UWB kürzlich durch die FCC in den USA genehmigt worden ist, nur mit sehr niedrigen Leistungen und innerhalb einer beschränkten Bandbreite (3,1 bis 10,6 GHz) gestattet. Es gibt daher einen Bedarf an Verfahren und Vorrichtungen zur Förderung der UWB-Kommunikation mit niedriger Leistung, insbesondere in Wohnungen.
- Es gilt jedoch nicht nur fair die UWB-Kommunikation, daß ein Bedarf an verbesserten Methoden fair die Kommunikationstechnik besteht, vor allem über Netzstromkabelnetz. Der Nutzen solcher Kommunikation ist leicht zu erkennen, da Netzkabelnetze und die zugehörigen Netzsteckdosen eigentlich eine eingebaute Verdrahtung für ein Hausnetzwerk bereitstellen, falls die richtigen Methoden vorhanden sind, die eine solche Verdrahtung nutzen können. Es gibt jedoch viele Schwierigkeiten wegen des relativ hohen Störpegels, manchmal von breitbandigem Charakter, wegen der relativ starken Kerben in der Kabelnetz-Frequenzantwort von mitschwingenden Schaltungen und Entstörern, die mit dem Stromnetz verbunden sind, und wegen der allgemein schlechten Abstimmung, was zu vielen Reflexionen und unkontrollierten Schwingungen führt. Ungeachtet dieser Probleme hat der Stand der Technik in bezug auf die Übertragung von Funkfrequenzsignalen über Netzkabelnetze einen beträchtlichen Umfang, wie zum Beispiel auf der Website von PowerLine World (http://www.powerline.com/) und der Website von PowerLine Communications (http://www.powerlinecommunications.net/) zu sehen ist. Mehrere Firmen sind auf diesem Gebiet engagiert, darunter Intracoastal System Engineering Corporation, Kanada; Nsine Limited im Vereinigten Königreich; Echelon Corporation in Kalifornien, USA; Intellon Corporation, Florida, USA; Cogency in Kanada; und auf dem UWB-Gebiet: Pulselink, Inc., Kalifornien, USA; sowie diverse andere Gesellschaften mit Interesse (siehe zum Beispiel
EP 0961415 ; WO 99/48224;US 6172597 ; WO 96/17444 und GB 2304013). Zwei bekannte Standards für Netzleitungs-Kommunikationstechnik sind LonWorks und der HomePlug-Standard, die beide differentielle Signalisierung zwischen Paaren von Netzleitern verwenden, wie zum Beispiel zwischen spannungsführendem und Nulleiter (für LonWorks siehe zum Beispiel WO 92/21180 und verwandteUS 5485040 ; für HomePlug siehe zum BeispielEP 0419047 undUS 4755792 , auf das hierin Bezug genommen wird).US 5982276 beschreibt ein Verfahren und ein System für magnetfeldgestützte Kommunikation Ober Hochspannungs-Netzstromleitungen unter Verwendung eines Masers. - Bisher hat Kommunikation über Stromnetzverdrahtung Systeme einbezogen, die Dauerstrich-FSK (Frequenzumtastung) und Impulsfrequenzbursts verwenden.
US 6218931 beschreibt ein Verfahren zur Verteilung von CDMA-(Codemultiplex-Mehrfachzugriff-)Signalen mit einer höheren Frequenz als 1 GHz, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Erzeugen eines Breitbandsignals und Einkoppeln des Spreizspektrumsignals in ein Verdrahtungsnetzwerk, um das Signal zu verteilen. Effektivere Kommunikation bei höheren Datenraten hat sich auf die Verwendung von orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM) konzentriert, da OFDM die Auswahl von Trägern unterstützt, um Interferenzen und/oder Kerben in der Frequenzantwort zu vermeiden, und außerdem die Datenwiedergewinnung auch dann unterstützt, wenn ein oder mehrere Träger verlorengegangen sind (Beispiele für solche Technologien können in von Intellon Corp. gehaltenen Patenten gefunden werden). Die betreffenden RF-Frequenzen sind im allgemeinen niedrig gewesen – zum Beispiel belegt die physische Schicht (PHY) von HomePlug ein Band von ungefähr 4,5 MHz bis 21 MHz und erzielt eine Rohbitrate von ungefähr 20 Mbit/s; ein anderes System von Cogency scheint Frequenzen von bis zu 40 MHz zu unterstützen, mit dem Ziel, mit mehreren Bits pro Symbol Rohbitraten von bis zu 100 Mbit/s zu erhalten. Allgemein gesagt sind Frequenzen oberhalb dieses Bereichs für die Kommunikation über Netzleitungen bisher ignoriert worden, vielleicht deswegen, weil ein Netzkabel bei diesen Frequenzen für ein Differenzsignal ganz wie ein Kurzschluß aussieht. Es ist jedoch allgemein erwünscht, erhöhte Datenraten für Stromleitungskommunikation bereitzustellen, obwohl bisher noch nicht erkannt worden ist, wie dies erreicht werden kann. Jedoch hat die Untersuchung der Übertragung von UWB-Signalen über das Stromnetz die Erfinder zu der Erkenntnis geführt, wie die Datenraten für Netzleitungskommunikation für einen großen Bereich von RF-Signaltypen, der nicht auf UWB beschränkt ist, erhöht werden können. - Unter einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher ein Verfahren zur Übermittlung eines Mikrowellensignals mit einer Frequenz von 1 GHz oder höher unter Verwendung eines Kabels mit mindestens einem Leiter bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Positionieren einer Sendeantenne an einem Sendepunkt an dem Kabel in einem Abstand von dem Kabel, um das Mikrowellensignal in das Kabel einzukoppeln; Ansteuern der Sendeantenne mit dem Mikrowellensignal, um auf dem Kabel eine sich ausbreitende Welle zur Ausbreitung entlang des Kabels zu induzieren; Positionieren einer Empfangsantenne, um ein durch die sich ausbreitende Welle erzeugtes elektromagnetisches Signal zu empfangen; Empfangen einer Version des Mikrowellensignals unter Verwendung der Empfangsantenne; und wobei die sich ausbreitende Welle ein Eintaktsignal umfaßt.
- Die Erfinder haben erkannt, daß bei hohen Frequenzen, insbesondere oberhalb von 1 GHz, Signale zur Ausbreitung entlang eines Leiters oder eines Bündels von Leitern, wie etwa eines Netzkabels, als ein Gleichtakt- oder Eintakt-Spannungssignal induziert werden können, statt Leiterpaare zu verwenden, um ein Differenzsignal zu transportieren. Bei diesen Mikrowellenfrequenzen führt das Kabel die sich ausbreitende Welle, die an der Oberfläche des Leiters (aufgrund des Skineffekts) und zwischen dem Leiter und der Masse oder der Erde für die sich ausbreitende Welle außerhalb des Leiters auftritt, und die herkömmlichere Ansicht, daß Signale entlang eines Leiters fließen, wie es bei niedrigeren Frequenzen verständlich ist, ist weniger relevant. Normalerweise umfaßt ein Netzkabel ein Bündel von Leitern, oft einschließlich eines Schutzleiters, und in diesem Fall ist anzunehmen, daß sich das Signal auf dem Bündel von Leitern als Ganzes ausbreitet, so daß die getrennten Leiter eigentlich in einer Gleichtaktkonfiguration arbeiten. Wo ein metallisches Schutzrohr verwendet wird, um das Netzkabel zu umschließen, ist anzunehmen, daß das Signal über dieses Schutzrohr fließt; analog kann in einer Modifikation des Verfahrens mindestens ein Leiter zum Beispiel ein Wasserrohr statt eines Leiters eines elektrischen Kabels umfassen. Allgemein gesagt, bildet der Leiter mit der umgebenden Masse einen Wellenleiter, und dieser Wellenleiter führt das Mikrowellensignal in einer gewissen Analogie zu Oberflächen-Wellenleitung und/oder einer RF-Streifenleitung. Somit kann das Mikrowellensignal auch dort, wo das Kabel einen Schutzleiter hat, der einen Teil des Gleichtaktsignal transportiert, sich immer noch entlang des Kabels ausbreiten, wenngleich eine Verbindung zur tatsächlichen Erde an irgendeinem Punkt eine Impedanz-Fehlanpassung verursachen und somit zu einer Reflexion führen kann.
- Zusätzlich zur Unterstützung von Kommunikation mit höheren Datenraten wegen der beteiligten höheren Frequenzen hat es einige zusätzliche Vorteile gegenüber einer Anordnung mit differentieller Ansteuerung, ein Mikrowellensignal auf diese Art und Weise zu führen. Bei einer differentiellen Ansteuerung nimmt die Abstrahlung in die Luft in unmittelbarer Nähe zum Kabel mit der Entfernung rapide ab, während in Ausführungsformen des oben beschriebenen Verfahrens die Strahlung wesentlich weiter vom Kabel weg reicht, so daß elektromagnetische Felder zwischen dem Kabel und der umgebenden Masse aufgebaut werden und ein viel größerer Raum bereitgestellt wird, innerhalb dessen eine Empfangsantenne nutzbringend angeordnet werden kann. Ferner sind bei einer Anordnung mit differentieller Ansteuerung die dielektrischen Verluste relativ hoch, während bei Ausführungsformen der oben beschrieben Verfahren nur ein schwaches elektrisches Feld im Kabelmantel aufgebaut wird und hauptsächlich Luft das Dielektrikum ist, wodurch diese Verluste verringert werden.
- In den Ausführungsformen wird die sich ausbreitende Welle anders als bei herkömmlichen Systemen effektiv in bezug auf eine Masse für die sich ausbreitende Welle angesteuert, obwohl diese Masse aus der Umgebung des die Welle führenden Netzkabels (oder eines anderen Leiters) gebildet wird. Bei niedrigen Frequenzen ist es schwierig, in diese Masse der sich ausbreitenden Welle einzukoppeln, und zwar wegen der sehr langen Wellenlängen, um die es dabei geht, aber bei hohen Frequenzen ist es durchführbar, eine lokale Masse zu verwenden, die als effektive Masse fair die sich ausbreitende Welle fungiert. Diese lokale oder effektive Masse kann eine lokale Masseebene umfassen, sogar einen anderen Abschnitt der Stromnetzverdrahtung (vorausgesetzt, daß dieser bei Mikrowellenfrequenzen von dem Abschnitt isoliert ist, der die sich ausbreitende Welle transportiert) und/oder eine "Verbindung" zum freien Raum, die durch eine Antenne gebildet wird, die die elektromagnetische Kopplung zum Raum bereitstellt. Die lokale oder effektive Masse umfaßt vorzugsweise keine direkte Verbindung zu Masse wie etwa eine Erdungsstelle. Die lokale oder effektive Masseverbindung stellt daher vorzugsweise eine indirekte Masseverbindung für die sich ausbreitende(n) Welle(n) bereit, und zwar durch kapazitive Kopplung zu der Umgebung, die die Masse für die sich ausbreitende Welle bildet, und/oder mittels elektromagnetischer Kopplung zum freien Raum bei den in Betracht kommenden Frequenzen. Vorzugsweise ist die Impedanz zwischen der lokalen oder effektiven Masse und der Masse für die sich ausbreitende Welle im wesentlichen kleiner oder gleich der Impedanz des freien Raums, besonders bevorzugt wesentlich kleiner als diese Impedanz, zum Beispiel um einen Faktor 10 kleiner, um für eine gute Kopplung zur Masse fair die sich ausbreitende Welle zu sorgen. Somit kann in dem oben beschriebenen Verfahren der Ansteuerungsschritt den folgenden Schritt umfassen: Ansteuern der Sendeantenne in bezug auf diese lokale oder effektive Masse.
- Um das Mikrowellensignal in das Kabel einzukoppeln, befindet sich die Sendeantenne vorzugsweise in einem Abstand vom Kabel (genauer gesagt, von der Leiteroberfläche), der kleiner oder gleich einer mittleren Freiraum-Wellenlänge des Mikrowellensignals ist (im Fall eines UWB-Signals kann eine mittlere Wellenlänge für ein Frequenzband verwendet werden, oder eine maximale oder eine minimale Wellenlänge); eher bevorzugt befindet sich der Kabelleiter im Nahfeldbereich der Antenne (der Nahfeldbereich liegt innerhalb eines Abstandes von der Antenne gleich der Freiraum-Wellenlänge geteilt durch 2π); besonders bevorzugt ist die Antenne dem Kabel im wesentlichen benachbart. Was die Impedanz betrifft, ist die Antenne vorzugsweise so angeordnet, daß eine kapazitive Impedanz zwischen der Antenne und dem Kabel (oder genauer gesagt, dem Leiter) im wesentlichen kleiner oder gleich der Impedanz des freien Raums ist, vorzugsweise wesentlich kleiner als die Impedanz des freien Raums, zum Beispiel um einen Faktor 10. Dies trägt dazu bei, die effiziente Einkopplung des Mikrowellensignals in das Kabel sicherzustellen.
- Um die Einkopplung des Mikrowellensignals in das Kabel zu erreichen, kann so gut wie jede Art von Antenne verwendet werden, aber manche Antennenarten sind zu bevorzugen. Eine Monopolantenne, zum Beispiel mit einem einfachen Draht, sorgt für eine einfache und billige Einkopplung; in Ausführungsformen kann ein solcher Monopol in einer spiralförmigen Konfiguration ausgebildet werden, wahlweise so, daß er den Kabelleiter umschließt. Somit stellt ein weiterer Aspekt der Erfindung eine solche Antenne bereit.
- In weiteren Ausführungsformen kann die Sende-(oder Empfangs-)antenne einen Mantel umfassen, der den Umfang des Kabels teilweise oder völlig umschließt; die Geometrie eines solchen Mantels kann variiert werden, um die Impedanzanpassung fair einen Antennentreiber oder -empfänger zu erreichen.
- In noch einer weiteren Konfiguration umfaßt die Sende-(oder Empfangs-)antenne eine magnetische Schleifenantenne; in einer besonders bevorzugten Anordnung einen Transformator, in dem das Kabel die Sekundärseite und die Schleifenantenne die Primärseite bildet (umgekehrt für eine Empfangsantenne). Ein solcher Transformator kann eine Ferritschleife um das Kabel verwenden, um die Transformatorwirkung zu unterstützen. Spinell- und granatartige Ferritmaterialien sind Beispiele für geeignete Ferrite.
- Es ist zu bevorzugen, daß mindestens die Sendeantenne im wesentlichen galvanisch und kapazitiv von mindestens einem Leiter des Kabels isoliert ist, das heißt, daß aus Sicherheitsgründen kein Gleichspannungs- oder niederfrequenter (50/60 Hz) Strompfad ausgebildet wird. (In der Praxis bedeutet dies eine maximale Kopplungskapazität in der Größenordung von 100 nF.)
- Wir beschreiben auch ein Verfahren zur Übertragung eines Funkfrequenzsignals unter Verwendung eines Kabels mit mindestens einem Leiter, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Positionieren einer Sendeantenne an einem Sendepunkt an dem Kabel in einem Abstand von dem Kabel, um das Mikrowellensignal in das Kabel einzukoppeln; Ansteuern der Sendeantenne mit dem Signal, um auf dem Kabel eine sich ausbreitende Welle zur Ausbreitung entlang des Kabels zu induzieren.
- Wir beschreiben auch ein Verfahren zur Übertragung eines Funkfrequenzsignals unter Verwendung eines Kabels mit einem Bündel von im wesentlichen elektrisch getrennten Leitern, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Einkoppeln des Funkfrequenzsignals in die Leiter, um das Bündel von Leitern mit dem RF-Signal anzusteuern, so daß jeder der Leiter im wesentlichen das gleiche Signal transportiert; und Ansteuern des Bündels von Leitern mit dem RF-Signal, um ein dem Kabel zugeordnetes sich ausbreitendes RF-Signal zu induzieren.
- Somit kann das Bündel von Leitern mit einem RF-Gleichtaktsignal angesteuert werden, das heißt so, daß die Leiter Signale mit im wesentlichen gleichen Phasen und Amplituden transportieren (in bezug auf die Masse für das Signal). Das dem Kabel zugeordnete sich ausbreitende Signal kann somit ein Eintakt- Spannungssignal umfassen. Die Masse, in bezug auf welche das RF-Signal angesteuert wird, kann eine kapazitive Kopplung mit niedriger Impedanz zu einer Masse für die sich ausbreitende Welle haben oder kann eine virtuelle Masse oder eine Verbindung zum freien Raum umfassen, die elektromagnetisch mit der Masse für die sich ausbreitende Welle gekoppelt ist, zum Beispiel mittels einer Sendeantenne.
- Unter weiteren Aspekten stellt die Erfindung einen Sender, einen Empfänger und einen Sendeempfänger bereit, die dafür konfiguriert sind, die oben beschriebenen Verfahren zu implementieren.
- Somit stellt die Erfindung ferner ein Funkfrequenz-(RF-)Signalübertragungssystem zur Übertragung eines durch einen elektrischen Leiter geführten Signals von mindestens 1 GHz bereit, wobei das System folgendes umfaßt: einen elektrischen Leiter zum Führen des Signals; eine Sendeantenne, die in einem Abstand von dem Leiter positioniert ist, um das Signal in das Kabel einzukoppeln, wobei die Antenne von dem Leiter im wesentlichen galvanisch getrennt ist; und einen Eingang, der mit der Sendeantenne gekoppelt ist, um das RF-Signal zu empfangen und um eine dem Signal entsprechende RF-Ansteuerung an die Antenne zu übergeben, um eine dem Signal entsprechende, sich ausbreitende Welle auf dem elektrischen Leiter auszulösen; und wobei die sich ausbreitende Welle ein Eintaktsignal umfaßt.
- Das RF-Signalübertragungssystem kann den elektrischen Leiter einbeziehen, der zum Beispiel einen Abschnitt der Stromnetzverdrahtung umfaßt, um die Verbindung zu einem Wohnungs- oder Gewerbe-Netzstromkreis herzustellen. Dies unterstützt Sender-Ausführungsformen, die einfach in einen Netzstromkreis eingesteckt werden können. Jedoch stellt die Erfindung unter weiteren, abhängigen Aspekten auch Varianten bereit, bei denen das Signalübertragungssystem für die Kopplung mit einem Abschnitt der Stromnetzverdrahtung (in den USA oft "Stromkabel" oder "Stromleitungsverdrahtung" genannt) konfiguriert ist, und der elektrische Leiter kann dann in diesem Übertragungssystem fehlen.
- In Ausführungsformen kann die Sendeantenne dafür eingerichtet sein, die sich ausbreitenden Wellen vorzugsweise in einer Richtung entlang des Leiters zu führen, zum Beispiel weg von einer Steckdose, an die das System angeschlossen worden ist, oder weg von einem Eintrittspunkt der Verdrahtung in ein Wohn- oder Gewerbegrundstück. Eine solche Vorzugsführung kann erreicht werden, indem eine Monopolantenne an einem Ende angeschlossen und angesteuert wird, kann aber wirksamer unter Verwendung eines Paars von Sendeantennen implementiert werden, die in bezug aufeinander phasenverschoben angesteuert werden. Das Signal kann dann dafür eingerichtet werden, sich vorzugsweise zur phasenverzögerten Antenne auszubreiten, wobei ein Abstand zwischen den beiden Antennen so gewählt wird, daß er im wesentlichen für die gleiche Phasenverzögerung (für die sich ausbreitende Welle) sorgt wie die Ansteuerungs-Phasenverzögerung zwischen den Antennen. Die sich in einer Richtung (der Richtung entgegen der Richtung der Antennenansteuerungs-Phasenverzögerung) ausbreitende Welle kann dann im wesentlichen gedämpft oder ausgelöscht werden.
- Wir beschreiben außerdem ein RF-Signalübertragungssystem zur Übertragung eines durch einen oder mehrere elektrische Leiter eines elektrischen Kabels geführten RF-Signals, wobei das Signal eine Frequenz von 1 GHz oder mehr hat, wobei das System folgendes umfaßt: einen Signalumsetzer, um das RF-Signal in das elektrische Kabel einzukoppeln; einen mit dem Signalumsetzer gekoppelten Eingang, um das RF-Signal zu empfangen und eine dem Signal entsprechende RF-Ansteuerung an den Signalumsetzer zu übergeben, um auf dem einen oder den mehreren Leitern eine sich ausbreitende Welle auszulösen, die dem Signal entspricht; und Mittel zum Aufbau einer elektrischen Verbindung bei einer Frequenz des RF- Signals zu einer effektiven Masse für die sich ausbreitende Welle, wobei die effektive Masse eine indirekte Verbindung zur Erde für die sich ausbreitende Welle hat, wobei diese indirekte Verbindung eine Impedanz bei einer mittleren Frequenz des Signals hat, die im wesentlichen kleiner oder gleich der Impedanz des freien Raums ist.
- Der effektiven Masse fehlt vorzugsweise eine direkte Verbindung zur Erde für die sich ausbreitende Welle (es versteht sich, daß die Erde für die sich ausbreitende Welle normalerweise nicht durch einen Schutzleiter eines Stromkabels gebildet werden kann). Die indirekte Verbindung kann jedoch einen Stromkabelnetzabschnitt mit einer Drosselspule umfassen, um einen Abschnitt des Kabelnetzes, der die sich ausbreitende Welle transportiert, von einem Abschnitt des Kabelnetzes zu entkoppeln, der verwendet wird, um eine effektive Masse bereitzustellen. Bei den in Betracht kommenden Frequenzen wird jedoch die effektive Masse, die in manchen Ausführungsformen einfach eine Masseebene umfassen kann, zum Beispiel auf einer gedruckten Leiterplatte, effektiv mit der Erde für die sich ausbreitende Welle gekoppelt, um die Bereitstellung der RF-Ansteuerung zur Erzeugung der sich ausbreitenden Welle zu unterstützen.
- Wir beschrieben außerdem ein RF-Signalempfangssystem zum Empfang eines durch einen oder mehrere elektrische Leiter eines elektrischen Kabels geführten RF-Signals, wobei das Signal eine Frequenz von 1 GHz oder mehr hat, wobei das System folgendes umfaßt: eine Empfangsantenne zum Empfangen des geführten Signals; und Mittel zum Aufbau einer elektrischen Verbindung bei einer Frequenz des RF-Signals zu einer effektiven Masse für das geführte Signal, wobei die effektive Masse eine indirekte Verbindung zur Erde für die sich ausbreitende Welle hat, wobei diese indirekte Verbindung eine Impedanz bei einer mittleren Frequenz des Signals hat, die im wesentlichen kleiner oder gleich der Impedanz des freien Raums ist.
- In den oben beschriebenen Systemen und Verfahren kann das (Mikrowellen-)RF-Signal ein UWB-Signal umfassen. Der Impulscharakter eines solchen Signals unterstützt die Wiedergewinnung von Energie aus den vielen Mehrwegreflexionen, die sich auf Netzkabel-Stromkreisen ausbreitende Signale erfahren, und Methoden zur Wiedergewinnung solcher Energie sind in den gleichzeitig anhängigen UK-Patentanmeldungen (Nummern sind noch zu bestimmen) der Anmelder beschrieben, die am gleichen Tag wie diese Anmeldung eingereicht wurden und deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Der Fachmann wird jedoch erkennen, daß die oben beschriebenen Methoden zur Übermittlung so gut wie jeder Art von Signal verwendet werden können, vorausgesetzt, daß es eine genügend hohe Frequenz hat (über 1 GHz). Mehrweg-Effekte können durch die niederen Ebenen der Übertragungsprotokolle und/oder einen Empfängerkorrelator berücksichtigt werden, zum Beispiel durch Entfalten einer Impulsantwort des Übertragungskanals.
- Die oben beschriebenen Methoden und Systeme finden somit andere Anwendungen, zum Beispiel bei der Übermittlung von IEEE-802.11a-Signalen. IEEE 802.11a verwendet OFDM-Modulation im Bereich von 5 GHz, was seine Übertragung unter Verwendung des Stromkabelnetzes erleichtert. Wegen der relativ längeren Mehrweg-Reflexionszeiten im Vergleich zur Übertragung im freien Raum, die in Stromkabelnetzen beobachtet werden, ist es jedoch zu bevorzugen, daß das Protokoll modifiziert wird, um ein längeres Intersymbol-Schutzintervall oder ein zyklisches Präfix bereitzustellen, um solche Reflexionen zu berücksichtigen. Zum Beispiel können in manchen Stromnetzverdrahtungs-Stromkreisen Mehrwegkomponenten noch mehr als 100 ns nach einem ersten empfangenen Signal vorhanden sein. Somit kann das heutige Schutzintervall des 802.11a-Funkprotokolls von 0,8 μs zum Beispiel auf 1,0 μs oder mehr vergrößert werden. Dies kann durch eine Änderung des Übertragungsprotokolls erreicht werden, auch wenn es eine gewisse Verringerung der maximalen Datenrate gibt. Zum Beispiel verwendet die OFDM-Implementierung von 802.11 48 orthogonale Träger, die gemeinsam Symbole von 3,2 μs mit einem Schutzintervall von 0,8 μs übertragen, was eine Symbolperiode von 4 μs ergibt. Wenn das Schutzintervall auf beispielsweise 1,8 μs verlängert würde, würde die Symbolperiode auf 5 μs anwachsen, was die Symbolrate um 20% verringert.
- Allgemeiner gesagt, wird in OFDM-Kommunikationssystemen eine Folge von Modulationsdatensymbolen, wie etwa QAM-Symbolen, mit einer Matrix zur inversen (diskreten) Fouriertransformation (IFT) bearbeitet, um eine Menge von Werten bereitzustellen, die, wenn sie durch einen Digital/Analog-Umsetzer in ein analoges Signal umgesetzt sind, eine Wellenform definieren, die eine durch die Modulationsdatensymbole modulierte Menge von orthogonalen Trägern (ein OFDM-Symbol) umfaßt. Eine zyklische Verlängerung, genauer gesagt ein zyklisches Präfix, wird im Zeitbereich hinzugefügt, indem zum Beispiel einige der endgültigen Abtastwerte des I(D)FT-Ausgangssignals an den Anfang des OFDM-Symbols kopiert werden. Das zyklische Präfix (oder Suffix) verlängert das OFDM-Symbol, um ein Schutzintervall zu bilden, und zwar mit dem Ziel, Intersymbolstörung oder Mehrwegverzögerungen, die kleiner als dieses Schutzintervall sind, im wesentlichen zu beseitigen (bei der Decodierung wird dieses Schutzintervall effektiv ignoriert). Somit ist ersichtlich, daß, wenn irgendeines aus einem Bereich herkömmlicher OFDM-Kommunikationssysteme (zum Beispiel auch von Kommunikationsprotokollen von der Art des digitalen Fernsehens) unter Verwendung der oben beschriebenen Systeme und Methoden implementiert wird, das System oder die Methode einfach durch Verlängern des zyklischen Präfix angepaßt werden kann, um sich besser für eine Stromkabelumgebung zu eignen.
- Wir beschreiben außerdem ein Verfahren zur Verteilung eines Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikationssignals in einem Gebäude, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Erzeugen eines UWB-Signals; und Einkoppeln des UWB-Signals in mindestens einen elektrischen Leiter eines Netzstromversorgungs-Stromkreises des Gebäudes, um das UWB-Signal zu verteilen.
- Die Verteilung des UWB-Signals über die Netzstromversorgung eines Gebäudes, wie etwa eines Wohngebäudes, zum Beispiel eines Hauses oder einer Wohnung, ermöglicht potentiell eine vergrößerte UWB-Kommunikationsreichweite und/oder eine verringerte Leistung für eine erwünschte Entfernung. Weil sich UWB-Signale relativ schlecht durch Gebäudewände ausbreiten, ermöglicht das Verfahren außerdem potentiell die Verwendung von höherer mittlerer UWB-Sendeleistung ohne eine im gleichen Maße erhöhte Gefahr der Verursachung von Störungen.
- Es kann ein einziger UWB-Sender verwendet werden, zum Beispiel an einem Stromnetz-Eintrittspunkt in das Gebäude, aber das Verfahren umfaßt vorzugsweise die Erzeugung einer Vielzahl von UWB-Signalen in einer Vielzahl von UWB-Sendern und ihre Einkopplung in die Netzstromversorgung an unterschiedlichen Punkten innerhalb des Gebäudes. Es wird ferner bevorzugt, daß mindestens zwischen einer Teilmenge der UWB-Signale eine gemeinsame Taktung eingerichtet wird, zum Beispiel zwischen allen Sendern innerhalb eines Raums. Dies hilft, Störungen zu verringern, und unterstützt Mehrfachzugriffsmethoden wie TDMA. Ein gemeinsamer oder übereinstimmender Takt kann zwischen allen Sendern im Gebäude eingerichtet werden, indem die Netzstromversorgung als ein gemeinsam genutztes Kommunikationsmedium genutzt wird, oder alternativ können Gruppen von Sendern eingerichtet werden, wobei ein gemeinsamer oder übereinstimmender Takt und CDMA-Methoden verwendet werden, um die Störung zwischen solchen Gruppen zu verringern. (Es wird anerkannt, daß die Einrichtung einer gemeinsamen Taktung nicht erfordert, daß die Sender zur gleichen Zeit Impulse übertragen.)
- Die Mittenfrequenz und/oder die Bandbreite des UWB-Signals kann reguliert werden, um Störungen von anderen Geräten zu unterdrücken, die an die Netzstromversorgung im Gebäude angeschlossen sind, wie etwa elektrische Motoren. Zusätzlich oder alternativ kann die Taktung von UWB-Impulsen variiert werden, um die Anfälligkeit der UWB-Signale für Störungen zu verringern. Ähnliche Methoden können bei Bedarf verwendet werden, um die durch das bzw. die UWB-Signal(e) verursachte Störung zu verringern.
- Wir beschreiben außerdem ein Daten-Kommunikationsnetzwerk, wie etwa ein Paketdaten-Kommunikationsnetzwerk, das dafür konfiguriert ist, das oben beschriebene Verfahren zu verwenden.
- Wir beschreiben außerdem eine Vorrichtung zur Verteilung eines Ultrabreitband-(UWB-)Kommunikationssignals in einem Gebäude, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: Mittel zur Erzeugung eines UWB-Signals; und Mittel zur Einkopplung des UWB-Signals in mindestens einen elektrischen Leiter eines Netzstromversorgungs-Stromkreises des Gebäudes, um das UWB-Signal zu verteilen.
- Die oben beschriebene Vorrichtung kann in ein Unterhaltungselektronikgerät einbezogen werden, insbesondere in ein netzbetriebenes Unterhaltungselektronikgerät.
- Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden nun lediglich zu Beispielzwecken mit Bezug auf die beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben, wobei diese folgendes zeigen:
-
1a bis1h zeigen einen typischen UWB-Sendeempfänger, ein erstes Beispiel eines bekannten trägergestützten UWB-Senders, eine Variante dieses ersten beispielhaften Senders, ein zweites Beispiel eines bekannten trägergestützten UWB-Senders, ein drittes Beispiel eines bekannten trägergestützten UWB-Senders, einen Empfänger für den dritten beispielhaften Sender, einen bekannten UWB-Sendeempfänger, der Spreizspektrum-Methoden verwendet, bzw. eine Treiberschaltung für eine Netzstromstrahler-Antenne; -
2a bis1h zeigen Beispiele für UWB-Wellenformen; -
3a bis3e zeigen jeweils ein drahtloses UWB-Hausnetzwerk, ein ringnetzgestütztes UWB-Hausnetzwerk, eine alternative Netzstromverteilungs-Verdrahtungskonfiguration, ein erstes kabelgestütztes Zwischenverstärkersystem und ein alternatives kabelgestütztes Zwischenverstärkersystem; -
4 zeigt einige Beispiele für Netzstromkabel; -
5a und5b zeigen Beispiele für Sendeantennen zum Einkoppeln in Stromkabel; -
6a bis6c zeigen elektronische Modelle der Antennen von5a und5b ; -
7 stellt Eingangsimpedanzen von Antennen unterschiedlicher Länge schematisch dar; -
8a und8b zeigen alternative Formen von Sendeantennen; -
9a und9b zeigen Beispiele für magnetische Schleifenantennen; -
10a und10b zeigen die Schnittansicht bzw. Draufsicht einer Breitband-Kopplungsantenne; -
11a und11b zeigen Beispiele für Richtkopplungs-Antennenanordnungen; -
12 zeigt ein Beispiel einer Ringleitung mit kabelgekoppelten Sender und Empfängern; -
13a und13b zeigen ein Signalübertragungssystem bzw. eine lokale Masseebene für das System von13 ; und -
14 zeigt ein Beispiel für ein Signalempfangssystem. - Mit Bezug auf
3a zeigt diese nun ein drahtloses UWB-Hausnetzwerk300 , das die Netzstromversorgungs-Verdrahtung als Übertragungsmedium verwendet. Eine Wohnung302 hat eine ankommende Netzstromversorgung304 , die über einen Sicherungskasten306 mit einem ring- oder zweiggestützten Netzstromverteilungs-Stromkreis308 mit einer Vielzahl von Netzsteckdosen310 gekoppelt ist. Ein oder mehrere Unterhaltungselektronikgeräte (CEDs) sind in jede der Steckdosen gesteckt, wobei diese im dargestellten Beispiel ein Zusatzgerät (STB)312 , einen DVD-Spieler314 , einen Fernseh- oder Computerbildschirm316 , einen Laptop-Computer318 , einen Drucker320 , eine HiFi-Anlage322 und einen Satellitenempfänger324 umfassen. Eines oder mehrere dieser Geräte können mit einem UWB-Sender, -Empfänger oder -Sendeempfänger ausgestattet sein, um mit anderen der Geräte oder mit einer Steuereinrichtung326 , die mit dem Sicherungskasten306 gekoppelt ist, zu kommunizieren. Diese UWB-Geräte sind über Netzsteckdosen310 und im Falle der Steuereinrichtung326 über den Sicherungskasten306 mit dem Netzstromkreis308 RF-gekoppelt. Eine zusätzliche Kopplung wie etwa die Kopplung328 der Steuereinrichtung326 kann wahlweise verwendet werden. Der Sicherungskasten306 kann ein UWB-Filter einschließen, um äußere Störungen zu verringern und um das Austreten von UWB-Übertragungen aus dem Haus302 zu begrenzen. - Die Freiraum-Sendeleistung fällt mit dem Quadrat der Entfernung ab, aber Übertragungen durch die Wand fallen normalerweise schneller ab, mit einem Exponenten zwischen –3 und –4. Die Kopplung der UWB-Sender eines Unterhaltungselektronikgeräts mit dem Netzstromkreis unterstützt die UWB-gestützte Vernetzung zwischen den Geräten durch Bereitstellung verbesserter Ausbreitung, zum Beispiel zwischen Geräten, die durch eine Wand getrennt sind. Zum Beispiel können in der Stromnetzverdrahtung UWB-Ausbreitungsentfernungen von mehr als 10 m erreicht werden.
- Die Verwendung von UWB-Kommunikation unterstützt insbesondere Übertragungsstrecken mit hoher Datenrate, wie etwa Audio- und vor allem Video-Übertragungsstrecken. Geräte wie etwa Personal-Digital-Assistenten (PDA)
330 und eine Kamera332 , die nicht direkt mit dem Netzstromkreis208 verbunden sind, können mit einem netzbetriebenen und UWB-fähigen Gerät wie etwa der HiFi-Anlage322 kommunizieren, zum Beispiel über eine Bluetooth-Übertragungsstrecke334 , und somit Zugriff auf netzkabelunterstützte UWB-Sender- und/oder -Empfängertechnik erlangen. - Mit Bezug auf
3b zeigt diese nun ein Beispiel eines ringnetzgestützten UWB-Hausnetzwerks340 , in dem Bestandteile, die gleich denen von3a sind, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. - In
3b sind zwei netzbetriebene Unterhaltungselektronikgeräte342 ,344 gezeigt, die jeweils einen Netzeingang haben, der an eine innere Stromversorgung angeschlossen ist, um den Bauelementen des Geräts und auch einem UWB-Sendeempfänger346 , der durch das Kopplungsmittel348 mit dem Netzeingang gekoppelt ist, Gleichstrom zuzuführen. Die Steuereinrichtung326 ist ähnlich und weist die netzbetriebene Stromversorgung350 und eine Netzwerk-Steuereinrichtung352 auf, um zum Beispiel für die Sender der Sendeempfäger346 den Zugriff im Zeit- und/oder Frequenzbereich auf das gesamte Netzwerk oder einen Teil davon zu steuern. - Ein batteriebetriebenes Unterhaltungselektronikgerät
354 weist einen UWB-Empfänger356 und wahlweise einen UWB-Sender (nicht gezeigt) auf. Das Gerät354 kann UWB-Signale empfangen, die von Netzstromleitungen ausgestrahlt werden, und weil es keinen direkten Zugang zur stromnetzverdrahtungsunterstützten UWB-Signalausbreitung hat, kann es über einen Vermittler senden, wie etwa eines der Geräte342 ,344 oder die Steuereinrichtung326 . Alternativ können UWB-Übertragungen vom Gerät354 drahtlos in die Stromnetzverdrahtung eingekoppelt werden. -
3c zeigt eine alternative Netzstromverteilungs-Verdrahtungskonfiguration, auf die die hierin beschriebenen Methoden angewendet werden können. In3c sind Bestandteile, die gleich denen von3a und3b sind, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. -
3d zeigt einen Abschnitt eines Gebäudes380 mit einem ersten und einem zweiten Raum382 ,384 , die durch eine mit Folie verkleidete Wand386 getrennt sind. Ein Paar von UWB-Sendeempfängern358 ,360 ist ausgebildet, um ein Signal, vorzugsweise in beiden Richtungen, durch die Wand386 (die elektromagnetische Wellen im freien Raum bei den in Betracht kommenden Frequenzen erheblich dämpft) von einem der Räume in den anderen zu transportieren. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt jedes der Geräte358 ,360 einen Empfänger, um UWB-Signale zu empfangen, die durch das Netzkabel308 geführt werden, und um diese Signale mittels einer jeweiligen Antenne358a ,360a zurück in die Luft zu senden. Jedes Gerät358 ,360 weist vorzugsweise auch einen Empfänger auf, um Signale von den Antennen358a ,360a zu empfangen und um diese Signale in das Netzkabel308 einzukoppeln, um zu ermöglichen, daß Off-air-Signale effizienter von einem Raum zum nächsten transportiert werden. Somit können die Sendeempfänger358 ,360 als drahtlose Zwischenverstärker fungieren, indem sie in den Luftkanal auf beiden Seiten der Wand356 mittels des Netzkabels zwischen ihnen einkoppeln. Da diese Geräte das Signal nicht codieren oder decodieren oder in Ausführungsformen irgendwelche erhebliche Verarbeitung durchführen müssen, können die Geräte358 ,360 im wesentlichen Verstärker umfassen. -
3e zeigt eine Anordnung ähnlich der von3d , in der ein Paar von netzbetriebenen gekoppelten Zwischenverstärkern368 ,370 als Zwischenverstärker für IEEE-1394- oder "FireWire"-(Warenzeichen-)Signale von und zu FireWire-Schnittstellen fungieren, in diesem Beispiel von einer digitalen Videokamera372 und einer Festplatte (oder einem Videorecorder)374 . Auf diese Weise kann der IEEE-1394-Bus in Heim- und Gewerbe-Netzwerkumgebungen erweitert werden. Wahlweise kann ein serieller Busbrückenstandard wie etwa IEEE 1394.1 verwendet werden. Der Fachmann wird erkennen, daß andere lokal verbundene Inseln unter Verwendung anderer Netzkabel-Sendeempfänger oder Zwischenverstärker auf ähnliche Weise miteinander verbunden werden können. -
4 zeigt einige Beispiele von Stromkabeln, die für Stromnetzverdrahtung verwendet werden, bisher mit dem Bezugszeichen308 bezeichnet. Ein solches Kabelnetz umfaßt im allgemeinen ein Paar von Leitern400 ,402 für eine spannungsführende bzw. eine Nullverbindung und wahlweise für einen dritten Leiter404 , um eine Erdverbindung bereitzustellen. Spannungsführender und Nulleiter sind im allgemeinen doppelt isoliert, das heißt sowohl durch eine isolierende Hülle isoliert als auch durch einen isolierenden Kabelmantel406 , in dem alle Leiter angeordnet sind. Die Verdrahtung mit flachem Querschnitt410 ist typisch für einen Ringstromkreis; flexibles zweiadriges (412 ) und dreiadriges (414 ) Netzkabel wird oft für Verbindungen zu Elektrogeräten verwendet; das vieradrige Kabel416 kann für Beleuchtungswechselschaltungen verwendet werden, und das dickere vieradrige Kabel418 kann für Drehstromversorgungen sowohl in Wohn- als auch in Gewerberäumlichkeiten verwendet werden. Wahlweise kann ein solches Kabel in einem Schutzrohr420 eingeschlossen sein, was in diesem Beispiel für das Ringleitungs-Netzkabel410 und das Drehstrom-Versorgungskabel418 gezeigt ist. Nachfolgend werden all diese verschiedenen Kabeltypen einschließlich des Schutzrohrs (wo es installiert ist) durch ein einziges Bezugszeichen308 bezeichnet. - Andere Typen von Kabeln können ebenfalls verwendet werden, um Hochfrequenz-RF-Signale zu führen, wie später beschrieben wird. Einige dieser Typen von Kabeln sind u.a. MICC-Kabel (zum Beispiel von Pyrotenax Cables Limited, Vereinigtes Königreich, erhältlich), Koaxialkabel, Klingeldraht, mehradrige Kabel, CAT5-Kabel, Telefonkabel und Alarmkabel auf. Ein Alarmsystemkabelnetz kann zum Beispiel verwendet werden, um vorhandene Alarmsysteme mit Videokameras nachzurüsten, wobei die Videokameras über das Alarmsystemkabelnetz unter Verwendung von Methoden gemäß den nachstehend beschriebenen Prinzipien kommunizieren.
- Mit Bezug auf
5a zeigt diese nunmehr eine einfache Ausführungsform einer Sendeantennenkopplung500 mit einem Netzkabel308 . Eine Ansteuerungs-Ausgangsleitung502 von einem Sender, der ein Signal mit einer Frequenz von 1 GHz oder mehr bereitstellt, steuert eine Monopolantenne504 an, die in diesem Beispiel eine Lange l hat, die annähernd gleich der halben mittleren Wellenlänge des Signals vom Sender ist (wobei im Fall eines UWB-Senders als Mittelwert eine Frequenz in der Mitte eines UWB-Bandes genommen wird). (In anderen Ausführungsformen können andere Längen verwendet werden, zum Beispiel ein Viertelwellen-Monopol.) Die Kopplung500 von5a hat einen Monopol504 , der von einen Ende angesteuert wird, was der Kopplung ein gewisses Maß an Richtwirkung verleiht, wobei sich in5 die Signale von links nach rechts entlang der Antenne bewegen und somit dazu neigen, eine sich ausbreitende Welle zu induzieren, die sich im Netzkabel308 von links nach rechts bewegt. - In Betrieb wird, allgemein gesagt, das Mikrowellensignal vom Sender von der Monopolantenne
504 ausgestrahlt und in das Netzkabel308 eingekoppelt, wie weiter unten beschrieben, wobei eine sich auf der Oberfläche bewegende Welle auf dem Netzkabel induziert wird, etwa vergleichbar mit einer Welle bei einem Schlauch, der an einem Ende geschwenkt wird. Die sich ausbreitende Welle ist eigentlich auf Masse bezogen, aber in diesem Fall umfaßt die Masse für die sich ausbreitende Welle die Umgebung oder Umwelt des Netzkabels308 , vor allem die Teile der Umgebung, die einen niedrigeren elektrischen Widerstand als andere Teile haben (was freilich nicht auf diejenigen Materialien beschränkt ist, die normalerweise als gute elektrische Leiter angesehen werden). Die Leiter des Netzkabels308 transportieren im wesentlichen ein Gleichtaktsignal – das heißt, soweit es eine sich ausbreitende Welle betrifft, erscheinen sie wie (oder annähernd wie) ein einziger Leiter. Falls das Netzkabel308 zum Beispiel drei Leiter in einem metallischen Schutzrohr umfaßt, wird das Schutzrohr eigentlich zu einem vierten Leiter. - Mit Bezug auf
5b zeigt diese nunmehr eine verbesserte Kopplungsvorrichtung gemäß ähnlichen Prinzipien wie bei der in5a gezeigten. In5b ist der Sender-Ansteuerungsausgang502 jedoch mit (wie dargestellt) einem Ende eines leitfähigen Mantels512 um das Netzkabel308 (innerhalb oder außerhalb eines möglicherweise vorhandenen Schutzrohrs) verbunden. Der Mantel512 besteht vorzugsweise aus einem guten Leiter wie etwa Metall und kann u.a. eine Metallplattierung und/oder ein Metallgeflecht oder, noch einfacher, ein Kupfer-Klebeband sein. Es ist zu bevorzugen, daß der Mantel512 vom Netzkabel308 isoliert ist (wie es normalerweise der Fall wäre), und es ist ferner zu bevorzugen, daß der Mantel so nahe am Netzkabel308 angeordnet ist, wie es praktisch durchführbar ist, obwohl der Mantel den Kabelumfang nicht vollständig umschließen muß, wie es gezeigt ist. Geeignete Materialien für den Mantel512 sind u.a. Aluminium, Kupfer, Gold und Silber. - Der Innendurchmesser des Mantels
512 ist vorzugsweise so bemessen, daß er zum Netzkabel paßt, und liegt normalerweise in der Größenordnung von einem Zentimeter; wobei die Länge l des Mantels512 auf die gleiche Weise gewählt werden kann, wie es oben mit Bezug auf5a oder die Monopolantenne504 beschrieben wurde, und hängt von der Wellenlänge des gesendeten Signals ab, aber liegt normalerweise wiederum in der Größenordnung von einen Zentimeter. Die Länge des Mantels512 und sein Abstand vom Kabel hängt von der benötigten kapazitiven Kopplung ab, und allgemein gesagt, sollte es für eine gute elektrische Kopplung bei der bzw. den in Betracht kommenden Frequenz(en) (in diesen Fall 1 GHz oder höher) genug Kapazität zwischen dem Mantel512 und dem Kabel308 geben, wenngleich es keinen besonderen Vorteil gibt, wenn mehr Kapazität als für eine gute Kopplung erforderlich bereitgestellt wird. Wie der Fachmann verstehen wird, hängt die Kapazität vom Durchmesser des Mantels512 , der Länge des Mantels512 und auch von dem Material ab, aus dem das Kabel308 besteht, insbesondere vom Material der Isolierung. Jedoch kann, wie weiter unten beschrieben wird, die Länge l auch variiert werden, um die Induktivität und/oder die Impedanz der Antenne zu variieren (wenn die Auswirkungen von stehenden/laufenden Wellen auf die Antenne betrachtet werden). -
6a zeigt ein vereinfachtes elektrisches Modell der Antennen von5a und5b , in dem die Kopplung zwischen der Antenne504 ,512 und dem Kabel308 zu einer Kapazität600 vereinfacht ist. Für gute elektrische Kopplung ist es wünschenswert, daß die kapazitive Impedanz bei der mittleren Ansteuerungsfrequenz (oder vorzugsweise bei der niedrigsten verwendeten Sender-Ausgangsfrequenz) ZC kleiner und vorzugsweise wesentlich kleiner als die Impedanz des freien Raums Z0 ist, die annähernd gleich 377 Ω ist (wobei ZC = 1/(2πfC), wobei f die Arbeitsfrequenz ist). Das liegt daran, daß es bei dem Netzkabel308 und insbesondere bei einer elektromagnetischen Welle auf dem Kabel zu einer Freiraum-Impedanz von annähernd 300 Ω kommt, und um zu vermeiden, daß zuviel Spannung über die Kopplungskapazität600 verlorengeht, ist die Impedanz dieser Kapazität vorzugsweise mindestens zehnmal kleiner als die Freiraum-Impedanz. -
6b stellt ein genaueres elektrisches Modell610 der Antenne-Kabel-Systeme von5a unter Verwendung verteilter Komponenten dar, in dem das Netzkabel und die Antenne504 ,512 mit verteilter Induktivität gezeigt werden und in dem die Kopplungskapazität ebenfalls verteilt ist.6c stellt ein weiteres Modell des Antenne-Kabel-Systems dar, in dem der Ohmsche Widerstand der Antenne (im allgemeinen klein) mit R, die Induktivität der Antenne mit L und die Kapazität der Kopplung mit C bezeichnet ist (zum Zweck der Modellierung ist gezeigt, daß die Antenne eine Last von 50 Ω treibt). Die Werte von L und C hängen unter anderem von der Lange der Antenne ab. Für eine Viertelwellenantenne bei 6 GHz sind beispielhafte Werte L = 12 nH und C = 46 fF; die Gate Q der Schaltung bei Resonanz ist entweder durch die induktive oder die kapazitive Impedanz (diese sind bei Resonanz gleich), geteilt durch die Verlustimpedanz (50 Ω in diesem Fall), gegeben. Mit Bezug auf7 stellt diese als nächstes die Auswirkungen der Änderung der Antennenlänge (bezogen auf die Wellenlänge des gesendeten Signals) auf die Eingangsimpedanz der Antenne dar. Beispiel700 zeigt eine Halbwellenantenne dar, wobei die gestrichelte Linie702 die Stromverteilung darstellt; es ist ersichtlich, daß, da der Strom an einem Ende704 im wesentlichen null ist, die Ansteuerung der Antenne von diesem Ende her der Ansteuerung eines offenen Stromkreisendes entspricht, und somit ist die Eingangsimpedanz hoch. Beispiel710 zeigt eine Viertelwellenantenne mit einer Stromverteilung712 ; es ist ersichtlich, daß die Ansteuerung der Antenne am Ende714 der Verursachung eines Kurzschlusses nahekommt. Beispiel720 zeigt die Antenne von Beispiel700 , wobei die Länge um einen kleinen Bruchteil, sagen wir annähernd 5%, gegenüber der Halbwellenlängen-Länge gekürzt ist. Die Stromverteilung722 zeigt, daß durch Variieren der genauen Länge der Antenne die Eingangsimpedanz am Ende724 so variiert werden kann wie erwünscht, zum Beispiel um eine Eingangsimpedanz von 75 Ω zu erreichen. - Mit Bezug auf
8a und8b zeigen diese als nächstes ein Beispiel einer spiralförmigen Monopolantenne800 , die im Fall von8a an das Netzkabel308 angrenzt und im Fall von8b das Netzkabel308 umschließt. Solche Antennenkonfigurationen sorgen für eine zusätzliche Induktivität, die (mit Bezug auf6b ) eine langsame Ausbreitung eines gesendeten Signals entlang der Antenne von der Antennenansteuerungsleitung502 bewirken können und somit zum Beispiel zur Unterstützung der Richtkopplung verwendet werden können. -
9a und9b stellen Beispiele für magnetische Schleifenkopplung zum Netzkabel308 schematisch dar. In9a umfaßt eine magnetische Schleifenantenne900 eine oder mehrere Windungen eines Drahtes angrenzend an das Netzkabel308 und wird durch einen Sender mit der in Betracht kommenden Frequenz angesteuert, was durch die Quelle902 schematisch dargestellt ist. In der Anordnung von9a bildet die magnetische Schleifenantenne900 effektiv eine Wicklung eines Transformators, dessen andere Wicklung eine einzige Wicklung hat, die aus dem Netzkabel308 besteht. -
9b zeigt eine ähnliche, aber verbesserte Anordnung, in der eine magnetische Schleife910 um einen Ferritring912 ausgebildet ist, durch den das Netzkabel308 hindurchführt. Dies verbessert die magnetische Kopplung der Antenne910 mit dem Netzkabel. In anderen Anordnungen muß der Ferritring912 keinen vollständigen Ring um das Netzkabel308 bilden. Ein geeignetes Ferritmaterial zur Verwendung bei Frequenzen oberhalb von 1 GHz ist ein spinell- oder granatartiges Material. - In den Antennen von
9a und9b versucht die magnetische Schleifenantenne eigentlich, einen Stromfluß im Netzkabel308 zu verursachen, und auch wenn in Wirklichkeit kein Strom fließt, wird eine Spannung auf dem Kabel erzeugt. Das Kopplungsverhältnis hängt von der Anzahl der Windungen der magnetische Schleifenantenne900 ab, wobei das Netzkabel308 als eine einzige Windung zählt, so daß zum Beispiel ein Verhältnis von 10:1 dazu führt, daß ein Strom I in der magnetische Schleife900 ,910 versucht, das Fließen eines Stroms 10 I im Netzkabel308 zu verursachen. -
10a stellt die Verwendung einer Breitbandantenne1000 wie etwa der SMT-3TO10M von SkyCross Corp., Florida, USA, dar. Diese Antenne ist zur Breitbandübertragung in den freien Raum gedacht, aber die Erfinder haben erkannt, daß sie gemäß den oben beschriebenen Verfahren zur Kopplung eines Breitbandsignals wie etwa eines UWB-Signals in das Netzkabel308 verwendet werden kann. Die Breitbandantenne ist unter Verwendung der patentierten "Meander Line Antenna"-Technologie von SkyCross gestaltet und ist eigentlich eine Form einer gefalteten Dipolantenne. Wie oben wird die Antenne1000 vorzugsweise nahe dem Netzkabel308 oder angrenzend daran angeordnet. -
11a stellt eine Monopolantenne1100 dar, zu der Verbindungen entweder an einem Ende1102a oder in der Mitte1102b hergestellt werden können, um Richtwirkungen zu erreichen. Wenn sie in der Mitte angesteuert wird, zeigt die Antenne eine niedrige Eingangsimpedanz und erzeugt Wellen1104 , die sich in zwei entgegengesetzten Richtungen ausbreiten; wenn sie an einem Ende1102a angesteuert wird, zeigt die Antenne eine hohe Eingangsimpedanz und erzeugt eine Welle1106 , die sich vorzugsweise in einer Richtung bewegt, was der Selbstinduktivität der Antenne zugeschrieben werden kann. Eine solche gerichtete Ausbreitung ist nützlich, wenn es zum Beispiel erwünscht ist, ein Signal von einer Steckdose wegzusenden, an die ein Sender angeschlossen ist, oder weg von einer Verteilerdose, oder in bestimmten Netzverdrahtungskonfigurationen wie etwa einem sternförmig verdrahteten Netzstromkreis, wie in3c dargestellt. -
11b zeigt ein zweites Beispiel einer Sendeantennenkonfiguration, die verwendet werden kann, um Wellen auszulösen, die sich entlang dem Kabel308 vorzugsweise in einer Richtung ausbreiten. In11b wird ein Paar von Monopolantennen1150a , b durch ein einziges Sendersignal mit 0 Grad Phasenverzögerung bzw. 90 Grad Phasenverzögerung angesteuert. Die Antennen1150a , b haben jeweils eine Länge von etwas weniger als einer Viertelwellenlänge und sind entlang dem Netzkabel308 in einem Abstand gleich einer Viertelwellenlänge der mittleren Senderfrequenz der sich in dem Netzkabel308 ausbreitenden Welle angeordnet. Da die Antennen1150a , b um 90° phasenverschoben angesteuert werden, wird eine durch die Antenne1150 erzeugte Welle, die sich in der Richtung1152 ausbreitet, durch die Ansteuerung von der Antenne1150b verstärkt, aber eine Welle von der Antenne1150b , die sich in der entgegengesetzten Richtung zur Richtung1152 bewegt, wird durch die Ansteuerung von der Antenne1150a ausgelöscht. Die um 90° phasenverschobene Ansteuerung der Antennen und ihre Anordnung in einem Abstand von einem Viertel der Wellenlänge der mittleren Übertragungsfrequenz im Netzkabel ergibt einen Spezialfall, in dem komplette Auslöschung auftritt, und das Signal wird im wesentlichen in einer Richtung entlang dem Netzkabel fortgeleitet. Man wird anerkennen, daß andere Phasenverzögerungen und Abstände angewendet werden können, die schlechtere Richtwirkung ergeben, aber vorzugsweise sollte der Abstand gleich der durch Abstände ausgedrückten Phasenverzögerung sein, das heißt ein Bruchteil der Wellenlänge des gesendeten Signals im Netzkabel. -
12 stellt ein Beispiel einer Ringnetzleitung1200 mit einer Vielzahl von Steckdosen1202 und Stichleitungen1204 und, wie dargestellt, einer Erdung1206 an einem Punkt für einen Erdungsdraht innerhalb des Kabels dar. Ein Sender1210 ist an einem Punkt mit der Ringleitung1200 gekoppelt; ein Sendeempfänger1212 ist an einem anderen Punkt mit der Ringleitung1200 gekoppelt; ein Empfänger1214 ist an einem dritten Punkt mit der Ringleitung1200 gekoppelt; und andere Empfänger1216 ,1218 empfangen Signale, die durch die Ringleitung1200 ausgestrahlt werden oder zumindest in ihrer Nähe vorhanden sind. Die Steckdosen1202 , die Stichleitungen1204 und die Erdung1206 bilden Impedanz-Unstetigkeiten innerhalb der Ringleitung, die Reflexionen verursachen, was zu einer Vielzahl von Mehrweg-Komponenten, Kerben in der Frequenzantwort des Stromkreises und dergleichen führt. In einer Ringleitungs- oder Stichleitungsverbindung kann ein Signal vielfach reflektiert werden, bevor es abklingt, und somit können die Mehrweg-Komponenten von langer Dauer sein. - Wie in
12 schematisch dargestellt, sind die Sende- und Empfangsanzapfungen ähnlich, und es kann eine Vielzahl von Sende- und Empfangsanzapfungen an einen einzigen Netzkabel geben. Da ein elektromagnetisches Feld, das durch Wellen erzeugt wird, die sich auf dem Kabel ausbreiten, auch auf der Kabelmasse existiert, kann ein Signal, das sich auf dem Kabel ausbreitet, auch durch die Empfänger1216 ,1218 empfangen werden, die nicht direkt dem Kabel benachbart sind, sondern sich lediglich in einem Raum zwischen dem Kabel und einer umgebenden Masse befinden. - Mit Bezug auf
13 zeigt diese als nächstes eine schematische Darstellung eines Senders1300 zur Auslösung eines sich auf einem Netzkabel308 ausbreitenden Mikrowellensignals. Der Sender1300 hat einen Eingang von einer Quelle1302 , wie etwa einem herkömmlichen Sender, zum Beispiel einem OFDM-Sender, oder einer UWB-Quelle. Die Quelle1302 ist zwischen einen Eingangsanschluß1304 und eine lokale Masseebene1306 geschaltet. Diese lokale Masseebene kann zum Beispiel 0 Volt haben, und Stromversorgungsleitungen einer gedruckten Leiterplatte umfassen oder eines anderen Substrats, auf dem der Sender ausgebildet ist, aber im allgemeinen nicht die Erde des Stromnetzes (siehe aber die nachstehende Beschreibung von13b ). Der Sender1300 weist einen Antennentreiber1308 auf, der mit dem Eingang1304 gekoppelt ist und ein Ansteuerungs-Ausgangssignal1310 an ein Netzkabel-Kopplungsgerät1312 wie etwa die Antennen504 ,512 von5 und die Antennen800 von8 , die Antennen900 ,912 von9 , die Antenne1000 von10 oder die Antennenkonfigurationen1100 ,1150 von11 übergibt. Wahlweise kann auch eine herkömmliche Sendeantenne1314 zur Ausstrahlung in den freien Raum mit dem Ausgang des Treibers1308 gekoppelt werden. Das Netzkabel-Kopplungsgerät1312 kann zusammen mit einem an das Netzkabel308 angeschlossenen Abschnitt der Stromnetzverdrahtung in ein Gehäuse1316 des Senders1300 eingeschlossen werden, zum Beispiel um einen einsteckbaren Sender bereitzustellen. - Die Verbindung der lokalen Masse
1306 zu einer Masse für eine sich auf dem Netzkabel308 ausbreitende Welle wird als nächstes beschrieben. Eine sich ausbreitende Welle des Netzkabels308 hat eine Masse, die aus der lokalen Umgebung des Netzkabels besteht, die hier durch die "tatsächliche" Masse1320 dargestellt ist, wenngleich in der Praxis diese Masse in einem Gebäude aus verschiedenen der besser leitenden Teile des Gebäudes gebildet wird. Die lokale Masseebene1306 kann dann bei den in Betracht kommenden Frequenzen so angeordnet werden, daß sie eine Kopplung mit relativ niedriger Impedanz zur Erde oder Masse1320 hat, indem dafür gesorgt wird, daß eine Kopplungskapazität1322 zwischen der lokalen Masse1306 und der Erde1320 hinreichend groß ist. Es sei hier erwähnt, daß die Kapazität1322 im allgemeinen kein diskretes Bauelement ist, sondern durch die Kapazität der lokalen Masseebene1306 und der Umgebung, in der sich der Sender befindet, gebildet wird. Weil die Frequenzen hoch sind, nämlich größer als 1 GHz, kann eine relativ niedrige Impedanz immer noch für eine gute Kopplung, das heißt eine mit niedriger Impedanz, zur Erde1320 sorgen. Es wird bevorzugt, daß die Impedanz der Kapazität1322 bei den in Betracht kommenden Frequenzen relativ zur Impedanz des freien Raums niedrig ist, denn weil der Sender das Netzkabel308 in eine Freiraumimpedanz gegenüber Masse ansteuert, gibt es in Wirklichkeit eine Impedanz von annähernd 300 Ω zwischen dem Kabel308 und der Masse1320 . Um eine solche Kopplung zu erreichen, sollte die Masseebene vorzugsweise eine oder mehrere Abmessungen haben, die mit einer mittleren Wellenlänge des Senders bei der oder den verwendeten Frequenz(en) vergleichbar sind, das heißt bei 1 GHz ist eine Masseebene von 30 cm erwünscht und bei 10 GHz ist eine Masseebene von 3 cm erwünscht (wenngleich unter manchen Umständen eine Halb- oder Viertelwellenebene eher angemessen sein kann). -
13b zeigt, daß ein Leiter eines Netzkabels, in diesem Fall der Schutzleiter, verwendet werden kann, um eine größere Masseebene bereitzustellen. Ein Abschnitt1330 des Schutzleiters ist bei den in Betracht kommenden Frequenzen im wesentlichen durch eine Drosselspule mit hoher Impedanz getrennt, in diesem Beispiel eine Spule1332 und eine Ferritperle1334 . Dadurch kann ein anderer Abschnitt1336 des Netzkabels308 verwendet werden, um die sich ausbreitende Welle zu transportieren. -
13a stellt eine weitere Methode dar, die verwendet werden kann, um eine virtuelle Masse für die sich auf dem Kabel308 ausbreitende Welle bereitzustellen. Diese umfaßt eine differentielle Ansteuerung in den freien Raum mit einer Sendeantenne1340 , die mit dem Ausgang eines mit dem Eingang1304 gekoppelten invertierenden Treibers1342 gekoppelt ist. Somit wird die Sendeantenne1340 mit einer invertierten oder Differenzversion des Eingangssignals angesteuert, so daß die Masse für die sich auf dem Kabel308 ausbreitende Welle eigentlich aus einer durch die Antenne1340 gebildete Verbindung zum freien Raum besteht. Die Antenne1340 kann irgendeine herkömmliche Antenne sein, in einer Ausführungsform einen Viertelwellen-Monopol. Entweder diese virtuelle Masse oder eine mit der Erde1320 gekoppelte Masseebene oder beide zusammen können im Sender1300 verwendet werden. Außerdem kann der Sender1300 , wie bereits erwähnt wurde, gleichzeitig mittels der Antenne1340 in und entlang dem Kabel308 durch die Luft senden, um zu ermöglichen, daß ein Empfänger die Freiraumübertragung empfängt, wenn diese verfügbar ist, und ein durch das Kabel308 geführtes Signal, wenn er sich außerhalb der direkten Reichweite befindet. - Allgemein gesagt, kann ein Empfänger zum Empfang eines durch das Kabel
308 geführten Signals aufgebaut werden, indem einer oder beide Antennentreiber1308 ,1342 durch eine Empfängervorstufe ersetzt werden.14 stellt eine Ausführungsform eines alternativen Empfängers1400 dar, in dem gleiche Bestandteile wie die in13a durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Somit hat der Empfänger ein Kopplungsgerät1312 , das ein Eingangssignal an eine Empfängervorstufe1402 übergibt, und eine Masseebene1306 , die entweder kapazitiv mit Erde oder Masse für eine sich auf dem Kabel308 ausbreitende Welle gekoppelt sein kann oder die mittels einer Empfangsantenne1404 wie etwa einem Viertelwellenmonopol mit dem freien Raum gekoppelt sein kann (oder diese Methoden können beide verwendet werden). Wenn ein Viertelwellen-Monopol verwendet wird, hat ein Punkt1404a auf der lokalen Masseebene1306 eine relativ niedrige Impedanz. Der Empfänger hat ein Ausgangssignal1406 , das zwischen dem Ausgang der Empfängervorstufe1402 und der Masseebene1306 entnommen wird. - Zweifellos sind für den Fachmann viele weitere wirksame Alternativen möglich. Zum Beispiel sind die Anwendungen der oben beschriebenen Methoden nicht auf Wohngebäude beschränkt, sondern können auch in Büroräumen und Industriegebäuden verwendet werden. Ebenso können, wenngleich die Methoden mit Bezug auf die Einphasen-Stromversorgung beschrieben worden sind, die normalerweise in Wohnhäusern anzufinden ist, entsprechende Methoden auch bei den Dreiphasen-Stromkreisen verwendet werden, die häufiger in der Industrie anzufinden sind.
- In Alternativen zu den oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen kann die netzkabelgestützte (UWB-)Signalverteilung durch eine (UWB-)Signalverteilung auf der Grundlage eines alternativen Gebäude-Kabelnetzsystems ersetzt (oder ergänzt) werden. Somit können anstelle des einen oder der beiden elektrischen Leiter einer Netzstromversorgung (oder zusätzlich dazu) ein oder zwei Leiter eines Computer-Netzwerkkabels, wie etwa eines CAT5-Kabels, oder ein oder zwei Leiter eines Telefonkabels verwendet werden, um das (UWB-)Signal zu verteilen. Aus den bereits erwähnten Gründen verringert der leistungsarme ultrabreitbandige Impulscharakter des Signals die Wahrscheinlichkeit von Störungen bestehender Signale, die auf diesen Kabeln transportiert werden.
- Es ist verständlich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und Modifikationen einschließt, die für den Fachmann offensichtlich sind.
Claims (26)
- Verfahren zur Übermittlung eines Ultrabreitband-(UWB-)Mikrowellensignals mit einer Frequenz von 1 GHz oder höher unter Verwendung eines Kabels (
308 ) der mindestens einen Leiter umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Positionieren einer Sendeantenne (504 ;512 ) an einem Sendepunkt an dem Kabel in einem Abstand von dem Kabel, um das Mikrowellensignal in das Kabel einzukoppeln; Ansteuern der Sendeantenne mit dem Mikrowellensignal, um auf dem Kabel eine sich ausbreitende Welle zur Ausbreitung entlang des Kabels zu induzieren; Positionieren einer Empfangsantenne (504 ;512 ), um ein durch die sich ausbreitende Welle erzeugtes elektromagnetisches Signal zu empfangen; Empfangen einer Version des Mikrowellensignals unter Verwendung der Empfangsantenne; und wobei die sich ausbreitende Welle ein Eintaktsignal umfasst. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abstand kleiner oder gleich einer durchschnittlichen Freiraum-Wellenlänge des Mikrowellensignals ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abstand derartig ist, daß eine kapazitive Impedanz zwischen der Antenne und dem Kabel kleiner als die Freiraum-Impedanz ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entweder die Sendeantenne oder die Empfangsantenne eine Monopolantenne umfasst.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entweder die Sendeantenne oder die Empfangsantenne eine Magnetschleifenantenne umfasst.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens die Sendeantenne oder die Empfangsantenne von dem mindestens einen Leiter im Wesentlichen galvanisch getrennt ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ansteuern den Schritt umfasst: Ansteuern der Sendeantenne in bezug auf eine Masse.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Masse eine Verbindung zum freien Raum umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Masse eine lokale Masse mit einer kapazitiven Kopplung mit einer Masse für die sich ausbreitende Welle umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Masse einen Stromnetzverdrahtungsabschnitt umfasst.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ansteuern den Schritt umfasst: Induzieren der sich ausbreitenden Welle zur vorzugsweisen Ausbreitung in einer Richtung entlang des Kabels.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kabel ein Wechselstromnetzkabel umfasst.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kabel ein Wechselstromnetzkabel umfasst.
- Ultrabreitband-(UWB-)Funkfrequenz-(RF-)Signalübertragungssystem (
1300 ) zur Übertragung eines Signals von mindestens 1 GHz, das durch einen elektrischen Leiter geführt wird, wobei das System folgendes umfasst: einen elektrischen Leiter (308 ) zum Führen des Signals; eine Sendeantenne (504 ;512 ), die in einem Abstand von dem Leiter positioniert ist, um das Mikrowellensignal in das Kabel einzukoppeln, wobei die Antenne von dem Leiter im Wesentlichen galvanisch getrennt ist; und einen Eingang (1304 ), der mit der Sendeantenne gekoppelt ist, um das RF-Signal zu empfangen und um eine dem Signal entsprechende RF-Ansteuerung an die Antenne zu übergeben, um eine dem Signal entsprechende, sich ausbreitende Welle auf dem elektrischen Leiter auszulösen; und wobei die sich ausbreitende Welle eine Eintaktspannung umfasst. - System nach Anspruch 14, wobei der Abstand von dem elektrischen Leiter kleiner als eine Wellenlänge des RF-Signals ist.
- System nach Anspruch 14, wobei der Abstand derartig ist, daß eine kapazitive Impedanz zwischen der Antenne und dem Kabel kleiner als die Freiraum-Impedanz ist.
- Signalübertragungssystem nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei die RF-Ansteuerung auf eine Referenzpegelverbindung bezogen ist.
- Signalübertragungssystem nach Anspruch 17, wobei die Referenzpegelverbindung eine Masse für das Übertragungssystem umfasst, die mit einer Masse für die sich ausbreitende Welle gekoppelt ist.
- Signalübertragungssystem nach Anspruch 18, wobei die Kopplung zwischen der Masse des Übertragungssystems und der Masse für die sich ausbreitende Welle eine Impedanz hat, die im wesentlichen kleiner oder gleich der Freiraum-Impedanz ist.
- Signalübertragungssystem nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei die Referenzpegelverbindung einen Stromnetzverdrahtungsabschnitt für das Signalübertragungssystem umfasst, der für das RF-Signal im wesentlichen von dem elektrischen Leiter getrennt ist.
- Signalübertragungssystem nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei die Referenzpegelverbindung eine Verbindung zum freien Raum umfasst.
- Signalübertragungssystem nach Anspruch 21, wobei die Verbindung zum freien Raum eine zweite Antenne (
1340 ) und einen zweiten Antennentreiber (1342 ) zum Ansteuern der zweiten Antenne mit einer invertierten Version des RF-Signals umfasst. - Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei die Sendeantenne ein Sendeantennenpaar (
1150a , b) umfasst, wobei das System ferner einen Sendeantennentreiber umfasst, der dafür konfiguriert ist, das Sendeantennenpaar derartig anzusteuern, daß ein Signal, das von einer Antenne des Antennenpaars gesendet wird, eine Phasenverzögerung in bezug auf ein Signal hat, das von der anderen Antenne des Antennenpaars gesendet wird. - Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Sendeantenne eine Monopolantenne, eine Magnetantenne, eine Breitbandantenne oder einen Wendelleiter umfasst.
- Signalübertragungssystem nach Anspruch 24, wobei die Sendeantenne derartig positioniert ist, daß eine kapazitive Impedanz zwischen der Sendeantenne und dem Leiter kleiner als die Freiraum-Impedanz ist.
- Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 25, wobei der Leiter einen Leiter eines elektrischen Stromnetzkabels oder einen Leiter umfasst, der für eine Verbindung mit einem elektrischen Stromnetzkabel konfiguriert ist.
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