DE10110676A1

DE10110676A1 - Ultra-Breitband-Kommunikationsverfahren, Ultra-Breitband-Kommunikationssystem, sowie Sende- und Empfangseinheit zur Verwendung in einem derartigen System

Info

Publication number: DE10110676A1
Application number: DE2001110676
Authority: DE
Inventors: Anthony-Peter Hulbert; Werner Mohr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultra-Breitband-Kommunikationsverfahren und ein Ultra-Breitband-Kommunikationssystem (1), welches eine Sendeeinheit (2) aufweist, von welcher aus Informationen in Form von impulsinversions-modulierten Ultra-Breitband-Impulsen (IB1, IB0) an eine Empfangseinheit (4) übertragen werden. Dabei ist ein einer zu übertragenden "1" zugeordneter Impuls (IB1) im wesentlichen gegenphasig zu einem einer zu übertragenden "0" zugeordneten Impuls (IB0).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultra-Breitband- Kommunikationssystem, welches eine Sendeeinheit aufweist, von welcher aus Informationen in Form von Ultra-Breitband- Impulsen an eine Empfangseinheit übertragen werden. Des wei teren betrifft die Erfindung eine Sende- und eine Empfangs einheit zur Verwendung in einem derartigen System, sowie ein Ultra-Breitband-Übertragungsverfahren.

Bei Ultra-Breitband- bzw. UWB-Systemen ("UWB" = Ultra Wide band) werden Informationen in Form einer Folge von jeweils nur extrem kurz andauernden Impulsen übertragen. Die Impuls dauer liegt dabei im Piko- bzw. Nanosekundenbereich, im all gemeinen zwischen 100 Pikosekunden und 1 Nanosekunde.

Eine derart kurze Impulsdauer führt zu einer extrem großen Bandbreite des Übertragungssignals, und damit zu sehr gerin gen spektralen Leistungsdichten (Übertragungsleistung in Watt pro Hertz Bandbreite). UWB-Übertragungssignale können somit von unberechtigten Dritten nur schwer vom Grundrauschpegel unterschieden werden, und sind deshalb relativ abhörsicher.

Des weiteren können für die Übertragung von UWB-Signalen Fre quenzbereiche verwendet werden, die gleichzeitig von anderen, nicht mit UWB-Signalen arbeitenden Nachrichtenübertragungs systemen benutzt werden. Durch die wie oben erwähnt niedrigen spektralen Leistungsdichten von UWB-Signalen wird die Signalübertragung der anderen Nachrichtensysteme durch die UWB- Signale nicht oder nur wenig gestört.

Bei herkömmlichen UWB-Systemen wird - abhängig von der je weils zu übertragenden Information - die Lage der gesendeten UWB-Impulse geändert (Impulslagemodulation bzw. PPM ("PPM" = pulse position modulation)). Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird dabei beispielsweise ein einer zu übertragenden "1" zugeord neter UWB-Impuls IM1 geringfügig, z. B. einige trillionstel Sekunden früher übertragen, als ein UWB-Impuls IM0, mit dem eine "0" übertragen werden soll.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, herkömmliche Ultra-Breitband- Kommunikationsverfahren bzw. -systeme, sowie Sende- und Emp fangseinheiten zur Verwendung in derartigen Systemen weiter zubilden.

Sie erreicht dieses und weitere Ziele durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 9 und 10.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird zur Informati onsübertragung die Polarität der übertragenen Ultra- Breitband-Impulse geändert bzw. umgekehrt (Pulse Inversion Modulation bzw. Impulsinversionsmodulation). Beispielsweise wird dann, wenn eine "1" übertragen werden soll, ein Impuls gesendet, der im wesentlichen gegenphasig ist zu einem Im puls, der bei einer zu übertragenden "0" gesendet wird. Da durch wird die Empfängersynchronisation vereinfacht. Im Ge gensatz zu herkömmlichen, auf Impulslagemodulation basieren den UWB-Systemen entfällt die Notwendigkeit, Unterschiede in der Impulsankunftszeit auf einige trillionstel Sekunden genau festzustellen. Stattdessen genügt es, empfängerseitig die Po larität des empfangenen Impulses zu ermitteln. Eine differen tielle Codierung zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen er leichtert die Decodierung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels und der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels eines UWB-Übertragungssystems gemäß der vor liegenden Erfindung;

Fig. 2 zwei zeitversetzt gesendete UWB-Impulse, die bei UWB-Übertragungssystemen gemäß dem Stand der Tech nik zur Übertragung einer "1" bzw. einer "0" ver wendet werden; und

Fig. 3 UWB-Impulsfolgen, die bei dem in Fig. 1 dargestell ten, erfindungsgemäßen UWB-Übertragungssystem ver wendet werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines UWB- Übertragungssystems 1. Dieses weist eine erste Sendeeinheit 2, eine zweite Sendeinheit 3, eine Empfangseinheit 4, sowie weitere, hier nicht dargestellte Sende- und/oder Empfangsein heiten auf.

Die Sendeeinheiten 2, 3 enthalten jeweils eine Pseudo- Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 5, 6, ein Gate 8, 9, eine Modulations-/Sendeeinrichtung 10, 11, sowie eine Antennenein richtung 12, 13. Die Empfangseinheit 4 ist ähnlich wie die Sendeeinheiten 2, 3 aufgebaut, und weist eine Antennenein richtung 14, eine Funk-Empfangseinrichtung 15, eine Pseudo- Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 7, ein Gate 16, sowie eine Demodulationseinrichtung 17 auf.

Der Informationsaustausch zwischen den Sendeeinheiten 2, 3 und der Empfangseinheit 4 erfolgt gemäß Fig. 3 mittels Ult ra-Breitband-Impulsen IA1, IB1, IC0, IB'0 bzw. IA0, IB0, IC1, IB'1. Um zu verhindern, daß sich die Impulse IA1, IB1, IC0, IB'0, IA0, IB0, IC1, IB'1 der einzelnen Sendeeinheiten 2, 3 überlagern, werden die Impulse IA1, IB1, IC0, IB'0, IA0, IB0, IC1, IB'1 im TDMA-Vielfachzugriffsverfahren übertragen ("TDMA" = time division multiplex access bzw. Zeitmultiplex zugriff). Dabei sind jeder Sendeeinheit 2, 3 jeweils bestimm te Zeitfenster A, B, C, D zugeordnet (beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind der ersten Sendeeinheit 2 z. B. die Zeitfenster B, B' zugeordnet, der zweiten Sendeeinheit 3 z. B. das Zeitfenster A, und einer weiteren, nicht dargestellten Sendeeinheit z. B. das Zeitfenster C). Die Zeitfenster A, B, B', C haben alle im wesentlichen die gleiche Länge, hier ca. 500 Pikosekunden. Die einer bestimmten Sendeeinheit 2, 3 zu geordneten Zeitfenster folgen in unregelmäßigen, von einem Pseudo-Zufallscode bestimmten zeitlichen Abständen aufeinan der (time hopping).

Gemäß Fig. 1 ist der der jeweiligen Sendeeinheit 2, 3 zuge ordnete Pseudo-Zufallscode jeweils in der Pseudo-Zufallscode- Erzeugungseinrichtung 5, 6 der entsprechenden Sendeeinheit 2, 3 abgespeichert. Des weiteren sind in der Pseudo-Zufallscode- Erzeugungseinrichtung 7 der Empfangseinheit 4 die Pseudo- Zufallscodes derjenigen Sendeeinheiten 2, 3 gespeichert, von denen die Empfangseinheit 4 Informationen empfangen soll.

Werden z. B. von der ersten Sendeeinheit 2 aus Informationen (z. B. eine Folge von Datenbits) zur Empfangseinheit 4 übertragen, wird das die Informationen enthaltende Basisbandsig nal BB dem Gate 8 zugeführt. Das jeweils zu übertragende Da tenbit des Basisbandsignals BB wird vom Gate 8 zu dem vom entsprechenden Pseudo-Zufallscode definierten Zeitpunkt an die Modulations-/Sendeeinrichtung 10 weitergegeben. Dort wird das zu übertragende Datenbit in einen UWB-Impuls umgewandelt. Soll z. B. eine "1" übertragen werden, wird gemäß Fig. 3 wäh rend des der Sendeeinheit 2 zugeordneten Zeitfensters B der Impuls IB1 gesendet. Soll eine "0" übermittelt werden, wird statt des Impulses IB1 der Impuls IB0 übertragen.

Als Impulse können beliebige, mittelwertfreie Impulse kurzer Dauer und hoher Bandbreite verwendet werden.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Dauer der UWB-Impulse IA1, IB1, IC0, IB'0, IA0, IB0, IC1, IB'1 jeweils ca. 300 Pikosekunden (Impulsdauer t), wobei die UWB-Impulse IA1, IB1, IC0, IB'0, IA0, IB0, IC1, IB'1 im we sentlichen die Form von einperiodigen (monozyklischen) Recht eck-Schwingungen mit relativ steil ansteigenden und abfallen den Flanken haben. Bei alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können statt Rechteck-Impulsen z. B. Gauß-Impulse, Gauß-Impulse erster Ableitung, Sägezahnimpulse, etc., und/oder statt einperiodiger Schwingungen halb- oder mehrperiodige Schwingungen verwendet werden (z. B. Rechteck- Schwingungen, die nur wenige Perioden umfassen, z. B. bi- oder trizyklische Rechteckschwingungen)).

Gleichgültig, ob eine "1" oder eine "0" übertragen werden soll, beginnen die Impulse IA1, IB1, IC0, IB'0, IA0, IB0, IC1, IB'1 stets eine vorbestimmte Zeitdauer t1 nach Beginn des jeweiligen Zeitfensters A, B, C, D (hier: 100 Pikosekun den).

Soll eine "1" übertragen werden, wird ein Impuls IA1, IB1, IC1, IB'1 verwendet, der im wesentlichen gegenphasig zu einem entsprechenden, bei einer zu übertragenden "0" verwendeten Impuls IA0, IB0, IC0, IB'0 ist. Die einer zu übertragenden "0" zugeordneten Impulse sind also invers zu den entsprechen den, einer zu übertragenden "1" zugeordneten Impulse IA0, IB0, IC0, IB'0.

Die in der ersten Sendeeinheit 2 erzeugten Impulse IB1, IB'0 (bzw. IB0, IB'1) werden einem ebenfalls in der Modulations- /Sendeeinrichtung 10 enthaltenen Hochpassfilter zugeführt (nicht dargestellt). Dieses weist eine Grenzfrequenz von ca. 1 GHZ auf. Durch das Hochpassfilter werden aus dem von der Modulations-/Sendeeinrichtung 10 erzeugten Impulssignal Fre quenzbereiche herausgefiltert, die unter 1 GHz liegen. Da durch wird erreicht, dass das gefilterte UWB-Impulssignal S keinen Gleichanteil aufweist (d. h. die durchschnittliche Im pulsspannung bei 0V liegt). Außerdem wird vermieden, dass das UWB-Impulssignal S von starken Fernseh- und Radiosendesigna len gestört wird.

Das gefilterte UWB-Impulssignal S wird dann der Antennenein richtung 12 der ersten Sendeeinheit 2 zugeführt. Von dort wird das Signal S per Funk an die Antenneneinrichtung 14 der Empfangseinheit 4 übertragen, und dann deren Funk- Empfangseinrichtung 15 zugeführt (empfangenes UWB- Impulssignal S').

Wie oben bereits erwähnt, ist in der Pseudo-Zufallscode- Erzeugungseinrichtung 7 der Empfangseinheit 4 ein Pseudo- Zufallscode gespeichert, der von der Pseudo-Zufallscode- Erzeugungseinrichtung 7 an die Funk-Empfangseinrichtung 15 geliefert wird. Diese lässt das empfangene Impulssignal S' nur während der vom Pseudo-Zufallscode definierten Zeiträume passieren, d. h. zu den Zeitfenstern B, B', die der Sendeein heit 2 zugeordnet sind, von der die Empfangseinheit 4 Infor mationen empfangen soll. Dadurch werden dem Gate 16 nur die jenigen im Signal S' enthaltenen Impulse IB1, IB'0 bzw. IB0, IB'1 zugeführt, die von der ersten Sendeeinheit 2 stammen (Signal S"). Das Signal S" wird vom Gate 16 an die Demodu lationseinrichtung 17 weitergeleitet.

Außerdem wird im Gate 16 aus dem Signal S" ein Synchronisa tionssignal Q abgeleitet, welches der Pseudo-Zufallscode- Erzeugungseinrichtung 7 zugeführt wird. Durch das Synchroni sationssignal Q wird sichergestellt, daß die Funk- Empfangseinrichtung 15 das empfangene Impulssignal S' während der exakt richtigen Zeiträume (Zeitfenster B, B') passieren läßt.

Das von der Demodulationseinrichtung 17 erhaltene Signal S" wird - entsprechend umgekehrt wie in der Modulations- /Sendeeinrichtung 10 der ersten Sendeeinheit 2 - in ein Ba sisbanddsignal BB' zurückgewandelt. Hierzu wird in der Demo dulationseinrichtung 17 ermittelt, ob die Impulsform eines empfangenen Impulses einem "nicht-invertierten" Impuls IB1, IB'1, oder einem "invertierten" Impuls IB0, IB'0 entspricht. Bei Ermittlung eines "nicht-invertierten" Impulses IB1, IB'1 gibt die Demodulationseinrichtung 17 ein Datenbit "1" aus. Wird dagegen ermittelt, dass die Impulsform eines empfangenen Impulses einem "invertierten" Impuls IB0, IB'0 entspricht, wird von der Demodulationseinrichtung 17 ein Datenbit "0" ausgegeben.

Im Gegensatz zu herkömmlichen, auf Impulslagemodulation ba sierenden UWB-Übertragungssystemen entfällt damit beim erfin dungsgemäßen Übertragungsystem 1 die Notwendigkeit, Unter schiede in der Impulsankunftszeit auf einige trillionstel Se kunden genau festzustellen. Dadurch wird die Synchronisation in der Empfangseinheit 4 vereinfacht.

Bezugszeichenliste

1

UWB-Übertragungssystem

2

erste Sendeeinheit

3

zweite Sendeinheit

4

Empfangseinheit

5

Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung

6

Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung

7

Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung

8

Gate

9

Gate

10

Modulations-/Sendeeinrichtung

11

Modulations-/Sendeeinrichtung

12

Antenneneinrichtung

13

Antenneneinrichtung

14

Antenneneinrichtung

15

Funk-Empfangseinrichtung

16

Gate

17

Demodulationseinrichtung

Claims

1. Ultra-Breitband-Kommunikationssystem (1), welches eine Sendeeinheit (2) aufweist, von welcher aus Informationen in Form von Ultra-Breitband-Impulsen an eine Empfangseinheit (4) übertragen werden, dadurch gekennzeich net, daß zur Informationsübertragung impulsinversions modulierte Ultra-Breitband-Impulse (IB1, IB0) verwendet wer den.

2. Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 1, bei welchem ein einer zu übertragenden "1" zugeordneter Impuls (IB1) im wesentlichen gegenphasig zu einem einer zu übertragenden "0" zugeordneten Impuls (IB0) ist.

3. Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem mehrere Sendeeinheiten (2, 3) vorgesehen sind, die im Vielfachzugriffsverfahren Informationen in Form von Ultra- Breitband-Impulsen übertragen.

4. Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 3, bei welchem die mehreren Sendeeinheiten (2, 3) die Informationen im TDMA- Vielfachzugriffsverfahren übertragen.

5. Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 4, bei welchem die Sendeeinheiten (2, 3) jeweils eine Pseudo-Zufallscode- Erzeugungseinheit (5, 6) aufweisen, und die von einer be stimmten Sendeeinheit (2, 3) verwendeten TDMA-Zeitschlitze in Abhängikeit vom jeweils erzeugten Pseudo-Zufallscode gewählt werden.

6. Kommunikationssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Sendeeinheit (2) ein Hochpaß- Filter aufweist, mit welchem aus dem gesendeten Ultra- Breitband-Impulssignal Frequenzen unterhalb einer Grenzfre quenz herausgefiltert werden.

7. Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 6, bei welchem die Grenzfrequenz des Hochpaß-Filters kleiner oder gleich 1 GHz ist.

8. Kommunikationssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Ultra-Breitband-Impulse (IB1, IB0) per Funk übertragen werden.

9. Sendeeinheit (2) und/oder Empfangseinheit (4), welche so ausgestaltet sind, daß sie in einem Kommunikationssystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendbar sind.

10. Ultra-Breitband-Übertragungsverfahren, wobei Informatio nen in Form von Ultra-Breitband-Impulsen (IB1, IB0) von einer Sendeeinheit (2) an eine Empfangseinheit (4) übertragen wer den, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse (IB1, IB0) zur Informationsübertragung impulsinversi ons-moduliert werden.