DE10164186B4

DE10164186B4 - Funkpeilersystem, das Streuspektrumverfahren verwendet

Info

Publication number: DE10164186B4
Application number: DE10164186A
Authority: DE
Inventors: Linley F. Beaverton Gumm
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: US6384784B1; JP3629464B2; JP2002267729A; DE10164186A1

Abstract

Verfahren zum Auffinden einer Richtung zu einer Quelle eines modulierten Signals mit den folgenden Schritten:
Multiplizieren von jedem einer Vielzahl von Signalen von einem Antennenfeld (12₁, ..., 12_N), das ein Signal von der Quelle des modulierten Signals empfängt, mit einem eindeutigen Pseudozufallszahlencode;
Summieren der resultierenden multiplizierten Signale;
Demodulieren des summierten Signals; und
Analysieren des summierten Signals, um die relative Ankunftsphase oder -zeit des Signals von der Quelle des modulierten Signals an jeder Antenne des Antennenfeldes (12₁, ..., 12_N) bezüglich einer der Antennen als Referenz zu ermitteln, wobei die relativen Ankunftsphasen oder -zeiten und eine bekannte Anordnung des Antennenfeldes (12₁, ..., 12_N) verwendet werden, um eine Richtung zur Quelle des modulierten Signals zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Auffinden einer Richtung zu einer Quelle und insbesondere ein Funkpeilersystem, das Streuspektrumverfahren verwendet.
Mobiltelefonsystembetreiber verbringen beispielsweise viel Zeit mit dem Suchen nach Störquellen. Eine typische Vorgehensweise besteht darin, einen empfindlichen Empfänger/Spektralanalysator, der mit einer Richtantenne gekoppelt ist, zu verwenden. Durch entweder eine Amplitudenanzeige oder eine Hörtonamplitude geführt, wird die Richtantenne bewegt, um das empfangene Signal von der Störquelle zu maximieren, wobei somit die Ankunftsrichtung des Signals ermittelt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil der Einfachheit unter Verwendung einer leicht verfügbaren Hardware. Sein Nachteil ist jedoch die begrenzte Genauigkeit der Richtungsmessung aufgrund der Breite der Hauptrasterkeule der Richtantenne.
Eine weitere gut bekannte Vorgehensweise besteht darin, zwei oder mehrere Antennen zu verwenden und die relative Ankunftsphase oder -zeit des Störsignals an jeder Antenne zu vergleichen. Indem die relativen Ankunftsphasen oder -zeiten bekannt sind und bekannt ist, wie das Feld konstruiert ist, kann die Ankunftsrichtung des Störsignals, wenn es die Antennen durchwandert, abgeleitet werden, wie in "Electronic Measurements", 2. Ausg., von McGraw-Hill Book Company (1952) von Terman und Pettit auf den Seiten 465–467 beschrieben ist. In einigen Systemen sind die zwei oder mehreren Antennen in einer festen Beziehung zueinander montiert und werden physikalisch gedreht, um die Ankunftszeiten oder die Phasen des gemessenen Signals abzugleichen, wobei sie somit den Weg zur Störquelle zeigen. In anderen Systemen sind die Antennen ortsfest.
Das Problem bei einer Vorgehensweise mit mehreren Antennen besteht darin, dass eine gewisse Form eines Empfängers oder Empfangsumsetzers für jede Antenne/jeden Kanal erforderlich ist. Die Eigenschaften jedes Empfängers müssen auf die anderen abgestimmt werden, um eine Genauigkeit zu erzielen. Es kann eine sehr gewaltige Einstellung auf den Frequenzgang und die Verstärkungskennlinien von mehreren Empfängern zum Gleichlauf erfordern.
In dem Zeitraum von drei Jahrzehnten um den 2. Weltkrieg wurde ein Schema veröffentlicht, das einen Empfänger verwendete, und sein Eingang wurde elektronisch von Antenne zu Antenne geschaltet, um die Verwendung eines Empfängers für alle Antennen zu ermöglichen, was das Empfängerabgleichsproblem beseitigte. Der einzige Empfänger wurde tatsächlich zwischen den Antennen multiplexiert. Das Ausgangssignal des Empfängers wurde dann demultiplexiert und zum Ansteuern einer Anzeige mit Kathodenstrahlröhre (CRT, Cathode Ray Tube) verwendet, um ein Sofort-Richtungsangabesystem zu erzeugen. Wenn ein Signal mit einem kohärenten Träger, wie z.B. Amplitudenmodulation, gemessen wird, ist es durch die Verwendung von Mittelwertbildungs- oder Phasenabgleichsverfahren möglich, Trägerphasenvergleiche zwischen den Antennen durchzuführen, um die Ankunftszeit des Signals zu ermitteln. Bei modernen digital modulierten Signalen, insbesondere Streuspektrumsignalen, wird jedoch die momentane Phase des RF-Trägers durch die Modulation verborgen. Gleichzeitige Messungen des Signals an zwei Antennen sind erforderlich.
Eine weitere Vorgehensweise bestand darin, den Empfänger zwischen zwei oder mehreren, typischerweise drei oder vier, Antennen mit einer Audiorate zu schalten. Das empfangsumgesetzte Signal wurde hinsichtlich der Frequenzmodulation (FM) erfasst und die so erzeugte Frequenzverschiebung, die Rate der Phasenänderung als Funktion der Zeit, wurde gemessen, um den Ankunftswinkel des Signals zu ermitteln. Dieses Verfahren ist bei Signalen mit einem relativ kohärenten Träger, wie z.B. Amplitudenmodulation oder Schmalbandfrequenzmodulation, sehr nützlich. Dieses Verfahren ergibt jedoch keine guten Ergebnisse, wenn digitale Modulationsverfahren die Trägerphase verdecken. Dies gilt insbesondere, wenn Streuspektrumverfahren verwendet werden. In diesem Fall bemüht man sich, den Träger rauschartig erscheinen zu lassen.
Siehe "Antenna Engineering Handbook", 2. Ausg. McGraw-Hill Book Company (1961) von Johnson und Jasik auf Seiten 39–12 bis 39–16, insbesondere 39–10, hinsichtlich Beschreibungen der vorstehend erwähnten Arten von Funkpeilern.
Ein Verfahren und System zum Auffinden einer Richtung zu einem Sender eines modulierten Breitbandsignals sind ferner aus der US 5,920,278 bekannt. Ein Signal wird in dem Sender mit einem Pseudozufallszahlencode multipliziert und zu einem vorbestimmten Zeitpunkt gesendet. Ein zu dem System gehörender Empfänger benutzt zur Korrelation des empfangenen Signals den gleichen Pseudozufallszahlencode wie der Sender. Zum Empfang dieses Signals sind entweder mehrere Empfänger mit jeweils einer Antenne oder ein Empfänger mit mehreren Kanälen, die mit jeweils einer Antenne verbunden sind, vorgesehen. Aus den Ankunftszeiten des Signals bei den einzelnen Antennen wird die Richtung, aus der das Signal kommt, ermittelt.
Es sind ein Verfahren und ein System zum Auffinden einer Richtung zu einer Quelle eines modulierten Signals wünschenswert, die die Richtung zu einer Störsignalquelle genau angeben, wobei das Signal ein digital moduliertes, unterdrücktes Trägersignal ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Diese Aufgabe wird ferner durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
Erfindungsgemäß wird jeder Antennenkanal mit einem PRN-Code, der hinsichtlich des Werts oder der Zeit eindeutig ist, moduliert. Die codierten Kanäle werden summiert und durch einen einzelnen Demodulator verarbeitet und digitalisiert. Das resultierende IF-Signal wird durch einen Digitalsignal-Verarbeitungsmechanismus unter Verwendung von entsprechenden PRN-Codewerten oder -zeiten analysiert, um eine Ankunftsphase oder -zeit jedes Kanals relativ zu einem Bezugskanal zu ermitteln. Aus den Ankunftsphasen und/oder -zeiten wird eine genaue Richtung zur Signalquelle ermittelt.
Die Aufgaben, Vorteile und andere neue Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, wenn sie angesichts der angehängten Ansprüche und der beigefügten Zeichnung gelesen wird, ersichtlich.
1 ist eine Blockdiagrammansicht eines erfindungsgemäßen Funkpeilersystems, das Streuspektrumverfahren verwendet.
2 ist eine Ablaufdiagrammansicht eines Digitalsignal-Verarbeitungsmechanismus für das Funkpeilsystems von 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf 1 sind N Antennen 12, N ≥ 2, in einem regelmäßigen Feld angeordnet. In Abhängigkeit von den Erfordernissen können die Antennen 12 in einer beliebigen Anzahl von Formaten angeordnet sein, wobei eine Anordnung in einer Linie oder einem Kreis oder einem Rechteck typisch ist. Falls es erforderlich ist, eine Grenzempfindlichkeit aufrechtzuerhalten, weist jeder Antennenkanal einen Vorverstärker 14 auf, der ein Breitbandverstärker mit einem Minimum an Abstimmelementen ist. Jedes Antennensignal wird dann durch einen Direktsequenz-Streuspektrummodulator 16 geleitet, wobei jedes Signal mit einem anderen Pseudozufallszahlen-(PRN, Pseudo Random Number) Code oder mit demselben PRN-Code, der für jeden Antennenkanal um ein anderes Ausmaß verzögert wird, codiert wird. Jedes Signal kann dann durch einen Pufferverstärker 18 geleitet werden, bevor es in eine Summationsschaltung 20 eingegeben wird. Das summierte Signal wird in einen Empfangsumsetzer und Digitalisierer 22 eingegeben und dann zur Analyse zu einem Digitalsignalprozessor-(DSP) Mechanismus 24 gesandt. Die PRN-Codes werden von einem PRN-Generator 26 erzeugt. Im Fall eines einzigen PRN-Codes wird er in eine Verzögerungsschaltung 28 eingegeben und in einer Zeitsequenz an die jeweiligen Modulatoren 16 angelegt.
Wie in 2 gezeigt, wird das digitale Zwischenfrequenz-(IF, Intermediate Frequency) Signal vom Empfangsumsetzer und Digitalisierer 22 an mindestens zwei Multiplizierer 30 in Reihe mit jeweiligen Filtern 32 angelegt, die jeweilige Korrelatoren 34 bilden. Jedes der Antennensignale kann von dem Komplex durch Multiplizieren und Filtern desselben mit einer wiederhergestellten Version des PRN-Codes, der sich in korrekter Zeitsynchronisation befindet, gewonnen werden. Das Sequenzsynchronisationssignal aus dem Feld-PRN-Generator 26 wird an einen Analyse-PRN-Generator 36 angelegt, der die Korrelation viel leichter macht, aber nicht erforderlich ist, damit der Prozess korrekt funktioniert. Dem ersten Multiplizierer 30₁ wird ein PRN-Code vom Analyse-PRN-Generator 36 über eine digitale Verzögerung 38 gesandt, die mit dem Codiersignal im ersten Antennenkanal zeitlich synchron ist, plus der bei dem Empfangsumsetzungsprozess angetroffenen Verzögerung. Dem zweiten Multiplizierer 30₂ wird dann ein entsprechendes PRN- Codesignal gesandt, um die 2-N-ten Kanäle der Reihe nach zu decodieren. Nachdem jedes Antennensignal decodiert ist, wird seine Ankunftsphase oder -zeit in einem Vergleicher 40 mit jener des ersten Antennenkanals verglichen. Die Differenz in der Zeit oder Phase bestimmt die relative Ankunftszeit von jedem der 2-N-ten Signale. Nachdem alle N Kanäle gemessen sind, kann eine Abschätzung der Ankunftsrichtung des Signals auf der Basis der Anordnung der Antennen 12 durchgeführt werden.
Typischerweise ist es möglich, verzögerte Teile derselben PRN-Sequenz zu verwenden, um jedes Signal zu codieren. Dies wird leichter durchgeführt, da viele Sequenzen existieren, die sehr kleine Autokorrelationskoeffizienten für nicht synchronisierte Codes aufweisen. Alles, was durchgeführt werden muss, ist, dass die Zeitverzögerung zwischen jedem PRN-Abtastwert jene übersteigt, die erforderlich ist, damit das Signal über das Antennenfeld läuft. Für andere Fälle können vollständig andere Codes verwendet werden. Die Chirp-Rate des Codes wird so gewählt, dass die eingehenden Signale über die volle Signalbandbreite des Empfangsumsetzers und Digitalisierers 22 verteilt werden.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Funkpeilersystem unter Verwendung eines Streuspektrumverfahrens bereit, das jeden Antennenkanal mit einem PRN-Code moduliert, der hinsichtlich des Werts oder der Zeit eindeutig ist, wobei die Kanäle summiert und durch einen einzelnen Demodulator/Digitalisierer verarbeitet werden, und das resultierende digitale IF-Signal durch einen DSP-Mechanismus unter Verwendung der entsprechenden eindeutigen PRN-Codes analysiert wird, um eine Ankunftsphase oder -zeit jedes Kanals bezüglich des Kanals Eins zu ermitteln, aus der die Richtung zur Signalquelle genau ermittelt wird.

Claims

Verfahren zum Auffinden einer Richtung zu einer Quelle eines modulierten Signals mit den folgenden Schritten: Multiplizieren von jedem einer Vielzahl von Signalen von einem Antennenfeld (12₁ , ..., 12_N ), das ein Signal von der Quelle des modulierten Signals empfängt, mit einem eindeutigen Pseudozufallszahlencode; Summieren der resultierenden multiplizierten Signale; Demodulieren des summierten Signals; und Analysieren des summierten Signals, um die relative Ankunftsphase oder -zeit des Signals von der Quelle des modulierten Signals an jeder Antenne des Antennenfeldes (12₁ , ..., 12_N ) bezüglich einer der Antennen als Referenz zu ermitteln, wobei die relativen Ankunftsphasen oder -zeiten und eine bekannte Anordnung des Antennenfeldes (12₁ , ..., 12_N ) verwendet werden, um eine Richtung zur Quelle des modulierten Signals zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem eindeutigen Pseudozufallszahlencode um einen aus einer Vielzahl von verschiedenen Pseudozufallszahlencodes, wobei jeweils einer für jede Antenne des Antennenfeldes (12₁ , ..., 12_N ) vorgesehen ist, oder einen einzigen Pseudozufallszahlencode, der für jede Antenne des Antennenfeldes (12₁ , ..., 12_N ) um ein anderes Ausmaß verzögert wird, handelt.
System zum Auffinden der Richtung zu einer Quelle eines modulierten Signals mit: einer Vielzahl von Antennen (12₁ , ..., 12_N ) in einer vorbestimmten Anordnung; einer Einrichtung (16₁ , ..., 16_N ) zum Multiplizieren eines Ausgangssignals aus jeder Antenne (12₁ , ..., 12_N ) als Reaktion auf ein von der Quelle des modulierten Signals empfangenes Signal mit einem eindeutigen Pseudozufallszahlencode, um ein Streuspektrum-Ausgangssignal für jede Antenne (12₁ , ..., 12_N ) zu erzeugen; einer Einrichtung (20) zum Summieren der Streuspektrum-Ausgangssignale, um ein summiertes Ausgangssignal zu erzeugen; einer Einrichtung (22) zum Demodulieren des summierten Ausgangssignals, um ein digitales Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen; und einer Einrichtung (24) zum Analysieren des digitalen Zwischenfrequenzsignals, um die relative Ankunftsphase oder -zeit des Signals von der Quelle des modulierten Signals an jeder Antenne (12₁ , ..., 12_N ) bezüglich einer Bezugsantenne der Antennen zu ermitteln, aus welcher eine Richtung zur Quelle des modulierten Signals abgeschätzt wird.
System nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung (16₁ , ..., 16_N ) zum Multiplizieren dazu ausgelegt ist, jedes Ausgangssignal mit einem Pseudozufallszahlencode aus einer Vielzahl von verschiedenen Pseudozufallszahlencodes, wobei jeweils einer für jede Antenne des Antennenfeldes (12₁ , ..., 12_N ) vorgesehen ist, oder einem einzigen Pseudozufallszahlencode, der für jede Antenne des Antennenfeldes (12₁ , ..., 12_N ) um ein anderes Ausmaß verzögert wird, zu multiplizieren.