DE102008003669B4

DE102008003669B4 - Verfahren zum Empfang eines breitbandigen elektromagnetischen Signals

Info

Publication number: DE102008003669B4
Application number: DE102008003669A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Kottke; Karl Prof. Dr. Trottler
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: US8204163B2; DE102008003669A1; US20090175382A1

Abstract

Verfahren zum Empfang eines breitbandigen elektromagnetischen Signals, mit folgenden Verfahrensschritten:
– Aufteilung des Empfangsspektrums in n Teilspektren, mit n > 1,
– parallele Weiterverarbeitung der so gewonnenen n Teilsignale in n Kanälen:
– Demodulation der n Teilsignale in das Basisband,
– A/D-Wandlung der n Teilsignale mit n gleichartigen A/D Wandlern,
– Amplituden- und Phasenkorrektur der n Teilsignale, um störende Randeffekte am Übergang zum jeweils benachbarten Kanal zu kompensieren,
gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Verfahrensschritte:
– Spektraltransformation der n Teilsignale mittels FFT in den n parallelen Kanälen,
– Integration der Teilspektren der n Teilsignale zu einem Gesamtspektrum im Frequenzbereich,
– Extraktion einzelner Frequenzbänder aus dem Gesamtspektrum, die unter Einsatz eines Multiplexers jeweils einem unter mehreren parallelen Weiterverarbeitungskanälen einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Empfang eines breitbandigen Signals.
HF-Empfänger weisen aufgrund der maximalen Abtastfrequenz der verfügbaren A/D-Wandler eine begrenzte Bandbreite auf. Um dieses Problem zu vermeiden, gibt es die Möglichkeit, mehrere A/D-Wandler zeitversetzt zu betreiben (Time Interleaving) und hierdurch die Abtastrate zu erhöhen. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass die Synchronisierung und die Regelung auf Zeit- und Pegelbasis der A/D Wandler aufwändig und die Abtast- bzw. Taktrate der gewandelten Daten sehr hoch ist.
In der US 2001/0014594 A1 Verfahren zum Empfang eines breitbandigen elektromagnetischen Signals, beschrieben, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Aufteilung des Empfangsspektrums in n Teilspektren, mit n > 1,
– parallele Weiterverarbeitung der so gewonnenen n Teilsignale in n Kanälen:
– Demodulation der n Teilsignale in das Basisband,
– A/D-Wandlung der n Teilsignale mit n gleichartigen A/D Wandlern,
– Amplituden- und Phasenkorrektur der n Teilsignale, um störende Randeffekte am Übergang zum jeweils benachbarten Kanal zu kompensieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für die Funkaufklärung ein Empfangsverfahren mit hoher Bandbreite bei geringer benötigter Abtast- bzw. Taktrate der eingesetzten Bauteile zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bandbreite des Empfängers nicht durch eine höhere Abtastung im Zeitbereich erreicht, sondern durch Zerlegung des Empfangssignals in mehrere Teilspektren, die dann parallel verarbeitet werden können. Danach erfolgt ein Zusammenfügen der Teilspektren zu einem Gesamtspektrum, welches das Gesamtsignal beschreibt.
Mit der Erfindung wird es ermöglicht, die Signalanalyse verstärkt parallel zu bearbeiten. Die erforderliche Verarbeitungsgeschwindigkeit/Taktrate wird deutlich reduziert. Ebenso entfällt die aufwändige Zeitsynchronisation zwischen den einzelnen A/D-Wandler.
Weitere Vorteile der Erfindung:

– Signale mit sehr hoher Bandbreite können abgetastet werden.
– Daten sind stark parallelisiert, so dass keine hohen Datenraten für die nachfolgende Signalverarbeitung und ggf. für die Speicherung des Gesamtspektrums im RAM-Speicher notwendig sind.
– Es erfolgt eine Ablage des Signals im Frequenz- und nicht im Zeitbereich. Interessierende Frequenzbänder aus dem Gesamtspektrum können durch beliebig viele parallel geschaltete, über einen Multiplexer verbundene Digitale Down Converter (DDCs) per inverser FFT weiterverarbeitet werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Fig. näher erläutert. Sie zeigt ein Blockschaltbild zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Analoge Eingangsbandpässe BP zerlegen das breitbandige Eingangssignal in n, bevorzugt überlappende Spektralbereiche, wobei n allgemein größer 1 ist (z. B. n = 2, 3, 4, 5, etc). Man erhält n parallele Verarbeitungskanäle für die einzelnen Teilsignale.
In jedem Verarbeitungskanal erfolgt zunächst an einem Mischer M eine Demodulation der gefilterten n Teilsignale in das Basisband. Zur Eliminierung der hochfrequenten Mischprodukte kann vorteilhaft ein analoger Tiefpass TP vorhanden sein. Danach erfolgt an den A/D-Wandlern A/D eine Analog/Digital-Wandlung. Diese Wandlung erfolgt mit n gleichartigen A/D-Wandlern A/D in jedem Verarbeitungskanal.
Die digitalen Signale werden anschließend mittels FFT in den Frequenzbereich transformiert. Dem schließt sich in den adaptiven, digitalen Filtern F eine Amplituden- und Phasenkorrektur der n Teilsignale an. Ziel ist es, die Randeffekte zwischen den Spektren der einzelnen Signalverarbeitungskanäle, welche sich durch unerwünschte Charakteristiken in den analogen Filtern ergeben können, zu korrigieren. Um diese Amplituden- und Phasenkorrektur durchzuführen, wird bevorzugt auf die Frequenzgänge der Bandpässe BP und der Tiefpässe TP zurückgegriffen, wie sie sich bei einer Kalibrierung der Schaltung durch ein breitbandiges Eingangssignal ergeben. Hierfür ist z. B. ein weißes Rauschsignal oder ein Dirac-impulsförmiges Signal geeignet.
Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt eine Zusammenführung der einzelnen Spektren der n Verarbeitungskanäle zu einem Gesamtspektrum. Dieses kann z. B. auf einem Monitor dargestellt werden. Wesentlich für die Erfindung ist, dass aufgrund der parallelen Verarbeitung in den einzelnen Verarbeitungskanälen die Taktrate vergleichsweise niedrig ist (verglichen mit den herkömmlichen seriellen Verfahren).
Im Falle der in der Fig. dargestellten Ausführung erfolgt jedoch anstatt einer Monitordarstellung eine Speicherung der n komplexwertigen Teilspektren in einem RAM-Speicher RAM. Aufgrund der Parallelität der Verarbeitung kann die Speicherung des Gesamtspektrums im RAM-Speicher mit vergleichsweise niedriger Taktrate erfolgen.
Das Gesamtspektrum ist über den gesamten RAM-Speicher verteilt. Er kann in einer besonders vorteilhaften Ausführung als 3-dimensionaler Vektorraum aufgebaut werden. Dimension (1) stellt die Frequenz dar, Dimension (2) die Zeit und (3) die A/D Wandlungstiefe, also den Signalpegel. Dabei entspricht Dimension (1) den einzelnen FFT Kanalwerten und Dimension (2) der zeitlichen Historie der einzelnen FFT Kanalwerte.
Aus dem Gesamtspektrum werden einzelne interessierende Frequenzbänder ausgewählt und extrahiert. Die entsprechenden Signale werden anschließend einer inversen FFT (iFFT) an Digitalen Down Convertern DDC unterworfen. Dadurch erhält man Basisbanddaten für die ausgewählten Frequenzbänder, welche dann der weiteren Signalverarbeitung zugeführt werden können, z. B. in einem Klassifikator, Decoder etc. Diese nachgeschaltete Verarbeitung ist jedoch nicht mehr Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
In der gezeigten Ausführung werden die Teilspektren in den n parallelen Verarbeitungskanälen einer Signaldetektion unterzogen. Dies ist z. B. sinnvoll in der Funkaufklärung, wenn Signale unbekannter Emitter detektiert werden sollen.
Mittels Komparators C werden die einzelnen FFT Kanalwerte mit einem Schwellwert x verglichen, um hohe Pegelwerte und somit Emitteraktivitäten zu erkennen. Der Referenzwert kann dabei fest eingestellt werden oder änderbar sein.
Die aus dem Vergleich gewonnenen Detektionsbits p_det können als ein Vektor über alle n Kanäle hinweg ausgewertet werden. An diesem Vektor ist ersichtlich, wo Sende-Aktivitäten sind und welche Bandbreite diese Aktivitäten abdecken. Dieser Vektor aus den einzelnen p_det wird über alle p_det der einzelnen Kanäle gebildet. Somit können auch Sendungen mit ihrer korrekten Bandbreite detektiert werden, die innerhalb von zwei Signalverarbeitungskanälen liegen.
Bevorzugt werden aus dem Gesamtspektrum, wie es im RAM-Speicher RAM vorliegt, gerade diejenigen Frequenzbänder ausgewählt und extrahiert, in denen zuvor Emitteraktivitäten detektiert worden sind. Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, dass diese ausgewählten Frequenzbänder zu unterscheiden sind von den Teilspektren, wie sie in den n Verarbeitungskanälen vorliegen.
Die detektierten Frequenzbänder innerhalb des Gesamtspektrums werden jeweils einer inversen FFT-Verarbeitung zugeleitet. Das Auslesen der detektierten Spektren aus dem RAM-Speicher in die iFFT-Verarbeitung kann vorteilhaft über einen Multiplexer MUX erfolgen, der die entsprechenden Daten aus der Dimension (1) selektiert und auf einen von mehreren parallelen Weiterverarbeitungskanälen 1 bis m verteilt. Durch Einsatz des Multiplexers ist es somit möglich, die iFFT-Verarbeitung der extrahierten Frequenzbänder in mehreren Kanälen parallel zueinander durchzuführen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist klar, dass die Anzahl n der Eingangskanäle völlig unabhängig ist von der Anzahl m der Weiterverarbeitungskanäle. Es kann n sowohl gleich als auch ungleich m sein.
Am Ausgang der IFFT-Verarbeitung erhält man IQ-Basisbanddaten einzeln für diejenigen Frequenzbänder, in denen Signalanteile des detektierten hochfrequenten Eingangssignals vorkommen. Anhand der Ablage der Daten mit einer Zeithistorie (Dimension 2) kann das Signal in seiner Historie über die Vergangenheit zurückverfolgt werden. Dies ist dann sinnvoll, wenn ein weiterer Verarbeitungsschritt, z. B. eine Decodierungseinheit, das Signal, das erst nach einer bestimmten Zeit detektiert werden kann, von Beginn an benötigt.

Claims

Verfahren zum Empfang eines breitbandigen elektromagnetischen Signals, mit folgenden Verfahrensschritten: – Aufteilung des Empfangsspektrums in n Teilspektren, mit n > 1, – parallele Weiterverarbeitung der so gewonnenen n Teilsignale in n Kanälen: – Demodulation der n Teilsignale in das Basisband, – A/D-Wandlung der n Teilsignale mit n gleichartigen A/D Wandlern, – Amplituden- und Phasenkorrektur der n Teilsignale, um störende Randeffekte am Übergang zum jeweils benachbarten Kanal zu kompensieren, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Verfahrensschritte: – Spektraltransformation der n Teilsignale mittels FFT in den n parallelen Kanälen, – Integration der Teilspektren der n Teilsignale zu einem Gesamtspektrum im Frequenzbereich, – Extraktion einzelner Frequenzbänder aus dem Gesamtspektrum, die unter Einsatz eines Multiplexers jeweils einem unter mehreren parallelen Weiterverarbeitungskanälen einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die n Teilsignale in den n Kanälen hinsichtlich vorhandener Emittersignale analysiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse hinsichtlich vorhandener Emittersignale durch einen Vergleich der Pegelwerte mit einem Schwellwert durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den einzelnen Ergebniswerten der Analyse in den n Kanälen ein Vektor gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der zu extrahierenden Frequenzbänder aus dem Gesamtspektrum auf der Basis der Ergebniswerte aus den n Kanälen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den parallelen Weiterverarbeitungskanälen jeweils eines der extrahierten Frequenzbänder einer inversen FFT-Verarbeitung unterzogen wird, wodurch IQ-Signale im Basisband erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtspektrum zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung des Gesamtspektrums in drei Dimensionen erfolgt, welche sind: Frequenz, Zeit, Signalpegel.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden- und Phasenkorrektur der n Teilsignale auf der Basis einer Kalibrierung mittels weißem Rauschen oder mittels breitbandigem Eingangsimpuls erfolgt.