DE19633519A1 - Verfahren und System zur parallelen Übertragung von Signalen unter Nutzung der Spread-Spektrum-Technik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spread-Spektrum- (SS) Signalübertragungssystem und -verfahren, dessen Signalverarbeitungsanordnungen mit akustische Oberflächenwellen (SAW) verwenden­ den Bauelementen und elektronischen Schaltungen ausgerüstet sind, mit welchem unter Nut­ zung nur eines Spread-Spektrum-Kodes und bei gleicher Frequenzbandbelegung Signale eines Mehrkanalsystems in Echtzeit übertragen werden können.

Grundsätzlich bekannt zur parallelen Übertragung von Signalen in Echtzeit sind die Verfahren Frequenzmultiplex (FDMA) [1, 2] und Kodemultiplex (CDMA), die dem SS- oder Bandspreiz-Multiplex [2] entsprechen. Diese Verfahren werden in unterschiedlichsten Kombinationen ein­ gesetzt.

Grundlage der FDMA-Technik ist die Aufteilung der Bandbreite des gemeinsamen Übertra­ gungskanals in eine Anzahl Frequenzbänder, wobei jeder Signalquelle jeweils ein Kanal zur Übertragung zur Verfügung gestellt wird. Ein Beispiel aus der Telefontechnik ist die gebündel­ te Übertragung von Einseitenbandsignalen, die verschiedenen Trägerfrequenzen aufmoduliert sind.

CDMA-Verfahren sind in vielfältiger Ausführung bekannt [3]. Grundsätzlich wird das Nach­ richtensignal mit einem Kode spektral gespreizt. Besitzt der Empfänger die passende Spreiz­ funktion, wird die Energie durch Korrelationsverfahren in das Basisband zurücktransformiert. Unerwünschte Signale werden zusätzlich spektral gespreizt. Die meisten bekannten CDMA-Verfahren setzen eine aufwendige Synchronisierung der Signalübertragung voraus.

Eine Ausnahme bildet z. B. ein in [4, 5] beschriebenes Verfahren, das die Übertragung eines analogen oder digitalen Basisbandsignals mit einer Trägerfrequenz derart verknüpft, daß die zu übertragende Information aus der Wiederholfrequenz der Korrelationsereignisse gewonnen werden kann. Dieses mit wenigen Baugruppen zu realisierende CDMA-System bezieht sich jedoch nur auf eine Einkanalübertragung mit fester Trägerfrequenz.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein neues Kommunikationssystem zur Übertragung von analogen oder digitalen Signalen, das die bereits bekannten FDMA-Verfahren gewinnbringend mit dem CDMA-Verfahren in [4, 5] kombiniert.

Die Neuheit der Erfindung liegt in der Tatsache, daß nur ein Kode für die Übertragung mehre­ rer Datenkanäle in Echtzeit notwendig ist. Ein Vorteil liegt in der hohen Datenübertragungsra­ te bei gleichzeitiger Zuordnung der Datenströme zu dem autorisierten Nutzer. Analoge Signale werden ohne Analog-Digital (AD) Wandlung mit vergleichsweise wesentlich höherer Daten­ übertragungsrate, digitale Daten mit vergleichsweise gleich hoher Datenübertragungsrate wie kommerziell verfügbare Spitzenprodukte übertragen. Der Aufwand für die Kodierung und damit Nutzererkennung ist wesentlich dezimiert, die Kosten für die Synchronisierung entfallen.

Das System kann für sehr viele verschiedene Anwendungen unter Nutzung der postalisch zuge­ lassenen Schnittstellen (z. B. Nutzung des Standards zur Übertragung von Stereophoniesigna­ ien) modifiziert werden. Damit entsteht ein Übertragungssystem für die Mehrkanalübertragung, das sehr kostengünstig hergestellt werden kann.

Die Erfindung umfaßt eine komplexe Anordnung zur Mehrkanalübertragung von Signalen all­ gemeiner Art. Sie besteht aus Sender und Empfänger, die jeweils Primär- und Sekundärmodu­ lation bzw. -demodulation übernehmen.

Die Primärmodulation kann verschiedene Verfahren der FDMA-Technik beinhalten. Ziel der Primärmodulation ist die Zusammenfassung aller Datenströme, auf die ein gemeinsames Zu­ griffsrecht besteht. Die anschließende Sekundärmodulation kann nach dem in [4, 5] dargestell­ ten Bandspreizverfahren erfolgen. Unter Anwendung dieses Verfahrens werden für die benutz­ ten Frequenzbänder innerhalb des gemeinsamen Übertragungskanals nichtäquidistante Stütz­ stellen generiert. Diese veranlassen die Aussendung der für den gemeinsamen Übertragungska­ nal spezifischen Kodefolge. Die Einzelkanalübertragung nach [4, 5] ist somit ein Spezialfall.

Im Empfänger wird über die Korrelation der Kodes eine Folge von Korrelationspeaks erzeugt, deren Wiederholfrequenz die Informationen des gesamten Übertragungskanals enthält. Die anschließende Demodulation analog zum sendeseitig verwendeten FDMA-Verfahren löst die einzelnen Datenströme auf und führt zur Rückgewinnung der Ursprungsdaten.

Weitere Einzehheiten der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen, insbesondere solcher mit in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen, werden im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Mehrkanalübertragungssystems;

Fig. 2 ein Schaubild zur Einseitenbandmodulation in Trägerfrequenztechnik als Beispiel für einen in Fig. 1 sendeseitig verwendeten FDMA-Modul;

Fig. 3 ein Schaubild zur Einseitenbandmodulation in Trägerfrequenztechnik als Beispiel für einen in Fig. 1 empfangsseitig verwendeten FDMA-Modul;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Mehrkanalübertragung von Sensor­ systemen;

Fig. 5 ein detailliertes Blockschaltbild eines Sensorarrays gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stereoübertragungssystems.

Das in Fig. 1 schematisch als Blockschaltbild dargestellte Mehrkanalübertragungssystem be­ steht aus einem Sende- und einem Empfangssystem.

Das sendeseitige System enthält die Baugruppen FDMA-Modul 1 (10), Frequenzmodulator FM1 (11), Kodiermodul (12) und Sendemodul (13). Im FDMA-Modul 1 werden die Daten der Bandbreite BNF1 bis BNFn unter Verwendung eines FDMA-Systems FDMA1 und der Oszillatoren OM1 bis OMn in einem niederfrequenten Übertragungsband zusammengefaßt und aufgearbeitet. Dieses wird in einer zweiten Stufe mit einem Frequenzmodulator FM1, be­ ostehend aus Oszillator O1 und Mischer M1, in ein frequenzmoduliertes Signal umgesetzt. Mit dem in [4, 5] beschriebenen Verfahren wird aus dem Ausgangssignal des Frequenzmodulators eine Folge von Impulsen gebildet. Dies geschieht mittels Schwellwertschalter S1 oder Null­ punktdetektor und monostabilen Multivibrator MV. Die Pulsfolge erzeugt unter Anwendung eines PSK-Sendefilter PSK-TX SS-Kodes. Der nachfolgende Sendemodul transformiert die Signale in das für die drahtlose Übertragung vorgesehenen Hochfrequenzband. Diese Funktion übernehmen der Oszillator O2 und der Mischer M2. Die Antenne AT1 sorgt für die Ausstrah­ lung des Sendespektrums.

Das Empfangssystem besteht aus den Baugruppen Empfangsmodul (14), Kodiermodul (15), Frequenzdemodulator FM 2 (16) und dem FDMA-Modul 2 (17). Die über die Antenne AT2 und den Eingangskreis EK detektierten Signale werden in der nachfolgenden Mischstufe, be­ stehend aus Oszillator O3 und Mischer M3, für die Dekodierung aufbereitet. Das PSK-Filter PSK-RX generiert Autokorrelationssignale bei Übereinstimmung von Referenz- und Emp­ fangskode. Nach Aufbereitung der Korrelationssignale mittels Demodulator mit Schwellwert­ schalter DS, Impulsformer IF und Sinusformer SN entsteht ein frequenzmoduliertes Si­ nussignal. Die Frequenzdemodulation erfolgt durch die Baugruppe FM2, die einen Oszillator O4 und einen Mischer M4 beinhaltet. Über das in [4, 5] beschriebene System hinaus sieht die erfindungsgemäße Lösung zur Mehrkanalübertragung als zweite Demodulationsstufe ein FDMA-Modul FDMA-Modul 2 sowie die Oszillatoren OD1 bis Odn zur Rückgewinnung der Ursprungsdaten der Bandbreiten BNF1 bis BNFn vor.

Für das funktionsgerechte Arbeiten des beschriebenen Systems sind neben den aufgeführten Baugruppen innerhalb des Signalpfades Filter (B1 bis B4) zur spektralen Eingrenzung sowie Verstärker (A1 bis A7) zur Pegelanhebung notwendig.

Um die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Mehrkanalübertragungssystems besser zu ver­ deutlichen, ist in Fig. 2 ein Beispiel für ein FDMA-Modul 1 - nach dem Stand der Technik - in Form einer Einseitenbandmodulation in Trägerfrequenztechnik dargestellt [1]. Die Signale der Kanäle 1 bis n mit der Bandbreite BNF1 bis BNFn werden unter Verwendung der Oszillatoren OM1 bis OMn, der Mischer MM1 bis MMn und der Filter BM1 bis BMn in das niederfre­ quente Übertragungsband BNF transformiert. Zur Erläuterung wird beispielhaft angenommen, daß es sich bei den Kanälen 1 bis n um n gleich große Bandbreiten (500 Hz < f < 15 kHz) handelt, die mittels der Oszillatorfrequenzen fl = 20 kHz bis fh mit th = n*fl in das Übertra­ gungsband BNF transformiert werden.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel der in Fig. 1 dargestellten Baugruppe FDMA-Modul 2. Die Filter BD1 bis BDn, Oszillatoren OD1 bis ODn, Mischer MD1 bis MDn und Tiefpaßfilter TD1 bis TDn übernehmen die Demodulation des gesamten Übertragungsbandes BNF und führen zur Rückgewinnung der Ursprungskanäle 1 bis n mit den Bandbreiten BNF1 bis BNFn. Die ange­ gebenen Frequenzspektren und Einzelfrequenzen sind analog zu Fig. 2 beispielhaft, dem besse­ ren Verständnis dienend, zu verstehen.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der mehrere Datenkanäle mit gleicher Kanal­ bandbreite für die Erfassung und Übertragung von Daten, z. B. Sensorsignalen, verwendet werden, zeigt Fig. 4. Die im analogen Format vorliegenden Daten lassen sich über die Kodie­ rung z. B. einem Sensorort, sowie über die Kanalfrequenz dem Gerät, z. B. einem Sensorkanal, zuordnen. Die Information z. B. eines Meßwertes steckt in der Folgefrequenz der Kodes. Als Besonderheit können Daten, die sich sowohl durch Frequenz- als auch durch Amplitudenände­ rung darstellen, übertragen werden. Die FDMA-Systeme FDMA1a bis FDMA1x modulieren die niederfrequenten Signale z. B. eines Sensors auf die entsprechende Trägerfrequenz. Die Baugruppen FM1a bis FM1x sorgen für die den Kodierfiltern entsprechenden Übertragungs­ frequenzen, die Kodierfilter Ka bis Kx für die Erzeugung der Kode. Die Sendestufen Sa bis Sx transformieren die Signale in das vorgesehene Sendeband. Durch die Verwendung des CDMA-Verfahrens können die unterschiedlichen Daten störungsfrei im gleichen Frequenzband über­ tragen werden. Eine Empfangsstation benötigt demzufolge nur einen Empfangsdemodulator EM, der sämtliche Signale in das ursprüngliche Frequenzband zurücktransformiert. Anschlie­ ßend werden die Signale den Dekodierfiltern DKa bis DKx zugeführt, die für die Erkennung der Kode sorgen. Ohne Multiplexbetrieb erfolgt die Weiterverarbeitung der Signale in den Demodulationssystemen FDMA2a bis FDMA2x. Die Informationen in den Frequenzbändern BNF1 bis BNFn können sofort über Meßgeräte angezeigt oder mittels Datenverarbeitung DV weiterverarbeitet werden.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung und Verarbeitung von Signalen eines Sen­ sorarrays, die besonders gut für die oben dargestellte Mehrkanalübertragung geeignet ist, zeigt

Fig. 5. Das in diesem Beispiel als mehrkanaliges SAW- (Surface Acoustic Wave) Sensor-System MCSS1a bis MCSS1x ausgeführte Sensorarray ist auch mit beliebigen anderen Senso­ ren, die als Sensorausgangssignal eine Frequenz und eine Amplitude liefern, zu realisieren. Ein Anwendungsbeispiel des Systems ist die Detektion von Luftschadstoffen eines größeren Are­ als. Weitere Beispiele für Sensorarrays zur Analyse komplexer Gasgemische ohne Signalüber­ tragung gibt [6, 7]. Jedes Sensorarray enthält mehrere Sensorkanäle (SAW-Verzögerungsleitungen), die entweder beschichtet mit einer sensorisch aktiven Schicht auf die Änderung von Gaskonzentrationen, Druckkonzentrationen, Temperatur o. ä. reagieren (IS1/OS1 bis ISn/OSn) oder unbeschichtet als Referenzkanal dienen (ISr/OSr). Mit Hilfe der Verzögerungsleitungen und der Verstärker AS1 bis ASn werden Oszillatorkreise gebildet. Deren Verstimmung gegenüber dem Referenzoszillator wird durch Mischer (MS1 bis MSn) und Bandpässe (BS1 bis BSn) ermittelt und als niederfrequente Meßgröße weitergeleitet. Weitere Meßsignale, die sich aus der Änderung der Amplitude, hier als Änderung des Aus­ gangssignals des AGC (Automatic Gain Control Voltage), ergeben, können der Sensoraus­ gangsfrequenz durch Amplitudenmodulation (AM1 bis AMn) aufgeprägt werden. Es entste­ hen die Kanalinformationen BNF1 bis BNFn, die wie in Fig. 2 ersichtlich weiterverarbeitet werden können.

Eine Spezialform der erfindungsgemäßen Mehrkanalübertragung ist die Übertragung von Ste­ reosignalen, die auf sehr effektive Weise vor nicht autorisiertem Zugriff geschützt werden. Fig. 6 zeigt beispielhaft die Verwendung der Stereostandards in Verbindung mit der allgemein gül­ tigen Anwendung des Übertragungsverfahrens. Die in Fig. 1 aufgeführten Module FDMA-Modul 1 (10) und FDMA-Modul 2 (17) wurden ersetzt durch Stereomodule, die die Trans­ formation zwischen den NF-Signalen der Kanäle Rechts (MCR bzw. SPR) und Links (MCL bzw. SPL) und den Frequenzbändern des Mono- bzw. Stereosignals vornehmen. Nach dem Stand der Technik enthält das Stereomodul (60) im Sender eine Addier/Subtrahier-Matrix AD/SUB1, einen Ringmodulator R1, einen Oszillator O1, einen Frequenzverdoppler F1 und eine Phasenkorrekturstufe PC. Der Stereodekoder (67) auf der Empfängerseite enthält neben den Filtern L2, B5 und B6 eine Frequenzverdopplerstufe F2 mit Verstärker A7, einen Ring­ modulator R2 und eine Addier/Subtrahier-Matrix AD/SUB2.

4. Literaturverzeichnis

[1] E. Stadler, Modulationsverfahren, Vogel Fachbuchverlag, Würzburg, 1993, S. 80-82.
[2] Meinke, Grundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer Verlag, Berlin, 1992, S. O 51 ff.
[3] R. C. Dixon, Spread Spectrum Systems, New York: Wiley 1994.
[4] H.-J. Fröhlich, J. Enderlein, B. Chilla, Fernmeßsystem, Patentanmeldung, amtl. Aktenz.: P 44 24 773.7
[5] J. Enderlein, H.-J. Fröhlich, E. Chilla, A. Mönch, Spread-Spekfrum-Signal­ übertragungsverfahren und -system sowie Sender und Empfanger zur Verwendung bei dem Verfahren bzw. System, Patentanmeldung, amtl. Aktenz. 195 29 477.7
[6] M. Rapp, N. Barie, S. Stier und H. J. Ache, Optimization of an analytical SAW microsystem for organic gas detection, Proc. JEEE 1995 Ulfrason. Symp., Seattle, WH, in print.
[7] J. Kondoh und S. Shiokawa, Liquid identification using SH-SAW sensors, Proc. Transducers, Eurosensor 1995, Stockholm, Sweden, pp. 716-719.

Claims (7)

1. Spread-Spektrum-Signalübertragungsverfahren, bei dem in einem Sender eine Trägerfre­ quenz mit einem Signal moduliert, insbesondere frequenzmoduliert, und der frequenzmodulier­ te Träger in eine Impulsfolge gewandelt wird, deren Impulse zur Auslösung kodierter bandge­ spreizter Signale verwendet wird, welche über eine Antenne ausgestrahlt werden, und bei dem die ausgestrahlten Signale anschließend von einer Antenne empfangen und mit einem dem Kode der kodierten bandgespreizten Signale zeitinversen Kode verknüpft werden, wodurch eine Reihenfolge von Korrelationsspitzen entsteht, die in eine Impulsfolge umgewandelt und anschließend zur Gewinnung eines dem Modulationssignals entsprechenden Ausgangssignal demoduliert, insbesondere frequenzdemoduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Modu­ lationssignal ein aus mehreren Teilsignalen zusammengefaßtes Signal ist, wobei jedes Teilsignal eine durch ein Basisbandsignal modulierte Zwischenträgerfrequenz ist und alle Zwischenträger­ frequenzen unterschiedlich sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sender und Empfänger die Basisbandsignale mit den Zwischenträgerfrequenzen durch ein Frequenzmultiplexverfahren verknüpft werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Sender bzw. Empfänger ein Frequenzmultiplexverfahren auf Basis der Einseitenbandmodulation bzw. Demodulation in Trägerfrequenztechnik verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Sender bzw. Empfänger ein Multiplexverfahren nach Art der Stereomodulation bzw. -demodulation verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisbandsignale durch die Sensorausgangssignale eines Sensorarrays in der Form gebildet werden, daß jeweils ein Meßwert durch eine Frequenz dargestellt wird, welche gleichzeitig die Zwischenträgerfrequenz ist, und der zugehörige andere Meßwert durch einen Amplitudenwert, mit der diese Zwischenträgerfrequenz amplitudenmoduliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwert durch die Differenz­ frequenzbildung zwischen einem SAW-Verzögerungsleitungsoszillator und einem Referen­ zoszillator gebildet wird, und der zugehörige andere Meßwert durch die Regelgröße des Rückkoppelverstärkers eines SAW-Verzögerungsleitungsoszillators.

7. Spread-Spektrum-Signalübertragungssystem, bestehend aus einem oder mehreren Sendern und einem oder mehreren Empfängern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verfahren unter den Ansprüchen 1 bis 6 genutzt wird.