DE19744428C1

DE19744428C1 - Verfahren zum Übertragen eines digitalen Datensignals von einem Sender zu einem Empfänger

Info

Publication number: DE19744428C1
Application number: DE19744428A
Authority: DE
Inventors: Josef H Schuermann; Juergen Mayer
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: US6198764B1; EP0909039A2; EP0909039A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Übertragen eines digitalen Datensignals von einem Sender zu einem Emp fänger unter Anwendung der Spreizspektrum-Technik, bei wel chem das Datensignal mit einer PN-Codefolge modulo-2 addiert wird, deren Bitrate sehr viel höher als die Bitrate des Datensignals ist, dann ein Träger mit dem sich dadurch erge benden gespreizten Datensignal moduliert wird, der modulierte Träger gesendet wird, im Empfänger der modulierte Träger demoduliert und das demodulierte Signal zur Gewinnung des digitalen Datensignals mit einer im Empfänger erzeugten, mit der PN-Codefolge des Senders übereinstimmenden und synchroni sierten PN-Codefolge multipliziert wird.

Datenübertragungsverfahren, die unter Anwendung der Spreiz spektrum-Technik arbeiten, werden vor allem dann angewendet, wenn eine große Störsignalunterdrückung bei ungünstigen Übertragungsbedingungen erzielt werden soll. Die Grundlagen der Spreizspektrum-Technik sind beispielsweise im "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 5. Auflage 1992, Springer-Verlag, Kapitel 046 ff. beschrieben. Dabei ist auch angegeben, daß diese Technik bisher insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt für Nachrichtenübertragungen unter besonders schwierigen Bedingungen angewendet wurde. Auch auf Gebieten, in denen es auf einen besonderen Abhörschutz an kommt, beispielsweise in der Radartechnik und der Navigation, wurde diese Spreizspektrum-Technik häufig eingesetzt. Eine Art der Spreizspektrum-Technik ist das sogenannte Direct- Sequence-Verfahren (DS-Verfahren, bei dem das zu übertragende Signal, das in digitaler Form vorliegt, mit einer PN-Code folge (wobei PN für "Pseudo Noise" steht) moduliert wird, die so beschaffen ist, daß eine Spreizung des zu übertragenden Signals erzielt wird. Dabei besteht die Möglichkeit, das zu übertragende Datensignal vor der Spreizung auf einen Träger zu modulieren und dann den modulierten Träger zu spreizen oder auch das zu übertragende Datensignal erst zu spreizen und das gespreizte Signal dann auf den Träger zu modulieren. Auf der Empfängerseite wird das Datensignal zurückgewonnen, indem das gespreizte Signal durch Hinzumischen der PN-Code folge wieder entspreizt wird. Dieser Entspreizvorgang kann unter Verwendung einer Autokorrelationsstufe durchgeführt werden. Die bei den bisherigen Spreizspektrum-Übertragungs verfahren verwendeten PN-Codefolgen haben eine sehr große Länge und werden in der Regel mit binären Schieberegistern erzeugt. Hierfür ist ein relativ großer Schaltungsaufwand erforderlich, so daß die Spreizsprektrum-Technik bei Daten übertragungssystemen, die unter Aufwendung möglichst geringer Kosten verwirklicht werden sollen, keine Anwendung gefunden hat. Infolge der Anwendung der sehr langen PN-Codefolgen nimmt auch der Autokorrelationsvorgang relativ viel Zeit in Anspruch, da zunächst die empfängerseitig erzeugte PN-Code folge mit der im empfangenen Signal enthaltenen PN-Codefolge synchronisiert werden muß, damit der Entspreizvorgang durch geführt werden kann.

In Anwendungen, in denen auf der Empfängerseite eine sehr schnelle Synchronisation der PN-Codefolge erzielt werden muß, sind Übertragungsverfahren wenig geeignet, bei denen die Synchronisation durch Autokorrelation erzielt wird. Es wurden bereits Übertragungsverfahren verwendet, bei denen zusätzlich zu den zu übertragenden Informationen vom Sender ein Refe renz-Code ausgesendet wird, der empfängerseitig zur Synchro nisierung der PN-Codefolge benutzt wird. Ein solches Verfah ren ist beispielsweise in "UKW-Berichte", 2/84, Seiten 90 ff. beschrieben. Für Anwendungen, bei denen es senderseitig auf geringe Kosten ankommt, ist dieses Verfahren ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei dem empfangsseitig eine sehr schnelle Synchronisierung der im Empfänger erzeug ten PN-Codefolge mit der im empfangenen Signal enthaltenen PN-Codefolge unter Anwendung einfacher Schaltungsmittel ohne großen Aufwand erzielt werden kann.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß im Sender der Träger durch FSK- oder BPSK-Modulation mit dem gespreiz ten Datensignal moduliert wird und zusätzlich mittels der jeweils anderen dieser beiden Modulationsarten mit einem die Synchronisierungsinformation der PN-Codefolge repräsentieren den Synchronisierungssignal moduliert wird, und daß im Emp fänger der modulierte Träger mittels eines Quadraturdemodula tors demoduliert wird, aus dessen Ausgangssignal sowohl das gespreizte Datensignal als auch das Synchronisierungssignal durch Filterung ableitbar sind.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird neben der Information, die die zu übertragenden Daten repräsentiert, auch eine Information übertragen, die den Synchronisierungszustand der PN-Codefolge repräsentiert. Zur Übertragung dieser beiden Informationen werden die FSK-Modulation und die BPSK-Modula tion angewendet, wobei unerheblich ist, welche dieser Modula tionsarten für jeweils eine der beiden zu übertragenden Informationen zum Einsatz kommt. Da bei Anwendung dieses Verfahrens auf der Empfängerseite unmittelbar nach Empfang des ausgesendeten Signals eine Information über den Synchro nisierungszustand der senderseitig zur Spreizung des Datensi gnals verwendeten PN-Codefolge zur Verfügung steht, kann empfängerseitig sehr schnell eine synchronisierte PN-Code folge erzeugt werden, so daß der Entspreizvorgang dementspre chend schnell durchgeführt werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah rens besteht darin, daß die PN-Codefolge so gewählt wird, daß das zugehörige Synchronisierungssignal eine wesentlich nied rigere Bitrate als das gespreizte Datensignal hat, das zum Modulieren des Trägers für das gespreizte Datensignal die BPSK-Modulation und für das Synchronisierungssignal die FSK- Modulation angewendet wird, und daß im Empfänger das Aus gangssignal des Quadraturdemodulators zur Gewinnung des Synchronisierungssignals durch ein Tiefpaßfilter und zur Gewinnung des gespreizten Datensignals durch ein Hochpaßfil ter übertragen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezug nahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Senders zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 Zeitdiagramme von Signalen, die an den Punkten a, b, c und d in Fig. 1 sowie bei e in Fig. 3 auftreten und

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild der für das Ver ständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlichen Bau einheiten eines Empfängers zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Sender enthält eine Datenquelle 10, die Daten in Form digitaler Signale abgibt. Ein Beispiel eines solchen Datensignals ist bei a in Fig. 2 dargestellt. Ein PN-Generator 12 erzeugt eine PN-Codefolge, wie sie bei b in Fig. 2 dargestellt ist. Diese PN-Codefolge hat eine wesentlich höhere Bitrate als das Datensignal. In einer Antivalenzschaltung 14 werden die Daten mit der PN- Codefolge aus dem PN-Generator 12 einer modulo-2-Addition unterzogen. Durch diese modulo-2-Addition wird das Spektrum des Datensignals gespreizt, so daß am Ausgang der Antivalenz schaltung 14 ein Datensignal mit gespreiztem Spektrum zur Verfügung steht. In Fig. 2 ist dieses Signal mit gespreiztem Spektrum bei c dargestellt.

Der Sender enthält einen Trägeroszillator 16, der die Träger frequenz erzeugt, mit der die Informationen ausgesendet werden sollen. Der Träger wird zunächst mit Hilfe eines FSK- Madulators 18 mit einem Signal moduliert, das aus dem PN- Generator kommt und die Synchronisierungsinformation der PN- Codefolge repräsentiert. Dieses Signal kann beispielsweise ein Rechtecksignal sein, das jeweils beim Start der PN-Code folge eine Flanke aufweist. Beispielsweise hat es beim Start der ersten PN-Codefolge eine positive Flanke, beim Start der zweiten PN-Codefolge eine negative Flanke, beim Start der dritten PN-Codefolge wieder eine positive Flanke usw. Zwi schen den Flanken hat es jeweils den gleichen Pegel. Dieses Signal definiert somit die jeweiligen Startzeitpunkte der PN- Codefolge und stellt also eine Synchronisierungsinformation dieser Codefolge dar. Die FSK-Modulation im FSK-Modulator 18 hat zur Folge, daß die Trägerfrequenz mit jeder Flanke des ihm vom PN-Generators 12 zugeführten Signals eine Frequenz umtastung erfährt, so daß sie abwechselnd die Werte f₁ und f₂ annimmt, wie bei d in Fig. 2 zu erkennen ist.

Das Ausgangssignal des FSK-Modulators wird dann in einem BPSK-Modulator 20 einer Phasenmodulation unterzogen, wobei als Modulationssignal das gespreizte Datensignal aus der Antivalenzschaltung 14 dient. Dieser BPSK-Modulator 20 hat zur Folge, daß bei jeder Flanke des gespreizten Datensignals im Ausgangssignal des FSK-Modulators eine Umtastung der Phase um 180° erfolgt. Die Abkürzung "BPSK" bedeutet in diesem Fall "Binary Phase Shift Keying".

Das bei d in Fig. 2 dargestellte, von der Antenne 22 ausge sendete HF-Signal enthält durch die zweifache Modulation sowohl Informationen über die gespreizten Daten als auch Synchronisierungsinformationen über die zur Spreizung be nutzte PN-Codefolge.

Im Empfänger kann aus dem ausgesendeten HF-Signal, das gemäß Fig. 3 von der Antenne 24 empfangen wird, in einem Quadra turdemodulator 26 demoduliert werden. Dieser Quadraturdemodu lator 26 liefert an seinem Ausgang ein Summensignal, wie es bei e in Fig. 2 zu erkennen ist. Dieses Signal besteht aus zwei einander überlagerten Signalen, von denen das eine ein Rechtecksignal ist, dessen Flanken im Abstand der Startzeit punkte der PN-Codefolge liegen, während das andere Signal aus einzelnen Impulsen besteht, die jeweils an der Stelle auftre ten, an denen die gespreizten Daten eine Impulsflanke aufwei sen.

Da die Synchronisierungsinformation aufgrund von FCC-Vor schriften eine Frequenz haben muß, die wenigstens zehnmal niedriger als die Frequenz der gespreizten Daten ist, lassen sich die beiden im Summensignal enthaltenen Signale sehr leicht voneinander trennen, indem das Summensignal durch ein Tiefpaßfilter 28 und durch ein Hochpaßfilter 30 geschickt wird. Das Tiefpaßfilter gibt an seinem Ausgang 32 das die Synchronisierungsinformation repräsentierende Signal mit der niedrigeren Frequenz ab, während das Hochpaßfilter an seinem Ausgang 34 das die gespreizten Daten repräsentierende Signal mit der höheren Frequenz abgibt. Die Synchronisierungsinfor mation aus dem Tiefpaßfilter 28 kann dann zur Synchronisie rung der im Empfänger in der üblichen Weise in einem eigenen Generator erzeugten PN-Codefolge benutzt werden, und die so erzeugte synchronisierte PN-Codefolge kann mit den gespreiz ten Daten aus dem Hochpaßfilter 30 zur Rückgewinnung der einspreizten Daten multipliziert werden, wie dies bei der Spreizspektrum-Technik üblich ist.

Die Synchronisierung der PN-Codefolge kann im Empfänger sehr schnell durchgeführt werden, da die Synchronisierungsinforma tion im empfangenen Signal enthalten ist, so daß es nicht notwendig ist, die Synchronisierung mittels eines zeitaufwen digen Autokorrelationsvorgangs durchzuführen. Bei Anwendun gen, bei denen nur sehr kurze Datentelegramme übertragen werden, ist dies ein großer Vorteil.

Claims

1. Verfahren zum Übertragen eines digitalen Datensignals von einem Sender zu einem Empfänger unter Anwendung der Spreiz spektrum-Technik, bei welchem das Datensignal mit einer PN- Codefolge modulo-2 addiert wird, deren Bitrate sehr viel höher als die Bitrate des Datensignals ist, dann ein Träger mit dem sich dadurch ergebenden gespreizten Datensignal moduliert wird, der modulierte Träger gesendet wird, im Empfänger der modulierte Träger demoduliert und das demodu lierte Signal zur Gewinnung des digitalen Datensignals mit einer im Empfänger erzeugten, mit der PN-Codefolge des Sen ders übereinstimmenden und synchronisierten PN-Codefolge multipliziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Sender der Träger durch FSK- oder BPSK-Modulation mit dem gespreizten Datensignal moduliert wird und zusätzlich mittels der jeweils anderen dieser beiden Modulationsarten mit einem die Synchro nisierungsinformation der PN-Codefolge repräsentierenden Synchronisierungssignal moduliert wird, und daß im Empfänger der modulierte Träger mittels eines Quadraturdemodulators demoduliert wird, aus dessen Ausgangssignal sowohl das ge spreizte Datensignal als auch das Synchronisierungssignal durch Filterung ableitbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PN-Codefolge so gewählt wird, daß das zugehörige Synchroni sierungssignal eine wesentlich niedrigere Bitrate als das gespreizte Datensignal hat, das zum Modulieren des Trägers für das gespreizte Datensignal die BPSK-Modulation und für das Synchronisierungssignal die FSK-Modulation angewendet wird, und daß im Empfänger das Ausgangssignal des Quadratur demodulators zur Gewinnung des Synchronisierungssignals durch ein Tiefpaßfilter und zur Gewinnung des gespreizten Datensi gnals durch ein Hochpaßfilter übertragen wird.