DE19744915C1 - Verfahren zum Übertragen eines digitalen Datensignals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Übertragen eines digitalen Datensignals mit vorbestimmter Bandbreite 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 demodulierte Signal zur Gewinnung des digitalen Datensignals mit einer im Empfänger erzeugten, mit der PN-Codefolge des Senders durch Autokorrelation synchronisierten PN-Codefolge multipliziert wird.

Datenübertragungsverfahren, die unter Anwendung der Spreiz­ spektrum-Technik arbeiten, werden vor allem dann angewendet, wenn eine große Störsignalunterdrückung bei ungünstigen Über­ tragungsbedingungen 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 ankommt, 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-Codefolge (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 wird unter Verwendung einer Autokorrelationsstufe durchgeführt. Die bei den bisherigen Spreizspektrum-Übertragungsverfahren verwendeten 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 Spreizspektrum-Technik bisher bei Datenübertragungs­ systemen, die unter Aufwendung möglichst geringer Kosten verwirklicht werden sollen, keine Anwendung gefunden hat.

Es werden zunehmend mehr störunempfindliche Datenübertra­ gungssysteme benötigt, die in hohen Stückzahlen und mit niedrigen Kosten hergestellt werden sollen. Beispiele hierfür sind Systeme, mit denen die von Wasserzählern, Gaszählern, Stromzählern oder auch Wärmemengenmessern an Heizkörpern erfaßten Daten über Funk zu Ablesegeräten oder zu zentralen Speichergeräten übertragen werden können, so daß der Aufwand für die Erstellung der Verbrauchsabrechnungen reduziert werden kann. Die in den genannten Zählern eingesetzten elektronischen Systeme sind batteriegespeist, so daß neben den geringen Kosten auch ein geringer Energieverbrauch eine der Voraussetzungen für ihre allgemeine Anwendbarkeit dar­ stellt. Das Erfordernis des niedrigen Energieverbrauchs läßt nur kurze Datentelegramme zu, wobei aber dafür gesorgt werden muß, daß dennoch eine einwandfreie, durch Störungen nicht verfälschte Auswertung der übertragenen Informationen ermög­ licht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit dessen Hilfe kostengünstige Geräte gebaut werden können, die dennoch eine störunempfindliche Übertragung von Daten zulassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem eingangs angegebenen Verfahren als PN-Codefolge ein periodisches Rechtecksignal mit konstantem Tastverhältnis verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung der PN-Codefolge mit Hilfe eines einfachen Rechteckgenerators, also ohne großen Schaltungsaufwand. Außerdem ermöglicht die Verwendung dieser besonderen PN-Codefolge eine sehr schnelle Sychronisierung des Generators, der empfängerseitig die PN- Codefolge erzeugt, die zur Entspreizung des Datensignals benötigt wird. Diese sehr kurze Sychronisierungszeit gestat­ tet eine beträchtliche Verkürzung der Gesamtlänge des ausge­ sendeten Datentelegramms, so daß das angestrebte Ziel der energiesparenden und störunempfindlichen Datenübertragung erreicht wird.

Vorteilhafterweise wird das Tastverhältnis der PN-Codefolge auf 1 : 4 eingestellt, was eine günstige Energieverteilung im Spektrum des gespreizten Signals ergibt und eine schnelle Synchronisierung in der Autokorrelationsstufe des Empfängers ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

• - Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Senders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
• - Fig. 2 Zeitdiagramme von Beispielssignalen, die an den Punkten a, b, c und d im Blockschaltbild von Fig. 1 auftreten, und
• - Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines Empfän­ gers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei der anschließenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird angenommen, daß der Sender in einem Wärme­ mengenmesser untergebracht ist, der an einem Heizkörper befestigt ist und die von dem Heizkörper abgegebene Wärme­ menge erfassen und zwischenspeichern kann. Das zwischen­ gespeicherte Meßergebnis kann beispielsweise als Reaktion auf ein Abrufsignal ausgesendet und von einem Ablesegerät erfaßt werden. Wie das Auslösen des Sendevorgangs erfolgt, ist für das hier zu beschreibende Verfahren ohne Bedeutung, so daß nicht näher darauf eingegangen wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Sender 10 werden die zu übertragenden Meßwerte von einem Sensor 12 erfaßt und von einem Analog-Digital-Umsetzer 14 in eine digitale Form ge­ bracht. In einer Antivalenzschaltung 16 werden die digita­ lisierten Daten mit dem Ausgangssignal eines PN-Generators 18 einer Modulo-2-Addition unterzogen. Der PN-Generator 18 erzeugt eine PN-Codefolge (Pseudo-Noise-Codefolge) in Form eines Rechtecksignals mit konstantem Tastverhältnis und mit einer Bitrate, die wesentlich höher als die Bitrate des Datensignals ist. Das Tastverhältnis ist auf 1 : 4 eingestellt. Durch diese Modulo-2-Addition wird das Spektrum des Daten­ signals gespreizt, so daß der Ausgang der Antivalenzschaltung 16 ein Datensignal mit gespreiztem Spektrum zur Verfügung steht. Dieses gespreizte Datensignal wird in einem BPSK-Modu­ lator 20 auf einen von einem Trägeroszillator 22 erzeugten Träger aufmoduliert. Die in dem beschriebenen Beispiel verwendete Modulation ist die binäre Phasenumtastmodulation (Binäre Phase Shift Keying), bei der bei jeder Flanke der gespreizten Daten der modulierte Träger eine Phasenverschiebung von 180° erfährt. In Fig. 2 sind Zeitdiagramme deren in Punkten a bis d von Fig. 1 erscheinenden Signale dargestellt. Das bei a auftretende Signal repräsentiert die vom Analog-Digital-Umsetzer 14 abgegebenen binär codiertenen Daten, und bei b tritt das Ausgangssignal des PN-Generators auf, das, wie zu erkennen ist, ein Rechtecksignal mit dem konstanten Tastverhältnis 1 : 4 ist. Die gespreizten Daten, die bei c auftreten, sind das Ergebnis der Modulo-2-Addition der binär codiertenen Daten und der PN-Codefolge. Das vom BPSK-Modulator 20 abgegebene Signal, das an der zur Antenne 24 führenden Leitung auftritt, läßt erkennen, daß das vom Trägeroszillator 22 abgegebene Trägersignal bei jedem Auftreten einer Flanke der gespreizten Daten hinsichtlich seiner Phase um 180° umgetastet wird.

In dem in Fig. 3 dargestellten Empfänger wird ein vom Sender 10 ausgesendetes und von der Antenne 26 erfaßtes Signal zu­ nächst in einem BPSK-Demodulator 28 demoduliert. Am Ausgang dieses BPSK-Demodulators 28 stehen die gespreizten Daten wieder im Basisband zur Verfügung. Zur Wiedergewinnung der binär codiertenen Daten im ungespreizten Zustand wird im Empfänger eine Autokorrelationsstufe 30 verwendet, in der die gespreizten Daten mit einer der vom PN-Generator 18 erzeugten PN-Codegruppe multipliziert werden. Diese FN-Codegruppe wird in einem PN-Generator 32 in der Autokorrelationsstufe 30 er­ zeugt; die Multiplikation erfolgt in einer Multiplikations­ einheit 36.

Die Entspreizung der Daten tritt aber nur dann ein, wenn die Phasenlage der vom PN-Generator 32 erzeugten PN-Codegruppe exakt mit der Phasenlage der PN-Codegruppe übereinstimmt, mit der die Daten senderseitig gespreizt worden sind. Das be­ deutet in anderen Worten, daß die vom PN-Generator 32 er­ zeugte PN-Codegruppe mit der im gespreizten Signal ent­ haltenen Codegruppe synchronisiert werden muß. Zu diesem Zweck enthält die Autokorrelationsstufe 30 einen Synchron­ detektor 34, der anhand der im Ausgangssignal der Multipli­ ziereinheit 36 auftretenden Signalflanken erkennen kann, ob der synchronisierte Zustand erreicht ist. Nur im synchroni­ sierten Zustand treten nämlich im Ausgangssignal der Multi­ pliziereinheit 36 ausgeprägte und sich wiederholende Signal­ flanken auf, wie sie in den entspreizten, binär codierten Daten enthalten sind. Solange der synchronisierte Zustand nicht erreicht ist, bewirkt die Multiplikation in der Multi­ pliziereinheit 36 nur eine weitere Spreizung der ihr vom PSK- Demodulator 28 zugeführten Daten, während im synchronisierten Zustand von der Multipliziereinheit 36 die binär codiertenen Daten abgegeben werden. Solange der Synchrondetektor 34 keine ausgeprägten sich wiederholenden Flanken feststellt, gibt er an den PN-Generator ein Signal ab, das zur Folge hat, daß die Phasenlage des Ausgangssignals dieses Generators schrittweise verschoben wird. Dieser Verschiebebefehl wird so oft wieder­ holt, bis der Synchrondetektor 34 den synchronen Zustand anhand des Auftretens der binär codiertenen Daten erkennt. Sobald dieser synchrone Zustand erreicht ist, tritt in der Autokorrelationsstufe ein eingerasteter Zustand ein, der zur Folge hat, daß der PN-Generator 32 die gerade vorliegende Phasenlage seines Ausgangssignals beibehält. In diesem Zustand gibt die Autokorrelationsstufe 30 an ihrem Ausgang die binär codiertenen Daten ab, die nach dem Durchgang durch ein Tiefpassfilter 38 der weiteren Verarbeitung zugeführt werden können.

Da bei dem beschriebenen Verfahren für die Spreizung der Datensignale eine sehr kurze PN-Codefolge benutzt wird, kann auch die Synchronisierung in der Autokorrelationsstufe 30 des Empfängers sehr schnell erfolgen. Das Datentelegramm kann da­ her sehr kurz sein, so daß im Sender nur wenig Energie für die Aussendung benötigt wird. Außerdem erfordert die Erzeu­ gung der PN-Codefolge nur einen einfachen Rechteckgenerator, was dazu beiträgt, eine kostengünstige Herstellung des Senders zu ermöglichen. Trotz der einfachen Mittel, die zur Spreizung des Signals benützt werden, werden alle Vorteile der Spreizspektrum-Technik hinsichtlich des Störabstandes und der Störsicherheit erreicht.

Claims (2)

1. Verfahren zum Übertragen eines digitalen Datensignals mit vorbestimmter Bandbreite von einem Sender zu einem Em­ pfänger unter Anwendung der Spreizspektrum-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 demodulierte Signal zur Gewinnung des digitalen Datensignals mit einer im Empfänger erzeugten, mit der PN-Codefolge des Senders durch Autokorrelation synchronisierten PN-Codefolge multipliziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als PN- Codefolge ein periodisches Rechtecksignal mit konstantem Tastverhältnis verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis der PN-Codefolge auf 1 : 4 eingestellt wird.