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Empfänger für pseudozufällig phasenmodulierte Signale
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Die Erfindung bezieht sich auf einen für ein Informationsübertragungssystem,
bei dem sendeseitig mittels einer Phasenumtastungen eines Nutzsignals erzeugenden,
sich periodisch wiederholenden Pseudozufallsfolge eine Bandspreizung des Nutzsignals
hervorgerufen wird, vorgesehenen Empfänger, der zur Rückgängigmachung dieser Bandspreizung
einen identische Pseudozufallsfolgen erzeugenden und damit einen Phasenrücktaster
steuernden Codegenerator aufweist, wobei zur Synchronisation des empfangsseitigen
taktgesteuerten Pseudozufalls-Codegenerators auf die im empfangenen Signal enthaltene
Pseudozufallsfolge zunächst eine Codeakquisitionsphase zur Anfangssynchronisation
oder nach Synchronisationsverlust durchgeführt wird und danach der Snychronismus
mittels einer Regelsohleife aufrecht erhalten wird.
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Die Synchronisation des Pseudozufallsgenerators im Empfänger auf die
im Empfangssignal enthaltene Pseudozufallsfolge ist für die Funktion des Nachrichtenübertragungssystems
unerläßlich. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen der. Akquisitionsphase zu Beginn
der Ubertragung oder nach einem Synchronisationsverlust und dem Aufrechterhalten
des Syrichronismus nach gelungener Akquisition. Einzelheiten in diesem Zusammenhang
sind dem Aufsatz von W.P.Baier "Überlegungen zu störsicheren drahtlosen Nachrichtenübertragungssystemen",
Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte Nr. 4 (1975) Seiten 61 bis 67 und dem
Buch R.C.Dixon "Spread-Spectrum-Systems" New York, 1976, Seiten 180 bis 210 zu entnehmen.
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Es ist beispielsweise bekannt, zur Akquisition dem Pseudozufallsgenerator
des Empfängers solange eine etwas höhere Taktfrequenz als dem des Senders zu geben,
bis die Ausgangs spannung eines Korrelators eine gewisse Schwelle überschreitet
und damit Deckungsgleichheit der beiden Pseudozufallsfolgen meldet. Verschiedene
andere Akquisitionsverfahren sind beschrieben in den Aufsätzen von G.F.Sage: Serial
Synchronization of Pseudonoise Systems, IEEE Transactions on Communication Techn.
Vol.
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COM-12, (1964) Seiten 69 bis 78; R.B.Ward: Acquisition of Pseudonoise
Signals by Sequential Estimation, IEEE Transactions on Communication Techn. Vol.
COM-13 (1965) Seiten 475 bis 483 und von D.P.Morgan. J.M.Hannah, J.H.
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Collins: Spread-Spectrum Synchronizer Using an SAW Convolver and Recirculation
Loop, IEEE Proceedings, Vol.
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65 (1976) Seiten 751 bis 753.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine der Synchronismusfindung dienende
Codeakquisitionseinrichtung zu schaffen.
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mit der sich eine ausgefeilte Akquisi5Dnsstrategie realisieren läßt,
so daß die Synchronisation rascher erreicht wird als beim bisher bekannten Stand
der Technik.
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Gemäß der Erfindung, die sich auf einen Empfänger der eingangs genannten
Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Codegenerator eine Einrichtung
zur periodischen Taktausblendung vorgeschaltet ist, durch welche während der Akqusitionsphase
eine Relativbewegung zwischen den beiden m synchronisierenden Pseudozufallsfolgen
erreicht wird, daß während der Akquisitionsphase das empfangene Signal im Anschluß
an den Phasenrücktaster einem In-Lock-Detektor eingegeben wird, der gemäß der sogenannten
Costas-Struktur «nen In-Phase-Kanal und einen Quadratur-Kanal aufweist, denen zur
Integration jeweils in Reihe zueinander ein Matched -Filter, ein Abtastfilter und
ein Quadrierer vorgesehen ist und die
über einen Summierer verbunden
sind, dem eine Vergleichseinrichtung nachgeschaltet ist, in welcher - falls die
dem Summierer entnommene Integrationsausgangsgrße eine vorher festgelegte Vergleichs
schwelle überschreitet -entschieden wird, daß sich die beiden zu vergleichenden
Pseudozufallsfolgen zeitlich im wesentlichen decken, und daß bei Nichtüberschreiten
der Vergleichs schwelle für den Fall der.Anfangssynchronisation die Einrichtung
zur periodischen Taktausblendung sofort und für den Fall des Synchronisationsverlusts
evtl. erst nach ein- oder mehrmaliger Wiederholung der Integration weitergeschaltet
wird.
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Soll die Qualität des Detektors noch weiter verbessert werden, so
läßt sich als Möglichkeit dazu eine Mehrfachbeobachtung realisieren. Dazu ist zwischen
dem Summierer und der Vergleichseinrichtung noch ein Produktakkumulator zwischengeschaltet,
in dem mehrere aufeinander folgende Integrationsausgangsgrößen akkumuliert werden,
so daß sich in der Vergleichseinrichtung dann diese akkumulierte Ausgangsgröße mit
einer geeignet angehobenen Vergleichs schwelle zur Ergebnisherbeiführung vergleichen
läßt. Durch diese Maßnahme wird die Entdeckungswahrscheinlichkeit größer und die
Falschalarmwahrscheinlichkeit kleiner.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren naher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung
zur Durchführung der Codeakquisition in einem Empfänger für ein pseudozufällig phasenmoduliertes
Empfangssignal, Fig. 2 in einem Blockschaltbild die Struktur eines optimalen In-Look-Detektors
für die Schalting näch
Fig. 3 ein Flußdiagramm als Ausführungsbeispiel
zur Akquisitionsstrategie.
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Anhand des in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbildes wird im folgenden
die Durchführung der Codeakquisition in einem Empfänger erläutert, der zu einem
Informationsübertragungssystem gehört, bei dem sendeseitig mittels einer Phasenumtastungen
eines Nutzsignals erzeugenden, sich periodisch wiederholenden Pseudozufallsfolge
eine Bandspreizung des Nutzsignals hervorgerufen wird. Im Empfänger muß diese Bandspreizung
wieder rückgängig gemacht werden, was durch Umschaltung eines Phasenumtasters 3
im Rhythmus einer von einem Pseudozufallsgenerator 1 erzeugten Pseudozufallsfolge
erfolgt. Die Synchronisation zwischen der im Empfangssignal enthaltenen und der
im Empfänger erzeugten Pseudozufallsfolge geschieht in zwei Schritten. Zuerst werden
in einer Grobakquisition die beiden Codes auf ungefähr ein Codedigit, d.h. + To/2
zur Deckung gebracht, wobei die T0 die Taktperiode der Pseudozufallsfolge ist. Dazu
ist eine Suchtechnik, d.h. eine sogenante Akquisitionsstrategie erforderlich. Im
zweiten Schritt wird die Feinsynchronisation durchgeführt, die mit einer Regelschleife,
beispielsweise einerDelay-Locked-Loop oder einer sogenannten Dithering-Loop realisiert
wird. Die Ubergangsphase von der Grobakquisition zur Feinsynchronisation kann auch
noch als Feinakquisition bezeichnet werden.
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Im Blockschaltbild nach Fig. 1 sind drei größere funktionelle Blöcke
erkennbar, nämlich der sogenannte In-Lock-Detektor A, ein Ak g sitionsstrat¢eUock
B und ein Feinsynchronisationsblock C. Der Akquisitionsstrategieblock B steuert
und kontrolliert alle Operationen, der In-Lock-Detektor A erkennt die ungefähre
Deckung der beiden Pseudozufallsfolgen und der Feinsynchronisationsblock C fuhrt
die vollständige Kohärenz der beiden Pseudozufallsfolgen-Codes herbei.
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Im einzelnen besteht der In-Lock-Detektor A aus dem Phasenrücktaster
3, einem später noch näher beschriebenen Detektor 4 und einer Vergleichseinrichtung
5, welche der Entscheidungsfindung dient. Der Akquisitionsstrategieblock besteht
aus einerßteuereinrichtung 6, einer Einrichtung 7 zur Bestimmung der Strategielogik
und einer Strategiekontrolleinrichtung 8. Der FeinsynchronisationsblockC weist den
Pseudozufalls-Generator 1, eine Einrichtung zur Taktausblendung 2 , einenspannungsgesteuerten
Taktoszillator 9, ein Schleifenfilter 10 und eine Korrelationsschaltung 11 im Rahmen
des Dithering-Loop auf.
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Hinsichtlich der erreichbaren mittleren Akquisitionszeit kommt neben
der Akquisitionsstrategie dem In-Lock-Detektor A entscheidendqbedeutung zu. Dessen
Falschalarmwahrscheinlichkeit PF und Entdeckungswahrscheinlichkeit PD bestimmen
die Qualität der Akquisition. Beide Wahrscheinlichkeiten müssen wegen der Auswirkung
auf die mittlere Akquisitionszeit sorgfältig dimensioniert werden. EineaähvcnPF
und PD, basierend auf einer in der Radartechnik benutzten Philosophie, führt im
vorliegenden Fall zu unbrauchbaren Ergebnissen.
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Es zeigt sich im Ergebnis, daß ein Detektor mit der Grundstruktur
des Costas-Kreises, der aus Proceedings of the IRE, Vo. 44, (1956), Heft 12, Seiten
1713 bis 1718 bekannt ist, zweckmäßig ist. Nur wenige Zusatzeinrichtungen sind erforderlich,
die sich teilweise auch noch für andere Aufgaben im Empfänger simultan mit benutzen
lassen. Dieser glückliche Umstand kommt Miniaturisierungsbestrebungen und einer
gewünschten Aufwandsreduzierung sehr entgegen.
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Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild die Struktur einoc nntims n
Tn-Lock-Detektors. der in Fig. 1 mit A
bezeichnet ist. Dargestellt
sind dabei nur die wesentlichen Funktionen. In einem Block 12 erkennt man die Costas-Grundstruktur.
Sie besteht aus dem Phasenrücktaster 3, zwei Mischern 13 und 14, in denen ein In-Phase-Kanal
signal und ein Quadraturkanalsignal gebildet werden, zwei Matched-Filter 15 und
16 und zwei Abtastschaltern 17 und 18. Die Costas-Grundstruktur 12 ist durch einen
In-Lock-Detektor-Zusatzblock 19 ergänzt, der aus zwei Quadrierern 20 und 21, einem
Summierer 23 und einem Produktakkumulator 24 besteht. Diesem ist die Vergleichseinrichtung
5 zur Entscheidungsherbeiführung nachgeschaltet.
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Aus den Abtastwerten Q(nT) und I(nT), die periodisch in Zeitabständen
der Integrationsdauer T über die Abtastschalter 17 und 18 von den beiden Matched-Filtern
15 bzw. 16 stammen, wird durch Quadrieren in den Quadrierern 20 bzw. 21 und Addieren
in dem Summierer 23 eine Testgröße l(nT) erzeugt. Je nach Wert dieser Testgröße
im Vergleich zu einer Schwelle wird für oder gegen die Hypothese entschieden, daß
sich die beiden Codes ungefähr decken.
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Die Qualität des Detektors hängt von der Integrationsdauer T ab und
verbessert sich, je größer die Dauer T ist. Die Integrationsdauer T ist aber nach
oben limitiert.
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Auf jeden Fall ist die Dauer eines Bits ihre obere Grenze, und für
den Fall, daß diese Symboldauer größer als die Periode der Pseudozufallsfolge ist,
ist in der Akquisitionsphase die Periode der Pseudozufallsfolge die obere Grenze.
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Soll aber die Qualität des Detektors weiter verbessert werden, so
bietet sich als Möglichkeit eine Mehrfachbeobachtung an. Statt aufgrund einer einzigen
Testgröße l(nT) in der Vergleichseinrichtung 5 zu entscheiden,
werden
mehrere aufeinanderfolgende Testgrößen in einem Produktakkumulator 24 akkumuliert
und dieses Produkt M wird mit einer anderen Schwelle g M verglichen. Je größer die
Zahl M dieser Beobachtungen ist, desto größer wird die Entdeckungswahrsoheinlichkeit,
aber desto kleiner wird auch die Falschalarmwahrscheinlichkeit.
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Die Akquisitionsstrategie ist eine logische Prozedur, durch die alle
Operationen ausgelöst und kontrolliert werden. Dazu dient der Block B in Fig. 1.
Die Wahl der Strategie hat einen wichtigen Einfluß auf die Akquisitionszeit. Da
diese möglichst klein sein soll, muß auch die Integrationszeit T des Detektors A
zum Test einer Phasenposition des Codes klein sein. Aus dem gleichen Grund soll
auch die Zahl M der Beobachtungen gering sein. Andererseits erhöht eine große Integrationsdauer
T mit einer großen Zahl M der Beobachtungen die Entdeckungswahrscheinlichkeit und
senkt die Falschalarmwahrscheinlichkeit. Eine kleine Integrationszeit T mit einer
kleinen Zahl M von Beobachtungen führt demnach zu einer kurzen Suchzeit, aber auch
zu einer gringen Wahrscheinlichkeit für die Entdeckung der richtigen Codephasenposition,
wenn diese auftritt. Umgekehrt führt eine große Integrationszeit T mit einer großen
Zahl M von Beobachtungen zu einer langen Suchzeit, aber mit hoher Entdeckungswahrscheinlichkeit.
Diese widerstrebenden Einflüsse müssen im Hinblick auf die gewünschte mittlere Akquisitbnszeit
optimiert werden.
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Wesentlich beim Gegenstand nach der Erfindung ist, daß die Akquisitionsphase
mit einem Suchlauf für den Pseudozufallscode ohne Verstimmen des Taktoszillators
9 in Fig. 1 beginnt. Durch periodisches Ausblenden von Takten mittels der Einrichtung
2 erreicht man die notwendige Relativbewegung zwischen den zu synchronisierenden
Pseudozufallsfolgen. Die zeitliche Lage der Folien zuein-
ander
ändert sich sprunghaft um diskrete Intervalle T wobei die Größe T0 dabei der Dauer
eines Digits in der Pseudozufallsfolge entspricht. Diese auffallende Eigenschaft
bei der Codeakquisition kann man auch als Holpern bezeichnen. Da diese Methode auf
eine Verstimmung des Taktoszillators 9 verzichtet, bleibt die Zwischenfrequenzlage
des Empfangssignals erhalten. Weitere Vorteile, wie hohe Suchgeschwindigkeit oder
die Möglichkeit, eine vorgegebene Anzahl von Takten auszublenden, kommen hinzu.
Der In-Lcck-Detektor A erkennt mit einer hohen Entdeckungswahrscheinlichkeit die
Beinahe-Ubereinstimmung der Codes, und der Suchlauf wird unterbrochen.
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Eine mögliche Akquisitionsstrategie zeigt als Beispiel das Flußdiagramm
in Fig. 3. Beginnend mit dem Test der ersten Phasenposition nach dem Start durch
die Integration Ml, Ti, { 1, führt ein negatives Resultat sofort zu einem Phasenvorschub
durch Taktausblendung und so zur nächsten Phasenposition des Pseudozufallsgenerators.
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Ein Alarm, d.h. ein Phasenversatzle| To/2, führt dagegen in die zweite
Strategieebene mit der Integration M2, T2, t 2, von der aus ein erneuter Alarm die
Code-Tracking-Aktivität eröffnet, während ein negatives Testresulat in die erste
Strategieebene (Suchmode 1,2) zurückführt.
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Zu Beginn der Code-Nachführphase (=Tracking Phase) wird der Dithering-Loop
aktiviert, um daraus die Diskriminatorspannung für den Regler und damit eine Nachstellspannung
für die Frequenznachstimmung des Taktoszillators zu bilden. Nach der typisch drei-
bis fünffachen Zeit der Zeitkonstante der Regelschleife ist die vollkommene Kohärenz
der Folgen erreicht. Diesen Zustand erkennt ein anderer Detektor, der im Zusammenhang
mit dieser Erfindung nicht beschrieben wird.
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Der weitere Verlauf im Flußdiagramm nach Fig. 3 beschreibt die In-Lock-Strategie,
die wieder vom In-Lock-Detektor A abhängig ist. Wie wichtig dieser Teil ist, mag
ein Zahlenbeispiel veranschaulichen.
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Die Integrationszeit des Detektors sei 1 ms und die Entdeckungswahrscheinlichkeit
sei 0,999. Dann ist die Wahrscheinlichkeit für die Entdeckung der korrekten Phasenposition
unter der Voraussetzung, daß diese auch tatsächlich existiert, bei 1000 aufeinander
folgenden Entscheidungen (1 sec) = 0,9991000, das ist o,3677,und bei 10 sec die
Wahrscheinlichkeit = 4,5 10 5. Es ist offensichtlich, daß eine bessere In-Lock-Strategie
erforderlich ist.
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Gemäß dem Flußdiagramm in Fig. 3 führt eine Lock-Verlustmeldung nicht
sofort zur Initiierung eines neuen Suchvorgangs. Die Strategie ist einem Zähler
mit drei Zuständen 1, 2 und 3 mit dem Anfangszustand 1 vergleichbar. Ein Lock-Verlust
erhöht den Zählerstand um 1. Maximal kann der Zustand 3 erreicht werden. Ein positives
Testergebnis erniedrigt den Zählerstand um 1. Wenn der ZaBbrstand 3 erreicht ist,
wird der Wiedersynchronisationsmode eingeleitet. Dieser ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Pseudozufallsfolge im Empfänger um eine bestimmte Anzahl von Codedigits
mittels der Einrichtung zur Taktausblendung versetzt wird. Davon ausgehend wird
der normale Suchmode gestartet. Hinter dieser Strategie verbirgt sich die aber legung,
daß bei einem Lock-Verlust die relative Verschiebung der Pseudozufallsfolgen im
Empfangssignal und im Empfänger nur begrenzt groß sein kann. Durch den erwähnten
definierten Versatz erreicht man daher, daß im neuen Suchmode nur relativ wenige
Phasenpositionen abgesucht werden müssen. Die Zeit für die Widersynchronisation
ist so im allgemeinen auf einen Bruchteil der Zeit für die Erstakauisition reduziert.
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Eine auffällige Eigenschaft des beschriebenen In-Lock-Detektors in
Verbindung mit der Akquisitionsstrategie sind die variablen Detektor-Parameter in
den verschiedenen Strategieebenen. Die Integrationszeit T, die Zahl der Beobachtungen
M und der Schwellwert rsind adaptiv.
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Das bringt einen stnifikanten Vorteil. Im Suchmode ist die a-priori-Wahrscheinlichkeit
einer korrekten Synchronisation klein. In diesem Fall ist ein Test mit vorgegebener,
aber konstanter Falschalarmwahrscheinlichkeit günstig Im Lockmode dagegen ist die
a-posteriori- Wahrscheinlichkeit für eine korrekte Synchronisation groß. In diesem
Fall ist es günstig, die Vergleichsschwelle zu erniedrigen, um die wahrscheinlichste
Hypothese zu favorisieren.
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Im Lockmode spielt auchder Zeitfaktor eine untergeordnete Rolle, weshalb
hier mit Vorteil die Zahl M der Beobachtungen groß gewählt werden kann, so daß die
Entdeckungswahrscheinlichkeit entsprechend wächst. Im Lockmode 1 beträgt die Zahl
der Beobachtungen M3, die Integrationszeit T3 und der Schwellwert t3. Entsprechend
gilt für die Lockmodes 2 und 3 die Beobachtungszahl M4 bzw. M5, die Integrationszeit
T4 bzw. T5 und der Schwellwert t 4 bzw. bzw.
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Die geforderte Flexibilität wird besonders vorteilhaft in Verbindung
mit einer mikroprozessorientierten Schaltungsrealisierung erreicht. Der Aufwand
für Quadrieren, Addieren und Akkumulieren sowie die Schwellenadaption kann dann
vom ohne hin vorhandenen Prozessor samt seinen peripheren Einrichtungen übernommen
werden. Die Durchführung der logischen Operationen und das Auslösen geeigneter Aktionen,
also die Akquisitionsstrategie als Teil des gesamten Betriebssystems, ist sowieso
eine Domäne des Mikroprozessors. Die prozessororientierte Realisierung erlaubt auch
Strategieänderungen, ohne die existierende Hardware zu ändern. So kann auf unterschiedliche
Einsatzbedingungen flexibel reagiert werden.
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