DE3521996C1 - Arrangement for recombining a message transmitted by a frequency hopper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

In der Nachrichtentechnik werden zur Verhinderung des unberechtigten Abhörens einer Nachricht sogenannte Frequenzsprungsender benutzt, die auf schnell wechselnden Sendefrequenzen nach einem nur dem berechtigten Empfänger bekannten Frequenzschema die Nachricht senden (US 40 23 103). Wenn das Frequenzschema der Frequenzsprungsendung nicht bekannt ist, kann eine Nachrichtenauswertung nur dadurch erfolgen, daß für jeden vom Frequenzsprungsender benutzten Frequenzkanal ein gesonderter Empfänger bereitgehalten wird, was jedoch einen unvertretbar hohen Aufwand bedeuten würde, oder daß mit einem geeigneten Überwachungsempfänger das vom Frequenzsprungsender belegte Frequenzband ähnlich wie mit einem Spektrumanalysator ständig beobachtet wird und in Abhängigkeit von den Ausgangsdaten des Überwachungsempfängers über eine geeignete Auswerteinrichtung ein Abhörempfänger, der der jeweiligen Frequenzsprungsendung zugeordnet ist, auf die augenblicklich genutzte Sendefrequenz zu setzen. Wenn der Frequenzsprungsender mit hoher Sprungfrequenz arbeitet, kann die Totzeit des Systems, die vom Überwachungsempfänger zur Beobachtung des Frequenzbandes und zur Auswertung und Ausgabe der Ausgangsdaten einschließlich der Setzzeit für den Abhörempfänger nötig ist, mehr als 50% der jeweiligen Verweilzeit des Frequenzsprungsenders betragen, so daß dann eine brauchbare Auswertung und Rekombination der Frequenzsprungsendung nicht mehr möglich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache Anordnung zur Rekombination einer Frequenzsprungsendung zu schaffen, die diesen Nachteil vermeidet und trotz der System-Totzeit eine praktisch lückenlose Rekombination der ausgesendeten Nachricht ermöglicht, obwohl empfangsseitig das Umschaltprogramm des Senders nicht bekannt ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Anordnung geht aus von der Erkenntnis, daß man mit einem digital nach dem Prinzip der sogenannten schnellen Fourier-Transformation (Fast-Fourier-Transformation, FFT) arbeitenden Suchempfänger in kürzester Zeit ein relativ breites Frequenzband überwachen kann und über einen geeigneten schnellen Detektionsprozessor sehr schnell auch feststellen kann, auf welchen Frequenzen ein bestimmter Frequenzsprungsender nacheinander seine Nachricht abstrahlt. Solche digitalen FFT-Empfänger ermöglichen es, nach Feststellung der jeweils benutzten Sendefrequenz den eigentlichen Abhörempfänger entsprechend schnell auf diese Sendefrequenz umzuschalten. Die zur Feststellung der momentanen Sendefrequenz und zum anschließenden Umschalten des Abhörempfängers nötige Zeit geht als System-Totzeit für die Nachrichtenauswertung verloren. Aus diesem Grunde wird gemäß der Erfindung eine zusätzliche Zwischenspeicherung des Eingangssignales des Überwachungsempfängers vorgesehen, so daß dem Abhörempfänger nach der System-Totzeit das ursprünglich anliegende Eingangssignal voll zur Verfügung steht und entsprechend ausgewertet werden kann. Für diese Speicherung des ursprünglichen Eingangssignals wird gemäß der Erfindung ein Teil des Aufbaus des FFT-Suchempfängers ausgenutzt, nämlich der bis zum Analog-Digital-Wandler des digitalen FFT-Suchempfängers vorgesehene Signalaufbereitungszug, durch welchen das analoge Eingangssignal in einen digitalen Datenausgangsstrom umgewandelt wird. Damit kann für die gewünschte Zwischenspeicherung des Eingangssignales ein einfacher Digitalspeicher benutzt werden, wodurch der Gesamtaufbau der Anordnung sehr einfach wird. Bei Benutzung von analogen Abhörempfängern ist es dann nur noch nötig, den Ausgangsdatenstrom des digitalen Zwischenspeichers über einen zusätzlichen einfachen Digital-Analog-Wandler wieder in ein gegenüber dem ursprünglichen Eingangssignal zeitverzögertes Analogsignal rückzuwandeln, das dann im Abhörempfänger voll ausgewertet werden kann. Wenn als Abhörempfänger Digitalempfänger benutzt werden, bei denen die gesamte Frequenzaufbereitung und Auswertung digital erfolgt, kann dieser zusätzliche Digital-Analog-Wandler natürlich entfallen, in diesem Fall wird der Ausgang des digitalen Zwischenspeichers unmittelbar mit dem Digitaleingang des digitalen Abhörempfängers verbunden. Die Speicherzeit des digitalen Zwischenspeichers wird zweckmäßigerweise exakt gleich groß wie die Totzeit des Gesamtsystems gewählt, also so groß wie die Zeit, die der FFT-Suchempfänger benötigt, um das Frequenzband abzusuchen und die jeweils benutzte Sendefrequenz des Frequenzsprungsenders festzustellen einschließlich der Zeit, die benötigt wird, um in Abhängigkeit vom FFT-Suchempfänger den zugeordneten Abhörempfänger auf die festgestellte Frequenz zu setzen. Dann geht kein Teil der Nachricht mehr verloren, denn dann steht am Eingang des Abhörempfängers bei dessen Umschaltung auf die neue Sendefrequenz bereits das entsprechend zeitverzögerte zugehörige Eingangssignal von Anfang an zur Auswertung zur Verfügung.

Wenn die Verweilzeit des Frequenzsprungsenders (Dauer einer auf einer Sendefrequenz abgestrahlten Nachricht) kleiner ist als die Systemzykluszeit, die zur Erzeugung eines vollen Ausgabedatensatzes im FFT-Suchempfänger nötig ist, entstehen beim rekombinierten Signal zwangsläufig Lücken, die unvermeidbar sind. Auch wenn die Verweilzeit des Frequenzsprungsenders größer oder gleich dieser Systemzykluszeit ist, entstehen Lücken. Diese können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vermieden werden, indem einfach gemäß Unteranspruch 4 der Digitalspeicher in seinem Speicherumfang um eine volle Systemzykluszeit vergrößert wird und dem Abhörempfänger eine zusätzliche Logikschaltung zugeordnet wird. Auf diese Weise kann eine lückenfreie Rekombination einer Frequenzsprungsendung erreicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Rekombination einer von einem Frequenzsprungsender auf schnell wechselnden Sendefrequenzen gesendeten Nachricht, die über eine Antenne 1 empfangen und in einem FFT-Suchempfänger 2 digital ausgewertet wird. Dieser FFT- Suchempfänger besteht aus einem Empfangsteil 3, welches das gesamte vom Frequenzsprungsender belegte Frequenzband breitbandig in eine geeignete Zwischenfrequenzlage umsetzt. Dieses zunächst noch analoge Eingangssignal wird dann durch einen nachfolgenden Analog-Digital-Wandler 4 in bekannter Weise in einen digitalen Ausgangsdatenstrom umgesetzt, der in einem FFT-Prozessor 5 mit nachfolgendem Detektionsprozessor 6 ausgewertet wird. Die Steuerung des Analog- Digital-Wandlers 4 sowie des FFT-Prozessors 5 erfolgt über einen Taktgenerator 7. Der FFT-Suchempfänger 2 ermittelt aus den Empfangsdaten in bekannter Weise wie ein Frequenzanalysator in einer bestimmten Fensterbetrachtungszeit die momentane Frequenzbelegung des vom Frequenzsprungsender belegten Frequenzbandes, d. h. er ermittelt aus den digitalen Empfangsdaten die Frequenzlage, die der Frequenzsprungsender in einer vorbestimmten Systemzykluszeit hatte, in welcher ein vollständiger Datensatz vom Analog-Digital-Wandler 4 ausgegeben wurde. Die Geschwindigkeit dieses FFT-Suchempfängers ist so bemessen, daß die Systemzykluszeit, die zwischen der Erzeugung von zwei vollständigen Ausgabedatensätzen liegt, kleiner ist als die Verweilzeit des Frequenzsprungsenders.

Der Analog-Digital-Wandler 4 ist, obwohl für die eigentliche FFT-Auswertung nur ein Teil der insgesamt zur Verfügung stehenden Systemzykluszeit benutzt wird, ständig in Betrieb und liefert also fortlaufend die dem Eingangssignal entsprechenden Digitalsignale. Der FFT-Prozessor 5 wertet nur einen Teil der so ständig erzeugten Datensätze aus, d. h. der Prozessor 5 kopiert sich nur die von ihm benötigten Datensätze aus dem gesamten Datenstrom heraus. Der permanente digitale Ausgangsdatenstrom des Wandlers 4 wird in einen Digitalspeicher 8 eingeschrieben, der eine FIFO-Struktur besitzt und beispielsweise als Schieberegister ausgebildet ist. Das im Speicher 8 zeitverzögerte digitale Ausgangssignal wird vom Speicher 8 einem Digital- Analog-Wandler 9 zugeführt, in welchem aus dem digitalen Datenstrom wieder ein dem ursprünglichen analogen Eingangssignal entsprechendes Analogsignal erzeugt wird, das dann dem Eingang eines Abhörempfängers 10 zugeführt wird, in welchem dieses Analogsignal weiter ausgewertet wird.

Die Frequenzeinstellvorrichtung dieses Abhörempfängers 10 wird über den Detektionsprozessor 6 gesteuert. Der Digitalspeicher 8 und der Wandler 9 sind über den Taktgenerator 7 gesteuert, so daß die Organisation des Speichers 8 taktsynchron mit den Analog-Digital-Wandlerzyklen des Wandlers 4 erfolgt. Die Speicherzeit T _S des Digitalspeichers 8 ist in dem gezeigten Beispiel so gewählt, daß sie der Totzeit des Gesamtsystems einschließlich der Setzzeit des Abhörempfängers 10 entspricht. Zur Spektralauswertung werden die Eingangsdaten mit einer Abtastfrequenz im Analog-Digital-Wandler 4 abgetastet, die größer ist als die doppelte Bandbreite des zu überwachenden Frequenzbereiches (Nyquist-Theorem). Wenn daher der Analog-Digital-Wandler 4 ständig in Betrieb ist, enthält sein digitaler Ausgabedatenstrom auch die gleiche Information wie die analogen Eingangssignale mit Ausnahme der Verzerrung und mit Ausnahme des Quantisierungsrauschens, die nur von der Wortbreite und den Linearitätseigenschaften des Wandlers abhängen. Die Wortbreite des Digitalspeichers 8 ist gleich oder größer als die Wortbreite des Analog-Digital-Wandlers 4 gewählt. Das zwischengespeicherte Signal wird also durch den Zwischenspeichervorgang nicht mehr verfälscht, gleichgültig, wie lang die Zeit der Zwischenspeicherung ist.

Der FFT-Suchempfänger stellt zyklisch nach einer bestimmten Systemzykluszeit fest, auf welcher momentanen Frequenz der Frequenzsprungsender gerade eine Nachricht aussendet. Auf diese Momentanfrequenz wird gesteuert durch den FFT- Suchempfänger, dann der Abhörempfänger 10 abgestimmt. Nach der systembedingten Totzeit einschließlich der Setzzeit des Abhörempfängers 10 steht dann durch die Zeitverzögerung im Zwischenspeicher 8 nach der Frequenzumschaltung des Empfängers 10 an dessen Eingang gleichzeitig auch das ursprüngliche Eingangssignal zur Verfügung, durch die Zwischenspeicherung geht also nichts an der im Eingangssignal enthaltenen Nachricht verloren. Damit kann auch eine im Frequenzsprungverfahren ausgesendete Nachricht praktisch lückenlos empfangen und ausgewertet werden.

Das erfindungsgemäße Prinzip kann nicht nur bei einem einzügigen FFT-Suchempfänger 2 im Sinne des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 benutzt werden, sondern in gleicher Weise auch bei einem FFT-Empfänger mit zwei oder mehr Empfangszügen, wie sie beispielsweise als Monopuls-Peilempfänger benutzbar sind. Bei einer solchen mehrzügigen Empfängeranordnung können die Digitaldaten einiger oder aller Empfangszüge auch getrennt zwischengespeichert und getrennt den Abhörempfängern zugeführt werden. Die Aufschaltung der Abhörempfänger geschieht dann unter zusätzlicher Auswahl des Empfangszuges, der den maximalen Signalpegel auf der gewünschten Empfangsfrequenz bereitstellt. Fig. 4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel hierfür.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterbildung für den Abhörempfänger 10. der in Fig. 2 dargestellte Abhörempfänger umfaßt zwei Frequenzspeicher 12 und 13, welche in Abhängigkeit von dem Prozessor 6 abwechselnd auf die in aufeinanderfolgenden Systemzykluszeiten festgestellten Sendefrequenzen des Frequenzsprungsenders eingestellt werden können. Diese Frequenzspeicher 12 und 13 sind über einen elektronischen Schalter 14 mit dem eigentlichen Empfängerzug 15 verbunden und können durch diesen wahlweise als Überlagerungsfrequenzen dem Empfänger zugeführt werden. Zusätzlich ist noch ein Signaldetektor 16 vorgesehen, mit dem feststellbar ist, ob auf der momentan eingestellten Empfangsfrequenz ein Empfangssignal vorhanden ist oder nicht. Dieser Signaldetektor ist mit einer empfängereigenen Logikschaltung 17 verbunden, die ihrerseits den Umschalter 14 steuert. Der Frequenzumschalter 14 ist so demensioniert, daß er den Abhörempfänger mit einer Totzeit, die klein ist gegenüber der Systemzykluszeit, zwischen den beiden gespeicherten Frequenzen umschalten kann, die in den Frequenzspeichern 12 und 13 abgelegt sind. Dies kann beispielsweise mit einem bekannten PING-PONG-Oszillator realisiert werden.

Der Zwischenspeicher 8 nach Fig. 1 ist bei Benutzung eines Abhörempfängers nach Fig. 2 um eine zusätzliche Systemzykluszeit T _S verlängert (Gesamtspeicherzeit = Gesamttotzeit des Systems + T _S ).

Auch wenn die Verweilzeit T _H des Frequenzsprungsenders größer als die Systemzykluszeit T _S ist, entstehen dadurch Lücken, daß die Sprungzyklen des Frequenzsprungsenders und die Meßzyklen des FFT-Empfängers asynchron zueinander sind. Diese Lücken werden besonders groß, wenn die Verweilzeit T _H etwa gleich groß wie die Systemzykluszeit T _S ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Frequenzsprungsender während einer großen Zahl von Empfangszyklen innerhalb der Empfangsperiode seine Frequenz wechselt, ohne daß der Abhörempfänger in dieser Zeit dem Frequenzsprungsender folgen kann.

Dieser Effekt kann vermieden werden, wenn der FFT-Suchempfänger dem Abhörempfänger um einen ganzen Systemzyklus vorauseilt und die Zwischenspeicherzeit um diese Systemzykluszeit verlängert wird, denn dann kann der FFT-Suchempfänger den nächsten folgenden Frequenzsprung bereits im voraus in den Abhörempfänger einspeichern. Die Einspeicherung erfolgt dabei jeweils in den Frequenzspeicher 12, 13 mit der älteren Frequenzinformation, da dieser zum Zeitpunkt der Einspeicherung nicht zur Frequenzdefinition des Abhörempfängers genutzt wird.

Die Frequenz, die der Frequenzsprungsender nach seinem nächsten Sprung belegen wird, ist dem Abhörempfänger daher bereits im vorhinein bekannt und er wird also vom unauthorisierten Empfänger zum authorisierten Empfänger, wenn noch der Zeitpunkt des Frequenzwechsels bekannt ist. Dieser fällt zusammen mit dem Verschwinden des Senders auf der augenblicklich empfangenen Frequenz. Zur Auswertung dieser Information dient der zusätzliche Signaldetektor 16 und die Logikschaltung 17, die den Oszillator-Schalter 14 steuert. Die Baugruppe 14, 16, 17 ist so dimensioniert, daß sie beim Verschwinden der beobachteten Sendung den Abhörempfänger 10 mit einer Totzeit, die klein ist gegenüber der Systemzykluszeit, auf die neue bereits eingespeicherte Frequenz umschaltet. Das Umschalten des Abhörempfängers zwischen den beiden eingespeicherten Frequenzen erfolgt durch die Logikschaltung 17 anhand folgender Kriterien:
Entweder ist das Empfangssignal während des gesamten Systemzyklusses vorhanden, dann wird der Abhörempfänger mit Beginn eines neuen Systemzyklusses umgeschaltet,
oder aber das Empfangssignal verschwindet während des Systemzyklusses, dann schaltet sich der Abhörempfänger im Zeitpunkt des Verschwindens des Empfangssignals auf die zuletzt eingespeicherte Frequenz um und die Frequenzumschaltung bei Beginn des nächsten Systemzyklusses wird unterdrückt.

Das Zeitdiagramm nach Fig. 3 veranschaulicht den Ablauf für den Fall T _S /T _H = 5/6. Die Grundverzögerung zur Überbrückung des FFT- und Detektions-Prozesses ist der Übersichtlichkeit halber nicht in das Diagramm übernommen.

Der FFT-Suchempfänger ermittelt jeweils nach Ablauf eines vollen Systemzyklusses der Dauer T _S in den Zeitpunkten t₀, t₁, t₂ usw. die Momentanfrequenz des Frequenzsprungsenders. So wird beispielsweise im Zeitpunkt t₀ die Frequenz F 1 eingespeichert. Wegen der Signalverzögerung beginnt der Abhörempfänger im Zeitpunkt t₁ den Empfang auf dieser Frequenz mit dem Oszillator 12. Die zum Zeitpunkt t₁ gemessene neue Frequenz, die in den Oszillator 13 eingespeichert wird, ist wieder F 1. Da die Sendung auf der Frequenz F 1 in der Emfpangsperiode t₁-t₂ nicht verschwindet, wird der Abhörempfänger mit Ablauf des Zyklusses zum Zeitpunkt t₂ auf den Oszillator 13 umgeschaltet.

Die im Zeitpunkt t₂ gemessene Empfangsfrequenz F 2 wird wieder in den Oszillator 12 eingespeichert. Angenommen, der empfangene Sender verschwindet während der Empfangsperiode t₂-t₃, da er kurz nach Beginn dieses Maschinenzyklusses die Frequenz wechselt und auf die neue Frequenz F 2 springt. In diesem Fall schaltet die Logik den Oszillator 12 als wirksamen Oszillator an und der Abhörempfänger folgt dem Frequenzsprungsender auf die neue Frequenz F 2. Zum Zeitpunkt t₃ speichert der Suchempfänger die nächstfolgende Sendefrequenz F 3 in den Oszillator 13 ein. Da nach Voraussetzung die Verweilzeit des Frequenzsprungsenders länger ist als die Empfangsperiode t₂-t₃, muß der Oszillator 12 über den Zeitpunkt t₃ hinaus wirksam bleiben. Aus diesem Grunde muß die Logikschaltung das Umschalten des Empfängers vom Oszillator 12 auf den Oszillator 13 nach Ablauf des Systemzyklusses t₂-t₃ unterdrücken.

Das Zeitdiagramm nach Fig. 3 macht deutlich, daß die Funktion der Anordnung nicht abhängt von einer strengen Periodizität des Frequenzwechsels. Auch Sender mit anisochronen Frequenzwechseln können rekombiniert werden, wenn nur die kürzestmögliche Verweilzeit T _Hmin größer ist als die Länge T _S des Systemzyklusses.

Die interne Triggerung des Umschaltvorganges ist mit Rücksicht auf Frequenzsprungsender mit T _H kleiner als T _S abschaltbar.

Claims (4)

1. Anordnung zur Rekombination einer von einem Frequenzsprungsender auf schnell wechselnder Sendefrequenz gesendeten Nachricht mit empfangsseitig unbekanntem Umschaltprogramm, gekennzeichnet durch einen digitalen FFT-Suchempfänger (2), der das vom Frequenzsprungsender belegte Frequenzband zyklisch auswertet, mindestens einen Abhörempfänger (10), der durch den FFT-Suchempfänger auf die jweils momentan benutzte Sendefrequenz (F 1, F 2, F 3 . . .) des Frequenzsprungsenders umschaltbar ist, und einen Digitalspeicher (8), in welchem der digitale Ausgangsdatenstrom vom Ausgang des permanent arbeitenden Analog- Digital-Wandlers (4) des FFT-Suchempfängers zwischengespeichert wird und dessen verzögerter Ausgangsdatenstrom dem Eingang des Abhörempfängers (10) zugeführt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherzeit des Digitalspeichers (8) gleich groß wie die Totzeit des FFT-Suchempfängers einschließlich der Setzzeit des Abhörempfängers (10) gewählt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verzögerte Ausgangsdatenstrom des Digitalspeichers (8) mittels eines Digital- Analog-Wandlers (9) zu einem Analogsignal rückgewandelt wird und dem Eingang eines analogen Abhörempfängers (10) zugeführt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherzeit des Digitalspeichers (8) um die Systemzykluszeit (T _S ) des FFT-Suchempfängers (2) verlängert ist, der Abhörempfänger (10) zwei Frequenzspeicher (12, 13) aufweist, in welchen abwechselnd die vom FFT-Suchempfänger (2) festgestellten Sendefrequenzen des Frequenzsprungsenders eingespeichert werden, dem Abhörempfänger (10) ein Empfangssignal-Detektor (16) zugeordnet ist und die Umschaltung zwischen den beiden Frequenzspeichern (12, 13) in Abhängigkeit von einer Logikschaltung (17) so erfolgt, daß dann, wenn das Emfpangssignal während des gesamten Systemzyklusses vorhanden ist, der Abhörempfänger (10) mit Beginn eines neuen Systemzyklusses auf den anderen Frequenzspeicher umgeschaltet wird, während dann, wenn während des Systemzyklusses das Empfangssignal verschwindet, der Abhörempfänger zum Zeitpunkt des Verschwindens des Emfpangssignales auf die zuletzt eingespeicherte Frequenz umgeschaltet wird und das Umschalten der Frequenz zu Beginn des nächsten Systemzyklusses unterdrückt wird.