DE3537096C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Frequenzsprungnachrich­ tenübertragungssystem mit Frequenzumtastmodulation.

Bei einem Frequenzsprungsystem wird die Trägerfrequenz sprunghaft geändert. Die Sprünge erfolgen in einem von einer Codefolge abhängigen und zu dieser Codefolge syn­ chronen Muster. Es entsteht dadurch ein sogenanntes Sprungmuster, das durch die zeitliche Aufeinanderfolge be­ stimmter, unterschiedlicher Frequenzen charakterisiert ist. Die Zeit, für die auf einer einzelnen Frequenz ver­ weilt wird, heißt "Chip". Die zu übertragende Nachricht ist entweder in der Codefolge enthalten (Codemodulation) oder in der jeweiligen Frequenz des Träqers (FSK oder Fre­ quenzumtastmodulation) enthalten.

Zur Demodulation der Nachricht synchronisiert der Emp­ fänger zuerst seine Codefolge mit der des Empfangssignals. Danach wird durch Korrelation der Codefolgen und Demodu­ lation die gesendete Nachricht zurückgewonnen. Details sind in "Spread Spectrum Systems" von R.C. Dixon, John Wiley & Sons, Inc. 1976 beschrieben.

Bei einem bekannten System mit Frequenzumtastmodulation mit zwei Zuständen, ist die Filterkurve für den "0"-Zu­ stand und den "1"-Zustand innerhalb der Bandbreite des Empfängers symmetrisch zur Trägerfrequenz (Fig. 2). Der Frequenzunterschied zwischen dem "0"- und dem "1"-Zustand beträgt beispielsweise konstant 2400 Hz, unabhängig von den Frequenzsprüngen der Trägerfrequenz (Fig. 1).

Ein derartiges System kann gestört werden, indem der Störer ein Nachrichtensignal auffängt, mit den "0"- und den "1"-Zustand verschmierenden Störungen versieht und innerhalb eines Chips wieder aussendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Nachrichten­ übertragungssystem anzugeben, das gegen Schwunder­ scheinungen und Störer resistent ist.

Diese Aufgabe ist durch ein Nachrichtenübertragungssystem gelöst, das die im Hauptanspruch genannten Merkmale auf­ weist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Frequenz-Zeit-Diagramm des oben beschriebenen bekannten Systems,

Fig. 2 Filterkurven eines Empfängers des oben beschrie­ benen bekannten Systems,

Fig. 3 ein Frequenz-Zeit-Diagramm des neuen Frequenz­ sprungnachrichtenübertragungssystems,

Fig. 4 Filterkurven eines Empfängers des neuen Frequenz­ sprungnachrichtenübertragungssystem,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbei­ spiels eines Sende/Empfangsgeräts,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbei­ spiels eines Sende/Empfangsgeräts,

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbei­ spiels eines Sende/Empfangsgeräts,

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbei­ spiels eines Sende/Empfangsgeräts.

In allen Figuren sind für gleiche Bauteile dieselben Be­ zugszeichen verwendet, um bei der Beschreibung der ver­ schiedenen Ausführungsbeispiele unnötige Wiederholungen zu vermeiden. Dies gilt auch für das Zusammenwirken mehrerer, mit gleichen Bezugszeichen versehenen Bauteile.

Das neue Frequenzsprungnachrichtenübertragungssystem be­ sitzt folgende Merkmale

• 1. Modulationsart: zufällige Frequenzumtastmodulation
• 2. Frequenzsprungrate: gleich oder größer als die Nach­ richtenbitrate
• 3. Frequenzsprungbereich beispielsweise zwischen 2 und 30 MHz
• 4. Frequenzwahl und Modulation durch nichtlinearen oder Zufallsgenerator
• 5. Übertragungsrate unabhängig von der Nachrichtenrate
• 6. Erhöhung der Störsicherheit durch Redundanz.

Bei dem neuen System wird zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur eine Frequenz ausgesendet. Es verwendet eine Zwei-Zustände aufweisende Frequenzumtastmodulation, wobei die Frequenzen des "0"- und des "1"-Zustands zufällig über den ganzen Frequenzsprungbereich verteilt sind (Fig. 3). Der Frequenzunterschied zwischen den "0"- und dem "1"-Zu­ stand ändert sich zufällig zwischen 1,2 kHz und 28 MHz (Fig. 4). Die Frequenzen der beiden Zustände sind für je­ den Zeitpunkt sowohl dem Sender als auch dem Empfänger des Systems bekannt, da die Zufallsgeneratoren von Sender und Empfänger gleich und miteinander synchronisiert sind. Emp­ fängt der Empfänger eine Frequenz eines "0"-Zustands ("1"-Zustands) so weiß er, daß eine "0" ("1") gesendet wurde.

Bei anderen Ausführungen des Systems werden mehr als zwei Zustände zur Modulation verwendet. Die unten beschriebenen Ausführungsbeispiele sind dann entsprechend abzuwandeln.

Die Störresistenz eines Frequenzsprungsystems ist propor­ tional zur Anzahl der verfügbaren Frequenzschlitze. Beim vorliegenden System ergibt sich mit einem Frequenzsprung­ bereich zwischen 2 und 30 MHz und einer Frequenzschlitz­ breite von 2,4 kHz ein Gewinn von 28 _* 10⁶/2400, i.e. ungefähr 40 dB.

Der Sendeteil des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 enthält zwei PN-Generatoren 2, 3, die von einer Uhr 1 getak­ tet sind. Der eine PN-Generator 2 erzeugt einen Kode für ein zufälliges Frequenzsprungmuster für den "1"-Zustand, der andere PN-Generator 3 erzeugt einen Kode für ein zu­ fälliges Frequenzsprungmuster für den "0"-Zustand. Den PN-Generatoren 2, 3 ist ein Modulator 4 nachgeschaltet, der beispielsweise eine elektronische Schaltanordnung enthält, die von den Nachrichtenbits gesteuert ist. Der Modulator 4 führt Bit für Bit in Abhängigkeit vom jeweils vorliegenden Nachrichtenbit entweder den Kode für den "0"- oder den "1"-Zustand einem Frequenzsynthesizer zu der beispiels­ weise einen Mikroprozessor 5 und ein schnelles Breitband­ transversalfilter 6 enthält. Der Mikroprozessor enthält einen Frequenzspeicher, in dem alle für das Frequenz­ springen vorgesehenen Frequenzen enthalten sind, und stellt anhand des ihm vom Modulator 4 zugeführten Kodes das Transversalfilter 6 schnell auf die zugehörige Fre­ quenz ein. Statt des Transversalfilters 6 kann auch ein programmierbarer Frequenzsynthesizer vorhanden sein, der vom Mikroprozessor 5 entsprechend auf die zum jeweiligen Kode gehörige Frequenz eingestellt wird. Dem Transversal­ filter 6 ist eine konventionelle Sendestufe 7 nachgeschal­ tet, die mit einer Antenne 8 verbunden ist.

Die PN-Generatoren 2, 3 können beispielsweise die aus der US-PS 41 42 240 bekannten sein. Ein geeignetes Transver­ salfilter ist in der US-PS 41 64 628 beschrieben.

Das Empfangsteil des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 enthält eine Antenne 9 die an eine konventionelle Empfangsstufe 10 angeschlossen ist. Dieser sind parallel zwei schnelle Breitbandtransversalfilter 11, 12 nachge­ schaltet. Das Empfangsteil enthält ferner zwei PN-Genera­ toren 14, 18, die von einem Synchronisationsnachführkreis 15 gesteuert sind. Der PN-Generator 14 erzeugt denselben Kode wie der PN-Generator 2 des Sendeteils. Der PN-Genera­ tor 18 erzeugt denselben Kode wie der PN-Generator 3 des Sendeteils. Dem PN-Generator 14 ist ein Mikroprozessor 13 nachgeschaltet, der wie oben beschrieben das Transversal­ filter 11 auf die jeweils aktuelle Frequenz des Frequenz­ sprungmusters für den "1"-Zustand abstimmt. Dem PN-Genera­ tor 18 ist ein Mikroprozessor 17 nachgeschaltet, der ent­ sprechend das Transversalfilter 12 auf die jeweils ak­ tuelle Frequenz des Frequenzsprungmusters für den "0"-Zu­ stand abstimmt. Jedem Transversalfilter 11, 12 ist je ein Spitzenwertdetektor 19, 20 mit Integrator nachgeschaltet, die die von den Transversalfiltern 11, 12 gelieferten Sig­ nale und aus deren Signalleistung abgeleitete Schwellwert­ steuersignale einem Detektor 21 zuführen.

Der Detektor 21 besitzt zwei Amplitudenschwellwerte, die von den Schwellwertsteuersignalen eingestellt werden. Diese Schwellwerte hängen somit von der Größe der Signale ab, deren Vorhandensein in den Spitzenwertdetektoren und Integratoren 19, 20 erwartet wird. Der Detektor läßt nur die Signale hindurch deren Amplituden zwischen den beiden Schwellwerten liegen und sofern sie nicht mit einem an­ deren Signal zusammenfallen. Kleinere und größere Signale werden als Rauschen oder Störer angesehen und unterdrückt. Dem Detektor 21 ist ein in der Figur nicht dargestellter Decodierer nachgeschaltet.

Eine grobe Synchronisation des Systems ist durch die sehr genauen Uhren 1 bzw. 16 der Sende/Empfangsgeräte erreicht.

Die Uhren werden einmal am Tag zu genau demselben Zeit­ punkt gestellt und laufen mit genau derselben Frequenz. Aufgrund der Übertragungseigenschaften des Funkweges zwischen den Antennen 8, 9 kann eine Phasen- oder Zeitver­ schiebung zwischen den Ausgangssignalen der PN-Generatoren 2, 3 und 14, 18 und somit auch zwischen der zufälligen Fre­ quenzfolge, die von der Antenne 9 empfangen wird, und der, die von den PN-Generatoren 14, 18 geliefert werden, auf­ treten. Diese Verschiebung wird durch den Synchronisa­ tionsnachführkreis 15 festgestellt, der an den Ausgang des Detektors 21 angeschlossen ist, und der die Taktimpulse der Uhr 16 an die PN-Generatoren 14, 18 weiterleitet. Bei Vorliegen einer Verschiebung unterdrückt der Synchronisa­ tionsnachführkreis 15 die entsprechende Anzahl von Taktim­ pulsen, so daß die PN-Generatoren 14, 18 die Mikropro­ zessoren 13, 17 und somit auch die Breitbandfilter 11, 12 synchron mit den Frequenzsprüngen des Empfangssignals steuern.

Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 unterscheidet sich sendeseitig von dem nach Fig. 5 lediglich durch einen PN-Generator 22, der zwei Ausgänge besitzt und die beiden PN-Generatoren 2, 3 von Fig. 5 ersetzt. Ein geeigneter PN-Generator ist in der US-PS 41 42 240 beschrieben. Der PN-Generator 22 liefert zwei gegeneinander zeitverschobene Kodeströme, einen für den "0"-Zustand und einen für den "1"-Zustand. Ferner ist in Fig. 6 zusätzlich eine Nach­ richtenquelle 25 dargestellt, die Nachrichtenbits dem Mo­ dulator 4 zuführt.

Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 unterscheidet sich empfangsseitig von dem nach Fig. 5 dadurch, daß statt der PN-Generatoren 14, 18, der Mikroprozessoren 13, 17 und der Transversalfilter 11, 12 jeweils nur ein PN-Generator 34, ein Mikroprozessor 33 und ein schnelles Breitband­ transversalfilter 32 vorhanden sind, die sowohl die zu den "0"-Zuständen als auch die zu den "1"-Zuständen gehörenden Empfangssignale in entsprechender Weise wie bei Fig. 5 be­ schrieben, verarbeiten. Der PN-Generätor 34 ist vom selben Typ wie der PN-Generator 22. Zusätzlich enthält das zweite Ausführungsbeispiel einen "0/1"-Separator 37, der dem Transversalfilter 32 nachgeschaltet und vom Synchronisa­ tionsnachführkreis 15 gesteuert ist, und der bei Auftreten eines "1"-Zustands den Ausgang des Transversalfilters 32 mit dem Spitzenwertdetektor 19, und bei Auftreten eines "0"-Zustands mit dem Spitzenwertdetektor 20 verbindet.

Bei beiden Ausführungsbeispielen (gemäß Fig. 5 und Fig. 6) ist die Frequenzsprungrate gleich oder größer als die Rate der übertragenen Nachrichtenbits, so daß wenigstens ein Chip je ein Nachrichtenbit repräsentiert.

Beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 handelt es sich um ein Sende/Empfangsgerät für ein schnelles Fre­ quenzsprungsystem, das beispielsweise bei einer Frequenz­ sprungrate von 4,8 kHps (4800 Sprünge pro Sekunde) Nach­ richten mit einer Rate von 75 Bit pro Sekunde überträgt, wobei jedes Bit durch 64 verschiedene, zufällige Frequen­ zen repräsentiert ist.

Sendeseitig unterscheidet sich das dritte Ausführungsbei­ spiel vom zweiten durch ein Bandpaßfilter 27, das zwischen dem Frequenzsynthesizer und der Sendestufe 7 angeordnet ist. Ferner enthält es einen Codierer 26, der die zu über­ tragende Nachricht mit einem fehlerkorrigierenden Code, beispielsweise einem Konvolutional-, Reed-Solomon- oder BCH-Code codiert. Der entstehende Kode wird X-fach wieder­ holt dem Modulator 4 zugeführt.

Empfangsseitig enthält das dritte Ausführungsbeispiel ein der Antenne 9 nachgeschaltetes Filter 30, das nur Emp­ fangssignale im Frequenzbereich zwischen 2 und 30 MHz durchläßt. Diesem ist ein HF-Verstärker 31 nachgeschaltet, dessen Verstärkungsfaktor über einen Treiber 36 von einer Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung 35 einge­ stellt wird. Dem HF-Verstärker 31 ist ein schnelles Breit­ bandtransversalfilter 39 nachgeschaltet, das X integrierte Schaltkreise enthalten kann, von denen jeder X Schiebere­ gister enthält. Ein geeignetes Transversalfilter ist in der US-PS 41 64 628 beschrieben. Jeder integrierte Schalt­ kreis ist von einer eigenen Uhr gesteuert, die zusammen mit den anderen Uhren für die anderen integrierten Schalt­ kreise die Systemuhr 29 bildet.

Ferner werden jedem integrierten Schaltkreis die wie auch bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen vom Mikroprozessor 33 gelieferten Filterkoeffizienten über Zwischenspeicher 28 den verschiedenen Schieberegistern zu­ geführt. Das Transversalfilter 39 liefert für jeden von der Antenne 9 empfangenen Chip ein Ausgangssignal.

Dem Transversalfilter 39 ist der "0/1"-Separator 37 nach­ geschaltet, der von der Systemuhr 29 gesteuert ist. Dem "0/1"-Separator 37 ist ein Leistungsmesser 38 für die "0"- und die "1"-Zustände nachgeschaltet, beispielsweise Spitzenwertdetektoren, der ein Steuersignal an die Schal­ tung zur automatischen Verstärkungsregelung 35 abgibt, die ferner mit dem Mikroprozessor 33 verbunden ist, und die wie bei den beiden obigen Ausführungsbeispielen die Schwellwerte des dem Leistungsmesser 38 nachgeschalteten Detektors 21 einstellt. Dem Detektor 21 ist ein Decoder 24 nachgeschaltet, der nach demselben Prinzip wie der Co­ dierer 26 arbeitet. Dem Detektor 21 ist ferner eine Lösch­ schaltung 23 nachgeschaltet, die den Decoder 24 beeinflußt.

Die Löschschaltung 23 erkennt beispielsweise zwei gleich­ zeitig den Detektor 21 passierende Signale, die als Emp­ fangssignal mit "passendem" Störsignal angesehen werden, und veranlaßt den Decoder 24 diese Signale nicht zu ver­ arbeiten. Da jedes Nachrichtenbit auf vielen verschiedenen Frequenzen übertragen wird, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, daß zumindest eine Frequenz klar ausgewertet werden kann.

Der Decoder 24 liefert selbst dann ein Ausgangssignal mit einer Bitfehlerrate von 10^-3, wenn 30% der empfangenen Bits nicht verarbeitet wurden. Das Ausgangssignal des De­ coders 24 wird in einem in Fig. 7 nicht dargestellten De­ codierer decodiert, und außerdem dem Synchronisationsnach­ führkreis 15 zugeführt, der den PN-Generator 34 und den Mikroprozessor 33 steuert, und von der Systemuhr 29 ge­ steuert wird.

Das vierte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 unterscheidet sich sendeseitig von dem zweiten dadurch, daß die Uhr 1 nicht nur den PN-Generator 22 sondern auch die Nachrich­ tenquelle 25 und den programmierbaren Frequenzsynthesizer 6 steuert. Dadurch sind die genannten drei Schaltungs­ teile synchron zueinander, und arbeiten beispielsweise mit einer Rate von 16 kBits pro Sekunde. Die Nachrichtenquelle 25 liefert ein binäres Nachrichtensignal. Sie kann bei­ spielsweise einen Deltacodierer mit kontinuierlich verän­ derlicher Steigung enthalten.

Das vierte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 unterscheidet sich empfangsseitig von dem ersten Ausführungsbeispiel durch einen Demultiplexer 40, der der Empfangsstufe 10 nachgeschaltet und von der Uhr 16 gesteuert ist. Der De­ multiplexer 40 teilt das Empfangssignal in zwei Signale auf, indem er die zu den "1"-Zuständen gehörenden Emp­ fangsfrequenzen dem Transversalfilter 11 und die zu den "0"-Zuständen gehörenden Empfangsfrequenzen dem Transver­ salfilter 12 zuführt. Im Gegensatz zum ersten Ausführungs­ beispiel enthält das Empfangsteil des vierten Ausführungs­ beispiels nur einen PN-Generator 34 und nur einen Mikro­ prozessor 33, der die Transversalfilter 11, 12 einstellt (ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel).

Claims (3)

1. Frequenzsprungnachrichtenübertragungssystem mit min­ destens zwei Sende/Empfangsgeräten,
die sendeseitig mindestens einen Pseudorauschgenerator, einen Modulator und einen Frequenzsynthesizer zur Erzeu­ gung von in einer zufälligen Folge springenden Sendefre­ quenzen enthalten, wobei der Pseudorauschgenerator min­ destens zwei die Folge bestimmende Kodefolgen erzeugt, von denen der Modulator, abhängig von einem ihm zugeführten mindestens zweistufigen Nachrichtensignal, immer nur eine Kodefolge dem Frequenzsynthesizer zuführt,
und die empfangsseitig mindestens einen weiteren Pseudo­ rauschgenerator und mindestens ein Breitbandfilter enthal­ ten, wobei die weiteren Pseudorauschgeneratoren mittels eines Synchronisationsnachführkreises auf die Folge der Empfangsfrequenzen synchronisiert sind, und die Abstimmung der Breitbandfilter auf die zu erwartende Empfangsfrequenz bewirken.

2. Frequenzsprungnachrichtenübertragungssystem nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Nachrichtenbit mindestens eine Sendefrequenz ausgesendet wird.

3. Frequenzsprungnachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachrichten­ signal redundant codiert ist, und daß pro Nachrichtenbit mehrere Sendefrequenzen ausgesendet werden.