DE3611959A1 - Synchronisierverfahren - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur em­ pfangsseitigen Synchronisation der Bit- und Rahmenphase von über Funk diskontinuierlich übertragenen binären Si­ gnalen, insbesondere Daten, bei denen jedes Signal aus einer Präambel in Gestalt eines verschiebungssicheren binären Codewortes, beispielsweise ein Barkercode, mit sich daran anschließender binärer Nutzinformation besteht.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Bei der Übertragung von binären Signalen, insbesondere Daten, über Funkwege muß empfangsseitig zunächst eine Synchronisation des Empfängers auf die Bitphase und die den Beginn der eigentlichen Nutzübertragung festlegende Rahmenphase des ankommenden Signals erfolgen. Müssen hohe Anforderungen an die Sicherheit der Übertragung gestellt werden, so kann dies üblicherweise mit Hilfe einer der eigentlichen Nutzinformation vorausgestellten längeren Präambel in Form eines verschiebungssicheren Bitmusters vorgenommen werden. Der Empfänger vergleicht das Bitmuster der Präambel mit einem im Empfänger abge­ speicherten Sollbitmuster.

Bei einem ankommenden Signal muß sich der Empfänger zunächst auf dessen Bitphase einstellen. Sodann muß er die Präambel im ankommenden Signal erkennen, um die Rahmenphase für die der Präambel nachfolgende Nutzinfor­ mation zu finden. Die für diese beiden aufeinander fol­ genden Vorgänge benötigte Gesamtzeit für die sichere Synchronisation des Empfängers auf das ankommende Signal ist zwar relativ groß, doch kann sie immer dann in Kauf genommen werden, wenn die Signalübertragung im prakti­ schen Betrieb kontinuierlich erfolgt.

Wird jedoch von einem diskontinuierlichen Übertragungs­ modus Gebrauch gemacht, d.h. werden immer nur kurze Signalfolgen, wie das beispielsweise bei der sogenannten Burstübertragung der Fall ist, von einem Sender zu einem Empfänger ausgestrahlt, dann kommt einer möglichst kurzen Synchronisierzeit eine umso größere Bedeutung zu, je kürzer die Dauer einer Signalfolge gewählt ist.

Bei Durchführung eines Frequenzsprungbetriebes kann nur eine begrenzte Bitmenge pro Hoppingintervall übertragen werden. Die Bitanzahl ist dabei unter anderem eine Funktion der Verweildauer auf einer Frequenz (und der Basisbandbreite). Es ist daher besonders bei schnellen Hopping-Geschwindigkeiten wichtig, daß die Länge der Präambel im Verhältnis zur Nutzinformationslänge nicht zu groß ist.

Durch die in der Literaturstelle DE 30 12 075 A1 beschriebene Schaltung wird dieser Schwierigkeit bei blockweiser Übertragung von Daten dadurch begegnet, daß bei der Übertragung einer solchen Signalfolge auf eine ihr vorausgestellte Präambel überhaupt verzichtet wird. Die hierbei für die Synchronisation erforderliche Er­ mittlung der Bitphase des ankommenden Signals für die Synchronisation des Empfängers wird dadurch ermöglicht, daß die Bitflanken des ankommenden Signals differenziert werden, das so umgeformte Signal pro Bitperiode mehrfach abgetastet und die Abtastwerte der verschiedenen Bitpha­ sen für die Ermittlung der richtigen Bitphase ausgewer­ tet werden.

Auf eine jeder Signalfolge vorangestellte Präambel kann jedoch nicht immer verzichtet werden. Werden an die Störresistenz der Funkübertragungsstrecke größere Anfor­ derungen gestellt, dann muß die übertragene Nutzinfor­ mation im Hinblick auf die Fehlersicherung und Fehler­ erkennung in bestimmter Weise in Blöcken formatiert sein. Werden solche formatierten Daten ohne vorange­ stellte Präambel übertragen, dann wird empfangsseitig das Auffinden der Rahmenphase neben der Bitphase außer­ ordentlich erschwert. Bei mobilen Funkgeräten im takti­ schen Einsatz beispielsweise, müssen sehr hohe Anfor­ derungen an die Störresistenz der Funkübertragungs­ strecken gestellt werden, weil hier gezielte Störung nicht augeschlossen werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Syn­ chronisation eines Funkempfängers auf die Bit- und Rah­ menphase ankommender kurzer Signalfolgen eine weitere Lösung anzugeben, die unter Gewährleistung hoher Anfor­ derungen an die Störresistenz der Funkstrecke für die Durchführung eines diskontinuierlichen Betriebs ausrei­ chend schnell ist.

Ausgehend von einem Synchronisierverfahren der einlei­ tend genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfin­ dung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die für die Ermittlung der Bitphase eines ankommenden Signals bekannte mehrfache Abtastung eines Signalsbits sich auch auf Signalfolgen anwenden läßt die aus Gründen ausrei­ chender Störresistenz für die Ermittlung der Bit- und Rahmenphase von einer der eigentlichen Nutzinformation vorausgestellten Präambel Gebrauch machen. Gerade die pro Bit mehrfach abgetastete Präambel gibt in außer­ ordentlich vorteilhafter Weise die Möglichkeit die Bit­ und Rahmenphase praktisch gleichzeitig zu ermitteln und dadurch entsprechend kurze Synchronisierzeiten zu errei­ chen. Durch die so ermittelte Rahmenphase ist der Anfang der Nutzinformation festgelegt.

Die Bits der Nutzinformation werden in der gleichen Wei­ se wie die Präambel mehrfach abgetastet. Zur weiteren Auswertung werden lediglich die Abtastwerte an eine An­ zeige- und Auswertevorrichtung abgegeben, deren Phase mit der während der Präambelauswertung gefundenen Bit­ phase identisch ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung bedeuten die der näheren Erläuterung der Erfindung dienenden Figuren

Fig. 1 das Blockschaltbild der Synchronisiereinrichtung eines vom Verfahren nach der Erfindung Gebrauch machenden Empfängers,

Fig. 2 ein den Ablauf der Abtastung eines ankommenden Signals am Ausgang des Demodulators nach Fig. 1 näher erläuterndes Diagramm,

Fig. 3 ein erstes, die Ermittlung der richtigen Bit- und Rahmenphase bei der Anordnung nach Fig. 1 näher erläuterndes Beispiel,

Fig. 4 ein zweites, die Ermittlung der richtigen Bit- und Rahmenphase bei der Anordnung nach Fig. 1 näher erläuterndes Beispiel.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Das Blockschaltbild der empfängerseitigen Synchronisier­ schaltung nach Fig. 1 weist auf der linken Seite den De­ modulator DM auf, dessen Ausgang a im Rhythmus der n-fa­ chen Signalbitfolgefrequenz fs von einem Abtaster AT abgetastet wird. Die n-fache Signalbitfolgefrequenz fs für die Steuerung des Abtasters AT liefert der Takt­ oszillator O, dessen Ausgangstakt T auch direkt dem Prozessor PR für Steuerzwecke zugeführt wird. Weiterhin erhält der Prozessor PR vom Ausgang des Abtasters AT die Signalabtastwerte im Rhythmus der n-fachen Bitfolgefre­ quenz fs.

Der Ausgang b des Demodulators DM übergibt den Pegel des empfangenen Signals an den Empfangspegelbewerter PB, der ausgangsseitig mit einem weiteren Eingang des Prozessors PR in Verbindung steht und darüber hinaus über einen Steuereingang vom Prozessor Steuersignale empfängt.

Der Prozessor PR arbeitet über einen Signal- und Steuer­ bus B einerseits mit dem Arbeitsspeicher AS und dem Tabellenspeicher TS sowie mit einer Datensenke DS zu­ sammen, die beispielsweise eine Nachrichtenauswerte­ bzw. Nachrichtenanzeigevorrichtung sein kann.

Die Signalabtastwerte auf der Ausgangsseite des Abta­ sters AT werden über den Prozessor PR dem Arbeitsspei­ cher AS zugeführt und nach Erkennen der richtigen Bit-und Rahmenphase die zugehörigen Signalabtastwerte der Nutzinformation an die Datensenke DS abgegeben. Der Tabellenspeicher TS enthält eine Liste von Konstanten, die zur schnellen Ermittlung der Bit- und Rahmenphase verwendet werden.

Zur näheren Erläuterung der von der Schaltung nach Fig. 1 durchgeführten Synchronisation ist in Fig. 2 in der obersten Zeile ein Beispiel einer ankommenden Signalfol­ ge dargestellt, deren als Codewort CW bezeichnete Präambel ein aus dreizehn Bits Bit1, Bit2,... Bit13 bestehender Barkercode ist. An dieses Codewort CW, dem ein undefiniertes Rauschsignal R vorausgeht, schließt sich die Nutzinformation NI mit insgesamt 64 Bits Bit1, Bit2,.. Bit64 an. Unter der Annahme, daß n=8 ist, wird vom Abtaster AT jedes der am Ausgang a des Demodulators DM anstehende Signalbit achtfach abgetastet und zwar in den angezeigten Bitphasen 1, 2, ... 8. Der Abtaster AT macht hierbei keinen Unterschied zwischen den Bits des Codewortes CW und den Bits der Nutzinformation NI.

Die in der Bitphase 1 hintereinander abgetasteten Signalbits bilden gemeinsam eine Signalabtastsequenz, die jeweils durch eine schwarze Querlinie mit aufrech­ ten, den Bitphasen zugehörigen Pfeilen angedeutet ist. In Fig. 2 sind aufeinander folgende Signalabtastsequen­ zen sq1, sq2 ... sq(n+9) angedeutet. Der Prozessor PR vergleicht jeweils eine der aus dreizehn Signalabtast­ werten bestehenden aufeinander folgenden Signalabtast­ sequenzen sq1, sq2 ... sqx, sqy ... sqn, sq(n+l, ... sq(n+9) mit dem bei ihm fest eingespeicherten Codewort CW und erzeugt bei negativem Ergebnis eine binäre "0" und bei positivem Ergebnis eine binäre "1". Sobald der Prozessor PR mit fortschreitendem Vergleich der auf­ einander folgenden Signalabtastsequenzen zum ersten Mal ein positives Ergebnis feststellt, speichert er dieses Ergebnis und prüft, ob von den folgenden drei Verglei­ chen mindestens zwei positiv sind. Trifft dieses "Dreiaus-Vier-Kriterium" zu, werden diese und die folgenden vier Vergleichsergebnisse zu einem als Trefferwort TW bezeichneten, acht Bitphasen umfassenden Gruppenergeb­ nis zusammengefügt. Aus dem Trefferwort TW wird mit Hilfe der im Tabellenspeicher TS abgespeicherten Kon­ stanten die richtige Bit- und Rahmenphase des abgeta­ steten Signals ermittelt.

In den Fig. 3 und 4 sind zwei Beispiele für ein Trefferwort TW dargestellt.

Fig. 3 zeigt den Idealfall eines Trefferwortes TW, d.h. das Codewort CW wurde in allen acht Abtastsequenzen sq(n+1) ... sq(n+8) erkannt.

Fig. 4 beschreibt den Empfang eines Codewortes CW, das in den ersten zwei Abtastsequenzen gestört ist. Das Codewort CW wird zum ersten Mal in der Sequenz sq(n+3) erkannt. Das "Drei-aus-Vier-Kriterium" trifft zu, da die Bedingung, daß nach einem positiven Vergleichser­ gebnis mindestens zwei von drei folgenden Vergleichen positiv sein müssen, erfüllt ist.

Der Schwerpunkt der positiven Ergebnisse im Trefferwort TW kennzeichnet die Signalabtastsequenz, die der Bitmit­ te entspricht. Damit ist die auszuwählende Bitphase festgelegt und weiterhin auch die Mitte des ersten Bits der auf das Codewort CW folgenden Nutzinformation NI im Sinne des Erkennens der Rahmenphase berechenbar.

In Fig. 3 weist der Schwerpunkt des Trefferwortes TW auf die Sequenz sq(n+4); das entspricht der Bitphase 4.

Der Schwerpunkt des Trefferwortes TW aus Fig. 4 liegt auf der Sequenz sq(n+5); das entspricht der Bitphase 5. Der Prozessor PR braucht jedoch bei jedem Synchroni­ siervorgang weder den erwähnten Schwerpunkt aus dem Trefferwort TW noch die Rahmenphase ausrechnen, da für jedes mögliche Trefferwort TW, das das Erkennen des Codewortes CW anzeigt, die zugehörige Bit- und Rahmen­ phase im Tabellenspeicher TS abgespeichert ist. Das Trefferwort TW braucht also vom Prozessor PR lediglich als Adresse zum Abrufen der zugehörigen Bit- und Rah­ menphase aus den Tabellenspeicher herangezogen werden.

Die Auswertung eines das "Drei-aus-Vier-Kriterium" er­ füllenden Trefferwortes TW hat natürlich zu unterblei­ ben, wenn der Empfangspegelbewerter PB nach Fig. 1, dem die Pegel des empfangenen Signals zugeführt werden, dem Prozessor PR anzeigt, daß kein ausreichender Signalpegel vorliegt. In diesem Falle wird dann das Trefferwort TW wie auch die zugehörigen Signalabtastsequenzen verwor­ fen.

Bei Durchführung einer Funkübertragung im grobsynchronen Betrieb der miteinander verkehrenden Stationen kann empfängerseitig die Codewortsuche in einem ankommenden Signal auf hierbei vorgegebene Codewort-Erwartungszeit­ fenster beschränkt und die Falschalarmwahrscheinlichkeit stark reduziert werden.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Das beschriebene Synchronisierverfahren kann mit Vorteil überall da zum Einsatz kommen, wo für die Übertragung von Funksignalen hohe Anforderungen an die Störresistenz gestellt werden und unter anderem auch in diesem Zusam­ menhang von einer diskontinuierlichen Signalübertragung in Form von kurzen Signalbursts, die gegebenenfalls jeweils mit einer anderen Trägerfrequenz ausgestrahlt werden, Gebrauch gemacht wird. Diese Anforderungen liegen beispielksweise bei mobilen Funkstationen im taktischen Einsatz vor.

Claims (8)

1. Verfahren zur empfangsseitigen Synchronisation der Bit- und Rahmenphase von über Funk diskontinuierlich übertragenen binären Signalen, insbesondere Daten, bei dem jedes Signal aus einer Präambel in Gestalt eines verschiebungssicheren binären Codewortes, beispielsweise ein Barkercode, mit sich daran anschließender binärer Nutzinformation besteht, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig der Ausgang des Demodulators (DM) zur Erfassung der m Bits des Codewortes (CW) pro Bit n-fach kontinuierlich abgetastet und die Signalabtast­ werte in Form von Signalabtastsequenzen (sq1, sq2 ... sqx, sqy ...sqn, sq(n+1 ... sq(n+9)) abgespeichert werden, daß hierbei jede Signalabtastsequenz im Abstand von einem Bit m aufeinander folgende Signalabtastwerte aufweist, daß ferner die in ihrer zeitlichen Aufeinan­ derfolge eine gegenseitige Phasenverschiebung von l/n Bitlänge aufweisenden Signalabtastsequenzen zeitfolge­ richtig nacheinander auf ihre Übereinstimmung mit dem Codewort verglichen werden und daß n aufeinander folgen­ de, ein Trefferwort (TW) bildende Vergleichsergebnisse, und zwar beginnend mit dem ersten positiven Vergleichs­ ergebnis, für eine schwerpunktsmäßige Festlegung der Mitte des ersten auf das Codewort im Signal folgende Bit der Nutzinformation und damit für die Ermittlung der richtigen Bit- und Rahmenphase ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur Trefferworte (TW), bei denen in n/2 unmittelbar aufeinander folgenden Vergleichsergebnissen wenigstens n/2-1 positiv sind für die zu findende Bit- und Rahmenphase ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß m eine kleine Zahl zwischen 10 und 20 ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß n eine kleine Zahl zwischen 4 und 12 ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche im Zusammenhang des Vergleiches der Signalabtastsequenzen (sq1, sq2,...sqx, sqy... sqn, sq(n+1)...sq(n+9)) mit dem Codewort (CW) möglichen Bit- und Rahmenphasen zusammen mit den ihnen zugehörigen Trefferworten (TW) als Adressen für ihren schnellen Abruf in einer Tabelle abgespeichert sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalabtastwerte im Zeitraum der Ermittlung des Code­ wortes (CW) in Form von positiven und negativen Pegel­ wertanzeigen ständig aufsummiert werden und daß bei einer Folge von Signalabtastwerten, deren Summe an negativen Pegelwertanzeigen eine vorgegebene Schwelle überschreitet, das abgetastete Signal als unbrauchbar verworfen wird.

7. Verfahren bei Durchführung der Funkübertragung im asynchronen Betrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Codewortermittlung kontinuierlich durchgeführt wird.

8. Verfahren zur Durchführung der Funkübertragung im grobsynchronen Betrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Codewortermittlung nur innerhalb vorgegebener Codewort-Erwartungszeitfenster durchgeführt wird.