DE3644168A1 - Verfahren zur datenuebertragung ueber satelliten mittels gespreizten spektren und kleinen erdefunkstellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Datenübertragung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Beim bisherigen Stand der Technik müssen Erdefunkstellen mit wesentlich größeren Antennendurchmessern (3-30 m) verwendet werden. Der Grund liegt im Öffnungswinkel der Sendeantenne. Je größer der Antennendurch­ messer, desto geringer der Öffnungswinkel der Antenne. Mit anderen Wor­ ten, je größer der Durchmesser der Sendeantenne, desto besser die Richt­ charakteristik der Antenne und damit die Ausrichtegenauigkeit auf den Satelliten. Dies ist notwendig, um im relativ dichtgedrängten Orbit nur einen bestimmten Satelliten mit der Sendeantenne zu erreichen. Bei grö­ ßerem Öffnungswinkel könnten evtl. mehrere Satelliten bedeckt werden, so daß es zu Störungen deren Nachrichtenübertragung käme.

Außerdem ist es bei herkömmlichen Übertragungsverfahren (FDMA, TDMA) nicht möglich, zwei Signale ohne Störungen zu überlagern und somit die vorhandene Nachrichtenkapazität im Satellitentransponder optimal zu nut­ zen.

Zusätzliche Nachteile liegen in der vorgegebenen Mindest-Antennengröße, den damit verbundenen Kosten und der notwendigen Aufstellfläche.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem es möglich ist, digitale Signale anderen Signalen zu unterlagern und somit ein Optimum an Kapazitätsausnutzung im Satelli­ ten zu erreichen.

Außerdem sollen Erdefunkstellen mit kleinen Antennendurchmessern verwen­ det werden können. Die abgestrahlten Signale sollen trotz des großen Öffnungswinkels der Antenne die Nachrichtenübertragung anderer Satelli­ ten nicht stören.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Besondere Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß Antennen mit einem Durchmesser kleiner/gleich 1,8 Meter verwendet werden können, die sowohl als Sende- als auch als Empfangsantennen benutzbar sind. Aufgrund der niedrigen Datenraten (kleiner/gleich 64 KBps) und der Spreizung mit­ tels PN-Folgen kann die notwendige Sendeleistung durch Transistorver­ stärkung aufgebracht und eine geringe Leistung/Hz erreicht werden. Der Vorteil liegt darin, daß sowohl die notwendige Primärleistung, das Volu­ men des Senders als auch die Probleme der Kühlung gegenüber herkömmli­ chen Wanderfeldröhren-Verstärkern und damit auch die Kosten wesentlich verringert werden können.

So kann eine Erdefunkstelle realisiert werden, die bezüglich Abmessun­ gen, Volumen, Gewicht und Kosten gegenüber herkömmlichen Erdefunkstellen wesentlich verringert werden kann, was den Preis und damit dem Interesse des Nutzers zugute kommt. Durch die Verwendung einer Erdefunkstelle mit kleiner Sendeantenne - d. h. großem Öffnungswinkel der Antenne - kann bei Bedarf eine bestimmte Anzahl von Satelliten gleichzeitig bedient werden und somit mittels einer Erdefunkstelle und n-Satelliten eine wesentlich größere flächendeckende Nachrichtenübertragung gewährleistet werden. Durch die Unterlagerung der gespreizten Spektren kann somit die vorhan­ dene Transponderkapazität wesentlich effektiver ausgenutzt werden. Es bedarf keiner zusätzlichen Bandbreite im Transponder, obwohl die Über­ tragungskapazität erhöht wird. Durch Verwendung der Bitraten kleiner /gleich 64 KBps können völlig neue Satellitendienste preiswert generiert werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung worin anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel erläutert wird. Es zeigen

Fig. 1 schematisch die Standard-Zugriffsverfahren zum Satelliten,

Fig. 2 eine Darstellung zur Definition der Spreizung von digitalen Signalen mit PN-Folgen,

Fig. 3 die Datenübertragung via Satellit mit einer Sendestation und n-Empfangsstationen;

Fig. 4 die Belegung des Satellitentransponders mit einem TV-Signal,

Fig. 5 die Unterlagerung des TV-Signals mit einem gespreizten Spektrum,

Fig. 6 das Spektrum eines TV-Signals,

Fig. 7 das Spektrum eines TV-Signals, dem ein PN-Signal unterlagert ist, und

Fig. 8 das Spektrum eines 2.048 MBps - QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) - Signals, dem ein PN-Signal unterlagert ist.

Die im Augenblick existierenden Erdefunkstellen sind dafür ausgelegt, breitbandige Signale mit hohen Datenraten (größer/gleich 64 KBps) und der dafür notwendigen Sendeleistung zu übertragen. Das erfordert ein hohes Volumen an Geräten, die normalerweise in einem extra Gebäude bzw. Container untergebracht werden müssen. Die Sende-/Empfangsantenne muß möglichst nahe an den Sende-/Empfangseinrichtungen stehen, um Übertra­ gungsverluste so gering wie möglich zu halten.

Ein Nutzer, der nur kleine Datenraten (kleiner/gleich 64 KBps) übertra­ gen will, muß dafür bisher auf eine Erdefunkstelle zurückgreifen, die in keinem Verhältnis zur Übertragungsrate steht.

Bei den bisherigen Signalbelegungen im Satellitentransponder erfolgt gemäß Fig. 1 entweder der Zugriff im Zeit-, Frequenz- oder Codemulti­ plex. So wird jeder Station, die zum Satelliten zugreifen will, im Zeit­ multiplex ein bestimmter Sendezeitpunkt zugewiesen mit bestimmter Länge auf der Zeitachse.

Beim Zugriff im Frequenzmultiplex erhält jeder Nutzer eine bestimmte Sendefrequenz mit definierter Bandbreite zugewiesen bzw. im Codemulti­ plex eine Leistung. So wird im allgemeinen der Satellitentransponder entweder im Zeit-, Frequenz- oder Codemultiplex genutzt. Diese Zu­ griffsverfahren erfordern einen hohen Aufwand an Hard- und Software und können die Nachrichtenkapazität des Satelliten bezüglich der Bandbreite nicht voll ausnutzen.

So wird z. B. im DFS-Satelliten, dessen Transponder u. a. 36 MHz Bandbrei­ te hat, nur ein TV-Signal mit 25 bzw. 27 MHz Bandbreite übertragen wer­ den. Würden noch andere Signale im gleichen Transponder zusätzlich über­ tragen, käme es zu Intermodulationen und Signalkompression, die als unerwünschte Störungen zu betrachten sind. Damit bleiben dann 11 bzw. 9 MHz Bandbreite ungenutzt.

Auch bei Verwendung von Frequenzmultiplex müssen aufgrund von möglichen Intermodulationsstörungen Signalabstände gewahrt bleiben, so daß auch hier keine volle Ausnutzung des Satellitenkanals stattfindet.

Die gestellte Aufgabe wird nach Fig. 2 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die verwendeten Datenraten (kleiner/gleich 64 KBps) mittels PN-Fol­ gen gespreizt werden.

Durch die Verbreiterung des Spektrums der Datenrate durch Spreizung mittels der PN-Folge (Spreizungsfaktor z. B. 1000) wird die notwendige Sendeleistung/Hz um den Faktor 1000 reduziert.

Wird dieses gespreizte Spektrum jetzt mit einer kleinen Antenne übertra­ gen, so ist zwar der Öffnungswinkel der Antenne groß und gegebenenfalls werden mehrere Satelliten im Orbit damit bedeckt.

Da aber die empfangene Leistung/Hz am Satelliten lediglich rauschähnli­ chen Charakter hat, wird die Übertragung der anderen Satelliten nicht gestört.

Außerdem kann dieses gespreizte Signal anderen, z. B. bereits im Trans­ ponder befindlichen Signalen unterlagert werden. Die sich bereits im Transponder befindlichen Signale können gegenüber dem gespreizten Signal die gleiche Bandbreite, eine geringere oder wie beim TV-Signal eine größere Bandbreite besitzen.

Ausgegangen wird in diesem Beispiel von der in Fig. 3 gezeigten Struk­ tur.

Dabei wird von der Sendestation, z. B. ein 9.6 KBps - Datenstrom via Satellit zu n-Empfangsstationen übertragen. Dabei beträgt z. B. der An­ tennendurchmesser der Sendestation 1,8 m, der der Empfangsstationen 0.6 m.

Das 9.6 KBps-Signal wird mittels PN-Folgen auf 10 MHz gespreizt. Das entspricht einem Spreizungsfaktor von ca. 1000.

Es sei angenommen, daß die Sendeleistung für die 9.6 KBps-Datenrate aufgrund der Übertragungsverhältnisse 10 Watt beträgt. Eine Sendeanten­ ne, deren Parabolspiegel einen Durchmesser von 1,8 m hat, hat bei einer Frequenz von 14 GHz einen Antennengewinn von ca. 40 dBi. Unter diesen Bedingungen beträgt die abgestrahlte Leistung pro Hz Übertragungsband­ breite 10⁶ W · 10⁴=10² W=10 mW.

Diese Leistung wird bei einer Sendefrequenz von z. B. 14 GHz noch um 207 dB gedämpft, d.h. aufgrund der Flächenreduktion empfängt der Satellit z. B. bei der Frequenz der Aufwärtsstrecke von 14 GHz ein um 207 dB ge­ dämpftes Signal. An der Empfangsantenne des Satelliten liegt dann eine Leistung von ca. 10^-18 W/Hz. So kann durchaus sendeseitig (und damit auch empfangsseitig) eine Erdefunkstellen mit kleinem Antennendurchmes­ ser verwendet werden, ohne daß andere Satelliten gestört werden.

Als eine evtl. Belegung des Satellitentransponder sei angenommen, daß der 36 MHz-Transponder des Satelliten mit einem TV-Signal (25 MHz) be­ legt ist (Fig. 4).

Die eigene Datenrate von 9.6 KBps wird jetzt im gespreizten Zustand dem TV-Signal unterlagert (Fig. 5) und somit via Satellit übertragen. Messungen und Versuche haben gezeigt, daß die wechselseitigen Störungen beider Signale so gering sind, daß eine sinnvolle Datenübertragung mög­ lich ist.

Fig. 6 zeigt das via Satellit empfangene Spektrum eines analogen 25 MHz-TV-Signals. Diesem TV-Signal wird jetzt an geeigneter Stelle auf der Frequenzachse ein PN-Signal unterlagert, dessen Bandbreite 5 MHz beträgt.

Fig. 7 zeigt das Ergebnis. Das TV-Spektrum hat sich dabei nur unwesent­ lich verändert. Das unterlagerte PN-Signal übt auf das TV-Signal bezüg­ lich dessen Qualität keine nachhaltige Minderung aus, wie Messungen ge­ zeigt haben.

In Fig. 8 ist ein Beispiel dargestellt, in dem ein auf ca. 4 MHz ge­ spreiztes PN-Signal einem digitalen 2.1 MHz-QPSK-Signal unterlagert wird.

Hierbei ist darauf zu achten, daß ein bestimmtes Überlagerungsverhältnis Δ U (Verhältnis von z. B. QPSK-Signal zu PN-Signal) eingehalten wird. Bei einem optimierten Δ U kann die wechselseitige Störung beider Signa­ le so gering gehalten werden, daß eine sinnvolle Datenübertragung bezüg­ lich der Bitfehlerrate möglich ist.

Da PN-Folgen über gute Auto- und Kreuzkorrelationseigenschaften verfü­ gen, können sie empfangsseitig einwandfrei detektiert und anschließend die Datensequenz von 9.6 KBps regeniert werden.

Weiteres zu PN-Folgen bzw. zur Unterlagerung von PN-Folgen unterhalb von Nutzsignalen ist u.a. der Literaturstelle

• DIXON, R.: Spread Spectrum System, John Wiley and Sons, N. Y. 1984

und dem Tagungsbericht

• Schukat, M: Spread Spectrum-Based Synchronisation of Digital Sa­ tellite Transmissions, AIAA llth Communication Satellite Systems Conference, March 17-20, 1986/San Diego, CA

zu entnehmen.

Als Beispiel sei der Datenverteildienst von Presseagenturen genannt. Die Sendestation stehe auf dem Gelände der jeweiligen Presseagentur und n-Empfangsstationen bei beliebig vielen Zeitungsverlagen. Übertragen wird mittels gespreizten Spektren, die Sendeantenne hat einen Durchmes­ ser kleiner/gleich 1,8 m, der der Empfangsantenne sei 0,3 m-0,6 m. Die Datenrate von z. B. 9.6 KBps werde einem TV-Signal unterlagert.

Claims (3)

1. Verfahren zur Datenübertragung über Satelliten mittels gespreiz­ ten Spektren und kleinen Erdefunkstellen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß digitale Binärfolgen (gespreizte Spektren) ande­ ren Signalen direkt oder im Transponder unterlagert werden.

2. Datenübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere gespreizte Spektren mit Datenraten klei­ ner/gleich 64 KBps gegenseitig überlagert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Erdefunkstellen mit einem Antennendurchmesser kleiner/gleich 1,8 Meter verwendet werden.