DE3716329A1 - Verfahren zur akquisition von signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Akquisition von Signalen, deren Frequenz etwa bekannt ist, bei welchen für den Empfang der Signale eine Filterbank verwendet wird und deren Filterbandbreite der Signalbandbreite entspricht und bei der die Anzahl der Filter dem Frequenzbereich, in dem das Signal vermutet wird, angepasst ist.

In der Nachrichtentechnik und Telemetrie gibt es Übertra­ gungsprobleme, bei denen aus verschiedenen Gründen (wie zu große Entfernung, unzureichende Sendeleistung, Antenne ohne Gewinn, ungünstige Frequenzwahl, schlechte Ausbreitungsbe­ dingungen, hohe Signalstörungen und zeitweise Signalunter­ brechung) am Empfangsort ein Signal entsteht, welches mit herkömmlichen Mitteln weder zu einer Identifikation noch zu einer Decodierung der zu übertragenden Nachricht ausreicht.

Für eine fehlerfreie Nachrichtenübertragung im Echtzeit­ betrieb ist ein Empfangspegel erforderlich, der ständig oberhalb der Empfangsschwelle des benutzten Systems liegt. Außerdem ist für jede Art von Datenübertragung eine Akqui­ sitionszeit erforderlich, in der festgestellt wird, ob Da­ tenübertragungssignale vorhanden sind. Bei extrem schwachen Funksignalen muß aber das System unter Bedingungen arbeiten, bei denen kein kontinuierlicher Empfangspegel oberhalb der vorgegebenen Schwelle vorliegt. Wenn die Signale nur bruch­ stückhaft ankommen, verursacht die Inanspruchnahme einer Akquisitionszeit eine weitere zeitliche Verkürzung der nutz­ baren Übertragungszeit, was bei kurzen Signalperioden zum Zusammenbruch des Systems führt. Aus diesen Gründen lassen sich mit konventioneller Technik, auch unter Benutzung einer Filterbank, Signalbruchstücke nicht vollständig empfangen und fehlerfrei auswerten.

Aus der DE-PS 25 34 696 ist eine Auswerteeinheit zur Ände­ rung extrem schwacher Funksignale am Empfangsort mittels Filterbank und Korrelationslogik bekannt. Hierbei weist die Filterbank extrem schmale Filter auf, wobei jeder Ausgang der einzelnen Filter an eine als Spitzengleichrichterschal­ tung mit hoher Zeitkonstante ausgebildete Kanalsucheinrich­ tung sowie an zwei Multiplexer angeschlossen ist. Ein mit der Kanalsucheinrichtung verbundener Prozessor verbindet über die Multiplexer die zwei die höchste Spannung führenden Filter mit einer Gleichrichterschaltung. Die beiden Signale werden einem Differenzbildner zugeführt, wobei das Diffe­ renzsignal über den Prozessor digitalisiert und in einem nachfolgenden Addierer so lange aufaddiert wird, bis eine vorgegebene Dekodierungsschwelle überschritten wird. Üblicherweise wird zum Empfang von Signalen, deren Frequenz nur annähernd bekannt ist, eine Filterbank verwendet. Die Filterbandbreite entspricht dabei der Signalbandbreite und die Anzahl der Filter ist dem Frequenzbereich, in welchem das Signal vermutet wird, angepasst. Hinsichtlich ihrer Empfangsenergie werden alle Filterausgänge überprüft. Über­ steigt diese Energie einen Erwartungswert, so wird der oder die Filterausgänge einem oder mehreren Datendetektoren zuge­ führt.

Nachteilig ist, daß die zur Energiemessung notwendige Dauer, infolge der Frequenzdrift des Eingangssignals, begrenzt ist, z.B. Doppler durch Seegang. Außerdem wird die Güte der Kanalauswahl durch die Anzahl der Kanäle limitiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem die Akquisition von Signalen möglich ist, deren aktuelle Position auf der Frequenzachse sich infolge äus­ serer Einflüsse, z.B. durch Seegangsdoppler, Abweichungen der Oszillatoren bei Umsetzern auf der Übertragungsstrecke, ändert. Es sollte damit die Übertragung eines Notrufsignals von einer Boje, die im Seenotfall aktiviert wird, über Sa­ tellit zu einer Bodenstation ohne Beeinträchtigung ermög­ licht werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Güte der Akquisition auch beim Nachführen von Signalen erhalten bleibt, wobei die Signale mit sich schnell ändernder Lage auf der Frequenzachse nachgeführt werden können; beispiels­ weise infolge Seegangsdoppler. Für die Energiemessung in der Nachführphase ist nur eine kleine Integrationszeit erforder­ lich. Bei langsam sich ändernder Lage auf der Frequenzachse erfolgt eine Nachführung des Frequenzfensters und somit bleibt die Nachführung der überlagerten schnellen Änderungen (z.B. Seegangsdoppler) unbeeinflusst.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen geringen Stör­ abstand des Eingangssignals.

Bei der Kanalakquisition von Signalen wird zwischen Such- und Nachführphase unterschieden, wobei in der Suchphase be­ nachbarte Kanäle zu einem "Frequenzfenster" zusammengefasst werden. Die Fensterbreite wird dabei so gewählt, daß auch bei langen Integrationszeiten und großer Frequenzdrift in­ folge Doppler das Signal sich innerhalb des Frequenzfensters befindet. Die Frequenzfenster können überlappend angeordnet sein. Die Energiemessung zur Suche des Frequenzfensters, in welchem das Signal sich befindet, erfolgt mit großer Zeit­ konstante, da aufgrund der gewählten Fensterbreite und der entsprechend angepassten Zeitkonstante sich das Signal im Frequenzfenster befindet. Wird in einem Frequenzfenster ein Signal vermutet, was einer maximalen Energie im Vergleich zu signallosen Frequenzfenstern entspricht, so werden die im Frequenzfenster sich befindlichen Kanäle einzeln weiter überprüft. Diese weitere Überprüfung erfolgt in der Nach­ führphase, wobei aus der geringen Anzahl der Kanäle der stärkste Kanal ausgesucht wird. Wegen der geringen Anzahl von Kanälen im Frequenzfenster kann bei gleicher Akquisi­ tionsqualität die Zeitkonstante stark reduziert werden. Diese geringe Zeitkonstante erlaubt ein Nachführen z.B. auf den Seegangsdoppler.

Das Verfahren ist anwendbar für experimentelle Empfangs- und Auswerteanlagen und in eben solchen operationellen, wie Seenotrufsystemen. Ebenfalls ist eine Anwendung für alle Empfangssysteme möglich, bei welchen Signale akquiriert werden müssen, deren aktuelle Position auf der Frequenz­ achse sich infolge äußerer Einflüsse ändert.

Zum Beispiel wird in Seenotrufsystemen eine Boje ausgesetzt, welche im Notfall ihre Position und sonstige Daten sendet. Diese Signale (Notrufe) werden über Transpondersatelliten von Bodenstationen empfangen und detektiert. Diese empfan­ genen Signale sind beispielsweise dadurch beeinträchtigt, daß das Sendesignal zu schwach ist, die Eigenbewegung der Boje (Seegang) die Sendekeule den Satelliten nicht immer trifft oder durch die Wellenbewegung stark schwankende Dopplereffekte entstehen. Oder es sind durch Temperatur­ schwankungen langsame Dopplerverschiebungen zu erwarten und wegen Frequenzabweichungen des Sendeoszillators ist die Empfangsfrequenz nur ungefähr bekannt.

Der Frequenzbereich, in welchem Notrufe möglich sind, wird mittels einer Filterbank in Kanäle aufgeteilt, deren Band­ breite an die Signalbandbreite angepasst ist. Die Energien der Kanäle werden laufend beobachtet und das Ergebnis jedes Kanals wird über einen kurzen Zeitraum (ca. 2 sec) gemit­ telt. Dabei werden benachbarte Kanäle zu einem Frequenz­ fenster zusammengefasst. Die Fensterbreite wird so gewählt, daß sich der Notruf während einer längeren Mittelungszeit im Frequenzfenster befindet.

Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen typischen Frequenzverlauf eines ge­ störten Notsignals,

Fig. 2 eine Einteilung der Frequenzachse in sich überlappende Frequenzfenster,

Fig. 3 eine Anordnung der Kanäle im Frequenzfenster,

Fig. 4 eine Anordnung der Kanalakquisition.

Aus Fig. 1 ist ein typischer Frequenzverlauf eines von einer nicht näher gezeigten Boje ausgehenden und auf dem Übertragungsweg gestörten Notsignals ersichtlich. Einer über die Zeitachse t langsam verlaufende Frequenzdrift ist eine rasche durch den Seegang verursachte und innerhalb einer Fensterbreite benachbarter Kanäle liegende mittelwertfreie Dopplerverschiebung überlagert. Um sicher zu stellen, daß ein Notsignal am Rande eines Frequenzfensters dieses inner­ halb der Mitteilungs-(Empfangs)-zeit nicht verlässt, sind, wie Fig. 2 zeigt, die Frequenzfenster überlappend i, i+1, i+2, i+3 . . . angeordnet. Das Frequenzfenster, welches das Notsignal während der Meßzeit komplett beinhaltet, liefert den größten Energiewert und wird der Auswerteeinheit zuge­ führt. Die überlappende Anordnung der Frequenzfenster ge­ stattet eine Fensternachführung zur Kompensation der lang­ samen Drift.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der Kanäle innerhalb eines Fre­ quenzfensters, wobei innerhalb der Auswertephase die Energie der in diesem Frequenzfenster sich befindenden Kanäle beob­ achtet wird. Wegen der geringen Anzahl der Kanäle kann die Meßdauer stark reduziert werden, was ein Nachführen des signalführenden Kanals an den Seegangsdoppler ermöglicht. Wird beobachtet, daß sich die Frequenz des Notsignals im Mittel nicht mehr in der Mitte des Frequenzfensters befin­ det, wird das nächstliegende überlappende Frequenzfenster durch die Fensterauswahl ausgewählt.

Aus Fig. 4 ist eine Anordnung der Kanalakquisition ersicht­ lich. Eine Filterbank trennt das Frequenzband in Signal­ kanäle. Dabei wird die Energie eines jeden Kanals mit einer kurzen, an die Frequenzdrift des Notsignals angepaßten Zeit­ konstante T 1 gemessen. Aus den Kanalenergien werden Fenster­ energien mit großer Zeitkonstante T 2 gebildet. Mit Hilfe der Ergebnisse der Fensterenergien werden Langzeitdriften kom­ pensiert. Mittels der Kanalenergien werden die Kanäle inner­ halb der Frequenzfenster nachgeführt. Die Kanalnachführung führt den aktuellen signalführenden Kanal mit Hilfe eines Demultiplexers der Signalauswerteeinheit zur Detektion zu.

Claims (6)

1. Verfahren zur Akquisition von Signalen, deren Frequenz etwa bekannt ist, bei welchen für den Empfang der Sig­ nale eine Filterbank verwendet wird und deren Filterband­ breite der Signalbandbreite entspricht und bei der die Anzahl der Filter dem Frequenzbereich, in dem das Signal vermutet wird, angepasst ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während der Suchphase benachbarte Kanäle zu einem Frequenzfenster zusammenge­ fasst werden, wobei die Fensterbreite so gewählt wird, daß auch bei langen Integrationszeiten und Frequenzdrift infolge Doppler das Signal sich innerhalb des Frequenz­ fensters befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Frequenzfenster überlappend angeordnet sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Energiemessung zur Suche des oder der Frequenzfenster, in welchem(n) die Signale sich befinden, mit großer Zeitkonstante erfolgt, wobei aufgrund der ge­ wählten Fensterbreite und einer entsprechend angepassten Zeitkonstante sich das Signal im Frequenzfenster be­ findet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei maximaler Energiemessung eines in einem Frequenzfenster vermuteten Signals in einer Nach­ führphase die im Frequenzfenster sich befindlichen Kanäle bezüglich ihrer Signalenergie einzeln gemessen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der geringen Anzahl der Kanäle der stärkste Kanal ausgesucht wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nachführen bei geringer Anzahl von Kanälen mit kleiner Zeitkonstante durchgeführt wird.