DE3888845T2

DE3888845T2 - Verfahren zur entmodulierung.

Info

Publication number: DE3888845T2
Application number: DE3888845T
Authority: DE
Inventors: Terje Thorvaldsen
Original assignee: Forsvarets Forskningsinstitutt
Current assignee: Forsvarets Forskningsinstitutt
Priority date: 1987-10-19
Filing date: 1988-10-12
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2008-10-13
Also published as: WO1989004095A1; US4995052A; NO874342L; NO874342D0; DE3888845D1; NO163800B; TR25668A; NO163800C; EP0386029B1; DK95590A; ES2009068A6; PT88784B; IL87868A0; CA1299658C; DK95590D0; IL87868A; PT88784A; EP0386029A1; DK167085B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Übertragung von Daten mittels Direct-Seguence-Spread- Spectrum-Signalen (DSSS-Signalen), wobei der Code einem Träger durch Minimalumtastung (MSK) oder verwandte Modulationsarten, wie z.B. gefilterte MSK, aufmoduliert wird und wobei der Empfänger die Phase des Trägers nicht zu erkennen oder zurückzuermitteln braucht. Dies bezeichnet man als inkohärenten Empfang.
Bei der Minimalumtastung handelt es sich um ein allgemein bekanntes Modulationsverfahren. Es ist zum Beispiel in folgenden Artikeln beschrieben: Carl Erik Sundberg: Continuous Phase Modulation. IEEE Communication Magazine, April 1986; S. Pasupathy: Minimum Shift Keying; A spectrally efficient Modulation. IEEE Communication Magazine, Juli 1979; F. Amoroso, J.A. Kivett: Simplified MSK Signaling Technique. IEEE Transactions on Communications, April 1977. Das Verfahren ist dahingehend effizient, daß die zum Übertragen einer gewissen Informationsmenge pro Sekunde erforderliche Bandbreite geringer ist als dies zum Beispiel in Verbindung mit der Phasenumtastung (PSK) erforderlich ist. Zusätzlich dazu bietet das Minimalumtastverfahren mehr Möglichkeiten für den Betrieb mit einer konstanten Umhüllenden in einem hinsichtlich der Bandbreite begrenzten Kanal als viele andere Modulationsverfahren. Diese beiden Eigenschaften machen die Minimalumtastung zu einer attraktiven Modulationsform.
Beim DSSS handelt es sich um ein allgemein bekanntes Codierverfahren auf dem Gebiet der militärischen Datenübertragung, wo ein Ziel unter anderem darin besteht, den Empfänger weniger empfindlich in bezug auf Störsignale zu machen. Das Verfahren ist zum Beispiel in einem Buch von R.C. Dixon: Spread Spectrum Systems, Wiley 1976, beschrieben und basiert auf dem Prinzip, daß jedes einzelne Datenbit mit einem Code codiert wird, der dem Empfänger bekannt ist. Der Code wird einem Träger normalerweise durch Phasenumtastung aufmoduliert, jedoch ist auch die Minimalumtastung verwendet worden. Die Daten werden normalerweise durch Differential-Phasenumtastung (DPSK) moduliert.
Bei der orthogonalen Signalübertragung handelt es sich um ein bekanntes Modulationsverfahren, das in einem Buch von J.G. Proakis: Digital Communications, McGraw Hill, 1983, beschrieben ist. Dieses Modulationsverfahren basiert auf dem Prinzip, daß man eine Anzahl von Datenbits (z.B. 1) durch eine Anzahl verschiedener (orthogonale) Codes (z.B. 2) darstellen läßt. Der Empfänger muß in der Lage sein zu erkennen, welcher der orthogonalen Codes (z.B. 2) übertragen worden ist. Wenn ein Code als richtiger Code ausgewählt worden ist, kann der Empfänger das Datenbit bestimmen, das übertragen worden ist. Dieses Verfahren wird häufig für den inkohärenten Empfang sowie in solchen Fällen verwendet, in denen die Bandbreite in einem Kanal stark begrenzt ist.
Ein inkohärenter Betrieb wird bei Empfängern verwendet, die sich zur Demodulation von Daten nicht auf Phaseninformation stützen können, da solche Information nicht vorhanden ist. Dies ist z.B. in dem genannten Buch von J.G. Proakis beschrieben worden. Das Signal in einem solchen Empfänger wird in einen gleichphasigen Kanal und einen Kanal mit einer Phasenversetzung von 90º geteilt, und das Signal in jedem dieser Kanäle wird quadriert, wonach die beiden Kanäle addiert werden. Es ist unmöglich, dieses Verfahren direkt in Verbindung mit der Minimalumtastung zu verwenden.
Aus dem US-Patent Nr. US-A-4 583 048 ist ein digitaler Minimalumtastungs-Demodulator zur Impulsgruppen- bzw. Burstübertragung bekannt. Das Ziel des darin beschriebenen Demodulators besteht in der Ausführung einer raschen Messung der Phasendifferenz zwischen dem ankommenden Träger und der örtlichen Referenzeinrichtung, so daß ein kohärenter, herkömmlicher Empfang von Daten stattfinden kann. Es wird in dem Patent hervorgehoben, wie wichtig es bei Burstübertragungssystemen ist, die Phasenkohärenz rasch wiederherzustellen, und es wird darauf hingewiesen, daß dies mit herkömmlichen Verfahren (PPL) nicht erreichbar ist. Das Patent erwähnt jedoch an keiner Stelle, wie eine Datendemodulation erreicht wird. Es scheint, daß nur die gegenseitige Amplitude der vier Korrelationsspitzen von jedem der beiden Wege in inkohärenter Weise gemessen wird. Diese Messungen werden zur Wiedererlangung der Phase verwendet, so daß das System dazu gebracht werden kann, als herkömmliches kohärentes System für die Demodulation von Daten arbeiten zu können.
Ein Übertragungssystem des Standes der Technik ist beschrieben in den Proceedings of MELECOM '87, Mediterranean Electrotechnical Conference, 34th Congress on Electronics, Rom, 24. bis 26. März 1987, Seiten 157-161, von M.K. Sust et al.: "All digital signal processing in a spread spectrum communication system". Dieses System beinhaltet ein Verfahren zum Demodulieren von Daten, die durch Direct-Sequence-Spread- Spectrum-Signale (DSSS-Signale) dargestellt sind, die in einem Sender einem Träger aufmoduliert werden und in einem Empfänger durch zwei um 90º gegeneinander phasenverschobene Signale in zwei orthogonalen Kanälen mit einzelnen identischen Korrelatoren (oder Reihen von Korrelatoren) auf das Basisband heruntergesetzt werden, in Quadriervorrichtungen quadriert werden und anschließend in Addiervorrichtungen addiert werden, wobei Information über den gesendeten Code und damit auch über die gesendeten Daten in einer Diskriminatorvorrichtung durch Auswählen desjenigen Codes extrahiert werden, der die höchste Korrelationsspitze aus den Addiervorrichtungen trotz der Tatsache ergibt, daß die Phasendifferenz zwischen dem Signal, das zum Heruntersetzen auf das Basisband verwendet wird, und der Mittenfrequenz des übertragenen Signals unbekannt bleibt und sogar langsam variiert (inkohärente Demodulation). Dieses System des Standes der Technik befaßt sich jedoch nicht mit dem Empfang eines durch BPSK modulierten Signals.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur inkohärenten Demodulation eines Trägers von orthogonal codierten DSSS- Signalen, die durch Minimalumtastung oder ähnliche Modulationstypen moduliert werden.
Die wichtigsten Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert. Bei dem vorliegenden System sind die orthogonalen Codes identisch mit dem Ausbreitungscode für die DSSS-Signale. Eine Extraktion von Daten wird erzielt durch Kombinieren der vorstehenden bekannten Verfahren. Das Resultat ist, daß durch Minimalumtastung modulierte Signale selbst bei sehr niedrigem Rauschabstand auf dem Funkkanal in einem inkohärenten Empfänger empfangen werden können.
Die vorstehend genannten sowie weitere Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen klar. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips eines bekannten Signalempfängers,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Prinzips des Empfängers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 die gewonnene Signalform bei dem bekannten Empfänger,
Fig. 4 und 5 Beispiele gewonnener Signale bei dem in Fig. 2 gezeigten Empfänger für eine beliebige Phase.
Der zugehörige Sender verwendet die Minimalumtastmodulation, wie sie von Amoroso und Kivett in dem eingangs genannten Artikel beschrieben ist, zum Aufmodulieren von Information auf einen Träger. Wir bezeichnen die Trägerfrequenz mit fo und die Geschwindigkeit, mit der der Ausbreitungscode für fc moduliert wird, als Chiprate.
Ein ankommendes Signal S1 enthält den Code 1110010. Bei dem bekannten Empfänger in Fig. 1 wird dieses Signal in einer Mischschaltung 1 mit einem Signal S2 gemischt, das sich als sin (2π(fo-1/4fc) + π/2) schreiben läßt. Das resultierende Signal S3 ist in Fig. 3 dargestellt. Das Mischsignal S2 besitzt die korrekte Phase in dem kohärenten System. Wenn die Abtastproben des Signals zur richtigen Zeit genommen werden, - was eine Taktwiedergewinnung erfordert -, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist, kann die gesendete Information (1110010) direkt wiedergewonnen werden. Ein möglicherweise vorhandenes Signal in einem orthogonalen Kanal wird nicht verwendet. Das Signal S3 wird durch einen Korrelator 2 einer Logikschaltung 3 zugeführt, in der von den beiden Eingangssignalen S4 und S5 ein Signal S6 ausgewählt wird.
Der in Fig. 2 gezeigte Empfänger arbeitet wie folgt: Ein Signal S10, bei dem es sich um ein orthogonal codiertes und durch Minimalumtastung moduliertes DSSS- Signal handelt, wird in einer Trennschaltung 10 zuerst in zwei gleiche Teile S11 und S21 geteilt. Die Signalteile S11 und S21 werden dann in Mischschaltungen 10 und 12 auf Basisbänder in zwei Kanälen herabgesetzt, die eine Frequenz besitzen, die sich von dem Träger um 0,25 von fc unterscheidet. Die Mischsignale S12 und S22 lassen sich als sin (2π(fo-1/4fc)+ ) bzw. cos (2π(fo-1/4fc)+ ) ausdrücken. Die Phase ist beliebig, so daß die Basisbandsignale in jedem Weg nicht notwendigerweise den gesendeten Signalen ähnlich sind, wie dies bei dem zuvor genannten Artikel der Fall ist. Dies unterscheidet unseren Empfänger von allen früheren Empfängern zur Minimalumtastung, wie z.B. demjenigen, der in dem genannten Artikel gezeigt ist und bei dem es sich um einen kohärenten Empfänger zur Minimalumtastung handelt.
Bei dem vorliegenden System können sich die Formen der Signale S13 und S23 vollständig von der Form des Signals S3, Fig. 3, unterscheiden, wie dies in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist.
Diese Signalformen stellen den Fall dar, bei dem das Signal um 45º bzw. um 135º phasenverschoben ist. Als erstes kann man feststellen, daß sich die Amplituden geändert haben. Außerdem haben sich die Spitzen nach links bewegt. Jedoch kann gezeigt werden, daß dann, wenn die Signale in beiden Teilen mit dem gesendeten Code korreliert werden, um dann quadriert und addiert zu werden, die automatische Korrelationsfunktion unabhängig von der Phase hinsichtlich Position sowie Amplitude konstant ist. Dies ist die Basis für eine inkohärente Demodulation.
Die Basisbandsignale werden einer Reihe Korrelatoren 13 und 14 zugeführt, von denen jeder seinen eigenen Code (z.B. 2) besitzt. Nach der Korrelierung erfolgt ein Quadriervorgang in Quadriervorrichtungen 15 und 16, und schließlich werden die Signale in Addiervorrichtungen 17 und 18 addiert. In einer Logikschaltung oder Diskriminatorvorrichtung 19 werden die Amplituden der Signale S14 und S24 an den Ausgängen (z.B. 2) verglichen, und derjenige Code, der die höchste Korrelationsspitze ergibt, wird zu dem gesendeten Code erklärt, wie dies durch das Signal S30 dargestellt ist.
Bevor die Datenübertragung beginnen kann, muß der Empfänger mit dem Sender synchronisiert werden, d.h. die Ankunftszeit für die Codes muß festgelegt werden. Dieses Synchronisationssystem ist nicht gezeigt.

Claims

1. Verfahren zum Demodulieren von Daten, die durch orthogonal codierte Direct-Sequence-Spread-Spectrum- Signale (DSSS-Signale) dargestellt werden, die in einem Sender einem Träger aufmoduliert werden und in einem Empfänger durch zwei um 90º voneinander phasenverschobene Signale (S12, S22) in zwei orthogonalen Kanälen mit einzelnen identischen Korrelatoren (oder Reihen von Korrelatoren) (13, 14) auf das Basisband heruntergesetzt werden, in Quadriervorrichtungen (15, 16) quadriert werden und anschließend in Addiervorrichtungen (17, 18) addiert werden, wobei Informationen über den gesendeten Code und damit auch über die gesendeten Daten in einer Diskriminatorvorrichtung (19) durch Auswählen desjenigen Codes extrahiert werden, der die höchste Korrelationsspitze aus den Addiervorrichtungen (17 oder 18) trotz der Tatsache ergibt, daß die Phasendifferenz zwischen dem Signal, das zum Heruntersetzen auf das Basisband verwendet wird, und der Mittenfrequenz des übertragenen Signals unbekannt bleibt und sogar langsam variiert (inkohärente Demodulation), dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zum Modulieren des Trägers verwendeten Modulationsverfahren um die Minimalumtastung (MSK) (oder ähnliche kontinuierliche Phasenmodulationstypen) handelt, und daß die Frequenz, mit der das modulierte DSSS-Signal in einem Empfänger auf das Basisband heruntergesetzt wird, mit einer Chiprate von 1/4 relativ zu der Mittenfrequenz des empfangenen Signals verschoben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der heruntergesetzten Signale (S13, S23) in wenigstens zwei Wegen ("0"-korr, "1"-korr) korreliert und in einzelnen Vorrichtungen (( )², ( )²) quadriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Teile der korrelierten, quadrierten Signale in separaten Addiervorrichtungen (17, 18) zum Erzeugen vergleichbarer addierter Signale (S14, S24) addiert werden.