DE60037621T2

DE60037621T2 - Verfahren und Gerät zum Erzeugen von Zufallssignalen

Info

Publication number: DE60037621T2
Application number: DE60037621T
Authority: DE
Inventors: Wieslaw Jerzy Guildford Surrey Szajnowski
Original assignee: Mitsubishi Electric Information Technology Centre Europe BV Great Britain; Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Information Technology Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: EP1075084A2; GB2353155A; GB9918518D0; DE60037621D1; JP2001100980A; US7145933B1; EP1075084B1; EP1075084A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Erzeugen von Zufallssignalen und insbesondere, aber nicht ausschließlich, von binären Zufallswellenformen.
Binäre Zufallswellenformen mit spezifischen Korrelationseigenschaften sind erforderlich für die Entfernungsmessung und andere Anwendungen, insbesondere bei Radarsystemen. Es ist insbesondere wünschenswert, binäre Zufallswellenformen mit maximaler Unvorhersehbarkeit, somit mit geringer Entdeckungswahrscheinlichkeit, und ebenfalls widerstandsfähig gegenüber intelligenter Störung zu bieten. Ferner sind derartige binäre Zufallswellenformen auch sinnvoll bei Anwendungen in Mehrplatzumgebungen, bei denen viele ähnliche oder ungleichartige Systeme in demselben geographischen Bereich arbeiten und diese Systeme sich zumindest teilweise dasselbe Breitfrequenzband teilen.
Die Erzeugung von binären Wellenformen mit spezifischen Korrelationseigenschaften ist im Bereich Radar und Kommunikation von beträchtlichem praktischem Interesse. Bei einem Low Probability of Intercept (LPI – geringe Entdeckungswahrscheinlichkeit)-Radar wird die Phase des kohärenten Trägers zum Beispiel durch eine pseudozufällige binäre Wellenform moduliert, um das Spektrum des übertragenen Signals zu streuen. Bei einigen Anwendungen, wie zum Beispiel Kollisionsvermeidung/Hinderniserkennung, Höhenmessung, autonome Navigation, usw., sollten zahlreiche ähnliche Radarsysteme in der Lage sein, in demselben Bereich zu arbeiten und dasselbe Breitfrequenzband zu teilen. Um gegenseitige Interferenz zu vermeiden, sollte jedes System ein unterschiedliches Signal verwenden, das vorzugsweise orthogonal zu den Signalen ist, die von allen anderen Systemen verwendet wird. Daher hängt die erfolgreiche Verwendung von kodiertem Wellenformradar bei einer Mehrplatzumgebung von der Verfügbarkeit großer Familien von Wellenformen ab, jede mit spezifischen Korrelationseigenschaften und niedrigen Kreuzkorrelationswerten.
Eine wichtige Klasse synchroner binärer Wellenformen lässt sich aus entsprechend gebildeten binären Sequenzen erzielen, wie zum Beispiel pseudozufälligen binären Sequenzen. Ist die Anzahl und die Art der (zusammenwirkenden oder nicht zusammenwirkenden) Systeme, die sich dasselbe Frequenzband teilen, jedoch unbekannt und häufig nicht einmal vorhersehbar, ist es nicht möglich, jedem von ihnen eine unterschiedliche binäre Sequenz zuzuweisen. Es ist ebenfalls schwierig, große Gruppen langer pseudozufälliger Sequenzen zu bilden, die eine bedeutende Verbesserung gegenüber rein zufälligen Sequenzen bieten.
Die oben genannten Probleme können vermieden oder zumindest verringert werden, wenn asynchrone binäre Zufallswellenformen verwendet werden. Bei dichten Signalumgebungen ist bekannt, dass asynchrone Wellenformen aufgrund der zusätzlichen Herstellung einer Zufallsanordnung der Nulldurchgangszeitpunkte den synchronen überlegen sind. Da rein zufällige binäre Wellenformen maximale Unvorhersehbarkeit aufweisen, sind sie weniger anfällig für Entdeckung und intelligente Störung.
Ein geeignetes und kostengünstiges Verfahren zum Erzeugen einer binären Zufallswellenform beruht auf Pegelkreuzungen eines Zufallssignals, das von einer physikalischen Geräuschquelle erzeugt wird. 1 zeigt ein Beispiel eines Generators einer binären Zufallswellenform. Der Generator weist eine physikalische Geräuschquelle (physical noise source – PNS) und einen Nulldurchgangsdetektor (zerocrossing detector – ZCD) auf, der ein Vergleicher oder ein harter Begrenzer sein kann. 2 zeigt eine typische Ausführung eines Rauschsignals s(t) und eine binäre Zufallswellenform b(t), die aus diesem Rauschsignal erzielt wird und durch Nulldurchgänge dieses Signals definiert wird. Jeder Nulldurchgang führt zu einem Ereignis (einer Flanke) bei der binären Wellenform b(t), wobei die Ereignisse aperiodisch und unvorhersehbar auftreten.
Beim Radar und auch bei anderen Anwendungen ist die Form der Korrelationsfunktion einer binären Wellenform von wesentlicher Bedeutung. Die ideale Korrelationsfunktion würde die Form einer Impulsfunktion (Dirac-Delta) aufweisen. In der Praxis sollte die Korrelationsfunktion einer „guten" binären Wellenform versuchen, sich dieser Idealform irgendwie anzunähern. 3 zeigt die Form der Korrelationsfunktion R_b(τ) einer binären Zufallswellenform b(t), die ideal ist für Anwendungen der Entfernungsmessung.
In der Praxis ist es verhältnismäßig einfach, Rauschsignale mit einer Gaußschen Verteilung, d. h. durch Nutzung von thermischem Rauschen, zu erzeugen. Weist ein zugrunde liegendes Rauschsignal s(t) eine Gaußsche Verteilung auf, lässt sich die Korrelationsfunktion R_b(τ) einer binären Wellenform b(t), die aus Nulldurchgängen des Signals s(t) erzielt wird, aus der folgenden Van Vleck-Formel bestimmen: Rb(τ) = (2/π) arcsin [Rs(τ)]bei der R₃(τ) die Korrelationsfunktion des zugrunde liegenden Rauschsignals s(t) ist. Um eine enge Korrelationsfunktion R_s(τ) einer binären Zufallswellenform b(t) zu erhalten, sollte daher die Korrelationsfunktion Rs(..) eines zugrunde liegenden Rauschsignals s(t) ebenfalls eng sein. Da die Korrelationsfunktion und die Leistungsspektraldichte eines Zufallssignals ein Fourier-Paar bilden, sollte eine physikalische Geräuschquelle, die verwendet wird, um eine binäre Wellenform mit einer engen Korrelationsfunktion zu erzeugen, ein Rauschsignal mit einem extrem breiten Frequenzspektrum erzeugen.
Es ist bekannt, dass die Korrelationsfunktion einer binären Zufallswellenform, die nicht notwendigerweise aus einem Gauß'schen Rauschsignal erhalten wird, einen Umkehrpunkt am Ursprung aufweist und dass dieser Umkehrpunkt schärfer ist, wenn die durchschnittliche Anzahl N₀ von Nulldurchgängen in der Zeit je Einheit größer ist. Weist ein zugrunde liegendes Rauschsignal s(t) eine Gaußsche Verteilung auf, lässt sich die durchschnittliche Zahl N₀ von Nulldurchgängen in der Zeit je Einheit aus der Rice-Formel bestimmen: N0 = Bs/πwobei B_s die Winkelbandbreite mit Effektivwert (root-mean-square – rms) (gemessen in Radianten pro Sekunde) des Signals s(t) ist. Wenn folglich ein Gaußsches Rauschsignal s(t) verwendet wird, um eine binäre Zufallswellenform b(t) zu erzeugen, ist es nicht möglich, die Breite der Korrelationsfunktion R_b(τ) der binären Wellenform durch andere Mittel als durch die Vergrößerung der rms-Bandbreite Bs des zugrunde liegenden Rauschsignals s(t) zu verringern. Leider ist die Erzeugung von Ultra-Breitband-Rauschsignalen in der Praxis sehr schwierig.
Es wäre daher wünschenswert, ein Gerät und ein Verfahren zur Erzeugung einer binären Zufallswellenform mit einer extrem engen Korrelationsfunktion vorzusehen, die für Entfernungsmessung und andere Anwendungen geeignet sind.
Es wäre ebenfalls wünschenswert, ein Gerät und ein Verfahren zur Erzeugung einer binären Zufallswellenform vorzusehen, die für die Anwendung in Mehrplatzumgebungen gedacht sind.
Es wäre ferner wünschenswert, ein Gerät und ein Verfahren zur Erzeugung einer binären Zufallswellenform vorzusehen, die widerstandsfähig gegenüber absichtlichen intelligenten Störungen sind.
Es wäre außerdem wünschenswert, ein Gerät und ein Verfahren zur Erzeugung einer binären Zufallswellenform mit geringer Entdeckungswahrscheinlichkeit vorzusehen.
WO 00/54406 offenbart einen Zufallssignalgenerator, der mehrfache nichtdeterministische Zufallsfolgengeneratoren umfasst, die Ausgänge aufweisen, die unter Verwendung von Exklusiv-Oder-Gattern verknüpft werden, um die Ereignisse in den jeweiligen Signalen zu vermischen und somit ein Signal abzuleiten, dass einen größeren Zufallsinhalt als irgendeine der einzelnen Sequenzen aus den Sequenzgeneratoren aufweist.
"Alpha-particle random number generator" IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, IBM CORP. NEW YORK, US, Bd. 30, Nr. 9, Februar 1988 (1988–02), S. 337–339, XP002140868 ISSN: 0018-8689 offenbart ebenfalls eine Anordnung, bei der die Ausgänge einzelner Zufallsfolgengeneratoren unter Verwendung von Exklusiv-Oder-Gattern verknüpft werden. Jeder Zufallsfolgengenerator weist ein rückgekoppeltes n-bit-Schieberegister auf, das Speicherzellen mit logischen Zuständen aufweist, die als Antwort auf Alphateilchen ausgetauscht werden können. Dies bedeutet, dass die Ausgänge der Schieberegister nicht-deterministisch sind, und die Zufälligkeit der sich ergebenden Sequenzen wird erhöht.
In den beigefügten Ansprüchen sind Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung dargelegt.
Die Erfindung kann ausgeführt werden als ein Verfahren zum Erzeugen eines sich ergebenden Signals, das Zeitmarken enthält, die hier als Ereignisse bezeichnet werden, die in Zufallsintervallen auftreten, wobei das Verfahren das Erzeugen mehrerer Vorsignale umfasst, die jeweils Ereignisse enthalten, die in Zufallsintervallen auftreten und die die Vorsignale verknüpfen. Das Verknüpfen erfolgt in einer Weise, dass die Ereignisse dabei zumindest im Wesent lichen erhalten werden. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen erfolgt das Verknüpfen durch Vervielfachen (entweder in der analogen oder in der digitalen Domäne) und führt zum Vermischen der Ereignisse in dem sich ergebenden Signal. Mindestens eines der Vorsignale enthält Ereignisse, die asynchron auftreten (d. h. ohne getaktet zu werden, und in der Tat hängt das System der vorliegenden Erfindung nicht von der Verwendung eines Takts ab).
In der vorliegenden Patentschrift, einschließlich der Ansprüche, sofern im Kontext nichts anderes angegeben ist, soll der Begriff „zufällig" nicht nur rein zufällige, nicht-deterministisch erzeugte Signale abdecken, sondern auch pseudozufällige, deterministische Signale, wie zum Beispiel den Ausgang einer Schieberegisteranordnung, die mit einer Rückkopplungsschaltung versehen ist, wie sie nach dem Stand der Technik verwendet wird, um pseudozufällige binäre Signale und chaotische Signale zu erzeugen. Vorzugsweise ist jedoch mindestens eines der Vorsignale rein zufällig (nicht-deterministisch) oder möglicherweise chaotisch und enthält aperiodische Ereignisse.
Das Verfahren der Erfindung kann das Erzeugen mehrerer Vorsignale mit zufälliger Amplitude umfassen, deren Pegel erfasst werden kann, um eine binäre Wellenform mit Übergängen in Zufallsintervallen zu erzeugen, und das Verknüpfen der Signale entweder vor oder nach der Pegelerfassung, um eine sich daraus ergebende zufällige Binärausgabe zu erzeugen. Das Verknüpfen der Signale erfolgt derart, dass die Ereignisse, die durch die Übergänge dargestellt werden, zumindest teilweise erhalten werden. Die Vorsignale bleiben zumindest teilweise unkorreliert.
Einige der zu verknüpfenden Signale oder binären Wellenformen lassen sich aus einem einzelnen Signal oder einer einzelnen binären Wellenform erzielen, indem mehrere entsprechend zeitverzögerte Kopien dieses Signals oder dieser Wellenform verwendet werden. Die zeitverzögerten Kopien sollten zumindest teilweise miteinander unkorreliert sein, und zu diesem Zweck weist die Zeitverzögerung, die verwendet wird, um jede Kopie zu bilden, vorzugsweise einen Wert auf, der einem im Wesentlichen Nullpegel der Korrelationsfunktion des Ursprungssignals entspricht.
Bei einer anderen Ausführungsform werden einige der Vorsignale von einer gemeinsamen physikalischen Geräuschquelle abgeleitet, die eine Ausgabe mit zufälliger Amplitude erzeugt. Jedes Vorsignal wird durch Pegelerfassung bei einem jeweiligen unterschiedlichen Pegel des Ausgangs der physikalischen Geräuschquelle abgeleitet. Die Pegel werden vorzugsweise in ausreichendem Maße getrennt, um eine bedeutende Korrelation zwischen den Vorsignalen zu vermeiden.
Anordnungen, die die Erfindung verkörpern, sollen jetzt beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, bei denen gleiche Bezugssymbole gleiche Ganzzahlen darstellen, und bei denen:
1 ein Beispiel eines Systems zum Erzeugen einer binären Zufallswellenform gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2 eine typische Ausführung eines Rauschsignals s(t) und eine binäre Zufallswellenform b(t) zeigt, die aus diesem Rauschsignal erhalten wird und durch Nullpegeldurchgänge dieses Signals definiert wird;
3 die Form der Korrelationsfunktion Rb(..) einer binären Zufallswellenform b(t) zeigt, die ideal ist für Anwendungen der Entfernungsmessung;
4 bis 6 jeweils Blockdiagramme des ersten bis dritten Systems zum Erzeugen von binären Zufallswellenformen sind, die abgewandelt werden können, um Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten;
7 ein Blockdiagramm eines speziellen Beispiels des in 6 gezeigten Systems ist;
8 die Korrelationsfunktion einer binären Zufallswellenform zeigt, die von dem System aus 7 erzeugt wird;
9 ein Blockdiagramm eines anderen Systems ist;
10 ein Blockdiagramm eines speziellen Beispiels der in 8 gezeigten Ausführungsform ist;
12 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
13 die Korrelationsfunktion einer binären Zufallswellenform zeigt, die von der Ausführungsform aus 12 erzeugt wird.
4 zeigt ein System, das mehrere physikalische Breitband-Geräuschquellen (physical noise sources – PNS) aufweist, denen sich spektrumformende Filter (spectrum-shaping filters – SSF), mehrere analoge Vervielfacher (analog multipliers – AM) oder Gegentaktmodulatoren und ein einzelner Nulldurchgangsdetektor (zero-crossing detector – ZCD), der ein Vergleicher oder ein harter Begrenzer sein kann, anschließen. Eine binäre Zufallswellenform (random binary waveform – RBM), die für das Modulieren eines Trägers vor der Übertragung bei Radar- und Kommunikationsanwendungen nützlich ist, wird an dem Ausgang des Nulldurchgangsdetektors (ZCD) erhalten.
Die physikalische Geräuschquelle (PNS) ist vorzugsweise eine Zener-Diode, die wie an sich im Stand der Technik bekannt verwendet wird, die eine Ausgabe liefert, die eine Gaußsche Spannungsverteilung aufweist.
Der Nulldurchgangsdetektor (ZCD) ist vorzugsweise ein schneller Vergleicher mit einer Nullschwelle.
Während des Betriebs erzeugt jede physikalische Geräuschquelle (PNS) eine Wellenform, die der bei s(s) in 2 gezeigten ähnelt, wobei die Wellenformen unkorreliert sind. Jede Wellenform wird durch einen jeweiligen spektrumformenden Filter (SSF) gefiltert, der eine annähernde Gaußsche Leistungsübertragungsfunktion |H(ω))|² von der folgenden Form aufweisen kann: |H(ω)|2 = const.exp(–ω''/2Bs 2)wobei B_s die rms-Winkelbandbreite ist.
Der Vorteil einer derartigen Eigenschaft besteht darin, dass die Fourier-Transformation einen monotonen Abfall auf den Nullpegel zeigt und somit kein Unterschwingen oder Nachschwingen aufweist. Andere Arten von Übertragungsfunktionen, die vorzugsweise ähnliche Vorteile aufweisen, könnten alternativ verwendet werden. Es ist möglich, Filter mit identischen Eigenschaften für die jeweiligen Kanäle (Geräuschquellen) zu verwenden, oder falls gewünscht, könnten verschiedene gewünschte Eigenschaften ausgewählt werden, oder unter bestimmten Umständen könnten die Filter tatsächlich weggelassen werden.
Die Ausgaben der beiden ersten Filter werden von dem ersten der analogen Vervielfacher (analog multiplier – AM) vervielfacht, deren Ausgabe von der Ausgabe von dem dritten Filter (SSF) in dem nächsten analogen Vervielfacher (AM) vervielfacht wird, usw. Die Ausgabe von dem letzten analogen Vervielfacher (AM) ist ebenfalls eine Wellenform, die im Allgemeinen s(t) in 2 ähnelt, mit Ausnahme davon, dass es dort keine wesentlich größere Anzahl von Nulldurchgängen gibt. Tatsächlich ist die Anzahl der Nulldurchgänge die Summe der Anzahl in jedem der jeweiligen Signale von den Geräuschquellen (PNS). Dieses Ausgangssignal wird zu dem Nulldurchgangsdetektor (ZCD) übermittelt, um die binäre Zufallswellenform (RBM) zu erzeugen, die der bei b(t) in 2 ähnelt, die aber wiederum eine wesentlich größere Anzahl von Übergängen enthält.
Infolge dieser Anordnung, in der Annahme, dass es n Kanäle gibt, wird die Anzahl der Nulldurchgänge in der Zeit je Einheit im Vergleich mit einer einzelnen Geräuschquelle um einen Faktor n erhöht, so dass eine wesentlich schärfere Korrelationsfunktion erzeugt wird und somit ein Signal, das wesentlich besser geeignet ist zum Beispiel für Anwendungen der Entfernungsmessung. Die rms-Bandbreite erhöht sich jedoch nur um √n.
Obwohl durch das Erhöhen der Anzahl der Kanäle auch die Schärfe der Korrelationsfunktion erhöht wird, sinkt das Maß der Verbesserung bei einer Erhöhung der Anzahl der Kanäle. Es wird beispielsweise angenommen, dass jeder spektrumformende Filter eine annähernde Gaußsche Leistungsübertragungsfunktion |H(ω)|² der folgenden Form aufweist: |H(ω)|2 = const exp(–ω2/2Bs 2)wobei B_s die rms-Winkelbandbreite des Filters ist. Die unten stehende Tabelle zeigt die Verringerung der Halbwertsbreite der Korrelationsfunktion einer binären Zufallswellenform als Funktion der Anzahl der verknüpften Kanäle.

Anzahl der verknüpften Halbwertsbreite der Korrela

identischen Kanäle tionsfunktion (genormte

Einheiten)

1 1.00

2 0.56

3 0.39

4 0.30

5 0.25

6 0.21

7 0.18

8 0.16
Bei praktischen Ausführungsformen ist es wahrscheinlich, dass die optimale Anzahl von Kanälen drei oder vier beträgt, da es unwahrscheinlich ist, dass die Kosten für die Erhöhung der Anzahl der Kanäle die zusätzliche Verbesserung des Signals rechtfertigen.
Bei den Ausführungsformen, die unten beschrieben werden sollen, gelten ähnliche Betrachtungen für die bevorzugte Art der physikalischen Geräuschquellen (PNS), die spektrumformenden Filter (SSF) und den Nulldurchgangsdetektor (ZCD) sowie für die Anzahl der Kanäle.
5 zeigt ein weiteres System, das eine einzelne physikalische Breitband-Geräuschquelle (PNS) aufweist, der sich ein spektrumformender Filter (SSF), mehrere analoge Verzögerungsleitungen (delay lines – DL), mehrere analoge Vervielfacher (AM) oder Gegentaktmodulatoren und ein einzelner Nulldurchgangsdetektor (ZCD), der ein Vergleich oder ein harter Begrenzer sein kann, anschließen. Eine binäre Zufallswellenform (RMB) wird an dem Ausgang des Nulldurchgangsdetektors (ZCD) erhalten.
5 unterscheidet sich von der Anordnung, die in 4 gezeigt wird, durch die Tatsache, dass statt der Verwendung unabhängiger Geräuschquellen (PNS) eine einzelne Geräuschquelle (PNS) verwendet wird, wobei die restlichen der Geräuschvorsignale von zeitverzögerten Kopien des ursprünglichen Rauschsignals erzeugt werden, wobei die Verzögerungen durch die analogen Verzögerungsleitungen (DL) erzeugt werden. Um sicherzustellen, dass die Rauschsignale, die an die analogen Vervielfacher (AM) übermittelt werden, im Wesentlichen unkorreliert sind, überträgt jede Verzögerungsleitung eine ausreichend lange Verzögerung; die Verzögerung ist derart, dass die Korrelationsfunktion des erzeugten Signals an dem Verzögerungspunkt im Wesentlichen null ist. Die Verzögerungen können sich voneinander unterscheiden und/oder in der Zeit unterschiedlich sein.
6 zeigt ein weiteres System, dass mehrere physikalische Geräuschquellen (PNS) aufweist, denen sich jeweils ein spektrumformender Filter (SSF) und ein Nulldurchgangsdetektor (ZCD) anschließt. Die binären Wellenformen, die an den Ausgängen der Nulldurchgangsdetektoren (ZCD) erhalten werden, werden dann zu einem geeigneten Kombinator mit Mehrfacheingang und Einzelausgang (multi-input-single-output combiner – MIC) geleitet, der die Wellenformen in einer Weise verarbeitet, dass ihre jeweiligen Nulldurchgänge zumindest teilweise erhalten werden. Eine binäre Zufallswellenform (RBM) wird an dem Ausgang des Kombinators (MIC) erzielt.
6 unterscheidet sich von der in 4 gezeigten Anordnung dadurch, dass die Rauschsignale von den Nulldurchgangsdetektoren (ZC) in Binärsignale umgewandelt werden, bevor sie verknüpft werden.
7 zeigt ein spezielles Beispiel des Systems aus 6, bei dem der Kombinator (MIC) aus mehreren entsprechend verknüpften Exklusiv-Oder-Gattern (XOR) gebildet ist. Wie wohlbekannt ist, führen diese Gatter einen binären Vervielfachungsvorgang aus.
7 stellt ein System dar, bei dem die Anzahl physikalischer Geräuschquellen gleich vier ist. Bei einem besonderen Beispiel dieser Ausführungsform wird angenommen, dass die rms-Bandbreite, gemessen in Hertz (d. h. B_s/2π) des Ausgangs jeder Geräuschquelle (PNS) gleich 25 MHz ist.
Zum Zwecke dieser Analyse wird ebenfalls angenommen, dass Nulldurchgangsdetektoren und Exklusiv-Oder-Gatter unendlich schnelle Antworten aufweisen. Die Halbwertsbreite der Korrelationsfunktion einer binären Wellenform, die am Ausgang eines beliebigen Nulldurchgangsdetektors erzielt wird, ist gleich 10,6 ns. Die Halbwertsbreite der Korrelationsfunktion der sich daraus ergebenden binären Wellenform, die am Ausgang des Systems erhalten wird, ist jedoch gleich 3,2 ns.
8 zeigt bei A die Autokorrelationsfunktion des Rauschsignals, das von einer einzelnen physikalischen Geräuschquelle (PNS) erzeugt wird. B stellt die Korrelationsfunktion der binären Wellenform am Ausgang des Nulldurchgangsdetektors (ZCD) dar. C zeigt die Autokorrelationsfunktion der binären Zufallswellenform am Ausgang der Ausführungsform von 7, die durch das Verknüpfen von vier unkorrelierten binären Wellenformen erzielt wird. Es lässt sich erkennen, dass die Korrelationsfunktion C wesentlich schärfer ist als eine der Funktionen A und B.
9 zeigt ein weiteres System, das eine einzelne physikalische Geräuschquelle (PNS) aufweist, an die sich ein spektrumformender Filter (SSF) und ein Nulldurchgangsdetektor (ZCD), mehrere binäre Verzögerungsleitungen (BDL) und ein geeigneter Kombinator mit Mehrfacheingang und Einzelausgang (MIC), der die Wellenformen derart verarbeitet, dass ihre jeweiligen Nulldurchgänge zumindest teilweise erhalten werden, anschließen. Eine binäre Zufallswellenform (RBM) wird an dem Ausgang eines Kombinators (MIC) erzielt.
Dies ähnelt somit dem System aus 6, abgesehen davon (analog zu 5), dass die getrennten Geräuschquellen durch Verzögerungsleitungen ersetzt sind.
10 zeigt ein spezielles Beispiel des Systems, das in 9 gezeigt wird, bei dem der Kombinator (MIC) aus mehreren entsprechend verknüpften logischen Exklusiv-Oder-Gattern (XOR) gebildet wird.
11 zeigt ein weiteres System, bei dem der Ausgang einer physikalischen Geräuschquelle (PNS) auf drei Pegeldetektoren (LD) angelegt wird, von denen jeder derart angeordnet ist, dass der Zustand seines Ausgangs verändert wird, wenn das Signal von der Rauschquelle einen jeweiligen Schwellenwert T1, T2 oder T3 überschreitet. Die Ausgänge der Pegeldetektoren (LD) werden durch Exklusiv-Oder (XOR)-Schaltungen verknüpft, wie bei der Ausführungsform aus 10, um die sich daraus ergebende binäre Zufallswellenform (RBM) zu erzeugen. Die Schwellenwerte T1, T2 und T3 sind ausreichend getrennt, um eine bedeutende Korrelation zwischen den Ausgängen der Pegeldetektoren (LD) zu vermeiden. Statt Pegeldetektoren, die unter Verwendung verschiedener Schwellenwerte arbeiten, wäre es natürlich möglich, Pegeldetektoren mit einem gemeinsamen Schwellenwert zu verwenden, wie zum Beispiel Nulldurchgangsdetektoren, falls vor den jeweiligen Pegelerfassungsvorgängen unterschiedliche Mengen an Gleichstromveränderungen an dem Ausgang der physikalischen Geräuschquelle angelegt werden.
Einige der physikalischen Geräuschquellen (PNS), die oben genannt sind, können durch andere physikalische Quellen ersetzt werden, die verwendet werden, um chaotische Signale zu erzeugen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden einige, aber nicht alle, durch andere, deterministische pseudozufällige Quellen ersetzt.
12 ist ein funktionales Blockdiagramm eines weiteren Generators einer binären Zufallswellenform, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Das System besteht aus vier Kanälen; jeder der drei identischen Kanäle weist eine physikalische Breitband-Geräuschquelle (PNS), einen spektrumformenden Filter (SSF) und einen Nulldurchgangsdetektor (ZCD) auf.
Der vierte Kanal weist einen Generator einer pseudozufälligen binären Sequenz (PRBS) auf, der von einer Takteinheit (CLK) gesteuert wird, dessen Frequenz konstant sein kann oder schwanken kann. Der Generator einer pseudozufälligen binären Sequenz (PRBS) ist vorzugsweise ein Schieberegister mit einer Rückkopplungsschaltung, das nach dem Stand der Technik konstruiert ist. Eine binäre Zufallswellenform wird am Ausgang des letzten Gatters (XOR) der Reihenschaltung erzielt. Obwohl die Korrelationsfunktion einer pseudozufälligen binären Sequenz periodisch ist, ist die Korrelationsfunktion der sich ergebenden binären Zufallswellenform aperiodisch.
Bei einem Beispiel der Anordnung aus 12 wird angenommen, dass die in Hertz (z. B. B_s/2π) gemessene rms-Bandbreite gleich 15 MHz ist. Zum Zwecke dieser Analyse wird angenommen, dass die Nulldurchgangsdetektoren und Exklusiv-Oder-Gatter unendlich schnelle Antworten aufweisen. Es wird ebenfalls angenommen, dass der Generator der pseudozufälligen binären Sequenz (PRBS) von einem Takt mit einer Frequenz von 66 MHz gesteuert wird. Der Generator der pseudozufälligen binären Sequenz (PRBS) besteht aus sieben Stufen mit einer geeigneten Rückkopplung, um eine Sequenz der Länge 127 zu erhalten. Die Halbwertsbreite der Korrelationsfunktion einer binären Wellenform, die am Ausgang eines beliebigen Nulldurchgangsdetektors erzielt wird, ist gleich 17,6 ns. Die Halbwertsbreite der Korrelationsfunktion der sich daraus ergebenden binären Wellenform, die am Ausgang des Systems erhalten wird, ist jedoch gleich 5,2 ns.
13 zeigt bei A die Autokorrelationsfunktion des Ausgangssignals, das von einer physikalischen Geräuschquelle (PNS) der Ausführungsform aus 12 erzeugt wird. B stellt die Korrelationsfunktion für die pseudozufällige binäre Sequenz (PRBS) dar. C ist die Korrelationsfunktion für die binäre Wellenform, die durch das Verknüpfen der drei unkorrelierten binären Wellenformen, die von den physikalischen Geräuschquellen (PNS) abgeleitet werden, erzielt wird. D ist die Korrelationsfunktion für den Ausgang der Ausführungsform aus 12, die erzeugt wird durch das Verknüpfen der drei unkorrelierten binären Wellenformen aus den physikalischen Geräuschquellen mit dem Ausgang der pseudozufälligen binären Sequenz (PRBS).
Die Korrelationsfunktion für den Ausgang einer physikalischen Geräuschquelle (PNS) weist Impulsschwänze auf, die sich bis zur Plus- und zur Minus-Unendlichkeit erstrecken. Dies gilt ebenfalls für die davon abgeleitete binäre Wellenform und für die Verknüpfung der binären Wellenformen, die von den physikalischen Geräuschquellen (PNS) abgeleitet sind. Die Korrelationsfunktion für die pseudozufällige binäre Sequenz (PRBS) weist jedoch festgelegte obere und untere Zeitbegrenzungen auf (innerhalb des in 13 gezeigten Bereichs). Dies gilt daher auch für die Korrelationsfunktion D für den Ausgang der Ausführungsform aus 12, weil hierbei die binären Wellenformen, die von den physikalischen Geräuschquellen (PNS) abgeleitet sind, mit den pseudozufälligen binären Sequenzen (PRBS) durch Exklusiv-Oder-Verbindung verknüpft werden. Dies kann bedeutende Vorteile aufweisen, zum Beispiel wenn die binäre Zufallswellenform (RBM) verwendet wird, um Trägersignale bei Radar oder ähnlichen Anwendungen zu modulieren, weil das Setzen von Grenzen in dem Bereich der Autokorrelationsfunktion bei der Planung des Systems hilft.
Die Erfindung bietet daher einen Weg, um eine binäre Zufallswellenform mit einer scharfen Korrelationsfunktion zu erhalten. Dies wird bei den bevorzugten Ausführungsformen durch das Erzeugen von Gaußschen Signalen und ihres Verknüpfens auf nichtlineare Art und Weise erzielt, um ein nicht-Gaußsches Signal zu erhalten, das verwendet wird, um die binäre Zufallswellenform zu erzeugen. Verschiedene Abwandlungen sind möglich. Die verschiedenen Merkmale, die in Bezug auf spezielle Ausführungsformen offenbart wurden, insbesondere die Techniken, die verwendet werden, um die Vorsignale zu erzeugen, die dann verknüpft werden, können auch bei den anderen Ausführungsformen verwendet werden.
Ein Generator einer binären Zufallswellenform gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für die Verwendung bei einem System zur Bestimmung der Zeitverzögerung gemäß der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 00/39643 , die am 24. Dezember 1999 eingereicht wurde.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer binären Zufallswellenform, die Ereignisse enthält, die in Zufallsintervallen auftreten, wobei das Verfahren das Ableiten aus einer physikalischen Geräuschquelle (physical noise source – PNS) eines ersten Vorsignals umfasst, welches Ereignisse enthält, die asynchron und in Zufallsintervallen auftreten, und das Multiplizieren des ersten Vorsignals mit mindestens einem weiteren Vorsignal, das weitere Ereignisse enthält, die in Zufallsintervallen auftreten, um so die Ereignisse zu vermischen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Vorsignal von einer deterministischen Pseudozufallsquelle (deterministic pseudo-random source – PRBS) abgeleitet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Vorsignal durch Pegelerfassung eines zufälligen analogen Amplitudensignals, das durch die physikalische Geräuschquelle (physical noise source – PNS) erzeugt wird, abgeleitet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein weiteres Vorsignal durch Pegelerfassung des zufälligen analogen Amplitudensignals abgeleitet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorsignale durch analoge Multiplikation verknüpft sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorsignale binäre Signale sind, die durch binäre Multiplikation verknüpft sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Vorsignale durch eine EXKLUSIV-ODER-Verknüpfung verknüpft sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die physikalische Geräuschquelle (PNS) eine nicht-deterministische Ausgabe erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die physikalische Geräuschquelle (PNS) eine chaotische Ausgabe erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine weitere Vorsignal eine pseudozufällige binäre Sequenz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein weiteres Vorsignal ein chaotisches Signal ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Vorsignale eine zeitverzögerte Version eines anderen der Vorsignale ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zeitverzögerung einen derartigen Wert aufweist, dass die Korrelationsfunktion des einen Vorsignals für diesen Wert im Wesentlichen null ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches das Erzeugen eines Signals aus der physikalischen Geräuschquelle (PNS) und das Anwenden eines Spektralfilters auf das Signal, um das erste Vorsignal zu erhalten, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Vorsignale gleich 3 oder 4 ist.
Verfahren zum Erfassen von Gegenständen, umfassend das Messen der Verzögerung zwischen der Übertragung eines Signals, das durch eine binäre Zufallswellenform moduliert ist, die durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt wurde, und dem Empfang der Reflexion des Signals von dem Gegenstand.
Gerät zum Erzeugen einer binären Zufallswellenform, die Ereignisse enthält, die in Zufallsintervallen auftreten, wobei das Gerät Folgendes umfasst: eine physikalische Geräuschquelle (PNS), die ein zufälliges Ausgangssignal erzeugt; Mittel (SSF, ZCD) zum Ableiten aus dem zufälligen Ausgangssignal eines ersten Vorsignals, das Ereignisse enthält, die asynchron in Zufallsintervallen auftreten; Mittel (PRBS) zum Bereitstellen mindestens eines weiteren Vorsignals, das weitere Ereignisse enthält, die in Zufallsintervallen auftreten; und Mittel (XOR) zum Multiplizieren des ersten Vorsignals mit mindestens einem weiteren Vorsignal, um so eine binäre Zufallswellenform (RBM) zu erzeugen, in der die Ereignisse vermischt sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bereitstellen mindestens eines weiteren Vorsignals eine deterministische Pseudozufallsquelle (pseudo-random source – PRBS) ist.