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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Frequenzumtasten bei
Mehrband-Kommunikationssystemen.
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Ein
Frequenzumtasten (engl.: frequency shift keying; FSK) ist ein Schema
einer digitalen Modulation. Bei dem einfachen Fall eines binären Frequenzumtastens
beispielsweise schaltet die Trägerwellenfrequenz zwischen
zwei Frequenzen zum Modulieren der zwei Symbolwerte einer binären digitalen
Basisbandnachricht um. Der Ausdruck Symbol bezeichnet ein Element
einer Nachricht. Das Symbol kann lediglich bestimmte Werte, sogenannte
Symbolwerte, die durch das zugrunde liegende digitale System definiert
sind, annehmen. Eine Nachricht ist eine Anordnung von Symbolen,
die bestimmte Informationen darstellen.
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Eine
Demodulation eines FSK-modulierten Signals wird durch einen Empfänger, der
die empfangenen Frequenzen folgend erfasst und diese in die jeweiligen
ursprünglichen
Symbolwerte übersetzt,
durchgeführt. Die
Demodulation kann kohärent
oder nicht kohärent
implementiert werden.
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Ein
typischer binärer
FSK-Empfänger
für eine
kohärente
Demodulation ist in 1 gezeigt. Das Signal, das bei
der Antenne empfangen wird, wird bandpassgefiltert, bevor dieses
durch einen rauscharmen Verstärker
(engl.: low noise amplifier; LNA) verstärkt wird. Das verstärkte Signal
kann dann zu einem Abwärtsumsetzer
zum Übersetzen
der Trägerfrequenzen
zu niedrigeren Werten weitergeleitet werden. Es gibt verschiedene
Formen von Abwärtsumsetzern,
und in manchen Situationen kann der Abwärtsumsetzer ferner weggelassen
sein. Das Ausgangssignal des Abwärtsumsetzers
wird dann geteilt, und jede Komponente wird mit einer unterschiedlichen
Oszillatorfrequenz gemischt. Für
den binären
FSK-Empfänger
von 1 wird das möglicherweise
abwärts
umgesetzte Signal in zwei Komponenten geteilt, wobei eine mit einer
Oszillatorfrequenz F1 und die andere mit einer Oszillatorfrequenz
F2 gemischt wird. Jede gemischte Komponente wird einem getrennten
Integrator zugeführt,
wobei die Ausgangssignale dann zum Erreichen einer Entscheidung über den Symbolwert
zu der korrekten Abtastzeit verglichen werden.
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Nicht
kohärente
FSK-Empfänger
verwenden Basisbandfilter anstatt beispielsweise phasenkohärenter Oszillatoren,
wie in 2 gezeigt ist. Im Gegensatz zu einer kohärenten Erfassung
basiert die Entscheidung über
den Symbolwert auf der erfassten Basisbandhüllkurve anstatt des Integratorausgangssignals
für den
kohärenten
Empfänger.
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Wenn
es M Frequenzen, die für
eine Übertragung
einer digitalen Nachricht verwendet sind, anstatt von lediglich
zwei gibt, ist das Modulationsschema als ein M-äres FSK bekannt, und es gibt
M möglicherweise übertragene
Signale. Die Zahl M von Frequenzen, die zum Modulieren einer digitalen
Nachricht verwendet sind, definiert die maximale Zahl möglicher
Symbolwerte, die für
eine digitale Nachricht, die durch ein M-äres FSK-System zu modulieren
ist, erlaubt sind. Durch Modulieren lediglich einer binären digitalen
Nachricht erhöht
sich jedoch die Übertragungsdatenrate
aufgrund der erhöhten
Bandbreite, die aus der erhöhten
Zahl von Übertragungsfrequenzen
resultiert.
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Eine
Vielfalt unterschiedlicher FSK-Modulationsverfahren sind aktuell
bekannt, wie beispielsweise kontinuierliches Phasen-FSK (engl.:
Continuous Phase FSK; CFSK), FSK von Sunde und M-äres orthogonales
FSK (engl.: M-ary Orthogonal FSK), wie in der
WO 03/0288255 beschrieben ist.
Ein CFSK ist eine Form von FSK, bei der es keine Phasendiskontinuitäten bei
dem übertragenen
Signal gibt. Der Sender kann daher als ein einzelner Oszillator,
der durch einen Datenstrom moduliert wird, implementiert sein. Abhängig von
der Trennung der Frequenzen, die verwendet sind, um die individuellen
Symbolwerte darzustellen, wird auf ein jeweiliges System als ein
Schmalbandsystem oder ein Breitbandsystem Bezug genommen. Ein FSK
von Sunde verwendet zwei Frequenzen zum Darstellen von zwei Symbolwerten,
wodurch die Trennung der Frequenzen der Kehrwert der Datenrate ist.
Bei einem M-ären
orthogonalen FSK sind M Frequenzen verwendet, wobei die Trennung
der Frequenzen der Kehrwert der Datenrate ist.
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Die
bekannten FSK-Kommunikationssysteme verwenden eine feste Zuweisung
der Übertragungsfrequenzen
zu den Symbolwerten, was zu einer Signalstörung insbesondere für eine Mehrwegausbreitung
der Trägerwelle
und zu einer hohen Bitfehlerrate führen kann.
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Eine
variable Zuweisung der Übertragungsfrequenzen
zu den Symbolwerten ist in dem Dokument von JOHN G. PROAKIS „Digital
Communications",
1. Januar 2001 (2001-01-01),
MC GRAW RILL, NEW YORK, XP000864285, Seiten 772–773, offenbart. Dieses Dokument
sieht ein Frequenzspringsystem vor, das auf M informationstragenden
Tönen,
die ein pseudozufälliges
Trägerfrequenzspringen
bei jedem Signalisierungsintervall vorsehen, basiert. Gemäß der auf
der Seite 772 des Dokuments angegebenen Erklärung basiert das System auf
einem FSK, und dieses kann gemäß der Bezugnahme
auf Spreizspektrumsignale darauf in Absatz 2 auf UWB-Kommunikationssysteme
angewandt sein. Das Dokument stellt eine FSK-Modulation unter Verwendung
eines Typs eines Frequenzspringens dar, wobei ein unterschiedliches
Frequenzband für
jeden einzelnen Übertragungskanal
eines Rahmens verwendet wird, d. h., die Trägerfrequenz wird geändert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, den Stand
der Technik zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert
ist, gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind der Gegenstand der anderen Ansprüche.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Frequenzmodulationsverfahren zum Aufprägen einer
digitalen Nachricht, die durch eine Folge von Symbolen gebildet
ist, auf einen Satz von Frequenzbändern, wodurch jedem Symbol
ein Symbolwert aus einem definierten Satz von Symbolwerten zugewiesen
wird, offenbart, wobei das Verfahren Schritte eines Definierens
von mindestens zwei Symbolübertragungskanälen, wobei jeder
Symbolübertragungskanal
durch einen Teilsatz von Frequenzbändern, die aus dem Satz von
Frequenzbändern
ausgewählt
werden, gebildet ist, und wobei jedes Frequenzband eines Symbolübertragungskanals
innerhalb eines Zeitrahmens einem Symbolwert des Satzes von Symbolwerten
in einer Eins-zu-eins-Beziehung zugeteilt wird, derart, dass sich
die definierten Symbolübertragungskanäle innerhalb
eines Zeitrahmens bei mindestens einem ausgewählten Frequenzband und/oder
bei einer Zuteilung eines Frequenzbands zu einem Symbolwert voneinander
unterscheiden, eines Modulierens von jedem der definierten Symbolübertragungskanäle nacheinander
mit einem einzelnen Symbolwert der digitalen Nachricht gemäß der Zuteilung,
die für
die Frequenzbänder
des jeweiligen Symbolübertragungskanals
definiert ist, und eines Wechselns der Zuteilung der Frequenzbänder zu
den Symbolwerten für
jeden Zeitrahmen aufweist.
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Das
Verfahren weist hiermit den Schritt eines Wechselns der Reihenfolge
der Frequenzbänder
von Rahmen zu Rahmen auf eine solche Weise auf, dass ein fester
Frequenzversatz zwischen dem Frequenzband eines Symbolübertragungskanals
in einem aktuellen Zeitrahmen und dem entsprechenden Frequenzband, das
in dem entsprechenden Symbolübertragungskanal
des vorhergehenden Zeitrahmens verwendet ist, erreicht wird. Mindestens
zwei Teilkanäle
sind ferner für
ein Frequenzband des Satzes von Frequenzbändern definiert, derart, dass
die Phasenwinkel von zwei Teilkanälen, die für ein Frequenzband definiert
sind, unterschiedlich sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist ferner durch eine Umsetzungssteuerung
für einen
Frequenzumtast-Sender und für
einen Frequenzumtast-Empfänger
dargestellt, wobei die Steuerung eine Symbolübertragungskanal-Definitionseinrichtung
zum Definieren von mindestens zwei Symbolübertragungskanälen, wobei
jeder Symbolübertragungskanal
durch einen Teilsatz von Frequenzbändern, die aus einem Satz von
Frequenzbändern
ausgewählt
werden, gebildet ist, eine Zuteilungseinrichtung zum Zuteilen, innerhalb
eines Zeitrahmens, jedes Frequenzbands eines Symbolübertragungskanals
zu einem Symbolwert des Satzes von Symbolwerten in einer Eins-zu-eins-Beziehung,
derart, dass sich die definierten Symbolübertragungskanäle innerhalb
eines Zeitrahmens bei mindestens einem ausgewählten Frequenzband und/oder
bei einer Zuteilung eines Frequenzbands zu einem Symbolwert voneinander
unterscheiden, und eine Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben eines Steuersignals
zu einem Oszillator aufweist, wodurch das Steuersignal angepasst
wird, um die Oszillatorfrequenz auf die Mittenfrequenz des Frequenzbands,
das zum Modulieren eines jeweiligen Symbolübertragungskanals verwendet
ist, einzustellen, wodurch die Zuteilungseinrichtung zum Wechseln
der Zuteilung der Frequenzbänder
zu den Symbolwerten für
jeden Zeitrahmen vorgesehen ist.
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Die
Zuteilungseinrichtung ist hiermit angepasst, um die Reihenfolge
der Frequenzbänder
von Rahmen zu Rahmen auf eine solche Weise zu wechseln, dass ein
fester Frequenzversatz zwischen dem Frequenzband eines Symbolübertragungskanals
in einem aktuellen Zeitrahmen und dem entsprechenden Frequenzband, das
in dem entsprechenden Symbolübertragungskanal
des vorhergehenden Zeitrahmens verwendet ist, erreicht wird. Die
Symbolübertragungskanal-Definitionseinrichtung
weist ferner eine Teilkanal-Definitionseinrichtung zum Definieren
von mindestens zwei Teilkanälen
mit unterschiedlichen Phasenwinkeln für jedes Frequenzband auf.
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Das
beschriebene Verfahren und die beschriebene Umsetzungssteuerung
ermöglichen
eine neue Form eines Frequenzumtastens mit einer verbesserten Frequenzdiversität und einer
verbesserten Störungsdiversität.
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Insbesondere
wenn die vorliegende Erfindung bei einem Ultrabreitband-Kommunikationssystem
implementiert ist, wird die Modulation eines definierten Symbolübertragungskanals
mit einem einzelnen Symbolwert durch Aufwärtsumsetzen eines geformten
Basisbandpulssignals zu dem Frequenzband des jeweiligen Symbolübertragungskanals,
der dem jeweiligen einzelnen Symbolwert zugeteilt ist, wirksam bewirkt.
Die Bandbreite des geformten Basisbandpulssignals entspricht hiermit
vorzugsweise der Bandbreite, die für das Frequenzband, zu dem
dieses aufwärts
umgesetzt wird, definiert ist.
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Um
die Verwendung von Basisbandsignalen einer konstanten Bandbreite
zu ermöglichen,
sind die Bandbreiten von zwei Frequenzbändern des Satzes von Frequenzbändern vorzugsweise
festgelegt, um im Wesentlichen identisch zu sein. Wenn die Betonung
auf einem Erhalten konstanter Autokorrelationseigenschaften für alle Frequenzbänder liegt,
dann werden die fraktionierten Bandbreiten von zwei Frequenzbändern des
Satzes von Frequenzbändern
wirksam im Wesentlichen identisch gehalten.
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In
der folgenden Beschreibung ist die vorliegende Erfindung hinsichtlich
spezieller Ausführungsbeispiele
und in Beziehung zu den beigefügten
Zeichnungen detaillierter erklärt,
in denen
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1 ein
Blockdiagramm eines typischen kohärenten Empfängers zum Frequenzumtasten
zeigt,
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2 ein
Blockdiagramm eines nicht kohärenten
Empfängers
zum Frequenzumtasten zeigt,
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3 ein
Blockdiagramm eines Mehrband-Ultrabreitband- (engl.: Ultra Wide
Band; UWB) Senders zeigt,
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4 Pulse
eines UWB-Systems mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen zeigt,
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5 eine
Pulsübertragungsreihenfolge
gemäß dem Stand
der Technik zeigt,
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6 ein
Beispiel einer Symbolübertragungskanaldefinition
für einen
Satz von sieben Frequenzbändern
gemäß dem Stand
der Technik zeigt, und
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7 ein
Beispiel einer Symbolübertragungskanaldefinition
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, wobei Teilkanäle
für jedes
Frequenzband des Satzes von Frequenzbändern definiert sind.
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Bei
Mehrband-Modulationssystemen sind mehr als eine Trägerfrequenz
zum Aufprägen
einer digitalen Nachricht auf einen Signalträger verwendet. Ein Beispiel
für ein
Frequenzzuteilungsschema des Stands der Technik, das bei einer binären Frequenzumtast-Modulation
(engl.: Binary Frequency Shift keying modulation; BFSK) mit zwei
Trägerfrequenzen
F1 und F2 verwendet ist, ist in folgender Tabelle 1 angegeben. Es
wird hiermit angenommen, dass eine digitale Nachricht in Rahmen
organisiert ist, wobei jeder Rahmen eine definierte Zahl von Symbolen
mit einer Symbolperiode Ts enthält.
| Symbolwert ↓ | Rahmen 1 | Rahmen 2 |
| „0" | F1 | F1 | F1 | F1 | F1 | F1 | F1 | F1 |
| „1" | F2 | F2 | F2 | F2 | F2 | F2 | F2 | F2 |
| Zeit → | Ts | 2
Ts | 3
Ts | 4
Ts | 5
Ts | 6
Ts | 7
Ts | 8
Ts |
Tabelle
1: Zuteilungsschema für
eine herkömmliche
binäre
FSK-Modulation
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Der
Stand der Technik ändert
die Zuweisung eines Symbolwerts zu einem besonderen Frequenzband von
einer Symbolperiode zu der nächsten.
Dies wird durch Definieren eines Satzes von n-Tupeln erreicht, wobei
jedes n-Tupel eine Zahl von n unterschiedlichen Frequenzbändern auf
eine eindeutige Weise auf die n zulässigen Symbolwerte bezieht.
Die unterschiedlichen n-Tupel des Satzes werden dann nacheinander
zum Modulieren der Symbole einer digitalen Nachricht verwendet.
Die Zahl von n-Tupeln in dem Satz entspricht vorzugsweise der Rahmengröße, d. h.
der Zahl von Symbolen, die in einem Rahmen enthalten sind. Nach
einem Modulieren einer digitalen Nachricht wird die Verwendung des
definierten Satzes von n-Tupeln dann für jeden Rahmen wiederholt,
so dass die Frequenzbänder
praktisch in eine gestaffelte Anordnung gebracht werden. Auf eine
jeweilige Frequenzumtast-Modulation
wird daher als frequenzgestaffeltes Frequenzumtasten (engl.: Frequency
Staggered Frequency Shift Keying; FS-FSK) Bezug genommen.
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Der
Satz von Frequenzbändern
in jedem n-Tupel stellt einen Teilsatz des Satzes von Frequenzbändern, die
insgesamt für
eine Modulation einer digitalen Nachricht verfügbar sind, dar. Auf ein n-Tupel,
das aus einem Teilsatz von Frequenzbändern und der Zuteilung dieser
Frequenzbänder
zu einem einzelnen Symbolwert zusammengesetzt ist, wird im Folgenden
als ein Symbolübertragungskanal
Bezug genommen.
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Ein
Beispiel für
ein Frequenzzuteilungsschema eines FS-FSK gemäß dem Stand der Technik ist
in einer Tabelle 2 angegeben. Das Schema verwendet ein 2-äres FSK,
wodurch „M" = 2 die Zahl von
Frequenzbändern
eines Symbolübertragungskanals
und nicht die Gesamtzahl von Frequenzbändern, die für die Modulation
verwendet sind, spezifiziert. Die Rahmengröße „N" bei dem Beispiel gleicht 4 Symbolen,
und die Gesamtzahl von Frequenzbändern „C", die für eine Modulation
verwendet sind, beläuft
sich auf 8, so dass die Bedingung C = M·N befolgt wird. Jede Symbolperiode
hat eine Dauer von Ts Sekunden, und die acht unterschiedlichen Frequenzbänder sind
mit F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7 und F8 bezeichnet.
| Symbolwert ↓ | Rahmen 1 | Rahmen 2 |
| „0" | F1 | F3 | F5 | F7 | F1 | F3 | F5 | F7 |
| „1" | F2 | F4 | F6 | F8 | F2 | F4 | F6 | F8 |
| Zeit → | Ts | 2
Ts | 3
Ts | 4
Ts | 5
Ts | 6
Ts | 7
Ts | 8
Ts |
Tabelle
2: Erstes Zuteilungsschemabeispiel einer herkömmlichen 2-ären FS-FSK-Modulation
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Gemäß dem in
der Tabelle 2 dargestellten Zuteilungsschema wird, wenn der erste
Symbolwert bei der Symbolperiode Ts in dem ersten Datenrahmen „Rahmen
1" „0" ist, das Frequenzband
F1 aktiviert, d. h., ein Signal ist lediglich auf diesem Frequenzband
und lediglich für
jene Zeitperiode vorhanden. Bei dem anderen Fall, bei dem der Symbolwert „1" ist, wird das Frequenzband
F2 aktiviert. In der zweiten Symbolperiode 2 Ts wird F3 für einen
Symbolwert von „0" und F4 dementsprechend
für eine „1" aktiviert. In einer
Symbolperiode 3 Ts sind die jeweiligen aktivierten Frequenzbänder F5
oder F6 und in der nächsten
folgenden Symbolperiode F7 oder F8. Das erklärte Zuteilungsschema wird für den nächsten und
die weiteren folgenden Datenrahmen wiederholt.
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Obwohl
die Bedingung C = M·N
bei dem gezeigten Beispiel erfüllt
ist, kann ein FS-FSK ähnlich mit
C < M·N sowie
C > M·N implementiert
sein. Ein Beispiel für
C < M·N ist
in einer Tabelle 3 gezeigt. Da die Zahl C von vier Frequenzbändern bei
diesem Beispiel kleiner als das Produkt der verfügbaren M = 2 Symbolwerte und der
Rahmengröße von N
= 4 Symbolen ist, werden die vier Frequenzbänder zweimal innerhalb eines
Rahmens verwendet. Die Zuteilung der Frequenzbänder zu einem bestimmten Symbolwert
ist hiermit nicht fest, sondern ändert
sich mit der Verwendung eines Frequenzbands in einem unterschiedlichen
Symbolübertragungskanal, d.
h. vor allem mit der Reihenfolge, in der dieses zum Modulieren der
Symbole in einem Rahmen verwendet wird. Bei dem in der Tabelle 3
dargestellten Beispiel ist ein Frequenzband F1 beispielsweise verwendet,
um einen „0"-Symbolwert für ein erstes Symbol
in einem Rahmen darzustellen und einen „1"-Symbolwert für ein letztes Symbol in einem
Rahmen darzustellen.
| Symbolwert ↓ | Rahmen 1 | Rahmen 2 |
| „0" | F1 | F2 | F3 | F4 | F1 | F2 | F3 | F4 |
| „1" | F4 | F3 | F2 | F1 | F4 | F3 | F2 | F1 |
| Zeit → | Ts | 2
Ts | 3
Ts | 4
Ts | 5
Ts | 6
Ts | 7
Ts | 8
Ts |
Tabelle
3: Zweites Zuteilungsschemabeispiel einer herkömmlichen 2-ären FS-FSK-Modulation
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Ein
Beispiel für
eine 4-äre
FS-FSK-Modulation auf der Basis einer Rahmengröße von drei Symbolen ist in
einer Tabelle 4 angegeben. Zwölf
Frequenzbänder
F1 bis F12 werden insgesamt für
eine Modulation verwendet. Die Symbolperiode jedes Symbols ist wieder
auf t = Ts festgelegt, und die Auswahl von Frequenzbändern wird
für jeden
Rahmen in der gleichen Reihenfolge wiederholt.
| Symbolwert ↓ | Rahmen 1 | Rahmen 2 |
| „00" | F1 | F5 | F9 | F1 | F5 | F9 |
| „01" | F2 | F6 | F10 | F2 | F6 | F10 |
| „10" | F3 | F7 | F11 | F3 | F7 | F11 |
| „11" | F4 | F8 | F12 | F4 | F8 | F12 |
| Zeit ↓ | Ts | 2
Ts | 3
Ts | 5
Ts | 6
Ts | 7
Ts |
Tabelle
4: Zuteilungsschemabeispiel für
eine herkömmliche
4-äre FS-FSK-Modulation
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird anstatt eines Verwendens einer festen Reihenfolge
von Frequenzbändern
für jeden
Rahmen die Reihenfolge von Frequenzbändern von Rahmen zu Rahmen
geändert. Dies
wird beispielsweise durch Wechseln der Reihenfolge von Frequenzbändern von
Rahmen zu Rahmen durchgeführt,
vorzugsweise derart, dass ein fester Frequenzversatz für ein Frequenzband
eines Symbolübertragungskanals
in einem aktuellen Rahmen zu dem entsprechenden Frequenzband, das
in dem entsprechenden Symbolübertragungskanal des
vorhergehenden Rahmens verwendet wird, erreicht wird. Andere Abbildungsschemas,
d. h. Schemas, die die Zuweisung von Frequenzkanälen zu Symbolwerten für die verschiedenen
Symbolübertragungskanäle von Rahmen
zu Rahmen umändern,
können
jedoch stattdessen verwendet sein. Die verwendeten Abbildungsschemas
sind hiermit vorzugsweise abgestimmt, um eine minimale Benachbarter-Kanal-Störung und/oder
ein minimales Übersprechen
zwischen unterschiedlichen Kommunikationssystemen, die den gleichen
oder einen Teil des gleichen Signalübertragungskanals, wie er durch
die Summe der eingesetzten Frequenzbänder definiert ist, verwenden,
zu erreichen. Eine jeweilige FS-FSK-Modulation kombiniert die Vorteile eines
Frequenzumtastens mit jenen eines Frequenzspringens, und durch weiteres
Modifizieren des Satzes von Symbolübertragungskanälen von
Rahmen zu Rahmen wird der Abstand zwischen den Frequenzbändern bei
jedem Satz von Symbolübertragungskanälen von
einer Symbolperiode zu der nächsten modifiziert.
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Es
sei bemerkt, dass die vorgeschlagene frequenzgestaffelte FSK-Modulation
in einer Kombination mit einer Form eines herkömmlichen Frequenzumtast-Verfahrens,
wie z. B. eines kontinuierlichen FSK (engl.: Continuous FSK), eines
FSK von Sunde, eines orthogonalen FSK und dergleichen, verwendet
sein kann. Die Gesamtbandbreite, die für eine digitale Nachricht erforderlich
ist, ist hiermit proportional zu der Zahl C von Frequenzbändern und
hängt ferner
von dem Abstand der einzelnen verwendeten Frequenzbänder ab.
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Eine
FS-FSK-Modulation wird vorzugsweise bei Ultrabreitband-(UWB)Kommunikationssystemen
verwendet.
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UWB-Systeme
sind Systeme, die äußerst große Bandbreiten
verwenden. In der Vergangenheit wurden solche Systeme lediglich
bei militärischen
Anwendungen verwendet. Die Federal Communications Commission (FCC)
in den USA erlaubte jedoch 2002 die Verwendung des 3,1–10,6-GHz-Bands
für kommerzielle Ultrabreitbandanwendungen.
Die FCC definierte ferner, dass ein Ultrabreitbandsignal eine Bandbreite
von mindestens 500 MHz belegen oder eine größere fraktionierte Bandbreite
als 0,25 haben muss. UWB-Kommunikationssysteme bieten eine sehr
hohe Datenrate von mehr als 110 Mbit/s über eine kurze Reichweite von etwa
bis zu 10 m für
drahtlose Breitbandanwendungen, die einen drahtlosen Multimediastrom
oder eine drahtlose Videoverbindung umfassen. Um solche große Bandbreiten
von bis zu 7,5 GHz zu erzeugen, existieren verschiedene Verfahren,
die einen kurzen Puls, eine Chirp-Modulation, ein Frequenzspringen
und dergleichen umfassen.
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Typische
pulserzeugte Ultrabreitbandsysteme übertragen einen kurzen Puls,
auf den eine Lücke
ohne eine Übertragung
folgt, bis der nächste
Puls gesendet wird. Die Rate, mit der die Pulse, die die folgende
Zeitlücke
zwischen Pulsen umfassen, gesendet werden, ist als die Pulswiederholungsfrequenz
(engl.: pulse repetition frequency; PRF) bekannt. Wenn die Pulse
eines solchen UWB-Systems ein sehr breites Band (von 500 MHz bis
7,5 GHz) belegen, werden diese Systeme Einzelband-UWB-Systeme (engl.:
Single-Band UWB Systems) genannt. Wenn die Pulse mehrere kleinere
Bänder
von mehr als 500 MHz belegen, werden diese Systeme Mehrband-(engl.:
Multi-Band)UWB-Systeme genannt.
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Das
Blockdiagramm von
3 zeigt ein Beispiel für einen
Mehrband-UWB-Sender. Ein Impulserzeuger liefert Impulse zu einem
pulsformenden Filter, das beispielsweise unter Verwendung eines
Tiefpassfilters oder eines Bandpassfilters implementiert ist. Das
Ausgangssignal des pulsformenden Filters ist ein pulsgeformtes Impulssignal.
Der Mischer setzt das pulsgeformte Impulssignal zu dem gewünschten
Frequenzband mit der jeweiligen Betriebsmittenfrequenz aufwärts um.
Die Bandbreite eines UWB-Signals
bei dem Ausgang des Mischers ist durch die Bandbreite des pulsformenden
Filters bestimmt. Die Mittenfrequenz sowie die augenblickliche Phase
des UWB-Signals
kann über
eine Oszillatorsteuerung gesteuert werden. Ein HF-Bandpassfilter
ist bei dem Ausgang des Mischers verwendet, um nicht gewünschte oder
Außerband-Frequenzen und/oder
-Mischerprodukte vor einer Übertragung über eine
Antenne abzuweisen. Eine detailliertere Beschreibung eines UWB-Senders
ist beispielsweise in der
US
6 026 125 angegeben.
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Die
einstellbare Mittenfrequenz des in
3 gezeigten
Oszillators ermöglicht
eine Implementierung eines UWB-Kommunikationssystems, das ein Frequenzspringen
einsetzt. Die exemplarische Impulsantwort des pulsformenden Filters
in
3 ist ähnlich
zu einem Gaußschen
Fenster. Ein Gaußsches
Fenster w(t) ist mathematisch als
definiert,
wobei t = 0 die Mitte des Pulsfensters und σ die Standardabweichung definiert.
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Um
ein Basisbandsignal vorzubereiten, zu einem besonderen Frequenzband
aufwärts
umgesetzt zu werden, wird das Basisbandsignal üblicherweise mit einer Sinuswelle
mit einer Frequenz, die einer Mittenfrequenz des jeweiligen Frequenzbands
entspricht, multipliziert. Bei einem Mehrband-UWB-Kommunikationssystem
wird die Sinuswelle mit einem Gaußschen Fenster gemäß der Gleichung
(1), das in einem Pulssignal auf dem entsprechenden Frequenzband
resultiert, multipliziert. Dieses Mischen ist durch die folgende
Gleichung
x(t) = s(t)·w(t) (2)mathematisch
beschrieben, wobei s(t) = sin(2πft)
und
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x(t)
bezeichnet das Signal bei dem Ausgang des Mischers, s(t) ist die
einstellbare Sinuswellen-Oszillatorfrequenz, und w(t) stellt das
Gaußsche
Fenster, wie dieses in der Gleichung (1) definiert ist, dar.
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Bei
einem Fall fester Bandbreiten ist die Standardabweichung σ eines Gaußschen Fensters
die gleiche für
alle Frequenzbänder.
In 4 sind drei aufwärts umgesetzte Pulse mit unterschiedlichen
Mittenfrequenzen fniedrig, fmittel und fhoch gezeigt. Diese Pulse
können
zwischen dem Mischer und dem Bandpassfilter von 3 beobachtet
werden. Da alle drei Pulse die gleiche Dauer haben, belegen all
diese die gleiche Bandbreite bei unterschiedlichen Frequenzen. Jene
Pulse mit einer gleichen Länge
sind bei einem System mit Teilbändern
einer festen Bandbreite verwendet.
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Frequenzbänder mit
einer unterschiedlichen Bandbreite, jedoch einer konstanten fraktionierten
Bandbreite können
alternativ verwendet sein. Eine fraktionierte Bandbreite eines Frequenzbands
ist durch die Bandbreite des Frequenzbands, das zu seiner Mittenfrequenz
normalisiert ist, definiert. Ein Konstant-Halten der fraktionierten
Bandbreite der Frequenzbänder
resultiert in einer höheren
Bandbreite für
Frequenzbänder
mit einer höheren
Mittenfrequenz, so dass sich die Autokorrelationseigenschaften eines
Signals, das über
ein Frequenzband übertragen
wird, nicht mit dem verwendeten Frequenzband ändern.
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Bei
einem typischen Mehrband-Kommunikationssystem des Stands der Technik
wird lediglich ein Puls auf einmal auf einem Frequenzband aufwärts umgesetzt,
was für
einen 7-Frequenzband-Übertragungskanal in 5 gezeigt
ist. Die Symbole einer digitalen Nachricht werden üblicherweise
auf eine bipolare Art und Weise moduliert, was bedeutet, dass ein
Symbolübertragungskanal
zwei unterschiedliche Frequenzbänder
enthält,
eines zum Modulieren des ersten, das andere zum Modulieren des zweiten
Symbolwerts, wie beispielsweise in 6 für eine 2-äre FS-FSK-Modulation basierend
auf einer Verwendung einer Gesamtheit von sieben Frequenzbändern gezeigt
ist.
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Gemäß dem Beispiel
von
6 und gemäß dem Stand
der Technik wird ein Frequenzband F1 des ersten Symbolübertragungskanals
für das
erste Symbol in dem ersten Rahmen, das den Symbolwert „1" trägt, und
ein Frequenzband F2 für
das Symbol mit einem Symbolwert von „0" aktiviert. Das Zuteilungsschema, das dem
Frequenzaktivierungsschema von
6 entspricht,
ist in einer Tabelle 5 zusammengefasst.
| Symbolwert ↓ | Rahmen 1 | Rahmen
2 |
| „0" | F2 | F6 | F3 | F7 | F4 | F1 | F5 | F2 | F6 | F3 | F7 | F4 | F1 | F5 |
| „1" | F7 | F4 | F1 | F5 | F2 | F6 | F3 | F7 | F4 | F1 | F5 | F2 | F6 | F3 |
| Symb.-übertr.-kanal → | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | Nr. 4 | Nr. 5 | Nr. 6 | Nr. 7 | Nr. 1 | Nr. 2 | Nr. 3 | Nr. 4 | Nr. 5 | Nr. 6 | Nr. 7 |
| Zeit → | 1 Ts | 2 Ts | 3 Ts | 4 Ts | 5 Ts | 6 Ts | 7 Ts | 1 Ts | 2 Ts | 3 Ts | 4 Ts | 5 Ts | 6 Ts | 7 Ts |
Tabelle 5: Zuteilungsschemabeispiel für eine herkömmliche
2-äre FS-FSK-Modulation
basierend auf einer Rahmengröße von sieben
Symbolen und sieben unterschiedlichen Frequenzbändern (M = 2, N = 7, C = 7)
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
ein Phasenumtasten (engl.: Phase Shift Keying; PSK) zum Befördern des
Informationsinhalts, d. h. der Aufeinanderfolge von Symbolwerten
einer digitalen Nachricht, vor. Ein 2-äres FS-FSK-Schema gemäß 6 mit
einer 2-PSK-Erweiterung ist in 7 gezeigt.
Bei dem gezeigten Beispiel unterscheiden sich die zwei Phaseneinstellungen
bzw. Phasenwinkel um π/2
Radianten, die einen In-Phase-Kanal und einen Quadraturkanal für jedes
Frequenzband definieren. Ein jeweiliges Modulationsschema wird π/2-FS-FSK
genannt.
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Der
In-Phase-Kanal und der Quadraturkanal einer Frequenz gemäß
7 haben
hiermit den gleichen Frequenzwert F1 bis F7 und unterscheiden sich
lediglich bei ihren Phasenwinkeln. Lediglich um einer Klarheit willen
sind dessen ungeachtet die In-Phase-Werte
und die Quadraturwerte einer Frequenz in
7 auf unterschiedlichen
Linien auf der fc-Skala gezeigt.
| Symbolwert ↓ | Rahmen 1 |
| „0" | F2
Q.-K. | F6
Q.-K. | F3
Q.-K. | F7
Q.-K. | F4
Q.-K. | F1
Q.-K. | F5
Q.-K. |
| „1" | F7
I.-K. | F4
I.-K. | F1
I.-K. | F5
I.-K. | F2
I.-K. | F6
I.-K. | F3
I.-K. |
| Symb.übertr.-kanal → | Nr.
1 | Nr.
2 | Nr.
3 | Nr.
4 | Nr.
5 | Nr.
6 | Nr.
7 |
| Zeit → | 1
Ts | 2
Ts | 3
Ts | 4
Ts | 5
Ts | 6
Ts | 7
Ts |
Tabelle
6: Zuteilungsschemabeispiel für
das π/2-FS-FSK
von Fig. 7
-
Bei
dem gezeigten Beispiel aktiviert ein Symbolwert von „1" immer einen In-Phase-Kanal und ein Symbolwert
von „0" immer einen Quadraturkanal
eines Frequenzbands. Das Abbilden der Symbolwerte in einem Rahmen
gemäß 7 ist
in dem Zuteilungsschema der Tabelle 6 zusammengefasst, wobei Q.-K.
jeweils für einen
Quadraturkanal und I.-K. für
einen In-Phase-Kanal steht.
-
Der
Frequenzabstand der Kanäle
wird daher verbessert, da jeder Kanal jedes Frequenzbands lediglich
einmal innerhalb eines Datenrahmens verwendet ist. Wie im Vorhergehenden
für eine
FS-FSK-Modulation ist das Zuteilungsschema von Rahmen zu Rahmen
modifiziert. Wenn die Modifikation auf eine deterministische Art
und Weise organisiert ist, sind die Definition der Symbolübertragungskanäle und ihre
Reihenfolge nacheinander bei der Empfängerseite bekannt, sobald der
Empfänger
mit dem Sender synchronisiert ist. Wenn die Modifikation des Symbolübertragungsschemas
auf eine nicht deterministische Weise stattfindet, beispielsweise
um auf ein Übersprechen
zwischen zwei zusammen angeordneten UWB-Kommunikationssystemen zu reagieren,
können
die neue Reihenfolge und/oder Definition der einzelnen Übertragungskanäle als ein
Teil der digitalen Nachricht selbst ausgetauscht werden.
-
Zum
Implementieren eines FS-FSK oder eines π/2-FS-FSK ist eine Umsetzungssteuerung
vorgeschlagen, die die Aufwärtsumsetzungsfrequenz
eines Aufwärtsumsetzungsoszillators
bei einem FSK-Sender und bei dem Fall eines π/2-FS-FSK ferner die Phase des Oszillators
steuert. Auf der Empfängerseite
steuert die Umsetzungssteuerung die Mischfrequenzen und die Mischphasen
der Oszillatoren, die zum Abwärtsumsetzen
des Basisbandsignals verwendet werden. Bei einem Fall eines nicht
kohärenten
Empfängers
schaltet die Umsetzungssteuerung die Bandpasscharakteristika gemäß dem Symbolübertragungskanal,
der für
eine aktuelle Symbolübertragung
verwendet wird.
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Die
Umsetzungssteuerung weist eine Symbolübertragungskanal-Definitionseinrichtung
auf, durch die die Symbolübertragungskanäle, die
mit den Symbolwerten der digitalen Nachricht moduliert werden sollen,
definiert werden. Jeder Symbolübertragungskanal
ist durch einen Teilsatz von Frequenzbändern, die aus dem Gesamtsatz
verfügbarer
Frequenzbänder
ausgewählt
werden, gebildet. Die Symbolübertragungskanal- Definitionseinrichtung
definiert mindestens zwei unterschiedliche Symbolübertragungskanäle.
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Die
Umsetzungssteuerung weist ferner eine Zuteilungseinrichtung, die
die Zuteilung jedes Frequenzbands in einem Symbolübertragungskanal
zu einem Symbolwert des Satzes von Symbolwerten in einer Eins-zu-eins-Beziehung
definiert, auf. Die Zuteilung wird gemäß einem Zuteilungsschema, das
sicherstellt, dass sich die definierten Symbolübertragungskanäle bei mindestens
einem ausgewählten
Frequenzband und/oder bei einer Zuteilung eines Frequenzbands zu
einem Symbolwert voneinander unterscheiden, bewirkt.
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Zum
Bewirken einer FS-FSK-Modulation oder -Demodulation weist die Umsetzungssteuerung
ferner eine Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben eines Steuersignals
zu einem Oszillator auf, wodurch das Steuersignal angepasst wird,
um die Oszillatorfrequenz auf die Mittenfrequenz des Frequenzbands,
das zum Modulieren eines jeweiligen Symbolübertragungskanals verwendet
wird, einzustellen.
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Bei
einem Fall des FS-FSK, das mit einem Phasenumtasten kombiniert ist,
wie für
eine π/2-FS-FSK-Modulation/Demodulation,
wie im Vorhergehenden erklärt
ist, ist die Symbolübertragungskanal-Definitionseinrichtung
ferner mit einer Teilkanal-Definitionseinrichtung
ausgerüstet,
die zwei oder mehr Teilkanäle
auf jedem Frequenzband definiert, derart, dass die Phasenwinkel,
die für
die Teilkanäle
definiert sind, unterschiedlich sind. Lediglich zwei Teilkanäle werden
vorzugsweise für
ein binäres
digitales Signal definiert, wobei der Phasenwinkel π/2 entspricht,
und die Teilkanäle
werden für
jedes Frequenzband unabhängig
von seiner jeweiligen Verwendung in unterschiedlichen Symbolübertragungskanälen definiert.
Das Ausgangssignal wird dann demgemäß mit einer Phasensteuerung
ausgerüstet,
um nicht nur die Frequenz eines Oszillators, sondern auch seine
Phase hinsichtlich des Teilkanals, der zum Modulieren oder Demodulieren
eines Symbolwerts verwendet wird, zu steuern.
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Das
vorgeschlagene FS-FSK und sein erweitertes Ausführungsbeispiel, das π/2-FS-FSK, sehen ein einfaches
Modulationsschema, das bei UWB-Kommunikationssystemen
ohne weiteres implementiert wird, vor. Lediglich die Frequenz- und/oder
die Phasensteuerung für
den Oszillator ist erforderlich, um das Zuteilungsschema gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zu steuern. Während ein FS-FSK-Empfänger als
ein kohärenter
und ein nicht kohärenter
Empfänger
implementiert sein kann, ist ein kohärenter Empfänger für ein π/2-FS-FSK-Modulationssystem erforderlich. Die
Hauptvorteile beider Modulationsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
sind die erhöhte
Frequenzdiversität
und die erhöhte
Störungsdiversität, die mit
dem eingeführten
Frequenzspringen erreicht wird. Die Störungsanfälligkeit von zellularen und
Mehrnetzoperationen kann daher wesentlich reduziert werden.
