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Hintergrund der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf robuste Verfahren der Mehrfachnutzung von Frequenzen und
der Frequenzbandmitbenutzung, die verhindern, daß unabhängige Funksysteme sich wegen
des Zusammendrängens
von Frequenzen in den verfügbaren
Funkbändern
gegenseitig stören.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Frequenzsprungverfahren,
welches zu niedrigen Kosten eine Lösung für viele Anwendungsfälle, sei
es im Stoßbetrieb,
sei es mit kontinuierlicher Datenübermittlung bieten kann. Dazu
gehören
Sicherheitssysteme, Feuermeldesysteme, Zugangskontrolle, Energieverwaltung,
Fernsteuerung von Modellflugzeugen, Fernsteuerung von Prozessen,
Verkehrsampelsteuerung, Fernablesung von Leistungsmessern, Sprachkommunikation,
Funkortung und lokale Datennetze.
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Beschreibung der einschlägigen Technik.
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Die Anwendung der Spreizspektrumübertragung
sowie von Bandspreiztechniken für
die verschiedensten geschäftlichen
und privaten Anwendungsfälle
hat in den vergangenen Jahren zugenommen. Durch das Anwenden derartiger
Techniken, um gegenseitige Störung
auf ein Minimum einzuschränken
und Vorteile des Fremdstörschutzes
für Nachrichtenübermittlungen
mit Vielfachzugriff zu erlangen, sowie auch als Hilfsmittel bei
der extrem genauen Positionsortung mit Hilfe von Satelliten in synchronen und
asynchronen Umlaufbahnen ist von Spreizspektrumtechniken bekannt,
daß sie
den Vorteil einer besseren Sendezuverlässigkeit in Umfeldern mit Selektivschwund
und Mehrwegübertragungen
bieten.
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Im US-Patent 4 799 062, Sanderford,
Jr. et al. wird gelehrt, daß die
Mehrwegübertragung
in städtischen
Gebieten ein Problem für
die exakte Positionsortung darstellt. Das kann durch Anwenden eines Verfahrens
der Synchronisierung von Übertragungen und
einmaliger Identifizierungscodes zum Ableiten relativer Funknavigationszeiten
zur Positionsermittlung überwunden
werden. Spreizspektrumtechniken können in den Ausgleich für Mehrwegübertragung eingeschlossen
sein.
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Das US-Patent 4 977 577, Arthur et
al., sieht ein drahtloses Alarmsystem vor, welches mit Spreizspektrumsendern
und schneller Frequenzumtastung arbeitet, um eine grobe Verriegelung
und eine feine Verriegelung mit dem Spreizspektrumsignal zu erzielen.
Durch die Verwendung von Spreizspektrumtechniken sind solche drahtlosen
Alarmsysteme höchst zuverlässig und
bieten eine Sicherheitsmarge gegen vorsätzliche sowie auch unerwünschte,
aber nicht beabsichtigte Störungen.
Weitere Anwendungen von Spreizspektrumtechniken auf kommerzielle
Fälle versprechen ähnliche
Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit
von Nachrichtenübermittlungen.
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Verfahren zur seriellen Suche und
Erfassung benutzter Spreizspektrumfrequenzen sind allgemein bekannt,
wie von M. K. Simon et al. in "Spread
Spectrum Communications",
Band 3, Seite 208–279, Rockville,
Maryland, Computer Science Press, 1985 gezeigt. Ferner werden in
der genannten Veröffentlichung
von M. K. Simon et al. auf den Seiten 346–407 Spreizspektrum-Vielfachzugrifftechniken
gelehrt, beispielsweise die Verwendung von ALOHA-Direktzugriffsplänen.
US 4 872 182 nutzt die Übertragung identifizierender
Symbole in Sondennachrichten, um die Datenübertragung nach dem Erkennen
dieser Symbole durch einen Empfänger
zu ermöglichen.
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Aufgaben der
Erfindung
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Eine allgemeine Aufgabe der Erfindung
ist es, einen im Vergleich zu anderen Spreizspektrummitteln besseren
Widerstand gegen vorsätzliche
Störungen
zu erreichen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, die Koexistenz mehrerer Systeme ohne unerwünschte gegenseitige
Störung
zu erlauben.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, die Auswirkungen von Datenkollisionen auf ein Minimum einzuschränken, wenn
ein System zahlreiche nichtsynchronisierte ALOHA-Protokollsender
stützt.
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Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung
ist der Betrieb innerhalb des von der FCC erlaubten Funkbandes mit
minimalen Kosten und minimalen Bauelementen zur Frequenzeinstellung.
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Noch eine Aufgabe der Erfindung ist
die Bereitstellung von Techniken, die für ein hohes Maß an monolithischer
Schaltkreisintegration geeignet sind.
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Zusammenfassung der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie sie hier verkörpert
und in großen
Zügen beschrieben
ist, wird ein Frequenzsprungverfahren geschaffen, welches zu niedrigen
Kosten eine Lösung
für viele
Anwendungsfälle
von Übertragungen
im Stoßbetrieb und
kontinuierliche Datenübermittlungen
bietet, einschließlich
Sicherheitssystemen, Feuermeldesystemen, Zugangskontrolle, Energieverwaltung,
Fernsteuerung von Modellflugzeugen, Fernsteuerung von Prozessen,
Verkehrsampelsteuerung, Fernablesung von Leistungsmessern, Sprachkommunikation, Funkortung
oder lokale Datennetze.
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Bei Verwendung für die Fernüberwachung ist es üblich, daß ein Frequenzsprungfunksystem
einen oder mehr zentral angeordnete, Daten sammelnde Empfänger mit
einem oder mehr abgesetzten Sendern umfaßt. Bei Anwendungsfällen zum
Steuern können
ein oder mehr zentral angeordnete Sender mit einer Vielzahl von
abgesetzten Empfängern
kommunizieren. Ferner kann das System für die Zweiwege-Abrufkommunikation
ausgelegt sein, bei der jeder Datenknoten sowohl einen Empfänger als
auch einen Sender erfordert.
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Das Verfahren der Bereitstellung
von Frequenzagilität
umfaßt
die Benutzung eines Frequenzsprungsenders und eines Frequenzsprunkfunksystems
zum Senden eines Nachrichtendatensignals durch Wahl einer einzigen
Pseudozufallsfrequenz, auf der gesendet werden soll, indem ein Präambelsignal
auf einer einzigen Trägerfrequenz
zum Modulieren von Nachrichtendaten erzeugt wird, indem das Präambelsignal
während
einer im voraus gesetzten Präambelzeit
gesendet wird, um einem geeigneten Frequenzsprungempfänger das
Einrasten des Präambelsignals
zu erlauben, und indem das Präambelsignal
mit dem Nachrichtendatensignal moduliert wird, um ein moduliertes
Signal hervorzubringen. Das Nachrichtendatensignal wird im vorliegenden Text
als ein Signal mit Nachrichtendaten definiert.
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Zusätzlich gehört zu dem Verfahren für die Bereitstellung
der Frequenzagilität
die Verwendung eines Frequenzsprungempfängers in dem Frequenzsprungfunksystem,
um in einem Funkspektrum besetzte Funkfrequenzkanäle zu vermeiden,
indem das Funkspektrum abgetastet wird, besetzte Abschnitte des
Funkspektrums identifiziert werden, die besetzten Abschnitte identifizierende
Information aktualisiert wird, die aktualisierte Information in
Speichereinrichtungen gespeichert wird, den gespeicherten, besetzten
Abschnitten eine Auszeitdauer zugeordnet wird, und die besetzten
Abschnitte des Funkspektrums währen
1 der Auszeitdauer in Abhängigkeit
von der Information und während
des Empfangens mit dem Frequenzsprungempfänger übersprungen werden, so daß nur ein
einziger Zeitzähler
für sämtliche Funkbänder erforderlich
ist.
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Zusätzliche Ziele und Vorteile
der Erfindung sind teilweise in der folgenden Beschreibung angegeben
und werden teilweise anhand der Beschreibung offensichtlich, oder
sie können
durch das Ausführen
der Erfindung in Erfahrung gebracht werden. Die Ziele und Vorteile
der Erfindung können
auch mittels der insbesondere in den beigefügten Ansprüchen hervorgehobenen Mittel
und Kombinationen verwirklicht und erreicht werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
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Die beigefügten Zeichnungen, die in d
e Beschreibung eingearbeitet sind und einen Teil derselben bilden,
veranschaulichen bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung
der Grundsätze
der Erfindung.
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1A–1C zeigt eine Konfiguration für ein Frequenzsprungsende/Empfangssystem;
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2 ist
ein Blockschaltbild eines Frequenzsprungsenders;
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3 ist
ein Blockschaltbild eines Frequenzsprungempfängers; und
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4A–4C zeigt das Frequenzwobbeln über das
verfügbare
Spektrum mittels eines Empfängers zum
Identifizieren von Geräusch,
Störungen
oder Daten.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend wird im einzelnen auf
die vorliegenden, bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
Bezug genommen, für
die Beispiele in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht sind, in denen gleiche Bezugszeichen
in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen.
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In der in 1 gezeigten exemplarischen Anordnung
ist der Frequenzsprungsender so gestaltet, daß er ein volles Nachrichtendatensignal
auf einer einzigen Trägerfrequenz
sendet, wobei die Trägerfrequenz
pseudozufällig
ausgewählt
ist. Um für den
Fall einer vorsätzlichen
Störung
der ausgewählten
Frequenz einen Verlust an Datendurchsatz zu vermeiden, wählt der
Frequenzsprungsender nach einer Verzögerung um ein pseudozufälliges Zeitintervall
eine neue Pseudozufallsfrequenz als nächste Frequenz, die eine große Trennung
von der vorhergehenden Frequenz hat, und sendet dann erneut das gesamte
Nachrichtendatensignal auf dieser Frequenz. Da die Anzahl redundanter,
erneuter Übertragungen
und ein im voraus ausgewähltes
durchschnittliches Zeitintervall zwischen erneuten Übertragungen
programmierbar ist, ist eine Optimierung auf eine bestimmte Installation
möglich.
Angenommen die Anzahl erforderlicher Übertragungen zur Überwindung
sonstiger Quellen von Datenverlusten, beispielsweise ALOHA-Kollisionen,
Bitfehlerrate, Impulsgeräusch
usw. sei 5, dann würde
es eine Verdopplung der redundanten Übertragungen auf 10 möglich machen,
den Betrieb des Systems fortzusetzen, wenn bis zu 1/2 des verfügbaren Funkbandes vorsätzlich gestört wäre.
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Das ist ein extremes Beispiel; aber
bei diesem Beispiel ist der Zeitaufwand 2 : 1 zu berücksichtigen
im Vergleich zum Bandbreitenaufwand 10 : 1 oder 200 : 1, der für herkömmliche
Spreizspektrumtechniken erforderlich ist, die das gesamte verfügbare Funkspektrum
gleichzeitig nutzen. Die vorliegende Erfindung ist bei gleichwertiger
Entstörungsleistung viel
effizienter im Hinblick auf die Frequenz. Außerdem kann die zum erneuten Übertragen
selbst mit 100 %iger Redundanz erforderliche, zusätzliche
Zeit durch Verdoppeln der Datenrate überwunden werden, was lediglich
eine Einbuße
von 3 dB an Empfängerempfindlichkeit
verursacht.
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Der kompensatorische Vorteil für Störbeseitigung
und Frequenzmehrfachnutzung ist groß. Es seien zum Beispiel zwei
benachbarte, aber unabhängige
Frequenzsprungfunksysteme betrachtet, ein erstes System A und ein
zweites System B, die jeweils einen einzigen frequenzagilen Empfänger und
mehrere Sender haben. In einem PN-Modulationsystem mit Spekfrumsspreizung
(Direct-Sequence-Spread-Spectrum
System) oder einem schnellen Frequenzspringer wird jedes Bit eines Nachrichtendatensignals
auf jeder verfügbaren
Frequenz dargestellt. Wenn beispielsweise ein Sender des ersten
Systems A AN und so eingestellt wäre, daß er 63 Frequenzen benutzt,
werden die vom zweiten System B empfangenen Datennachrichtensignale
der verfügbaren
Vielfachzugriffunterdrückung
unterworfen, die 18 dB oder weniger beträgt. Das Frequenzsprungfunksystem
der vorliegenden Erfindung reagiert auf andere Weise. Wenn ein Sender
des ersten Systems A AN und zur Verwendung von 63 Sprungkanälen eingestellt
wäre, hat
ein vom zweiten System B empfangenes Datennachrichtensignal, welches
für den/die
eigenen Sender des zweiten Systems B bestimmt ist, nur eine zeitliche
Chance von 1 zu 63 gestört
zu werden. Da der Empfänger
tatsächlich
nur jeweils eine einzige Frequenz auf einmal besetzt, wird mit einer
sehr kleinen Erhöhung
der Neu übertragung
des Datennachrichtensignals die Ausfallrate von 1 zu 63 aufgrund
von Kollisionen aus dem ersten System A überwunden.
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Ein zusätzliches Verfahren wird angewandt, um
den Widerstand gegen vorsätzliches
Stören
großer
Bandbreite und selektiven Funkkanalschwund zu verstärken. Eine
Sprungliste oder ein Sprungalgorithmus ist so ausgelegt, daß er eine
Mindestsprungstrecke von 500 kHz oder mehr pro Frequenzschritt bietet,
so daß bei
einer Kohärenzbandbreite
des Funkkanals von 2 MHz mit einigen Schritten der Schwund überwunden
wird.
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Jeder Datenübertragung geht ein vorherbestimmtes
Trägerpräambelsignal
mit einer im voraus eingestellten Präambelperiode voraus, welche
die vom Empfänger
für das
Durchwobbeln des gesamten verfügbaren
Funkspektrums erforderliche Zeit bereitstellt, damit das Präambelsignal
für das
System nutzbar und verriegelbar wird. Ein solches Durchwobbeln kann
je nach den Systemparametern von einer bis zu drei Millisekunden
dauern. Zusätzlich
kann das Präambelsignal
mit einem Wiederholungsdatencode, der "PREAMBLE SYSTEM CODE" genannt wird, moduliert werden, welcher
kenntlich macht, daß der Sender
zu einem bestimmten System gehört.
Damit kann, wenn ein zugehöriger
Empfänger
eine Energiequelle einrastet, während
der Empfänger
wobbelt, der PREAMBLE SYSTEM CODE rasch vom Empfänger demoduliert werden, um
zu ermitteln, ob die Energiequelle oder das Datenpaket für diesen
Empfänger
bestimmt waren. Wenn nicht, kann der Empfänger mit dem Durchwobbeln seines
verfügbaren
Spektrums fortfahren, um nach gültigen,
ankommenden Nachrichten zu suchen. Ziel ist es, die Verweilzeit
für jeden
beliebigen Posten, sei es Impulsgeräusch, Störsenderbeitrag oder Datenpakete,
die für
einen nicht zugehörigen
Systemempfänger
bestimmt sind, auf ein Minimum einzuschränken.
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Vor dem Betrieb des Systems führt der
Frequenzsprungempfänger
ein Durchwobbeln des verfügbaren
Funkspektrums für
den Systembetrieb durch. Der Empfänger stellt alle Kanäle mit höherem als
den erwarteten, empfangenen Energiepegeln fest. Diese Information
kann entweder durch die Signalstärke
oder einen Schalldämpfungsdetektor
oder einen Phasenregelkreis "Rasterfassung" oder dergleichen
geliefert werden. Jeder nutzbare Frequenzkanal ist seiner eigenen
einmaligen Position in einem Speicherbaustein zugeordnet. Der Zustand
dieses Kanals ist gleichfalls dem Speicherplatz zugeordnet. Zu der
Statusinformation gehört:
1.) ob der Kanal "frei" oder "gestört" ist und 2.) wie
viele Zeitzählungen vor
einem erneuten Abtasten ablaufen müssen, um zu ermitteln, ob dieser
Kanal "frei" geworden ist. Die Anzeige "gestört/frei" kann auch mit einem
zusätzlichen,
zugeordneten Zähler
ausgestattet werden, so daß mehr
als ein Auftreten einer Kanalstörung
nötig ist,
um das Kennzeichen GESTÖRT
zu setzen. Dieses Merkmal macht das System robuster gegenüber Impulsgeräusch. Außerdem betrachtet
der Empfänger
einen PREAMBLE SYSTEM CODE eines nicht zugehörigen Systems nicht als STÖREND. Ein
solcher gelegentlicher Empfang ist zu erwarten und wird rasch außer Acht
gelassen, ehe Nachrichten-"Daten" demoduliert werden.
In das Präambelsignal
ist ausreichend zusätzliche
Zeit eingebaut, damit mehrere Kollisionen mit nicht zugehörigen PREAMBLE
SYSTEM CODES auftreten können
und ein Datennachrichtensignal erfolgreich dekodiert werden kann.
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Beim anfänglichen Einrichten bestimmt
der Empfänger
die zu meidenden Frequenzen, und im Speicher des Empfängers wird
eine Informationen über
derartige Frequenzen enthaltende Tabelle gespeichert. Die Tabelle
wird dann auf elektrischem Wege an weitere zugehörige Sender oder Sender/Empfänger übertragen.
Der Empfänger
kann ermitteln, welche PREAMBLE SYSTEM CODES unbenutzt und während des
Hochfahrens und der Initialisierung verfügbar sind. Der Empfänger kann
die Information über
nicht benutzte und verfügbare PREAMBLE
SYSTEM CODES auch an andere Systemsender als eine Liste von Frequenzen übermitteln,
auf denen zu senden ist. Diese Informationsübermittlung kann magnetisch,
elektrisch, optisch, akustisch oder über eine Anzeige erfolgen und
durch ein mit dem Sender verbundenes Tastenfeld eingegeben werden.
Sobald die Liste geladen ist, sendet der Sender nicht auf den als "gestört" markierten Frequenzen
und benutzt nur den zugeteilten PREAMBLE SYSTEM CODE.
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Der PREAMBLE SYSTEM CODE kann auf beliebige
geeignete Weise datenmoduliert werden, einschließlich Modulation durch Frequenzumtastung (FSK),
Binärphasenumtastung
(BPSK) oder Amplitudenumtastung (ASK). Allerdings ist ASK-Modulation weniger
wünschenswert,
weil hierfür
Zeit ohne volle Trägerpräsenz aufgewandt
werden muß.
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Für
ein getrenntes Verfahren zum Verwirklichen der Koexistenz mit benachbarten
Systemen ist es nötig,
daß sowohl
der Frequenzsprungsender als auch der Frequenzsprungempfänger äußerst frequenzstabil
ist. Diese Stabilität
muß größer sein
als die Summe der Sender- und Empfänger-Frequenzunsicherheit, Frequenzdrift
und Datenbandbreite. Beispielsweise kann der Frequenzsprungsender
auf einer beliebigen von 50 Frequenzen senden, die je um 500 kHz
voneinander getrennt sind. Wenn die erforderliche Datenbandbreite
25 kHz wäre,
könnten 10–20 getrennte
Kanäle
in jeden 500 kHz Sprungschlitz passen. Folglich könnten 10–20 gemeinsam angeordnete
Systeme gemeinsam existieren ohne gegenseitige Störung, und
TDMA wäre
nicht nötig. Um
eine Frequenzstabilisierung zu erreichen, würden der Frequenzsprungsender
und der Frequenzsprungempfänger
lediglich ihren normalen Sprung um eine vorherbestimmte Anzahl von
25 kHz Schlitzen versetzen. Jedes System könnte ermitteln, welcher Schlitz
unbenutzt ist und dann jeden unbenutzten Schlitz allen zugeordneten
Systemelementen zuteilen. Dieses Verfahren des Sendens auf irgendeiner
von 50 Frequenzen funktioniert allerdings nicht, wenn die Genauigkeit
oder Drift der Trägerfrequenz größer wäre als +13,5
kHz. Bei 915 MHz gleicht die Drift 15 ppm. Fehlt es an dieser Genauigkeit,
können benachbarte
Kanäle
Störungen
verursachen. Der Versatz der Trägerfrequenz
jedes Frequenzsprungsenders mindestens um die erforderliche Datenbandbreite
plus Ausgleich für
Frequenzungenauigkeiten erlaubt also die Koexistenz von Vielfachsystemen, die
diese Technik nutzen.
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Frühere Versuche im Stand der
Technik, spannungsgesteuerte Oszillatorbauteile (VCO) mit analogen
und digitalen Teiler- und Phasenvergleichsschaltungen zu integrieren
haben keinen Erfolg gehabt, da das von der digitalen Teilerschaltung
erzeugte Phasenrauschen in den VCO und die Phasenvergleichsschaltung
induziert wurde; aber letztendlich vermindert das Phasenrauschen
die Empfindlichkeit des Empfängers.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
läuft der
digitale Teiler eine kurze Zeit lang vor dem Senden. Dann wird das
dividierte Signal benutzt, um für
den VCO einen konstanten Frequenzfehlerversatzterm zu erzeugen.
Danach wird der digitale Teiler deaktiviert, nachdem der Frequenzfehlerversatz
gemessen wurde, so daß der
VCO mit offener Schleife funktionieren kann, ohne dem Phasenrauschen
der Teileroberwellen ausgesetzt zu sein. Der Empfänger ist
in der Lage, jegliche kurzfristige Frequenzdrift während des
Sendens zu kompensieren.
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1A zeigt
einen Frequenzsprungempfänger 101,
der benutzt werden kann, um Übertragungen
von einer Vielzahl von Frequenzsprungsendern 103 anzunehmen.
Die Frequenzsprungsender sind nicht synchronisiert und müssen sich
auf eine ALOHA-artige Kommunikationsredundanz verlassen, um den
Datenempfang sicherzustellen. Wahlweise können zusätzliche Frequenzsprungempfänger 102 eingeschlossen
werden, um das Abdecken des Systems zu erweitern oder räumliche
Diversität hinzuzufügen, damit
der Schwund geringer wird.
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1B zeigt
einen Frequenzsprungsender 104, der Nachrichtendatensignale
oder Befehlssignale an eine Vielzahl von Frequenzsprungempfängern 105 sendet.
Jeder Frequenzsprungempfänger ist
mit einer einmaligen Adresse ausgestattet, mittels der er Befehle
und Daten empfangen kann, die für diese
Einheit bestimmt sind. Wiederum ist eine Senderdatenredundanz erforderlich,
um Zuverlässigkeit zu
garantieren.
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1C zeigt
ein System, mit dem ein Frequenzsprung-Sender/Empfänger 106
an einen einzigen abgesetzten Sender/Empfänger oder mittels einer Vielzahl
abgesetzter Sender/Empfänger 107 angeschlossen
werden kann. In einem solchen System ist jedes Systemelement einer
einmaligen Adresse oder Identifizierungsnummer zugeordnet.
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In einem solchen System kann eine
beliebige Anzahl geeigneter doppeltgerichteter Kommunikationsprotokolle,
einschließlich
Aufruf-Antwort, Reservierungsaufforderung, Spontanmeldung usw. benutzt werden.
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Wie in 2 veranschaulicht,
wird zum Erzeugen des gesamten Senderzeitablaufs eine Prozessoreinrichtung
benutzt, die in Form eines Mikroprozessors oder einer kundenspezifischen,
digitalen integrierten Schaltung ausgeführt sein kann. Um eine Übertragung
zu initiieren, wählt
der Mikroprozessor 201 zunächst die zu verwendende Pseudozufallsfrequenz,
entweder durch Nachschlagen in einer Tabelle oder mittels eines
Algorithmus. Sobald die Wahl getroffen ist, wählt der Mikroprozessor 201 die
geeignete Digital/Analog-Sprungeinstellung und gibt die Sprungeinstellung
an den Digital/Analog-203. Der Digital/Analog-Umsetzer 203 seinerseits
setzt auf den Spannungseingang 218 des Spannungssteueroszillators
(VCO) 207 einen neuen Spannungspegel. Der VCO 207 wird
dann vom Mikroprozessor 201 aktiviert 213. Damit
beginnt der VCO 207 auf der durch die Spannungssteuereingabe
und das Frequenzeinstellresonanzelement 208 gewählten Frequenz
zu schwingen. Das Frequenzeinstellelement kann ein beliebiges, geeignetes
Resonanz- oder Phasenverzögerungsbauteil(e)
sein. Der Qualitätsfaktor
Q und die Temperaturstabilität
des Resonanzelements müssen
so groß sein,
daß eine
Drift außerhalb
genehmigter FCC-Bänder
verhindert wird. Die maximale Drift und Frequenzunbestimmtheit muß ermittelt werden.
Dann muß ein "Schutzband" für mehr als
die maximale Unbestimmtheit zu beiden Seiten der beabsichtigten
Sendebandbreite vorgesehen werden, damit Ungenauigkeiten in den
Frequenzeinstellelementen nicht dazu führen, daß in nicht erlaubten Frequenzbändern gesendet
wird.
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Wenn das Frequenzeinstellelement 208 nicht
stabil genug wäre,
um diese FCC-Anforderungen mit einem zumutbar kleinen "Schutzband" zu erfüllen, kann
wahlweise ein Teiler 209 benutzt werden, um die Trägerfrequenz
auf Raten zu vermindern, die digital eingegeben und vom Mikroprozessor 201 gezählt werden
können,
um die Frequenz des VCO-Betriebs zu ermitteln. Dann kann der Mikroprozessor 201 einen
Frequenzfehlerversatzterm an den Digital/Analog-Umsetzer 203 generieren,
um eine Offset-Spannung zu erzeugen. Ein Spannungseingang des VCO 207 empfängt die
Offset-Spannung, so daß der
VCO 207 dann durch die Offset-Spannung so justiert wird,
daß er
innerhalb eines erforderlichen Toleranzbereiches liegt. Dieses Verfahren
hat den Vorteil, daß es
nicht in geschlossener Schleife ablaufen, noch äußerst exakt sein muß, denn
das Verfahren muß nur
die "Schutzband"-Anforderungen erreichen, damit
Ungenauigkeiten in den Frequenzeinstellelementen keine Sendungen
in unerlaubten Frequenzbändern
verursachen. Wenn ferner der VCO 207 während der kurzen Nachricht
driftet, kann der Empfänger
nachfolgen und die Drift ausgleichen, nachdem der Empfänger anfänglich ein
Einrasten in einen Sender erreicht.
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Sobald er auf Frequenz liegt, aktiviert
der Mikroprozessor 201 anschließende oder endgültige Hochfrequenzverstärker, verkörpert als
Hochfrequenz-Ausgang (RF) 212, wodurch wiederum ein Signal
auf der Antenne 213 erzeugt wird. Danach moduliert der
Mikroprozessor 201 die Trägerfrequenz mit dem PREAMBLE
SYSTEM CODE, der ein 5-Bit Wiederholungscode sein kann, welcher
einen Teil des einmaligen größeren Systemcodes
des Senders enthält.
Die Modulation der Daten kann FSK mittels eines Widerstandes R2 206 oder
BPSK 210 oder ASK 212 oder irgendeine andere geeignete
Modulationsart sein.
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Die übermittelte Präambel 214 ist
lang genug, damit der Empfänger
a) das gesamte verfügbare
Funkband absuchen kann, b) den Senderträger einrasten kann und c) den
PREAMBLE SYSTEM CODE 217 validieren kann. Ferner ist Präambelzeit vorgesehen,
so daß nicht
zugehörige
PREAMBLE SYSTEM CODES oder Impulsgeräusch analysiert und verworfen
werden können,
wobei genug Zeit reserviert ist, um und beabsichtigten PREAMBLE
SYSTEM CODE zu erkennen. Sobald die Präambel vollständig ist,
sendet der Sender sein Nachrichtendatensignal 215 über eine
der obigen Datenmodulationseinrichtungen. Auf das Nachrichtendatensignal folgt
dann ein CRC 216 (zyklische Blockprüfung) Fehlerkorrektur/Erfassungscode,
um durch das Erfassen und Korrigieren von an den Nachrichtendaten hängenden
Fehlerbits die Datenintegrität
sicherzustellen.
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Wenn das Einstellen der Frequenz
ein sehr stabiler Vorgang wäre,
können
die vier niedrigstwertigen Bits des Digital/Analog-Umsetzers 204 zur
Kanalauswahl benutzt werden, womit es eine Systemkoexistenz auf
einer nicht störenden
Basis gäbe.
Diese benachbarten Kanäle
kann man sich als die letzten drei oder vier signifikanten Bits
der Digital/Analog-Eingabe in den VCO 207 vorstellen. Die
höchstwertigen
Bits werden von einem Pseudozufalls-"Sprungfrequenz"-Generator gesteuert. Die niedrigstwertigen
Bits bleiben fest und verursachen einen permanenten, aber kleinen
Frequenzversatz im VCO 207. Für den Fall, daß sowohl
der Empfänger
als auch der Sender den gleichen Versatz benutzen, können die
beiden miteinander kommunizieren. Ein System mit unterschiedlichem
Versatz wird durch die Frequenzselektivität des Empfängers unterdrückt und
ignoriert.
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Diese Sprungtechnik kann ohne weiteres
hybrid gestaltet werden, indem der Träger des VCO 207 mit
weiteren pseudozufälligen
Methoden (Direct-Sequenz Methoden) zusätzlich moduliert wird.
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Unter Hinweis auf 3 wird ein 915 MHz modulierter Träger in einen
Antennenanschluß 300 eingeführt, dann
gefiltert und verstärkt
von einem Bereich 302. Wenn eine räumliche Diversität gewünscht wird,
kann wahlweise ein Bereich 301 hinzugefügt und mittels allgemein bekannter
Einrichtungen gesteuert werden, damit es seltener zu Selektivschwund
kommt.
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Eine Mischstufe 303 empfängt ein
lokales Oszillatorsignal, welches von einem spannungsgesteuerten
Oszillator VCO 304 erzeugt wird. Die Frequenz des VCO 304 wird
mittels eines Frequenzeinstellelements 305 und mittels
der am Spannungssteuereingang VIN 315 im voraus gesetzten
Spannung eingestellt. Die Spannung am Spannungssteuereingang VIN 316 wird
von einem Digital/Analog-Umsetzer 309 oder einer sonstigen
geeigneten linearen Einrichtung generiert, die eine steuerbare Sägezahnspannung
erzeugen kann.
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Wenn das Frequenzeinstellelement 305 eine schlechte
absolute Genauigkeit oder Zeit oder Temperaturdrift hat, kann wahlweise
ein Teiler 308 zur Korrektur des Frequenzfehlers benutzt
werden. Das herabdividierte Ergebnis wird mit dem Kristall 315 des
Mikroprozessor 314 verglichen, der dann eine Frequenzfehlerversatzspannung über die
Digital/Analog-Schaltung 309 erzeugt.
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Die herabkonvertierte Ausgabe der
Mischstufe 303 kann entweder sofort demoduliert oder zuerst
durch einen wahlweise vorgesehenen zweiten Konvertierungszustand 306 geleitet
werden.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
das Signal vor der Datendemodulation zunächst mittels eines Festfrequenz-
und Bandbreitenfilters 307 in der Bandbreite begrenzt.
Dann wird das Signal mittels des Datendemodulators dekodiert. Die
Demodulatoreinrichtung 316 oder 310 muß zu der
vom Sender angewandten Datenmodulation passen.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
eine Phasenregelschleife PLL 310 zum Erfassen FSK-modulierter
Daten benutzt. Das verfügbare Frequenzspektrum
wird anfänglich
durchgewobbelt und mittels einer von einer Breit/Schmal-Bandbreitenwahl 311 ausgewählten, breiteren
Zwischenfrequenzbandbreite der PLL-Schleife überwacht, so daß die gesamte
verfügbare
Bandbreite schneller durchgewobbelt werden kann. Der Energiedetektor, Trägerverriegelungsdetekt,
Schalldämpfungsdetektor
oder gleichwertige Einrichtungen müssen eine sehr rasche Ansprechzeit
haben, die der Impulsansprechzeit des Filters 307 überlegen
sein sollte, das heißt
bei diesem Beispiel 1/110 kHz = 9 Mikrosekunden.
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Sobald der Träger anfangs ermittelt wurde, kann
durch 311 eine schmalere Bandbreite ausgewählt werden,
die für
die nötige
Datenbandbreite besser repräsentativ
ist, welche für
die gewählte
Datenrate erforderlich ist. Dieses Einengen der Bandbreite verbessert
das Träger/Rausch-Verhältnis. Dann
kann der Mikroprozessor 314 oder eine sonstige lineare Einrichtung
benutzt werden, um die Frequenzsteuerschleife zu schließen und
weitere Sender- oder Empfängerdriftkomponenten
zu verfolgen und auszugleichen.
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Sind die Driftkomponenten minimal
und die gesendete Nachricht kurz, ist eine Frequenzsteuerschleife
nicht erforderlich. Wenn, als Alternative, der PREAMBLE SYSTEM CODE
nicht paßt,
können Rauschen
und Störungen
in besetzten Abschnitten des Funkspektrums identifiziert und übersprungen werden,
während
der Sender sendet.
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Ist der Sender mit einer anderen
Spreizspektrumodulation hybridmoduliert, beispielsweise mittels der
PN Modulation, muß nach
dem Einrasten der Sprungfrequenz auch eine Pn Demodulation hinzugefügt werden.
Das wäre
eine Gelegenheit, in die Kombination eine einfache parallele Korrelationseinrichtung
zum Dekodieren von Daten einzufügen. Eine
derartige Kombination wäre
für Anwendungsfälle der
Flugzeit-Funkortung gut geeignet. Die Sprungsequenz würde für das Entstören und
der Parallelkorrelator für
das "Zeitstempeln" der eingehenden
Nachricht optimiert.
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4A–4C veranschaulicht den Frequenzwobbelvorgang
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Bei normalem Betrieb wobbelt der Empfänger das verfügbare Spektrum
durch, um Fälle
von Rauschen, Störungen
oder Daten zu identifizieren und die derartig identifizierten Abschnitte
des Spektrums in einer Liste gestörter Kanäle zu speichern. Wenn seit
der letzten Aktualisierung des Speichers mit der Liste gestörter Kanäle während einer
zugeordneten Auszeitdauer und nach einer Vielzahl erfolgloser Versuche, neue
Daten oder Störungen
zu erfassen, keine Daten und keine neuen Störungen entdeckt wurden, erscheint
der Eingang VIN 316 so, wie er in 4A dargestellt ist. Der VIN wobbelt linear 401,
bis der Mikroprozessor 314 anhand der im Speicher gespeicherten
Liste des Mikroprozessors eine zu überspringende Frequenz 402 ermittelt,
während
der Empfänger
empfängt.
Sobald der maximale Frequenzpunkt erreicht ist, kehrt der Eingang
VIN 315 die Richtung des Wobbelns um 403, um den
erforderlichen Impulsgang des VCO 304 auf ein Minimum einzuschränken.
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Wenn neues Impulsgeräusch oder
vorsätzliche
Störungen
erfaßt
wurden 404, verursachen solche Geräusche oder Störungen,
daß der
Algorithmus des CPU 314 zeitweise auf dieser Frequenz bleibt. Dann
versucht der Algorithmus einen 5-Bit PREAMBLE SYSTEM CODE zu dekodieren.
Wenn das nicht möglich
wäre, nimmt
das VIN 316 Wobbeln seinen normalen Weg wieder auf. Der
PREAMBLE SYSTEM CODE kann auch Grey-kodiert oder Manchester-kodiert
sein, so daß Impulsgeräusch rascher als
eine illegale Untersequenz erkannt werden könnte, ohne daß alle 5
Bits überwacht
werden müssen.
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Wenn der PREAMBLE SYSTEM CODE 217 paßt, bleibt
der VIN konstant 405 oder spurgleich mit einer driftenden
Eingabefrequenz 300, wenn eine Frequenzregelschleife (FLL)
verwendet wird, so daß eine
Frequenzdrift des Senders und Empfängers ausgeglichen wird. Der
Prozessor 314 versucht dann, eine Datennachricht 215 zu
dekodieren und CRC 216. Wenn das Dekodieren der Nachricht
zum Abschluß gebracht
ist, wird der normale Suchalgorithmus wieder aufgenommen und der
vorherige Weg des VIN 316 fortgesetzt.
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Für
den Fachmann liegt auf der Hand, daß an dem Frequenzsprung-Spreizspektrumsystem
der vorliegenden Erfindung verschiedene Abwandlungen vorgenommen
werden können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verfassen, und die vorliegende
Erfindung soll Abwandlungen und Variatio nen des Frequenzsprung-Spreizspektrumsystems
umfassen, sofern sie innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.