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HINTERGRUND UND KURZE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Orthogonal-Codevielfachzugriff
(OCDMA) wurde als eine wirkungsvolle Technik zum Verbessern der
Aufnahmefähigkeit,
d.h. Bandbreiten-Wirksamkeit, der herkömmlicheren quasi-orthogonalen CDMA
(QOCDMA) vorgeschlagen (US -Patent Nr. 5 375 140 und US-Patentanmeldung
Ser.-Nr. 08/257 324, angemeldet am 07. Juni 1994). QOCDMA wird häufig als
asynchrones CDMA bezeichnend, da die Chips (für Direkt-Sequenz-Pseudorauschen)
oder die Sprünge
(hops) (für
pseudo-zufälliges
Springen) in der Zeit nicht angeordnet sind. Als eine Folge der Nichtanordnung,
oder Asynchronizität,
ist es nicht möglich,
eine wirkliche Orthogonalität
zu erzielen und QOCDMA- Systeme leiden an Störungen von anderen Systembenutzern
oder daran, was gewöhnlich als
Zugangsrauschen bekannt ist. Als ein Ergebnis dieses Zugangsrauschens
können
QOCDMA- Systeme keine so hohe Kapazität erzielen, d.h. Anzahl von Kanälen in einem
vorgegebenen Maß an
Bandbreite wie es ein orthogonales System wie OCDMA kann.
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Wie
oben bemerkt erfordert OCDMA eine Anordnung auf Zeitbasis aller
Zugänge
und dies kann leicht bei sternförmig
aufgebauten Netzwerken gemacht werden, vorausgesetzt, daß die Teilnehmerendstellen,
d.h. entfernten Einheiten, sich nicht zu schnell bewegen noch zu
weit von der Basisstation, d.h. dem Zentrum des sternförmigen Netzwerkes, sind.
Zusätzlich
gibt es eine andere Ausbreitungsbedingung die erfüllt werden
muß und
die besondere Schwierigkeiten bereitet, wenn die Teilnehmerendstellen
Antennen verwenden, die keinen großen Teil an Peilwirkung haben.
In solchen Lagen kann es beträchtlich
Mehrweg geben und die verzögerten
Wegsignale werden Zugangsrauschen beitragen, da diese Signale nicht
orthogonal sein werden, da sie nicht zeitlich angeordnet sind. Wenn
jedoch die Mehrweg-Verzögerungs-Spreizung
im Vergleich zur Chipdauer der orthogonalen Codes klein ist, ist
der Beitrag der Mehrwegsignale vernachlässigbar. Durch Wählen einer
geeignet geringen Chiprate und Beschränken der Betätigung auf
Innenraum-Umgebung, wo die Verzögerungsspreizung
ziemlich klein ist, kann diese Bedingung sichergestellt werden.
Somit war die erste Anwendung von OCDMA die auf drahtlose PBX, wo
diese Bedingungen erfüllt
werden können.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, dies System auf solche
Umgebungen auszudehnen, wo es eine beträchtliche Verzögerungsspreizung
im Vergleich zur Dauer der orthogonalen Codechipdauer gibt.
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DAS PROBLEM
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Es
gibt tatsächlich
zwei Probleme. Ein Problem tritt bei der Benutzerendstelle und das
andere an der Basisstation auf. An der Benutzerendstelle könnte das
Problem durch die Verwendung eines Entzerrers gelöst werden,
der die Wirkung des Mehrweges entfernen oder erleichtern, und die
Orthogonalität
wieder herstellen würde.
Jedoch kann dieser Angang an der Basisstation nicht durchgeführt werden,
da jedes Signal einen unterschiedlichen Weg zur Basisstation durchquert
und folglich ein unterschiedliches Mehrweg-Profil hat. Somit ist
ein Entzerrer, der an dem zusammengesetzten Signal arbeitet, mit
der unlösbaren
Aufgabe, mehrere Wege gleichzeitig zu entzerren, konfrontiert. Somit
ist es wünschenswert,
eine Lösung
zu finden, die sowohl auf eingehende wie auf ausgehende Verbindungen
von der Basisstation angewandt werden kann.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu
schaffen, die sowohl auf eingehende wie auf ausgehende Verbindungen
von der Basisstation angewandt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das CDMA-System toleranter für Mehrwegverzögerungs-Spreizung
durch das Einführen
einer Pseudorauschen-Spreizung mit hoher Rate, wo es mehrfache,
d.h. 64 Pseudorauschen-Chips für
jeden Rademacher-Walsh-(RW)-Chip gibt, gemacht. Das allgemeine Konzept
ist es, die Pseudorauschen-Chiprate hoch genug anzusetzen, so daß auch der
Korrelator im Demodulator eine Verarbeitungs-Verstärkungs-Unterscheidung
gegen Mehrweg-Komponenten;
die mehr als einen kleinen Bruchteil eines RW-Chips verzögert sind,
liefern wird. Somit wird der Einfluß großer Verzögerungskomponenten durch die Pseudorauschen-Verarbeitungsverstärkung vermindert
werden. Kleine Verzögerungs-Mehrweg-Bestandteile
werden einen vernachlässigbaren
Einfluß auf
die Leistung haben (siehe D.T. Magill, F.D. Natali, und G.P. Edwards, „Spread-Spectrum
Technology for commercial Applications", Proceedings of the IEEE, April 1994,
S. 572-584.) Zum Beispiel, falls geschlossen wird, daß Mehrweg-Bestandteile,
die geringer sind als 5% einer RW-Chipdauer, einen vernachlässigbaren
Einfluß auf
die System-Orthogonalität
haben werden, dann ist die Verwendung von 20 Pseudorauschen-Chips
pro RW-Chip ausreichend, um eine wesentliche Leistungsverbesserung
zu verwirklichen.
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Somit
schafft die Verwendung eines Pseudorauschen-Codes mit höherer Rate
einen Schutz gegen Mehrweg-Fading aufgrund von Bestandteilen, die
mehr als nur einen Pseudorauschen-Chip verzögert sind. Wenn die Umgebung
derart ist, daß es
sicher ist, daß alle
Bestandteile um mindestens einen Chip verzögert sind, kann dann die Notwendigkeit
für Antennen-Diversity
vermieden werden.
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Wie
bisher dargestellt wurde der Pseudorauschen-Code mit hoher Rate
nur für
Mehrwegunterdrückung,
die auf Kosten eines wesentlich höheren Bandbreitenerfordernisses,
erlangt wird, was zu einer schlechten Systembandbreitenwirksamkeit
führt im
Vergleich zur OCDMA, eingeführt.
Es gibt zwei Angänge
um dieses Problem zu lösen.
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Der
erste Angang ist es, einfach QOCDMA zu benutzen um die Kapazität der besetzten
Bandbreite zu erhöhen.
Andere QO-Pseudorauschen-Codes mit hoher Rate würden Geräten von selbstorthogonalen
Benutzern zugeordnet. Der Nachteil dieses Systems ist es, daß sich von
diesen anderen Geräten von
Benutzern QO-Zugangsrauschen ergeben würde. In einer typischen Situation
wäre die
Mehrzahl aller Zugänge
nicht länger
orthogonal und die Leistung wäre
die eines QOCDMA. Während
dies das Fassungsvermögen über das,
das mit einem einzelnen Hochgeschwindigkeits-Pseudorauschen-Code
(und einer einzelnen Trägerfrequenz)
erreicht würde,
erhöhen
würde,
führt es
nicht zur besten erzielbaren Leistung. Nichtsdestoweniger ist es
in vielen Fällen ein
praktischer Angang um die Leistung eines bestehenden OCDMA-Systems
zu erhöhen,
das in einer Mehrweg-Umgebung arbeitet. Es sollte bemerkt werden,
daß das
sich ergebende System wenig, wenn überhaupt, Bandbreitenwirksamkeit
in Bezug auf das herkömmlichere
QOCDMA liefert.
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Der
zweite und bei weitem bevorzugte Angang verwendet Orthogonal-Frequenzteil-Mehrfachzugriff
um die Bandbreiten-Wirksamkeit zu erhöhen. Bei diesem Angang werden
neue Zugriffe durch Wiederholen der vorhandenen Signalstruktur (einschließlich des
gleichen Pseudorauschen-Codes) bei Trägerverschiebungen bei Mehrfachen
der RW-Chiprate eingeführt.
Während
sich die Spektren überlagern,
solange alle der Signale in einem kleinen Bruchteil einer RW-Chipdauer
zeitlich angeordnet werden, werden die Signale im wesentlichen orthogonal
sein. Darüber
hinaus wird die verzögerte
Komponente durch die Pseudorauschen-Verarbeitungsverstärkung für diejenigen
Mehrweg-Bestandteile, die mehr als einen Pseudorauschen-Chip mit
hoher Rate verzögert
sind, vermindert. Somit wird die Leistung, obwohl sie im Vergleich
mit einer tatsächlichen orthogonalen
Systemleistung etwas verschlechtert sein kann, der, die mit QOCDMA
erzielbar ist, überlegen
sein.
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Für den ersten
Angang ist der gesendete Signalsatz durch: Sik(t)=PNHR,k
(t)·PNLR,k·(t)·RWi(t)·[α(t)+jb(t)]·cos(ωot) gegeben,
wobei PNHR,k(t) der PN-Code mit hoher Rate
für den
k-ten Satz von Zugriffen ist, PNLR,k(t)
der PN-Code mit niedriger Rate für
den k-ten Satz von Zugriffen (notwendig um die Eigenschaften der
verschiedenen RW-Funktionen, die grundlegend verschieden sind, zufällig zu
verteilen und zu entzerren) ist, RWi(t)
die i-te RW-Funktion ist und [α(t)+jb(t)]
das komplexwertige datenmodulierte Basisbandsignal (typisch ein
QPSK-Signal, aber eine Modulation höherer Ordnung kann unter manchen
Umständen
erwünscht
sein) ist.
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Für den zweiten
Angang ist der gesendete Signalsatz durch: Sik(t)·PNHR(t)·PNLR(t)·RWi(t)·[α(t)+jb(t)]·cos(ωot+δω·k·t) gegeben, wobei
die Bezeichnungen im Allgemeinen die gleichen sind wie oben. Der
Index k wurde bei den zwei Pseudorauschen-Codes fallen gelassen,
da die gleichen Codes für
alle Zugriffe benutzt werden. Die zusätzlichen Sätze von Zugriffen werden durch Winkelfrequenzversetzung
um den Betrag δω·k unterstützt, was
2n-fachen ganzen Vielfachen der RW-Chip-Rate entspricht.
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Demodulatoren
für die
Basisstation unterscheiden sich dadurch, daß der Verzögerungs-Diskriminator-Ausgang
nicht benutzt wird, um die lokale Korrelator-Zeitbasis zu steuern.
Vielmehr wird der Verzögerungs-Diskriminator-Ausgang
an die Teilnehmerendstelle mittels einer Dienstleitung, wie in US-Patent
Nr. 5 375 140 beschrieben, gesendet.
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Gilhousen
et al., US-Patent Nr. 5 103 459 zeigt ein Orthogonal-Code-Vielfachzugriff-System (OCDMA).
Das drahtlose Fernsprechsystem hat eine Basisstation und eine Mehrzahl
von beweglichen Endausrüstungen.
Modulator- und Demodulator-Einrichtungen sind in der Basisstation
in jeder der beweglichen Hör/Sprecheinrichtungen
vorgesehen. Gilhousens Modulator schafft genau vier Pseudorauschen-Chips
für jeden
Walsh-Chip.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Orthogonal-Codevielfachzugriff-(OCDMA)-Funknachrichtenverbindungssystem
mit einer Basisstation und einer Mehrzahl von beweglichen Hör-/Sprecheinrichtungen;
besagte Basisstation und jede besagter Hör-/Sprecheinrichtungen weist
dabei empfangende Demodulator (15, 39)- und sendende Modulator (14, 33)-Einrichtungen
auf, wobei besagte empfangende Demodulator- und sendende Modulator-Einrichtungen
einen Codegenerator (2, 3, 4) aufweisen; wobei jede empfangende
Demodulatoreinrichtung hat:
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- – einen
Korrelator um ein Demodulator-Ausgangssignal zu liefern;
jede
sendende Modulatoreinrichtung hat:
- – Einrichtungen
um einen Satz orthogonaler Rademacher-Walsh-(RW)-Funktionen mit
einer Pseudorauschen-(PN)-Folge modulo 2 zu summieren um eine kodierte
Spreizfolge für
ein Informationssignal zu bilden, wobei jede orthogonale Funktion
besagten Satzes Daten in besagtem System trägt,
wobei besagtes System
dadurch gekennzeichnet ist, daß:
jede sendende Modulatoreinrichtung weiter aufweist:
- – Einrichtungen
zum Schaffen von Pseudorauschen-Chips im Bereich von 8 – 64 Pseudorauschen-Chips
pro jeden RW-Chip;
- – Einrichtungen
um die Pseudorauschen-Chiprate in besagtem Bereich so zu setzen,
daß ein
Korrelator, in den empfangenden Demodulatoreinrichtungen, eine Verarbeitungs-Verstärkungs-Unterscheidung
gegen Mehrweg-Signalbestandteile liefert, die um mehr als einen
kleinen Bruchteil einer RW-Chipdauer verzögert sind;
und das System
weiter aufweist Einrichtungen um einen Orthogonal-Frequenzteilungs-Vielfachzugriff
zu schaffen in dem das gesendete Signal durch: Sik(t)=PNHR(t)·PNLR(t)·RWi(t)·[α(t)+jb(t)]·cos(ωot+δω·k·t) gegeben ist,
wobei PNHR der PN-Code mit hoher Rate für einen
Satz von Zugriffen, PNLR der PN-Code mit
niedriger Rate für
einen Satz von Zugriffen, RWi(t) die i-te
RW-Funktion ist, |α(t)+jb(t)|
das komplexwertige basisband-datenmodulierte Signal ist und δω·k·t die
Menge der Winkel-Frequenzversetzung die 2π mal ganzen Vielfachen der RW-Chiprate
entspricht, ist.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und andere Gegenstände,
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlicher, wenn sie
mit der nachfolgenden Beschreibung, und den begleitenden Zeichnungen
betrachtet werden, in denen:
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1 ein Blockschaltbild eines
Orthogonal-Codevielfachzugriff-Digital-Zellular-Fernmeldesystems
mit Mehrwegunterdrückung,
das die Erfindung enthält,
ist,
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2 ein Blockschaltbild des
Modulators für den
ersten Hybrid-QO/OCDMA-Angang
ist und auf Korrelations-Demodulation basiert,
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3 ein Blockschaltbild des
Modulators für den
bevorzugten Orthogonal-Frequenzversetzungs-Angang ist, und auf Korrelations-Demodulation
basiert,
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4 ein Blockschaltbild des
Demodulators der Teilnehmerendstelle für den Hybrid-QO/OCDMA-Angang
ist, und
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5 ein Blockschaltbild des
Demodulators der Teilnehmerendstelle für den bevorzugten Orthogonal-Frequenzversetzungs-Angang
ist.
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INS EINZELNE
GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
den Zeichnungen werden die folgenden Bilderklärungen angewandt:
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- QASK Quadratur-Amplitude-Verschiebungsverschlüsselung
(QAVV) (Quadrature Amplitude Shift Keying)
- QPSK Quadri-Phasen Verschiebungsverschlüsselung (QPVV) (Quadri-phase
Shift Keying)
- VCO Spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage-controlled Oscillator)
- I&D Integrierte
und Zwischenspeicher-Schaltung (Integrated-and-Dump Circuit)
- LPF Tiefpassfilter (Low-pass Filter)
- Im {·}
Imaginärteil
von (Imaginary Part of)
- (·)*
Komplex Konjugiertes (Complex Conjugate)
- SGN(·)
Signum der reellen und imaginären
Teile
- (Sign of Real and Imaginary Parts)
- (·)2 Quadrier-Operation (Squaring Operation)
- π Komplexe
Multiplikation (Complex Multiply)
- Δ/2
Verzögerung
durch 1/2 Chip mit hoher Rate (Delay by 1/2 High Rate Chip)
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INS EINZELNE
GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 erläutert den Hardware-Aufbau für einen
Hardware-Satz des Systems, z.B. die grundlegende Systemanordnung
einer einzelnen Basisstation. Jeder Hardware-Satz besteht aus einer
Basisstation 10 und Hör-/Sprecheinrichtungen 11-1, 11-2,..., 11-N.
Das System bildet eine sternförmige
Netzwerkanordnung mit der Basisstation als dem Mittelpunkt des Sternes.
Die Basisstation 10 enthält ein Modem 12 für jede einzelne
Benutzer-Hör-/Sprecheinrichtung
in dem Arbeitssystem. Jedes Modem 12 enthält einen
Modulator 13 (2 oder 3) und einen Demodulator 14 (4 oder 5). Der Demodulator 14 empfängt Eingangssignale 16,
verarbeitet die Eingangssignale, wie hierin beschrieben, und gibt
die verarbeiteten Datensignale an den Aufwärts-Signalfrequenzwandler 17 (up-converter),
den Leistungsverstärker 18, den
Diplexer 19 und die Antenne 25 zum Senden an die
jeweiligen Teilnehmer- oder beweglichen Stationen 11-1, 11-2,...,11-N.
aus. Empfangene Signale auf der Antenne 25 werden durch den
Diplexer 19 zum passenden Teilnehmerkanal geleitet, durch
einen Verstärker
mit wenig Rauschen (LNA, (low noise amplifier)) 21 verstärkt, abwärts umgewandelt
im Abwärts-Signalfrequenzwandler 22, verarbeitet
durch den Demodulator 15, und am Ausgang 26 ausgegeben.
Die Datenendstellen 16 und 26 sind an das Fernmeldesystem
(TELCO) durch eine Schnittstelle (nicht gezeigt) angeschlossen.
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Jede
Teilnehmerstation 11 hat ein Antennensystem 30 (das
vom doppelt-kreuzpolarisierten Typ, der in den oben angegebenen
Anmeldungen gezeigt ist, sein kann), das durch Diplexer-Einrichtungen 31 an
den Sendekanal oder den Empfangskanal angeschlossen ist.
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Im
Sende-Modus werden Daten 32 zum Modulator 33 im
Teilnehmer-Modem 34 (das im Einzelnen in 2 oder 3 erläutert ist)
eingegeben, im Aufwärts-Signalfrequenzwandler 35 aufwärts konvertiert,
durch einen Leistungsverstärker 36 verstärkt und
durch Diplexer 31 an Antenne 30 zur Sendung an
die Basisstation 10 angeschlossen. Empfangene Signale werden
durch Empfänger-Diplexer 31 und
einen Verstärker
mit geringem Rauschen (LNA) 37 zum Abwärts-Signalfrequenzwandler 38 und
Demodulator 39 (4 oder 5) angeschlossen und an 40
zu einem Verwertungsgerät
angeschlossen (nicht gezeigt). Die anderen Teilnehmerstationen sind ähnlich aufgebaut.
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2 ist ein Blockschaltbild
des Modulators für
den ersten oder Hybrid-QO/OCDMA-Angang: Die eingegebenen seriellen
Daten werden in zwei parallele Datenströme umgewandelt, von denen jeder
den zusammengesetzten pseudo-zufälligen
Code modulo 2 addiert erhalten hat. Die sich ergebenden Ströme werden
dann an einen Modulator angelegt, um das gesendete Signal zu erzeugen.
Normalerweise wird QPSK-Modulation verwendet werden, aber eine Modulation
höherer
Ordnung kann durch QASK-Modulation unterstützt werden, wenn eine größere Bandbreiten-Wirksamkeit
erforderlich ist.
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Der
zusammengesetzte pseudo-zufällige Code
ist die Summe modulo 2 eines RW-Codes und der Summe modulo 2 eines
PN-Codes mit hoher Rate und eines mit niedriger Rate. Diese Codes
werden durch den Index gewählt,
wobei k eine ganze Zahl ist, die aus der Menge {1, 2,... K} gewählt ist.
Der Index i, der eine ganze Zahl, die aus der Menge {1, 2,... I}
gewählt
ist, ist, bestimmt den RW-Code und den orthogonalen Kanal. Somit
gibt es I*K Kanäle
in dem System. Aus praktischen Gründen ist I gewöhnlich entweder
16, 32 oder 64. K wird durch das Zugangsrauschen aus den anderen
Kanälen
begrenzt.
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Beachte,
daß alle
Kanäle
die gleiche Trägerfrequenz
benutzen. Der gezeigte Modulator ist derjenige, der an der Basisstation
angeordnet ist. An der Teilnehmer-Endstelle würde der Empfängeroszillator #1
durch einen spannungsgesteuerten Oszillator ersetzt, so daß die Zeitbasis
des Codes wie durch die Basisstation über die Dienstleitungen angeordnet
berichtigt werden kann.
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3 ist ein Blockschaltbild
des Modulators für
den bevorzugten Angang mit orthogonaler Frequenzversetzung. Es ist
der selbe wie 2 außer, daß der Index
k die orthogonalen Kanäle
durch einen Frequenz-Synthesizer statt durch Code-Wahl auswählt.
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Die
Demodulatoren für
beide Angänge
basieren auf Korrelations-Demodulation. Die Code-Synchronisation
wird durch die Verwendung einer nicht-kohärenten Verzögerungsschleife (delay-lock loop)
erzielt. Wie in den folgenden Blockschaltbildern gezeigt, wird kohärente Demodulation
durch die Verwendung einer entscheidungsgerichteten Phasenschleife
erzielt. Jedoch kann eine komplexere Blockphasenschätzungsvorrichtung
verwendet werden und wird eine überlegene
Leistung in schwindenden Kanälen
bieten.
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4 ist ein Blockschaltbild
des Demodulators der Teilnehmerendstelle für den Hybrid-QO/OCDMA-Angang.
Komplexe Schreibweise wird benutzt, um diese Schaltbilder zu vereinfachen. Z.B.
entspricht der I & D
bezeichnete Block zwei reellwertigen Integrier-und Speicherschaltungen
(intergrate-and-dump circuits).
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5 ist ein Blockschaltbild
des Demodulators der Teilnehmerendstelle für den bevorzugten orthogonalen
Frequenzversetzungs-Angang. Sie unterscheidet sich nur leicht von 3.
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Demodulatoren
für die
Basisstation unterscheiden sich nur darin, daß der Verzögerungsunterscheiderausgang
nicht verwendet wird, um die Zeitbasis des örtlichen Korrelators zu steuern.
Vielmehr wird der Verzögerungsunterscheider-Ausgang
an die Teilnehmerendstelle mittels einer Dienstleitung gesendet
wie in US-Patent Nr. 5 375 140 beschrieben.
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Wie
gezeigt benutzt das System Frequenzteilungs-Duplexen um Sende- und
empfangene Signale zu trennen. Wie in dem oben angegebenen Patent
gesagt, ist Zeitteilungs-Duplexing (TDD (Time-division duplexing))
häufig überlegen.
Um TDD zu unterstützen,
müßte der
Modulator einen Kompressions-Puffer und der Demodulator einen Expansions-Puffer
aufweisen, wie es typisch für
TDD-Systeme ist.
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Während bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben und erläutert
wurden, wird es verstanden werden, daß andere Ausführungsformen,
Anpassung und Abwandlungen der Erfindung dem Fachmann ersichtlich
sein werden.