DE69729350T2

DE69729350T2 - Spreizspektrumnachtrichtenübertragungssystem mit mitgesendeter Referenz

Info

Publication number: DE69729350T2
Application number: DE69729350T
Authority: DE
Inventors: John Anderson Fergus Schenectady Ross; John Erik Ballston Lake Hershey; Irfan Schenectady Ali; Stephen Michael Albany Hladik; Gary Jude Rexford Saulnier; Michael Paul Ballston Lake Weir
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2017-07-05
Also published as: CA2208338A1; CA2208338C; IL123807A; DE69729350D1; US5761238A; EP0817396A3; IL123807A0; EP0817396A2; EP0817396B1; JPH1098445A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Spreizspektrum-Kommunikationssysteme und insbesondere auf ein Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz, das einen Empfänger mit geringer Komplexität verwendet.
Spreizspektrum-Kommunikationen bieten mehrere Vorteile bei Kommunikationsanwendungen, die eine hohe Betriebssicherheit erfordern. Diese umfassen Energiespektren geringer Dichte und Interferenzunterdrückung. Im Falle von Interferenzunterdrückung kann die Interferenz zufällig sein, das heißt, einfach Teil der Umgebung des Kommunikationssystems. In einer speziellen Anwendung kann das Kommunikationssystem viele potentielle Reflektoren enthalten, die Anlass zu starker Mehrwege-Interferenz geben. Eine derartige Mehrwege-Interferenz bedeutet üblicherweise tiefe Nullen in der Form von frequenzselektivem Fading. Spreizspektrum-Kommunikation ist eine ideale Gegenmaßnahme für diese Schwierigkeit.
Es gibt mehrere Typen von Spreizspektrum-Kommunikationssystemen einschließlich Direktsequenz-Digitalsystemen, Frequenzsprungsystemen, Zeitsprungsystemen, Pulsfrequenz-modulierten (oder Zwitscher)-Systemen und verschiedene Hybride. Von diesen sind die Direktsequenz-Digitalsysteme und Frequenzsprungsysteme vielleicht die breiter implementierten. In einem Direktsequenz-Digitalsystem wird ein pseudo-zufälliger Codegenerator verwendet, um die Phase eines Trägers zu modulieren. In einem Frequenzsprungsystem wird ein kohärenter lokaler Oszillator dazu gebracht, von der einen Frequenz zur anderen zu springen.
Direktsequenz-Spreizspektrummodulation beinhaltet ein breitbandiges Signal, das durch ein schmalbandiges Nachrichtensignal moduliert wird. Eine übliche Implementierung besteht darin, ein breitbandiges Signal durch Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Schieberegisters mit n-Stufen mit Modulo-Zwei Rückführung gemäß einem einfachen Polynom zu generieren. Die Hochgeschwindigkeits-Digitalsequenz wird dann durch einen abgeglichenen Modulator geliefert, dessen anderes Eingangssignal ein schmalbandiger Träger ist. Das in den abgeglichenen Modulator eingegebene Breitbandsignal wird häufig als ein "breitbandiger Träger" bezeichnet.
Spreizspektrum-Kommunikationen sind häufig asymmetrisch bezüglich Kosten und Komplexität. Beispielsweise kann die Erzeugung von geeigneten Spreizspektrumsignalen mit einer Schaltungsanordnung von relativ niedriger Komplexität gemacht werden. Die Herausforderung besteht dann darin, diese Signale zu demodulieren. Gewöhnlich ist es notwendig, einen Demodulator zu konstruieren, der ein breitbandiges Signal generieren oder auf andere Weise bearbeiten kann, um die schmalbandige Nachricht zurückzugewinnen. Eine Synchronisation ist häufig der schwierigste und kostspieligste Aspekt von einem Spreizspektrum-Kommunikationssystem.
Um den Empfänger in einem Spreizspektrum-Kommunikationssystem zu vereinfachen, ist es bekannt, eine Referenz zu senden, die zur Anfangs-Synchronisation und Nachführung verwendet werden kann; das heißt, die Referenz wird generiert und mit dem beabsichtigten Informationssignal gesendet. Da die lokale Referenz an dem Sender generiert wird, braucht der Empfänger keine Codesequenz oder anderen lokalen Referenzgenerator zu haben.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Spreizspektrum-Kommunikationssystem, das eine mitgesendete Referenz verwendet, um den Empfänger zu vereinfachen. Eine Beschreibung von diesem und anderen Typen von Spreizspektrum-Kommunikationssystemen kann beispielsweise in Spread Spectrum Systems, dritte Auflage, von Robert C. Dixon, John Wiley & Sons (1994), und Spread Spectrum Communications, Band II von M. K. Simon u. a., Computer Science Press (1985), gefunden werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein einfaches und billiges Verfahren und eine Einrichtung zum Herbeiführen von Spreizspektrum-Kommunikationen bereitzustellen.
Gemäß der Erfindung gibt es mehrere Verfahren zum Generieren eines geeigneten Breitbandträgers, ein Verfahren zum Verknüpfen des Breitbandträgers mit dem schmalbandigen, modulierten Breitbandträger und eine Anzahl von Implementierungen von einem einfachen, billigen Empfänger für das gesendete Referenzsystem.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen:
1 ein hochgradiges Blockdiagramm ist, das das verallgemeinerte Konzept von einem Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz zeigt;
2 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel von zwei Basisstationen und mehreren Benutzern zeigt und das eine Strategie implementiert, die es mehreren Benutzern gestattet, einen gemeinsamen Kanal zu teilen, und
3 ein Blockdiagramm ist, das das Demodulationsprinzip mit mitgesendeter Referenz gemäß der Erfindung darstellt.
1 ist ein verallgemeinertes Blockdiagramm von einem Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz. Ein breitbandiges Streusignal aus dem Generator 11 wird einem abgeglichenen Modulator 12 zugeführt, dessen anderes Eingangssignal das schmalbandige Nachrichtensignal ist. Das Ausgangssignal des abgeglichenen Modulators 12, d. h. ein breitbandiges Streunachrichtensignal, wird mit dem breitbandigen Streusignal aus dem Generator 11 in einem Signalkombinierer 13 verknüpft, um das gesendete Signal zu generieren.
Um ein derartiges Signal ohne Verwendung einer gesendeten Referenz zu demodulieren, könnte man das breitbandige Streusignal generieren, es mit dem breitbandigen Streusignal des Senders synchronisieren (in geeigneter Weise verzögert, um der Ausbreitungsverzögerung Rechnung zu tragen), das empfangene breitbandige Signal mischen und das schmalbandige Nachrichtensignal aus dem gemischten Signal herausfiltern. Eine derartige Lösung kann komplexe Synchronisationsschaltungen und Algorithmen erfordern.
Wenn jedoch das breitbandige Streusignal ebenfalls gesendet wird, kann der Empfänger es auf einfache Weise benutzen, um das Mischen auszuführen, und ist nicht mit seiner Erzeugung befasst. Ein Aspekt der Erfindung besteht deshalb darin, Wege bereitzustellen, in denen dieses Streusignal am besten zusammen mit dem breitbandigen modulierten Signal gesendet werden könnte. Genauer gesagt, die Erfindung stellt eine Anzahl von Verfahren bereit zum Erzeugen eines geeigneten breitbandigen Trägers, ein Verfahren zum Verknüpfen des breitbandigen Trägers mit dem schmalbandig-modulierten Breitbandträger und eine Anzahl von Implementierungen von einem einfachen, billigen Empfänger für das Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz.
Der Breitbandträger kann auf einem von einer Anzahl von Wegen generiert werden. Diese umfassen die folgenden:

• ein Maximallängen-Schieberegister und einen abgeglichenen, mit einem Ton verknüpfenden Modulator,
• die Verwendung von Geometrischer Harmonie-Modulation (GHM), wobei der breitbandige Träger einfach das Produkt eines harmonisch in Beziehung stehenden Satzes von Tönen ist,
• die Verwendung von einer wahrhaft zufälligen (d. h. nicht-deterministischen) breitbandigen Rauschquelle und
• die Verwendung von speziell konstruierten Sequenzen, um für optimale Autokorrelationseigenschaften für die Empfängerfunktion zu sorgen.

Wo der Breitbandträger aus einem Signal generiert wird, das aus einer deterministischen Endzustands-Sequenzmaschine extrahiert wird, wird eine zufällige Folge von Zuständen an dem Rückführungsanschluss von einem Maximallängen-Rückführungs-Schieberegister oder einem "m-Sequenz"-Generator erhalten. Geometrische Harmonischen-Modulation (GHM) ist von J. Hershey, G. Saulnier, A. Hassan und S. Hladik in "Geometric Harmonic Modulation – A New Spread Spectrum Genre", International Conference on Communications, 1995, beschrieben. Ein Festkörpervorrichtung, wie beispielsweise eine Diode, kann in einer derartigen Art und Weise betrieben werden, daß ein breitbandiges und nicht-deterministisches Signal generiert wird, wenn die Diode in einem "rückwärts-vorgespannten" Zustand betrieben wird. Weiterhin kann der Breitbandträger durch einen breitbandigen Frequenz-"Zwitscher"-Generator erzeugt werden. Alle diese Techniken sind bekannt und in der Technik verstanden; deshalb wird eine detaillierte Beschreibung weggelassen.
Der Breitbandträger kann durch Verwendung eines abgeglichenen Mischers moduliert werden, der zur Quadratur fähig sein kann oder nicht. Die Modulation des schmalbandigen Informationssignals kann Nullfrequenz-Spektrumunterdrückung enthalten und besitzt andere Attribute durch Verwendung von Manchester oder Müller Kurvenkodierung. Wenn das schmalbandige Informationssignal digital ist, kann Vorwärts-Fehlerkorrekturkodierung (ECC) ebenfalls angewendet werden.
Ausbreitungsüberlegungen können erfordern, dass die Basiseinrichtung von einer Anzahl von Antennen sendet, die über die Basiseinrichtung verteilt sind. Wie in 2 angegeben ist, kann die Basiseinrichtung von einer oder mehreren Basisstationen 31 gebildet sein, die mit vielen Benutzern 30 kommunizieren. Um eine nahezu 100% Überdeckung zu erreichen, ist es unvermeidlich, dass sich die unterschiedlichen Sendungen an einigen Empfängern überlappen. Es ist deshalb ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, einen bestimmten Breitbandträger mit dem modulierten Breitbandträger zu verknüpfen, indem der bestimmte Breitbandträger zu dem modulierten Breitbandträger nach einer Verzögerung hinzugefügt wird, die die Hauptautokorrelationskeule von dem modulierten Breitbandträger überschreitet. Unterschiedliche Sendungen können überlagert sein, in denen von ihnen gefordert wird, dass sie Verzögerungen haben, die genügend unterschiedlich voneinander sind. Die Strategie gestattet, dass viele Benutzer 30 den Kanal teilen, und sie definiert eine neue Vielfach-Zugangstechnik.
Demodulation am Empfänger ist extrem einfach, wie in 3 dargestellt ist. Das detektierte empfangene Signal wird an eine wählbare Zeitverzögerungsvorrichtung 21 geliefert, die mehrere Anzapfungen aufweist. Das Signal aus der Zeitverzögerungsvorrichtung 21 wird dem einen Eingang von einem Mischer 23 zugeführt. Die andere Eingangsgröße zum Mischer 23 wird durch einen Anzapfungs-Wähler (Selektor) 22 geliefert, der eine verzögerte Abgabe des Eingangssignals wählt. Der Ausgang des Mischers 23 ist mit einem verlustbehafteten Basisband-Integrator 24 verbunden, der ein Maß der demodulierten Signalstärke an den Anzapfungs-Wähler 22 liefert. Es sei darauf hingewiesen, dass der Breitbandträger, der an der einen Verzögerung verwendet ist, nicht der gleiche Träger, oder sogar Trägerprozess, sein muss, der an einer anderen Verzögerung verwendet ist. Im wesentlichen wird von jedem korrelierten Signal bei einer bestimmten Verzögerung die Hälfte seiner Ener gie zum verlustbehafteten Basisband-Integrator 24 gesendet. Nach einer Detektion kann Basisband-Filterung angewendet werden, um Interferenz zu verringern.
Die wählbare Zeitverzögerungsvorrichtung 21 kann auf einem einer Anzahl von Wegen implementiert werden, wie beispielsweise:

• eine Oberflächen-Akustikwellen (SAW)-Vorrichtung,
• eine Übertragungsleitung, die aus diskreten analogen Elementen mit "punktförmig verteilten Parametern" konstruiert ist, oder
• eine Übertragungsleitung, die aus geeigneten angezapften oder nichtangezapften Koaxialkabelsegmenten konstruiert ist.

Da das Nachrichtensignal und das Referenzsignal nahezu identische Doppler-Verschiebungen durchlaufen, gibt es kein Doppler-Nachführungsproblem.

Claims

Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz, enthaltend: einen Sender mit einer Einrichtung (12) zum Modulieren eines Breitband-Trägersignals mit einem Schmalband-Nachrichtensignal zum Generieren eines gespreizten Breitband-Nachrichtensignals, und eine Einrichtung (13) zum Kombinieren des Breitband-Trägersignals mit dem gespreizten Breitband-Nachrichtensignal zum Generieren eines gesendeten Referenz-Spreizspektrumsignals nach einem Verzögern des gespreizten Breitband-Nachrichtensignals um eine Verzögerung, die eine Autokorrelationsbreite ungleich null des Breitband-Trägersignals überschreitet und kleiner als das Intervall zwischen aufeinander folgenden Autokorrelationsspitzen minus der Autokorrelationsbreite ungleich null von dem Breitband-Trägersignal ist, und einen Empfänger enthaltend eine wählbare Zeitverzögerungsvorrichtung (21) zum Empfangen eines detektierten Signals von dem Sender, einen Selektor (22) zum Wählen eines verzögerten Signals von der wählbaren Zeitverzögerungsvorrichtung, einen Mischer (23) zum Kombinieren der Ausgangssignale aus der wählbaren Zeitverzögerungsvorrichtung und dem Selektor und einen verlustbehafteten Integrator (24), der auf die Ausgangssignale aus dem Mischer anspricht, zum Steuern des Selektors, wodurch der verlustbehaftete Integrator angesteuert wird zum Generieren des Schmalband-Nachrichtensignals.
Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz nach Anspruch 1, wobei der Sender ferner einen Breitband-Trägergenerator enthält zum Generieren eines Breitband-Trägersignals.
Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz nach Anspruch 2, wobei der Breitband-Trägergenerator einen geometrischen Harmonischen-Modulator aufweist.
Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz nach Anspruch 2, wobei der Breitband-Trägergenerator eine Festkörper-Vorrichtung aufweist, die zum Generieren eines breitbandigen und nicht-deterministischen Signals betätigt ist.
Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz nach Anspruch 2, wobei der Breitband-Trägergenerator eine deterministische Endzustands-Sequenzmschine aufweist, deren Aufeinanderfolge von Zuständen zufällig ist.
Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz nach Anspruch 2, wobei der Breitband-Trägergenerator einen breitbandigen Frequenzzirpgenerator aufweist.
Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz nach Anspruch 1, wobei die wählbare Zeitverzögerungsvorrichtung eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung aufweist.
Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz nach Anspruch 1, wobei die wählbare Zeitverzögerungsvorrichtung eine Übertragungsleitung aufweist.
Verfahren zum Implementieren von Spreizspektrum-Kommunikationssystemen mit mitgesendeter Referenz, enthaltend die Schritte: Modulieren eines Breitband-Trägersignals mit einem Schmalband-Nachrichtensignal zum Generieren eines gespreizten Breitband-Nachrichtensignals, Kombinieren des Breitband-Trägersignals mit dem gespreizten Breitband-Nachrichtensignal zum Generieren eines gesendeten Referenz-Spreizspektrumsignals nach einem Verzögern des gespreizten Breitband-Nachrichtensignals um eine Verzögerung, die eine Autokorrelationsbreite ungleich null des Breitband-Trägersignals überschreitet und kleiner als das Intervall zwischen aufeinander folgenden Autokorrelationsspitzen minus der Autokorrelationsbreite ungleich null von dem Breitband-Trägersignal ist, Senden des Spreizspektrumsignals mit mitgesendeter Referenz, Empfangen des Referenz-Spreizspektrumsignals mit mitgesendeter Referenz an einem Empfängerort, Verzögern des empfangenen Spreizspektrumsignals mit mitgesendeter Referenz um eine wählbare Zeitdauer, Kombinieren des empfangenen Spreizspektrumsignals mit mitgesendeter Referenz und des verzögerten empfangenen Spreizspektrumsignals mit mitgesendeter Referenz, Integrieren des kombinierten empfangenen Spreizspektrumsignals mit mitgesendeter Referenz mit einem verlustbehafteten Integrator, um das Schmalband-Nachrichtensignal zu generieren, und Steuern der gewählten Grösse der Zeitverzögerung, die auf das empfangene gesendete Spreizspektrumsignal mit mitgesendeter Referenz ausgeübt wird, als eine Funktion der Signalstärke in dem verlustbehafteten Integrator.
Spreizspektrum-Kommunikationssystem mit mitgesendeter Referenz und vielen Zugängen, enthaltend: mehrere Sender, wobei jeder Sender eine Einrichtung (12) zum Modulieren eines Breitband-Trägersignals mit einem Schmalband-Nachrichtensignal zum Generieren eines gespreizten Breitband-Nachrichtensignals und eine Einrichtung (13) zum Kombinieren des Breitband-Trägersignals mit dem gespreizten Breitband-Nachrichtensignal enthält zum Generieren eines Spreizspektrumsignals mit mitgesendeter Referenz nach einem Verzögern des gespreizten Breitband-Nachrichtensignals um eine Verzögerung, die eine Autokorrelationsbreite ungleich null des Breitband-Trägersignals überschreitet und kleiner als das Intervall zwischen aufeinander folgenden Autokorrelationsspitzen minus der Autokorrelationsbreite ungleich null von dem Breitband-Trägersignal ist, wobei jeder Sender, wenn er aktiv ist, auf entsprechende Weise eine unterschiedliche Verzögerung verwendet, und mehrere Empfänger, wobei jeder Empfänger eine wählbare Zeitverzögerungsvorrichtung (21) zum Empfangen eines Signals von den Sendern, einen Selektor (22) zum Wählen eines verzögerten Signals von der wählbaren Zeitverzögerungsvorrichtung, einen Mischer (23) zum Kombinieren der Ausgangssignale aus der wählbaren Zeitverzögerungsvorrichtung und dem Selektor und einen verlustbehafteten Integrator (24) enthält, der auf die Ausgangssignale aus dem Mischer anspricht zum Steuern des Selektors, wodurch der verlustbehaftete Integrator angesteuert wird zum Generieren des Schmalband-Nachrichtensignals.