DE69734693T2

DE69734693T2 - Sequenzerzeugung für asynchrone Spreizspektrumübertragung

Info

Publication number: DE69734693T2
Application number: DE69734693T
Authority: DE
Inventors: John Anderson Fergus Schenectady Ross
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-08-02
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: CA2210149C; EP0822670A3; IL121332A; EP0822670B1; JPH10117156A; IL121332A0; US5774493A; DE69734693D1; CA2210149A1; EP0822670A2

Description

Diese Erfindung betrifft Spreizband-Kommunikationssysteme und ein insbesondere direkt umwandelndes, verzögerndes und korrelierendes, ein Referenzsignal sendendes Spreizband-Kommunikationssystem mit überlegener Leistung ohne erhöhte Komplexität.
Die Spreizbandskommunikation bietet mehrere Vorteile, in Kommunikationsanwendungen, welche hohe Zuverlässigkeit erfordern. Diese beinhalten Leistungsspektren geringer Dichte und Störunterdrückung. Im Falle der Störunterdrückung kann die Störung zufällig, d.h. einfach Teil der Umgebung des Kommunikationssystems sein. In einer spezifischen Anwendung kann die Kommunikationsumgebung viele mögliche Reflektoren enthalten, die zu einer erheblichen Mehrwegestörung führen können. Eine derartige Mehrwegestörung bringt typischerweise tiefe Ausfälle in der Form eines frequenzselektiven Schwunds mit sich. Spreizbandkommunikation ist eine ideale Gegenmaßnahme gegen diese Schwierigkeit.
Es gibt verschiedene Arten von Spreizbandsystemen einschließlich digitaler Direktsequenzsysteme, Frequenzsprungsysteme, Zeitsprungsysteme, gepulste frequenzmodulierte (oder "Chirp")-Systeme und verschiedene Hybride. Von diesen sind die digitalen Direktsequenzsysteme und Frequenzsprungsysteme wahrscheinlich die am häufigsten implementierten. In einem digitalen Direktsequenzsystem wird ein Pseudozufalls-Codegenerator verwendet, um einen frequenzmodulierten Träger zu modulieren. In einem Frequenzsprungsystem lässt man einen kohärenten lokalen Oszillator von einer Frequenz zur Nächsten springen.
Eine Direktsequenz-Spreizbandsmodulation beinhaltet ein von einem schmalbandigen Nachrichtensignal moduliertes breitbandiges Signal. Eine herkömmliche Implementation besteht darin, ein Breitbandsignal mittels eines Hochgeschwindigkeitsschieberegisters mit n-Stufen mit einer Modolo-2-Rückkopplung gemäß einem Einfachpolynom zu erzeugen. Die digitale Hochgeschwindigkeitssequenz wird dann einem symmetrischen Modulator zugeführt, dessen weiteres Eingangssignal ein schmalbandiger Träger ist. Das Ausgangssignal des symmetrischen Modulators ist ein Breitbandsignal, welches manchmal als "Breitbandträger" bezeichnet wird.
Spreizbandskommunikationen sind oft hinsichtlich Kosten und Komplexität asymmetrisch. Beispielsweise können geeignete Spreizbandssignale mit einer Schaltung relativ niedriger Komplexität erzeugt werden. Die Herausforderung besteht dann in der Demodulation derartiger Signale. Typischerweise ist es erforderlich, einen Demodulator aufzubauen, welcher ein Breitbandsignal erzeugen oder anderweitig verarbeiten kann, um die Schmalbandnachricht zurückzugewinnen. Die Synchronisation ist oft der schwierigste und teuerste Aspekt eines Spreizband-Kommunikationssystems.
Um den Empfänger in einem Spreizband-Kommunikationssystem zu vereinfachen, überträgt man bekanntermaßen ein Referenzsignal, das anstelle der Synchronisation und der Nachführung bei dem Empfänger verwendet werden kann; d.h., das codierte Referenzsignal wird erzeugt und mit dem gewünschten Informationssignal übertragen. Da das lokale Referenzsignal bei dem Sender erzeugt wird, muss der Empfänger keinen Codesequenz- oder anderen lokalen Referenzgenerator haben.
Die vorliegende Erfindung betrifft das digitale Direktsequenz-Spreizband-Kommunikationssystem unter Verwendung eines übertragenen Referenzsignals. Ein verzögernder und korrelierender Empfänger wird zur Erzielung einer Synchronisation verwendet. Eine Beschreibung des digitalen Direktsequenz-Spreizband-Kommunikationssystems sowie weiterer Arten von Spreizband-Kommunikationssystemen kann man beispielsweise in Spread Spectrum Systems, 3rd Ed., by Robert C. Dixon, John Wiley & Sons (1994) und in Spread Spectrum Communications, Vol. II, by M. K. Simon et al., Computer Science Press (1985), sowie in EP-A-0 360 476, US-A-5 243 622 und EP-A-0 641 109 finden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung, welche das Verhalten eines direkt umwandelnden, verzögernden und korrelierenden, ein Referenzsignal sendenden Spreizband-Kommunikationssystems im Wesentlichen ohne zusätzlicher Komplexität gegenüber früheren Konstruktionen verbessert.
Die Erfindung erübrigt die Notwendigkeit eines lokalen Referenzsignals, indem ein Referenzsignal übertragen wird, das der Empfänger zur Durchführung der Entspreizung verwenden kann. Die Vorrichtung der Erfindung befindet sich in der Klasse von Systemen, die als Spreizbandssysteme mit "gesendetem Referenzsignal" bekannt sind. Im Allgemeinen sendet ein System mit gesendetem Referenzsignal sowohl ein Nachrichtensignal als auch ein Referenzsignal an den Empfänger. Das Nachrichtensignal enthält die zu übertragende Information, welche durch Multiplikation mit einer Breitband-"Spreizwellenform" gespreizt wurde. Das Referenzsignal besteht es aus der Spreizwellenform selbst, welche der Empfänger dazu verwenden kann, um das Nachrichtensignal zu entspreizen und die Information zurück zu gewinnen. Die Vorrichtung der Erfindung hängt von der Erzeugung einer Klasse von Referenzsignalen bei dem Sender ab, welche hoch zuverlässige Datenausgangssignale bei dem Empfänger erzeugen. Die Erfindung wird am besten durch Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
1 eine Blockdarstellung des Senders gemäß der Erfindung ist;
2 eine Blockdarstellung des Empfängers gemäß der Erfindung ist;
3 ein Flussdiagramm eines zum Erzeugen von Sequenzen verwendeten Computerprogramms ist;
4 eine grafische Darstellung ist, die die Autokorrelation eines Beispiels einer Pseudozufallssequenz gemäß der Erfindung darstellt; und
5 eine grafische Darstellung ist, welche die Ergebnisse einer Simulation eines verzögernden und korrelierenden Kommunikationssystems unter Verwendung einer gemäß den Lehren der Erfindung erzeugten Pseudozufallssequenz ist.
1 stellt einen Sender gemäß der Erfindung dar. Daten, die ein Nachrichtensignal aufweisen, werden an den einen Eingang eines Multiplizierers 11 angelegt, und ein von einem Sequenzgenerator 12 erzeugtes Referenzsignal wird an den anderen Eingang des Multiplizierers 11 angelegt. Das Referenzsignal bildet eine Breitbandspreizwellenform. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 11, welches durch diese Multipli kation über ein breites Frequenzspektrum gespreizt wurde, wird einer digitalen oder analogen Verzögerungsleitung 13 zugeführt, welche eine bekannte Verzögerung liefert. Das verzögerte Signal aus der Verzögerungsleitung 13, welche für ein digitales Signal ein Schieberegister 13 aufweist, wird dem durch den Sequenzgenerator 12 erzeugten Code in einem linearen Addierer 14 hinzuaddiert, und das summierte Signal wird mit dem lokalen Funkfrequenz-(HF)-Signal im Mischer 15 gemischt. Das durch den Mischer 15 erzeugte Signal wird in der Senderausgangsstufe 14 verstärkt und gefiltert, die das an die Antenne 17 angelegte gesendete Signal erzeugt.
Der erfindungsgemäße Empfänger ist in 2 dargestellt. Das an einer Antenne 20 empfangene Signal wird in einer HF-Stufe 21 verstärkt und gefiltert und dann durch einen Mischer 22 in eine Zwischenfrequenz umgewandelt. Das Ausgangssignal des Mischers wird an eine Verzögerungsleitung 23 angelegt, welche die gleiche Verzögerung wie die der Verzögerungsleitung 13 in dem Sender erzeugt. Das verzögerte Signal aus der Verzögerungsleitung 23 wird mit dem Ausgangssignal des Mischers 22 in einem Multiplizierer 24 multipliziert, welcher das Nachrichtensignal entspreizt, und das Produktsignal wird durch ein Tiefpassfilter 25 gefiltert, bevor es an einen Datendetektor 26 geliefert wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine verzögernde und korrelierende, ein Referenzsignal sendende Referenzsignalisierung, die durch eine aus einem Verzögerungspfad 13, linearen Addierer 14 und Mischer 15 in dem Sender von 1 bestehenden Verzögerungs- und Korrelationsvorrichtung ermöglicht wird, verbessert, indem Referenzsignale mit spezifischen Autokorrelationseigenschaften verwendet werden. Ein einfaches mathematisches Argument identifiziert die gewünsch ten Eigenschaften der neuen Sequenzen. Wenn man das Referenzsignal mit p(t), das Nachrichtensignal mit m(t) und die Verzögerung mit d bezeichnet, ist die bei dem Empfänger (unter Ausschluss von Rauschen und Störungen) durchgeführte Multiplikation gleich: [p(t) + m(t – d)p(t – d)] × [p(t – d) + m(t – 2d)p(t – 2d)] = p(t)p(t – d) + p(t)p(t – 2d)m(t – 2d) + m(t – d)p(t – d)p(t – d) + m(t – d)p(t – d)p(t – 2d)m(t – 2d)
Pseudorausch-(PN)-Sequenzen werden üblicherweise in Spreizbandssystemen verwendet, da sie eine geringe Autokorrelation für Verzögerungen größer als Null besitzen und als nützlich für verzögernde und korrelierende Signalisierung mit übertragenem Referenzsignal erkannt wurden. Beispielsweise weist, wenn p(t) eine PN-Sequenz ist, der dritte Term in dem vorstehenden Ausdruck eine positive Korrelation auf, während alle anderen Terme klein sind, und das Nachrichtensignal wird leicht nach der Korrelation identifiziert. Ferner ist es in vielen Fällen auch möglich, den zweiten Term auszuwerten. Wenn die Verzögerung so ist, dass in dem zweiten Term die Verzögerung 2d in Bezug zu einem Symbolintervall klein ist, verstärkt eine starke Autokorrelation von p(t) bei einer Verzögerung von 2d das Ausgangssignal des Korrelationsprozesses, ohne eine zusätzliche Filterung zu erfordern. Wenn die Verzögerung 2d in der Dauer mit der des Symbols vergleichbar ist, wäre dann eine gewisse Form einer Zwischensymbolstörungsentzerrung erforderlich. Da eine derartige Entzerrung in der preiswerten Empfängerkonstruktion unerwünscht ist, enthält diese Erfindung eine kleine Verzögerung d. Die sich ergebende erhöhte Nachrichtensignalstärke verbessert das Fehlerverhalten des dem Rauschen unterworfenen Empfängers.
Ein Verfahren für den Aufbau nützlicher Sequenzen wird nachstehend beschrieben. Eine Verzögerung der Zeitdauer d wird so gewählt, dass die Verzögerung 2d gleich der Dauer einer ungeraden Anzahl von Chip-Intervallen ist, wobei ein Chip-Intervall die Länge der Zeit ist, die erforderlich ist, um ein Element der Spreizbandssequenz zu übertragen. Dann wird eine PN-Sequenz,
x(1), x(2), x(3) ..., x(N).
wobei x(j) Elemente der Sequenz sind, verändert, indem der Term bei 2d + j mit x(j),j ungeradzahlig über die Länge der Sequenz beginnend bei 2d + 1 ersetzt wird. Die neue Sequenz ist
x(1), x(2), x(3), ... x(2d), x(1), x(2d + 2), x(3), x(2d + 4), x(5) ...
Dieses ergibt eine gewünschte Autokorrelationsspitze bei 2d. Verfahren, welche etwas anderes als die Hälfte der Symbole ersetzen, sind ebenfalls möglich.
Um die Autokorrelationseigenschaften der neuen Sequenzen weiter zu verbessern, wurde ein Computerprogramm geschrieben, welches N neue Sequenzen erzeugt, indem zufällig Elemente der Ursprungssequenz zur Invertierung (oder Vorzeichenänderung) ausgewählt werden. Die beste der neuen Sequenzen wird als die "Mutter"-Sequenz gespeichert, um einen neuen Satz von zufällig vertauschten Sequenzen zu erzeugen. Nach vielen Erzeugungen findet man oft bessere Sequenzen. 3 ist ein Flussdiagramm, das die Prozedur darstellt.
Gemäß 3 besteht der erste Schritt 31 der Prozedur in der Erzeugung einer PN-Sequenz und der Speicherung der Se quenz als x' im Speicher. Dann werden bei dem Schritt 32 Elemente des Speichers überschrieben, um
X = x'(1), x'(2), x'(3), ... x'(2d), x'(1), x'(2d + 2), x'(3), x'(2d + 4), ...
zu erzeugen, wobei x als die Mutter-Sequenz für den Sequenzverbesserungsalgorithmus 33 definiert ist. An diesem Punkt in der Prozedur wird in dem Sequenzverbesserungsalgorithmus eingetreten. Bei dem Schritt 34 werden L "Kind"-Sequenzen erzeugt, indem Bits aus der Mutter-Sequenz kopiert werden und ein kleiner Anteil der Bits in jeder Kind-Sequenz zufällig invertiert wird. Bei dem Schritt 35 wird ein Kind ausgewählt. Das Kriterium für die Auswahl des Kindes besteht darin, dass es die besten Korrelationseigenschaften besitzt. Nun wird die ursprüngliche Mutter-Sequenz durch diese Kind-Sequenz ersetzt. Ein Test wird bei dem Schritt 36 durchgeführt, um zu ermitteln, ob die vorliegende (d.h., die neue) Mutter-Sequenz ein zufrieden stellendes Verhalten liefert. Dieses erfolgt entweder unter Verwendung einer vorbestimmten Anzahl von Versuchen oder durch einen Vergleich der Mutter-Sequenz mit gewünschten "Fitness"-Kriterien. Wenn das Verhalten nicht zufrieden stellend ist, springt der Prozess wieder zu dem Schritt 34 zurück, um "Kind"-Sequenzen aus der neuen Mutter-Sequenz zu erzeugen. Wenn das Ergebnis des Sequenzverbesserungsalgorithmus zufrieden stellend ist, wird die neue verbesserte Sequenz bei dem Schritt 37 bereitgestellt.
Eine Element-für-Element-Liste einer speziellen Sequenz ist in Tabelle 1 dargestellt, und 4 ist eine Aufzeichnung des Verlaufs der Autokorrelation dieser Sequenz.
Tabelle 1
Die Effektivität dieser Sequenz wurde in einer Computersimulation demonstriert. Die Ergebnisse, welche die Bitfehlerrate über dem Verhältnis von (Energie pro Bit (Eb))/Rauschleistungsspektraldichte (No) darstellen, sind in 5 angegeben. Man beachte, dass die Leistung des Referenzsignals in der Eb/No-Berechnung nicht enthalten ist. Das verbesserte Verhalten der neuen Sequenz ist deutlich.
Ein sehr kleiner Nur-Lese-Speicher (ROM) oder Arbeitsspeicher (RAM) kann dazu verwendet werden, um die Sequenz darin statt in dem Schieberegister zu speichern, das herkömm licherweise mit PN-Sequenzen verwendet wird. Beispielsweise erfordert die Implementation einer durch die vorstehende Prozedur modifizierten Sequenz mit einer maximalen Länge von 511, einen Speicher von 511 Bit. Somit implementiert der in 1 dargestellt Sender den Sequenzgenerator 12 mit einem kleinen ROM oder RAM mit einem getakteten Adressenzähler. Dies ist die einzige erhebliche Änderung gegenüber klassischen verzögernden und korrelierenden, ein Referenzsignal sendenden Systemen, die durch diese Erfindung erforderlich ist. Die Leistungsverbesserung wird somit zu nominalen Kosten erzielt.

Claims

Direkt umwandelnde, verzögernde und korrelierende, ein Referenzsignal sendende Spreizband-Signalisierungsvorrichtung mit einem Sender, gekennzeichnet durch: einen Sequenzgenerator (12) zum Erzeugen eines als x(1), x(2), x(3) ..., x(N) bezeichneten Sequenzsignals, wobei x(j) Elemente der Sequenz sind, der Sequenzgenerator dazu eingerichtet ist, das Sequenzsignal zu modifizieren, um ein erweitertes Sequenzsignal mit verbesserten Autokorrelationseigenschaften zu erzeugen; einen ersten Multiplizierer (11) zum Erzeugen eines ersten Produktsignals durch Multiplizieren des Sequenzsignals aus dem Sequenzgenerator und von zu sendenden Eingabedaten; eine erste Verzögerungseinrichtung (13) zum Verzögern des Produktsignals aus dem Multiplizierer um einen Verzögerungswert d, wobei der doppelte Verzögerungswert, 2d, eine ungerade Anzahl von Teilstückintervallen ist; einen Summierer (14) zum Erzeugen eines summierten Signals, indem das verzögerte Produktsignal mit dem Sequenzsignal aus dem Sequenzgenerator summiert wird; und eine erste Funkfrequenzeinrichtung (15) mit einem Mischer zum Umwandeln des summierten Signals in ein Signal zum Senden (17).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sequenzgenerator (12) dafür eingerichtet ist, das Sequenzsignal durch Ersetzen des Terms bei 2d + j durch x(j), j ungerade, über die Länge der Sequenz zu ändern, bei 2d + 1 zu starten, um die Sequenz x(1), x(2), x(3), ... x(2d), x(1), x(2d + 2), x(3), x(2d + 4), x(5) ... zu erzeugen, welche eine erwünschte Autokorrelationsspitze bei 2d ergeben.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit: einen Empfänger, der enthält: eine zweite Funkfrequenzeinrichtung (20, 21) mit einem Mischer (22) zum Umwandeln des empfangenen Signals und ein Basisbandsignal; eine zweite Verzögerungsvorrichtung (23), die mit dem Ausgang der zweiten Funkfrequenzeinrichtung verbunden ist, um das Basisbandsignal um eine Verzögerung d zu verzögern; einen zweiten Multiplizierer (24) zum Erzeugen eines zweiten Produktsignals durch Multiplizieren des empfangenen Signals mit dem um die Verzögerung d verzögerten empfangenen Signals; und einem Datendetektor (2, 6), der auf das zweite Signalprodukt reagiert, um die gesendeten Daten zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die durch den zweiten Multiplizierer (24) ausgeführte Multiplikation [p(t) + m{t – d)p(t – d)] × [p(t – d) + m(t – 2d)p(t – 2d)] = p(t)p(t – d) + p(t)p(t – 2d)m(t – 2d) + m(t – d)p(t – d)p(t – d) + m(t – d)p(t – d)p(t – 2d)m(t – 2d) ist, worin p(t) ein Referenzsignal ist und m(t) ein Nachrichtensignal ist, und wobei die Verzögerung so ist, dass in dem zweiten Term die Verzögerung 2d klein in Bezug auf ein Symbolintervall ist, was eine starke Autokorrelation von p(t) bei der Verzögerung 2d erzeugt.