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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Datenkommunikation.
Im Besonderen beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
der Verwendung von codierten Spreizcodes zum Erreichen von hohen
Bitdichten in Spreizspektrum-Kommunikationssystemen bzw. Spread-Spectrum-Kommunikationssystemen
in Direktsequenz.
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STAND DER
TECHNIK
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Die
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Techniken bzw. Spreizspektrum-Techniken in
Direktsequenz basieren auf dem Einsatz von Pseudo-Zufallsrauschträgern, die
auch als Spreizcodes bezeichnet werden, Spreizsequenzen, Codesequenzen
und Chipsequenzen sowie einer Übertragungsbandbreite,
die deutlich breiter ist als die für die Übertragung der Informationen
erforderliche Mindestbreite. Der Sender spreizt die Informationen,
indem die Informationen mit einer Pseudo-Zufallsrauschen-Spreizsequenz moduliert
werden. An dem Empfänger
werden die Informationen herausgefiltert, um die Basisinformationen
wiederherzustellen. Das Herausfiltern (englisch: Despreading) wird
durch in Korrelation setzen des empfangen, durch Aufspreizen modulierten
Signals mit der Spreizsequenz erreicht, die für die Übermittelt verwendet worden
ist. DSSS wird teilweise abgekürzt
auch als „Direktspreizung" bezeichnet.
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Das
Modulationssignal, wie etwa ein Pseudo-Zufallsrauschen-Spreizcodesignal,
verarbeitet eine Chiprate (analog zu der Trägerfrequenz), die deutlich
größer ist
als die Datenrate des Informationssignals. Diese Eigenschaft ist
für eine
effiziente Spreizung erforderlich. Jeder Zustand der Pseudo-Zufallsrauschen-Spreizsequenz
wird als ein Chip bezeichnet. Die Spreizsequenz (Chipsequenz) moduliert
direkt jedes Bit des Informationssignals, woraus sich der Name Direktspreizung
ergibt. Die Pseudo-Zufallseigenschaft des Spreizsignals ist erforderlich,
um das ursprüngliche
Informationssignal wiederherzustellen. Da die Spreizsequenz deterministisch ist,
kann sie an dem Empfänger
exakt dupliziert werden, um das Informationssignal zu extrahieren.
Wenn sie wirklich zufällig
ist, ist eine Extrahierung des Informationssignals über einen
Korrelationsempfänger nicht
möglich.
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Die
Aufspreizoperation bewirkt, dass die Signalleistung über die
Spreizbandbreite gleichmäßig reduziert
wird. Somit erscheint das Spread-Spectrum- oder Spreizspektrumsignal
für jeden
Empfänger ohne
das Signal zum Herausfiltern (englisch: Despreading) in Rauschen
vergraben. Folglich ist nicht nur das Stören des Signals schwierig,
sondern auch das Detektieren des Vorhandenseins des Signals in einer
beliebigen Bandbreite. Jedes unerwünschte Signal, das während der Übertragung
aufgenommen wird, wird durch den Empfänger auf die gleiche Art und
Weise aufgespreizt, wie der Sender das gewünschte Signal ursprünglich aufgespreizt
hat. Anders ausgedrückt
spreizt der Empfänger
unerwünschte
Signale, die während
der Übertragung
aufgenommen worden sind, während
gleichzeitig das gewünschte
Informationssignal herausgefiltert oder demoduliert wird. Die Verarbeitungsverstärkung ist der
Begriff, der zum Ausdrücken
dieser Interferenzunterdrückung
in dem Vorgang des Sendens und Empfangs insgesamt verwendet wird.
Bei einer Betrachtung als Sende-Empfangs-Vorgang wird das gewünschte Signal
zweimal durch Aufspreizen moduliert, wobei das ursprüngliche
Signal zurückgegeben wird,
während
die bandinterne bzw. Inband-Interferenz einmal durch Aufspreizen
moduliert und somit über
die gesamte Spreizbandbreite verarmt bzw. reduziert wird.
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Ein
Beispiel für
ein Spread-Spectrum-Kommunikationssystem wird in dem U.S. Patent US-A-5.497.395
erörtert.
In diesem Patent wird das Erzeugen eines orthogonalen Walsh-Sequenzsignals
auf der Basis des Wertes eines Datensignals ebenso beschrieben wie
die Übertragung
von Leistungsregelungsdaten unter Verwendung der orthogonalen Walsh-Sequenz.
Darüber
hinaus beschreibt US-A-5.497.395
die Kombination der orthogonalen Walsh-Sequenz mit einem Pseudo-Zufallsrauschensignal
(PN-Signal) zum Erzeugen eines Trägermodulationssignals.
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Ein
Beispiel für
ein Verfahren zum Anzeigen des Eintretens von einem oder mehreren
Ereignissen an einer entfernten bzw. abgesetzten Station unter Verwendung
eines invertierten Bits wird in der britischen Patentschrift GP-A-975792
beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren gemäß dem gegenständlichen Anspruch
1.
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Die
bevorzugten Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung ist in den Abbildungen der anhängigen Zeichnungen
beispielhaft und ohne einzuschränken
veranschaulicht. In den Zeichnungen sind die gleichen Elemente mit
den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Es zeigen:
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1(a) ein Diagramm eines auf gespreizten Signals;
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1(b) ein Diagramm eines Spreizsignals, wobei die
Interferenz in das ursprüngliche
Signal und Rauschen demoduliert wird;
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2(a) ein Beispiel für ein dem Stand der Technik
entsprechendes Verfahren zum Spreizen von Signalen;
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2(b) ein beispielhaftes Verfahren zum Spreizen
von Signalen unter Verwendung eines codierten Spreizcodes;
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3 ein
Blockdiagramm des Empfangens und Decodierens des durch Spreizen
modulierten Signals aus 2; und
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4 ein
Blockdiagramm eines Systems mit mehreren Benutzern, welches das
codierte Spreizverfahren aus den Abbildungen der 2 und 3 implementiert.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Das
offenbarte Verfahren nutzt die überabgetastete
Eigenschaft von Spreizcodes in Spreizspektrumtechniken in Direktsequenz
zur Codierung der Spreizcodes. Die Codierung wird durch Veränderung
bzw. Modifikation eines einzelnen Chips (eines einzelnen Zustands)
in der Spreizsequenz erreicht. Dies überträgt ,n – 1' Bits je Symbol (Länge der Spreizsequenz), wobei
,n' dem Zweierlogarithmus der
Spreizcodelänge
entspricht. Die Informationskapazität wird im Vergleich zu herkömmlichen
Direct-Sequence Spread Spectrum-Techniken erheblich erhöht, wie
diese etwa vorstehend beschrieben worden ist, ohne dass sich die Übertragungsleistung dadurch
praktisch ändert.
Darüber
hinaus ist die Implementierung verhältnismäßig einfach und erzeugt nur
geringfügige
Abweichungen der Korrelationseigenschaften der theoretisch idealen
Korrelation.
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Die
inhärente überschüssige Bandbreite
bei der Spreizspektrummodulation kann genutzt werden, um die Informationskapazität zu erhöhen, ohne
dabei die Vorzüge
der Spread-Spectrum-Techniken zu opfern. Die überabgetastete Beschaffenheit
des Spreizcodes ermöglicht
die Integration zusätzlicher
Informationen in dem Code. Da jedes Spreizcodesymbol durch eine
große
Anzahl von Chips dargestellt wird, weist eine Veränderung
des Spreizcodes eines Chips mit der Länge ,n' minimale Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit
der zugrunde liegenden Spread-Spectrum-Technik auf, während gleichzeitig die
Informationskapazität
signifikant erhöht
wird im Vergleich zu herkömmlichen
Direct-Sequence Spread Spectrum-Technik.
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Die
Abbildung aus 1(a) zeigt ein Beispiel dafür, was mit
einem Signal passiert, wenn es aufgespreizt wird. Das Signal 100 wird
unter Verwendung einer Spreizsequenz (nicht abgebildet) zu dem Signal 101 aufgespreizt.
Wie dies ersichtlich ist, nimmt die Amplitude des Signals ab, während die
Bandbreite des Signals zunimmt. Durch Reduzierung der Amplitude
erscheint das Signal nicht mehr von Rauschen unterscheidbar, und
es kann nur von einem Empfänger
wiederhergestellt werden, der die richtige Spreizsequenz verarbeitet.
Die Abbildung aus 1(b) zeigt das Spreizsignal 101 und
ein Interferenzsignal 102, das während der Übertragung aufgenommen worden
ist. Wenn das durch Spreizen modulierte Signal 101 unter
Verwendung der ursprünglichen
Spreizsequenz (nicht abgebildet) demoduliert wird, wird das ursprüngliche
Signal 100 wiederhergestellt, und as Interferenzsignal 102 wird
in das Signal 103 auf gespreizt, wodurch eine Reduzierung
auf Rauschen erfolgt.
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Die
Abbildung aus 2(a) zeigt ein Diagramm eines
Beispiels für
ein dem Stand der Technik entsprechendes Verfahren zum Spreizen
eines Signals. Ein Informationssignal 210 wird unter Verwendung
bekannter Verfahren durch einen Spreizcode 211 bzw. Pseudo-Zufallsrauschencode 211 moduliert.
Für jede
,1' in dem Informationssignal
wird der Spreizcode 211 übertragen. Hingegen wird für jede ,0' in dem Informationssignal
der Umkehrwert des Spreizcodes 211 übertragen. Durch diese Modulation wird
das Signal somit zur Übertragung
in dem übertragenen
Signal 212 aufgespreizt. Wenn das Informationssignal 210 zum
Beispiel aus den Bits ,101' besteht,
entspricht der Spreizcode 211 ,01011010', wobei das übertragene Signal in diesem
Fall ,01011010 10100101 01011010' entspricht.
Das übertragene
Signal wird durch ,1' erzeugt,
entsprechend dem Spreizcode 211 (,010110101') und durch ,0' gemäß dem Kehrwert
des Spreizcodes (,10100101').
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Die
Abbildung aus 2(b) zeigt ein Diagramm eines
beispielhaften Verfahrens zum Spreizen eines Signals unter Verwendung
eines codierten Spreizcodes. Gemäß der vorstehenden
Beschreibung wird das Informationssignal 210 erneut durch ein
Spreizsignal moduliert, so dass ein übertragenes Signal 214 erzeugt
wird. in diesem Fall wird jedoch an Stelle eines Spreizcodes ein
codierter Spreizcode verwendet. Durch den Einsatz eines codierten Spreizcodes
können
an Stelle eines einzelnen Bits mehrere Informationsbits je Spreizcode übertragen werden,
wie dies vorstehend im Text beschrieben worden ist. Der codierte
Spreizcode wird durch Invertieren eines Bits in einem Spreizcode
erzeugt, wobei das invertierte Bit des Spreizcodes dem Wert des
Informationssignals entspricht, das übertragen wird. Wenn als ein
einfaches Beispiel zwei Informationsbits je Spreizcode übertragen
werden sollen, ist ein Spreizcode mit vier Bits erforderlich, da
zwei Informationsbits einen Wert zwischen null und drei aufweisen.
Wenn der Wert des Informationsbits 3 lautet (die Bits entsprechen
,11'), so wird das
dritte Bit des Pseudeo-Zufallsrauschencodes
invertiert, wobei die Bits von null bis drei nummeriert sind. Der
Codiervorgang, der durch Inversion eines Bits des Spreizcodes bereitgestellt
wird, führt
zu hohen Bitdichten der übertragenen
Daten, während
weiterhin eine hohe Korrelation gegeben ist. In einer beliebigen
Anordnung von Spreizcodes mit nicht trivialer Länge weist die Inversion eines
Bits einen signifikanten Effekt auf die Korrelationseigenschaften
auf, so dass die Inversion selbst eines Bits zu einer hohen Korrelation
für diese nicht
trivialen Codelängen
führt.
In der Abbildung aus 2(b) werden
zum Beispiel das gleiche triviale Informationssignal 210 (,101') und Spreizcode 211 (,01011010') aus 2(a) verwendet. Da ein binärer Wert von ,101' in diesem Fall einer
numerischen 5 entspricht, ist der codierte Spreizcode gleich ,01111010', wobei der codierte
Spreizcode dem Spreizcode mit invertiertem fünften Bit entspricht. Der codierte
Spreizcode entspricht somit ,101',
und das übertragene
Signal entspricht somit dem codierten Spreizcode von ,01111010'.
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Die
Abbildung aus 3 zeigt den Empfang und die
Decodierung des übertragenen
Signals. Wenn das übertragene
Signal 214 aus 2(b) empfangen
wird, wird es mit den Korrelatoren für den Spreizcode 318 verglichen.
Jeder Korrelator entspricht dem Spreizcode 318 mit einem
invertierten Bit, wobei die Position des invertierten Bits den Wert des
Signals anzeigt. Das übertragene
Signal kann gleichzeitig mit den Korrelatoren verglichen werden. Wenn
eine Übereinstimmung
festgestellt wird, wird der Wert gelesen, der dem Korrelator entspricht
(der der Position entspricht, an der ein invertiertes Bit gefunden
worden ist). Dieser Wert ist der Wert des ursprünglichen Signals. Auf diese
Weise wird das Signal demoduliert oder herausgefiltert. Wenn es
unter Verwendung des Beispiels des übertragenen Signals ,01111010' mit jedem Korrelator
verglichen wird, wird festgestellt, dass es dem Korrelator 315 entspricht, wobei
es sich bei dem Korrelator 315 um den Spreizcode 218 mit
invertiertem fünften
Bit handelt. Das decodierte Signal 320 entspricht somit
dem numerischen Wert ,5' und
binär ausgedrückt ist
das Signal gleich ,101'.
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In
dem vorstehend beschriebenen Beispiel wurde ein Spreizcode mit acht
Bits für
die Übertragung
von drei Informationsbits verwendet. Natürlich können auch andere Werte verwendet
werden. Zum gleichzeitigen Übertragen
von 2 Informationsbits ist etwa ein Spreizcode mit vier Bit erforderlich.
Zum Übertragen
von vier Informationsbits ist in ähnlicher Weise ein 16-Bit-Spreizcode
erforderlich, wobei zum Übertragen
von fünf
Informationsbits ein 32-Bit-Spreizcode erforderlich ist, wobei zum Übertragen
von sechs Informationsbits ein 64-Bit-Spreizcode erforderlich ist, etc.
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Die
Abbildung aus 4 zeigt ein Blockdiagramm, welches
das oben genannte Modulations- und Demodulationsverfahren in einer
Umgebung mit mehreren Benutzern implementiert. Die sendende Vorrichtung 400 weist
eine Tabelle orthogonaler Spreizcodes 410 auf, wie zum
Beispiel von Walsh-Codes. Der Einsatz orthogonaler Spreizcodes ermöglicht es,
dass jedem Benutzer ein anderer Spreizcode zugewiesen bzw. zugeordnet
wird, wobei keine zwei Benutzer den gleichen Code aufweisen. Zum
Beispiel entspricht der erste Spreizcode (Code 1) 411 dem
Benutzer 1 450, wobei der zweite Spreizcode (Code
2) 412 dem Benutzer 2 460 entspricht, usw.,
bis zu Code n 415 und Benutzer n 490. Wenn ein
Signal übermittelt
werden soll, wird der Spreizcode für den gewünschten Benutzer 420 ausgewählt. Das
Informationssignal 430 wird danach unter Verwendung der
codierten Codes 440 aufgespreizt, wie dies vorstehend im
Text beschrieben worden ist. Danach wird das Signal übermittelt.
Das übermittelte
Signal wird danach von mehreren Benutzern empfangen. Jeder Benutzer
(450, 460) weist Korrelatoren (451, 461)
auf, die dem Spreizcode entsprechen, der dem jeweiligen Benutzer
(411, 412) zugewiesen ist, wobei ein Bit gemäß dem Wert
des Signals invertiert ist, wie dies vorstehend im Text beschrieben
worden ist. Wenn das Signal für
den Benutzer gedacht ist, so finden die Korrelatoren eine Übereinstimmung
und das Signal wird herausgefiltert oder demoduliert.