FI94304C - Menetelmä suorasekvenssihajoitusta käyttävän hajaspektrivastaanottimen automaattiseksi vahvistuksen säätämiseksi ja menetelmää soveltava vastaanotin - Google Patents

Description

94304

Menetelmä suorasekvenssihajoitusta käyttävän hajaspektri-vastaanottlmen automaattiseksi vahvistuksen säätämiseksi ja menetelmää soveltava vastaanotin 5 Tämän keksinnön kohteena on menetelmä suorasekvens sihajoitusta käyttävän hajaspektrlvastaanottlmen automaattiseksi vahvistuksen säätämiseksi, jossa vastaanottimen vahvistinta säädetään digitaalisen AGC-järjestelmän avulla, sekä menetelmää soveltava vastaanotin.

10 Suorasekvensslhajaspektritekniikka eli DS-haja- spektritekniikka (DS=Direct Sequence) on tietoliikennemene-telmä, jossa lähetettävä informaatio moduloidaan valesatun-naiskoodilla, ja jossa koodisignaalin kaistanleveys on suurempi kuin informaation kaistanleveys. Kullakin lähettä-15 väliä asemalla on yleensä oma satunnais- eli DS-koodinsa, joita vastaten vastaanottavalla asemalla, kuten tukiasemalla on vastaava ns. korrelaattori. Vastaanotossa valesatun-naiskoodi on purettavissa korrelaattorilla tuntemalla lähetyksessä käytetty koodi.

20 Hajaspektritekniikan käyttö koodijakomonikäyttö- eli CDMA-solukkopuhelinjärjestelmissä (CDMA=Code Division Multiple Access), tulee olemaan tekniikan ensimmäisiä kaupallisia sovellutuksia. CDMA- verkossa useat liikkuvat asemat (esim. radiopuhelimet) käyttävät samanaikaisesti samoja . 25 lähetys- ja vastaanottotaajuuksia kommunikoidessaan tukiaseman kanssa.

CDMA- radioverkoissa maksimaalinen käyttäjämäärä saavutetaan, kun kaikkien liikkuvien asemien lähetteet vastaanotetaan tukiasemalla samantehoisina. Tämän takia on 30 välttämätöntä, että liikkuvien ja kiinteiden asemien sig-naalivoimakkuuksia seurataan ja säädetään laitteiden lähe-tys- ja vastaanottoparametreja vastaavasti. Lisäksi kaikissa vastaanottimissa on tärkeää pitää vastaanotettu signaa-litaso vastaanottimen lineaarisella toiminta-alueella. Nämä 35 vastaanottimiin liittyvät tehtävät hoidetaan esim. auto- 94304 2 maattisella vahvistuksen säädöllä (AGC), jossa radiovas-taanotin säätää vahvistustaan vastaanottamansa signaalite-hon mukaan siten, että kun vastaanotettu teho kasvaa, vahvistusta pienennetään ja päinvastoin.

5 Kirjallisuudessa esitetyt hajaspektrijärjestelmien automaattisen vahvistuksen säätösysteemit muodostuvat yleensä puhtaasti analogisesta AGC-silmukasta, digitaalisesta silmukasta, tai näiden yhdistelmästä.

Analogisessa silmukassa vastaanotetun signaalin 10 tehonilmaisu tapahtuu yleensä koostamattomasta analogisesta RF- tai välitaajuussignaalista. Tämän menetelmän haittana on, että ilmaisu joudutaan tekemään vastaanotetusta koko-naistehosta, eikä vastaanottimelle tarkoitetulla hajoitus-koodilla moduloidun signaalin tehosta, eli hyötytehosta. 15 Tämä on haitallista esim. silloin, kun halutaan säätää lähettimen tehoa vastaanotetun hyötytehon perusteella, koska vertailukelpoista arvoa hyötyteholle ei saada. Lisäksi analogisen tehonilmaisun ongelmia ovat pieni ilmaisun dynaaminen tehoalue, ilmaisimen vaatima suhteellisen suuri 20 signaaliteho, sekä ilmaisimen epätarkkuus ja lähtösignaalin lämpötilaryömintä.

Digitaalisessa automaattisessa vahvistuksen säädössä (AGC) tehonilmaisu tehdään laskemalla näytteistetyn kompleksisen kantataajuussignaalin reaali- ja imaginääriosien . , 25 neliöiden summia. Tässä menetelmässä ei ole analogisen ilmaisun epätarkkuusongelmia, ja käytettävissä oleva dynaaminen alue riippuu mm. A/D-muuntimien sananleveydestä. Riippuen siitä, lasketaanko reaali- ja imaginääriosien neliöiden summat koostamattomista vai koostetuista kanta-30 taajuussignaalien näytejonoista, saadaan suure, joka on verrannollinen vastaanotettuun kokonais tehoon tai vastaanottimelle tarkoitetulla hajoituskoodilla moduloidun signaalin tehoon. Digitaalisessa AGC:ssä vastaanottimen vahvistusta säätäville elimille muodostetaan ohjaus digitaalisel-35 la signaalinkäsittelyalgoritmilla, jonka muuntelu on analo- 94304 3 gista ratkaisua helpompaa. Ongelmallisia digitaaliselle AGC:lle ovat tilanteet, joissa vastaanotetun signaalin voimakkuus kasvaa yli A/D-muuntimien dynaamisen alueen ja tapahtuu ylivuoto. Ylivuodon syynä voi olla esim. muiden 5 käyttäjien lähetteet tai häiriösignaalit. Ylivuodon jälkeen AGC-algoritmin on vaikea muodostaa vastaanottimen vahvistusta säätäville elimille järkevää ohjausta.

Edellä mainittuihin ongelmiin on yleensä käytetty jompaa kumpaa seuraavista kahdesta ratkaisusta: 10 1) asetetaan A6C:llä tai muulla tavoin vastaanotti men vahvistus sellaiseksi, että hyötysignaalin teho on vähintään prosessointivahvistuksen, eli PG:n verran pienempi kuin vastaanottimen dynaamisen alueen yläraja (määräytyy esim. A/D-muunninten dynaamisen alueen perusteella). Pro-15 sessointivahvistuksella tarkoitetaan DS-järjestelmässä vastaanotetun signaalin signaali/kohina- suhteen parannusta vastaanottimen spektrinkavennusprosessissa. PG ilmoitetaan yleensä desibeleinä.

2) asetetaan rajoitinvahvistin tai diodirajoitin 20 A/D-muunninten tuloon. Tällä voidaan leikata suuret signaa-litasot pois.

Edellisessä tapauksessa ongelmana on tilanne, jolloin PG on suuri. Tällöin hyötysignaalille jäävä A/D-muunninten dynaaminen alue jää helposti liian pieneksi ja kvan-. . 25 tisointikohina rajoittaa vastaanottimen suorituskyvyn.

Jälkimmäisessä tapauksessa ongelmia on kaksi: rajoitin aiheuttaa keskinäismodulaatiota eri vastaanotettujen sig-naalikomponenttien kesken sekä tieto vastaanotetusta koko-naistehosta menetetään. Keskinäismodulaatiokomponentit 30 saattavat pahimmillaan rajoittaa vastaanottimen suoritusky kyä .

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä suorasekvenssihajoitusta käyttävän hajaspektrivastaanottimen automaattiseksi vahvistuksen säätämiseksi, 35 jolla ei ole yllämainittuja puutteita. Tämän aikaansaami- , · 94304 4 seksi on keksinnön mukaiselle menetelmälle tunnusomaista se, että vastaanotetulle signaalille suoritetaan kynnyste-hoilmaisu RF- tai välitaajuussignaalista, jonka kynnyste-hoilmaisimen lähdön arova verrataan ennalta määrättyihin 5 ohjearvoihin, ja joiden arvojen erotuksista johdetuilla suureilla säädetään vastaanottimen vahvistusta kynnyste-hoilmaisun edellyttämään suuntaan ennen kuin signaali johdetaan digitaaliselle AGC-järjestelmälle.

Keksinnön perusajatuksen mukaisesti toteutetaan siis 10 kaksi toimintoa samanaikaisesti: 1) digitaalinen AGC-silmukka, eli säätöjärjestelmä: vastaanotetun signaalin tasoilmaisu tehdään näytteistetyis-tä kompleksisista kantataajuussignaaleista. Nämä signaalit voivat olla joko koostamaton tai koostettu tai molemmat 15 kantataajuussignaalit. Tasoja verrataan ohjearvoihin ja erotuksista johdetuilla suureilla säädetään vastaanottimen vahvistusta.

2) kynnystehoilmaisu ja vahvistuksen säätö: käsittää vastaanotetun RF-signaalin tai välitaajuussignaalin teho- 20 mittauksen sijoitettuina ennen digitaalisen AGC-silmukan vahvistusta säätäviä elimiä. Mikäli tämän tehomittauksen tulos osoittaa ennalta asetettua tasoa suurempaa tehoa, vastaanottimen vahvistusta pudotetaan ennalta asetetun askeleen verran.

. . 25 Kynnystehoilmaisuun liittyvä vahvistuksen säätö on eri asia kuin digitaalisen AGC:n yhteydessä toteutettu säätö, ja se sijaitsee kynnystehoilmaisun ja digitaalisen AGC:n vahvistuksensäätöelimen välissä.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla vältetään aiemmin 30 kuvatut hajaspektrivastaanottimen AGC:hen liittyvät ongelmat. Keksinnön tuloksena - saadaan tehokkaasti toimiva ja yksinkertainen vastaanottimen AGC, jolla vastaanotettu signaalitaso pysyy vastaanottimen lineaarisella toiminta-alueella. Tämä koskee 35 erityisesti vastaanotinketjun loppupäässä olevaa A/D-muun- v ·

II

94304 5 ninta tai A/D-muuntimia.

- hyödynnetään täysimääräisesti DS:n hajoitussuh-teesta tuleva PG. Keksinnön mukainen AGC huolehtii siitä, että vastaanottimen vahvistusta pudotetaan nopeasti jos 5 vastaanottimen vastaanottotaajuuskaistalle ilmestyy riittä vän voimakas häiriösignaali.

Keksintöä voidaan soveltaa mm. seuraavien järjestelmien vastaanottimissa: - sotilashajaspektritietoliikenne. DS-hajaspektri-10 tekniikkaa onkin näihin päiviin asti sovellettu pääasiassa sotilastietoliikenteessä.

- hajaspektritekniikkaa käyttävät mittausjärjestelmät (esim. radiokanavan impulssivastemittaus).

- CDMA-solukkopuhelinjärjestelmien liikkuvat asemat 15 ja tukiasemat. CDMA-solukkopuhelinverkot ovat suunnitteilla USA:ssa, mutta yhtään kaupallisesti toimivaa verkkoa ei ole vielä olemassa.

- CDMA-periaatteella toimivat langattomat tietokone-paikallisverkot (Cordless LAN).

20 - CDMA-periaatteella toimivat palo-, murto-, var kaus- ym. hälytysjärjestelmät.

Keksinnön mukaista menetelmää soveltavalle suorasek-venssihajoitusta käyttävälle hajaspektrivastaanottimelle, jonka vahvistusta säädetään digitaalisen AGC-silmukan avul-; . 25 la, on tunnusomaista se, että vastaanottimessa on kynnyste-hoilmaisin RF- tai välitaajuussignaalia varten, jonka kyn-nystehoilmaisimen lähdön arvo on verrattavissa vertailueli-meltä saataviin ohjearvoihin, ja että kynnystehoilmaisin sijaitsee vastaanotetun signaalin etenemistiellä ennen 30 digitaalista AGC-järjestelmää.

Keksinnön muille edullisille sovellutusmuodoille on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimer-35 kin avulla viittamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 94304 6 kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen DS-järjestelmän hajaspektrivastaanottimen radio-osien lohkokaaviota, kuvio 2 esittää yhtä mahdollista toteutusta kuvion 1 mukaiselle RX-etupäälle 3.

5 Kuvion 1 mukaisessa DS-järjestelmän hajaspektrivas- taanottimessa radiosignaali otetaan vastaan antennilla 1. Signaali ohjataan vastaanotinsuodattimen 2 kautta RX-etu-päähän 3. Se sisältää vahvistus-, suodatus- ja alassekoi-tustoiminnot niin, että RX-etupään lähtösignaalin keskitaa-10 juus on laitteiston välitaajuudella (IF). Alassekoituksen tarvitsema paikallisoskillaattori on RX-etupäässä 3. RX-etupää sisältää kynnystehoilmaisimen ja siihen liittyvän vahvistuksen säädön sekä digitaalisen AGC:n vahvistusta säätävän elimen. Kynnystehoilmaisimen lähdön arvosta kerto-15 va tieto viedään prosessorin ohjausväylää P myöten proses-soriyksikölle 9. Tämä on välttämätöntä, jotta prosessorilla on koko ajan tieto vastaanottimen kokonaisvahvistuksesta.

Välitaajuussignaali viedään kvadr a tuuri lohkoon 4. Se muuntaa välitaajuussignaalin kompleksisen kantataajuussig-20 naalin näytejonoksi. Tätä varten lohko 4 sisältää A/D-muun-nintoiminnon. Sekoitus välitaaj uudelta kant at aa j uudelle voi olla analoginen, jonka jälkeen kantataajuussignaalit näyt-teistetään ja saadaan näytejonot 11 ja Ql. Tässä tapauksessa lohko 4 sisältää myös tarvittavan paikallisoskillaatto-tr 25 rin. Toinen vaihtoehto on näytteistää suoraan välitaajuussignaali ja digitaalisella signaalinkäsittelyllä tuottaa näytejonot II ja Ql, jotka sisältävät edelleen DS-hajotus-koodin.

Näytteistetty kantataajuussignaali II, Ql viedään 30 spektrin koostamislohkoon 5. Siellä suoritetaan DS-koodi-vaiheen etsintä (acquisition) ja koodiseuranta (tracking) koodigeneraattorin 6 tuottaman koodin ja sen eri vaiheiden avulla (e=early, l*late, p=punctual). Koodivaiheen etsinnässä voidaan käyttää esim. liukuvaa korrelointia tai sovi-35 tettua suodatinta. Koodiseurantaan on kirjallisuudessa • 94304 7 esitetty monta menetelmää, yksi on viivelukkosilmukka. Kun koodivaihe on kohdallaan ja seurantasilmukka lukossa, saadaan lohkosta 5 koostettu kompleksinen kantataajuussignaali 12, Q2, joka sisältää vastaanotetun informaation.

5 Koostettu kantataajuussignaali viedään lohkoon 7. Se sisältää datademoduloinnin ja dekoodauksen. Nämä purkavat 12- ja Q2-näytejonoista informaatiobitit. Sama lohko suorittaa myös kantoaaltosynkronoinnin tuottamalla ohjaussignaalin, joka viedään lohkoon 4 ohjaamaan paikallisoskil-10 laattorin vaihetta tai A/D-muunnoksen tapahtumahetkeä.

Lohko 8 toteuttaa digitaalisen AGC-algoritmin. Mikäli vastaanotto on jatkuvaa, algoritmi hakee jaksollisesti peräkkäisistä aikaväleistä suureen I12+Q12 tai I2Z+Q22 tai molempien maksimiarvon ja voi keskiarvoistaa tai olla kes-15 kiarvoistamatta näitä maksimiarvoja useamman hakuvälin yli. Saatuja lukuja verrataan referenssiarvoihin ja näiden erotukset ohjataan säätöalgoritmiin, joka laskee ja toimittaa (väylä A) uudet ohjausarvot RX-etupään 3 vahvistusta muuttaville elimille.

20 Jos vastaanotettu radiosignaali on purskemaista, lasketaan purskeen alun synkronointijakson ajalta ohjausarvot edellä kuvatulla menetelmällä lohkon 3 vahvistusta muuttaville elimille. Nämä ohjausarvot ovat sitten vallitsevia koko purskeen ajan. Toinen vaihtoehto on laskea jat-25 kuvassa vastaanotossa kuvatulla tavalla suureen I12+Q12 tai

• * I

I2Z+Q22 tai molempien maksimiarvojen keskiarvot purskeen ajalta ja laskea näin uudet ohjaukset lohkon 3 vahvistusta muuttaville elimille seuraavan purskeen ajaksi. Uudet vah-vistusarvot voidaan asettaa purskeiden välillä.

30 Vastaanottimen lohkojen staattisia toimintaparamet- reja ohjaa prosessoriyksikkö 9 ohjausväylänsä P kautta. Se ' myös purkaa vastaanotetusta informaatiobittivirrasta sanomat.

Kuviossa 2 on esitetty yksi mahdollinen toteutus 35 kuvion 1 lohkolle 3. Vastaanotettu ja suodatettu RF-sig- ( · 8 94304 naali tuodaan vahvistimen 10 kautta sekoittimelle 11, jossa se sekoitetaan paikallisoskillaattorin 12 signaalin kanssa välitaajuudelle. Välitaajuussuodattimen 13 ja vahvistimen 14 jälkeen signaali jaetaan kahteen osaan lohkossa 15.

5 Toinen jaetuista signaaleista viedään kahden vahvistukseltaan säädettävän elimen 20 ja 21 kautta vahvistimelle 22 ja sieltä välitaajuuslähtöön. Elimet 20 ja 21 voivat olla joko vahvistukseltaan kuvion 1 ohjearvo-ohjauksella A säädettäviä vahvistimia tai vaimentimia tai molempia. Lohkosta 15 10 saatava toinen signaali viedään vahvistimen 16 kautta kynnys teho ilmaisimelle 17. Kynnystehoilmaisimen lähtösignaalia verrataan komparaattorissa 18 lohkolta 19 saatavaan vertailuarvoon. Mikäli tehoilmaisimen lähtösignaali on suurempi kuin vertailuarvo, lohkon 20 vahvistusta pudotetaan ennalta 15 määrätty määrä (huom. yhteys prosessorin ohjausväylään P). Kun RF-signaalitaso tulossa laskee niin paljon, että tehoilmaisimen lähtösignaali on alle vertailuarvon, vahvistus lohkossa 20 nousee jälleen alkuperäiseen arvoonsa. Periaatteen oikean toiminnan kannalta on tärkeää, että kynnyste-20 hoilmaisu sijoittuu ennen digitaalisen AGC-silmukan vahvistusta säätävää elintä 21.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yllä esitettyihin esimerkkeihin, vaan että ne voivat vaihdella jäljempänä olevien 25 patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä keksinnön mukainen vahvistuksen säätökonsepti sopii käytettäväksi esim. diver-siteettivastaanottimissa.

Claims (8)

94304 9

1. Menetelmä suorasekvenssihajoitusta käyttävän hajaspektrivastaanottimen automaattiseksi vahvistuksen 5 säätämiseksi, jossa vahvistusta säädetään digitaalisen AGC-järjestelmän (8) avulla, tunnettu siitä, että vastaanotetulle signaalille suoritetaan kynnystehoilmaisu RF- tai välitaajuussignaalista, jonka kynnystehoilmaisimen (17) lähdön arvoa verrataan ennalta määrättyihin ohjear- 10 voihin, ja joiden arvojen erotuksista johdetuilla suureilla säädetään vastaanottimen vahvistusta kynnystehoilmaisun edellyttämään suuntaan ennen kuin signaali johdetaan digitaaliselle AGC-järjestelmälle (8).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n- 15. e t t u siitä, että kynnystehoilmaisu tehdään koosta- mattomasta analogiasignaalista, jonka keskitaajuus on sama kuin vastaanotetun signaalin keskitaajuus.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kynnystehoilmaisu tehdään koostamat- 20 tomasta analogiasignaalista, jonka keskitaajuus on jollain vastaanottimen välitaajuudella.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kynnystehoilmaisu tehdään koostamat-tomasta analogiasignaalista, jonka keskitaajuus on muu kuin . 25 vastaanotetun signaalin keskitaajuus tai jokin vastaanotti- e · men välitaajuus.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kynnystehoilmaisimen (17) lähdön tilasta kertova tieto välitetään järjestelmän 30 kontrolleriyksikölle (9).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä suorasekvenssihajoitusta käyttävän hajaspektrivastaanottimen automaattiseksi vahvistuksen säätämiseksi, tunnettu siitä, että hajaspektrivastaanotinta käy- 35 tetään koodijakomonikäyttöympäristössä (CDMA). 94304 10

7. Patenttivaatimuksen 1 mukaista menetelmää toteuttava suorasekvenssihajoitusta käyttävä hajaspektrivastaan-otin, jonka vahvistusta säädetään digitaalisen AGC-silmukan avulla, tunnettu siitä, että vastaanottimessa on 5 kynnystehoilmaisin (17) RF- tai välitaajuussignaalia var ten, jonka lähdön arvo on verrattavissa vertailuelimeltä (19) saataviin ohjearvoihin, ja että kynnystehoilmaisin sijaitsee vastaanotetun signaalin etenemistiellä ennen digitaalista AGC-järjestelmää.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen hajaspektrivas- taanotin, tunnettu siitä, että kynnystehoilmaisi-men (17) antamien arvojen perusteella vahvistusta säätävä elin (20) sijaitsee kynnystehoilmaisimen (17) ja digitaalisen AGC-järjestelmämn vahvistuksensäätöelimen (21) välis-15 sä. • e 94304 11