NO167839B - Mottager. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en mottager for båndspredte signaler. Båndspredte signaler er signaler hvor en høyfrekvent bærebølge er kodet med en psevdo-statistisk kode (heretter kalt PRC). Denne kode for spektrumspredning er modulert med et modulasjonssignal som brukes til dataoverføring. Modulasjonssignalet er ofte et digitalt signal. I dette tilfelle har således et første digitalt signal - PRC - for dataoverføring fått overlagret ytterligere et digitalt signal. De to digitale signalers taktfrekvens er som regel svært forskjellig.

Den psevdo-statistiske kode - PRC - som brukes til båndspredning på sendersiden, er lagret i mottageren". I mottageren foreligger dessuten en taktgenerator, som avgir et taktsignal som styrer utlesning av koden fra en lagerenhet. Taktsigna-lets fase må reguleres slik at PRC, som er lagret i mottageren, og det mottatte signals PRC opptrer sammenfallende i tid. Ut fra faseforskyvningen mellom mottatt og lagret PRC, kan mottagerens avstand fra senderstasjonen bestemmes.

JTTDS (Joint Tactical Information Distribution System) og GPS (Global Positioning System) er eksempler på systemer der båndspredte signaler tas i bruk.

GPS er beskrevet i Navigation, Journal of the Institute of Navigation, bd. 25, nr. 2, sommeren 1978, sider 121 til 146, "GPS Signal Structure and Performance Characteristics" av J. J. Spilker jr.

På sidene 139-146 i GPS-publikasjonen er det beskrevet mottagere for båndspredte signaler. Det er imidlertid svært krevende å realisere disse mottagere.

Foreliggende oppfinnelse går ut på å tilveiebringe en mottager for båndspredte signaler som lar seg realisere på en teknisk enkel måte.

Denne oppgave løses ved de trekk som er angitt i krav 1. Fordelaktige videreføringer fremgår av de uselvstendige krav.

Realiseringen av den nye mottager muliggjør en meget høy intégrasjonsgrad.

En stor del av funksjonene kan utføres av en datamaskin. Ved den nye løsningen krever realiseringen av den høyfrekvente del bare ringe, innsats. Spesielt kreves ikke frekvens- og amp-lituderegulering. Mottageren kan på en enkel måte utvides slik at den ved tidsmultipleks kan ta opp forbindelse med flere satelitter, noe som spesielt er nødvendig når den realiseres som GPS-mottager. Det oppbud som kreves til dette er svært lite.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel under henvisning til tegningen, hvor

fig. la-lc viser diagrammer som illustrerer et båndspredt signal,

fig. 2 er et blokk-skjema av den nye mottageren og

fig. 3a-d viser diagrammer som illustrerer mottagerens funksjonsmåte.

For generering av et båndspredt signal moduleres en høyfrekvent bærerbølge (fig. la), som eksempelvis har en frekvens på 1 GHz, med en psevdo-statistisk kode, PRC, (fig. lb), som består av signalene "0" og "1" og har en taktfrekvens på f. eks. 1 MHz. Avhengig av om PRC viser en 0 eller en 1, forblir bærerbølgens fase uforandret eller den forskyves 180°. Det således genererte signal (fig. lc) betegnes i det følgende som bærersignal.

Dette signal kan brukes til avstandsmåling ved GPS.

Hvis fasen til den PRC som er lagret i mottageren reguleres slik at de to PRC igjen er sammenfallende i tid, kan avstanden beregnes på i og for seg kjent måte.

Hvis det skal overføres data ved hjelp av det båndspredte signal, blir bærersignalet for dette formål modulert med det signal som inneholder data. Modulasjonssignalet kan likeledes være et digitalt signal. I dette tilfelle overlagres den digitale PRC med ytterligere et digitalt signal. De to digitale signalers taktfrekvenser bør fortrinnsvis skille seg klart fra hverandre. Taktfrekvenser på 1 MHz og 50 Hz er egnede verdier.

Et kjent system hvor det benyttes båndspredte signaler er som nevnt GPS. Ved GPS skjer både avstandsmåling og data-overføring .

I en kjent GPS-mottager, f.eks. kjent fra det angitte litteratursted, skjer en regulering av den lagrede PRC's fasestilling. Til dette er det eksempelvis anordnet en såkalt "t-dither"-reguleringssløyfe eller en tidlig/sent-regulerings-sløyfe. Videre er det anordnet en Costas-reguleringssløyfe, hvor I- og Q-andelen av det modulerte bærersignal dannes (etter egnet signalbehandling; f.eks. omformning til mellomfrek-vensverdi) og hvor modulasjonssignålet gjenvinnes.

Ved den nye mottager er reguleringskriteriene de samme som ved en kjent mottager, men den skiller seg fra de kjente i det vesentlige ved sin realisering. Da reguleringskriteriene i og for seg er kjent, blir de ikke nærmere omtalt i den etterfølgende beskrivelse.

I forbindelse med nedenstående beskrivelse vises til fig. 2 og 3. Signalet mottas av en antenne 1 og går til en høyfrekvens-del 2. Frekvensomformning til kHz skjer i en et-terfølgende mellomfrekvens-del 3. Mellomfrekvensen er valgt slik at den fortsatt vil være lik null når det maksimalt forventede dopplerskift finner sted. Mellomfrekvenssignalet digitaliseres i en digitaliseringskrets 4 på en slik måte at det digitale signal har verdien 1, når en terskelverdi blir overskredet, og at det har verdien 0, når denne verdi ikke er overskredet. Amplituden null er egnet som en mulig terskelverdi .

Det mottatte bærersignal som er modulert med data, er overlagret et støysignal med en amplitude som ligger ca. 20 dB over det modulerte bærersignalets amplitude. Hvis det ikke foreligger noe bærersignal, er antallet O-er og 1-ere likt i det digitaliserte signal. Dette digitaliserte signal blir multiplisert med PRC i en multipliserer 5 og det således genererte signal blir avsøkt i en sampl ingsanordning 6 med dobbelt frekvens i forhold til den frekvens med hvilken PRC blir lest ut av lagerenheten. Det signal som genereres ved sampling er vist i fig. 3c

Etter multiplisereren 5 vil signalet ikke lenger ha lik fordeling av O-er og 1-ere, hvis bærersignalet foreligger, med eller uten modulasjonssignal for dataoverføring. Fordelin-gen av hyppigheten av O-er og 1-ere endres da med bærersignalets mellomfrekvens (fig. 3a og 3b), dvs med 5 kHz, når det mottatte signal ikke er utsatt for et dopplerskift, eller med en frekvens mellom 500 Hz og 9,5 kHz ved de forventede doppler-frekvenser.

Signalet som er generert ved sampl Ing^ ledes til en teller 10. Hvis det ikke foreligger noe bærersignal, øker tel-lerstanden lineært - som vist med stiplet strek i fig. 3d -, men hvis det foreligger et bærersignal med eller uten modulasjonssignal, gir tellerstandens tidsmessige forløp (vist med heltrukket strek i fig. 3d) en linje med en stigning som vek-selvis er større og mindre enn den stiplede strekens stigning. Disse tellerstander ledes kontinuerlig til de to multipliserere 12 og 13. Disse multipliserere mottar til enhver tid et signal som er generert i en taktgenerator 15 og består av en regelmes-sig sekvens av +1 og -1. Taktfrekvensen er lik mellomfrekvensen, dvs dopplerskiftet - såfremt det foreligger - inngår i den. Signalet til multiplisereren 13 er forskjøvet en fjerdedels periode av mellomfrekvenssignalet overfor multiplisereren 12. Utgangssignalene fra de to multipliserere svarer til de nevnte I-og Q-andeler av signalene, slik som de også genereres ved de kjente mottagere, og de blir også her, ved den nye mottager brukt til generering av reguleringssignaler.

I summeringskretser 16 og 17 dannes til enhver tid en sumverdi for hver periode av taktsignalet som genereres i takt-• generatoren 15. Det gjelder summene

hvor addendene til enhver tid er tellerstandene i de tidspunkter som er angitt i parentes. I fig. 2 er de styreledninger som sikrer at tellerstandene viderebearbeides i de ønskede tidspunkter ikke vist, da det er fagmessig viten å komplettere kretsen ifølge fig. 2 tilsvarende, når dens funksjon er kjent.

I en multipliserer 19 blir summene I og Q multiplisert med hverandre og de verdier som-genereres ved multiplikasjonen blir ført til et digitalt lavpassfilter 32. Utgangssignalet fra lavpassfiltret 32 regulerer taktgeneratorens 15 frekvens og fase slik at dens utgangssignal har samme fase og samme frekvens som bærersignalet som er omformet til mellomfrekvens-verdi. Ved hjelp av multiplisererne 12, 13, 19» summeringskretsene 16, 17, lavpassfiltret 32, taktgeneratoren 15 og faseforskyvningsanord-ningen 14 dannes en Costas-reguleringssløyfe. I regulert til-stand representerer sekvensen av tallverdier I som avgis av summeringskretsen 16 modulasjonssignalet, fra hvilket de data som er overført ved hjelp av modulasjonssignalet utvinnes på kjent måte i en (ikke vist) bedømmelsesinnretning.

Verdiene I og Q blir ikke bare ført til multiplisereren 19» men også til kvadreringskretser 18 og 20, hvor disse verdier til enhver tid blir kvadrert. Kvadratene av disse verdier summeres i en summeringskrets 21 og summene, som er et bilde på bærersignalets amplitude, blir avvekslende (22) ført til et første 23 og et andre 24 digitalt lavpassfilter. Overgangene skjer i samme takt som utlesningen av PRC fra lagerenheten 7 blir omkoplet ("dither"-frekvens, 125 Hz). Utgangssignalene fra lavpassfiltrene 23, 24 går til en prosessor 25, hvor summene og differansene ;av disse verdier beregnes. Ut fra dette bestemmes på i og for seg kjent måte et styresignal, som styrer fasen av taktsignalet som genereres i en taktgenerator 9 og som (etter deling av takten med to i en deler 8) styrer utlesningen av PRC fra lagerenheten 7)'. Taktgeneratorens 9 taktsignal er dessuten taktsignal for sampl ingskretsen 6. Fasereguleringen skjer slik at den PRC som er lagret i mottageren har samme fasestilling som PRC i det mottatte signal. Den tidsmessige stilling av PRC, med henblikk på en referansetid, er proporsjonal med avstanden mellom mottageren og sendestasjonen og blir derfor likeledes ført til den ikke viste, bedømmelsesinnretning.

Taktgeneratoren 9» deleren 8, lagerenheten 7, samplings-anordningen 6, telleren 10, multiplisereren 12, summeringskretsene 16, 17, kvadreringskretsene 18, 20, summeringskretsen 21, lavpassfiltrene 23, 24 og prosessoren 25 danner en i og for seg kjent tidlig/sent-reguleringssløyfe. For realisering av denne reguleringssløyfe vil - i tillegg til de ovennevnte forholdsreg-ler - taktsignalet som avgis av taktgeneratoren, som kjent fra det siterte GPS-litteratursted, periodevis (taktfrekvens 125 Hz) bli påskyndet henholdsvis forsinket med til enhver tid en takt. Dette styres av prosessoren.

Med henblikk på blokk-skjemaet i fig. 2, gjelder det samme for tidlig/sent-reguleringssløyfen som for Costas-regu-leringssløyf en, dvs at de taktsignaler som tvangsmessig frem-kommer fra den omtalte funksjon ikke er vist, da en slik supplering er kjent for fagfolk.

Det vil likeledes være kjent for fagfolk, hvordan de enkelte komponentgrupper skal realiseres. Således kan f.eks. multipliseringskretsen 5 være en eksklusiv ELLER-port. Samp-li ngsk retsen 6 realiseres på en spesielt hensiktsmessig måte som J-K flip-flop, som mottar den nødvendige takt fra taktgeneratoren 9» Ettersom tallverider blir bearbeidet på flere ste-der, er det også mulig å realisere noen av de nevnte komponent-gruppene ved en prosessor.

I ovenstående beskrivelse har det vært tale om en PRC. Ved GPS er hver satelitt (det er senderstasjonene) tilordnet

en spesiell PRC. For navigasjon må avstandene til flere satelitter måles samtidig eller i det minste like etter hverandre. Ved den nye mottager kan dette skje på en fordelaktig måte

med tidsmultipleks. Til dette kreves at de psevdo-statistiske koder for de ønskede satelitter er lagret i mottageren. Etter et millisekund koples til enhver tid fra den ene til neste

PRC, og under disse perioder blir de ovenfor omtalte regulerin-ger til enhver tid gjennomført. Styrekretsens påkopling til al-le ønskede satelitter forblir opprettholdt og datamodulasjonen av signalene som mottas fra alle satelitter er mulig uten av-brudd.

Claims (6)

1. Mottager for modulerte, båndspredte bærersignaler, hvor det skjer en synkronisering av den kode som er lagret i mottageren og som på sendersiden benyttes til båndspredning, med det mottatte signals båndspredningskode, hvor modulasjo-nen av det mottatte signal blir gjenvunnet, og som omfatter reguleringskretser hvor det for regulering genereres I- og Q-andeler av det modulerte bærersignal, karakterisert ved at det mottatte signal blir digitalisert (4) på en slik måte at det digitale signal, avhengig av om det signal som skal digitaliseres overskrider eller underskrider en terskelverdi, har en første eller en andre verdi, at det digitale signal multipliseres (5) med den kode som er lagret (7) i mottageren, at det signal som er generert ved multiplikasjonen blir samplet (6), at de signaler som genereres ved sampling blir tilført en teller, at det av tellerstandene dannes en første sum I = -Z (0) + 2Z (tt) - Z (2tt) og en andre sum Q = -Z(0) + 2Z (J) - 2 Z (|^) + Z(2n) eller summer, som er lik et multiplum eller en brøkdel av disse, hvor addendene til enhver tid er tellerstandene i de tidspunkter som er angitt i parentes med 2n lik perioden av det signal som skal digitaliseres, og at de tidsmessige sekvenser av de to summene er I- og Q-andelene, og at disse på i og for seg kjent måte viderebearbeides for regulering.

2. Mottager som angitt i krav 1, karakterisert ved at de digitale signaler består av verdiene "0" og "l" eller "+l" og "-1".

3. Mottager som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at det mottatte, modulerte bærersignal . før digitalisering blir omdannet til mellomfrekvens-verdi.

4. Mottager som angitt i et av kravene 1-3, karakterisert ved at telleren periodevis blir tilbakestilt.

5. Mottager som angitt i et av kravene 3 eller 4, karakterisert ved at teller-utverdiene multipliseres med pulssekvenser som innbyrdes er forskjøvet med en fjerdedels periode av mellomfrekvens-signalet og som består av verdiene " + 1" og "-1" (12, 13).

6. Mottager som angitt i et av kravene 1-5, karakterisert ved at sampl ingskretsen (6) er en J-K flip-flop.