SE506622C2 - Metod för direktsekvensbandspridning (DSSS) av en datasekvens - Google Patents

Description

506 622 2 10 15 20 25 30 35 Spridningskodema i DSSS-system skapas ofta av binära återkopplade skiftregister.

Kodema är av typen binära pseudoslumpsekvenser (PN-sekvenser) och finns i flera olika utföranden. Bäst egenskaper har de s k maximallängdssekvensema. Proble- met med dem är att för en given längd på sekvens finns det ett begränsat antal olika sekvenser. För att ha fler sekvenser att välja bland brukar man använda kombinationer av två eller flera maximallängdssekvenser, s k gold-sekvenser.

Dessa sekvenser får dock betydligt sämre korrelationsegenskaper.

För att utöka mängden sekvenser med goda korrelationsegenskaper har på senare tid även kaosgenererade sekvenser föreslagits till kommunikationssystem, se Heidari-Bateni och McGillem, "A Chaotic DSSS Communication System", IEEE Transaction on Communication, Vol. 42, Feb./Mars/Apr. 1994. De alstrade kaossekvensema är icke-binära, dvs de kan anta många olika värden inom ett intervall. En fördel med kaosgenererade sekvenser är att man kan åstadkomma ett mycket stort antal olika sekvenser med låg korskorrelation, vilket är bra i CDMA till- lämpningar och för smygradio. En annan fördel är att en kaossekvens är mycket lätt att generera, Man behöver i flera fall bara spara en konstant samt föregående värde för att alstra nästa värde, se H.G. Schuster, "Deterministic Chaos, An Intro- duction", Physick-Verlag GmbH., 1984, till vilken hämted hänvisas. I ovan nämnda artikel av Heidari-Bateni och McGillem har kaossekvensens värden fått amplitud- modulera en bärvåg och den resulterande signalen har visat sig vara bättre ur LPI- synpunkt än traditionell DSSS.

Pulsforrnning av datapulserna och spridningskoden har föreslagits i t ex Mark A Wickert et al., "Practical Limitations in Limiting the Rate-Line Detectability of Spread Spectrum LPI Signals", Proceedings of MILCOM, Monterey, 1990, för att minska detekteringssannolikheten av DSSS-signalen i LPI-sammanhang. Det är konstaterat att det framför allt är frekvenskomponentema över halva spridningssekvenstakten som gör att signalen lätt blir upptäckt med hjälp av en kvadrerande detektor eller fördröj-och-multiplicera detektor (eng. Delay-and-Multiply Detector), vilka är de tro- ligaste detektorema för signalspaning mot DSSS-signaler. Man försöker därför filt- rera bort dessa högre frekvenskomponenter.

Föreliggande uppfinning anger ett annat sätt att förbättra de spektrala egenska- pema för olika tillämpningar inom områdena smygradio (LPI) och frekvensdelning i fleranvändarsystem, men är inte begränsad till dessa tillämpningsområden utan 10 15 20 25 30 35 506 622 avses omfatta alla områden där liknande problem ställs. Uppfinningens särdrag anges i patentkraven.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritningar, där visar schematiskt en känd princip för BPSK DSSS, visar schematiskt en utföringsform av en sändare enligt uppfinningen fig. 1 fig. 2 och fig. 3 visar schematiskt en utföringsforrn av en mottagare enligt uppfinningen.

Grundläggande vid uppfinningen är att spridningssekvensen skapas i en takt som betydligt överstiger behovet för att erhålla en viss önskad spridningsbandbredd, och att sekvensen eller den modulerade signalen därefter filtreras till önskad sprid- ningsbandbredd.

I den föreslagna uppfinning filtrerar man mycket kraftigt med syftet att spridnings- symbolerna efter filtreringen ska anta värden mellan de sekvensvärden som alstras av spridningskodgeneratorn och skapa ett beroende mellan många på varandra följande sekvensvärden. Detta är något helt annat än den i kända DSSS-system vanligt förekommande måttliga filtrering av den utsända signalen som utförs för att förbättra spektralegenskapema. Denna måttliga filtrering medför endast att de ut- sända spridningspulsema avrundas något utan att de deformeras för mycket.

I figur 1 visas schematisk ett exempel på ett system med känd teknik för direkt- sekvensbandspridning. Datakällan 12 lämnar binärvärda data d(t) till en modulator 13 vilken BPSK modulerar en bärvåg. Den modulerade signalen s(t) multipliceras med en spridningssekvens i en multiplikator 14. Spridningssekvensen, bestående av symbolerna 11, alstras av en PN-generator 11 i en takt som grovt sett ger sprid- ningsbandbredden WSS för systemet. Den bandspridda signalen x(t) överförs på en godtycklig kanal till mottagaren, där den mottagna signalen y(t) multipliceras i en multiplikator 16 med en sekvens, alstrad i en PN-generator 19, som är identisk med spridningskoden. Spridningskodens inverkan på signalen försvinner då eftersom c2(t) = 1. Den avspridda signalen r(t) demoduleras i en demodulator 17 och återska- pade data som är ett estimat av ursprungliga data, matas till datasänkan 18. soe 622 4 10 15 20 25 30 35 Utförs det kända DSSS systemet i analog teknik kan BPSK modulatom 13 och multiplikatorema 14 och 16 utgöras av diodringblandare. Till modulatorn 13 tillförs, förutom data, den önskade bärvågen alstrad i en oscillator. Mottagarens demodula- tor 17 tillförs också en sinussignal vilken är faslåst till bärvågen i y(t). l övrigt kan demodulatom också bestå av en diodringblandare, en integrator och en besluts- krets. PN-generatorema 11 och 19 kan utföras med digitala kretsar som återkopp- lade skiftregister. Återkopplingsmönstret och startvärdet är lika för sändarens och mottagarens PN-generatorer.

Altemativt kan systemets signalbehandling i enhetema 11, 13, 14, 16, 17 och 19 utföras i digitalteknik, med tex en digital signalprocessor (DSP) eller med en appli- kationsspecifik integrerad krets (ASIC). Med en sådan implementeringen tillkommer digital/analog-omvandling av x(t) och analog/digital-omvandling av y(t). Ett exempel på en krets som innehåller de flesta funktionerna i en mottagare enligt ovan är PA- 100 "Spread Spectrum Demodulator ASlC" från Loral Corporation.

Generellt gäller att signalen x(t) skall förstärkas och eventuellt filtreras innan den tillförs kanalen 15. Mottagaren förstärker och frekvensfiltrerar fram y(t) innan den avsprids i 16.

En sändare enligt uppfinningen kan principiellt utföras som i figur 2. Data som ska överföras från datakällan 23 modulerar en bärvåg i en modulator 24. Modulatorn kan vara utförd för olika brukliga modulationsformer t ex BPSK, QPSK eller MSK (Minimum Shift Keying). Signalen s(t) får sin fas ändrad i fasroteraren 25 styrd av signalen c(t). Fasändringen ligger inom intervallet n. Den sålunda modifierade signalen x(t) överförs via något medium till mottagaren. Bandbredden på signalen c(t) är betydligt större än s(t) vilket leder till den önskade bandspridningen. Sprid- ningssignalen c(t) skapas genom samverkan av sekvensgeneratom 21 och filtret 22. Sekvensgeneratom 21 kan, men behöver inte, vara utförd som en kaosgenera- tor. Sekvensgeneratom lämnar ett nytt utvärde i en takt som är k gånger större än den takt som motsvarar den önskade spridningsbandbredden Wss. Filtret 22 låg- passfiltrerar sekvensen och formar signalen c(t), vilken har en bandbredd motsva- rande spridningsbandbredden Wss. Oberoende av om sekvensgeneratom lämnar binära eller mångnivå sekvenser så kommer signalen c(t) att ha många möjliga nivåer efter filtreringen.

Utförs sändaren enligt ovan och modulationsmetoden i 24 väljs till någon med' konstant amplitud, t ex BPSK eller MSK, så kommer den modulerade och band- 10 15 20 25 30 35 O' l CZ) O\ O\ N) N) spridda signalen x(t), som ska överföras också att ha konstant amplitud. Detta är en egenskap som är mycket önskvärd i sammanhang där man vill använda strömsnåla olinjära förstärkare. Om förhållandet mellan bandbredden på signalerna s(t) och c(t) är stort (stor spridningsfaktor) så kommer bandbredden på x(t) att i stort bestämmas av överföringsfunktionen i filtret 22. Detta utförande är mycket Iämpligti cellradio- sammanhang.

Mottagaren kan principiellt utföras som i figur 3. Sekvensgenerator 31 och filter 32 är identiskt lika med sändarens motsvarande enheter 21 och 22. Sekvensgenera- tom 31 har även samma kodnyckel som sändarens sekvensgenerator 21. Den i sekvensgeneratorn 31 alstrade sekvensen är synkroniserad till y(t) vilket är den mottagna och i transmissionsmediet fördröjda utsända signalen x(t). Den alstrade replikan av signalen c(t) teckenvänds i inverteraren 33 innan den får styra fasrotera- ren 36. Altemativt ingår inverteraren 33 i fasroteraren 36. Den bandspridda signalen y(t) blir avspridd i fasroteraren 36 och signalen r(t) innehåller bara den ursprungliga modulerade bärvågen. I demodulatorn 35 återskapas data med gängse teknik för vald modulationsmetod och matas till datasänkan 34.

Den tekniska implementeringen av föreslagna metoder kan, till stor del, utföras med digital signalbehandling i digitala signalprocessorer eller ASIC. På samma sätt som i beskrivningen av det kända systemet, tillkommer digital/analog-omvandling av x(t), analog/digital-omvandling av y(t) och att signalen x(t) förstärks och eventuellt filtre- ras innan den tillförs kanalen. Mottagaren förstärker och frekvensfiltrerar fram y(t) innan den avsprids i fasroteraren 36.

Kaosgeneratorerna 21 och 31 kan, i t.ex. en DSP, utföras med hjälp av den s.k. logistiska funktionen xn-l-l = kxn _xr|)' se ovannämnda bok av H.G. Schuster. Beräkningsnoggrannheten i använd DSP avgör hur lång sekvensen kan bli innan den upprepar sig. Filtren 22 och 32, vilka bestämmer spridningsbandbredden Wss, kan vara digitala lågpassfilter av typen FIR (Finite lmpuls Response) eller llR (Infinite lmpuls Response). Viktigt är att sän- darens och mottagarens kaosgeneratorer och filter är utförda på exakt samma sätt och med exakt samma numeriska precision. 506 10 15 622 Fasrotationen i 25 respektive 36 kan utföras matematiskt som en komplex multipli- kation av den I-Q uppdelade signalen s(t) respektive y(t). Alternativt kan den bär- vågssignal som tillförs modulatom 24 respektive demodulatom 35 fasändras. Den erforderliga sinussignalen kan skapas i en krets för Direkt Digital 'Syntes (DDS) och där dess fas ändras styrt av c(t). Ett exempel på en krets som har de önskade funk- tionema komplex multiplikation och faskontrollerbar signalgenerering är HSP45116 "Numerical|y Controlled Oscillator/Modulator' från Harris Semiconductor.

Ett altemativt utförande av sändaren är att skapa två oberoende spridningssignaler c(t) respektive c'(t), vilka får modulera s(t):s realdel och lmagínärdel (I-Q modulering) i en komplex multiplikator. Detta kan utföras genom att man dubblerar sekvens- generatom 21 och filtret 22 så att två signaler c(t) respektive c'(t) skapas. Fasrotera- ren 25 ersätts av en komplex multiplikator där den komplexa signalen s(t) multiplice- ras med c(t) som realvärde och c'(t) som imaginärvärde. l detta utförande kommer inte signalen x(t) att ha konstant amplitud, men möjlighetema att forma spektrumet av x(t) blir ännu bättre. Wss bestäms entydigt av överföringsfunktionen i filtren 22.

Detta utförande, speciellt med sekvensgeneratorer av kaostyp, är särskilt lämpligt för LPI-system.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 7 506 622 Patentkrav:

1. Metod för direktsekvensbandspridning av en datasekvens (d(t)) eller en module- rad datasekvens (s(t)), med en eller flera spridningssekvensgeneratorer (21) i sän- daren och motsvarande sekvensgeneratorer (31) i mottagaren, k ä n n e t e c k - n a d a v att sekvensgeneratorema lämnar nya utdata i en takt väsentligen över- stigande den som erfordras för att i sändaren erhålla en viss önskad spridnings- bandbredd, att spridningssekvensen eller spridningssekvensema (c(t)) bringas att bandsprida datasekvensen (d(t)) eller den modulerade datasekvensen (s(t)), samt att den önskade spridningsbandbredden erhålls genom så kraftig filtrering i band- begränsande filter (22) att ett beroende mellan många på varandra följande sekvensvärden skapas.

2. Metod enligt patentkravet 1, k ä n n e te c k n a d a v att spridningssekven- sen eller spridningssekvenserna (c(t)) är kaossekvenser genererade av en kaos- generator (21 ,31).

3. Metod enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att den utnyttjar endast en sekvensgenerator (21) i sändaren, vars genererade sekvens, efter filtre- ring i nämnda bandbegränsande filter (22), bringas att modulera datasekvensens bärvågs fas, varefteri mottagaren motsvarande sekvensstyrda fasvridning sker med motsatt tecken.

4. Metod enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att den utnyttjar endast en sekvensgenerator (21) i sändaren, vars genererade sekvens bringas att modulera datasekvensens bärvågs fas, varpå den modulerade datasekvensen (s(t)) filtreras i nämnda bandbegränsande filter (22), varefter i mottagaren motsvarande sekvensstyrda fasvridning sker med motsatt tecken.

5. Metod enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att den utnyttjar två sekvensgeneratoreri sändaren, varsgenererade sekvenser, efter filtrering i nämnda bandbegränsande filter, bringas att modulera datasekvensens bärvågs realdel respektive imaginärdel (l och Q modulering), varefter i mottagaren mot- svarande sekvensstyrda fasvridning sker med motsatt tecken.

6. Metod enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att den utnyttjar två sekvensgeneratorer i sändaren, vars genererade sekvenser bringas att module- ra datasekvensens bärvågs realdel respektive imaginärdel (l och Q modulering), 506 622 varpå den modulerade datasekvensen (s(t)) filtreras i nämnda bandbegränsande filter, varefteri mottagaren motsvarande sekvensstyrda fasvridning sker med mot- satt tecken.