SE513453C2 - Förfarande och anordning för bandspridningsteknik för undertryckning av markreflekterande vågor - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 r ||| 40 515 453 bart. q_ Exempel på utnyttjandebav bandspridningsteknik ges i patentskrifterna US 4761796, US 4926440, US 4862478 samt US 4903279. Informationsöverföring mellan bilar med infraröd eller mikrovàgssändare beskrivs i patent EP 357963. I detta patent är avsikten att fordon skall bibehålla sin plats sins- emellan vid konvojkörning.

Ett fullständigt bandspridningssystem av enklaste slag visas i figur 2. Signalen A(t) representerar den binärt modu- lerade signalen som innehåller den nyttoinformation som skall överföras. PN-sekvensen (pseudonoise-sekvens av maximal- längdstyp) är periodisk och har mycket större bandbredd än A(t), vilket är idén med denna typ av kommunikationssystem.

Kvoten mellan bandbredderna för den bredbandiga och smalban- diga signalen kallas spread spectrum gain (bandspridnings- vinst) som ger ett ungefärligt mått på signalstörningsför- hàllandet på mottagarens utgång om störningen är en band- spridd signal men med osynkroniserad PN-sekvens eller annan PN-sekvens än vad som används vid mottagaren. Utförs polvänd- ningar av den binära PN-sekvensen motsvaras detta av binär fasmodulation med vridning av fasvinkeln 180 grader.

Vid studier av avancerade väginformationssystem med informationsutbyte mellan bilar och/eller fasta celler har tillämpningar med räckvidder omkring 100 m visat sig använd- bara.

UPPFINNINGENS SYFTE Syftet med föreliggande uppfinning är att skapa en god kommunikationskanal fri från inverkan av markreflexer och andra reflexer. Vidare utnyttjas bärvàgsfrekvenser i området GHz med låga sändareffekter för att undvika skadliga effekter på människor. Fädning uppstår vid kommunikation mellan fordon i rörelse. Speciellt kan signalbortfall ske under relativt lång tid om kommunicerande fordon färdas med samma hastighet.

Vid trafikövervakning och trafikstyrning är det vidare av betydelse var olika fordon befinner sig i förhållande till varandra och att det föreligger behov att kunna mäta deras - inbördes avstånd och hastighet. Föreliggande uppfinning anvisar ett förfarande och en anordning för att lösa ovan beskrivna problem. 10 15 20 25 30 35 ||||4 40 513 453 5.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen är närmare angiven i átföljande patentkrav.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Figur 1 visar mottagen effekt uppmätt pà olika avstånd från en sändare.

Figur 2 visar ett bandspridningssystem med sändare och mottagare.

Figur 2b visar vàgformen Sa(t) pà kanalen.

Figur 3 visar schematiskt autokorrelationen för en PN- sekvens med längden N.

BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I det följande beskrivs ett system med mobila enheter och fasta enheter. Systemet utnyttjas för överföring av information mellan rörliga enheter eller fast enhet och mobil enhet. Informationen utnyttjas för information och styrning av de mobila enheterna. Till exempel kan fordonens färdväg ändras med hänsyn till trafiksituationen eller information ges om lämplig färdhastighet, vägförhàllanden etc.

Mobila enheter, i rörelse eller stillastående, utbyter information med varandra och/eller med fasta enheter utefter Den överförda färdvägen. information överförs med radiofre- kvenser i GHz-området. I den fortsatta beskrivning används en GHz.

Gchip/s för PN-sekvensen. Fasskiften behöver inte utföras bärvàg med frekvensen 60 Den binära takten är 1-6 exakt i bärvàgens nollgenomgàngar. Systemet utnyttjar låg effekt (1 mW - 1 W, företrädesvis kring 1 mW) medförande kort räckvidd. Detta minskar olägenheten av att spektrats ut- sträckning är stor. fiyttošignalen A(t) överlagras genom ytterligare en fasmodulering. Spread spectrum gain åstad- kommes genom att ett flertal perioder av PN-sekvensen rymmes mellan varje fasskift betingat av nyttosignalen.

I följande exempel gäller följande förutsättningar: Chipfrekvens 3 GHz Period PN-sekvens 4092 Informationstakt 300 Kbit/s Sändareffekt 1 mW 10 15 20 25 30 35 r v" 513 453 Den binärt fasmodulerade signalen är sinusliknande, för- utom korta tidintervall vid fasskiften, varför sändarslut- steget, i motsats till HF-stegen i mottagaren, inte behöver vara linjärt. Slutsteget har gjorts så bredbandigt att slutstegets insvängningsförlopp är väsentligt kortare än varaktigheten av en chip.

Mottagaren är linjär med åtminstone 40 dB dynamik. Detta motsvarar ungefär signalnivåskillnaden mellan ett närbeläget sändande fordon och ett sändande fordon vid räckviddsgränsen.

Mottagaren består principiellt av en multiplicerande krets med två ingångar och ett lågpassfilter med tidskonstant unge- fär motsvarande tiden för några fullständiga PN-sekvenser.

Detta motsvarar en tidskonstant pà 2-3 mikrosekunder. Mot- tagen bandspridd signal tillförs ena ingången på multiplika- torn och en internt genererad informationsmässigt omodulerad bandspridd signal A(t)=l tillförs den andra ingången. Formel- mässigt beskrivs detta enligt följande: X(t) signal före lågpassfilter Y(t) signal efter lågpassfilter A(t) modulerande signal P(t) PN-sekvens sin(wt) bärvåg X(t)=Sa(t)-S(t)-ei$ där Sa(t)=A(t)-P(t)~sin(wt) och S(t)=P(t+1)-sin(wt) Kanalen har definierats som en ren fasvridning med vinkeln m.

Produkten av de båda bandspridda signalerna innehåller faktorn sin(wt%sin(mt+$).

Lågpassfiltreringen avpassas så att den högfrekventa delen försvinner varvid resulterande signal efter filtrering är T Y(c>=1/T_ Am- cos/z o Modulerande signal A(t) varierar långsamt jämfört med 10 15 20 25 30 35 40 513 453 5 P(t). T väljes så att Y(t) varierar som informationssignalen A(t) multiplicerad med en integral representerande auto- korrelationen för PN-sekvensen multiplicerad med ytterligare en faktor som beror av fasförhàllandet mellan mottagen och mottagaren internt genererad bandspridningssignal dvs Y=A<:>-R<1>-cos§<1>>/2 R(1) är autokorrelationen för PN-sekvensen. En schema- tisk kurva för autokorrelationen visas i figur 3. För en kanal med flera reflekterade vågor med amplituden ai används superposition varvid Y(t)=A(tJ~ZayR(Ti%COS($i)/2 Med N=4092 blir korrelationsvinsten (bandspridnings- vinsten) ca 36 dB vid korrelationens extremvärden N och -1. 6 dB inter- Ett synkroniseringsfel på en halv chiplängd svarar mot minskning från 36 dB till 30 dB i undertryckning av en fererande bandspridd signal. Ett synkroniseringsfel på tre kvarts chip ger undertryckningen 24 dB etc.

Avbildas informationssekvensen pà PN-sekvensen så att en informationsbit motsvarar exakt N chips i PN-sekvensen beräk- nas korrelationsvinstenisom kvoten mellan bandbredderna för bandspridd basbandssignal och basbandssignal.

Synkronism skall råda mellan mottagen och internt gene- rerad bandspridningssignal innan mottagning med en förstärk- ning motsvarande bandspridningsvinsten kan ske. Hänsyn tas till att dopplerskift uppstår till följd av att sändare och mottagare rör sig relativt varandra. Fordon som rör sig rela- tivt varandra medlen hastighetsskillnad 30 m/s erhåller ett dopplerskift på 6000 Hz vid 60 GHz. Vid chipfrekvensen 3 GHz ingår 20 Hz per chip vilket svarar mot 300 chip/s vid 6000 Hz. För att sekvenserna.i,minsta möjliga mån skall glida i förhållande till varandra korrigeras bärvàgsfrekvensen med 6000 Hz för den internt genererade bandspridda signalen.

Efter uppmätning av dopplerskift och korrektion för detta sker synkronisering genom att internt genererad signal faslåses till mottagen signal samt genom att den internt genererade PN-sekvensen stegas fram ca ett tiondels chip i 10 15 20 25 30 35 40 513 453 6 taget till dess maximal korrelation erhålles. Inom ramen för maximalt 160 megachip (ca 50 ms) hittas detta läge förutsatt att i övrigt gynnsamma förhållanden råder.

Beräkning av dopplerskift sker på olika sätt t ex med hjälp av utsänd pilotton från sändaren, varvid den doppler- skiftade pilottonen multipliceras med en referenston i mot- tagaren och skillnadstonen utfiltreras.

Det är också möjligt att beräkna dopplerskiftet direkt från den bandspridda signalen genom kvadrering och smalbandig filtrering och därefter jämförelse med en referenston i mot- tagaren på samma sätt som vid användning av pilotton ovan.

Ett alternativ är en synkroniseringskrets som förutom att söka chipläge även söker dopplerfrekvens.

Den markreflekterade vågen fördröjs relativt direkt- vågen. När förbindelsesträckan (R) är betydligt större än summan av antennhöjderna (hl resp hg) är fördröjningen D=2-h1-h2/R För att korrelera bort alla markreflekterade vågor vid avståndet R och antennhöjderna hl respektive hg skall chip- längden vara kortare än D omräknad i vågutbredningstid. Antas R=5O samt h1=h2=l,5 m blir D=0,09 m. Denna fördröjning i sträcka motsvarar en extra gångtid för den reflekterade vågen på 0,3 ns. Denna extra gångtid svarar mot chipfrekvensen 3 Gchip/s.

Det beskrivna fallet med låga antennhöjder utgör ett värsta fall med hänsyn till spegelreflektioner i mark med kort fördröjning. Med antagna förhållanden ovan är det inte möjligt att utöka chiptakten, i nämnvärd omfattning, utöver 3 Gchip/S enär den effektiva nyttobandbredden bör begränsas till 6 GHz vid bärvågsfrekvensen 60 GHz. En räckvidd på 50 m utan inverkan av markreflexioner erhålles. Under den tid det tar att passera detta räckviddsområde erhålles en högkvalita- tiv kanal som medger bithastigheten 300 kbit/s. För att er- hålla låga bitfelssannolikheter kan bitströmmen kodas. Falt- ningskoder kan med fördel användas eftersom felskurar i större omfattning inte förekommer.

I det ovan beskrivna är den "markreflexionsfria" räck- vidden 50 m medan fädningsdjupet är begränsat långt utanför 10 15 20 25 30 35 n" I 40 513 453 7 denna gräns. Exempelvis gäller att fädningsdjupet vid 100 m är 6 dB och vid 200 m 12 dB eftersom korrelationsvinsten är linjärt beroende av tidsförskjutningen inom längden för chiplängden. Kontroll över förväntat fädningsdjup erhålles trots att antifädningsverkan ej erhålles fullt ut. En maximal fädningsgrad på 12 dB vid räckviddsgränsen är inte till någon nackdel. Accepteras 10 dB vid 200 m kan chiphastigheten 1,5 GHz utnyttjas vilket innebär RF-bandbredden 3 GHz.

I vissa situationer erhålls reflexer med kort fördröj- ning fràn andra fordon. Exempelvis uppstår dylik situation vid kommunikation med framförvarande fordon under omkörning.

Fädningsdjupet är emellertid maximerat pà grund av bandsprid- ningssignalen.

Ett flertal fordonspar kan sålunda kommunicera inbördes med samma PN-sekvens inom samma frekvensband. Sannolikheten att tvà bilpar synkroniserar vid samma chipfasläge är ca 0,25 promille för PN-sekvenser med längden 4092 om inga andra fordonspar kommunicerar. Det är emellertid endast möjligt för ett mindre antal fordon att befinna sig inom räckviddsomrà- det. Näraliggande fordon kan identifiera varandra med av- stàndsbestämning till fordon varifrån signaler erhålles.

Interferenssannolikheten mellan fordonspar nedbringas ytter- ligare genom att ett flertal olika PN-sekvenser utnyttjas och att mottagare i tur och ordning testar dessa vid initialsyn- kronisering. Dessa koder är att betrakta som kanaler liksom spektrala kanaler eller TDMA-kanaler.

Avståndet mellan fordon eller mellan fordon och fast sändare/mottagare kan beräknas på olika sätt.

Ett fordon utsänder en sekvens som mottas av mottagaren (mobil eller fast station) vilken àterutsänder PN-sekvensen i det chipläge den synkroniserats vid mottagningen. Fordonet bestämmer därefter avståndet genom jämförelse av utsänt och mottaget chipläge.

En passiv reflektor kan också användas och är i detta fall monterad pà det fordon som skall avstàndsbestämmas varvid sändar- och mottagarantenner pà ett avstàndsmätande fordon skall vara elektromagnetiskt väl isolerade fràn varandra. Vid avståndet 200 m blir gángvägen fram och àter 400 m motsvarande utbredningstiden 1,32 mikrosekunder. Detta motsvarar 4000 chip i här föredraget exempel. Eftersom PN- 10 m" 513 453 8 sekvensen har perioden 4092 chips kan endast avstånd kortare än 200 m mätas entydigt.

Bestämning av relativa hastigheten mellan fordon sker exempelvis genom upprepade avstàndsbestämningar eller genom att använda information i dopplerskiftet som bestäms vid synkroniseringsmomentet.

Fackmannen inser lätt att ovanstående beskrivna upp- finning kan modifieras pà olika sätt. Uppfinningen är endast begränsad enligt följande patentkrav.

Claims (6)

513 453 PATENTKRAV

1. Förfarande vid radiokomm-tinikation mellan sändare och mottagare, vilka sändare respektive mottagare är fasta eller rörliga, för undertryckning av markreflekterade vågor, k ä n n e t e c k n a d av att en informations- bärande signal överlagras en bärvåg och den erhållna signalen överlagras en PN-sekvens, den sålunda skapade signalen mottages dels som direktvåg dels som en eller flera reflekterade vågor varvid en vid mottagningen genererad PN-sekvens synkroniseras mot den mottagna signalen, och att den/ de markreflekterade vågoma bortkorreleras.

2. Förfarande enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att en nyttobandbredd bestäms till cirka 1/10-del av bärvågsfrekvensen vilket fastställer den kipptakt som är utnyttjningsbar.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2 k ä n n e t e c k n a d av att kipplängden är kortare än vågutbredningstiden vid utnyttjade överföringslängder.

4. Förfarande enligt något av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d av att flera sändare och mottagare kommunicerar parvis med varandra på samma frekvens och PN-sekvens varvid olika par intar olika fasläge i PN- sekvensen varvid informationema är särskiljbara.

5. Förfarande enligt något av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d av att kommunikationen avser överföring av information mellan fordon och/ eller fast anordnade sändare/ mottagare utefter fordonens färdväg. 513 453 IU-

6. Anordning för radiokommunikation mellan sändare och mottagare, vilka sändare respektive mottagare är fasta eller rörliga, för undertryckning av markreflekterade vågor, k ä n n e t e c k n a d av att i sändaren överlagras en informationsbärande signal på en bärvåg och erhållen signal överlagras en PN-sekvens, signalen utsänds och mottages utav en mottagare, varvid mottagaren mottager dels en direktvåg dels en eller flera reflekterade vågor och mottagaren synkroniserar den mottagna signalen mot en PN-sekvens som genereras i mottagaren och att den/ de markreflekterade vågorna bortkorreleras.