DE60026149T2

DE60026149T2 - Architektur eines pulsübertragungssenderempfängers für niedrigleistungskommunikation

Info

Publication number: DE60026149T2
Application number: DE60026149T
Authority: DE
Inventors: B. William Knoxville DRESS; F. Stephen Loudon SMITH
Original assignee: UT Battelle LLC
Current assignee: UT Battelle LLC
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2020-09-09
Also published as: EP1505785A3; WO2001022672A1; WO2001022672A8; CA2385417C; US6621878B2; DE60026149D1; US6625229B2; US20020080889A1; CA2385417A1; EP1228613A1; AU783599B2; EP1505785A2; AU7127700A; US6606350B2; EP1228613B1; PL356992A1; US20020097790A1; ATE318474T1; US20020146080A1; US6603818B1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Impuls-Nachrichtenübertragung und insbesondere die Spread-Spectrum-Impuls-Funkübertragungstechnik mit niedriger Leistung.
Dem Fachmann sind Zeitbereichs-Übertragungstechniken bekannt. Sowohl die Bandbreite als auch die Mittenfrequenz einer herkömmlichen Zeitbereichsübertragung sind dabei explizite Funktionen der Impulsbreite.
Bei diesen Verfahren sind die veränderbaren Parameter die Impulsbreite und die Leistung. Sie erlauben normalerweise die Übertragung nur eines Bits pro Sendeimpuls; ihr Nutzen für die Nachrichtenübertragung ist daher begrenzt.
Ein Problem dieser vorhandenen Technik war, dass die Parameter Impulsbreite und Leistung im Effekt nur zwei Freiheitsgrade belassen. Diese Einschränkung setzt den bekannten Zeitbereichsverfahren enge Grenzen hinsichtlich der Flexibilität. Daher ist für die Zeitbereichsübertragung ein Ansatz erforderlich, der mehr Freiheitsgrade ermöglicht.
Ein anderes Problem bei der vorhandenen Technik ist, dass sich pro übertrage nem Impuls nur ein Bit kodieren lässt. Diese Einschränkung grenzt die Datenbandbreite der bekannten Zeitbereichsübertragung erheblich ein. Ebenfalls erforderlich ist also ein Ansatz für die Zeitbereichsübertragung, der mehr als ein Bit pro Impuls zulässt.
Die FR-A-9 306 559 offenbart ein digitales Übertragungssystem, bei dem die Rechteckimpulse eines digitalen Basisbandsignals nacheinander durch Gauss- oder cos²-Impulse abwechselnder Polarität ersetzt werden.
Bisher sind die Forderungen nach weiteren Freiheitsgraden und der Übertragung mehrerer Bits pro Impuls nicht vollständig erfüllt. Es besteht also Bedarf an einem Ansatz, der diese beiden Forderungen erfüllt.
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist eine vielseitige und sehr breitbandige, mit hoher Bitrate arbeitende Multibit-Datenübertragungsanordnung. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verwendung höherer Ableitungen von (Zeitbereichs-) Impulssignalen, um die oben diskutierten Forderungen nach zusätzlichen Freiheitsgraden und der Übertragung mehrerer Bits pro Impuls zu erfüllen, die nach dem Stand der Technik nicht gleichzeitig gegeben sind.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Sender für die Impulsübertragung auf:
einen Taktgeber;
einen Triggersignalgenerator, der an den Taktgeber angeschlossen ist und
ein Zeitgabeintervall für die Impulsübertragung bestimmt;
eine Vielzahl von Generatoren zur Erzeugung von Impulswellenformen entsprechend Ableitungen zweiter oder höherer Ordnung, wobei die Genera toren jeweils einem Signal einer Ableitung anderer Ordnung entsprechen und vom Triggersignalgenerator angesteuert werden;
eine Vielzahl von Informationsmodulatoren, die mit den Generatoren zur Erzeugung von Impulswellenformen entsprechend Ableitungen zweiter oder höherer Ordnung gekoppelt sind;
eine Auswahlschaltung, die mit der Vielzahl von Informationsmodulatoren gekoppelt ist und einen Spreader, Demultiplexer oder Router zum Verarbeiten, Sortieren und zur Weitergabe eines digitalen Eingangs-Datenstroms an die Informationsmodulatoren aufweist;
eine Summierer/Kombinator-Stufe, die mit der Vielzahl von Informationsmodulatoren gekoppelt ist und deren Ausgangssignale auf die Summierer/Kombinator-Stufe gegeben werden; und
ein Ausgangs-Schnittstellenmodul, das mit der Summierer/Kombinator-Stufe gekoppelt ist und ein Ausgangssignal verstärkt und weitergibt.
Der Sender lässt sich als integrierter Einchip-Schaltkreis in Si-Bipolar-, CMOS-, SiGe- oder GaAs-Technologie ausführen.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung stellt diese einen Empfänger für die Impulsübertragung bereit, der aufweist:
eine Verstärkung-/Verarbeitungs-Vorstufe, mit der ein Breitbandsignal mit stabiler Amplitude und verhältnismäßig geringem Rauschanteil bereitstellbar ist;
eine mit der Verstärkung-/Verarbeitungs-Vorstufe gekoppelten Synchronisierschaltung, mit der ein vorbestimmter Synchronimpuls rückgewinnbar und die mit einem in diesen eingebetteten Taktsignal verrastbar ist;
einen Taktgenerator, der mit der Synchronisierschaltung gekoppelt ist und von ihr korrigiert wird;
einen Triggersignalgenerator, der mit dem Taktgenerator gekoppelt ist und dessen Zeitgabe vom Taktgenerator gesteuert wird;
eine Vielzahl von Generatoren zur Erzeugung von Impulswellenformen entsprechend der zweiten Ableitung oder höheren Ableitungen, wobei die Generatoren jeweils einem Ableitungssignal anderer Ordnung entsprechen und die gleiche präzise Impulsform wie eine entsprechende Einheit in einem Sendersystem erzeugen; und
eine Vielzahl von Synchronimpulskorrelatoren, die mit der Verstärkungs-/Verarbeitungs-Vorstufe gekoppelt sind, um empfangene Impulse von ihr zu übernehmen, sowie mit der Vielzahl von Impulswellenform-Generatoren, wobei Ausgangssignale der Impulswellenform-Generatoren an die Referenzeingänge entsprechender Synchronimpulskorrelatoren gelegt sind, um empfangene Impulse mit ihren lokal erzeugten Wellenformversionen zweiter oder höherer Ordnung zu korrelieren, zu integrieren und zu filtern sowie entscheidungslogische Funktionen auszuführen, um diesbezügliche Datenausgangssignale zu erzeugen.
Der Empfänger lässt sich ebenfalls als integrierter Einchip-Schaltkreis in einer der oben angegebenen Halbleitertechnologien ausführen.
Die Erfindung kann auf Schaltungen basieren, die eine Anordnung verschiedener Generatoren bereit stellen, die Impulse jeweils entsprechend der zweiten oder einer höheren Ableitung erzeugen und jeweils mit einem Informationssignal moduliert werden. Die modulierten Ableitungsimpulse werden summiert, verstärkt und auf ein Überrtragungsmedium (Antenne, Kabel, Lichtwellenleiter od. dergl.) gegeben. Der komplementäre Empfänger gewinnt die modulierten Impulse mittels Standard-Korrelation zurück.
Ebenfalls (nicht aber als Teil der beanspruchten Erfindung) beschrieben ist ein Verfahren der Impuls-Nachrichtenübertragung mit folgenden Schritten: Erzeugen einer Impulssignal-Wellenform; Umsetzen der Impulssignal-Wellenform zu mindestens einer Ableitungswellenform zweiter oder höherer Ordnung; und Übertragen der mindestens einen Ableitungswellenform zweiter oder höherer Ordnung als Sendeimpuls, wobei die Impulssignal-Wellenform eine Funktion aus der Gruppe Gauss-Funktion, Super-Gauss-Funktion der Form exp(–x²ⁿ·a), in der x die Zeit, n eine ganze Zahl größer eins, die eine Ordnung darstellt, und a eine Konstante sind, eine gerundete zeitbegrenzte Rechtecktimpulsfunktion, diskrete Funktion, Tschebyscheff- und Krawtschuk-Polynomfunktion ist. Informationen werden vorzugsweise als Ableitungsordnung und Phase kodiert; alternativ können auch zeitliche Ableitungen zwischen Impulsen Informationen kodieren. Im letzteren Fall erlauben Impulse zweiter oder höherer Ableitung eine flexible Kontrolle über die Bandbreite und die Bandmittenfrequenz, so dass Rausch- und andere Störprobleme abgeschwächt werden. Ebenfalls bereit gestellt wird eine elektromagnetische Wellenform mit einem Sendeimpuls, der aus mindestens einer Wellenform zweiter oder höherer Ableitung einer Impulssignal-Wellenform erzeugt wurde, wobei die Impulssignal-Wellenform eine Funktion aus der Gruppe Gauss-Funktion, Super-Gauss-Funktion der Form exp(–x²ⁿ/a), in der x die Zeit, n eine ganze Zahl größer eins, die eine Ordnung darstellt, und a eine Konstante sind, eine gerundete zeitbegrenzte Rechtecktimpulsfunktion, eine diskrete Funktion, eine Tschebyscheff- und Krawtschuk-Polynomfunktion ist. Die Wellenform lässt sich in eine elektromagnetische orthogonale Zeit- oder Frequenzsprung-Wellenform oder in eine kombiniert orthogonale Zeit-Frequenz-Sprung-Wellenform aufnehmen.
Eine Anzahl bevorzugte Merkmale sind in den nachfolgenden Unteransprüchen ausgeführt.
Die Erfindung wird nun an Hand eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeigt.
1 zeigt eine Folge von Gauss'schen Ableitungs-Wavelets im Frequenzraum, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellen;
2 zeigt ein summarisches Schaltbild einer Anordnung zum Erzeugen eines Gauss'schen Wavelets zweiter Ableitung, das eine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
3 zeigt die Mittenfrequenz als Funktion der Ordnung der Ableitung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt die relative Bandbreite als Funktion der Ordnung der Ableitung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt das Leistungsspektrum eines Gauss'schen Impulses 7. Ordnung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt eine Folge von Gauss'schen Ableitungsimpulsen im Zeitbereich entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt eine Folge von sieben überlagerten Gauss'schen Impulsen der Ableitungen 2.–8. Ordnung, die eine Menge von Symbolkodes darstellen, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt einen den Binärkode 0 1 01 11 01 darstellenden Verbundimpuls entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
9 zeigt die spektrale Leistungsdichte des Verbundimpulses der 8;
10 zeigt ein summarisches Schaltbild einer Sendeanordnung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
11 zeigt ein summarisches Schaltbild einer Empfangsanordnung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
12 zeigt ein summarisches Schaltbild einer Sendeanordnung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
13 zeigt ein summarisches Schaltbild einer anderen Sendeanordnung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung; und
14 zeigt ein summarisches Schaltbild einer anderen Empfangsanordnung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit fehlt in der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen die Darstellung bekannter Systemteile und Verarbeitungstechniken.
Der Kontext der Erfindung ist die Spread-Spectrum-Technik. Die Erfindung lässt sich bspw. in der Spread-Spectrum-Funkübertragung mit niedriger Leistung einsetzen. Ebenso kann die Erfindung Verfahren der Datenverarbeitung anwenden, bei denen Impuls-Empfangssignale umgeformt werden, um miteinander verbundene diskrete Hardware-Elemente zu betätigen – bspw. zum Fernumkonfigurieren von Relaisstationen und/oder Routern.
Zur Impulsübertragung werden die Ableitungen höherer Ordnung von Wellenformen verwendet, wobei die Form wie auch die Bandbreite und die Mittenfrequenz des gesendeten Leistungsimpulses sich als variable Parameter verwenden lassen; man erhält so eine vielseitigere Übertragungsarchitektur. Zusätzlich lassen die Impulse höherer Ableitung sich als Basis eines Multibit-Symbolsystems einsetzen und damit die übertragbare Informationsrate erheblich steigern.
Der hier benutzte Ausdruck "Ableitung höherer Ordnung" sei definiert als Ableitung mindestens zweiter Ordnung (d.h. 2., 3., ..., n-ter Ordnung). Wie er hier benutzt ist, soll der Ausdruck "angenähert" die Nähe (bspw. vorzugsweise innerhalb 10 %, besser innerhalb 1 % und am besten innerhalb 0,1 %) zu einem gegebenen Wert bezeichnen. Wie er hier benutzt ist, ist der Ausdruck "gekoppelt" als "verbunden mit" aufzufassen, obgleich nicht unbedingt direkt und nicht unbedingt mechanisch. Wie er hier benutzt ist, ist der Ausdruck "programmierbar" als "durch zwei oder mehrere Zeilen von einem Computer ausführbaren Kodes steuerbar" aufzufassen.
Der hier verwendete Ausdruck "orthogonal" bezeichnet zwei oder mehrere Funktionen oder Signale mit der gegenseitigen Überlappung null. Der praktische Vorteil der Verwendung orthogonaler Signale ist, dass sie einander nicht stören und unabhängig voneinander sind, d.h. von dem einen von ihnen mitgeführte Informationen lassen sich unabhängig von den Informationen im anderen hinzufügen oder extrahieren. Bspw. sind ein Sinus- und ein Cosinus-Signal gleicher Frequenz orthogonal, desgl. Quadratursignale.
Die hier offenbarten Verfahrensweisen bieten einen weiteren Freiheitsgrad (Wellenform) zum Einstellen der spektralen Eigenschaften eines Sendesignals, so dass ein breiterer Anwendungsbereich erfasst wird, die Empfängerempfindlichkeit steigt, bekannte Störer sich vermeiden und potentiell schädliche Störungen vorhandener Funk- bzw. HF-Dienste und deren Nutzer sich abschwächen lassen. Eine mit der bekannter Verfahren vergleichbare Verringerung von Ausstrahlungen in tieferfrequenten Bereichen ist erreichbar. Dadurch verringern sich die Störungen vorhandener Funkdienste und -nutzer. Für einen gegebenen spektralen Gehalt sind längere Impulsbreiten zulässig und elektronisch leichter realisierbar, so dass die Kompatibilität mit vorhandenen kommerziellen Diensten und Verfahren gewährleistet ist.
Die Erfindung kann die Fähigkeit einer Realisierung dieser einstellbaren Parameter direkt in Si-Bipolar- oder CMOS- wie auch in SiGe- GaAs- oder einer anderen geeigneten HF-fähigen Halbleitertechnik beinhalten. Die Anwendung dieser Prozesse kann die Realisierung der Erfindung in der Fertigung kostengünstig und diese schnell genug für VHF/UHF-Frequenzen (hunderte von Megahertz) machen.
Erfindungsgemäß lässt sich die Wellenform aus gespeicherten digitalen Versionen erzeugen. Dadurch erleichtern sich die Hardware-Anforderungen für Sender.
Die Erfindung ist mit orthogonalen Zeitsprung-, orthogonalen Frequenzsprung- und hybriden Frequenz-/Zeit-Sprungverfahren zusammen einsetzbar. Indem man einen Datenstrom in verschiedenen Intervallen und/oder verschiedenen Frequenzbändern überträgt, wird das Impulssignal schwierig zu detektieren und noch schwieriger zu dekodieren.
Mathematischer Hintergrund
Indem man einen Rechteckimpuls gewählter Dauer durch eine Formgebungsschaltung schickt, lässt sich eine Gauss'sche (oder jede andere zur Übertragung geeignete) Wellenform darstellen. Elektronische Schaltungen für eine derartige Impulsformung sind verbreitet in der Literatur über die Erfassung von Kernstrahlung beschrieben. Der resultierende Gauss'sche Impuls wird nach Bedarf verstärkt und durch weitere Schaltungen geschickt, die eine vorbestimmte Anzahl von Ableitungen erzeugen. Der Ausgangsimpuls ist eine Wellenform, die die Ableitung der gewünschten Ordnung einer idealen Gauss'schen Funktion approximiert. Dieser gewünschte Ableitungsimpuls wird linear verstärkt und an die zum Aussenden gewählte Antenne angepasst. Alternativ lassen sich mit Lattice- bzw. Brückenstrukturen von einem einfachen bipolaren Startimpuls ausgehend die gewünschten Ableitungen direkt erreichen.
Obgleich die Familie der Gauss'schen Ableitungsimpulse die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung bevorzugte Ausführungsform ist, ist diese Durchführung nicht auf Gauss'sche Impulse beschränkt. Generell ist jede Familie von Impulsen, die sich von einzelnen oder mehreren sowohl zeit- als auch frequenzbeschränkten Impulsen ableiten, geeignet zur Formung und Modulation als Informationsträger, wie sie hier beschrieben sind. Dabei gehorcht die von Ableitungen abgeleitete Familie notwendigerweise einer Rodriques-Formel; für andere band- und zeitbegrenzte orthogonale Funktionen gilt dies nicht, sie können aber als für die Zwecke der Erfindung geeignete Impulsfamilie dienen. Die Zweckmäßigkeit des Gauss'schen Impulses entspringt der ihm eigenen Eigenschaft, dass sowohl die Funktion selbst als auch ihre Fourier-Transformierte die gleiche Form aufweisen, nämlich exp(–x²/a), in der a eine Konstante und x entweder die Zeit oder die Frequenz sind. Einige Funktionen, die gleichermaßen zeit- und frequenzbeschränkt sind, sind die mit exp(–x²ⁿ/a) beschriebenen "super-Gauss'schen Funktionen", in denen n eine ganze Zahl > 1 ist und die Ordnung der Funktion bezeichnet.
Auch brauchen die Grundglieder der Impulsfamilie keine bequeme funktionale Form zu haben. Ein zeitbegrenzter Rechteckimpuls lässt sich zur Einschränkung seiner Frequenzinhalts durch "Abrunden" der Ecken zu einem "glatten" Rechteckimpuls formen. Ein solcher Impuls erfüllt die Bedingungen begrenzter Unterstützung sowohl in der Zeit als auch in der Frequenz; seine Ableitungen sind zwar nicht unbedingt orthogonal, aber in der Lage, Informationen zu führen und demoduliert zu werden, wie es hier beschrieben ist.
Eine andere als orthogonale Familie geeignete Funktionsklasse ist die der so genannten diskreten Funktionen. Hierzu gehören die Tschebyscheff- und die Krawtschuk-Polynome, die nicht auf einem stetigen Segment, sondern auf einem finiten Gitter (Abtastpunkte) definiert sind. Diese Familien sind geeignete Kandidaten zur Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Impulsen, die aus gespeicherten Abtastwerten aufgebaut werden, wie oben vorgeschlagen.
In allgemeinen mathematischen Kategorien kann jedes sowohl zeitliche als auch frequenzmäßige "Konzentrat" eine Familie von Ableitungen oder von gespei cherten diskreten Abtastwerten aufweisen, die die praktischen Orthogonalitäts- und Spektralforderungen erfüllt, auf denen die vorliegende Erfindung beruht. Die Auswahl der jeweiligen Gestalt des Wurzel- bzw. Grundelements der Familie ist rein praktisch motiviert und hat mit den jeweils eingesetzten Mitteln zum Erzeugen der Impulse und der Ansteuerung einer entsprechend konstruierten Antenne zu tun. Probleme der Signalausbreitung und des Signalempfangs können im Einzelfall eine Rolle für den Systementwurf spielen.
Die 1 zeigt Gauss'sche Ableitungs-Wavelets im Frequenzraum. Die 1. bis 13. Ableitung sind als Funktion der Frequenz dargestellt. Mit steigender Ordnung der Ableitung verschiebt sich der Modalwert der Funktion (die Mittenfrequenz) von nahe null (bzw. dem Gleichanteil) zu höheren Werten hin, wie die 1 zeigt. Der Impuls für die 1. Ableitung (gestrichelt gezeigt), der in bekannten Übertragungssystemen Anwendung findet, hat bei der Frequenz 0 die Steigung τ√π, was auf eine erhebliche spektrale Leistung bei tieferen Frequenzen hinweist. Alle Ableitungen höherer Ordnung haben bei der Frequenz 0 die Steigung 0, was auf eine sehr niedrige Leistung bei tieferen Frequenzen verweist. Für einen 1 ns breiten Start-Rechteckimpuls 1 ns sind an der Abszisse GHz-Frequenzen und an der Ordinate normierte Leistungseinheiten abgetragen.
Die Spektren bestimmter dieser höheren Ableitungen enthalten bei niedrigeren Frequenzen eine vernachlässigbare Leistung; sie haben daher die höchst wünschenswerte Eigenschaft, HF-Störungen von tieferfrequenten HF-Diensten (bspw. Fernsehen, Radioastronomie, Mobiltelefonie und allgemeine Kommunikation) im VHF- und UHF-Bereich des Funkspektrums zu vermeiden. Darin liegt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.
Da die spektralen Eigenschaften der gesendeten Energie von der Ordnung der Ableitung und den Formungseigenschaften der Antenne (zusammen mit der Breite des Grundimpulses) eindeutig bestimmt sind, lässt ein mit diesen Parametern arbeitender Empfänger sich konstruieren, der die gesendete Energie optimal lokalisiert, extrahiert und zu einem scharf definierten Empfangsimpuls umsetzt. Das Konzept eines Arbeitens auf das Verstärkungsmaß, wie es normalerweise in Spread-Spectrum-Anwendungen eingesetzt wird, gilt hier ebenfalls dahingehend, dass die Bandbreite des Sendeimpulses sehr groß sein und sich über viele potenzielle Störer erstrecken kann, die die gesendete Energie jeweils nur marginal überlappen. Typischerweise wird die Bandbreite des Sendeimpulses größer gemacht als die der meisten – auch wenn gewöhnlich als breitbandig aufgefassten – Störer, wie bspw. von DSSS-("direct sequence spread spectrum")-Sendesignale. Obgleich also der Sendeimpuls eine sehr niedrige Energie pro Hertz enthält, genügt diese, wenn mit der Impulsbandbreite (also der Empfängerbandbreite) multipliziert, um das Vorhandensein oder Fehlen eines Sendeimpulses zu identifizieren, so dass sich sowohl seine relative Ankunftszeit als auch seine jeweilige Gestalt bestimmen lassen. Hierzu genügen Standardmethoden der Korrelation im Zeitbereich, wie sie im kommerziellen Betrieb angewandt werden.
Bandbreite und Frequenzlage als Funktion der Impulsbreite
Die Erfindung ermöglicht die Bestimmung sowohl der Bandbreite als auch der Frequenzlage eines einzelnen Impulses. Die Fähigkeit der Erzeugung von Ableitungen höherer Ordnung ist der Schlüssel zur wunschgemäßen Steuerung der Bandbreite der Sendeenergie im Frequenzraum. Ein zusätzlicher Nutzen der Verwendung von Ableitungen ist, dass ausgehend von einem Rechteckimpuls größerer Dauer, der elektronisch viel leichter und kostengünstiger zu behandeln ist, der Ort im Frequenzraum nun eine Funktion der Ordnung der Ableitung wird. Schränkt man den Sender auf den Fall der 1. Ableitung ein wie im Stand der Technik, sind die Bandbreite und die Mittenfrequenz aussschließlich durch die Impulsbreite bestimmt.
Die 2 zeigt an einem summarischen Stromlauf eine Möglichkeit, einen Gauss'schen Wavelet-Impulses 2. Ableitung ausgehend von einem Rechteck-Differentialimpuls der Dauer τ zu erzeugen. Diese Schaltung formt den Impuls und sendet ihn aus. Ausführlicher gesagt, wird der Rechteck-Differentialimpuls von einer Signalquelle 210 erzeugt, auf die ein Filter 220 folgt, das über einen Kondensator C an den Ausgang angeschlossen ist. Parallel zum Ausgang liegt ein Widerstand R. Am Ausgang steht ein Impuls der gewünschten Form, der in einem breitbandigen HF-Verstärker verstärkt und auf die Antenne gegeben werden kann.
Die 3 zeigt die Mittenfrequenz als Funktion der Ordnung der Ableitung. Ist die charakteristische Zeit τ = 1 ns, gelten die Einheiten der Ordinate für 10⁹ Hz (GHz). Die Mittenfrequenz eines Impulses der charakteristischen Zeit τ und der Ordnung n ist. Diese Variation mit der Ordnung ist in 3 für τ = 1 dargestellt.
Die 4 zeigt die Abhängigkeit der relativen Bandbreite von der Ordnung der Ableitung. Bei Ordnungen höher als etwa 5 ist die relative Bandbreite geringer als etwa 50 %. Die relative Bandbreite hängt nur schwach von τ ab. Die 3dB-Bandbreite für gegebene Impulsbreite τ ist eine glatte, aber komplizierte Funktion von τ und n; vergl. die 4. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bandbreite für den Impuls n = 1 erheblich größer ist als die von Impulsen mit höherem n. Diese Besonderheit ist wünschenswert, wenn nur der Gauss'sche Impuls 1. Ableitung verwendet wird, erbringt aber für höhere oder Mehrfach-Ordnungen keinen besonderen Nutzen.
Die 5 zeigt das Leistungsspektrum eines Gauss'schen Impulses 7. Ordnung mit der charakteristischen Zeit 2 ns. Die Frequenz (X-Achse, Abszisse) ist in Ein heiten von 10⁹ Hertz (GHz) angegeben. Der Impuls ist um 1,3229 GHz zentriert und hat eine Bandbreite von 2,6677 GHz. Zum Vergleich ist gestrichelt auch die 1. Ableitung angegeben, die in einigen vorhandenen Geräten verwendet wird. Es sei darauf verwiesen, dass der nach bekannter Technik abgeleitete Impuls bei Frequenzen unter etwa 500 MHz eine weitaus höhere Energie besitzt und tendenziell zur Störung von Diensten in diesem Bereich (bspw. Fernsehen, Flug-, Betriebs- und anderer öffentlicher Funk usw.) erheblich beiträgt.
Einzelimpuls – 1Bit pro Symbol
Bekannte Verfahren auf dem Gebiet der Zeitbereichskommunikation verwenden ausschließlich die 1. Ableitung einer Gauss'schen Funktion. Die gesendeten Daten (Meldungen oder Informationen) sind in den relativen Ankunftszeitpunkten – bezüglich der/denen des/der vorhergehend empfangenen Impulse(s) – enthalten. Die vorliegende Erfindung nutzt weder den Impuls 1. Ableitung aus noch kodiert sie Informationen an Hand relativer Ankunftszeiten; vielmehr zieht sie vor, die Ankunftszeiten von den Dispersions- und Reflexionseigenschaften der physikalischen Kanäle bestimmen zu lassen und vermeidet speziell den Impuls 1. Ableitung in Folge seiner Eigenschaften bei tieferen Frequenzen.
Das Vorliegen von Impulsen verschiedener Ableitungen stellt eine Modulation im Frequenzspektrum dar und ist völlig unabhängig vom Zeitverhalten des Signalimpulses, das von den bekannten Impulszeitmodulationsverfahren definiert wird. In der Tat wenden alle bekannten Systeme eine Impulsort- oder Impulszeit-Modulation der einen oder anderen Art an, einschl. der Impulsflankenzeit-Modulation. Die zeitgemittelten Leistungspektren dieser bekannten Signale sind für die Modulation mit zufallsverteilten Daten im wesentlichen stationär, obgleich die spektrale Breite über alles von der Grundbreite des erzeugenden Impulses stark (invers) abhängig ist. Das mittlere Leistungsspektrum der einzelnen Gauss'schen Impulse 1. Ableitung ist ebenfalls stark abhängig vom zeitlichen Abstand jeweils zweier Impulse (Impulszeit- bzw. Impulsort-Modulation). Für kleinere Auslenkungen (Modulationshübe) ist das Spektrum um die der mittleren Impulsfrequenz entsprechende Mittenfrequenz herum stärker konzentriert, während für größere (sich dem mittleren Impulsintervall nähernde) Auslenkungen das Spektrum weiter ausgebreitet (zerstreut) ist.
Die Spektren von Impulsen höherer Ableitungen sind im allgemeinen breiter und gleichmäßiger verteilt (besser gestreut) als die der bekannten Signale. Außer den für die tieferen Frequenzen geltenden Einschränkungen, die oft sehr erwünscht sind, sind die Spektren der Impulse höherer Ordnung ihrem Wesen nach stetiger und weniger "viellinig" als bei konkurrierenden Technologien; sie ähneln daher eher dem Spektrum von echtem Zufallsrauschen und bieten daher eine bessere Signalüberdeckung (niedrige Entdeckungswahrscheinlichkeit).
Mehrfachimpulse – mehrere Bits pro Symbol
In Folge der unterschiedlichen Impulsformen, die die verschiedenen Frequenzbänder belegen, sind Impulse höherer Ordnung an Hand ihrer Form als einer Ableitung bestimmter Ordnung zugehörig identifizierbar. Gauss'sche Zeitbereichs-Impulse der 4., 8., 12., 16. und 20. Ableitung sind in der 6 – die zu Grunde liegende Gauss'sche Funktion gestrichelt – gezeigt. Mit steigendem n nimmt die Breite zur Zeit 0 ab, was eine steigende Frequenz anzeigt. Die Abszissenwerte sind in Breiteneinheiten des Ausgangs-Rechteckimpulses dargestellt.
Die Technik des gleichzeitigen Aussendens mehrerer Impulse unterschiedlicher Ableitungen entspricht dem Senden eines Vektorimpulses oder eines Kodewortsymbols aus mehr als einem Bit. Diese Fähigkeit eröffnet unmittelbar eine weit höhere Übertragungsgeschwindigkeit, als mit einem System auf Grundlage eines einzigen Gauss'schen Ableitungsimpulses möglich wäre.
Die Erfindung umgeht sowohl die Rauschanfälligkeit als auch die Probleme vorhandener Mehrzustands-Quadraturamplitudenmodulationen (m-QAM) mit höheren Leistungen durch die Verwendung zueinander orthogonaler Zustände für jedes gesendete Bit. Zusätzlich hat jeder Impuls zwei distinkte Quadraturphasen, was den Leistungswert Bits/s im Effekt verdoppelt. Diese Orthogonalität wohnt den Hermite'schen Polynomen inne, die der Impulsform der Ableitung Gauss'scher Funktionen zu Grunde liegen.
Die 7 zeigt sieben Zeitbereichsimpulse 2. bis 8. Ableitung (die gestrichelten Kurven sind gradzahliger Ordnung). Die sieben überlagerten Gauss'sche Impulse 2. bis 8. Ableitung bilden eine Symbolkode-Menge zum Senden von 2⁷ = 128 verschiedenen Symbolen (bzw. von 255 möglichen Symbolen bei Ausnutzung der Impulsphase) in einem einzigen Verbundimpuls.
Die 8 zeigt das Verknüpfen – durch einfache Addition – der Impulse 3., 5., 6. und 8. Ableitung zum Kodieren des Binärsymbols 0101101 in der Summe zur Aussendung. Die Abszisse ist in Einheiten der charakteristischen Zeit geteilt. Wie ersichtlich, ähnelt der kombinierte dem Ausgangsimpuls in keiner Weise.
Die 9 zeigt das Leistungsdichtespektrum des Verbundimpulses für den Binärkode 0101101. Die Abszisse gilt in GHz für die charakteristische Zeit 1 ns. Für eine charakteristische Zeit τ = 1 ns erstreckt sich auf dem –20dB-Niveau bzw. bei 1 % Leistung das Leistungsdichtespektrum über etwa 3,85 GHz. Die in diesem Frequenzband enthaltenen Informationen lassen sich empfangsseitig extrahieren, indem man den empfangenen Impuls einfach mit den die Symbolkode-Menge aufweisenden Impulsen parallel korreliert. Da, wenn alle Glieder die gleiche charakteristische Zeit τ haben, die Menge orthogonal ist, zeigt das Ergebnis einer solchen Korrelation präzise bei den gesendeten Kodewerten maximal starke Peaks. Eine spezielle Realisierung dieses Ansatzes ist weiter unten ausführlich dargelegt.
Es sei angenommen, dass der oben genannte Impuls empfangen und mit einer Gruppe Korrelatoren bearbeitet wird. Ohne Störungen und Rauschen und bei einer Korrelationsverzögerung 0 gibt das Ausgangssignal der Gruppe den Binärkode genau wieder. Um den Zeitpunkt der Verzögerung 0 zu ermitteln, kann man an einem präzise bekannten Zeitpunkt mehrere Zeitkonstanten vor dem Verbundimpuls einen auf einem einzigen Gauss'schen Ableitungs-Wavelet basierenden Vorläuferimpuls aussenden, den der Empfänger dann zum Synchronisieren mit jedem Nachrichtenimpuls benutzt und der ein integraler Bestandteil des Kodeschemas ist. Bspw. würde ein auf einen geringfügig anderen Vorläufer abgestimmter Empfänger versuchen, den Verbundimpuls mit einem falschen Verzögerungswert zu dekodieren, was für das dekodierte Symbol zu Unsinn führt. Das korrekte Korrelieren erfordert auch eine geeignete Integrierfunktion, die in der Elektronik weitgehend so implementiert ist, wie die Ableitungsimpulse erzeugt wurden; das Dekodieren läuft dann einfach auf das parallele Korrelieren des ankommenden Impulses mit mehreren Kandidatenimpulsen hinaus.
Daher lässt sich eine Folge von einander nicht störenden (orthogonalen) Impulsen senden, dann empfangen und gleichzeitig dekodieren, so dass sich pro gesendetem Symbol mehrere Bits übertragen lassen. Auf sowohl breit- als auch schmalbandige Störer reagiert ein Parallelkorrelator dann auf die gewünschte Weise.
Beispiele
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden nun an Hand der folgenden, die Erfindung nicht einschränkenden Beispiele beschrieben, die dazu dienen, verschiedene signifikante Merkmale und Besonderheiten ausführlich darzulegen.
Die Beispiele sollen lediglich das Verständnis für die Vorgehensweise beim Durchführen der Erfindung erleichtern und den Fachmann in die Lage hierzu versetzen. Sie sind daher nicht als die Erfindung beschränkend aufzufassen.
Senderarchitektur
Die 10 zeigt ein Blockdiagramm eines Senders in der bevorzugten Ausführungsform, bei der Ableitungsimpulsgeneratoren 2. bis 8. Ordnung zum Erzeugen sieben separater paralleler Signale dienen, die jeweils einer anderen Ableitung entsprechen (die Anzahl 7 ist als Beispiel gewählt und soll die Erfindung keinesfalls einschränken). Wie der Signalfluss über alles zeigt, fließt unten links ein digitaler Datenstrom dem Kodierer 1007 zu, der ihn verarbeitet und ihm Fehlererfassungs- bzw. -korrekturbits, Blockbits und dergl. hinzufügt. Das kodierte Ausgangssignal der Stufe 1007 steuert die Spreader/Demultiplexer/Router-Stufe 1008 an, die mittels eines vorbestimmten Algorithmus und/oder einer solchen Logik-Konfiguration die kodierten Datenbits bzw. -einheiten verarbeitet und zu sieben separaten Datenströmen 1013 sortiert, die ihrerseits die sieben parallelen Datenmodulatoren 1004 ansteuern.
Inzwischen erzeugt ein Haupttaktoszillator 1001 stabile Zeitgabesignale zur Ansteuerung des Triggergenerators 1002, der das Zeitintervall für die Impulsübertragung festlegt. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind diese Impulse zeitlich gleichbeabstandet; sie stellen daher ein stabiles, nicht moduliertes Trigger- bzw. Taktsignal einer einzigen Frequenz dar, das über den zwischengeschalteten programmierbaren Verzögerungsgenerator 1005 die sieben parallenen Ableitungsimpulsgeneratoren 1003 ansteuert. Mit dieser Stufe lassen die relativen Phasen der sieben Ableitungsimpulse sich im statischen Sinn einzeln justieren, was aber nicht zu Modulationszwecken dient. Ein weiteres Ausgangssignal der Stufe 1005 steuert den Synchronimpulsgenerator 1006 an, der an einem vorgewählten Zeitpunkt einen Synchronimpuls spezieller Gestalt erzeugt, der den zugehörigen Empfänger bei der Datenrückgewinnung am anderen Ende der Übertragungsstrecke unterstützt.
Die sieben genannten Ableitungsimpulsgeneratoren 1003, die mit der Ordnung der Ableitung (2 bis 8) gekennzeichnet sind, nehmen jeweils einen der sieben unabhängigen Triggerimpulse auf und erzeugen jeweils einen geformten (Gauss'schen od. dergl.) Ableitungsimpuls der in der 6 gezeigten Gestalt. Diese geformten Impulse werden auf die vorgenannten Informationsmodulatoren der Stufe 1004 gegeben, die mit der Ordnung der Ableitung des jeweils bearbeiteten Impulses gekennzeichnet sind. Ebenfalls auf die zugehörigen Modulatoren der Stufe 1004 gehen die sieben kodierten und gerouteten Modulationssignale aus der Stufe 1013, bei denen es sich um analoge oder digitale, binäre, ternäre oder Mehrzustandssignale handeln kann, wie für die jeweilige Anwendung erforderlich.
Jeder Modulator in der Stufe 1004 kann eine analoge Modulation (d.h. Amplituden- (AM), Frequenz- (FM) oder Phasenmodulation (PM)) oder eine digitale Modulationsform wie die binäre Phasenumtastung (BPSK), Frequenzumtastung (FSK) oder Minimalhubumtastung (MSK)) realisieren. Komplexere Mehrzustand-Modulationsformate wie die Quadraturphasenumtastung (QPSK), Offset-Quadraturphasenumtastung (OQPSK), Quadraturamplitudenmodulation, Mehrzustand-Quadraturamplitudenmodulation, Mehrzustand-Phasenumtastung (MPSK), Mehrzustand-Frequenzumtastung (MFSK) und andere sind in einigen Anwendungen sehr nützlich. Zusätzlich lassen sich die Amplitudenumtastung (ASK), die Ein-Aus-Tastung (OOK) und andere Verfahren nach einfachen Verfahrensweisen anwenden, wie sie dem Fachmann vertraut sind. Ternäre (d.h. 3-Zustands-) und andere Mehrebenenmodulationen können für die Ableitungsimpulsmodulation äußerst nützlich sein. Da ein Schlüsselaspekt der Erfindung die Orthogonalität (statistische Unabhängigkeit) der verschiedenen Ableitungsim pulssignale ist, erweist sich die Ein-Aus-Tastung (ggf. in Kombination mit einer standardmäßigen binären Phasenumtastung (0° oder 180° Hub) als besonders nützlich zum Optimieren der Orthogonalität unter den Signalen, da das normale Ableitungssignal (nicht invertierter Zustand), das invertierte Ableitungssignal (invertierter Zustand) und der Zustand "kein Signal" orthogonal sind, auch wenn datenmoduliert. Diese Kombination von Modulationszuständen ist besonders vorteilhaft für die Verwendung ternärer Datenzustände (+1, 0, –1). Die Modulation kann auch mit Standarddaten-, Pseudorausch- oder Spread-Spectrum-Folgen erfolgen.
Die Ausgangssignale der parallelen Datenmodulatoren werden mit dem erwähnten Synchronimpuls (aus der Stufe 1006) im Summierer-Kombinator (1009) verknüpft, letzterer typischerweise ein einfacher linearer Addierer, der sich aber in einigen Fällen auch durch digitale Schalteinrichtungen (abhängig von der relativen Zeitlage der Impulsmenge oder anderen Systemgesichtspunkten) realisieren lässt. Der Verstärker 1010 hebt das Ausgangssignal des Summierers 1009 auf ein geeignetes Leistungsniveau an; er speist seinerseits über ein Anpassnetzwerk 1011 die Sendeantenne 1012, wie in der einschlägigen Technik typisch.
Die 11 zeigt einen entsprechenden erfindungsgemäßen Empfänger. Das HF-Signal wird von der Antenne 1101 aufgenommen und über das Anpassnetzwerk 1102 auf die Vorstufen 1103 gegeben, wo herkömmliche HF-Schaltungen hoher Verstärkung es verarbeiten. Dieser Baustein bietet die Abstimmung, Filterung und eine Verstärkungs- und Frequenzregelung sowie die Steuerung insgesamt zur Erzeugung eines rauscharmen Breitbandsignals stabiler Amplitude am Anschluss 1104, das auf die sieben parallelen Synchronimpuls-Korrelatoren in der Stufe 1109 geht. Das Ausgangssignal der Stufe 1103 auf der Leitung 1104 steuert ein Synchron-Subsystem 1105 an, das den vorbestimmten Synchronimpuls rückgewinnt, mit dem eingebettete Zeitgabesignal verrastet und die Frequenz des Empfänger-Haupttaktgenerators 1106 korrigiert. Der Haupttakt steuert die Zeitgabe der Triggergeneratoren (eines pro Ableitungsimpulsgenerator) bei 1107. Jeder Triggerimpuls löst den jeweiligen Ableitungsimpulsgenerator in der Stufe 1108 aus, der die gleiche präzise Impulsform wie die zugehörige Einheit 1003 im Sender der 10 erzeugt. Die Ausgangssignale aller sieben Impulsgeneratoren bei 1108 in 11 gehen auf die Referenzeingänge der entsprechenden Synchronimpuls-Korrelatoren in der Stufe 1109. Diese Detektoren korrelieren, integrieren und filtern die jeweiligen Empfangsimpulse mit deren lokal erzeugten Versionen und implementieren entscheidungslogische Funktionen, um bei 1113 die Soll-Ausgangssignale bereit zu stellen. Die sieben Entscheidungsausgangssignale, die die sieben detektierten (hier als digital angenommen) Informationsströme darstellen, werden im Datenmultiplexer 1110 zum endgültigen seriellen Bitstrom-Ausgangssignal bei 1111 verknüpft/dekodiert/zusammengesetzt. Der zusammengesetzte Datenstrom bei 1111 wird auf der Leitung 1112 auf den Synchronisierer bei 1105 zurückgeführt, um das Einrasten auf den Synchronimpuls (Erfassung) zu unterstützen. Für Spread-Spectrum-Signale kann der endgültige Ausgangsdatenstrom 1111 auf einen gemeinsamen Entspreizer (Despreader) 1113 gegeben werden, um die ursprünglichen Daten aus dem Verbund-Spread-Spectrum-Strom zu extrahieren. Alternativ kann jedes Korrelator/Detektor-Modul in der Stufe 1109 mit einem herkömmlichen Demodulator für die Amplituden-, Frequenz- oder Phasenumtastung, Quadratur- oder Offsetquadratur-Phasenumtastung, Minimalhubumtastung oder die Mehrzustand-Phasen-, -Frequenz- bzw. -Quadraturamplitudenmodulation oder mit einem anderen geeigneten Datendemodulator ausgerüstet sein, um Modulationsinformationen aus den korrelierten Ableitungsimpulsen am Ausgang abzuleiten; in diesem Fall erscheinen dann die demodulierten (entspreizten) Daten auf den Parallelleitungen bei 1113. Im Fall einer Spread-Spectrum-Modulation auf jedem der Ableitungssignale würde man in jedem Detektor der Stufe 1109 zwischen den Datendemodulations- und den die Ausgänge 1113 speisenden Leitungen einen Spread-Spectrum-Dekodierer einfügen. Ein optionaler Entspreizer 1113 ist zwischen den Strom 1111 und den Datenausgang 1114 gelegt.
Die 12 zeigt ein erstes Senderblockdiagramm, in dem die Impulsformungsfunktionen höherer Ableitung auf Anordnungen nach dem Stand der Technik angewandt sind, um deren Bandbreite-Effizienz zu verbessern oder Störungen anderer Nutzer und Bänder abzuschwächen. Das Ausgangssignal des Schnellimpuls-Blocks geht auf eine spezielle (aktive oder passive) Gauss'sche oder sonstige Filterschaltung N. Ordnung, die die Gauss'sche Ableitung oder andere gewählte Impulsform höherer (d.h. 2. oder höherer) Ordnung erzeugt.
Die 12 zeigt einen schnellen Taktgenerator 1210 für die Triggerung und Synchronisation, der über einen digitalen Frequenzteiler an einen Pseudozufalls-Polynomgenerator 1220 und eine programmierbare Verzögerungsschaltung 1240 geht, um die Zeitlage der Schnellimpulse einstellbar zu machen. Die Verzögerungsschaltung 1240 ist mit einem Schnellimpuls-Generatorblock 1250 gekoppelt. Die Frequenz des schnellen Takts 1210 liegt in der Größenordnung der inversen Dauer der Ausgangsimpulse der Generatorstufe. Die zu sendenden seriellen Daten werden mittels eines Exclusiv-ODER-Glieds 1230 mit dem Pseudozufalls-Polynom-Datenstrom aus dem Pseudorauschgeneratorblock 1220 modulo 2 multipliziert. Dieser enthält ein standardmäßiges serielles Schieberegister mit programmierbaren Rückkoppelleitungen an geeigneten Punkten, um eines von mehreren erwünschten digitalen Polynomen zu erzeugen. Die konstruktiven Einzelheiten solcher Generatoren sind in der Spread-Spectrum- und der Kodiertechnik bekannt und hier nicht weiter diskutiert. Die Stufe 1220 erzeugt eine gewünschte Pseudozufallskodesequenz (bspw. einen Gold-, maximallangen oder Kasami-Kode). Der Ausgangsbitstrom (zur Unterscheidung von den eigentlichen Datenbits oft auch als "Chipping-Sequenz" bezeichnet) wird mit den echten Datenbits XOR-verknüpft und dient ähnlich pseudozufällig zur Ansteuerung der programmierbaren Verzögerungsschaltung 1240. Dadurch wird die Zeitlage der schmalen Impulse aus dem Impulsgenerator 1250 nach der Statistik des (natürlich von den Daten geänderten) Pseudorauschkodes zwangsweise variiert. Die Ist-Breite der schmalen (schnellen) Impulse auf der Ansteuerleitung des Pseudozufallsgenerators lässt sich auch mit einem anderen externen Signal modulieren – bspw. aus einem zweiten Pseudorauschgenerator, der die gleichen oder andere Kodes wie die ursprüngliche Pseudorauscheinheit verwendet und mit dem eigentlichen Datenstrom nach Bedarf ebenfalls modulierbar ist. Der Impulsgenerator 1250 ist mit einem Gauss-Filter 1260, dieses mit einem HF-Verstärker 1270 und dieser seinerseits mit einem Anpassnetzwerk 1280 und einer Antenne 1290 gekoppelt.
Die 13 zeigt ein zweites Sender-Blockdiagramm der gleichen allgemeinen Art. Der einzige wesentliche Unterschied zum vorangehenden Beispiel liegt darin, dass ein Haupttaktgenerator 1310 eine monostabile Kippstufe 1320 programmierbarer Verzögerung ansteuert, die einen Impuls pseudozufälliger Breite abgibt. Diese pseudozufällige Impulsbreite moduliert das Triggerrsignal für den separaten Schnellimpulsgenerator 1350, dessen Ausgangsimpulsbreite ebenfalls, wie oben festgestellt, gesteuert sein kann. Der Haupttaktgenerator 1310 steuert einen Teiler 1330 an, dieser seinerseits den Generator 1320 und das Exclusiv-ODER-Glied 1330. Wie im vorigen Beispiel arbeitet der Impulsgenerator 1350 auf das Gauss-Filter 1360, das an den HF-Verstärker 1370 gelegt ist, der auf das Anpassnetzwerk 1380 und die Antenne 1390 arbeitet. Hauptgrund für diese Alternativversion ist die erleichterte Aufteilung der Senderschaltung zu normal- und sehr schnellen Teilen im Sinne einer optimalen Topologie für die Fertigung als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC).
Empfängerarchitektur
Die 14 zeigt einen Breitband- bzw. Ultrabreitband-Empfänger zur Realisierung einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend den Sendern der 12 und 13. Ein breitbandiges Funk-HF-Signal von der Empfangsantenne 1400 wird mit einem rauscharmen Verstärker 1410 mit Breitbandfilter auf den Sollbereich bandpassgefiltert, wobei außerhalb des Durchlassbereichs liegende Signale und Störsignale unterdrückt werden. Im Verstärker 140 kann auch eine geeignete Gauss'sche Impulsformung und/oder Entzerrung erfolgen. Der folgende rauscharme Vorverstärker (LNA) hebt die Signalamplitude auf ein nutzbares Niveau an. Eine Verstärkungsregelung (AGC) 1420, die einen Spitzendetektor 1430 enthält, regelt das LNA-Ausgangssignal bei starken und schwachen Eingangssignalen konstant und linearisiert den Verstärker. Das LNA-Ausgangssignal steuert auch einen Synchron-Triggerdetektor 1440 an, der dazu dient, die Synchronisierung im stromabwärtigen Teil der Empfängerschaltung einzuleiten. Üblicherweise wird gegen oder am Anfang jedes Datenblocks ein Synchron-Burst oder -Vorläufersignal (oder vielleicht eine speziell aufgebaute Datensequenz) gesendet, um ein schnelles Synchronisieren und die Erfassung des Datenstroms im Empfänger zu erleichtern, obgleich diese Maßnahme nicht obligatorisch ist. Wird ein gültiges Triggersignal erfasst, schaltet ein Tor 1450 den Impuls auf einen Korrelator 1460. Der Korrelator 1460 vergleicht den ankommenden Strom Gauss'scher Impulse mit der Impulsform gewählter Ordnung als Maske. Das Ausgangssignal des Korrelators 1460 steuert dann den folgenden Datendemodulator/Dekodierer 1465, um den gewünschten Ausgangsdatenstrom bereit zu stellen. Eine zusätzliche Signalnachführung mit Synchronisierung erfolgt mit einer Kombination aus einem vom Korrelatorausgangssignal angesteuerten, vorwärts gekoppelten PLL-Synchronisator und einem mit dem empfangenen endgültigen Datenbitstrom rückgekoppelten PLL-Kreis. Die kombinierten Ausgangssignale steuern einen Taktgenerator 1480 variabler Frequenz an, der seinerseits die Ausleserate eines Pseudorauschgenerators 1490 regelt, so dass die lokale Pseudorauschseqenz zeit- und phasenstarr mit dem ankommenden Pseudorausch-Chipstrom aus dem Sender gekoppelt wird. Daher zeigt die 14 ein Empfängerblockdiagramm mit Details der Synchronisierung und der Demodulation.
Es sei darauf verwiesen, dass für einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Adaptierung handelsüblicher DSSS-Empfängertechnologie geeignet ist. So sind Empfangsverfahren ausreichend, wie sie für die Anwendung in Spread-Spectrum-Empfängern bekannt sind. Ein alternativer Ansatz ist der Einsatz eine analogen Korrelators auf Grundlage der spektralen Eigenschaften des Synchronisier-Vorläuferimpulses. Um Zeit-Synchronprobleme zu vermeiden, kann dieser Korrelator 1460 die Form eines Matched-Filters annehmen, dessen Antwort relativ zur Eingangsleistung beim Vorliegen eines Impulses der Sollform maximal wird.
Während die Erfindung auf spezielle Leistungsindikatoren oder diagnostische Identifikatoren nicht eingeschränkt ist, lassen bevorzugte Ausführungsformen sich einzeln durch Prüfen ihrer Fähigkeit identifizieren, die Ableitungsformen verschiedenen Eigenschaften der Antennen und Übertragungskanäle anzupassen. Eine andere Methode, bevorzugte Ausführungsformen zu suchen, ist eine Prüfung ihres Sendespektrums auf die Fähigkeit, einer Kerbfilterung unterziehbar zu sein. Eine noch andere Methode des Aufsuchens bevorzugter Ausführungsformen ist das Prüfen derselben auf minimale dispersive Effekte.
Praktische Anwendungen der Erfindung
Eine innerhalb der einschlägigen Technik wertvolle praktische Anwendung der Erfindung ist – in Folge der sehr geringen HF-Sendeleistung – die verdeckte Nachrichtenübermittlung. Weiterhin ist die Erfindung nützlich für zuverlässige Nachrichtenverbindungen beim Vorliegen starker Mehrfachpfadstörungen, für die Spread-Spectrum-Übertragung hoher Datengeschwindigkeiten od. dergl. Die Erfindung ist für praktisch zahllose Anwendungen geeignet, die hier nicht einzeln ausgeführt werden müssen.
Eine wie oben beschriebene Sender-/Empfänger-Architektur für die Impuls-Nachrichtenübertragung mit niedriger Leistung kann aus mindestens den folgenden Gründen kosteneffektiv und vorteilhaft sein. Diese Architektur macht die Zeitbereich-Spread-Spectrum-Technik praktisch – und damit gewerblich – leichter anwendbar und schwächt die bei dieser Technik auftretenden tieferfrequenten Ausstrahlungen erheblich ab, so dass sich das Potenzial schädlicher Störungen von vorhandenen Funkdiensten und deren Nutzern verringert. Eine höhere Empfängerselektivität ist möglich, wie auch das Senden mehrerer Bits pro Zeitbereichssymbol.
Was alternative Ausführungsformen der Erfindung anbetrifft, ist einzusehen, dass, obgleich die hier beschriebene Zeitbereich-Sender-/Empfänger-Architektur als separates Modul ausführbar ist, sie sich auch in die zugeordnete Hard- und Software integrieren lässt. Weiterhin lassen sich alle offenbarten Elemente sowie die Besonderheiten und Merkmale jeder offenbarten Ausführungsform mit den offenbarten Elementen und Merkmalen jeder anderen offenbarten Ausführungsform kombinieren oder an deren Stelle verwenden, außer wo derartige Elemente, Merkmale oder Besonderheiten sich gegenseitig ausschließen.

1

Power: Spektrale Leistungsdichte (Startimpuls, Nennbreite 1 ns)
Normalized: Normierte Leistung
GHz: GHz

2

Generating: Erzeugung eines Ableitungsimpulses 2. Ordnung
Output: Ausgangssignal
210: Impuls
220: Filter

3

1-NS: Impulsbreite 1 ns
Effective: Effektive Mittenfrequenz (GHz)
Derivative: Ordnung der Ableitung

4

Relative: Relative Bandbreite
Derivative: Ordnung der Ableitung

5

Power spectrum: Leistungsspektrum für Impulse 1. und 7. Ordnung (2ns Breite)
Power: Leistung (dB)
Frequency: Frequenz (GHz)

6

Gaussian: Gauss'sche Ableitungsimpulse
Time: Zeit (ns)

7

Multiple: Mehrere Impulse gleichzeitig

8

Composite: Kodierter Verbundimpuls
Time: Zeit

9

PSD of: Leistungsdichtespektrum des kodierten Verbundimpulses
Power: Leistung (dB)
Frequency: Frequenz (GHz)

10

Data stream in: ankommender Datenstrom
1001: Haupttaktgenerator
1002: Triggergenerator
1003: Ableitungsimpulsgeneratoren
1004: Informationsmodulatoren
1005: Programmierbare Verzögerungen
1006: Synchronimpulsgenerator
1007: Kodierer
1008: Spreader/Demultiplexer od. Router
1009: Summierer
1010: HF-Leistungsverstärker
1011: Anpassnetzwerk
1012: Antenne

11

Feedback to: Rückkopplung zur Synchron.-Schaltung
1101: Antenne
1102: Anpassnetzwerk
1103: HF-Vorstufen
1104: Verstärktes Signal
1105: Synchronisierschaltung
1106: Haupttaktoszillator
1107: Triggergeneratoren
1108: Ableitungsimpulsgeneratoren
1109: Synchroniompuls-Korrelatoren
1110: Datenmultiplexer
1111: Abgehender Datenstrom
1113: Daten-Entspreizer
1114: Entspreizerdaten aus

12

Polynomial: Polynom laden
Serial data: Serielle Daten
1210: Schneller Taktoszillator
1220: Pseudorauschgenerator
1230: XOR-Verknüpfung
1240: Programmierbare Verzögerung
1250: Generator für schmale Impulse
1260: Gauss'sches Filter
1270: HF-Verstärker
1280: Anpassnetzwerk

13

Programmable delay: Programmierbare Verzögerung
Polynomial load: Polynom laden
Serial data: Serieller Datenstrom
1310: Schneller Taktoszillator
1320: Pseudorauschgenerator
1330: Teiler
1340: Monostabile Kippstufe
1350: Generator von schmalen Impulsen
1360: Gauss'sches Filter
1370: HF-Verstärker
1380: Anpassnetzwerk

14

Data out: Abgehende Daten
Divider: Teiler
Lock: Phasenrastschleife
Preset: Voreinstellung
1420: Rauscharmer Breitbandverstärker
1430: Spitzenwertdetektor
1440: Trigger
1450: Tor
1460: Korrelator
1465: Demodulation/Dekoder
1480: Taktgenerator
1490: Pseudorauschgenerator

Claims

Sender für die Impulsübertragung mit: einem Taktgeber (1001); einem Triggersignalgenerator (1002), der an den Taktgeber angeschlossen ist und ein Zeitgabeintervall für die Impulsübertragung bestimmt; einer Vielzahl von Generatoren (1003) zur Erzeugung von Impulswellenformen entsprechend Ableitungen zweiter oder höherer Ordnung, wobei die Generatoren jeweils einem Signal einer Ableitung anderer Ordnung entsprechen, an den Triggersignalgenerator angeschlossen sind und von diesem angesteuert werden; einer Vielzahl von Informationsmodulatoren (1004), die mit den Generatoren zur Erzeugung von Impulswellenformen entsprechend Ableitungen zweiter oder höherer Ordnung gekoppelt sind; einer Auswahlschaltung, die mit der Vielzahl von Informationsmodulatoren gekoppelt ist und einen Spreader, Demultiplexer oder Router (1008) zum Verarbeiten, Sortieren und zur Weitergabe eines digitalen Eingangs-Datenstroms an die Vielzahl von Informationsmodulatoren aufweist; einem Summierer/Kombinator-Block (1009), der mit der Vielzahl von Informationsmodulatoren gekoppelt ist, deren Ausgangssignale auf den Summierer/Kombinator-Block gegeben werden; und einem Ausgangs-Schnittstellenmodul, das mit dem Summierer/Kombinator-Block gekoppelt ist und ein Ausgangssignal verstärken und weitergeben kann.
Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine programmierbare Verzögerungsschaltung (1005), die mit dem Triggersignalgenerator gekoppelt ist.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vielzahl von Informationsmodulatoren jeweils wenigstens eine Funktion aus der Gruppe Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Phasenmodulation, digitale Binärmodulation, Phasenumtastung, binäre Phasenumtastung, Quadraturphasenumtastung, Offset-Quadraturphasenumtastung, Frequenzumtastung, Minimalhub-Umtastung, Amplitudenumtastung, Ein/Aus-Tastung, Mehrzustands-Frequenzumtastung, Mehrzustands-Phasenumtastung, Mehrzustands-Quadraturamplitudenmodulation, Ternär-Digitalmodulation und n-Zustands-Digitalmodulation bereit stellen.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Summierer/Kombinator-Block mindestens ein Mitglied der Gruppe passiver Kombinator, aktive Summierschaltung und digitale Kombinationsschaltung aufweist.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangs-Schnittstellenmodul einen mit dem Summierer/Kombinator-Block gekoppelten Leistungsverstärker (1010) aufweist.
Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit der Auswahlschaltung gekoppelte Datenkodierschaltung (1007).
Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit der Vielzahl von Informationsmodulatoren gekoppelten Spread-Spectrum-Datenmodulator.
Sender nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spread-Spectrum-Datenmodulator mindestens einen Spread-Spectrum-Modus aus der Gruppe Direktfolge-, Frequenzsprung- und Zeitsprung-Betrieb bereit stellt.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlschaltung einen Demultiplexer aufweist.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlschaltung einen Demultiplexer aufweist, der mit der Vielzahl von Informationsmodulatoren gekoppelt ist.
Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Synchronimpulsgenerator (1006), der mit dem Summierer/Kombinator-Block gekoppelt ist.
Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Anpassnetzwerk (1011), das mit dem Ausgangs-Schnittstellenmodul verbunden ist.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangs-Schnittstellenmodul eine Antenne (1012) enthält.
Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die programmierbare Verzögerungsschaltung einen monostabilen Multivibrator mit programmierbarer Verzögerung aufweist.
Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsgeneratoren, die eine Vielzahl von Wellenformen jeweils entsprechend der Abteilung der zweiten oder einer höheren Ordnung erzeugen, jeweils ein Filter aufweisen.
Sender nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Gauss-Filter aufweist.
Als ein einziger Chip ausgeführter integrierter Schaltkreis mit dem Sender für die Impulsübertragung nach Anspruch 1, wobei der Schaltkreis in Halbleitertechnologie aus der Gruppe Si-Bipolar, CMOS, SiGe oder GaAs ausgeführt ist.
Empfänger für die Impulsübertragung mit: einer Verstärkung-/Verarbeitungs-Vorstufe (1103), mit der ein Breitbandsignal mit stabiler Amplitude und verhältnismäßig geringem Rauschanteil bereitstellbar ist; einer mit der Verstärkung-/Verarbeitungs-Vorstufe gekoppelten Synchronisierschaltung (1105), mit der ein vorbestimmter Synchronimpuls rückgewinnbar und die mit einem in diesen eingebetteten Taktsignal verrastbar ist; einem Taktgenerator (1106), der mit der Synchronisierschaltung gekoppelt ist und von ihr korrigiert wird; einem Triggersignalgenerator (1107), der mit dem Taktgenerator gekoppelt ist und dessen Zeitgabe vom Taktgenerator gesteuert wird; einer Vielzahl von Generatoren (1108) zur Erzeugung von Impulswellenformen entsprechend der zweiten oder höheren Ableitungen, wobei die Generatoren jeweils einem Ableitungssignal anderer Ordnung entsprechen und die gleiche präzise Impulsform wie eine entsprechende Einheit in einem Sendersystem erzeugen; und einer Vielzahl von Synchronimpulskorrelatoren (1109), die mit der Verstärkung-/Verarbeitungs-Vorstufe (1103) sind, um empfangene Impulse von ihr zu übernehmen, sowie mit der Vielzahl von Impulswellenform-Generatoren gekoppelt sind, wobei Ausgangssignale der Impulswellenform-Generatoren an die Referenzeingänge entsprechender Synchronimpulskorrelatoren gelegt sind, um empfangene Impulse mit ihren lokal erzeugten Wellenformversionen der Abteilung zweiter oder höherer Ordnung zu korrelieren, zu integrieren und zu filtern sowie entscheidungslogische Funktionen auszuführen, um diesbezügliche Datenausgangssignale (1113) zu erzeugen.
Empfänger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronimpulskorrelatoren jeweils einen Datendemodulator aufweisen.
Empfänger nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Datendemodulator wenigstens eine Funktion aus der Gruppe Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Phasenmodulation, digitale Binärmodulation, Phasenumtastung, binäre Phasenumtastung, Quadraturphasenumtastung, Offset-Quadraturphasenumtastung, Frequenzumtastung, Minimalhub-Umtastung, Amplitudenumtastung, Ein/Aus-Tastung, Mehrzustands-Frequenzumtastung, Mehrzustands-Phasenumtastung, Mehrzustands-Quadraturamplitudenmodulation, Ternär-Digitalmodulation und n-Zustands-Digitalmodulation bereit stellt.
Empfänger nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine programmierbare Verzögerungsschaltung, die zwischen den Triggersignalgenerator und die Impulswellenformgeneratoren der Abteilung zweiter oder höherer Ordnung eingefügt sind.
Empfänger nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Multiplexer (1110), der mit der Vielzahl der Synchronimpulskorrelatoren gekoppelt ist.
Empfänger nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch einen Datenentspreizer (1113), der mit dem Multiplexer gekoppelt ist.
Empfänger nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Datenentspreizer und der Synchronisierschaltung angelegte Verbindung, mit der eine automatische Frequenz-/Synchronisier-Steuerung bereit stellbar ist.
Empfänger nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch ein Anpassnetzwerk (1102), das mit der Verstärkung-/Verarbeitungs-Vorstufe verbunden ist.
Empfänger nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine mit dem Anpassnetzwerk gekoppelte Antenne (1101).
Empfänger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulswellenformgeneratoren entsprechend der Abteilung der zweiten oder einer höheren Ordnung jeweils ein Filter enthalten.
Empfänger nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Gauss-Filter enthält.
Integrierter Einchip-Schaltkreis mit dem Impulsübertragungsempfänger nach Anspruch 20, wobei der Schaltkreis in einer Halbleitertechnologie aus der Gruppe Bipolar-Si, CMOS, SiGe und GaAs ausgeführt ist.