Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Empfang speziell ausgebildeter binär codierter Signale mittels einem Digitalfilter, das die Autokon-elationsfunktion zwischen ausgesandtem und empfangenen, binä- ren Signal bildet mit nachgeschaltetem, codiertem Digitalfilter, welches zur Kompression der Impuls-Signalform zu einer schmalen Impulsspitze führt und damit die verbesserte Erkennung aus dem Rauschen bzw. gegenüber Störsignalen und geringeres Nebensprechen ermöglicht.

Stand der Technik

Korrelationsfilter, die eine bestimmte Signalform zur theoretisch optimalen Erkennung aus dem Rauschen und zur Verbesserung der Auflösung und Genauigkeit und/oder zu Synchronisationszwecken benutzen, sind in der Signalverarbeitung und Datenübertragung seit langem bekannt. Als Signalformen wurden sowohl kontinuierliche Modulationen (lineare, quadratische, logarithmische Frequenzmodulationen), als auch diskrete Modulationen (PSK, phase shift keying binär und mehrphasig) gewählt, siehe z.B. W.S. Burdic, Radar Signal Analysis, Prentice Hall, 1968, S. 193 ff.

Allen Verfahren gemeinsam ist, dass im Korrelationsfilter beim Empfang des Signals (Betrachtung ohne Rauschen oder sonstige Übertragungsfehler) die Autokorrelationsfunktion (AKF) gebildet wird zwischen der Impulsantwort des Filters - die dem ausgesandten Signal (bis auf das Vorzeichen) entspricht - und dem empfangenen Signal.

Es ist auch bekannt, dass bei Verwendung binär codierter Signale die Korrelationsfilter sehr einfach werden. Die binären Barkercodes (W. S. Burdic, Radar Signal Analysis, Prentice Hall, 1968, S. 189) erreichen ein ideales Kompressionsverhältnis von Hauptmaximum N (= Anzahl der Subpulse bzw. Code-Bits) zu Ne- benmaximum am Filterausgang, also N : 1, sie sind bekannt bis N = 13. Für binäre Codes wurde bewiesen, dass für größere Anzahlen von Subpulsen N als 13 keine Codes existieren, die die ideale AKF von N : 1 als Signalform erreichen, siehe LM. Ivanova, Yu. L. Ketkov, and T. S. Yampol'skaya, On the existence of Barkercodes. Izvestiya vyssheishkoly, radiofizika 3 (1960), S. 391-396 und R. Turyn and J.E. Storer. On binary Sequences. Proc. Am. Math. Soc. (1961), S. 394-399. Das heißt, binäre Codes der wünschenswerten, größeren Bitzahlen N gleich 100 bis 1000 haben immer in der AKF störende Nebenmaxima, die zu Fehlentdeckungen oder Fehlmessungen führen. Bisher versuchte man, die störenden Nebenmaxima durch in der Amplitude unterschiedliche Codebewertungen im Korrelations- filter zu unterdrücken, wobei die Bewertungen von den binären Werten +1 und -1 abweichen und sehr genau für jede AKF ausgerechnet und eingestellt werden müssen. Siehe z.B.: A new algorithm to optimize Barker code sidelobe suppressi- on filters; Hua, Chen Xiao, Oksman, Juhani; IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems (ISSN 0018-9251), Bd. 26, Juli 1990, S. 673-677.

PN-Sequenzen, insbesondere Gold-Sequenzen, werden für die synchrone Datenübertragung verwendet, da die periodische AKF (PAKF) ein Haupt-/ zu Nebenmaxima- Verhältnis von N zu -1 aufweist. Die aperiodische AKF sowie die KKF und PKKF (periodische ICreuzkorrelationsfunktion) weisen jedoch große Neben- maxima von mindestens größer Wurzel aus 2N auf. Dies führt zu Störungen und Nebensprechen und bedeutet eine Begrenzung ihrer Anwendungsmöglichkeiten

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine binäre Code-Modulationsart für eine Schaltungsanordnung der beschriebenen Art weiterzubilden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der beschriebenen Art durch Verwendung neuer, binärer Signalcodierungen mit zugehörigem digitalen Empfangsfilter so weiterzubilden, dass einmal die Codelänge, die man verwenden will., um den Faktor 10 oder 100 größer ist als beim Barkercode und gleichzeitig die Nebenmaxima in der AKF auf Null gelöscht werden, um optimale Impulskompression zu erreichen.

Die Aufgabe wird erfmdungsgemäß durch die Schaltungsanordnung und das Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh- rungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Es werden erfindungsgemäße Signal codes unter Verwendung des jeweils zugehörigen komplementären Codes im digitalen Empfangsfilter in der Art verwendet, dass die Nebenmaxima zu Null gelöscht werden. Nach einem Codegenerierver- fahren kann iterativ jeweils die Bitlänge N verdoppelt werden, wobei die Eigenschaft, dass die Nebenmaxima Null sind, erhalten bleibt.

Die Erfindung ermöglicht zudem, dass nur eine Sequenz eines Paares von Sequenzen eines Komplementärcodes übertragen werden muss. Erfindungsgemäß werden Mittel bereitgestellt, so dass die zweite Sequenz des Paares erst im Empfänger erzeugt wird. Die Addition des autokorrelierten empfangenen Codes und des autokorrelierten komplementären Codes, der im Empfänger erzeugt wurde, ergibt ein Hauptmaximum maximaler Höhe unter Auslöschung der Nebenmaxima. Es ist hier von wesentlicher Bedeutung, dass nur eine Sequenz des Paares übertragen werden muss, während die andere Sequenz des Paares im Empfänger erzeugt wird.

Nach einem erfindungsgemäßen Codegenerierverfahren kann iterativ jeweils die Bitlänge N verdoppelt werden, wobei die Eigenschaft, dass die Nebenmaxima Null sind, erhalten bleibt: Folgende Untermengen von Komplementärsequenzen sind für das neuartige, perfekte Korrelations-Matched-Filter geeignet. Ihre Synthese wurde zwar von Golay (1960) und Welti (1959) schon angegeben und von

Farley (1985), Hussain (1988), Darnell (1988), Lülce (1992) weiterverfolgt und für Anwendungen vorgeschlagen, jedoch ohne die entscheidende Symmetrieeigenschaft dieser Sequenzen in einer Filterschaltung auszunützen, wie unten beschrieben werden wird:

Ein Beispiel ist das komplementäre Paar der beiden 4-Chip Barkersequenzen:

Sequenz 1, A + + + - (Ongmalsequenz)

Sequenz 2, B + - + + (Komplementärsequenz zu Sequenz 1

AICFl -1 0 +1 +4 +1 0 -1 (aus Sequenz 1)

AKF2 +1 0 _J +4 -1 0 +1 (aus Sequenz 2)

0 0 0 +8 0 0 0 (Summe)

Sequenz 3, C: - + + + (Sequenz 1 rückwärts)

Sequenz 4, D: + + - + (Sequenz 2 rückwärts)

Durch Hintereinandersetzen von jeweils Komplementärpaaren entstehen beliebig lange Komplementärpaare für alle Längen 2". Fig. 3 zeigt als Beispiel eine 8- Chip Komplementärsequenz zusammengesetzt aus den 4-Chip Barkersequenzen A und D' (D' bezeichnet die inverse Sequenz zu D). Jede der vier genannten Barkersequenzen oder deren inverse Sequenzen kann als Ausgangssequenz für das erfindungsgemäße Empfangsfilter mit Komplementärpaaren gewählt werden.

Die Erfindung stellt zudem ein Verfahren zur Bildung eines impulsförmigen Signals in einem Empfangsfilter bereit. Es wird zuerst ein Signalcode mit einem Trägerfrequenzsignal von einer Form +1, +1 oder eines von diesem durch das Symmetriegesetz Xi = ± XN- 1-i * e ¹⁷ " abgeleiteten Code oder durch Zeitumkehr erzeugten Code oder durch Bewertung mit alternierendem Vorzeichen vervielfach- tem Code oder eines durch Hintereinandersetzen der genannten Codes vervielfachten Code oder eines durch Hinzufügen einer Quadraturkomponente erzeugten Code oder durch beliebiges, zyklisches Verschieben oder ähnliche Transformatio-

nen geänderten Codes, der jeweils die Symmetriebedingung Xi = ± XN-I -i * e* ⁷ " erfüllt empfangen. Dann wird ein Signal von dem empfangenen Signal abgezweigt. Das abgezweigte Signal wird mit alternierendem Vorzeichen zum Bilden eines Komplementärcodes multipliziert. Darauf wird eine erste Autokorrelation des empfangenen Signals und eine zweiten Autokorrelation des abgezweigten empfangenen Signals, das mit alternierendem Vorzeichen multipliziert wurde, gebildet. Schließlich werden die Ergebnisse der ersten und zweiten Autokorrelation addiert. Dieses Verfahren kann um weitere Aspekte, die aus dieser Offenbarung hervorgehen, erweitert werden.

Zudem wird erfindungsgemäß ein Übertragungssystem bereitgestellt, das das er- fmdungsgemäße Verfahren verwendet. Bevorzugt werden zumindest zwei Codes zur Übertragung verwendet, wobei bei der Kreuzkorrelation der zwei Codes keine Nebenmaxima auftreten, insbesondere ist die Kreuzkorrelation der zwei verwen- deten Codes Null. Das Übertragungssystem kann auch als Multi- Teilnehmersystem durch Verwenden komplexwertiger Sequenzen ausgelegt sein.

Die Erfindung kann u.a. verwendet werden bei Synchronisation, Systemmesstechnik, sowie im Bereich linearer Antennen mit codierter Apertur und Mehran- tennen-Systemen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Erläute- rang der Zeichnungen hervorgehen.

Fig. 1 und Ia zeigen Schaltungsanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Autokorrelationssummenbildung gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 zeigt das Bilden eines Komplementärcodes gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine weitere Autokorrelationssummenbildung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 zeigt Addition von Autokorrelationssummen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Figur Ia zeigt einen der erfindungsgemäßen Signalcodes 1 ohne Trägerfrequenz mit zwei Phasenstufen 0° und 180°, bestehend aus acht Subpulsen am Empfangs- filter-Eingang. Die Einhüllende des Empfangssignals nach dem Subpulsfilter und D/ A- Wandler 2 wird als positive oder negative Digitalzahl, hier symbolisiert als +1 bzw. — 1, je nach Phasenlage des ausgesandten Signalcodes, in ein Schieberegister 3 gespeist, das je Subpulsdauer τ über die Zeit weiterschaltet. Anschließend bildet der Filterteil 4 die Autokorrelationssumme

AKF _k = i= ₀ Σ ^N"1 - ^k X _i * Xi _+k

z.B. nach dem Schema für den 8-Bit-Code in Fig. 2.

Die genannten Signalcodes haben folgende, innere Symmetrieeigenschaft, die im Empfangsfilter ausgenutzt wird zur idealen Impulskompression ohne Nebenma- xima: Nach der ersten Subpulsdauer τ wird z.B. am Punkt 5 in Fig. Ia des Schieberegisters 3 ein zweites Signal abgeleitet und abwechselnd im Filterteil 6 mit + und - bewertet. Durch die Bewertung 6 des empfangenen Signalcodes mit der einfachen Folge von alternierenden Phasensprüngen Bj = +, -, +, -, +, -, +, - (oder Digitalwerte +1, -1 usw. oder z.B. L, 0 usw. bei QPSK) entsteht der zugehörige Komplementärcode Xj mit den exakt negativen Nebenmaximawerten verglichen mit dem Originalcode, der ausgesandt wurde, siehe X; in Fig. 3, für das Beispiel des oben gewählten, optimalen 8-Bit-Code. Die Bewertung 6 in Fig. Ia des emp- fangenen Signalcodes mit +,- Folge kann auch in paralleler Schaltung erfolgen, wie in Fig. 1 dargestellt.

Die mittels Schieberegister 7 und Filterteil 8 gebildete AKF zu diesem durch +1, -1 Bewertung erzeugten Komplementärcode hat das in Fig. 4 gezeigte, vorteilhafte Resultat mit den komplementären Nebenmaxima zu der AKF des Originalcodes aus Fig. 2.

Der Filterteil 9, gezeigt in Fig. 1 a, vor dem Ausgang des Digitalfilters ist eine einfache Addition, nämlich:

Filterausgang =

AKFl = AKF (empfangener Code korreliert mit gespeichertem Originalcode )

plus

AKF2 = AKF (empfangener Code mal +1, -1 -Reihe = Komplementärcode korreliert mit gespeichertem Komplementärcode).

Das Ergebnis ist für den 8-Bit-Code in der Fig. 5 dargestellt, es entsteht die ideale, impulsförmige Empfangs-Signalform ohne Nebenmaxima.

Beide Codes, der hier als Beispiel vorgestellte 8-Bit-Code (Code 1 = A) und sein aus (+1, -1)-Bewertung hervorgegangener Komplementärcode (Code 2 = B), können jeweils als optimale Signalcodes verwendet werden. Zusätzlich gibt es einen dritten und vierten optimalen 8-Bit-Code, indem man die Codefolgen der ersten beiden Codes durch Zeitumkehr rückwärts aussendet. Der dritte und vierte optimale 8-Bit-Code lautet demnach:

-1, +1, -1, -1, -1, +1, +1, +1, (Code 3 = C)

+1, +1, +1, -1, +1, +1, -1, +1, (Code 4 = D)

Die optimalen Signalcodes mit jeweils verdoppelten Längen 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 usw. von Subpulsen entstehen durch iteratives Codegenerier- Verfahren aus dem Code mit nächst niedrigerer Subpulsanzahl durch Anwenden des Symmetriegesetzes für den Komplementärcode und Fortsetzen damit auf die doppelte Länge in folgender Weise:

Xi = X _N-1-i * e ¹ ™ i = 0, 1, N-I

Beginnend mit der Länge N = 2 oder 4 können mit dem oben genannten ι Algo- rithmus optimale Empfangsfilter bis zu beliebiger Länge 2 ^N aus dem jeweiligen optimalen Code der Länge N-I hergestellt werden. Die effektive Bandbreite wird bei einem optimalen Korrelationscode mit N Subpulsen um den Faktor N vergrößert (Burdic S. 184). Damit lässt sich die Auflösung der Impulsmessung um den Faktor N verbessern. Die Ausführung der Schaltungsanordnung kann wieder wie im beschriebenen Beispiel gewählt werden, nur mit entsprechend erhöhter Bitzahl N.

Eine weitere Schwierigkeit beim Einsatz bisheriger, binärer Signalcodes ist, dass die Kreuzkorrelation beim Einsatz von zwei verschiedenen Signalcodes störende Nebenmaxima erzeugt. Die vorgestellten beiden Codes 1 und 4 (A, D) stellen demgegenüber einen Satz von Codierungen dar, deren Kreuzkorrelationsfunlctio- nen exakt Null ohne Nebenmaxima sind. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung eröffnet dies die Möglichkeit der optimalen, getrennten Erkennung von zwei verschiedenen Signalcodes je Bitlänge N mit den entsprechenden zwei Empfangs- filtern nach Fig. Ia.

Die zwei Sequenzen A und D stellen nicht nur einen Satz orthogonaler Sequenzen dar, ihre Kreuzkorrelationsfunktionen sind zusätzlich exakt Null ohne Nebenmaxima. Dies gilt auch für die zwei inversen Sequenzen A', D' mit der Besonderheit, dass die direkt negative Sequenz zwar ein negatives Hauptmaximum am Filterausgang liefert, dieses jedoch als Fehlentdeckung durch eine positive Schwellwertsetzung unterdrückt werden kann unter Voraussetzung einer Differenzcodie-

rang zur Erhaltung des Vorzeichens nach einem Hüllkurvendetektor. Das Vorzeichen nach einem Hüllkurvendetektor bleibt erhalten, wenn im Sender in einer Differenzcodierung nur die Übergänge von 0 nach L und umgekehrt codiert werden (differentiell kohärente PSK, abgekürzt DPSK). Im Empfänger ist eine Deco- dierung erforderlich, die diese Änderungen auswertet. Dies eröffnet die Anwendung als Codemultiplexverfahren (CDMA) für die jeweils vier verschiedenen Sequenzen einer Länge N.

Die Anzahl der für ein Codemultiplexverfahren verschiedenen, orthogonalen Komplementärsequenzen mit zusätzlich perfekt verschwindender Kreuzkorrelation - also perfekt unkorrelierte Sequenzen — lässt sich erhöhen durch Übergang auf komplexwertige Sequenzen bei DPSK im Basisband durch Verwenden von Quadraturkomponenten (I-Kanal und Q-Kanal), wobei die perfekten Eigenschaften erhalten bleiben.

Die vier verschiedenen 8-Bit-Sequenzen werden jeweils z.B. mit e ^{]π 2} , e ^{1 π} , e ^{1 π} multipliziert, oder anders ausgedrückt, es werden lineare Phasen addiert. So erhält man bereits 8 verschiedene Sequenzen:

Statt dem Entscheider im Empfangsfilter im Fall binärer Sequenzen, der ein nega- tives Hauptmaximum unterdrückt, wird im mehrphasigen Fall jedes Hauptmaximum mit einer Phase ungleich Null unterdrückt und nur dasjenige Filter der Filterbank, an dem ein Hauptmaximum ohne Phasenverschiebung auftaucht, lässt das Hauptmaximum als entdecktes Signal durch. Im komplexen Signalraum lassen sich damit auch noch mehr verschiedene, orthogonale Sequenzen generieren, z.B. durch jeweils weiteres Unterteilen der Phasenwinkel, z.B. erhält man mit e ^!π/4 -Schritten bereits ein CDMA-System für 16 Teilnehmer, mit e' ^π/8 - Phasenabstand für 32 Teilnehmer oder mit 64-PSK sind Systeme für 128 Teilnehmer möglich, die mit derselben Trägerfrequenz „gebündelt" ausgesandt werden und beim Empfang beim einzelnen Teilnehmer wieder „entbündelt" werden über perfekten Korrelationsempfang der damit vollkommen unkorrelierten Sequenzen.

Die genannten Modulator/Demodulator-Schaltungen lassen sich einfach realisieren mit den heutigen digitalen Signalprozessoren (DSP).