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Die
Erfindung betrifft ein Ultra-Breitband-Kommunikationssystem, eine Empfangseinheit für ein Ultra-Breitband-Kommunikationssystem,
sowie ein Ultra-Breitband-Empfangsverfahren.
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Bei
Ultra-Breitband- bzw. UWB-Systemen ("UWB" =
Ultra Wideband) werden Informationen in Form einer Folge von jeweils
nur extrem kurz andauernden Impulsen übertragen. Die Impulsdauer
liegt dabei im Piko- bzw. Nanosekundenbereich, im allgemeinen zwischen
100 Pikosekunden und 1 Nanosekunde.
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Eine
derart kurze Impulsdauer führt
zu einer extrem großen
Bandbreite des Übertragungssignals, und
damit zu sehr geringen spektralen Leistungsdichten (Übertragungsleistung
in Watt pro Hertz Bandbreite). UWB-Übertragungssignale können somit
von unberechtigten Dritten nur schwer vom Grundrauschpegel unterschieden
werden, und sind deshalb relativ abhörsicher.
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Des
weiteren können
für die Übertragung von
UWB-Signalen Frequenzbereiche verwendet werden, die gleichzeitig
von anderen, nicht mit UWB-Signalen arbeitenden Nachrichtenübertragungssystemen
benutzt werden. Durch die wie oben erwähnt niedrigen spektralen Leistungsdichten
von UWB-Signalen wird die Signalübertragung
der anderen Nachrichtensysteme durch die UWB-Signale nicht oder nur wenig gestört.
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Bei
UWB-Systemen wird – abhängig von
der jeweils zu übertragenden
Information – die
Lage der gesendeten UWB-Impulse geändert (Impulslagemodulation
bzw. PPM ("PPM" = pulse position
modulation)). Beispielsweise überträgt eine
Sendeeinheit einen einer zu übertragenden "1" zugeordneten UWB-Impuls IM1 geringfügig, z.B.
einige trillionstel Sekunden früher,
als einen UWB-Impuls IM0, mit dem eine "0" übertragen
werden soll. Um in einer der Sendeeinheit zugeordneten Empfangseinheit
eine exakte Decodierung der empfangenen Impulse zu gewährleisten,
muß die
Empfangseinheit genau synchronisiert sein.
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Aus
US 4,648,133 ist eine Empfangsanordnung
bekannt, bei der ein empfangenes „pulse-position" moduliertes Signal
an einen Receiver gelangt, der eine „Treshold"-Einrichtung, eine „AMP"-Einrichtung und eine „Clipper"-Einrichtung zur
Bildung eines Ausgangssignal beinhaltet. Dieses gelangt an eine sogenannte „delay
tracking loop, DTL" mit
deren Hilfe aus dem Receiver-Ausgangssignal durch Multiplikation
ein Clock-Pulse-Signal
erzeugt wird.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, herkömmliche
Ultra-Breitband-Empfangsverfahren,
Ultra-Breitband-Kommunikationssysteme, sowie Empfangseinheiten für Ultra-Breitband-Kommunikationssysteme weiterzuentwickeln.
Sie erreicht dieses und weitere Ziele durch die Gegenstände der
Ansprüche
1, 5, 11 und 12.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung empfängt
eine Empfangseinheit ein von einer Sendeeinheit ausgesendetes, impulslagemoduliertes
Ultra-Breitband-Impulssignal. Das empfangene Ultra-Breitband-Impulssignal
wird einerseits mit wiederhergestellten Ultra-Breitband-Impulsen
multipliziert, die auf den Takt der Empfangseinheit bezogen früher auftreten
und andererseits mit wiederhergestellten Ultra-Breitband-Impulsen
multipliziert, die auf den Takt der Empfangseinheit bezogen später auftreten. Die
bei den Multiplikationen erzeugten Multiplikationssignale werden
zur Synchronisation der Empfangseinheit verwendet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die beiden erzeugten Multiplikationssignale tiefpaßgefiltert
und dann addiert. Das Additionssignal wird zur Phasenregelung eines
den Takt der Empfangseinheit erzeugenden Oszillators verwendet:
mit Hilfe des Additionssignals kann ein VCO ("VCO" =
Voltage Controlled Oscillator bzw. spannungsgesteuerter Oszillator)
einer entsprechend wie bei herkömmlichen PLL-Schaltungen
("PLL" = Phase-Locked Loop
bzw. Phasensynchronisationsschleife) aufgebauten Regelschleife so
angesteuert werden, dass Taktabweichungen eliminiert werden. Auf
diese Weise kann der Takt der Empfangseinheit entsprechend wie bei PLL-Schaltungen
in den Fangbereich gebracht, und dann mit relativ hoher Genauigkeit
im Fangbereich gehalten werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines UWB-Übertragungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Folge von UWB-Impulsen, die von den in 1 dargestellten
UWB-Sendeeinheiten ausgesendet werden;
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3 eine
Synchronisationseinheit, welche in der in 1 dargestellten
Empfangseinheit verwendet wird; und
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4 Signaldiagramme
von in der in 3 dargestellten Synchronisationseinheit
vorkommenden Signalen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines UWB-Übertragungssystems 1.
Dieses weist eine erste Sendeeinheit 2, eine zweite Sendeinheit 3, eine
Empfangseinheit 4, sowie weitere, hier nicht dargestellte
Sende- und/oder Empfangseinheiten auf.
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Die
Sendeeinheiten 2, 3 enthalten jeweils eine Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 5, 6,
ein Gate 8, 9, eine Modulations-/Sendeeinrichtung 10, 11,
sowie eine Antenneneinrichtung 12, 13. Die Empfangseinheit 4 ist ähnlich wie
die Sendeeinheiten 2, 3 aufgebaut, und weist eine
Antenneneinrichtung 14, eine Funk-Empfangseinrichtung 15,
eine Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 7,
ein Gate 16, sowie eine Demodulationseinrichtung 17 auf.
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Der
Informationsaustausch zwischen den Sendeeinheiten 2, 3 und
der Empfangseinheit 4 erfolgt gemäß 2 mittels
Ultra-Breitband-Impulsen IA1, IB1, IC0. Um zu verhindern, daß sich die
Impulse IA1, IB1, IC0 der einzelnen Sendeeinheiten 2, 3 überlagern,
werden die Impulse IA1, IB1, IC0 im TDMA-Vielfachzugriffsverfahren übertragen
("TDMA" = time division
multiplex access bzw. Zeitmultiplexzugriff). Dabei sind jeder Sendeeinheit 2, 3 jeweils
bestimmte Zeitfenster A, B, C zugeordnet (beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der ersten Sendeeinheit 2 z.B. das Zeitfenster A zugeordnet,
der zweiten Sendeeinheit 3 z.B. das Zeitfenster B, und
einer weiteren, nicht dargestellten Sendeeinheit z.B. das Zeitfenster
C). Die Zeitfenster A, B, C haben alle im wesentlichen die gleiche
Länge,
hier ca. 400 Pikosekunden. Die einer bestimmten Sendeeinheit 2, 3 zugeordneten
Zeitfenster folgen in unregelmäßigen, von einem
Pseudo-Zufallscode bestimmten zeitlichen Abständen aufeinander (Time Hopping).
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Wieder
bezogen auf 1 ist der der jeweiligen Sendeeinheit 2, 3 zugeordnete
Pseudo-Zufallscode jeweils in der Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 5, 6 der
entsprechenden Sendeeinheit 2, 3 abgespeichert.
Des weiteren sind in der Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 7 der
Empfangseinheit 4 die Pseudo-Zufallscodes derjenigen Sendeeinheiten 2, 3 gespeichert,
von denen die Empfangseinheit 4 Informationen empfangen
soll.
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Werden
z.B. von der ersten Sendeeinheit 2 aus Informationen (z.B.
eine Folge von Datenbits) zur Empfangseinheit 4 übertragen,
wird das die Informationen enthaltende Basisbandsignal BB dem Gate 8 zugeführt. Das
jeweils zu übertragende
Datenbit des Basisbandsignals BB wird vom Gate 8 zu dem
vom entsprechenden Pseudo-Zufallscode definierten Zeitpunkt an die
Modulations-/Sendeeinrichtung 10 weitergegeben.
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In
der Modulations-/Sendeeinrichtung 10 wird das zu übertragende
Datenbit in einen UWB-Impuls umgewandelt. Dabei wird – bezogen
auf den Takt der Sendeinheit 2 – die zeitliche Lage des UWB-Impulses
in Abhängigkeit
von der jeweils zu übertragenden
Information gewählt
(Impulslagemodulation bzw. PPM ("PPM" = pulse position
modulation)). Wie in 2 gezeigt ist, beginnt – bezogen
auf einen Bezugszeitpunkt, der aus dem synchronisierten Taktgenerator
gewonnen wird – ein
einer zu übertragenden "1" zugeordneter UWB-Impuls IA1 geringfügig früher, als
ein UWB-Impuls IA0, mit dem eine "0" übertragen
werden soll (in 2 gestrichelt dargestellt).
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Beispielsweise
beginnt der "1"-er Impuls IA1 eine
erste vorbestimmte Zeitdauer t1 (hier: 50 Pikosekunden), und der "0"-er
Impuls IA0 eine zweite, vorbestimmte Zeitdauer t2 (hier: 150 Pikosekunden) nach
Beginn des der ersten Sendeeinheit 2 zugeordneten Zeitfensters
A.
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Als
Impulse können
beliebige, mittelwertfreie Impulse kurzer Dauer und hoher Bandbreite
verwendet werden.
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Bei
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
beträgt
die Dauer der UWB-Impulse IA1, IB1, IC0 ca. 200 Pikosekunden (Impulsdauer
t). Die UWB-Impulse IA1, IB1, IC0 haben jeweils die Form von Gauß-impulsförmigen,
einperiodigen, monozyklischen Schwingungen (hier: die Form von Gauß-Impulsen
erster Ableitung). Bei alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen
können
stattdessen z.B. auch Rechteck-Impulse,
Sägezahnimpulse,
etc., und/oder statt einperiodiger Schwingungen halb- oder mehrperiodige
Schwingungen verwendet werden (z.B. Schwingungen, die nur wenige Perioden
umfassen, z.B. bi- oder trizyklische Rechteckschwingungen)).
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Wieder
bezogen auf 1 werden die in der ersten Sendeeinheit 2 erzeugten
Impulse IA1 bzw. IA0 einem ebenfalls in der Modulations-/Sendeeinrichtung 10 enthaltenen
Hochpassfilter zugeführt (nicht
dargestellt). Dieses weist eine Grenzfrequenz von ca. 1 GHZ auf.
Durch das Hochpassfilter werden aus dem von der Modulations-/Sendeeinrichtung 10 erzeugten
Impulssignal Frequenzbereiche herausgefiltert, die unter 1 GHz liegen.
Dadurch wird erreicht, dass das gefilterte UWB-Impulssignal s(t) keinen Gleichanteil
aufweist (d.h. die durchschnittliche Impulsspannung bei 0V liegt).
Außerdem
wird vermieden, dass das UWB-Impulssignal s(t) von starken Fernseh-
und Radiosendesignalen gestört
wird.
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Das
gefilterte UWB-Impulssignal s(t) wird dann der Antenneneinrichtung 12 der
ersten Sendeeinheit 2 zugeführt. Von dort wird das Signal
s(t) per Funk an die Antenneneinrichtung 14 der Empfangseinheit 4 übertragen,
und dann zunächst
an deren Funk-Empfangseinrichtung 15, und von dort aus
an das Gate 16 weitergeleitet (UWB-Empfangsimpulssignal
s'(t)).
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Wie
oben bereits erwähnt,
ist in der Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 7 der
Empfangseinheit 4 ein Pseudo-Zufallscode gespeichert, der von der
Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 7 an
das Gate 16 geliefert wird. Dieses lässt das empfangene Impulssignal
s'(t) nur während der
vom Pseudo-Zufallscode definierten Zeiträume passieren, d.h. zu dem
der Sendeeinheit 2 zugeordneten Zeitfenster A, in dem die
Empfangseinheit 4 Informationen empfangen soll. Dadurch
werden der Demodulationseinrichtung 17 nur diejenigen im
Signal s(t) enthaltenen Impulse IA1' bzw. IA0' zugeführt, die von der ersten Sendeeinheit 2 stammen
(Signal s''(t)).
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Das
von der Demodulationseinrichtung 17 erhaltene Signal s''(t) wird – entsprechend umgekehrt wie
in der Modulations-/Sendeeinrichtung 10 der
ersten Sendeeinheit 2 – in
ein Basisbandsignal BB' zurückgewandelt.
Hierzu wird in der Demodulationseinrichtung 17 ermittelt,
ob – bezogen
auf den Takt der Empfangseinheit 4 – ein Impuls relativ "früh", oder relativ "spät" empfangen wurde
(siehe unten). Bei Ermittlung eines "frühen" Impulses IA1' gibt die Demodulationseinrichtung 17 ein
Datenbit "1", und bei Ermittlung
eines "späten" Impulses IA0' ein Datenbit "0" aus.
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Um
einen "frühen" oder "späten" Impuls auf exakte
Weise ermitteln zu können,
wird in der Demodulationseinrichtung 17 eine Taktsynchronisation
vorgenommen. Dabei wird der Empfangseinheit-Takt aus dem empfangenen
Impulssignal abgeleitet. Ein hierbei erzeugtes Synchronisationssignal
Q wird gemäß 1 der
Pseudo-Zufallscode-Erzeugungseinrichtung 7 zugeführt, und
stellt dort sicher, daß die Funk- Empfangseinrichtung 15 das
empfangene Impulssignal s'(t)
während
der exakt richtigen Zeiträume
(Zeitfenster A) passieren läßt.
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Die
Takt-Synchronisation wird mit Hilfe einer in 3 gezeigten
Synchronisationseinheit 18 durchgeführt.
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Die
Synchronisationseinheit 18 umfaßt einen ersten und zweiten
Multiplizierer 19, 20, einen ersten Tiefpaß 21,
einen zweiten Tiefpaß 22,
einen Summierer 23, und eine Taktoszillator-Schaltungseinheit 24. Diese
weist einen Schaltungsabschnitt auf, der im wesentlichen einer herkömmlichen
PLL-Schaltung entspricht
("PLL" = Phase-Locked Loop
bzw. Phasensynchronisationsschleife), dessen VCO ("VCO" = Voltage Controlled
Oscillator bzw. spannungsgesteuerter Oszillator) im eingeschwungenen
Zustand in Frequenz und Phase mit dem Takt der Sendeeinheit 2 übereinstimmt.
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Der
erste Multiplizierer 19 multipliziert das diesem zugeführte Impulssignal
s''(t) mit einem von der
Taktoszillator-Schaltungseinheit 24 erzeugten, "wiederhergestellten" Impuls-Signal S1wiederhergestellt (t). Das Impulssignal s''(t) wird außerdem auch dem zweiten Multiplizierer 20 zugeführt, der
dieses auf entsprechende Weise mit einem "wiederhergestellten" Impuls-Signal S0wiederhergestellt (t)
multipliziert, welches ebenfalls von der Taktoszillator-Schaltungseinheit 24 erzeugt
wird.
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Die
Signale S1wiederhergestellt (t) bzw. Signal S0wiederhergestellt (t) bestehen gemäß 4 aus
einer Folge von Impulsen IW1 bzw. IW0, die hinsichtlich Impulsform
und Impulsdauer im wesentlichen den von der Sendeeinheit 2 empfangenen
Impulsen IA1' bzw.
IA0' entsprechen.
Sie dienen der fortlaufenden Synchronisation des Empfangseinheits-Takts.
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Die
Taktoszillator-Schaltungseinheit 24 erzeugt, wie in 4 gezeigt,
die in den Signalen s1wiederhergestellt (t)
bzw. s0wiederhergestellt (t) enthaltenen
Impulse IW1 bzw. IW0 in Bezug auf den momentan gültigen Empfangseinheits-Takt
(bzw. in Bezug auf ein von diesem definiertes, dem Sendeeinheits-Zeitfenster A entsprechendes
Zeitfenster A',
wobei der Impuls IW1 die Zeitdauer t1 (hier: 50 Pikosekunden), und
der Impuls. IW0 die Zeitdauer t2 (hier: 150 Pikosekunden) nach Beginn
des Zeitfensters A' beginnt).
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Der
zeitliche Versatz der Impulse IW1 bzw. IW0 gegenüber den empfangenen Impulsen
IA1' bzw. IA0' entpricht der momentanen
Taktabweichzeitdauer t0.
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Das
vom ersten Multiplizierer 19 erzeugte Multiplikationssignal
sm1(t) wird (wieder bezogen auf 3) dem Tiefpaß 21,
und das vom zweiten Multiplizierer 20 erzeugte Multiplikationssignal
sm0(t) dem Tiefpaß 22 zugeführt. Die
Grenzfrequenz der Tiefpässe 21, 22 ist
jeweils so gewählt,
dass aus den Multiplikationssignalen nur die Differenz-Frequenzanteile
herausgefiltert werden, die deutlich unterhalb der Taktfrequenz
f liegen. Wie in 4 gezeigt ist, sind in dem Fall,
dass im Mittel gleich viele "frühe" Impulse IA1' empfangen werden,
wie "späte" Impulse IA0', die von den Tiefpässen ausgegebenen
Signale sf1(t) und sf0(t) identisch, jedoch zeitlich um eine halbe
Impulsbreite versetzt.
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Die
gefilterten Signale sf1(t) bzw. sf0(t) werden in dem Summierer 23 addiert,
und das Additionssignal sa(t) dann der Taktoszillator-Schaltungseinheit 24 zugeführt. Der
Nullpunkt N des Additionssignals sa(t) fällt mit dem Synchronisations-Signal des Sendeeinheits-Taktgenerators
zusammen. Die Abweichung zwischen Nullpunkt N des Additionssignals sa(t)
und dem Nullpunkt des Empfangseinheits-Takts stellt damit ein Maß für die Taktabweichung
dar.
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Der
VCO der Taktoszillator-Schaltungseinheit 24 kann somit
mit einer entsprechend wie bei herkömmlichen PLL-Schaltungen aufgebauten
Regelschleife so angesteuert werden, dass die Taktabweichung eliminiert
wird. Durch die erfindungsgemäße Synchronisationseinheit 18 kann
also der Empfangseinheits-Takt
in den Fangbereich gebracht, und dann mit relativ hoher Genauigkeit
im Fangbereich gehalten werden. Dadurch kann mit hoher Gewissheit
bestimmt werden, ob ein Impuls relativ "früh", oder relativ "spät", d.h. ob ein Datenbit "1", oder ein Datenbit "0" empfangen
wurde.