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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Ermitteln der Periode von Signalen, die durch eine pseudo-zufällige Binärsequenz
codiert werden, und von abgetasteten analogen Signalen, die nach
Zeilencodierung einer pseudo-zufälligen
Binärsequenz
erhalten werden.
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Pseudo-zufällige Binärsequenzen werden häufig in
digitalen Datenübertragungssystemen,
beispielsweise in Magnetaufzeichnungssystemen, verwendet. Gewöhnlich werden
solche Sequenzen unter Verwendung von linearen Rückkopplungsregistern erzeugt,
um Periodizität
sicherzustellen. Die Struktur des Binärdatengenerators ist durch
das charakteristische Polynom gegeben, das die pseudo-zufällige Binärsequenz
beschreibt. Die Ordnungen der charakteristischen Polynome erstrecken
sich typischerweise über
einen Bereich von 3 bis 30 und noch höher.
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In einem digitalen Datenübertragungssystem stellt
ein Strom von Datenbits, der durch das lineare Rückkopplungsregister erzeugt
wird, ein Datensignal mit einer Periode TPER dar.
Das resultierende Signal ist periodisch, wobei die Anzahl von Bits
in einer Periode durch das charakteristische Polynom der pseudo-zufälligen Binärsequenz
festgelegt ist. Gewöhnlich
werden Sequenzen verwendet, die die Eigenschaft aufweisen, daß ein Muster
die maximal mögliche
Länge (Anzahl
von Bits) für
die Ordnung des charakteristischen Polynoms aufweist, die Pseudorausch-
(PN) Sequenzen genannt werden. Für
eine PN-Sequenz mit einem charakteristischen Polynom der Ordnung
N ist die Anzahl von Bits im resultierenden Bitmuster beispielsweise
L = 2N – 1.
In der folgenden Beschreibung soll die Wiederholungszykluszeit des
Bitmusters die Periode der pseudo-zufälligen Binärsequenz sein.
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Das Ermitteln der Periode von durch
eine PN-Sequenz erzeugten Signalen ist für viele Anwendungen in der
digitalen Datenübertragung
erforderlich. Die Prozedur erfordert gewöhnlich den Vergleich des analysierten
Signals mit einer verzögerten
Version von sich. Für
Geschwindigkeit wird ein Zeitfensterteil des Signals verwendet.
In Verfahren des Standes der Technik mußte das Fenster mindestens
eine volle Periode von L Bits des Signals enthalten, damit die bekannten
Algorithmen die Periode der PN-Sequenz erfolgreich ermittelten.
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US
5579338 zeigt einen Streuspektrumempfänger, der eine Anzahl von Teilkorrelationen über die gesamte
Länge einer
PN-Sequenz zur Synchronisation verwendet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine
Methodologie zum Erfassen der Signalperiode vor, die die Tatsache,
daß das
Signal auf der Basis einer pseudozufälligen Binärsequenz erzeugt wird, und
die Tatsache, daß die
Ordnung des charakteristischen Polynoms bekannt ist, maximal ausnutzt.
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L ist die Anzahl von Bits pro Muster,
das durch ein charakteristisches Polynom der Ordnung N erzeugt wird;
insbesondere gilt für
eine PN-Sequenz L = 2N – 1 (wie vorstehend beschrieben).
Der Erfinder erkannte, daß die
Ordnung N des charakteristischen Polynoms die minimale Anzahl von
aufeinanderfolgenden Bits in dem Muster ist, die sich in irgendeiner Teilsequenz
von L aufeinanderfolgenden Bits nicht wiederholen, welche alle N
vorher erwähnten
Bits enthält.
Somit können
bekannte Algorithmen erfolgreich verwendet werden, um die Datensignalperiode unter
Verwendung eines Zeitfensterteils des Signals, der nicht mehr als
N Bits enthält,
zu erfassen. Diese N Bits lange Teilsequenz funktioniert als Wellenform-"Token", das im Signal enthalten ist, und wiederholt
sich mit exakt derselben Periode wie das Signal selbst.
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In bekannten Systemen wird die Länge des Tokens
unter Verwendung von bekannten Periodenerfassungsalgorithmen gewöhnlich als
L = 2
N – 1
Bits genommen. Da die Zeit, die für einen gegebenen Algorithmus
erforderlich ist, um die Periode zu bestimmen, linear mit der Bitbreite
des verwendeten Tokens zunimmt (d. h. linear skaliert), würde ein
erfindungsgemäßes System
eine Geschwindigkeitsverbesserung von
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L/N gegenüber den Systemen des Standes der
Technik ergeben. Insbesondere im Fall von PN-Sequenzen, die umfangreich
als pseudo-zufällige
Sequenzen verwendet werden, ist die Geschwindigkeitsverbesserung ΔS in Gleichung
(1) gegeben. Für
N = 7 (d. h. L = 127) ist die Geschwindigkeitsverbesserung 18; für N = 9
ist sie 56 und nimmt für
jede ganzzahlige Zunahme in der Ordnung von N des charakteristischen
Polynoms fast 2-fach zu.
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Ein System zum Ermitteln der Periode
eines unter Verwendung von PN-Sequenzen
codierten Datensignals kann unter Verwendung einer Software implementiert
werden, die codierte Bitstromsignale analysiert, die abgetastet
und in einem Speicher gespeichert wurden. Wenn es in dieser Form
implementiert wird, ist ein erfindungsgemäßes System sehr tragbar. Es
kann beispielsweise in einem Softwarecode implementiert werden,
der unter Verwendung einer problemorientierten Programmiersprache
(z. B. JAVA) entwickelt wird. Es unterscheidet sich vom bekannten
Fachgebiet (vorstehend beschrieben), da es Wissen über die
Struktur des Signalgenerators (d. h. die Ordnung des charakterisierenden
Polynoms der codierenden PN-Sequenz) verwendet und die Tatsache
erkennt, daß kurze
Datentokens vom ursprünglichen
Signal mit demselben Erfolg beim Ermitteln der Periode wie längere Sequenzen
mit mindestens der Länge
der Periode verwendet werden können.
Ein solcher Code erfordert keinen speziellen Periodenerfassungsalgorithmus
für seinen
Kernperiodenerfassungsmechanismus. Statt dessen arbeitet es als
Vorfilter, das die Menge an Daten verringert, die durch den Erfassungsalgorithmus
verarbeitet werden müssen.
Ein weiterer Vorteil von erfindungsgemäßen Systemen besteht darin,
daß sie
in Systemen implementiert werden können, denen ein leistungsstarker Universalprozessor
fehlt, beispielsweise Digitaloszilloskope. Die Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit,
die durch die vorliegende Erfindung möglich gemacht wird, würde eine
Anzahl von Datenverarbeitungsanwendungen für den Markt der digitalen Datenübertragung
in solchen Systemen brauchbar machen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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In der Zeichnung gilt:
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2a ist
eine Darstellung einer 7-Bit-PN-Sequenz und eines N-Bit-Tokens (N
= 3), die beim Verständnis
der Erfindung nützlich
ist.
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2b ist
eine Darstellung der Sequenz von 2a,
die unter Verwendung eines sinuswellenförmigen Impulses zur Zeilencodierung
moduliert ist. Das effektive Format des codierten Signals ist BPSK.
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Ausführliche
Beschreibung
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. In 1 ist
ein Eingangsanschluß 5 mit
einer Quelle (nicht dargestellt) für ein Eingangsbinärsignal
gekoppelt, welches unter Verwendung von bekannten Verfahren mit
einer PN-Sequenz codiert wird. Der Eingangsanschluß 5 ist
mit einem Eingangsanschluß eines
Speichers 20 gekoppelt. Ein Ausgangsanschluß des Speichers 20 ist
mit einem Eingangsanschluß eines
Tokenselektors 30 gekoppelt. Ein Ausgangsanschluß eines
Tokenselektors 30 ist mit einem Eingangsanschluß einer
Periodenberechnungsschaltung 40 gekoppelt. Ein Ausgangsanschluß der Periodenberechnungsschaltung 40 erzeugt
ein Signal, das die Periode des Eingangssignals am Eingangsanschluß 5 darstellt,
und ist mit einem Ausgangsanschluß 25 gekoppelt. Der
Ausgangsanschluß 25 ist
mit einer Anwendungsschaltung (nicht dargestellt) gekoppelt, die
eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der Periode des Eingangssignals
entweder auf einem Anzeigebildschirm wie z. B. einem Oszilloskop
oder einer separaten Anzeigevorrichtung umfassen kann. Die Anwendungsschaltung
kann auch eine Schaltung zur Verwendung des die Periode darstellenden
Signals als Eingangssignal für
weitere Berechnungen, die mit dem Eingangssignal in Zusammenhang
stehen, umfassen, alles in bekannter Weise.
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Der Tokenselektor 30 und
die Periodenberechnungsschaltung 40 können in einem Mikroprozessor 100 implementiert
werden, wie in 1 in Durchsicht
dargestellt. Bei einer solchen Implementierung kann der Speicher 20 mit
dem Mikroprozessor 100 über
entweder den Speicherbus des Mikroprozessors 100 oder über eine
Eingabe/Ausgabe- (E/A) Schnittstellenschaltung, die mit dem Mikroprozessor 100 gekoppelt
ist, gekoppelt sein; und die Anwendungsschaltung (nicht dargestellt)
kann mit dem Mikroprozessor 100 über die E/A-Schnittstellenschaltung gekoppelt sein.
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Im Betrieb wird das PN-codierte Eingangssignal
am Eingangsanschluß 5 unter
Verwendung einer PN-Sequenz codiert, die durch ein charakteristisches
Polynom der Ordnung N definiert ist. Der Tokenselektor 30 ist
zwischen den Speicher 20, der eine vorbestimmte Anzahl
von Bits des PN-codierten Eingangssignals vom Eingangsanschluß 5 speichert, und
die Periodenberechnungsschaltung 40 gekoppelt. Der Tokenselektor 30 wählt ein
Token mit N Abtastwerten unter den im Speicher 20 gespeicherten Abtastwerten
des Eingangssignals aus. Die Periodenberechnungsschaltung 40 verarbeitet
ein oder mehrere Tokens vom Tokenselektor 30, die möglicherweise
an verschiedenen Stellen innerhalb der im Speicher 20 gespeicherten
Abtastwerte genommen werden, um die Periode des durch die PN-Sequenz codierten
Signals zu berechnen. Nicht weniger als N Abtastwerte können durch
den Tokenselektor 30 als ein Token ausgewählt werden,
obwohl mehr als N Abtastwerte ausgewählt werden können. In
Abhängigkeit
von dem von der Periodenberechnungsschaltung 40 verwendeten
Algorithmus kann eine größere Anzahl
von Bits im Token zu einer verbesserten Genauigkeit beim Ermitteln
der Periode des Eingangssignals führen. Eine beliebige Anzahl
gleich oder größer als
N, aber geringer als die Zahl L = 2N – 1, führt zu einer
verbesserten Leistung eines solchen Algorithmus gegenüber früheren Verfahren.
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Mit Bezug auf 2a umfaßt ein Signal, das im allgemeinen
mit 200a bezeichnet ist, eine sich wiederholende Reihe
von einzelnen PN-Sequenzen mit einer Periode T1. Die gezeigte einfache 7-Bit-PN-Sequenz
(1110100) wurde durch eine Hardware mit einem Schieberegister und
einer zugehörigen
Rückkopplungsschaltung
in einer gut bekannten Weise gemäß dem charakteristischen
Polynom X3 + X + 1 erzeugt. Wie vorstehend
angemerkt wurde, erforderten Systeme des Standes der Technik den
Vergleich der gesamten PN-Sequenz,
um die Periode des Signals festzustellen. Hierin wird erkannt, daß eine geringere
Anzahl von Bits verglichen werden kann, um die Periodizität des Signals
festzustellen, wie vorstehend bemerkt. In dem Beispiel von 2a ist L (in der Gleichung
L = 2N – 1)
gleich sieben (die Anzahl von Bits in der PN-Sequenz) und es folgt
daher, daß N
gleich drei ist. Somit wird hierin erkannt, daß ein Abtastwert von drei aufeinanderfolgenden Bits
die geringste Anzahl von Bits ist, die verglichen werden kann, um
die Periodizität
der PN-Sequenz genau zu ermitteln. Das heißt, wenn ein Abtastwert von
drei aufeinanderfolgenden Bits aus der PN-Sequenz genommen wird,
die Periode T2 des 3-Bit-Abtastwerts 210a exakt gleich
der Periode T1 der gesamten PN-Sequenz ist. Dies führt zu einem
viel weniger komplexen Vergleich, der eine viel einfachere Hardware
beinhaltet, und zu einer schnelleren Identifikation der Periode
der PN-Sequenz.
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Hierin wird erkannt, daß ein von
einer PN-Sequenz durch Zeilencodierung erhaltenes analoges Signal
abgetastet werden kann, um seine Periodizität zu ermitteln. 2b zeigt die PN-Sequenz 200a von 2a zeilencodiert im Binärphasenumtastungs-
(BPSK) Format. Wie gut bekannt ist, kann im BPSK-Format eine binäre 1 als einzelner Zyklus einer
Phase von 0 Grad dargestellt werden und eine binäre 0 kann als einzelner Zyklus
einer Phase von 180 Grad dargestellt werden. Die Bitwerte sind unten jeden
Sinuswellenzyklus in 2b gezeigt.
Obwohl eine BPSK-Modulation gewählt
wird, um ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung zu beschreiben, sollte beachtet werden, daß andere
Modulationsschemen verwendet werden könnten, ohne von der Lehre der vorliegenden
Erfindung abzuweichen. In solchen anderen Modulationsschemen kann
das Eins-Bit durch eine spezielle Funktion p(t) dargestellt werden
und das Null-Bit durch eine zweite Funktion h(t) dargestellt werden.
In Abhängigkeit
von der Komplexität von
p(t) und h(t) kann es vorteilhaft sein, das analoge Signal in jeder
Bitperiode zu überabtasten.
In dieser Hinsicht sind Überabtastpunkte
als Punkte dargestellt, die auf die Sinuswelle 200b von 2b überlagert sind. Es sollte beachtet
werden, daß die
vorstehend mit Bezug auf 2a gegebene
Erörterung
der Beziehung von T1 zu T2 gleich gut für 2b gilt. In dieser Hinsicht entsprechen
die mit 210b bezeichneten Abtastwerte den mit 210a bezeichneten
Abtastwerten und dienen demselben Zweck.
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Der vorgeschlagene Algorithmus wurde
an einem Tektronix, Inc. TDS754 Premiumdigitaloszilloskop unter
Verwendung von JAVA als Programmiersprache implementiert und getestet.
Das zu analysierende periodische Signal wurde mit einem Sony Corp./Tektronix,
Inc. AWG520 Signalgenerator erzeugt, der Fähigkeiten zur PN-Sequenzerzeugung und
-codierung aufweist. Die PN-Sequenz wurde unter Verwendung von Ein-Aus-Signalisierung
(h(t) = 0) codiert, wobei p(t) = ein Lorentz-Impuls ist. In dieser Anwendung
wurde p(t) achtmal pro Bitperiode abgetastet. Die die Periode ermittelnde
Anwendung, die auf dem Oszilloskop lief, arbeitete mit sehr hoher
Genauigkeit beim Erfassen der Periode des eingehenden Signals. Die
Anwendung wurde unter Verwendung eines Sun-Sparc-Arbeitsplatzrechners als Steuereinheit
weiter getestet und sie arbeitete mit ähnlichen Ergebnissen. Die Periodeninformation kann
verwendet werden, um Phasen- oder Frequenzeigenschaften des Eingangssignals
zu ermitteln.
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Der Begriff "Mikroprozessor", wie hierin verwendet, soll Computer,
Mikrocomputer und andere Steuereinheiten wie z. B. eine zweckorientierte
Hardware und ASICs einschließen.
Obwohl, wie vorstehend bemerkt, das BPSK-Modulationsformat gewählt wurde,
um ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung zu beschreiben, sind andere Modulationsschemen ebenfalls
anwendbar und sollen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden
Ansprüche
liegen.
