DE19927040A1 - Verfahren zur Verarbeitung von frequenzvariablen Wellensignalen und ein geeignetes System zur Signalbearbeitung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von frequenzvariablen Wellensignalen und ein geeignetes System zur Signalbearbeitung.

Bei der Übertragung von Wellensignalen treten oftmals Probleme auf, von denen hier die sogenannten Intersymbol Interactions (II) und die Doppler-Effekte (DE) als die wesentlichsten genannt seien. Die ersten ergeben sich daraus, daß ein vom Sender abgegebenes Wellensignal im Übertragungskanal auf vielfältige Weise gebeugt, gebrochen, reflektiert oder anderweitig beeinflußt werden kann, woraufhin dann beim Empfänger nicht ein einzelnes Signal sondern eine Vielzahl von "Abbildern" ein und desselben Signals eintrifft. Diese "Abbilder" werden als Kanalantworten be­ zeichnet. Infolge der Überlagerung können Phasenverschiebungen und Amplitudenschwankungen bis hin zur völligen Auslöschung auftreten. Dieser Effekt wird als Intersymbol Interactions (II) bezeich­ net. Doppler-Effekte spielen in erster Linie bei bewegten Objekten eine Rolle, können in geringerem Maße aber auch durch bewegte Grenzflächen des Übertragungskanals verursacht werden.

Ein Großteil dieser physikalisch bedingten Probleme kann umgangen bzw. kompensiert wer­ den, wenn zur Übertragung der Wellensignale ein Systems von Frequenzkanälen verwendet wird, welches aus zumindest einem Bezugsfrequenzkanal und einem oder mehreren Informationsfrequenz­ kanälen besteht, die nach der Frequenz-Gradienten-Methode (FGM) variiert werden können (siehe Bannasch & Kebkal, Patentanmeldungen Nummer 198 38 060.7 und 199 04 747.2). Diese Form der Datenübertragung sei im weiteren als VMT (Variable Mehrkanalige Transmission) bezeichnet.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem die Variation der Frequenzkanäle stets proportional zueinander erfolgt. Diese Form sei im weiteren als pVMT bezeichnet. Im Unterschied dazu sei die in Fig. 2 schematisiert dargestellte Variante mit paralleler Frequenzänderung als paVMT bezeichnet.

Allgemein wird mittels der VMT zunächst jedoch nur erreicht, daß auf der Übertragungs­ strecke möglichst keine Informationen verloren gehen und daß in den Empfangssignalen alle für die Problemlösung erforderlichen Parameter in irgendeiner Form enthalten sind. Damit können die oben genannten Probleme zwar irgendwie behandelt werden, sie sind aber noch nicht gelöst. Im Ergebnis der VMT hat das Empfangssignal eine sehr komplexe Struktur. Es verkörpert eine modulierte Welle, in der die vom Sender ausgesandte zumindest eine Bezugswelle und die zumindest eine Informations­ welle jedoch meist nicht in reiner Form, sondern als Überlagerung der verschiedenen Kanalantworten sowie diverse Rauschanteile enthalten sind. Wenn während der Informationsübertragung die Frequen­ zen der Bezugswelle(n) und der Informationswelle(n) nicht konstant gehalten sondern synchron zu­ einander verändert werden (siehe Fig. 1 und Fig. 2), dann treffen die diversen Kanalantworten, die unterschiedlich lange zum Empfänger gebraucht haben, zu einem gegebenen Zeitpunkt t_i (vergl. senk­ rechte Hilfslinien in Fig. 1 und 2) nicht nur mit unterschiedlicher Amplitude und Phasenlage, sondern auch mit unterschiedlichen Frequenzen bei diesem ein. In dem empfangenen Signal kann demzufolge je nach Beschaffenheit des Übertragungskanals jeder der verwendeten Frequenzkanäle durch ein mehr oder minder komplexes Spektrum von Kanalantworten (exemplarisch jeweils durch zwei dünne paral­ lele Linien dargestellt) repräsentiert sein. Die betreffenden Spektren seien im weiteren als Komponen­ ten bezeichnet.

Die Schwierigkeit besteht nun darin, die in einem solchermaßen komplexen Empfangssignale enthaltenen Informationen so zu verarbeiten, daß die diversen, ja immer noch darin enthaltenen Stö­ rungen, Verzerrungen etc. eliminiert und die für die Informationscodierung verwendeten Signalpara­ meter empfängerseitig rekonstruiert werden können. Im Bereich der Datenübertragung ist jedoch kein Verfahren bekannt, das dieses Problem in optimaler Weise lösen, könnte.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein geeignetes System zur Signalverarbeitung bereitzustellen, mittels dessen bzw.. derer die im Ergebnis der VMT empfangenen Signale auf einfache und bestmögliche Weise von allen Störungen, Verzerrungen etc. bereinigt und die zur Informationscodierung verwendeten Signalparameter mit der größtmöglichen Sicherheit bestimmt werden können.

Insbesondere wird angestrebt, ein Verfahren bzw. ein geeignetes System zur Signalbearbei­ tung bereitzustellen, das in der Lage ist, mit hoher Trennschärfe zum bestmöglichen Ausschluß von Intersymbol Interactions aus der Vielzahl der Kanalantworten nach Möglichkeit stets diejenigen Sig­ nalkomponenten mit den geringsten Übertragungsverlusten zu isolieren und zu analysieren.

Weiterhin wird angestrebt, ein Verfahren bzw. ein geeignetes System zur Signalbearbeitung bereitzustellen, das im gleichen Kontext auch die möglichst vollständige Kompensation von Doppler- Effekten gewährleistet.

Ferner ist beabsichtigt, durch die bestmögliche Qualität der Signalbearbeitung die Voraus­ setzung für eine erhebliche Steigerung der Übertragungsrate und ggf. auch Reichweite auch unter komplizierten Übertragungsbedingungen, wie beispielsweise bei der Kommunikation mit bzw. zwischen bewegten Objekten unter Wasser, zu schaffen.

Schließlich wird angestrebt, das Verfahren so auszubauen, daß als Zusatzoption parallel zu der Identifikation der für die Datencodierung verwendeten Signalparameter stets auch die aktuelle Relativ­ geschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und vorrichtungs­ technisch mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.

Da anmeldungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet, Wellensignale zu bearbeiten und zu analysieren, die mittels eines mehrkanaligen, veränderlichen Frequenzsystems übertragen wurden. Es setzt voraus, daß das empfangene Informationssignal neben zumindest einer Informationskomponente (I1; I2; . . .; IN) auch zumindest eine Bezugskomponente (B1; B2; . . .; BN) enthält, welche im Übertra­ gungsprozeß in etwa den gleichen Einflüssen ausgesetzt war und somit eine signalinterne Referenz liefert, mit deren Hilfe die Informationskomponente entzerrt und analysiert werden kann. Die gemein­ same Verarbeitung dieser Komponenten auf der Empfangsseite wird auf vorteilhafte Weise erleichtert, wenn seitens des Senders die Bezugskomponente selbst nicht für die Informationscodierung im Sinne der Datenübermittlung verwendet wird.

Das in Anspruch 1 dargestellte Verfahren kann vorzugsweise in Verbindung der pVMT ange­ wendet werden (vergl. schematische Darstellung für ein System mit drei Frequenzkanälen in Fig. 1). Ein solcher Übertragungsmodus hat den Vorteil, daß die signalinternen Proportionen, d. h. die relativen Abstände zwischen den Frequenzkanälen nicht durch Doppler Effekte beeinflußt werden können, da letztere ebenfalls stets proportionale Veränderungen bewirken.

Das Empfangssignal kann entweder in analoger Form oder als digitaler Datensatz vorliegen:

Auch wenn sich die nachfolgenden Erklärungen im wesentlichen auf die Bearbeitung digitalisierter Empfangssignale beziehen, sei vermerkt, daß alle im weiteren aufgeführten Operationen mittels geeigneter Schaltungen auch für analoge Signale durchgeführt werden können.

Anmeldungsgemäß erfolgt die Signalbearbeitung in fünf Bearbeitungsschritten, welche mit A, B, C, D und E bezeichnet werden.

Schritt A beinhaltet, daß das vom Empfänger aufgenommene Signal mittels geeigneter, bei­ spielsweise feststehender oder mitlaufender Filter oder einer Filterkaskaden in die Bezugskomponente (B) und die Informationskomponenten (I1; I2; . . .; IN) getrennt wird.

Diese Aufgabe kann dadurch erleichtert werden, daß die Trennbarkeit der Komponenten in geeigneter Weise bereits bei der Abstimmung von Sender und Empfänger berücksichtigt wird. Fig. 3 enthält einige Vorschläge für günstige Frequenzabstände in verschiedenen Anwendungen. Es sei vermerkt, daß es zwar vorteilhaft, in einer Reihe von Anwendungen jedoch nicht obligatorisch ist, in Schritt A auch gleich die einzelnen Informationskomponenten (I1; I2; . . .; IN) voneinander zu trennen. Falls beispielsweise die Informationskanäle so gewählt wurden, daß ihre Frequenzen in einem ganz­ zahligen Verhältnis zur Frequenz des Bezugskanals stehen, können sie zunächst auch gemeinschaftlich behandelt werden. Die Trennung kann dann in einem späteren, ggf. besser geeigneten Bearbeitungs­ schritt erfolgen.

In Schritt B wird durch die paarweise Bearbeitung der jeweiligen informationstragenden Signal­ komponente mit der einen, bzw. der jeweils am besten geeigneten Bezugs- bzw. Referenzkomponente eine Kompensation von Doppler-Effekten erreicht. Als Nebenergebnis kann dieser Bearbeitungs­ schritt helfen, die Frequenzstabilisierung vorzubereiten, welche die Hauptaufgabe von Schritt C verkörpert. Falls erforderlich kann nach jedem Teilschritt eine Neuskalierung der Amplituden erfolgen und nicht benötigte Seitenfrequenzen können weggefiltert werden, falls diese den weiteren Bearbei­ tungsablauf stören sollten. Beides gilt auch für Schritt C.

Schritt C gewährleistet die Überführung der Signalkomponenten in stehende Zwischenfrequen­ zen (Z'1; Z'2; . . .; Z'N+X), die sich dann vorteilhaft weiter bearbeiten lassen.

Einer dieser Vorteile besteht beispielsweise darin, daß die stehenden Zwischenfrequenzen (Z'1; Z'2; . . .; Z'N+X) in einem für die nachfolgende Filterstufe in Schritt D optimalen Frequenzfenster plaziert werden können, daß gleichzeitig auch den Einsatz besonders scharfer Filter ermöglicht.

Die Hauptaufgabe von Schritt D besteht darin, aus den nunmehr frequenzstabilen Spektren der diversen Kanalantworten, für jede Signalkomponente den jeweils am besten geeigneten Signalanteil heraus zu filtern und dabei mögliche Störeinflüsse der übrigen Signalanteile Anteile zu minimieren. Letzteres schließt ein, daß in diesem Zuge auch die Signalkomponenten voneinander getrennt werden können, falls dieses nicht oder noch nicht vollständig in Schritt A erfolgt ist. Beispielsweise können die jeweils nicht benötigten, d. h. gerade nicht zur Auswertung anstehenden Komponenten ausgeblen­ det, d. h. jeweils weggefiltert werden. Im Ergebnis erhält man für jede der informationstragenden Sig­ nalkomponenten einen klar definierten Repräsentanten anhand dessen sich die für die Informations­ codierung verwendeten Signalparameter (etwa die Amplitude und/oder die Phasenlage) auf bestmög­ liche Weise rekonstruieren lassen.

Schritt E beinhaltet schließlich die Bestimmung der für die Informationscodierung relevanten Signalparameter anhand der im Ergebnis von Schritt B und/oder D aufbereiteten Signalkomponenten. Falls dazu benötigt, können geeignete, beispielsweise frequenzgleiche Refernzschwingungen system­ intern erzeugt und genutzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anspruch 2 ermöglicht eine flexible Anpassung des Verfahrens an unterschiedliche Anwen­ dungsbedingungen, wobei die einzelnen Bearbeitungsschritte ggf. auch getrennt von einander in der jeweils am besten geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden können.

Wird beispielsweise zu Beginn der Informationsübertragung ein Kanal-Tuning gemäß An­ spruch 3 durchgeführt und ggf. in geeigneten Zeitabständen wiederholt, so können für das Verfahren stets optimale, d. h. auf bestmögliche Weise an die aktuellen Übertragungsbedingungen angepaßte Filtereinstellungen verwendet werden, die auch die bestmögliche Qualität der Signalauswertung ermöglichen. Letzteres kann u. a. zu einem vergrößerten Empfangsradius und/oder auch zur Erhöhung der Informationsrate beitragen. Je besser und sicherer die Empfangssignale ausgewertet werden können, desto mehr Möglichkeiten stehen auch zur Verfügung, feinere Abstufungen oder auch unterschiedliche Kombinationen von Parametervariationen für die Informationscodierung zu verwenden.

Durch fortlaufende Aktualisierung der Filtereinstellungen gemäß Anspruch 4 können optimale Empfangsergebnisse beispielsweise auch unter sich rasch ändernden Übertragungsbedingungen erreicht werden, wobei ein Vorteil des genannten Verfahrens darin besteht, daß für das Kanal-Tuning keine Unterbrechung der eigentlichen Informationsübertragung erforderlich ist.

Das Verfahren gemäß Anspruch 5 ist vorzugsweise für die Verarbeitung von Empfangssignalen mit starker Doppler-Belastung anzuwenden, bei welche jede Signalkomponente im wesentlichen nur durch eine Kanalantwort repräsentiert ist.

Die Verfahren gemäß den Ansprüchen 6 bis 9 verkörpern jeweils vorteilhafte Ausführungs­ formen ein Verfahren gemäß eines der Ansprüche 1 bis 4, welche weiter unten näher erläutert werden.

Wird gemäß Anspruch 10 dem Verfahren zur Signalverarbeitung eine Information über die jeweils aktuelle Doppler-Verschiebung, beispielsweise in Form einer Angabe zur Relativgeschwin­ digkeit zwischen Sender- und Empfänger oder in Form des Doppler-Koeffizienten zur. Verfügung gestellt, welche ggf. mit anderen Mitteln bestimmt oder direkt gemessen werden, so läßt sich diese beispielsweise bei der Erzeugung systeminterner Hilfsfrequenzen dergestalt berücksichtigen, daß eine bestmögliche Doppler-Kompensation erreicht wird und/oder zumindest zwischenzeitlich einige Bearbeitungsschritte erheblich vereinfacht bzw. eingespart werden können.

Anspruch 11 beschreibt eine vorteilhafte Ausführungsform eines Verfahrens nach Anspruch 10.

Erfolgt gemäß Anspruch 12 eine Erweiterung der Signalverarbeitung dahingehend, daß anhand des Empfangssignals zusätzlich auch die aktuelle Doppler-Verschiebung bestimmt wird, so kann diese Information in det gleichen vorteilhaften Weise genutzt werden, wie die externe Information im Verfahren gemäß Anspruch 10. Ferner kann aus der so ermittelten Doppler-Verschiebung die aktuelle Geschwindigkeit der Annäherung bzw. Entfernung zwischen Sender und Empfänger bestimmt, oder zumindest abgeschätzt und dem Anwender als wertvolle Zusatzinformation zur Verfügung gestellt werden.

Das Verfahren gemäß Anspruch 13 beinhaltet eine vorteilhafte Ausführungsform eines Verfahrens nach Anspruch 12.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Unter Bezugnahme auf die Figuren sollen die Funktionsprinzipien und unterschiedliche Ausführungsformen des anmeldungsgemäßen Gegenstandes detaillierter beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Informationssignals bei pVMT.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Informationssignals bei paVMT.

Fig. 3 zeigt einige schematisierte Beispiele für günstige Frequenzäbstände bei verschiedenen Anwendungen.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Grundvariante für den Ablauf des anmeldungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Frequenzanteile eines pVMT- Empfangssignals, bestehend aus einer Bezugs- und drei Informationskomponenten bei nahezu idealen Übertragungsbedingungen (minimale Intersymbol Interactions).

Fig. 6 zeigt das Empfangssignal gemäß Fig. 5 nach Ausführung des Bearbeitungsschrittes C für die erste informationstragenden Signalkomponente.

Fig. 7 zeigt für ein realitätsnahes Beispiel, daß im Ergebnis des Bearbeitungsschrittes C die Stärke der diversen Spektralanteile einer gegebenen Signalkomponente noch erhebliche zeitliche Fluktuationen aufweisen kann.

Fig. 8 zeigt das bereits in Fig. 7 dargestellte Beispiel, nach dem Passieren der scharfen Filterstufe im Bearbeitungsschritt D.

Fig. 9 zeigt schematisch den Ablauf einer Grundvariante des anmeldungsgemäßen Verfahrens, für welche ein Kanal-Tuning durchgeführt wird.

Fig. 10 zeigt eine schematisierte Übersicht über die wichtigsten Bearbeitungsschritte bei verschiedenen vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens.

Fig. 11 zeigt einen Grundaufbau eines anmeldungsgemäßen Systems.

Fig. 12 zeigt einen Grundaufbau eines anmeldungsgemäßen Systems für das Kanal-Tuning.

Das anmeldungsgemäße Verfahren beinhaltet zwei wesentliche Grundfunktionen, die auf unterschied­ liche Weise realisiert und kombiniert, ggf. auch einzeln angewendet werden können. Diese Grund­ funktionen seien als vollständige Doppler-Kompensation, abgekürzt vDK und als "Kanalreinigung", abgekürzt KR bezeichnet. Die entsprechenden Grundprinzipien seien zunächst separat erklärt, bevor dann auf die diversen verfahrenstechnischen Modifikations- und Kombinationsmöglichkeiten eingegangen wird:

1. Lösung des Doppler-Problems

Zur Erläuterung der Grundprinzipen der vDK sei hier zunächst ein einfaches Beispiel ausgewählt, bei dem der niedrigste Frequenzkanal die Bezugskomponente liefert und die Frequenzen der Informa­ tionskanäle eine harmonische Reihe bilden, d. h. in einem ganzzahligen Verhältnis zur Bezugsfrequenz stehen. Falls seitens des Senders eine Variation der Frequenzen erfolgt, so mittels der pVMT. Seitens des Empfängers werden alle Signalkomponenten gleich im ersten Schritt, beispielsweise mittels einer Kaskade von Bandpaßfiltern (BPF) voneinander getrennt. Der Einfachheit halber seien zunächst auch ideale Übertragungsbedingungen angenommen, so daß jede Komponente nur aus einer Kanalantwort besteht und alle Komponenten in etwa mit der gleichen Stärke gesendet und empfangen werden kön­ nen. Derart günstige Verhältnisse können z. B. bei der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in der Luft vorkommen. An diesem Beispiel soll zunächst erklärt werden, daß und wie durch eine geeig­ nete Bearbeitung eine vollständige Doppler-Kompensation erfolgen kann.

Das Doppler-Problem besteht darin, daß infolge von Relativbewegungen zwischen Sender und Empfänger Frequenzverschiebungen auftreten die oftmals nicht genau vorhergesagt werden können, weil beispielsweise die Geschwindigkeit der Relativbewegung nicht genau bekannt ist. Damit lassen sich aber auch die Phasenlagen der Informationssignale nicht mehr genau bestimmen, was erhebliche Einschränkungen für alle Formen der Informationsübertragung bedeutet, die eine Phasencodierung verwenden. Dieses Problem kann mittels der differenziellen Phasencodierung, bei der nicht die Pha­ senwinkel an sich sondern nur deren Veränderung von Takt zu Takt betrachtet wird, etwas reduziert, jedoch nicht grundsätzlich gelöst werden. Es läßt sich jedoch eine nahezu hundertprozentige Doppler- Kompensation erreichen, wenn die einzelnen Informationskomponenten auf geeignete Weise jeweils gemeinsam mit der Bezugskomponente bearbeitet werden. Eine vorteilhafte Lösung beinhaltet, einen paarweisen Doppler-Abgleich, abgekürzt pDA, der auf unterschiedliche Weise realisiert werden kann. Eine einfache Möglichkeit soll im folgenden Beispiel etwas ausführlicher erläutert werden:

Exemplarisch für alle anderen sei hier für einen Zeittakt die Bearbeitung der ersten Informations­ komponente dargestellt, deren Frequenz f_ik und demzufolge auch deren Winkelgeschwindigkeit ω_ik doppelt so groß ist, wie die entsprechenden Werte f_b und ω_b der Bezugskomponente. Angenommen, das Empfangssignal liegt in digitaler Form vor, dann können die vom Sender abgegebenen Signal­ anteile send_b und send_ik in der folgenden Form dargestellt werden:

wobei N - die Gesamtzahl der Abtastungen in dem gegebenen Taktintervall, n - die Nummer der jeweils aktuelle Abtastung, t_s - die Länge der Zeitintervalle in denen die Abtastung erfolgte und demzufolge nt_s - die diskrete Zeit, E die Energie, θ_ik - die Anfangsphase und θ_inf den für die Codierung verwendeten Winkel der Informationskomponente bezeichnen und Faktor k die Steilheit der bei der proportionalen VMT aktiv erzeugten Frequenzverschiebung definiert.

Allgemein kann k eine beliebige geeignet Funktion der Zeit sein, positive oder auch negative Werte annehmen oder auch Null sein. Letzteres bedeutet, daß sie Verwendung konstanter Sendefrequenzen als Spezialfall in die Betrachtung eingeschlossen sind.

Da die Phasenlage der Bezugsfrequenz senderseitig nicht verändert und im weiteren auch keine Rolle spielen wird, wurde in Gleichung (1) der betreffende Wert gleich Null gesetzt.

Infolge des Doppler-Beaufschlagung unterscheiden sich die empfangenen Signalkomponenten empf_b und empf_ik von den gesendeten durch ein zusätzliches Glied:

wobei D - den Doppler-Koeffizient bezeichnet, der das Verhältnis von Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger (mit positivem Vorzeichen bei gegenseitiger Annäherung und negativem Vorzeichen bei Entfernung) und der Geschwindigkeit der Signalausbreitung im Übertragungsmedium beinhaltet.

Anhand der unterstrichenen Glieder dieser Gleichungen wird deutlich, daß sich die Doppler-Beauf­ schlagung der beiden Signalkomponenten genau um den Proportionalitätsfaktor unterscheidet, der auch das Verhältnis der entsprechenden Sendefrequenzen definiert. Im vorliegenden Beispiel ist dieser Faktor gleich 2.

Da der Proportionalitätsfaktor also bekannt ist, spielen die genauen Beträge der durch den Doppler- Effekt verursachten Phasenverschiebungen praktisch keine Rolle mehr. Wenn nämlich die Bezugs­ komponente so transformiert wird, daß sie die selbe Frequenzcharakteristik wie die jeweils zu analysierende Informationskomponente bekommt, ergibt sich für beide exakt die gleiche Doppler- Verschiebung. Im vorliegenden Beispiel kann aus der Bezugskomponente durch Multiplikation mit sich selbst eine solche, mit der Informationskomponente Doppler-identische Referenz Rf erzeugt werden. Nach der Multiplikationsregel ergibt sich:

Nach Wegfiltern des nicht benötigten Seitenbandes und Skalierung mit dem Faktor √2 N / E bekommen wir schließlich ein normiertes Referenzsignal Rf', welches sich hinsichtlich der Phase von der in Gleichung (5) dargestellten Informationskomponente unterscheidet:

Dieses Referenzsignal kann somit gewissermaßen als signalinterne Uhr verwendet werden, mit deren Hilfe die Phasenwinkel der Informationskomponente bestimmt werden können.

In ähnlicher Weise können aus der Bezugskomponente auch für alle weiteren, in dem Empfangssignal enthaltenen Informationskomponenten die jeweils erforderlichen Referenzen entwickelt werden. Nur muß dann mehrfach multipliziert und ggf. auch gefiltert werden. Generell lassen sich natürlich auch die Informationskomponenten in der gleichen Weise um wandeln, was sich z. B. dann als nützlich erweisen kann, wenn anders als in dem hier ausgewählten Beispiel die Frequenzen der Informations­ komponenten niedriger als die der Bezugskomponente liegen oder zur derselben in keinem ganz­ zahligen Verhältnis stehen. Im letzten Fall kann der gleiche Vorgang individuell für jede Seite der jeweils aus Bezugs- und Informationskomponente zu bildenden Paare so oft angewendet werden, bis beide Anteile zur Deckung kommen. Da sich aber mit jeder Multiplikation auch die Anzahl der im jeweiligen Spektrum enthaltenen Frequenzanteile vervielfacht, wird man bemüht sein die Kanäle so zu legen, daß möglichst wenig Schritte für den paarweisen Doppler-Abgleich erforderlich sind. Generell muß bei allen Anwendungen für phasencodierte Signale hinsichtlich der Auswahl einer für den paarweisen Doppler-Abgleich geeigneten Vorgehensweise auch beachtet werden, daß bei der Manipulation der Informationskomponenten kein Informationsverlust, beispielsweise durch mehr­ deutige (ambigious) Phasenlagen, auftritt.

Im weiteren soll anhand des genannten Beispiels eine Möglichkeit erläutert werden, wie nach der oben beschriebenen Signalaufbereitung nun auf einfache Weise die Phasenlage der jeweiligen Informations­ komponente bestimmt werden kann. Dazu kann beispielsweise eine Zerlegung der betreffenden Infor­ mationskomponente auf den die Quadratur-Funktionen des dazugehörigen Referenzsignals Rf' [n] durchgeführt werden, welche nachfolgend beschrieben wird.

Da die Referenz Rf' [n] in diesem Beispiel bereits in der Kosinusform vorliegt, können wir schreiben:

RfC [n] = Rf' [n]

Die entsprechende Sinus-Quadratur-Komponente RfS [n] kann man dann z. B. durch Bildung der ersten Ableitung von RfC [n] und entsprechende Normierung der Amplitude erhalten.

Jetzt schreiben wir für die Projektion der Informationskomponente auf die Kosinus-Quadratur- Komponente der Referenz:

wobei N1 den Anfang und N2 das Ende des jeweiligen Taktes bezeichnen.

Da im zweiten Summanden die Funktionswerte um Null schwingen, heben sich in der Summe die positiven und negativen Anteile auf, so daß dieses Glied insgesamt gegen Null strebt und somit ohne großen Fehler vernachlässigt werden kann:

CQ ≈ √E.cos(θ_ik + θ_inf)

Entsprechend ergibt sich für die Projektion der empfangenen Informationskomponente auf die Sin- Quadratur-Komponente der Referenz:

Im weiteren seien nun CQ und SQ als x- bzw. y-Koordinate eines Punktes im rechtwinkligen Koordinatensystem betrachte. Dann schließen die Verbindungslinie zwischen diesem Punkt und dem Koordinatenursprung und die Abszisse den gesuchten Phasenwinkel Θ ein. Dieser kann nun mit geeigneten Algorithmen leicht bestimmt werden. Eine anschauliche Darstellungsform ist z. B.:

Die Phase der empfangenen Informationskomponente wird hier als Differenz zwischen der Anfangsphase der gesendeten Welle und der Codierungsphase dargestellt, d. h., daß sie innerhalb eines jeden Taktes invariant gegenüber der Zeit ist. Der Vollständigkeit halber sei dargestellt, daß ebensogut auch die Phasendifferenz zwischen dem vorangegangenen und dem aktuellen Takt zur Codierung genutzt werden kann. Bezeichnet man die Takte mit den Indizes i bzw. i+1, so ergibt sich für die differenzielle Phasencodierung:

In analoger Weise lassen sich für jeden Zeittakt auch die Phasenlagen der übrigen Informations­ komponenten mit hoher Genauigkeit bestimmen. Das wiederum bietet dem Anwender die Möglichkeit für eine entsprechend feine Diskretisierung der Phasenwinkel und damit für eine Steigerung der Informationsrate. Die oben beschriebene Methode der Phasenwinkelbestimmung sei im weiteren allgemein als C-S-Projektion bezeichnet.

Die vDK bildet insbesondere die Grundlage für das Verfahren nach Anspruch 5. Fig. 10 veranschau­ licht in der Gesamtübersicht nochmals die wichtigsten Elemente des Bearbeitungsflusses der vDK. Die Übersicht zeigt weiterhin, daß verschiedene der hier beschriebenen Elemente in ähnlicher Weise auch in anderen vorteilhaften Ausführungsformen Verwendung finden können.

2. Kanalreinigung

Die KR beinhaltet die Identifikation der jeweils besten Kanalantwort und deren signaltechnische Sepa­ ration bei gleichzeitiger Minimierung der Intersymbol Interactions. Sie kann ihrerseits bereits eine teilweise Doppler-Kompensation einschließen, welche für eine Reihe von Anwendungen bereits ausreichen kann.

Betrachten wir nun als Beispiel den Fall, daß die Doppler-Effekte keine wesentliche Rolle spielen, der Empfang aber durch die Überlagerung diverser Kanalantworten beeinträchtigt wird. Derartige Über­ tragungsbedingungen sind u. a. häufig bei der akustischen Kommunikation mit oder zwischen langsam bewegten oder stationären Objekten unter Wasser anzutreffen. Jede der Signalkomponenten ist dann durch ein ganzes Spektrum von Kanalantworten repräsentiert (vergl. schematische Darstellung in Fig. 1 und Fig. 4a). Das anmeldungsgemäße Verfahren zur Signalverarbeitung muß nun vor allem gewähr­ leisten, daß die Intersymbol Interactions minimiert werden.

Obwohl, wie wir eingangs festgestellt hatten, im Ergebnis der VMT die diversen Kanalantworten mit unterschiedlichen Frequenzen beim Empfänger eintreffen, ist es in der Praxis kaum möglich, gleich im ersten Schritt für jede Komponente die jeweils günstigste Kanalantwort aus dem betreffenden Spek­ trum herauszufiltern, da diese meist sehr dicht beieinander liegen und die Frequenzen nicht feststehen (vergl. Fig. 5). Auch mitlaufende Bandpaßfilter können schwerlich genügend scharf dafür eingestellt werden. Eingangs hatten wir jedoch vorausgesetzt, daß es möglich sein muß, die entsprechenden Spektren der Bezugs- und Informationskomponenten voneinander zu trennen (Fig. 4b und Fig. 4c).

Nach Multiplikation der Bezugskomponente mit der jeweilige Informationskomponente (Fig. 4d) erhält man jeweils zwei Spektren von Zwischenfrequenzen, die unterschiedlich hoch liegen und unterschiedlich schnell laufen (Fig. 4e). Es bietet sich an, das jeweils niedrigere Frequenzband z. B. mittels eines Low-Pass-Filters für die weitere Bearbeitung herauszufiltern. In diesem Anteil sind mögliche Doppler-Effekte reduziert, während sie in dem anderen Spektralanateil verstärkt werden. Falls das zweite Seitenband nicht stört, weil beispielsweise genügend Rechenkapazität vorhanden ist, kann es auch mitgeführt werden, d. h. die Filterstufe kann eingespart werden.

Im nächsten Bearbeitungsschritt wird das zumindest eine verbliebene Frequenzband mit einer systeminternen generierten Hilfsfrequenz multipliziert (Fig. 4f), deren Charakteristik so gewählt wird, daß im Ergebnis der Multiplikation der eine Anteil der zweiten Zwischenfrequenzen fest steht, d. h. sich diese betreffenden Frequenzen zeitlich nicht mehr ändern (Fig. 4g).

Die Charakteristik der jeweiligen Hilfsfrequenz (H1; H2; ... HN) ergibt sich entweder aus der zwischen Sender und Empfänger festgelegten oder operativ vereinbarten Abstimmung hinsichtlich der für die Informationsübertragung verwendeten Signalstruktur oder sie wird im Rahmen einer im Vorfeld der Informationsübertragung durchgeführten Sondierung des Übertragungskanals (Kanal­ training siehe unten) bestimmt.

Fig. 6 veranschaulicht, daß diese Stufe auch dann erreicht werden kann, wenn zunächst nur die Bezugskomponente von den Informationskomponenten getrennt werden konnte. Durch geeignete Wahl der Heterodynefrequenz kann dann die Frequenz der jeweils zur Bearbeitung vorgesehenen Informationskomponente (im vorliegenden Beispiel die erste) stabilisiert werden.

Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß mittels geeigneter Heterodynfrequenzen die gewünschten Anteile der stabilen Zwischenfrequenzen stets in einem deimierten Fenster plaziert und somit mittels eines feststehenden Filters, beispielsweise eines Low-Pass-Filters optimal herausgefiltert werden können (Fig. 4h).

Fig. 7 soll an einem praxisnahen Beispiel mit einer Vielzahl von Kanalantworten veranschaulichen, daß jedoch anhand eines solchen Spektrums stabiler Zwischenfrequenzen noch keine verläßlichen Aussagen z. B. über die Phasenlage zu machen sind, da die diversen Kanalantworten zu unterschied­ lichen Zeiten verschieden stark repräsentiert sein können.

Deshalb wird nunmehr eine zweite Filterstufe eingefügt, bei der im Prozeß eines vorangegangenen Kanaltrainings (Beschreibung siehe weiter unten) für jede Komponente bestmögliche Trennschärfe für die insgesamt stärkste Kanalantwort eingestellt wurde. Die gepunktete Linie in Fig. 4h soll zeigen, daß die Flanken dieser Filter sehr steil eingestellt werden können. Folglich können die Einflüsse der übrigen Kanalantworten auf die bestmögliche Weise minimiert werden (Fig. 4i).

Fig. 8 veranschaulicht für das praxisnahe Beispiel, daß im Ergebnis einer solchen scharfen Filterung aus der Vielzahl der in Fig. 7 noch fluktuierenden Kanalantworten eine eindeutige Auswahl getroffen und der Einfluß der übrigen Anteile unterdrückt werden kann. Der gesamte, in diesem Zusammenhang beschriebene Prozeß sei als Kanalreinigung mit teilweiser Doppler-Kompensation bezeichnet.

Parameterbestimmung

Die solchermaßen aufbereiteten und von störenden Kanaleinflüssen weitestgehend bereinigten Signal­ komponenten können nunmehr einer detaillierten Parameteranalyse unterzogen werden. Dabei lassen sich sowohl die Amplituden als auch die Phasen der informationstragenden Signalanteile mit größt­ möglicher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ermitteln. Verschiedene Amplitudenwerte können z. B. auf einfache Weise mittels Schwellwertschalter unterschieden werden. Falls zur Bestimmung der Phasenwinkel eine C-S-Projektion durchgeführt werden soll, können ggf. zur Komponentenzerlegung erforderliche Referenzschwingungen (bzw. deren Sinus- und Cosinusanteile) künstlich generiert werden. Letzteres ist technisch kein Problem, da dem System die Einstellungen der letzten (scharfen) Filterstufe und damit die Frequenzen der informationstragenden Signalanteile bekannt sind. Je nach verwendeter Codierungsform können aber auch vom Anwender aus dem breiten Repertoire der bekannten Algorithmen die jeweils am besten geeigneten ausgewählt und eingesetzt werden.

In der oben beschriebenen Form kann die KR vorzugsweise in Verbindung mit einer pVMT (vergl. Fig. 1) eingesetzt werden. Sie läßt sich aber auch problemlos an die paVMT (vergl. Fig. 2) anpassen. Im Fall der paVMT führt die Multiplikation von Bezugs- und Informationskomponente unmittelbar zu stehenden Zwischenfrequenzen, so daß sich ggf. die Multiplikation mit Hilfsfrequenzen erübrigt. Sollte ein solcher Zwischenschritt dennoch zweckmäßig sein, beispielsweise um das betreffenden Frequenzband in ein bestimmtes Filterfenster zu schieben, so kann dieses leicht durch Multiplikation mit jeweils einer konstanten Hilfsfrequenzen geschehen. Das liegt aber im Spielraum der obigen Beschreibung.

Die KR ist somit grundsätzlich für alle Formen der VMT geeignet, bei denen der Gradient der aktiv erzeugten Frequenzänderung ungleich Null ist. Um die hier beschriebene Variante von den nachfolgenden Modifikationen zu unterscheiden, sei sie mit KR1 bezeichnet. Die hier beschriebene vorteilhafte Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Verfahrens bildet die Grundlage des Anspruchs 6. Die wichtigsten Elemente dieses grundlegenden Verfahrens sind nochmals in der Übersicht in Fig. 10 dargestellt.

Die oben beschriebene Variante der KR kann beispielsweise dergestalt modifiziert werden, daß die Bezugs- und Informationskomponente zunächst nicht miteinander multipliziert werden. In diesem Fall erfolgt die Bildung stabiler Zwischenfrequenzen direkt in einem Schritt durch Multiplikation der jeweiligen Signalkomponente mit einer jeweils geeigneten Hilfsfrequenz. Diese Vorgehensweise bringt den Vorteil; daß die Spektren der stabilen Zwischenfrequenzen nicht mehr Anteile haben, als die Empfangskomponenten. Nach dem Herausfiltern der für jede Komponente jeweils besten Kanal­ antwort (Kanalreinigung) besteht dann immer noch die Möglichkeit, den jeweiligen informations­ tragenden Signalanateil mit der Referenz zu verarbeiten, um zumindest eine teilweise Doppler- Kompensation zu erreichen, bzw. um, analog zu dem bei der vDK beschriebenen Beispiel, eine Phasenwinkelbestimmung mittels C-S-Projektion der informationstragenden Komponente auf die Kosinus- und Sinus-Quadratur-Komponenten des gereinigten Bezugssignals durchzuführen. Die entsprechende Frequenzanpassung der Referenz kann, falls erforderlich, entweder im Zuge der Multiplikation mit einer geeigneten Hilfsfrequenz erfolgen, oder nach Abschluß der letzten Filterstufe durch Multiplikation mit jeweils einer geeigneten konstanten Hilfsfrequenz. Im zweiten Fall braucht die Referenzkomponente nur einmal durch die Filter zu laufen.

Mit den im vorangegangenen Absatz beschriebenen Modifikationen ergibt sich eine weitere vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 7. Der schematisch vereinfachte Ablaufplan wurde in der Übersichtsdarstellung (Fig. 10) als KR2 bezeichnet.

Falls Doppler-Effekte aber gar keine Rolle spielen, kann die Bezugskomponente auch ganz weg­ gelassen oder als zusätzliche Informationskomponente verwendet Werden. Dann ist ohnehin nur KR2 anwendbar. Die Parameterbestimmung muß dann allerdings wieder analog zu der bei KR1 beschriebenen Vorgehensweise erfolgen.

Komplettlösungen

Nachdem zunächst die verfahrenstechnischen Grundlagen für die vollständige Doppler-Kompensation und verschiedene Varianten der Kanalreinigung (z. T. inklusive einer teilweisen Doppler-Kompensa­ tion) separat beschrieben wurden, sei nun ein Anwendungsfall betrachtet, bei dem der Empfang sowohl durch diverse Kanalantworten als auch durch starke Doppler-Effekte beeinträchtigt ist. Eine solche Kombination von Störgrößen erschwert z. B. häufig die Kommunikation mit bzw. zwischen bewegten Objekten unter Wasser.

Für diesen Fall besteht eine Lösungsmöglichkeit beispielsweise darin, vDK und KR2 miteinander zu kombinieren:

Nach Trennung von Bezugs- und Informationskomponente wird zunächst, wie bei der vDK beschrie­ ben, ein paarweiser Doppler-Abgleich durchgeführt, indem zumindest eine der paarweise zu betrach­ tenden Signalkomponenten, ggf. auch beide auf geeignete Weise so transformiert wird bzw. werden, daß beide exakt den selben Frequenzgang aufweisen, somit gleich stark Doppler-belastet sind. Optional können die jeweils nicht benötigten Seitenbänder weggefiltert und die verbliebenen Signalanteile wieder normiert werden.

Danach werden beide Komponenten separat durch Multiplikation mit typischerweise der selben Hilfs­ frequenz (die den gleichen Anstieg wie die betreffenden Komponenten hat, jedoch etwas parallel ver­ schoben ist) multipliziert, somit in stabile Zwischenfrequenzen überführt und dann jeweils separat den nachfolgenden Filterstufen zur Kanalreinigung unterzogen. Dazu können die scharfen Filter ggf. für jede Komponente individuell eingestellt werden. Im Idealfall können die betreffenden Filtereinstel­ lungen auch bei der Feinabstimmung der o. g. Hilfsfrequenzen berücksichtigt werden.

Im Ergebnis erhält man sowohl für die Informationskomponente als auch für die Referenz jeweils ein von II weitestgehend bereinigtes Signal. Nach dieser "Reinigung" (ggf. inklusive Schwellwertanalyse) kann die Parameterbestimmung dann entsprechend der bei der vDK bzw. KR2 beschriebenen Vor­ gehensweise erfolgen, wobei mittels der paarweisen Bearbeitung der jeweiligen Informationskompo­ nente mit der dazugehörigen Referenz die vollständige Doppler-Kompensation erreicht wird.

Die oben beschriebene Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Verfahrens bildet die Grundlage für die vorteilhafte Ausführungsform des Verfahren gemäß Anspruch 8. In der schematisierten Übersicht in Fig. 10 wurde sie mit Kompl. 1 bezeichnet.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht in einer geeigneten Kombination von vDK und KR1 (vergl. vereinfachte Darstellung des Ablaufplanes Kompl. 2 in Fig. 10):

Auch in diesem Fall erfolgt nach der Trennung von Bezugs- und Informationskomponente zunächst der paarweise Doppler-Abgleich. Danach wird eine der beiden Komponenten durch Multiplikation mit einer in diesem Fall jedoch konstanten, im System generierten Hilfsfrequenz um einen geeigneten. Betrag parallel verschoben. Anschließend werden beide Partnerkomponenten miteinander multipli­ ziert, womit die in Fig. 4g dargestellte Bearbeitungsstufe, d. h. die Ebene der stabilen Zwischenfre­ quenzen erreicht wird. Danach wird das Verfahren mit den beiden Filterstufen und der Parameter­ bestimmung gemäß KR1 fortgesetzt.

Diese zweite Komplettlösung beinhaltet, daß durch die Projektion der Informationskomponente auf die Doppler-identische Referenz die Einflüsse von durch Bewegungen hervorgerufenen Frequenzver­ schiebungen vollständig eliminiert werden. Damit ist die Referenz jedoch "aufgebraucht". Sie wird aber auch nicht mehr benötigt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß systemintern lediglich jeweils eine konstante Hilfsfrequenz generiert zu werden braucht, um das ge­ wünschte Seitenband der stabilen Zwischenfrequenzen exakt in das für die Filterung optimale Fre­ quenzfenster einzuordnen. Im günstigsten Fall könnte möglicherweise für alle Komponentenpaare auch ein und dieselbe Hilfsfrequenz verwendet werden. Im Prinzip besteht die Möglichkeit, diese Hilfsfrequenz im Anschluß an die "Reinigung" auch als Referenz für die Phasenanalyse zu nutzen. Da man in der Praxis jedoch versuchen wird, die scharfen Filter individuell für jede Signalkomponente (die im vorliegenden Fall bereits eine entsprechend aufbereitete Kombination aus der jeweiligen Info- und Bezugskomponente verkörpert) einzustellen, die Filtereinstellungen dem System somit bekannt sind, können problemlos systemintern auch exakt darauf abgestimmte Referenzen (inklusive der Sinus- und Kosinus-Quadratur-Komponenten) künstlich erzeugt werden, falls diese für die Phasen­ analyse benötigt werden (vergl. KR1).

Die zuletzt beschriebene vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens ist Gegenstand des Unter­ anspruchs 9.

Kanaltraining und Kanal-Tuning

Mittels des bereits mehrfach erwähnten Kanaltrainings ist anhand von geeigneten Testsignalen zu­ nächst sicherzustellen, daß Signalstruktur möglichst optimal an die jeweiligen Übertragungsbedin­ gungen angepaßt ist und/oder das zumindest gewährleistet wird, daß der Empfänger stets im erfor­ derlichen Maße die Komponententrennung vornehmen kann. Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, kann das für das Verfahren nach Anspruch 1 sowie auch für alle weiteren Varianten, die eine Kanal­ reinigung enthalten, unbedingt zu empfehlende Kanal-Tuning durchgeführt werden. Dazu bietet es sich an, etwas längere, Signale ohne Codierung zu senden; welche im übrigen aber bereits die zur Informationsübertragung vorgesehene Charakteristik besitzen. Hierbei liegt es im Ermessen des Anwenders, ob alle Frequenzkanäle gleichzeitig verwendet werden, oder ob das Kanal-Tuning anhand von Testsignale durchgeführt wird, die nacheinander jeweils eine Bezugskomponente und eine oder mehrere Informationskomponente(n) enthalten. Die jeweilige Vorgehensweise muß natürlich auf die entsprechend ausgewählte Variante des Signalbearbeitungsverfahren abgestimmt sein. Die empfange­ nen Testsignale durchlaufen nun alle in der betreffenden Variante vorgesehenen Bearbeitungsstufen bis zur Bildung der stabilen Zwischenfrequenzen. Auf dieser Ebene wird für jede der zur Auswertung vorgesehenen Signalkomponente (bzw. aus der jeweiligen Informations- und Bezugskomponente ge­ bildeten Mischkomponente) individuell eine Analyse der Energiedichteverteilung in dem gegebenen Frequenzspektrum durchgeführt. Für eine solche Analyse kann beispielsweise eine FFT angewendet werden. Anhand dieser Auswertungsergebnisse wird dann die jeweils am besten geeignete Kanal­ antwort (typischerweise die energiereichste) ausgewählt, für die nunmehr die jeweils bestmöglich Einstellung der "scharfen" Filter vorgenommen und abgespeichert wird. Nachdem die betreffenden Einstellungen für alle Komponenten festgelegt sind, kann die eigentliche Informationsübertragung beginnen. Die Filtereinstellungen werden dann bis zum nächsten Kanal-Tuning beibehalten. Die hier beschriebene Ausführungsform bildet die Grundlage für Anspruch 3.

Speziell bei der akustischen Datenübertragung unter Wasser sind die Übertragungsbedingungen oft­ mals nicht zeitlich stabil. In solchen Fällen bietet es sich an, zumindest das Kanal-Tuning in geeigne­ ten Zeitabständen zu wiederholen, d. h. die Einstellungen der scharfen Filter regelmäßig zu aktualisie­ ren.

Die Verwendung längerer uncodierter Signale für das Kanal-Tuning bietet eine gute statistische Sicherheit, bedeutet aber, daß zwischenzeitlich die Informationsübertragung kurz unterbrochen werden muß. Solche Unterbrechungen lassen sich ggf. aber vermeiden. Eine vorteilhafte Alternative biete das Verfahren nach Anspruch 4. Dabei wird während der Informationsübertragung operativ, d. h. anhand der fortlaufend empfangenen Signale, parallel zu dem eigentlichen Signalbearbeitungsprozeß oder als Bestandteil desselben eine fortlaufende Aktualisierung der genannten Filtereinstellungen und somit ein fortlaufendes Kanal-Tuning durchgeführt. Dazu ist es zweckmäßig, die Empfangsergebnisse aus mehreren Takten in die Auswertung einzubeziehen. Eine solche Alternativlösung stellt natürlich entsprechend höhere Anforderungen an das Auswertungssystem.

Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger

Abschließend sei insbesondere im Zusammenhang mit den Ansprüchen 11 bis 13 noch kurz dargestellt, daß aus dem Empfangssignales eine möglicherweise hilfreiche Aussage hinsichtlich der aktuellen Abstandsänderung zwischen Sender und Empfänger abgeleitet werden kann. Die Signalbearbeitung nach den oben beschriebenen Verfahren zielt darauf ab, für jede Signalkomponente auf bestmögliche Weise die (Sende-)Parameter (u. a. die Phasenwinkel) zu rekonstruieren. Dazu war es zweckmäßig, die Komponenten so miteinander zu verarbeiten, daß die Doppler-Anteile eliminiert werden. Letztere wurden als Störgrößen behandelt. Diese Doppler-Anteile enthalten aber in Form des Doppler-Koeffizienten D = v/c (vergl. Gl. 4 und 5) eine Information, die zwar nichts mit der eigentlichen Datenübermittlung zu tun hat, jedoch Aufschluß über die momentane Relativ­ geschwindigkeit zwischen Senderund Empfänger v geben kann. Der Doppler-Koeffizient kann mittels geeigneter Methoden der Signalbearbeitung bestimmt werden. Da sich die Geschwindigkeit der Signalausbreitung c in etwa bekannt ist, bzw. im Rahmen der Kanalsondierung gemessen werden . kann, läßt sich v abschätzen bzw. auch relativ genau bestimmen.

Als Beispiel sei hier ein möglicher Lösungswege skizziert:
Dazu kann eine beliebige Empfangskomponente (zweckmäßigerweise z. B. die uncodierte Bezugskom­ ponente) herausgegriffen werden. Falls erforderlich, kann diese nochmals extra entsprechend KR2 auf eine Kanalantwort reduziert werden. Da dem Empfänger die vom Sender verwendete Signalstruktur bekannt ist und sich mittels der Signalanalyse nach einem der o. g. Verfahren auch die Phasenlage be­ stimmen läßt, kann nun systemintern ein amplitudennormiertes Referenzsignal generiert werden, das hinsichtlich seiner Phasenlage und Frequenzcharakteristik - mit Ausnahme des Doppler-Anteils, wel­ cher ja noch nicht bekannt ist - der betreffenden Empfangskomponente gleicht. Nach Projektion der Empfangskomponente auf die Sinus- und Kosinus-Quadratur-Komponenten dieser Referenz und Fil­ tern (LPF) erhält man jeweils den reinen Doppler-Anteil in Form von einfachen Sinus- und Kosinus- Schwingungen gleicher Amplitude. Die arctan-Funktion liefert das Argument Dωnt_s. Da ωnt_s bekannt ist, ergibt die Division D, und D multipliziert mit c schließlich v. (Schematisierter Ablaufplan siehe Doppler-Best. in Fig. 10).

Es dürfte für viele Anwendungen vorteilhaft sein, diese wertvolle Zusatzinformation ohne zusätzlichen Meßaufwand bekommen zu können.

Weiterhin sei vermerkt, daß die Kenntnis der Doppler-Anteile auch zur weiteren Verbesserung der eigentlichen Signalbearbeitung beitragen kann. So können, z. B. die im Rahmen der KR systemintern generierten Hilfsfrequenzen präziser auf die Struktur der jeweiligen Empfangskomponenten abgestimmt und so die bei der eigentlichen Signalanalyse unerwünschten Doppler-Einflüsse noch besser bzw. auf einfachere Weise reduziert werden. Durch die Integration solcher Maßnahmen, ggf. auch deren itera­ tive Anwendung, kann neben einer Verbesserung der Auswertungsergebnisse zumindest zwischen­ zeitlich auch eine Verfahrensoptimierung erreicht werden, da sich mit Erhöhung der Doppler- Resistenz auch die möglichen Einsatzbereiche beispielsweise von KR1 und KR2 erweitern. Damit kann der insbesondere bei der Multiplikation von Empfangskomponenten mitunter unvermeidbar rasche Datenzuwachs reduziert, ggf. auf Zwischenfilter verzichtet und der Ablauf insgesamt schneller gemacht werden. Alle Vereinfachungen im Kernbereich des Verfahrens kommen der online Aus­ wertung zugute. Selbst wenn die Doppler-Auswertung zunächst einen Zusatzaufwand bedeutet, können sich möglicherweise insgesamt Einsparungen ergeben, da die Kernroutinen der Signal­ bearbeitung dann ggf. mit einer geringeren Hard- und Softwarekapazität bewältigt werden können.

Gemäß Anspruch 10 lassen sich die zuletzt genannten Verbesserungen bzw. Vereinfachungen des anmeldungsgemäßen Verfahrens zumindest zwischenzeitlich auf einfache Weise auch dann realisieren, wenn die Information über die jeweils aktuelle Doppler-Verschiebung in bereits aufbereiteter Form, beispielsweise seitens eines externen Meßsystems zur Verfügung gestellt wird.

In Fig. 11 ist der Grundaufbau einer Signalbearbeitungseinheit dargestellt. Das Grundprinzip weist eine Filtereinheit auf, welche in dieser Ausführungsform aus zwei parallel geschalteten steuerbaren Filterelementen BPF1 und BPF2 besteht, die das Empfangssignal in Bezugs- und Informations­ komponente teilen.

Diese beiden Signalanteile werden dann gemäß dem Mittel zur Frequenzumwandlung zunächst einer Wandlereinheit bestehend aus Wandler1 und Wandler2 zugeführt, in der ein paarweiser Doppler- Abgleich erfolgt, bevor dann beide Anteile mittels des Multiplikators 1 vereint werden, um später durch Multiplikator 2 mittels einer geeigneten, von einem Generator gelieferten Hilfs- bzw. Hetrodynefrequenz in stehende Zwischenfrequenzen überführt zu werden.

Als Mittel zur Unterdrückung von Störanteilen dienen in dieser Ausführungsform zunächst das Filter LPF1 und ggf. auch ein zweites Filter LPF2, welche jeweils in Reihe den Multiplikatoren nachge­ schaltet sind und nicht benötigte Seitenbänder weg filtern. Danach erfolgt mittels des in Reihe geschalteten scharfen Filters BPF3 die Auslese des jeweils am besten geeigneten Signalanteils, welcher anschließend an das Mittel zur Parameteranalyse, in dieser Ausführungsform ein Modul zur Parameteranalyse, weitergeleitet wird. Falls erforderlich, kann das Modul zur Parameteranalyse durch einen Generator für Referenzsignale ergänzt werden, der mit BRF3 in Verbindung steht.

Am Ende der Verarbeitungseinheit werden dann für jede Informationskomponenten die zur Codierung verwendeten Signalparameter ausgegeben.

Fig. 12 zeigt einen Grundaufbau für das im gleichen Kontext vorteilhaft einzusetzende Kanal-Tuning. Im Unterschied zu Fig. 11 werden in dieser Ausführungsform die Signalkomponenten im Anschluß an LPF2 an das Mittel zum Tunen geleitet, bei welchem hier eine FFT-Einheit das Modul zur Analyse von Frequenzspektren und die mit 3 bezeichnete Einheit die Auswertungseinheit bilden. Das Ergebnis wird dann dem Steuermodul zugeführt, das die jeweils optimalen Filtereinstellungen für BPF3 vor­ nimmt.

Claims (23)

1. Verfahren zur Verarbeitung von frequenzvariablen Wellensignalen, die zumindest eine Bezugskomponente (B1; B2; . . .; BN) und zumindest eine Informationskomponente (I1; I2; . . .; IN) enthalten, die zusammen ein Informationssignal bilden, welches die nachfolgend genannten Bearbeitungsschritte einschließt:
Schritt A:
Trennung der Bezugskomponente (B1; B2; . . .; BN) von der Informationskomponente (I1; I2; . . .; IN) und ggf. auch der Informationskomponenten (I1; I2; . . .; IN) voneinander.
Schritt B:
Doppler-Kompensation durch paarweise Bearbeitung der jeweiligen informationstragenden Signalkomponente mit der einen, bzw. der jeweils am besten geeigneten Bezugs- bzw. Referenzkomponente.
Falls erforderlich kann nach jedem Teilschritt eine Neuskalierung der Amplituden erfolgen tind nicht benötigte Seitenfrequenzen können weggefiltert werden, falls diese den weiteren Bearbeitungsablauf stören sollten. Beides gilt auch für Schritt C.
Schritt C:
Überführung der Signalkomponenten in stehende Zwischenfrequenzen (Z'1; Z'2; . . .; Z'N+X).
Schritt D:
Trennung der informationstragenden Signalkomponenten anhand diese stabilen Zwischen­ frequenzen, falls dieses nicht oder nicht vollständig in Schritt A erfolgt, und Herausfiltern des jeweils am besten geeignete, typischerweise des stärksten bzw. energiereichsten Signal­ anteils aus dem Spektrum der frequenzstabilen Zwischenfrequenzen der jeweiligen Signal­ komponente bei gleichzeitiger Minimierung die Einflüsse der übrigen Signalanteile.
Schritt E:
Bestimmung der für die Informationscodierung relevanten Signalparameter anhand der im Ergebnis von Schritt B und/oder D aufbereiteten Signalkomponenten.
Falls dazu benötigt, kühnen geeignete, beispielsweise frequenzgleiche Refernzschwingungen systemintern erzeugt und genutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei welchem die Schritte A, B, C, D und E im Block ausgeführt oder separat voneinander an jeweils geeigneter Stelle in den Prozeß der Signalbearbeitung integriert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem in geeigneten Zeitabständen ein sogenanntes Kanal-Tuning eingefügt wird. Dazu wird im Anschluß an Schritt C, für die stabilen Zwischenfrequenzen (Z'1; Z'2; . . .; Z'N+X) eine. Spektralanyse, beispielsweise eine FFT, durchgeführt und die Verteilung der Energiedichte bestimmt. Anhand dieser Ergeb­ nisse werden die Filtereinstellungen für die jeweils am besten empfangenen Signalanteile vorgenommen, die dann im weiteren für Schritt D genutzt und bis zum nächsten Kanal- Tuning beibehalten werden.
Typischerweise werden für das Kanal-Tunings etwas längere Signale ohne spezielle Infor­ mationscodierung verwendet. Folglich kann in dem betreffenden Zeitintervall auf die Aus­ führung der Schritte D und E des Verfahrens verzichtet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3; bei dem die Filtereinstellungen anhand einer geeigneten Analyse der Spektren der stabilen Zwischenfrequenzen fortlaufend aktualisiert werden. Diese Aktualisierung kann parallel zu der eigentlichen Signalbearbeitung gemäß Anspruch 1 bzw. 2 oder als Bestandteil derselben durchgeführt werden.

5. Verfahren zur Verarbeitung von frequenzvariablen Wellensignalen, die zumindest eine Bezugskomponente (B1; B2; . . .; BN) und zumindest eine Informationskomponente (I1; I2; . . .; IN) enthalten, welches die nachfolgend genannten Bearbeitungsschritte einschließt:
Schritt A:
Trennung der Bezugskomponente(n) (B1; B2; . . .; BN) und auch der Informationskompo­ nenten (I1; I2; . . .; IN) voneinander.
Schritt B:
Frequenztransformation der jeweils am besten geeigneten Bezugskomponente und/oder ggf. auch der Informationskomponente(n), so daß der jeweils zu bearbeitenden (ggf. transfor­ mierten) Informationskomponente (I1, I2, . . ., oder IN) bzw. (I'1, I'2, . . ., oder I'N) jeweils eine transformierte Bezugskomponente (B'1, B'2, . . ., oder B'N) zugeordnet werden kann, die genau die gleiche Frequenzcharakteristik und damit ggf. auch die gleiche Doppler-Bela­ stung hat und somit eine geeignete Referenz darstellt.
Schritt C:
Bestimmung der für die Informationscodierung relevanten Signalparameter für jede infor­ mationstragende Komponente ggf. durch gemeinsame Bearbeitung mit der jeweils dazuge­ hörigen Referenz. Beispielsweise kann die Phasenlage unter vollständigem Ausschluß von Doppler-Einflüssen durch Zerlegung der informationstragenden Komponente auf der Basis der Sinus- und Kosinus-Darstellungen der dazugehörigen Referenz oder durch simple Phasenvergleiche mittels einer Flip-Flop-Schaltung bestimmt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Schritte A, B, C, D und E in der hier angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden, wobei in Schritt B eine weitgehende Doppler-Kompensation dadurch erreicht wird, daß jeweils die Informationskomponente (I1; I2; . . .; IN) mit der bzw. der jeweils am besten geeigneten Bezugskomponente (B1; B2; . . .; BN) multipliziert wird und die so gebildeten Zwischenfrequenzen (Z1; Z2; . . .; ZN) dann in Schritt C durch Multiplikation mit jeweils einer systemintern generiertenHilfsfrequenz (H1; H2; ... HN), die den gleichen Frequenzgang wie (Z1; Z2; . . .; ZN) besitzt, jedoch um einen geeigneten Offsetwert etwas verschoben ist, in stabile Zwischenfrequenzen (Z'1; Z'2; . . .; Z'N) überführt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Schritte A, C, D und E/B in der hier angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden, wobei die Schritte E und B eine gemeinsame Funktionseinheit E/B bilden.
In diesem Fall muß in Schritt A die Trennung der Bezugskomponente(n) (B1; B2; . . .; BN) und auch der Informationskomponenten (I1; I2; . . .; IN) voneinander erfolgen.
In Schritt C wird dann jede Signalkomponente für sich durch Multiplikation mit jeweils einer systemintern generierten Hilfsfrequenz (H1; H2; . . . HN+X), die den gleichen Frequenzgang wie die jeweilige Informationskomponente besitzt, jedoch um einen geeigneten Offsetwert etwas verschoben ist, in stabile Zwischenfrequenzen (Z'1; Z'2; . . .; Z'N+X) überführt.
Jedes dieser Spektren durchläuft für sich, d. h. separat den Bearbeitungsschritt D.
In Schritt E/B kann dann die Parameteranalyse für die einzelnen informationstragenden Signalkomponenten jeweils in Kombination mit der gleichermaßen aufbereiteten Bezugs­ komponente (B1; B2; . . .; BN) als Referenz erfolgen. Durch die paarweise Verarbeitung, etwa wie in Schritt C des Verfahrens nach Anspruch 5 beschrieben, wird hier eine weitgehende Doppler-Kompensation gewährleistet. Letzteres entspricht sowohl funktionell als auch vom Ablauf her dem Schritt B des Verfahrens nach Anspruch 1, welche somit hier mit Schritt E zusammenfließt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, bei welchem die Schritte A, B/C, D und E in der hier angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden, wobei die Schritte B und C eine gemeinsame Funktionseinheit B/C bilden, die durch folgende Teilschritte dargestellt wird:

• 1. Frequenztransformation der jeweils am besten geeigneten Bezugskomponente und/oder ggf. auch der Informationskomponente(n), so daß der jeweils zu bearbeitenden (ggf. trans­ formierten) Informationskomponente (I1, I2, . . ., oder IN) bzw. (I'1, I'2, . . ., oder I'N) jeweils eine transformierte Bezugskomponente (B'1, B'2, . . ., oder B'N) zugeordnet werden kann, die genau die gleiche Frequenzcharakteristik und damit ggf. auch die gleiche Doppler-Bela­ stung hat. Dieser Bearbeitungsschritt sei im weiteren als paarweiser Doppler-Abgleich bezeichnet.
• 2. Verschiebung einer der beiden Partnerkomponenten (beispielsweise B') durch Multipli­ kation mit einer geeigneten, künstlich erzeugten, konstanten Hilfsfrequenz (H) bzw. (H1; H2; . . .; HN) um einen geeigneten Betrag.
• 3. Überführung in stabile Zwischenfrequenzen bei gleichzeitig vollständiger Doppler- Kompensation durch Multiplikation der jeweiligen, von Teilschritt 2 gelieferten Partner­ komponenten miteinander.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem in Schritt C jedoch zunächst ein paarweiser Doppler-Abgleich (Beschreibung siehe Anspruch 9) durchgeführt wird, wonach die beiden Partnerkomponenten jeweils mit ein und derselben künstlich erzeugten; Hilfsfrequenz (H') bzw. (H'1; H'2; . . .; H'N) multipliziert werden, welche den gleichen Frequenzgang wie die betreffenden Partnerkomponenten hat, gegenüber diesen aber um einen geeigneten Offset­ wert etwas verschoben ist, so daß sich im Resultat für jede der beiden Komponenten ein Spektrum stabiler Zwischenfrequenzen ergibt. Jedes dieser Spektren durchläuft für sich, d. h. separat den Schritt D. In Schritt E/B stehen somit jeweils zwei Signalkomponenten zur Verfügung, von denen eine die Information trägt und die andere eine Referenz liefert, welche dann im Rahmen der Parameteranlyse paarweise verarbeitet werden können, wodurch hier eine vollständige Doppler-Kompensation erreicht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die durch ein unabhängiges Meßverfahren bestimmte, aktuelle Doppler-Frequenzverschiebung bzw. der Doppler- Koeffizient, bei der systeminternen Erzeugung von Hilfsfrequenzen berücksichtigt und somit die Doppler-Kompensation optimiert bzw. auch teilweise oder ganz in Schritt C und/oder E verlagert werden kann.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem außerdem, d. h. neben der eigentlichen Signalbearbeitung entsprechend der Hauptaufgabe des Verfahren, anhand zumindest einer der empfangenen Signalkomponenten, beispielsweise durch eine geeignete, gemeinsame Bearbeitung mit einem im System generierten, Doppler-freien Referenzsignal, die jeweils aktuelle Doppler-Frequenzverschiebung bzw. der Doppler-Koeffizient bestimmt wird. Diese bzw. dieser kann dann wahlweise bei der systeminternen Erzeugung für die Signalbearbeitung erforderlicher Hilfsfrequenzen berücksichtigt werden kann, womit die Doppler- Kompensation optimiert bzw. auch teilweise oder ganz in Schritt C und/oder E verlagert werden kann, und/oder zur Ermittlung der aktuellen Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger genutzt werden kann.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bzw. 6 bis 9 und Anspruch 10 oder 11, bei welchem für die Bearbeitung der Informationskomponenten zumindest zwischenzeitlich anstelle der aus dem Empfangssignal isolierten Bezugskomponente(n).bzw. der daraus abgeleiteten Referenzen und/oder ggf. auch anstelle von Hilfsfrequenzen lediglich system­ intern generierte Signale mit der jeweils passenden Frequenzcharakteristik, inklusive der betreffenden Doppler-Verschiebung, verwendet werden, so daß beispielsweise durch ein­ fache Multiplikation mit derselben die jeweils zu bearbeitende Informationskomponente in stabile, Doppler-kompensierte Zwischenfrequenzen überführt werden kann. Dann können zumindest zwischenzeitlich die Schritte B und C und ggf. auch A in einem einzigen Bear­ beitungsschritt zusammengefaßt werden. Im Anschluß an Schritt D kann die Parameterana­ lyse dann gemäß Schritt E in Anspruch 1, 6 oder 8 erfolgen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 9, welches in Verbindung mit An­ spruch 10 oder 11 zumindest zwischenzeitlich so vereinfacht wird, daß - ggf. auch unter Weglassen von Schritt A - die Informationskomponenten durch Multiplikation mit jeweils einer geeigneten Hilfsfrequenz, die den gleichen Frequenzgang jedoch noch ohne Doppler- Berücksichtigung wie die jeweilige Informationskomponente hat, jedoch gegenüber dieser um einen geeigneten Offsetwert verschoben ist, in stabile Zwischenfrequenzen überführt werden. Im Anschluß an Schritt D erfolgt dann die Parameteranlyse ggf. durch gemeinsame Bearbeitung mit jeweils einem sytemintern generierten Referenzsignal, bei dessen Erzeugung die Doppler-Belastung der betreffenden informationstragenden Signalkomponente auf geeignete Weise berücksichtigt wurde, sodaß eine bestmögliche Doppler-Konpensation erfolgt.

14. System zur Signalbearbeitung das über zumindest einen Eingang, eine Verarbeitungseinheit und zumindest einen Ausgang verfügt, wobei die Verarbeitungseinheit ein Mittel zur Trennung der Eingangssignale in die zumindest eine Bezugskomponente (B1; B2; . . .; BN) und zumindest eine Informationskomponente (I1; I2; . . .; IN) ein Mittel zur deren Frequenzwandlung, ein Mittel zur Unterdrückung von Störanteilen und ein Mittel zur Parameteranalyse aufweist.

15. System nach Anspruch 14, wobei das Mittel zur Trennung der Eingangssignale eine Filtereinheit mit Steuermodul aufweist, die zumindest zwei Filterelemente beinhaltet, vorzugsweise in Parallelschaltung.

16. System nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei das Mittel zur Frequenzwandlung zumindest einen Generator zur Erzeugung interner Hilfsfrequenzen und zumindest einen Multiplikator aufweist.

17. System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Mittel zur Frequenzwandlung ferner zumindest einen Wandler zum Doppler-Abgleich aufweist.

18. System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Mittel zur Unterdrückung von Störanteilen ebenfalls zumindest eine Filtereinheit mit Steuermodul aufweist.

19. System nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Mittel zur Unterdrückung von Störanteilen zusätzliche, vorzugsweise steuerbare Filter aufweist, die jeweils dem Mittel zur Frequenzwandlung nachgeschaltet sind.

20. System nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das Mittel zur Parameteranalyse zumindest einen Multiplikator und ein Analysemodul aufweist.

21. System nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei das Mittel zur Parameteranalyse ferner einen Generator zur Erzeugung von Referenzsignalen aufweist, welcher mit dem Steuermodul der letzten Filterstufe mit verbunden ist.

22. System nach einem der Ansprüche 14 bis 20, welches zusätzlich ein Mittel zum Tunen aufweist, welches vorzugsweise dem Mittel zur Parameteranalyse vorgeschaltet ist, wobei das Mittel zum Tunen ein Modul zur Analyse von Frequenzspektren, beispielsweise eine FFT-Einheit, und eine Auswertungseinheit aufweist und mit dem Steuermodul der Filtereinheit zur Unterdrückung von Störanteilen verbunden ist.

23. System einem der Ansprüche 13 bis 18, welches zusätzlich ein Modul zur Doppler-Analyse aufweist, welches mit zumindest einem der Generatoren von Hilfsfrequenzen und/oder mit einem weiteren Auswertungsmodul zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Abstands­ änderung zwischen Sender und Empfänger verbunden ist.