DE3129911A1 - Pseudozufallsgenerator - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 81 P 6 9 1 6 DE

Pseudozufallsgenerator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pseudozufallsgenerator zur Erzeugung einer sich periodisch wiederholenden pseudozufälligen Sequenz binärer Ereignisse.

Pseudozufallsfolgen sind binäre Bitmuster, bei denen die logischen Zustände H und L quasizufällig aufeinander folgen, wobei sich die gesamte Folge jedoch periodisch wiederholt. Pseudozufallsfolgen werden unter anderem in bandspreizenden (Spread-Spectrum-) ^AT^chrichtenübertragungssystemen benötigt, um quasizufällige Phasen- oder Frequenzsprünge herbeizuführen. Solche Nachrichtenübertragungssysteme sind beispielsweise in dem Buch von R.C. Dixon "Spread Spectrum Systems", New York, John Wiley and Sons, 1976 beschrieben. Typische Probleme beim Erzeugen von Pseudozufallsfolgen sind das Erzielen einer möglichst hohen Taktfrequenz und Codelänge, das Gewinnen von Folgen mit speziellen Korrelationseigenschaften und der Bau von Pseudozufallsgeneratoren mit der Eigenschaft, beim Anlegen eines Steuersignals den Code wechseln oder an eine bestimmte Stelle des Codes springen zu können. Dazu kommt meist noch die Forderung nach möglichst geringem Schaltungsaufwand.

Man erzeugt heute Pseudozufallsfolgen zumeist mit rückgekoppelten Schieberegistern. Bei den Schieberegisterfolgen sind insbesondere die Folgen maximaler Länge interessant, die für jedes Schieberegister, abhängig von der Anzahl der Stufen und der Art der

VL 1 Mai / 23.07.81 7 Ausfertigungen

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Rückkopplungen, genau bestimmt sind. Die maximal mögliche Taktfrequenz hängt hier von Durchlaufverzögerungen des Rückkoppelnetzwerks und/oder der Schnelligkeit der Stufen des Schieberegisters ab. Bei hohen Taktfrequenzen sind nur noch sehr kurze Rückkoppelwege zulässig. Dadurch wird die Zahl der möglichen Folgen, d.h. die Codevielfalt stark eingeschränkt. Zusätzliche schaltungstechnische Probleme entstehen, wenn der Pseudozufallsgenerator setzbar sein soll, d.h. wenn er auf einen externen Setzimpuls hin taktsynchron an eine vorgegebene Stelle des PseudoZufallscodes springen soll. Die bekannten Schieberegistergeneratoren müssen nämlich dadurch gesetzt werden, daß man jede einzelne Registerstufe setzt. Vor allem bei Generatoren für längere Folgen erfordert dies eine umfangreiche Schaltlogik. Die durch die Forderungen nach Setzbarkeit und Codevielfalt bedingte Komplexität setzt beiden bekannten Pseudozufallsgeneratoren der Taktfrequenz Grenzen, die unterhalb der reziproken Verzögerungszeit der Einzelbausteine liegen. Außerdem erfordert bei den bekannten Pseudozufallsgeneratoren nach Schieberegisterart ein Codewechsel Umschaltungen oder Schaltungsänderungen an zahlreichen Stellen innerhalb des Generators.

Es ist vorgeschlagen (Patentanmeldung P 30 20 481.0), einen setzbaren Pseudozufallsgenerator so auszubilden, daß in einem oder mehreren programmierbaren Festspeichern, sogenannten PROMs, verschiedene logische Datenfolgen gespeichert werden, die Abschnitte einer Pseudozufallsfolge darstellen und bei Adresseneingabe selektiv herauslesbar sind. Die Pseudozufallsfolgenabschnitte der Festspeicher werden dann jeweils wortweise parallel und in einer festlegbaren Reihenfolge in ein schnelles Schieberegister eingegeben und von

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dort im Takt eines Taktoszillators seriell ausgegeben. Die Pseudozufallsfolgen werden zwar hierbei im Schieberegister nicht generiert, sondern lediglich aus hochintegrierbaren Speichern abgerufen, so daß die bei rückgekoppelten Schieberegistergeneratoren vorhandenen Einschränkungen hinsichtlich der Codevielfalt nicht bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung für einen Pseudozufallsgenerator anzugeben, die es ermöglicht, schnelle Pseudozufallsfolgen mit beliebig programmierbarer Zusammensetzung mit geringerem Schaltungsaufwand und ohne Verwendung eines Schieberegisters zu bilden.

Gemäß der Erfindung, die sich auf einen Pseudozufallsgenerator der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Schreib/Lese-" Speicher mit Dateneingängen, Datenausgängen und Adreßeingängen vorgesehen ist, daß im Schreib/Lese-Speicher eine oder mehrere pseudozufällige,über die Dateneingänge eingegebene Sequenzen abgespeichert sind, daß an die Adreßeingänge des Schreib/Lese-Speichers die die jeweilige Speicherplatzadresse liefernden Ausgänge eines als Universalzähler ausgelegten setzbaren Adreßzählers angeschlossen sind, der mittels eines Taktoszillators getaktet ist, und daß an den Datenausgängen des Schreib/Lese-Speichers die pseudozufälligen Sequenzen abgenommen werden.

In vorteilhafter Weise weist der Adreßzähler zum Setzen gewünschter ZählerStellungen, d.h. zum Vorladen gewünschter Adressen, sogenannte Preset-Eingänge auf. Der Pseudozufallsgenerator kann dann durch eine entsprechende Voreinstellung der Adressierung gesetzt werden.

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Besonders interessant ist die Erfindung beim Einsatz im Sender und/oder im Empfänger eines bandspreizenden (Spread Spectroim^Nachrichtenübertragungssystems, das mit pseudozufälliger Phasen- oder Frequenzumtastung arbeitet. Codevielfalt, eine hohe Taktfrequenz und die Möglichkeit eines schnellen Codewechsels sind nämlich dann wichtig, wenn es um Störsicherheit, Abhörsicherheit, Vielfachzugriff und selektives Adressieren geht. Setzbarkeit und eine stabile Taktfrequenz des Pseudozufallsgenerators sind Eigenschaften, die bei der Systemsynchronisation von Bedeutung sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Schaltungsbeispiels in Anwendung bei einem mit pseudozufälliger Phasenumtastung arbeitenden Nachrichtenübertragungssystem beschrieben. Dazu ist eine Zeichnung mit drei Figuren vorgesehen. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Senders mit pseudozufälliger Phasenumtastung,

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Empfängers mit pseudozufälliger Phasenumtastung,

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Pseudozufallsgenerators nach der Erfindung.

In einem Übertragungssystem auf der Basis der pseudozufälligen Phasenumtastung erzeugt man eine erweiterte Frequenzbandbreite eines Informationssignals durch die direkte Phasenumtastung in einem Phasenumtaster 1 eines konventionell digital oder analog in einem Modulator 2 modulierten, aus einer Trägeraufbereitung 3 kommenden Trägers im Rhythmus einer in einem Pseudozufallsgenerator 4 gebildeten Pseudozufallsfolge. Die im Pseudozufallsgenerator 4 gebildete Pseudozufallsfolge besteht aus einem binären Bitmuster, bei dem die

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logischen Zustände H und L Im Rhythmus eines von einem Taktoszillator 5 gelieferten Taktes quasizufällig aufeinander folgen, wobei sich die gesamte Folge jedoch periodisch wiederholt. Das im Rhythmus der Pseudozufallsfolge im Phasenumtaster 1 bandgespreizte Informationssignal gelangt über einen Verstärker 6 an eine Sendeantenne 7 und wird von dort ausgesendet.

Die pseudozufällig Phasenumtastung des Hochfrequenz-Trägers wird in dem in Fig. 2 dargestellten Empfänger durch einen Pseudozufallsgenerator 8, der demjenigen im Sender gleicht und zu diesem synchron ist, rückgängig gemacht. Der Pseudozufallsgenerator 8 steuert einen Phasenumtaster 9, in den das von einer FV^fangsantenne 10 aufgenommene Signal eingegeben wird und der das in seine Ursprungslage umgetastete Empfangssignal über einen Bandpaß 11 an einen Demodulator 12 weitergibt, dem ein Trägersignal zugesetzt wird. Damit ist das ursprüngliche Signal mit der Informationsbandbreite zurückgewonnen. Bei einem solchen Empfänger müssen allerdings Einrichtungen zur Synchronisation der im Pseudozufallsgenerator 8 erzeugten Pseudozufallsfolge mit der im Empfangssignal enthaltenen Pseudozufallsfolge vorgesehen sein. Grundsätzlich synchronisiert man unter Ausnutzung der Korrelationseigenschaften von Pseudozufallsfolgen. Für die • Funktion des Systems ist die Synchronisation des Pseudozufallsgenerators 8 im Empfänger auf die im Empfangssignal enthaltene Pseudozufallsfolge unerläßlich. Hierbei muß man unterscheiden zwischen der Anfangssynchronisation, die auch Akquisitionsphase genannt wird, zu Beginn der Übertragung oder nach Synchronisationsverlust, und dem Aufrechterhalten des Synchronismus nach gelungener Akquisition.

Beide Synchronisationsproblem.: lassen sich dadurch

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lösen, daß man das empfangene Signal mit der empfange inseitig erzeugten Pseudozufallsfolge korreliert. Das Prinzip eines solchen Korrelators ist in Fig. 2 ebenfalls angedeutet. Der PseudoZufallsgenerator 8 arbei- tet im Takt eines hinsichtlich seiner Frequenz spannungsgesteuerten Taktoszillators 13. Sind die im empfangenen Signal enthaltene Pseudozufallsfolge und die im Empfänger mittels des PseudoZufallsgenerators 8 erzeugte Pseudozufallsfolge synchron, so liefert eine mit einem Phasendiskriminator 14 und einem Regler 15 ausgestattete Regelschleife an den Taktoszillator 13 keine Nachregelspannung, so daß die von ihm erzeugte Taktfrequenz für den Pseudozufallsgenerator nicht geändert wird. Eine zeitliche Verschiebung zwisehen den beiden Pseudozufallsfolgen erzeugt im Diskriminator 14 über den Regler 15 eine solche Regelspannung, daß die Frequenz des Taktoszillators 13 so nachgestellt wird, daß die im Pseudozufallsgenerator erzeugte Pseudozufallsfolge mit der empfangenen Pseudozufallsfolge wieder synchron ist. Zur Akquisition gibt man beispielsweise dem Pseudozufallsgenerator 8 des Empfängers so lange eine etwas höhere Taktfrequenz als dem des Senders, bis die Ausgangsspannung der Kor- · relatorregelschleife eine gewisse Schwelle erreicht und damit zumindest angenähert Deckungsgleichheit der beiden Pseudozufallsfolgen meldet. Beim Aufrechterhalten des Synchronismus nach gelungener Akquisition wird die Taktfrequenz des empfängerseitigen Pseudozufallsgenerators 8 am Taktoszillator 13 mittels der Regelschleife laufend nachgestellt.

Die Pseudozufallsfolge übernimmt im Übertragungssystem somit sowohl die Aufgabe der Bandspreizung bei der Modulation im Sender als auch die Aufgabe der Bandkompression für das Nutzsignal bei der Demodulation im

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Empfänger. Bei der Erzeugung der Pseudozufallsfolge in den beiden PseudoZufallsgeneratoren 4 und 8 im Sender bzw. im Empfänger werden viele binäre Ereignisse, deren Zustand H oder L nach einem Bildungsgesetz ermittelt wird, aneinandergereiht. Die gesamte Folge wiederholt sich jedoch periodisch. Diese Periodizität verleiht ihr den PseudozufallsCharakter.

Fig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild einen Pseudozufallsgenerator, der zum Einsatz in einem Sender nach Fig. 1 oder in einem Empfänger nach Fig. 2 geeignet ist. Dieser Pseudozufallsgenerator ist als Hochgeschwindigkeits-Schreib/Lese-Speicher RAM mit einem integrierten Adreßzähler AZ aufgebaut.

Ein hochfrequenter Takt aus einem Taktoszillator T (z.B. Taktoszillatoren 5, 13 nach Fig. 1 und 2) taktet den n-stelligen Adreßzähler AZ, welcher als Universalzähler ausgelegt ist und in Abhängigkeit vom Signal am Vor/Rückeingang entweder vorwärts oder rückwärts zählt. Er liefert an seinen Ausgängen AO, A1 ... An die Jeweils angerufene Speicherplatzadresse im Schreib/Lese-Speicher RAM. Dazu sind die Adreßeingänge EO, E1 ... En des Schreib/Lese-Speichers RAM mit den zugeordneten Adreßausgängen AO, A1 ... An verbunden. Die Fähigkeiten des Inkrementierens und Dekrementierens sowie des Vorladens einer Zieladresse über die Preset-Eingänge PO, P1 ... Pn erleichtern das Adressenmanagement für die Verwirklichung neuer Codeakquisitionsstrategien.

Die Pseudozufallsfolge selbst befindet sich im Schreib/Lese-Speicher RAM (Random Access Memory). Ihre maximale Länge ist durch die Speichertiefe des Speichers RAM festgelegt. Der Speicher kann mehrere Pseudozufallsfolgen enthalten, die an den Datenaus-

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gangen PZFO, PZP1 ... PZFi abgenommen werden können. Das Abspeichern der PseudoZufallscodes in den Schreib/ Lese-Speicher RAM erfolgt mikroprozessorgesteuert während der Stand-By-Phase über Dateneingänge DO, D1 ... Di, wobei das Abspeichern der Ein- oder Mehrbitinformation nicht als Hochgeschwindigkeitsvorgang ausgebildet sein muß. Die Effektivität des gespeicherten Codes liegt durch das Bildungsgesetz Pseudozufallsfolgen-Routine fest. Für den Fall, daß ein anwenderspezifischer Code gewünscht wird, beschränkt sich die Aufgabe des Mikroprozessors auf einen Transfer des Codes von der Schnittstelle in den Codespeicher.

Im einzelnen ergeben sich mit der in Fig. 3 dargestellten Anordnung in Kombination mit dem Mikroprozessor Vorteile wie Codevielfalt, Adressenmanagement bei der Codeakquisition und Erzeugung schlüsselfester Codes.

Die Codevielfalt spielt beim Simultanbetrieb mehrerer Übertragungsstrecken eine Rolle. Stehen im Schreib/ Lese-Speicher RAM mehrere Pseudozufallscodes zur Verfügung, so bietet sich die Möglichkeit des Codewechseis an. Ein solcher Codewechsel kann aus taktischen Gründen notwendig sein. Eine Ankündigung für einen bevorstehenden Wechsel während des Betriebs der Übertragungsstrecke kann empfängerseitig im Wiedersynchronisationsmode sinnvoll verarbeitet werden.

Das Adressenmanagement wirkt sich vorteilhaft im Empfänger dadurch aus, daß während der Akquisitionsphase Teilbereiche der Pseudozufalls-Sequenz übersprungen werden, wenn es die Situation erfordert. Die Manipulierbarkeit der zeitlich relativen Lage zwischen

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der empfangenen Pseudozufallsfolge und der im Empfänger rekonstruierten Pseudozufallsfolge bewährt sich bei langen Folgen mit naturgemäß niedrigen Wiederholraten.

Um ein hohes Maß an Störfestigkeit beim Betrieb der Nachrichtenstrecke zu gewährleisten, stützt man sich in zweckmäßiger Weise auf die Verwendung schlüsselfester Codes, welche einem potentiellen intelligenten Störer die Rekonstruktion dieses Codes erschweren. Die Schlüsselfestigkeit erreicht man durch den Einbau von zusätzlichen Störstellen in der Sequenz oder durch Modifikation der Bildungsgesetze. Der Variationsbereich entspricht dem vorhandenen Software-Ange" >t. Die Voraussetzung für die Anwendung solcher Codes ist jedoch ein frei programmierbarer Codespeicher.

Der rasante Fortschritt der Entwicklung von Halbleiter speichern mit großer Speicherkapazität und kurzer Zugriffszeit begünstigt die Realisierungsmöglichkeit des Pseudozufallsgenerators nach der Erfindung. Der Generator nach der Erfindung läßt sich als Ein-Chip-Speicher mit hoher Packungsdichte und relativ kleinem Leistungsbedarf ausbilden, wobei der Schreib/Lese-Speicher RAM mit dem Adreßzähler AZ integriert ist.

5 Patentansprüche
3 Figuren

Claims (5)

Patentanspruch e:

1. Pseudozufallsgenerator zur Erzeugung einer sich periodisch wiederholenden pseudozufälligen Sequenz binärer Ereignisse, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schreib/Lese-Speicher (RAM) mit Dateneingängen (DO ... Di), Datenausgängen (PZFO ... PZFi) und Adreßeingängen (EO ... En) vorgesehen ist, daß im Schreib/Lese-Speicher (RAM) eine oder mehrere pseudozufällige, über die Dateneingänge (DO ... Di) eingegebene Sequenzen abgespeichert sind, daß an die Adreßeingänge (EO ... En) des Schreib/Lese-Speichers (RAM) die die jeweilige Speicherplatzadresse liefernden Ausgänge (AO ... An) eines als Unir ./salzähler ausgelegten setzbaren Adreßzählers (AZ) angeschlossen sind, der mittels eines Taktoszillators (T) getaktet ist, und daß an den Datenausgängen (PZFO ... PZFi) des Schreib/Lese-Speichers (RAM) die pseudozufälligen Sequenzen abgenommen werden.

2. Pseudozufallsgenerator nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Adreßzähler (AZ) zum Setzen gewünschter Zählerstellungen, d.h. zum Vorladen gewünschter Adressen Preset-Eingänge (PO ... Pn) aufweist.

3. Pseudozufallsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abspeichern der pseudozufälligen Sequenzen über die Dateneingänge (DO ... Di) mittels eines Mikroprozessors vorgenommen wird.

4. Pseudozufallsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Scbreib/Lese-Speicher (RAM) mit dem Adreßzähler (AZ) bauten integriert ist.

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5. Pseudozufallsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung im Sender und/oder Empfänger eines bandspreizenden (Spread Spectrum-) Nachrichtenübertragungssystems, das mit pseudozufälliger Phasen- oder Frequenzumtastung arbeitet.