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Synchronisierverfahren
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Synchronisation zweier
Sende-Empfangsstationen zur Ubertragung von Informationen über eine Funkstrecke
unter Anwendung eines Frequenzsprungbetriebes, bei dem zu Beginn eines Verbindungsaufbaus
von der rufenden Station eine Synchronisierinformation zur gerufenen Station übertragen
und dort zu deren Synchronisation mit der rufenden Station ausgewertet wird.
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Bei der Signalübertragung über eine Funkstrecke besteht insbesondere
im taktischen Einsatz von mobilen Sende-Empfangsstationen die Forderung, die Funkübertragung
nicht nur abhörsicher, sonderen auch resistent gegen intelligente Störer zu machen.
Hierzu wird im allgemeinen von einer Breitspektrumtechnik Gebrauch gemacht, vorzugsweise
in Form eines Frequenzsprungverfahrens, bei dem der mit der eigentlichen Nachricht
modulierte radiofrequente Träger pseudozufällig in einem schnellen Rhythmus innerhalb
eines vorgegebenen breiten Frequenzbandes springt. Wenn eine Sende-Empfangsstation
mit einer anderen Sende-Empfangsstation in einem solchen Netz für eine Signalübertragung
in Verbindung treten will, muß zunächst im Rahmen des Verbindungsaufbaus zwischen
diesen beiden Stationen der für eine erfolgreiche Ubertragung erforderliche Synchronismus
zwischen den Grundtaktgeneratoren und den hiervon
gesteuerten Einrichtungen
auf beiden Stationen hergestellt werden. Die einfachste Möglichkeit für eine Anfangssynchronisation
besteht darin, die Synchronisationsinformation von der rufenden Station zur gerufenen
Station auf einer fest vorgegebenen Radioträgerfrequenz durchzuführen und den Frequenzsprungbetrieb
erst mit Beginn der eigentlichen Nachrichtenübertragung zu starten. Dies gibt aber
intelligenten Störern die Möglichkeit, den Verbindungsaufbau zu stören und gegebenenfalls
völlig unmöglich zu machen. Aus diesem Grunde besteht die Forderung, auch den Synchronisiervorgang
selbst gegen solche absichtliche Störungen durch Anwendung eines Frequenzsprungbetriebs
unempfindlich zu machen. In diesem Falle muß die gerufene Station zunächst einmal
nach Art einer Grobsynchronisation versuchen, durch Auffinden der richtigen Frequenzsprungphase
einen Empfang der Synchronisierinformation zu ermöglichen. In der Literaturstelle
IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-31, Nr, 2, Februar 1983, Seiten 183
bis 189 werden hierfür zwei Möglichkeiten, nämlich ein Suchschrittverfahren und
ein von einer passiven und aktiven Korrelation Gebrauch machendes Zweistufenverfahren
angegeben. Das Suchschrittverfahren hat den Nachteil, daß die Suchzeit im Mittel
eine Zeit benötigt, die gleich der Frequenzsprungwechselperiode multipliziert mit
der halben Anzahl der Sprungfrequenzen der für die Synchronisierphase verwendeten
Sprungfrequenzsequenz ist. Treten zusätzliche Fehler bei der Synchronisation auf,
insbesondere Übertragungsfehler, dann kann die Synchronisierzeit sehr groß werden.
Das von einer passiven und aktiven Korrelation Gebrauch machende Zweistufenverfahren
ermöglicht zwar rasch die erwünschte Grobsynchronisation mit Hilfe einer vorgegebenen
relativ kurzen Sprungfrequenzsequenz,
erfordert aber einen sehr
hohen gerätetechnischen Aufwand, da hier für jede Sprungfrequenz der Sprungfrequenzsequenz
außer einem Korrelator ein Bandpaßfilter und eine Verzögerungseinrichtung benötigt
werden. Außerdem ist es in diesem Falle schwierig, bei fehlerhaftem Empfang mehrere
Versuche hintereinander durchzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Durchführung der
Synchronisation zwischen zwei Sende-Empfangsstationen unter Anwendung eines Frequenzsprungverfahrens
eine weitere Lösung anzugeben, die bei relativ geringem gerätetechnischen Aufwand
eine schnelle und sichere Synchronisation durchzuführen gestattet.
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Ausgehend von einem Verfahren zur Synchronisation der einleitend genannten
Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß während der Synchronisierphase
die eine Station einen schnellen und die andere Station einen langsamen Frequenzsprungbetrieb
ausführt, daß ferner der sc.hnelle Frequenzsprungbetrieb aus einer sich wiederholenden
Sprungfrequenzsequenz besteht, deren Periode wenigstens nahezu gleich einer Periode
des lansamen Frequenzsprungbetriebs ist und deren Sprungfolgefrequenzmuster unter
Berücksichtigung eines größtmöglichen gegenseitigen Zeitversatzes der Grundtaktgeneratoren
auf beiden Stationen ausschließlich mögliche gleichzeitige Sprungfolgefrequenzen
des langsamen Frequenzsprungbetriebes umfaßt und daß die gerufene Station nach Empfang
und Auswertung der Synchronisierinformation die erfolgreiche Synchronisation zum
gleichzeitigen Umschalten der beiden Stationen auf gleichen und gleich schnellen
Frequenzsprungbetrieb an die rufende Station zurückmeldet.
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Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß sich
bei Anwendung eines Frequenzsprungverfahrens der unvermeidliche Zeitversatz zwischen
den Grundtaktgeneratoren verschiedener Stationen in einem Funknetz bei üblicher
Genauigkeit der verwendeten Quarzoszillatoren in der Größenordnung von 10 in außerordentlich
einfacher Weise dadurch überbrücken läßt, daß während der Synchronisierphase von
einem unterschiedlich schnellen Frequenzsprungbetrieb in der angegebenen Weise auf
den eine Verbindung miteinander wünschenden Stationen herbeigeführt wird.
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Prinzipiell läßt sich das Synchronisierverfahren unabhängig davon
durchführen, welche der beiden eine Verbindung miteinander wünschenden Stationen
hierbei den schnellen und den langsamen Frequenzsprungbetrieb ausführt. Im Hinblick
auf eine möglichst große Störresistenz ist es jedoch sinnvoll, der rufenden Station
den schnellen Frequenzsprungbetrieb und der gerufenen Station den langsamen Frequenzsprungbetrieb
zuzuordnen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen
2, 3 und 5 angegeben.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll
die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 eine erste vom Verfahren nach der Erfindung Gebrauch machende Sende-Empfangsstation
mit einer Blockschaltbilddarstellung des Sendeteils, Fig. 2 eine zweite vom Verfahren
nach der Erfindung Gebrauch machende Sende-Empfangsstation mit einer Blockschaltbilddarstellung
des Empfangsteils,
Fig. 3 die Arbeitsweise der Sende-Empfangsstation
nach den Figuren 1 und 2 erläuternde Frequenzsprungdia gramme, Fig. 4 ein weiteres
Zeit-Frequenzdiagramm.
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Zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung sei die in Fig.
1 dargestellte erste Sende-Empfangsstation S/E1 die rufende Station und die in Fig.
2 dargestellte zweite Sende-Empfangsstation S/E2 die gerufene Station.
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Die erste Sende-Empfangsstation S/E1 zeigt sendeseitig einen Modulator
MOD und empfangsseitig einen Demodulator DEM auf, denen vom Frequenzsynthesizer
FSY im Rhythmus des Frequenzwechsels die gerade aktuellen Sende- bzw.
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Empfangsfrequenzen zugeführt werden. Der Frequenzsynthesizer FSY erhält
seine Frequenzadressen von einem Pseudozufallsgenerator PNG, der einerseits seinen
Takt vom Grundtaktgenerator RTC erhält und andererseits mit einer Steuereinrichtung
CONTR in Verbindung steht. Die Steuereinrichtung CONTR erhält ebenfalls den Takt
vom Grundtaktgenerator RTC. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung CONTR den Frequenzsynthesizer
FSY und den Rufgenerator CSG, der während der Synchronisierphase dem Modulator im
Zeitmultiplex ein die Synchronisierinformation darstellendes Synchronisiermuster,
eine Adresseninformation zur Durchführung eines selektiven Rufs, eine Zeitinformation
und einen die Korrektur von Fehlern ermöglichenden Fehlercode abgibt. Das über die
Antenne Al abgestrahlte Rufsignal ist mit CA bezeichnet. Sobald das Rufsignal CA
auf der gerufenen zweiten Sende-Empfangsstation S/E2 empfangen und die Synchronisation
durchgeführt worden ist, gibt die zweite Sende-Empfangsstation S/E2 über ihre Antenne
A2 an die erste Sende-Empfangsstation S/E1 ein die Synchronisation bestätigendes
Signal RE. Dieses Signal wird auf der rufenden Station dem
Demodulator
DEM zugeführt und anschließend im sogenannten ARQ-Detektor erkannt, der dann das
Erkennen des die Synchronisation der zweiten Sende-Empfangsstation S/E2 bestätigenden
Signals an die Steuereinrichtung CONTR weitergibt und über diese die Umschaltung
des Pseudozufallsgenerators PNG und des Frequenzsynthesizers auf den für die Übertragung
der eigentlichen Nachricht vorgesehenen Frequenzsprungmodus umschaltet.
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Die in Fig. 2 im Blockschaltbild dargestellte Empfangsseite der zweiten
Sende- Empfangsstation S/E2 ist entsprechend der Sendeseite aufgebaut, mit dem Unterschied,
daß die Steuereinrichtung CONTR einen mit dem Modulatoreingang MOD verbundenen Signalgeber
ARQ-GEN für die Abgabe des Signals RE an die rufende Station nach erfolgter Synchronisation
ansteuert. Auf der Empfangsseite ist, wie Fig. 2 zeigt, weiterhin hinter dem Demodulator
ein Rufsignalempfänger CR vorgesehen, der eingangsseitig eine Erkennungseinrichtung
für das Synchronisiermuster SPD, einen Adressendetektor AD sowie einen Zeitdetektor
TD aufweist. Diese Schaltungen sind ausgangsseitig mit dem eigentlichen Synchronisationsdetektor
SYN-DET verbunden, der wiederum ausgangsseitig mit der Steuereinrichtung CONTR in
Verbindung steht.
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Der Pseudozufallsgenerator auf beiden Stationen besteht zweckmäßig
aus zwei einstellbaren Kettencodeerzeugern, von denen der eine den Frequenzadressenschlüssel
für den Frequenzsynthesizer FSY im normalen Ubertragungsbetrieb liefert und der
andere den Frequenzadressenschlüssel für den Frequenzsynthesizer im Zeitraum eines
durchzuführenden Verbindungsaufbaus und für den Ruhebetrieb erzeugt. Im Ruhezustand
der beiden Stationen kommt also für die Steuerung des Frequenzsynthesizers FSY,
der
einen langsamen Frequenzsprungbetrieb darstellende Schlüssel
des zweiten Kettencodeerzeugers des Pseudozufallsgenerators, im folgenden Ruheschlüssel
genannt, zur Anwendung. Wird nun von der ersten Sende-Empfangsstation S/E1 ein Verbindungsaufbau
zur zweiten Sende-Empfangsstation S/E2 gewünscht, dann wird mittels der Steuereinrichtung
CONTR im Frequenzsynthesizer FSY eine auf den Ruheschlüssel des Pseudozufallsgenerators
PNG bezogene Sprungfrequenzsequenz erzeugt, deren Periode gleich der Schlüsselperiode
des Ruheschlüssel ist.
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Weiterhin aktiviert die Steuereinrichtung CONTR den Rufgenerator,
dessen Signal im Modulator MOD der jeweiligen vom Frequenzsynthesizer FSY gelieferten
Frequenz überlagert und über die Antenne als Rufsignal CA zur gerufenen Station
abgestrahlt wird.
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Auf der zweiten Sende-Empfangsstation S/E2, die sich ebenfalls im
Ruhebetrieb befindet und deren Frequenzsynthesizer FSY an seinem Frequenzadresseneingang
ebenfalls den Ruheschlüssel vom Pseudozufallsgenerator PNG empfängt, besteht trotz
einem Zeitversatz der Grundtaktgeneratoren RTC auf beiden Stationen nunmehr die
Möglichkeit, das Rufsignal innerhalb einer Sprungfrequenzsequenz wenigstens kurzzeitig
zu empfangen, sofern, wie anhand der weiteren Figuren noch näher erläutert werden
wird, dafür gesorgt ist, daß die Sprungfrequenzsequenz unter Berücksichtigung des
größtmöglichen Zeitversatzes zwischen den Grundtaktgeneratoren auf beiden Stationen
ausschließlich mögliche zeitgleiche vom Ruheschlüssel abgeleitete Sprungfrequenzen
aufweist. Das empfangene Rufsignal wird im Rufempfänger CR empfangen und die Synchronisierinformation
im Synchrondetektor SYN-DET erkannt und der Steuereinrichtung CONTR zur Auswertung
zugeführt. Die Steuereinrichtung CONTR steuert den Pseudozufallsgenerator PNG
hinsichtlich
seiner beiden Kettencodeerzeuger in die für einen einwandfreien Empfang von der
ersten Sende-Empfangsstation S/E1 erforderliche Phasenlage und veranlaßt anschließend
den Generator ARQ-GEN für die Abgabe des Rückmeldesignals RE an die rufende Station.
Gleichzeitig mit der Abgabe des Signals RE und dem Empfang dieses Signals auf der
rufenden Station veranlassen die Steuereinrichtungen CONTR auf beiden Stationen
die Umschaltung der Pseudozufallsgeneratoren vom Ruheschlüssel auf den für den normalen
Betrieb vorgesehenen Betriebsschlüssel, bei dem beide Stationen für die Ubertragung
der eigentlichen Nachricht auf einen schnellen Frequenzsprungmodus übergehen.
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In Fig. 3 ist im obersten Diagramm eine vom Ruheschlüssel erzeugte
Sprungfrequenzfolge der zweiten Sende-Empfangsstation S/E2 über der Zeit dargestellt.
Die aufeinanderfolgenden Sprung frequenzen in diesem Zeitdiagramm sind mit Fn-l,
Fn, Fn+l und Fn+2 bezeichnet. Die Sprungfrequenzwechselperiode dieses langsamen
Frequenzsprungbetriebes ist mit FIR angegeben. Der auf der rufenden Station, nämlich
der ersten Sende-Empfangsstation S/E1 während des Verbindungsaufbaus durchgeführte
schnelle Frequenzsprungbetrieb weist eine Sprungfrequenzsequenz auf, deren Periode
FPI mit der Frequenzsprungwechselperiode FIR des langsamen Frequenzsprungbetriebs
wenigstens nahezu übereinstimmt. Im mittleren Zeitdiagramm ist über der Zeit der
langsame Frequenzsprungbetrieb noch einmal dargestellt, jedoch hier in Phase mit
der Sprungfrequenzsequenz des schnellen Frequenzsprungbetriebs. Der Zeitversatz,
der hier zwischen dem langsamen Frequenzsprungbetrieb nach dem obersten Diagramm
mit dem schnellen Frequenzsprungbetrieb nach dem untersten Diagramm vorhanden ist,
ist mit TER bezeichnet und beträgt etwas mehr als die Hälfte der Frequenzsprungwechselperiode
FIR.
Die Sprung frequenzen innerhalb einer Sprungfrequenzsequenz des schnellen Frequenzsprungbetriebs
sind nun so festgelegt, daß auch beim größtmöglichen Zeitversatz TER zwischen den
Grundtaktgeneratoren RTC der beiden Stationen die gerufene Station SE2 wenigstens
einmal auf der bei ihr gerade aktualisierten Empfangsfrequenz das Rufsignal CA empfangen
kann.
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Wie das unterste Zeitdiagramm in Fig. 3 zeigt, weist eine Periode
FPI eine Folge von zehn Sprung frequenzen auf, die unter Berücksichtigung des größtmöglichen
Zeitversatzes alle mögliche gleichzeitige Sprungfrequenzen des langsamen Frequenzsprungbetriebs
sind.
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Die auf die Sollfrequenz Fn-l des langsamen Frequenzsprungbetriebs
bezogene Sprungfrequenzsequenz weist hierbei die Sprungfrequenz Fn-l viermal, die
Sprungfrequenzen Fn und Fn-2 zweimal und die noch weiter abliegenden Sprungfrequenzen
Fn-3 und Fn+l einmal auf.
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Dies entspricht bei einer Sprungfrequenzsequenz von zehn Sprung frequenzen
einer Gauss'schen Häufigkeitsverteilung GV, wie sie im Zeitdiagramm der Fig. 4 dargestellt
ist.
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Die Frequenz Fto, d.h. die Frequenz, die mit der Sollfrequenz im Zeitpunkt
to in Phase ist, hat die größte Häufigkeit, die Frequenzen Fto-l und Fto+l, die
bezogen auf die Sollfrequenz dieser im langsamen Frequenzsprungbetrieb vorausgeht
oder nachfolgt, haben, bezogen auf die Frequenz Fto nur noch eine halb so große
Häufigkeit und die Frequenzen Fto-2 und Fto+2, die von der Sollfrequenz Fto zwei
Frequenzsprungwechselperioden im langsamen Frequenzsprungbetrieb abliegen, haben
gegen die Frequenz Fto lediglich noch ein Viertel des maximalen Verteilungsgewichtes.
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Diese Gauss'sche Häufungsverteilung nach Fig. 4 ist in jedem der aufeinanderfolgenden
Sprungfrequenzsequenzen dadurch gewährleistet, daß die aufeinanderfolgenden Sprung
frequenzen, bezogen auf eine Periode einer Sprungfrequenzsequenz in der nächstfolgenden
Sprungfrequenzsequenz jeweils den nächstfolgenden Wert in der Frequenzsprungfolge
des langsamen Frequenzsprungbetriebs annehmen. Bezüglich der ersten Sprungfrequenz
einer Frequenzsprungsequenz nach dem untersten Diagramm nach Fig.
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3 bedeutet dies, daß diese erste Sprungfrequenz F nacheinander den
Indexwert n-l, n, n+l usw. annimmt.
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Natürlich ist die im Ausführungsbeispiel nach Figuren 3 und 4 angegebene
Sprungfrequenzsequenz nicht auf zehn Sprung frequenzen begrenzt. Die Anzahl der
Sprungfrequenzen einer Sprungfrequenzsequenz kann auch beliebig höher gewählt werden.
Die wünschenswerte Gauss'sche Häufigkeitsverteilung, die auf der gerufenen Station
in einfacher Weise als Kriterium für den Grad der vorhandenen Phasenübereinstimmung
zwischen den Grundtaktgeneratoren beider Stationen verwendet werden kann, ergibt
für eine solche Gauss'sche Verteilung eine Sprungfrequenzsequenz, die wenigstens
zehn Sprungfrequenzen aufweist.
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Jedenfalls stellt eine solche Sprungfrequenzsequenz mit zehn Sprung
frequenzen ein Optimum hinsichtlich einer möglichst schnellen Grobsynchronisation
dar. Im übrigen läßt sich die Sprungfrequenzwechselperiode FIR des langsamen Frequenzsprungbetriebes
und damit auch die Periode FPI der Sprungfrequenzsequenz beliebig an die Genauigkeit
der verwendeten Grundtaktgeneratoren anpassen, deren größtmöglicher gegenseitiger
Zeitversatz bekanntlich umgekehrt proportional zu ihrer Frequenzgenauigkeit ist.
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5 Patentansprüche 4 Figuren