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Bandspreitztechnik 2

Synchronisation von Sender und Empfänger

Das übertragungsverfahren "Spread Spectrum", wurde bisher nur von Amateuren in den USA experimentell erprobt. Im Rahmen dieser Artikelreihe werden seine theoretischen Grundlagen aber auch Möglichkeiten zur praktischen Realisierung erläutert.

3.2. Synchronisierung

Eines der größten Probleme in der Bandspreiztechnik ist die Synchronisation des Senders und Empfängers. Die Empfangsseite muß alle wichtigen Parameter des Sendesignals kennen, selbstverständlich abgesehen von der Nutzinformation. Zu diesen Parametern zählen:

Der Synchronisierungszustand muß während der ganzen Verbindung aufrechterhalten bleiben, unabhängig von allen Erschwernissen wie z.B. dem Einfluß des Dopplereffektes oder AusbreitungsSchwankungen.

Es wird meistens eins der drei Synchronisationsverfahren verwendet:

  1. Mitaussenden des Referenz-codes durch den Sender.
  2. Frequenz- und Phasensynchronisation durch Normalfrequenzsender oder andere externe Referenzquellen.
  3. Synchronisation durch die Auswertung des empfangenen Signals.

Das erste von diesen Verfahren ist am einfachsten zu verwirklichen und daher für die ersten Experimente zu empfehlen. Zusätzlich zu einem modulierten und gespreizten Träger wird bei dieser Methode ein zweiter Träger, der nur gespreizt ist, gesendet. Auf der Empfängerseite werden die beiden Träger den Eingängen eines Mischers zugeführt. Am Mischer-Ausgang erscheint der ursprungliche, ungespreizte Träger. Dieses Verfahren läßt sich bei beiden Spreizverfahren (DS und FH) anwenden. Durch Mitaussenden des Codes ist es zwar schwieriger, die Geheimhaltung der Nachrichten zu gewährleisten, bei Amateurfunk-Aussendungen ist dieser Aspekt jedoch ohne Bedeutung.

Bei der zweiten Methode werden Träger- und Taktfrequenzen auf beiden Seiten mit einem externen Referenzsignal synchronisiert. Für diesen Zweck können die Signale des Normalfrequenzsenders, des lokalen Mittelwellen-Senders oder Fernsehsynchronimpuls genutzt werden. Unbekannt bleibt nur die Phasenlage des Codes, sie kann durch den Sender am Anfang der übertragung synchronisiert werden, bei Versuchen ist auch manuelle Justierung möglich.

Im dritten Fall, wenn der Spreizcode bekannt ist (das kann als im Amateurfunk als selbstverständlich angenommen werden) kann er auf der Empfängerseite langsam gegenüber dem empfangenen Signal in der Phase verschoben werden bis die größte ähnlichkeit (Autokorrelation) zwischen diesen Signalen festgestellt wird. Durch die Codelänge bedingt, dauert der Synchronisationsvorgang relativ lange. Der Vorgang muß zwar nur einmal am Anfang der übertragung durchgeführt werden, oft werden aber spezielle kürzere Synchronisationskodes angewendet, um diesen Vorgang noch weiter zu verkürzen.

4. Anwendungen

Die wichtigsten Eigenschaften der Bandspreiztechnik für militärische Anwendungen sind die Schwierigkeit, sie zu entdecken und die hohe Störsicherheit. Im Amateurfunk zählen zu den wichtigsten Aspekten die Störsicherheit, die Unempfindlichkeit gegen Fading auf Kurzwelle und die bessere Ausnutzung der zugelassenen Bander. Besonders wichtig ist die Möglichkeit der parallelen Nutzung der Bander durch schmal- und breitbandige Systeme.

Die Bandspreiztechnik könnte eine bessere Ausnutzung der Umsetzer-Kanälen bewirken und die Erstellung neuer Netzkonzepte ermöglichen. Ein Einsatz im Satellitenfunk wäre ebenfalls möglich. Die Vorteile sind auch bei den digitalen Betriebsarten sichtbar. Das Problem der Packetkollisionen auf den Linkfrequenzen könnte zum Beispiel entschärft werden, weil die empfangende Knotenstation jeweils nur die Packete von einer Sendestation (mit der gleichen Spreizcode-Sequenz) aufnehmen kann.

In den Funknetzen des beweglichen Funks kann die Bandspreiztechnik die Einflüsse von Fading und Mehrfachausbreitung (Reflexionen) verringern, ebenso die Störabstände der Basissender und zusätzlich die mehrfache Belegung der Sendefrequenzen erlauben, alles dank unterschiedlicher Spreizcodes. Beispielsweise können die Fadingeinbrüche im städtischen Bereich bei Schmalbandsignalen bis über 30 dB betragen, bei gespreizten Signalen dagegen nur ungefähr 2 bis 3 dB.

Die Bandspreiztechnik wurde auch in den Kabelfernsehnetzen in den USA eingesetzt. Außer der effizienteren Nutzung der vorhandenen Ausrüstung war der Zugang nur für die berechtigten (zahlenden) Empfänger ausschlaggebend. Anwendungen in den Computernetzen sind ebenfalls naheliegend.

5. Bandspreiztechnik im Amateurfunk

Amerikanische Funkamateure haben in ihren Experimenten beide Verfahren eingesetzt. In den Kurzwellenbereichen wurde hauptsächlich die Frequenzumschaltung des SSB-modulierten Trägers verwendet, in den UKW-Bändern Direkt-Sequenzverfahren und die FM-Modulation. In vielen Versuchen wurde auf einer relativ kleinen Anzahl von Kanälen gesendet, es waren lediglich einige zehn Kanäle. Der Prozessgewinn ist daher in diesen Fällen eher bescheiden ausgefallen. Wichtiger waren die Erfahrungen mit dieser Technik. Die Umschaltgeschwindigkeit war auf 5 bis 10 Sprünge pro Sekunde begrenzt. Hauptursache für die Begrenzung waren die Einrastzeiten der üblichen PLL-Synthesizer, besonders bei der zufälligen Kanalauswahl. Die Geschwindigkeit war für Fonieverbindungen zunächst ausreichend. Bei einigen Geräten waren bis zu 80 - 90 und mehr Frequenzsprünge pro Sekunde möglich, besonders beim Verzicht auf zufällige Frequenzwahl und Ausführung sequentieller Sprünge (lineare Frequenzänderung). Die meisten Sender hatten nur einige Watt, die Höchstwerte lagen bei 25 W Ausgangsleistung. Oft handelte es sich auch nur um Handfunkgeräte mit digitalen Eingängen zur Synthesizer-Ansteuerung oder um einem Ringmischer am Antennenausgang beim Direktsequenz- Verfahren. Zur Generierung von Spreizcodes wurden, ausser den Schieberegister-Schaltungen, auch Computer eingesetzt (beispielsweise der Commodore 64). Es wurden auch einige Baken in Betrieb genommen, die hauptsächlich nach dem Frequenzsprung-Verfahren arbeiteten. Die Umschaltfrequenz betrug 10 bis 25 Hz, der Kanalabstand 25 kHz und der Sendebereich 144.9 bis 147.8 MHz. Die Sendeleistung lag bei ca. 25 W. Die Bandspreizsequenz wurde zusätzlich auf der Frequenz 144.9 MHz übertragen, um möglichst vielen Funkamateuren den Einstieg zu erleichtern. Es wurden auch Versuche mit Umsetzern im 900-MHz-Band durchgeführt. Nachfolgend werden die beiden wichtigsten Synchronisations-Prinzipien vorgestellt. Nach dem ersten Prinzip werden beide Stationen mit Hilfe des externen Referenzsignals synchronisiert. Wie schon früher erwähnt, können beliebige Normalfrequenzsender, Mittelwellen- oder Langwellen-Rundfunksender, Navigationssignale oder Farbsubträ- ger als Referenz dienen. Ausserdem ist die Nutzung des Fernseh-Ablenksignals, des 5.5-MHz-Tonträgers oder des Stereosubträgers möglich. Es entsteht dadurch zwar eine zusätzliche Abhängigkeit von der Referenzquelle, das Prinzip ist aber recht einfach und verständlich und kann besonders in der Anfangsphase eingesetzt werden. Bei der zweiten Lösung wird der Taktgenerator im Empfänger mit dem Träger der Sendestation synchronisiert. In weiteren Beispielen wurde zwar hauptsächlich die Anwendung in Direktsequenz-Systemen vorgestellt, die Anwendung in FrequenzsprungSystemen ist natürlich ebenfalls möglich. In diesem zweiten Fall kann (oder muß) die kleinere Taktfrequenz verwendet werden. Eine System-Zusammensetzung aus einer der hier vorgestellten Synchronisationsschaltungen und Referenzsignalquellen sowie die Anpassungen an eines der beiden Spreizverfahren sollte auch weniger geübten Funkamateuren keine Schwierigkeiten bereiten.

5.1. Externe Synchronisierung

5.1.1. Synchronisierung mittels Farbträger

Bild 5 zeigt eine FarbträgerSynchronisationsschaltung. Beide Fernsehgeräte müssen das gleiche Programm empfangen, oft ist ja sogar der Empfang des gleichen Senders möglich. Dadurch wird die Synchronisierung der beiden Stationen gewähleistet. Der VCO der Sendestation und der Empfangsoszillator arbeiten in der Schaltung im 70-cm-Band.

Fig 5
Bild 5: Synchronisation von Sender und Empfänger durch den TV-Farbträger

Die Trägerfrequenz sollte in der Gegend der Bandmitte liegen. Es könnte zum Beispiel die 98. Harmonische des PAL-Subträgers (4.43 MHz) verwendet werden (Loop-Teilungsverhältnis = 98). In amerikanischen Systemen war das die 121. Harmonische des NTSC-Subträgers. Die Taktfrequenz der Pseudo-NoiseSequenz ist gleich der Subträgerfrequenz (sie könnte auch durch 2 oder 4 geteilt werden). Diese Beispielschaltung wurde für die digitale Datenübertragung (Packet-Radio) verwendet. Die gesendeten Daten können mittels eines Exklusiv-Oder-Gatters mit der Spreizsequenz verknüpft werden. Der Träger wird auf der Empfangsseite mit Hilfe des Farbsubträgers regeneriert und dem Ringmischer zugeführt (das entspricht einem Direktmischer-Empfanger).

Am Mischerausgang (Meßpunkt 4) steht eine, mit den Daten verknüpfte, Spreizsequenz zur Verfügung. In der ersten übertragungsphase ist das die reine Spreizsequenz, noch ohne Nutzinformation. Diese Sequenz wird in das Vergleichs-Schieberegister geladen. Der lokale Sequenzgenerator wird mit der doppelten Farbträgerfrequenz getaktet. Dem Korrelator stehen also zwei Signale mit unterschiedlicher Taktfrequenz zur Verfügung. Wenn beide Signale die gleiche Phasenlage annehmen, erfolgt (mittels eines OR-Gatters) die Umschaltung auf die Taktgrundfrequenz (Meßpunkt 5). Die Spreizsequenzen auf den beiden Seiten laufen ab jetzt synchron. Zur Rückgewinnung der Nutzzinformation wird ebenfalls ein Exklusiv-Oder-Gatter verwendet. Der Prozeß ist also auf beiden Seiten symmetrisch.

5.1.2. Synchronisierung mittels Bildsynchronimpulsen

Zur Synchronisation können auch die vertikalen Ablenkimpulse verwendet werden. Die Ablenkfrequenz ist durch 4 geteilt, dadurch ergibt sich die 12.5-Hz-Taktfrequenz. Das Teilungsverhältnis kann beliebig gewählt werden, die horizontalen Ablenkimpulse können ebenfalls abgegriffen werden. Die sich daraus ergebenden niedrigen Taktfrequenzen können langsam die Sendefrequenz umtasten (FH-Verfahren). Das Blockschaltbild zeigt Bild 6.

Fig 6
Bild 6: Synchronisation mit Hilfe des Fernsehsignals

Die beiden Schieberegister und die zugehörigen Teiler werden mittels eines kurzen Tonbursts auf Null gesetzt, was die Anfangslage der Sequenz bestimmt. Der Ton muß jeweils am übertragungsanfang ausgesendet werden. Ab Tonende beginnt auf beiden Seiten der synchrone Laufder Spreizsequenzen. Dieser Synchronisationsvorgang ist nur am UbertragungsAnfang und nicht bei Richtungswechsel notwendig.

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