Handbuch der Spread-Spectrum Technik

S Liste der verwendeten Symbole und Abkürzungen.- E Einleitung.- E.1 Motivation.- E.2 Spread-Spectrum Prinzip.- E.3 Grundstruktur des Spread-Spectrum Systems.- E.4 Modulationsebenen.- E.4.1 Modulation in der Datenebene.- E.4.2 Modulation in der Chipebene.- E.5 Bitfehlerraten konventioneller digitaler Modulationsverfahren.- 1 Korrelationsempfänger.- 1.1 Optimale Empfängerstruktur für Direct-Sequence Signale in AWGN.- 1.1.1 Demodulation mit Korrelator.- 1.1.2 Datenentscheidung.- 1.1.3 Demodulation mit Matched-Filter.- 1.1.4 Eigenschaften des Matched-Filters.- 1.1.5 Darstellung des Matched-Filters im Frequenzbereich.- 1.2 Zusammenfassung.- 2 Signale.- 2.1 Ideales Spread-Spectrum Signal.- 2.2 Reale Spread-Spectrum Signale.- 2.2.1 Direct-Sequence Signal.- 2.2.2 Modellierung des Direct-Sequence Signals als Zufallsproze?.- 2.2.2.1 Auswirkungen der Chipform auf die Korrelation.- 2.2.3 Frequenzsprungsignal.- 2.3 Störsignale.- 2.3.1 Additives Wei?es Gau?sches Rauschen.- 2.3.1.1 Zufallsvariable.- 2.3.1.2 Amplitudendichte.- 2.3.1.3 Amplitudenverteilung.- 2.3.1.4 Erwartungswerte.- 2.3.1.5 Charakteristische Funktion.- 2.3.1.6 Mittlere Leistung.- 2.3.2 Sinussignal.- 2.3.2.1 Zufallsvariable.- 2.3.2.2 Amplitudendichte.- 2.3.2.3 Amplitudenverteilung.- 2.3.2.4 Charakteristische Funktion.- 2.3.2.5 Erwartungswerte.- 2.3.2.6 Mittlere Leistung.- 3 Spread-Spectrum Techniken.- 3.1 Direct-Sequence Spread-Spectrum Übertragung.- 3.1.1 Einteilung der Direct-Sequence Übertragung.- 3.1.2 Bipolare Direct-Sequence Spread-Spectrum Übertragung.- 3.1.3 Orthogonale Direct-Sequence Spread-Spectrum Übertragung.- 3.1.4 Modellierung and Analyse von Direct-Sequence Spread-Spectrum Systemen.- 3.1.5 Darstellung der Synchronisation.- 3.1.6 Leistungsanalyse.- 3.1.6.1 Berechnung der bedingten Bitfehlerrate für unbekannte Störstatistik.- 3.1.6.2 Berechnung der bedingten Bitfehlerrate für Gau?sche Annahme der Störstatistik.- 3.1.6.3 Berechnung der Bitfehlerrate, wenn das Störsignal und das Direct-Sequence Signal als stationäre Zufallsprozesse modelliert warden.- 3.1.6.4 Berechnung der Bitfehlerrate für bekannte Störstatistik.- 3.1.6.5 Sinusstörung.- 3.1.6.6 Permanente AWGN-Störung.- 3.1.6.7 Gepulste Störung.- 3.1.6.8 Langsame nicht frequenzselektive Schwundkanäle.- 3.1.7 Abschlie?ende Bemerkungen zur Berechnung der Bitfehlerrate.- 3.1.8 Schwierige Entdeckbarkeit der Direct-Sequence Übertragung.- 3.1.9 Selbststörung and Mehrwegeunterdrückung.- 3.1.10 Mehrbenutzerstörung.- 3.1.11 Near-Far Problem.- 3.1.12 Hochgenaue Entfernungsbestimmung.- 3.2 Frequenzsprung Spread-Spectrum Übertragung.- 3.2.1 Langsames Frequenzsprungverfahren.- 3.2.2 Schnelles Frequenzsprungverfahren.- 3.2.3 Proze?gewinn.- 3.2.4 Leistungsanalyse.- 3.2.4.1 Teilband AWGN-Störung.- 3.3 Zeitsprung Spread-Spectrum Übertragung.- 3.4 Globale Betrachtung des Proze?gewinns.- 4 Erzeugung und Beurteilung der Spread-Spectrum Impulse.- 4.1 Beurteilungskriterien für binäre Folgen.- 4.1.1 Beurteilung einer einzelnen binären Folge.- 4.1.1.1 Periodische Korrelationsfunktion einer binären Folge.- 4.1.1.2 Aperiodische Korrelationsfunktion.- 4.1.2 Beurteilung einer Familie von binären Folgen.- 4.1.2.1 Korrelation.- 4.2 Folgen maximaler Länge.- 4.3 Zusammengesetzte Folgen.- 4.3.1 JPL-Folgen.- 4.3.2 Gold-Folgen.- 4.4 Kasami-Folgen.- 4.5 Chaotische Folgen.- 5 Theoretische Grundlagen der Spread-Spectrum Codefolgen.- 5.1 Teilbarkeit.- 5.1.1 Gro?ter gemeinsamer Teiler.- 5.1.2 Kleinstes gemeinsames Vielfaches.- 5.2 Primzahlen.- 5.2.1 Anzahl der Primzahlen.- 5.2.2 Auffinden von Primzahlen.- 5.2.2.1 Methode von Eratosthenes von Kyrene.- 5.2.2.2 Das Chinesische Fehlerkriterium.- 5.2.2.3 Primzahlprodukt.- 5.2.2.4 Satz von Dirichlet.- 5.2.2.5 Mersennesche Primzahlen.- 5.2.2.6 Fermatsche Primzahlen.- 5.3 Kongruenzen.- 5.3.1 Restklassen modulo m.- 5.3.2 Eulersche Funktion und prime Restklassen modulo m.- 5.3.2.1 Die Eulersche Funktion.- 5.3.2.2 Prime Restklassen modulo m.- 5.4 Galoissche Theorie endlicher Körper.- 5.4.1 Einführung in die Gruppentheorie.- 5.4.1.1 Endliche Gruppe.- 5.4.1.2 Zyklische Gruppe.- 5.4.1.3 Abelsche Gruppe.- 5.4.1.4 Restklassenkörper Rp modulo p.- 5.4.2 Grundlagen der Theorie des Körpers.- 5.4.3 Restklassenkörper Rp.- 5.5 Galoisscher Körper.- 5.6 Polynome über einem Ring oder einem Körper.- 5.7 Teilbarkeitseigenschaften von Polynomen.- 5.8 Irreduzible Polynome.- 5.9 Kongruenzen im Polynombereich.- 5.9.1 Ganzzahlige Polynome modulo p.- 5.9.2 Irreduzibilität modulo pk.- 5.9.3 Restklassenring modulo h(x) und Restklassenkörper modulo ?E [x].- 5.10 Erweiterter Galoisscher Körper.- 5.10.1 Die multiplikative Gruppe eines Galoisfeldes.- 5.10.2 Die Ordnung von Polynomen and primitive Polynome.- 5.11 Galoisfolgen.- 5.11.1 Differenzmengenfolgen.- 5.11.2 Legendre-Folgen.- 5.11.3 Pseudozufallsfolgen.- 5.11.3.1 Erzeugung von Pseudozufallsfolgen mit Schieberegistergeneratoren.- 5.11.3.1.1 Struktur von Schieberegistergeneratoren.- 5.11.3.1.2 Notwendige Bedingungen für maximale Periode.- 5.11.3.2 Einführung der D-Transformierten.- 5.11.3.3 Erzeugung spezieller Phasenverschiebungen von m-Folgen.- 5.11.3.4 Eigenschaften von binaren m-Folgen.- 5.11.3.4.1 E0: Folgenlänge einer binären m-Folge.- 5.11.3.4.2 E1: Balance der Folgenelemente einer biäaren m-Folge.- 5.11.3.4.3 E2: Zyklische Verschiebung von binären m-Folgen.- 5.11.3.4.4 E3: Verschiebe- und Additionseigenschaft einer m-Folge.- 5.11.3.4.5 E4: Runbalance einer m-Folge.- 5.11.3.4.6 E5: Die PAKF von binären bipolaren m-Folgen.- 5.11.4 Eigenschaften von p-nären m-Folgen.- 5.11.4.1 Folgenlänge einer p-nären m-Folge.- 5.11.4.2 Balance der Folgenelemente einer p-nären m-Folge.- 5.11.4.3 Zyklische Verschiebung von p-nären m-Folgen.- 5.11.4.4 Verschiebe- and Additionseigenschaft einer p-nären m-Folge.- 5.11.4.5 Runbalance einer p-nären m-Folge.- 5.11.4.6 Die PAKF von p-nären m-Folgen.- 5.11.5 Abbildungen p-närer m-Folgen in Folgen mit zweiwertiger PAKF.- 5.11.5.1 Dreiwertige, perfekte Folgen.- 5.11.5.2 Inköharente Binärfolgen.- 5.11.5.3 Ipatov-Folgen.- 5.11.6 m-Folgen in erweiterten Galoisfeldern GF (pm).- 5.12 Folgen mit guten PAKF-Eigenschaften.- 5.12.1 Binärfolgen mit guter PAKF.- 5.12.1.1 Perfekte PAKF — Barker-Folgen.- 5.12.1.2 Quasi Perfekte PAKF — m-Folgen.- 5.12.1.3 Folgen mit zweiwertiger PAKF.- 5.12.1.4 Folgen mit dreiwertiger PAKF und gutem Merit-Faktor.- 5.12.2 Perfekte Binär- und Ternärfolgen hoher Energieeffizienz.- 5.12.2.1 Asymmetrische Binärfolgen.- 5.12.2.2 Ternärfolgen.- 5.12.2.3 Perfekte Produktfolgen.- 5.13 Komplexwertige Korrelationsfolgen.- 5.13.1 Uniforme p-phasige m-Folgen mit zweiwertiger PAKF.- 5.14 Familien periodischer Korrelationsfolgen.- 5.14.1 Perfekte Familien.- 5.14.2 Schranken der Korrelationsgüte.- 5.14.3 Familien binärer m-Folgen.- 5.14.3.1 Kreuzkorrelationseigenschaften binärer m-Folgen.- 5.14.3.2 Carter Theorem und Gold-Folgen Familien.- 5.14.3.3 Familien von Kasami-Folgen.- 6 Spread-Spectrum Synchronisation.- 6.1 Grobsynchronisation.- 6.1.1 Paralleles Suchverfahren.- 6.1.2 Serielle Suchverfahren.- 6.2 Serielles Suchen in gerader Linie.- 6.3 RASE — Rapid Acquisition by Sequential Estimation.- 6.4 Feinsynchronisation.- 6.4.1 Nichtkohärente Delay Locked Loop.- 6.4.2 Tau-Dither Loop.- 6.4.3 Synchronisation mit Matched-Filter.- 7 Entwurf von Spread-Spectrum Verbindungen.- 7.1 Direct-Sequence Spread-Spectrum Übertragung.- 8 Spread-Spectrum Codemultiplex.- 8.1 Modell der DS/CDMA-Übertragung im Gau?kanal.- 8.1.1 Leistungsanalyse eines DS/CDMA-Netzes (Einfaches Modell).- 8.1.2 Leistungsanalyse eines DS/CDMA-Netzes (Verbessertes Modell).- 8.1.3 Statistische Beschreibung der Mehrbenutzerstörung.- 8.2 Einfache Kapazitätsberechnung.- 8.3 Mehrwegeschwundkanal.- 8.3.1 2-Wege Rice/Rayleigh Modell.- 8.3.2 CDMA-Rice Modell.- 8.4 Bitfehlerrate im Rice- Schwundkanal.- 8.4.1 Bekämpfung der Mehrwege.- 8.5 RAKE-Empfänger.- 8.5.1 Punkt-zu-Punkt Verbindung.- 8.5.2 CDMA-Netz.- 8.6 Einzelliger DS/CDMA-Mobilfunk.- 8.6.1 Mehrwegeschwundmodell — WSSUS.- 8.6.2 Abschattung.- 8.6.3 Pfaddämpfung.- 8.6.4 Pfaddämpfung bei gleichverteilten mobilen Teilnehmern.- 8.6.5 Uplink.- 8.6.5.1 MWU-Empfänger ohne Leistungsregelung.- 8.6.5.2 MWU-Empfänger mit idealer Leistungsregelung.- 8.6.5.3 RAKE-Empfänger mit idealer Leistungsregelung und PSD-Mehrwegezusammenführung.- 8.6.5.4 RAKE-Empfänger mit idealer Leistungsregelung und PEG-Mehrwegezusammenführung.- 8.6.5.5 Fehlerkorrekturcodierung.- 8.6.6 Downlink.- 8.6.6.1 RAKE-Empfänger mit PSD-Mehrwege-zusammenführung.- 8.6.6.2 MWU-Empfänger.- 8.7 Kombination von TDMA and CDMA zum CTDMA.- 8.8 Überlagerung eines CDMA-Netzes über ein bestehendes FDMA-Netz.- 8.9 Kapazitätsvergleich zellularer Mehrbenutzersysteme.- 8.10 Erganzungen zum CDMA-Konzept.- 8.11 Verwendete Symbole.- 9 Global Positioning System.- 9.1 Historische Entwicklung und Vorgänger.- 9.2 Überblick über das GPS-System.- 9.2.1 Raumsegment.- 9.2.2 Benutzersegment.- 9.2.3 Kontrollsegment.- 9.2.4 Genauigkeit.- 9.2.5 Beobachtungsprinzip.- 9.2.5.1 Ideale Positionsbestimmung.- 9.2.5.2 Reale Positionsbestimmung.- 9.2.5.3 Laufzeitmessung.- 9.3 Signalstruktur.- 9.3.1 C/A-Code.- 9.3.2 P-Code.- 9.4 Navigationsdaten.- 9.4.1 Datenformat.- 9.4.1.1 Berechnung der GPS-Systemzeit.- 9.4.1.2 Prüfbits in den Navigationsdaten.- 9.4.1.3 Umstieg vom C/A-Code auf den P-Code.- 9.5 Neuartiger digitaler GPS-Empfänger für C/A-Signale.- 9.5.1 Unsicherheitsebene.- 9.5.2 Grobsynchronisation.- 9.5.3 Feinsynchronisation.- 9.6 Auswertealgorithmen zur Bestimmung der Navigationslösung.- 9.7 Symbole.- 10 Spread-Spectrum Übertragung über die Netzleitung.- 10.1 Übertragungskanal — Installationsleitung.- 10.1.1 Das Energieverteilungssystem and die PLC-Übertragung.- 10.1.2 Leiterwahl.- 10.1.3 Leitungsimpedanz.- 10.1.4 Dämpfung.- 10.1.5 Frequenz and Bandbreite.- 10.1.6 Störungen.- 10.2 Spektrale Kanalanpassung.- 10.3 Asynchrones digitales Übertragungskonzept.- 10.3.1 Effekte bei der Chipabtastung.- 10.4 Bitfehlerwahrscheinlichkeit.- 10.4.1 Asynchrones Digitales Matched Filter mit Schwellwertentscheidung.- 10.5 Messungen.- 11 Digitale Direct-Sequence Empfänger.- 11.1 Motivation.- 11.2 Evolution der digitalen Direct-Sequence Empfänger geringer Komplexität.- 11.3 Klassische digitale Direct-Sequence Empfänger.- 11.4 Struktur der untersuchten digitalen Direct-Sequence Empfänger.- 11.5 Signal vor der Nichtlinearität.- 11.5.1 Statistik der kombinierten Störung.- 11.5.2 Statistik für ein positives Chip.- 11.6 Stationäre Leistungsanalyse.- 11.6.1 Gau?sches Modell.- 11.6.2 Verbund-Modell.- 11.6.2.1 Amplitudenstatistik des Ausgangssignals des digitalen 1-Bit Korrelators.- 11.6.2.2 Symmetrische Amplitudenstörung ohne Datenübertragung.- 11.6.2.3 Bitfehlerrate des HL-Empfängers im AWGN-Kanal.- 12 LCD-Empfänger.- 12.1 Stationäre Analyse des adaptiven 2-Bit Analog/Digital Wandlers.- 12.1.1 Arbeitsweise in reiner CW-Störung.- 12.1.2 Konversionsgewinn.- 12.2 Empfänger mit robuster integrierter Störungsreduktion.- 12.2.1 Theoretischer Konversionsgewinn.- 12.2.2 Bestimmung der RIR-Parameter aus den theoretischen Ergebnissen.- 12.2.3 Festwertregelung mit robusten Parametern.- 12.2.4 Theoretische Leistungsanalyse des RIR-Empfängers mit Hilfe des stationären Modells.- 12.3 Empfänger mit adaptiver integrierter Störungsreduktion.- 12.3.1 Störungsreduktionsmechanismus des AIR-Empfängers.- 12.3.2 Theoretischer Konversionsgewinn.- 12.3.3 Adaptive Schwellenregelung.- 12.3.3.1 Stationäre Modelle der adaptiven Schwellenregelung.- 12.3.4 Synchronisationsverhalten der Schwellenregelung.- 12.3.5 Gewichtung: AIR-Empfänger.- 12.3.6 Spread-Spectrum Synchronisation des AIR-Empfängers.- 12.4 Leistungsanalyse der LCD-Empfänger.- 12.4.1 Vergleich zwischen Theorie and Simulation.- 12.4.2 Realitätsnahe Simulationen.- 12.5 Zusammenfassung.- A Signale.- B Mathematische Funktionen und Reihen.- C Spezielle mathematische Funktionen.- D Statistiken.- E Simulationstechniken und Nichtlinearitäten.- Literatur.