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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die digitale Kommunikation
und insbesondere auf das Erfassen des Vorhandenseins eines Pakets
in einem Kommunikationskanal durch das Korrelieren der Abtastwerte
des Kommunikationskanals.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Empfänger für digitale
Kommunikationssysteme überprüfen regelmäßig den
Zustand eines Kommunikationskanals, um das Vorhandensein eines Pakets
in dem Kanal zu erfassen. Falls die Empfänger nicht häufig genug
prüfen,
können
sie den Anfang eines Pakets verpassen. Dies ist wichtig, weil die
Steuerinformationen oft am Anfang eines Pakets gesendet werden.
Wenn jedoch der Empfänger
den Kanal zu oft prüft,
werden bei der Erfassung eines Pakets unnötigerweise Leistung und Verarbeitungszeit
aufgewendet. Die Leistungsaufnahme ist eine wesentliche Betrachtung
sowohl für
netzbetriebene als auch batteriebetriebene Vorrichtungen, weil die Leistungsaufnahme
eine direkte Beziehung zur Größe der Leistungsversorgung
und/oder der Lebensdauer der Batterie besitzt.
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Eine
im Allgemeinen verwendete Technik zum Erfassen des Vorhandenseins
eines Pakets in einem Kommunikationsmedium umfasst das Abtasten
des Kommunikationskanals mit einer Abtastrate, die gleich der durch
den Empfänger
für die
nachfolgende Verarbeitung verwendeten Abtastrate ist. Mit anderen
Worten, das Abtasten des Kommunikationskanals, während versucht wird, das Vorhandensein eines
Pakets zu erfassen, erfolgt mit der gleichen Rate wie das Abtasten
des Kommunikationskanals, während
ein Paket empfangen wird. Die Verwendung der gleichen Abtastrate
vereinfacht die Systemkonstruktion und erfordert keine programmierbaren
Kanalabtastvorrichtungen. Das Abtasten des Kommunikationskanals
erzeugt eine Folge von digitalen Abtastwerten, wobei jeder Abtastwert
einer Momentaufnahme des Kommunikationskanals für einen Zeitpunkt entspricht.
Die Folge von Abtastwerten kann dann entweder mit einer bekannten
Folge, die in einem Speicher des Empfängers gespeichert ist, oder mit
sich selbst korreliert werden, um das Vorhandensein eines Pakets
zu erfassen. Das Korre lieren der Folge von Abtastwerten mit sich
selbst ist möglich,
falls der Anfang eines Pakets ein periodisches Signal enthält, weil
die Folge von Abtastwerten, wenn der Kommunikationskanal unbelegt
ist, zufällig
ist und kein Muster anzeigt, während,
wenn in dem Kanal ein Paket vorhanden ist, die Abtastwerte ein Muster
enthalten. Das Vorhandensein eines Musters in den Abtastwerten kann
verwendet werden, um das Vorhandensein eines Pakets zu erfassen.
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Viele
Empfänger
arbeiten mit einer Abtastrate, die größer als die minimale Abtastrate
ist, die erforderlich ist, um die gesendeten Daten genau wiederzugewinnen.
Die minimale erforderliche Abtastfrequenz ist das Doppelte der Frequenz
der Komponente mit der höchsten
Frequenz. Dieses Minimum ist als die Nyquist-Frequenz bekannt, wobei sie den Durchschnittsfachleuten
auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung wohlbekannt ist. Viele
Empfänger arbeiten
jedoch bei einer höheren
Abtastrate als der Nyquist-Frequenz. Indem diese Empfänger bei
höheren
Abtastraten arbeiten, können
sie das Rauschen vom gewünschten
Signal (das in einem interessierenden Frequenzband übertragen
wird) leichter trennen, was es leichter macht, das gewünschte Signal aus
dem Rauschen herauszufiltern, das sich in den Abschnitten des Kommunikationskanals
außerhalb des
interessierenden Frequenzbands befindet.
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Das
Arbeiten bei einer Abtastrate, die höher als notwendig ist, führt jedoch
zu einer größeren Leistungsaufnahme
und folglich zu einer entsprechend größeren Leistungsversorgung oder
einer entsprechend kürzeren
Lebensdauer der Batterie. Außerdem
ist nachgewiesen worden, dass das Arbeiten bei einer höheren Abtastrate,
während
versucht wird, das Vorhandensein eines Pakets in einem anderweitig
unbelegten Kommunikationsmedium zu erfassen, den Paketerfassungsmechanismus
tatsächlich
verschlechtert. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Abtasten bei
höheren
Abtastraten außerdem
irgendwelches Rauschen bei jenen Frequenzen, die sich außerhalb
des interessierenden Frequenzbandes befinden, in das System einführt und oft
das zum Erfassen des Vorhandenseins eines Pakets verwendete Muster
maskiert.
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Es
hat sich deshalb ein Bedarf an einem Verfahren ergeben, das die
Leistungsaufnahme minimiert und gleichzeitig die schnelle und genaue
Erfassung eines Pakets in einem Kommunikationskanal erlaubt und
das einen minimalen Betrag überflüssigen Rauschens
in das System einführt.
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US-A-5727032 beschreibt
ein digitales Signalübertragungssystem,
in dem ein Empfänger
ein Signal empfängt,
worin die Signalbandbreite des Systems die Systemsymbolrate übersteigt.
Eine Korrelations- und Abtastschaltung empfängt ein Basisbandsignal, tastet
das Signal achtmal pro Symbolzeit ab, korreliert, erzeugt einen
Kanalschätzwert
und führt
die Unterabtastung des abgetasteten Signals aus, um ein beobachtetes
Signal zu bilden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und
einen Empfänger
zum Erfassen des Vorhandenseins eines Pakets, das in einem Kommunikationskanal übertragen
wird, gemäß den Ansprüchen 1 bzw.
7.
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Es
gibt viele Vorteile der vorliegenden Erfindung. Eine bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erlaubt einem Empfänger eines Kommunikationssystems,
die Leistungsaufnahme zu verringern und folglich die Größe der erforderlichen Leistungsversorgungen
zu verringern und/oder die Lebensdauer der Batterie zu vergrößern.
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Außerdem verringert
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung das Einführen
des Betrags des Rauschens, der außerhalb des interessierenden
Frequenzbandes liegt, in die Abtastwerte und verringert dadurch
die Möglichkeit
des fehlerhaften Erfassens eines Pakets, wenn keines vorhanden ist, oder
verringert dadurch die Möglichkeit
der Nichterfassung eines Pakets, wenn eines vorhanden ist.
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Außerdem unterstützt eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine veränderliche Abtastrate, die es
dem Empfänger
ermöglicht,
sowohl die Erfassung eines Pakets zu verbessern als auch den Empfang
des tatsächlichen
Datenpakets zu verbessern und gleichzeitig die Leistungsaufnahme
zu verringern.
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In
einem zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung einen Empfänger für ein Kommunikationssystem.
Der Empfänger
umfasst: einen Signaldetektor, der eine Schaltungsanordnung enthält, um auf
einem Kommunikationskanal gesendete Signale zu erfassen; eine Abtasteinrichtung,
die an den Signaldetektor angeschlossen ist und eine Schaltungsanordnung
enthält,
um die auf dem Kommunikationskanal durch den Signaldetektor erfassten
Signale mit einer veränder lichen
Abtastrate abzutasten und um eine Folge von Abtastwerten zu erzeugen, wobei
die Abtasteinrichtung den Kommunikationskanal mit einer ersten Abtastrate
abtastet, wenn versucht wird, ein Paket zu erfassen, und mit einer
zweiten Abtastrate abtastet, wenn ein Paket erfasst worden ist;
eine Korrelationseinrichtung, die an die Abtasteinrichtung angeschlossen
ist und eine Schaltungsanordnung enthält, um Abtastwerte in der Folge von
Abtastwerten zu vergleichen und um auf der Grundlage des Vergleichs
einen Korrelationswert zu erzeugen; und einen Prozessor, der an
die Korrelationseinrichtung und an die Abtasteinrichtung angeschlossen
ist und eine Schaltungsanordnung enthält, um das Vorhandensein eines
Pakets auf der Grundlage von durch die Korrelationseinrichtung erzeugten Ergebnissen
zu erfassen und Daten, die in einem auf dem Kommunikationskanal
gesendeten Paket enthalten sind, zu decodieren und zu verarbeiten
und um die Abtastrate der Abtasteinrichtung zu steuern. Außerdem umfasst
die Abtasteinrichtung einen Signalspeicher, der an den Signaldetektor
angeschlossen ist und eine Schaltungsanordnung enthält, um einen
Signalwert an einem ersten Eingang aufzufangen und um an einem Ausgang
einen Abtastwert zu erzeugen, der dem aufgefangenen Signalwert entspricht,
und einen Abtasttaktgeber, der an den Signalspeicher und an den
Prozessor angeschlossen ist und eine Schaltungsanordnung enthält, um die
Abtastrate der Abtasteinrichtung auf der Grundlage von Steuerinformationen
von dem Prozessor zu steuern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der Betrachtung
der folgenden Beschreibungen im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung
deutlicher verstanden, worin:
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1 eine
typische Konfiguration für
ein drahtloses Kommunikationsnetz veranschaulicht;
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2a eine
typische Ansicht im Zeitbereich der Inhalte eines Kommunikationskanals
veranschaulicht, wenn er unbelegt ist und wenn er belegt ist;
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2b eine
abgetastete Version der Inhalte des in 2a gezeigten
Kommunikationskanals veranschaulicht;
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3 eine
Korrelationsstruktur für
die Verwendung bei der Autokorrelation von Abtastwertfolgen gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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4 einen
Paketerfassungs- und -verarbeitungsalgorithmus gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5 einen
Paketerfassungsalgorithmus gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausführlicher
veranschaulicht;
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6 einen
Empfangsweg für
einen Empfänger
eines Kommunikationssystems gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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7 eine
Abtasteinrichtung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausführlicher
veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Herstellung und die Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen
werden im Folgenden ausführlich
erörtert.
Es sollte jedoch klar sein, dass die vorliegende Erfindung viele
anwendbare Erfindungskonzepte schafft, die in einer ausgedehnten Vielfalt
spezifischer Zusammenhänge
verkörpert
sein können.
Die erörterten
spezifischen Ausführungsformen
veranschaulichen lediglich spezifische Arten der Herstellung und
der Verwendung der Erfindung und schränken den Umfang der Erfindung
nicht ein.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Erfassen des Vorhandenseins eines Pakets in einem Kommunikationskanal,
das die Leistungsverwendung durch die Verwendung einer Abtastrate
einspart, die niedriger als die übliche
Abtastrate ist, die durch einen Empfänger verwendet wird, während er
ein Paket decodiert und verarbeitet. Während die vorliegende Implementierung
die Verwendung der Erfindung beim Erfassen von Paketen für ein spezifisches
drahtloses Kommunikationssystem umfasst, nämlich das drahtlose lokale IEEE-802.11a-Netz,
besitzen die durch die vorliegende Erfindung vorgelegten Ideen Anwendung
in anderen Netztypen, einschließlich
verdrahteter Netze. Deshalb sollte die vorliegende Er findung nicht
so ausgelegt werden, dass sie allein auf die Erfassung von Paketen
in einem digitalen Datenstrom für
drahtlose IEEE-802.11a-Netze eingeschränkt ist. Beispiele anderer
Netze, in denen die vorliegende Erfindung Anwendbarkeit besitzen
kann, enthalten Hiperlan-Netze, Ethernet-Netze, HomeRF-Arbeitsgruppennetze
usw. Im Allgemeinen besitzt die vorliegende Erfindung Anwendung
in Netzen, in denen die Pakete nicht zu spezifizieren Zeitpunkten
ankommen.
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Nun
wird auf 1 Bezug genommen, eine graphische
Darstellung (Stand der Technik) einer Installation eines typischen
drahtlosen lokalen Netzes (LAN) gemäß dem technischen IEEE-802.11-Standard, "ANSI/IEEE Std 802.11,
1999 Edition; Information technology – Telecommunications and information
exchange between systems – Local
and metropolitan area networks – Specific
requirements. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC)
and Physical Layer (PHY) Specifications", und einer Ergänzung zum technischen IEEE-802.11-Standard, "IEEE Std 802.11a-1999,
Supplement to IEEE Standard for Information technology – Telecommunications
and information exchange between systems – Local and metropolitan area
networks – Specific
requirements – Part
11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer
(PHY) specifications: Highspeed Physical Layer in the 5 GHz Band". 1 stellt
eine Veranschaulichung der grundlegenden Systembausteine eines IEEE-802.11-Netzes
bereit.
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1 zeigt
eine erste Basisdienstmenge (BSS) 110 und eine zweite BSS 120.
Eine BSS ist der grundlegende Systembaustein eines IEEE-802.11-Netzes
und kann als ein Abdeckungsbereich betrachtet werden, in dem die
Mitgliedsstationen an direkten Kommunikationen teilnehmen können. Eine
BSS wird durch einen Zugangspunkt (AP) begonnen, gebildet und aufrechterhalten.
Die BSS 110 entspricht dem AP 130, während die
BSS 120 dem AP 140 entspricht. Ein AP ist eine
Station, die mit einem Verteilungssystem (DS) 150 verbunden
ist. Ein DS erlaubt mehreren BSSs, miteinander eine Verbindung herzustellen
und eine erweiterte Dienstmenge zu bilden. Das in einem DS verwendete
Medium kann das gleiche Medium wie das sein, das in den BSSs verwendet
wird, oder es kann ein anderes Medium sein, z. B. kann das in den
BSSs verwendete Medium eine drahtlose Hochfrequenz (HF) sein, während ein
DS Faseroptik verwenden kann. Innerhalb der BSS 110 befinden
sich ein AP 130 und eine drahtlose Station (STA) 170,
während
sich innerhalb der BSS 120 ein AP 140 und eine
STA 180 befinden. Eine BSS kann mehr als zwei Stationen
enthalten (ein Maximum von etwa 20 Stationen pro BSS ist z. B. heutzutage üblich),
sie besitzt aber einen AP.
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Der
Begriff Medium wird oft verwendet, um einen Kommunikationskanal
in einem drahtlosen Netz zu bezeichnen, während Kanal öfter verwendet wird,
um einen Kommunikationskanal in einem verdrahteten Netz zu bezeichnen.
Die Begriffe werden jedoch oft austauschbar verwendet. In dieser
Erörterung
beziehen sich die Begriffe Medium und Kanal auf einen Kommunikationskanal,
der durch ein Kommunikationssystem verwendet wird, sei es verdrahtet oder
drahtlos.
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Selbst
in einem im hohen Grade belasteten Netz können die tatsächlichen
Paketübertragungen nur
einen relativ kleinen Prozentsatz der verfügbaren Gesamtübertragungszeit
repräsentieren.
Wenn im Kommunikationskanal kein Paket übertragen wird, befindet sich
der Kommunikationskanal in einem unbelegten Zustand, wobei der unbelegte
Kommunikationskanal einen Zustand überträgt, über den vereinbart ist, dass
er den unbelegten Zustand repräsentiert.
Ein unbelegter Kommunikationskanal kann z. B. ruhig sein oder er
kann eine Trägerfrequenz
ohne irgendeine Modulation übertragen.
Wenn ein Paket im Kommunikationskanal übertragen wird, überträgt der Kommunikationskanal
nicht länger
einen Zustand, der gleich dem unbelegten Zustand ist.
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In 2a veranschaulicht
ein Signaldiagramm 210 eine beispielhafte Menge von Signalen, die
in einem Kommunikationskanal übertragen
werden, als eine Funktion der Zeit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Signaldiagramm 210 zeigt,
was im Kommunikationskanal übertragen
wird. Für
einen signifikanten Prozentsatz der angezeigten Zeit ist der Kommunikationskanal
unbelegt, was durch die geraden und flachen Linien (die Intervalle 212 und 213)
angezeigt ist. Ein weiteres Intervall 214 zeigt ein Paket,
das im Kommunikationskanal übertragen
wird. Das Signaldiagramm 210 ist für die Verwendung beim Veranschaulichen
des Unterschieds zwischen einem unbelegten und einem belegten Kommunikationskanal
für eine
beispielhafte Menge von Signalen vorgesehen, wobei es nicht dafür vorgesehen
ist, genau darzustellen, wie die tatsächlichen Signale des Kommunikationskanals
aussehen können,
wenn er für
irgendein spezifisches Kommunikationssystem unbelegt oder belegt
ist.
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Eine
im Allgemeinen verwendete Technik, um das Vorhandensein eines Pakets
in einem Kommunikationsmedium zu erfassen, umfasst das periodische
Abtasten des Kommunikationskanals und dann das Korrelieren der Abtastwerte
entweder mit einer bekannten Folge oder mit sich selbst. Die Korrelation
der Abtastwerte mit der bekannten Folge oder mit sich selbst wird
verwendet, um das Vorhandensein des Pakets zu erfassen.
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In 2b veranschaulicht
eine graphische Darstellung 250 eine Folge von Abtastwerten
eines Kommunikationskanals gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 2b zeigt
eine Folge von Abtastwerten, die das Abtasten des in 2a gezeigten
Signals repräsentieren
könnte.
Die Folge von Abtastwerten kann erzeugt werden, indem der Wert im
Kommunikationskanal periodisch in einem Signalspeicher gespeichert wird
und dann ein einzelner Impuls mit einer Größe erzeugt wird, die gleich
dem im Signalspeicher gespeicherten Wert ist. Ein Impuls wird jedesmal
erzeugt, wenn der Wert des Kommunikationskanals im Signalspeicher
gespeichert wird. Dies wird jedesmal, wenn der Kanal abgetastet
wird, wiederholt, wobei eine Folge von Abtastwerten erzeugt wird.
Die Periode zwischen den Abtastwerten kann in Abhängigkeit von
den Bandbreiteneigenschaften des Signals, das in dem Kommunikationskanal übertragen
wird, und der gewünschten
Abtastrate geändert
werden. Die Abtastrate sollte größer als
oder gleich dem Doppelten der maximalen Frequenz des Signals sein,
dessen Empfang vom Kommunikationskanal gewünscht wird, damit die Abtastwerte
die Daten im Kanal genau repräsentieren.
Dies ist als die Nyquist-Frequenz bekannt, wobei sie den Durchschnittsfachleuten
auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung wohlbekannt ist.
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Das
Abtasten des Kommunikationskanals kann mit einem variierenden Grad
der Genauigkeit ausgeführt
werden. Ein einzelner Abtastwert kann z. B. ein einfaches Abtasten
eines positiven oder negativen Signalwerts im Kommunikationskanal
sein, was einen positiven oder negativen Abtastwert entsprechend
dem Vorzeichen des Signalwerts im Kommunikationskanal erzeugt. Eine
genauere Abtastoperation würde
den Wert des Signals im Kommunikationskanal mit einem n-Bit-Abtastwert
genau repräsentieren,
wobei n die Anzahl der pro Abtastwert verwendeten Bits ist. Große Werte
von n würden
zu einem Abtastwert führen,
der den tatsächlichen
Wert des Signals im Kommunikationskanal genauer repräsentiert. Große Werte
von n würden
jedoch eine Folge von Abtastwerten mit großen Speicher- und Verarbeitungsanforderungen
erzeugen und würden
außerdem
mehr Leistung erfordern.
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Wenn
die Abtastrate größer als
die erforderliche Frequenz, die Nyquist-Frequenz, ist, dann wird gesagt,
dass das System das Signal überabtastet. Das Überabtasten
ist eine Signalverarbeitungstechnik, die im Allgemeinen verwendet
wird, um die Gesamtleistung des Kommunikationssystems zu verbessern.
Wenn das System den Signalstrom mit einer Frequenz abtasten würde, die
größer als
die Nyquist-Frequenz ist, dann würde
das System auf Grund der durch das Überabtasten gewährten größeren Trennung
von Signal und Rauschen besser arbeiten. Das Überabtasten und seine Vorteile
sind durch die Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet der vorliegenden
Erfindung gut verstanden.
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Das Überabtasten
besitzt jedoch ebenso einen signifikanten Nachteil. Um einen Signalstrom überabzutasten,
müssen
die Komponenten des Kommunikationssystems bei einer höheren Frequenz
arbeiten. Das Arbeiten bei höheren
Frequenzen erfordert jedoch Komponenten mit einer höheren Qualität und verbraucht
mehr Leistung. Außerdem erzeugt
das Überabtasten
im digitalen Bereich mehr Abtastwerte, die wiederum eine größere Verarbeitungsleistung
erfordern, um die Abtastwerte genau und völlig zu verarbeiten.
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Es
wird angegeben, dass die tatsächliche Abtastrate
des Kommunikationssystems von der Verarbeitungsrate des Kommunikationssystems
verschieden sein kann und oft verschieden ist. Die Verarbeitungsrate
kann als eine innere Rate des Kommunikationssystems betrachtet werden,
mit der es die empfangenen Daten verarbeitet. Die Abtastrate ist,
wie oben erörtert
worden ist, die Rate, mit der das empfangene analoge Signal abgetastet
und in eine digitale Folge umgesetzt wird. Die Abtastrate eines Kommunikationssystems
kann leicht geändert
und kompensiert werden, die Verarbeitungsrate wird aber normalerweise
konstant gehalten. Deshalb ist in vielen Kommunikationssystemen
die Abtastrate von der Verarbeitungsrate verschieden.
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Das
Abtasten des Kommunikationskanals erzeugt die Folge von Abtastwerten.
Dann wird das Korrelieren der Folge von Abtastwerten verwendet, um
das Vorhandensein eines Pakets zu erfassen, wenn ein Paket vorhanden
ist. Wie vorher erörtert worden
ist, umfasst die Korrelation den Vergleich der Abtastwerte von zwei
(oder mehr) Folgen oder einer Folge mit sich selbst. Der Vergleich
um fasst typischerweise das Vergleichen von Paaren von Abtastwerten,
einen aus jeder Folge. Wenn zwei Abtastwerte übereinstimmen, führt die
Korrelation typischerweise zu einem Eins-Wert, während, wenn die Abtastwerte
nicht übereinstimmen,
die Korrelation zu einem Null-Wert führt. Im allgemeinen Fall kann
die Korrelation ausgeführt
werden, indem ein Abtastwert mit dem komplex Konjugierten des anderen
multipliziert wird und dieses Ergebnis verwendet wird, um das Ausmaß anzugeben,
in dem die zwei Abtastwerte gleich sind. Wenn die zwei Abtastwerte
genau gleich sind, dann würde
das Ergebnis eine Zahl ohne Imaginärteil sein. Normalerweise wird
mit verschiedenen Paaren von Abtastwerten mehr als eine Korrelation
ausgeführt,
wobei die einzelnen Korrelationsergebnisse in einen einzigen Korrelationswert
kombiniert werden.
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Das
Korrelieren einer Folge mit sich selbst ist nützlich, um das Auftreten einer Änderung
der Eigenschaften der Folge zu erfassen. Wenn z. B. die Folge einen
vorher unbelegten Kommunikationskanal repräsentiert, der sich in einen
belegten Kanal ändert, gibt
es typischerweise eine Änderung
der Werte der Abtastwerte in der Folge. Die Autokorrelation ist
eine im Allgemeinen verwendete Technik, um derartige Änderungen
zu erfassen. Das Korrelieren einer Folge mit sich selbst umfasst
das Korrelieren eines Abtastwerts, der zuletzt erzeugt worden ist,
mit Abtastwerten, die vorher erzeugt worden sind.
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In 3 veranschaulicht
eine graphische Darstellung eine Korrelationsstruktur 300 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Korrelationsstruktur 300 wird
verwendet, um eine Folge mit Abschnitten von sich selbst zu korrelieren.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die durch die Korrelationsstruktur 300 ausgeführte Korrelation
von der Genauigkeit der Abtastwerte abhängig. Wenn die Abtastwerte
einfache Vorzeichen-Abtastwerte (entweder positiv oder negativ)
sind, dann ist die Korrelation ein einfacher Vergleich. Wenn die
Abtastwerte n-Bit-Abtastwerte sind, dann ist die Korrelation notwendigerweise
komplexer.
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Typischerweise
wird ein Abtastwert aus einem Teil der Folge mit den Abtastwerten
aus einem weiteren Teil der Folge korreliert. Die Korrelationsstruktur 300 besitzt
mehrere Korrelationseinrichtungen. Die Korrelationseinrichtungen
sind als umgekehrte U-förmige
Linien (z. B. die Korrelationseinrichtungen 310 und 311)
gezeigt. Die Folge wird in einem Speicher 315 gespeichert.
Gemäß einer
bevor zugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Speicher in einer First-in/First-out-Konfiguration
angeordnet, wobei er ausreichend Speicher enthält, um eine ausreichende Menge
der Folge zu enthalten, um die Korrelationen auszuführen. Der
Speicher 315 ist logisch in mehrere Blöcke (z. B. die Blöcke 316, 317 und 318)
partitioniert. Jeder Block kann einen einzigen Abtastwert aus der
Folge oder eine Gruppe von Abtastwerten aus der Folge enthalten.
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Eine
Korrelationsoperation, wie sie die durch die Korrelationseinrichtung 310 repräsentiert
wird, arbeitet wie folgt. Ein Abtastwert, der sich im Speicherblock 316 befindet,
wird mit einem weiteren Abtastwert im Speicherblock 317 verglichen.
Wenn ein Speicherblock mehr als einen Abtastwert enthält, dann
ist es bevorzugt, dass die relative Position des Abtastwerts im
Speicherblock 316 die gleiche wie die relative Position
des Abtastwerts im Speicherblock 317 ist. Wenn z. B. jeder
Speicherblock 10 Abtastwerte enthält und wenn die Korrelationseinrichtung 310 den
vierten Abtastwert im Speicherblock 316 vergleicht, dann
ist es bevorzugt, dass der Vergleich mit dem vierten Abtastwert
im Speicherblock 317 ausgeführt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird die Größe der Speicherblöcke entsprechend
einer erwarteten Periode der Folge festgelegt. Deshalb vergleicht
die Korrelation durch das Vergleichen der Abtastwerte in den gleichen
relativen Positionen einen Abtastwert in einer Periode der Folge
mit einem weiteren Abtastwert, von dem erwartet wird, dass er sich
in der gleichen Position in einer weiteren Periode der Folge befindet. Wenn
die Folge wirklich mit einer Periode, die gleich der Größe eines
Speicherblocks ist, periodisch ist, dann vergleicht die Korrelation
im Idealfall einen Abtastwert mit sich selbst (aus einer anderen
Periode).
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Wenn
die zwei Abtastwerte die gleichen sind (oder innerhalb irgendeines
erlaubten Unterschieds voneinander liegen), dann wird bestimmt,
dass die zwei Abtastwerte die gleichen sind, wobei ein Korrelationsergebnis
auf Eins gesetzt wird. Wenn die zwei Abtastwerte nicht die gleichen
sind (oder der Unterschied zwischen den beiden größer als
irgendein erlaubter Unterschied ist), dann wird bestimmt, dass die
zwei Abtastwerte nicht die gleichen sind, wobei das Korrelationsergebnis
auf null gesetzt wird. Nachdem jede der Korrelationseinrichtungen
ihre Vergleiche abgeschlossen hat, werden die einzelnen Korrelationsergebnisse in
einer Summenbildungseinheit 325 summiert. Die Korrelationsergebnisse
werden über
eine Verbindung 320 der Summenbildungseinheit 325 bereitgestellt.
Die Summenbildungseinheit 325 summiert die einzelnen Korrelationsergebnisse und
erzeugt einen Korrelationswert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung vergleicht jede Korrelationseinrichtung in
der Korrelationsstruktur 300 einen einzigen Referenzabtastwert
(normalerweise den zuletzt erzeugten Abtastwert) mit anderen Abtastwerten in
der Folge. Ein Vorteil des Vergleichens eines einzigen Referenzabtastwerts
mit mehreren anderen Abtastwerten besteht darin, dass, wenn der
einzige Referenzabtastwert von den mehreren anderen Abtastwerten
verschieden ist, dann sein Unterschied zu einer unmittelbaren und
drastischen Änderung
des Korrelationswerts führt.
Dies führt
zu einer schnelleren Erfassung einer Änderung in der empfangenen Folge.
Der Kommunikationskanal, der vom unbelegten Zustand zum Übertragen
eines Pakets wechselt, könnte
z. B. zu einer Änderung
der Eigenschaften der Folge führen,
die durch die Korrelationsstruktur 300 schnell erfasst
werden würde.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann jede der Korrelationseinrichtungen
(z. B. die Korrelationseinrichtung 310) eine Gruppe von
mehr als einem Abtastwert mit einer weiteren Gruppe mit der gleichen Anzahl
von Abtastwerten vergleichen. Indem eine Gruppe von mehr als einem
Abtastwert in einer einzigen Korrelationseinrichtung verglichen
wird, ist die Möglichkeit
für einen
Fehler verringert, der zu einem schlechten Abtastwert führt, der
wiederum zu einem ungenauen Vergleich führt. Eine Korrelationseinrichtung
für mehrere
Abtastwerte ist selbstverständlich notwendigerweise
komplexer. Gemäß einer
noch weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Korrelationsstruktur 300 tatsächlich als
ein Software-Programm implementiert, das in einem Prozessor ausgeführt wird.
Der Prozessor kann ein universeller Mikroprozessor, ein digitaler Signalprozessor
oder ein kundenspezifischer Prozessor sein. Das Implementieren der
Korrelationsstruktur in Software erlaubt eine größere Flexibilität des Typs
und der Anzahl der Korrelationen als eine Hardware-Implementierung.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung macht jede Korrelationsstruktur, die
die empfangene Folge entweder mit sich selbst oder einer Referenzfolge,
die in einem Speicher gespeichert ist, vergleichen kann, die vorliegende
Erfindung betriebsfähig.
Außerdem machen
andere herkömmliche
Verfahren des Vergleichens von Folgen und Abtastwerten, wie z. B.
die Verwendung angepasster Filter und das Multiplizieren einer Folge
mit ihrem komplex Konjugierten und das Summieren der zwei Folgen,
falls sie anstelle der Korrelationsstruktur 300 verwendet
werden, die vorliegende Erfindung außerdem betriebsfähig.
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In 4 veranschaulicht
ein Ablaufplan einen Paketerfassungs- und -verarbeitungsalgorithmus 400 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung würde
der Paketerfassungs- und -verarbeitungsalgorithmus 400 in
einem Prozessor ausgeführt
werden, der den Betrieb eines Empfängers in einem Kommunikationssystem
steuert. Der Prozessor kann ein universeller Mikroprozessor, ein
digitaler Signalprozessor oder ein kundenspezifischer Prozessor
sein. Der im Prozessor ausgeführte
Paketerfassungs- und -verarbeitungsalgorithmus 400 steuert
die verschiedenen Komponenten im Empfänger.
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Der
Empfänger
beginnt das kontinuierliche Abtasten des Kommunikationskanals (Block 410) durch
das Abtasten eines durch einen Signaldetektor erfassten Signals
in im Voraus spezifizierten Intervallen. Das Abtasten des durch
den Signaldetektor erfassten Signals erzeugt eine Folge von Abtastwerten. Die
Folge von Abtastwerten wird korreliert, um das Vorhandensein eines
Pakets im Kommunikationskanal zu erfassen (Block 415).
Die Paketerfassung unter Verwendung der Korrelation wird im Folgenden beschrieben.
Wenn in der Folge von Abtastwerten kein Paket erfasst wird, dann
kehrt der Empfänger zum
Block 410 zurück,
um das Erzeugen der Folge von Abtastwerten fortzusetzen. Es wird
angegeben, dass die Erzeugung der Abtastwerte eine kontinuierliche
Operation ist, die kontinuierlich arbeitet, während der Empfänger mit
dem Ausführen
anderer Aufgaben beschäftigt
sein kann. Der Vorrichtung, die die Erzeugung der Abtastwerte ausführt, muss
nur die Abtastrate mitgeteilt werden, wobei sie beginnt, die Abtastwerte
zu erzeugen. Sie fährt
damit fort, dies zu tun, bis ihr mitgeteilt wird, anzuhalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung versucht der Empfänger, nach der Erzeugung jedes
neuen Abtastwerts ein Paket zu erfassen. Indem versucht wird, ein
Paket nach jedem neuen Abtastwert zu erfassen, wird ein Paket im
Kommunikationskanal so früh
wie möglich
erfasst. Alternativ können
mehrere neue Abtastwerte erzeugt werden, bevor die Paketerfassung
versucht wird. Durch das Warten, damit mehrere Abtastwerte erzeugt
werden, bevor versucht wird, ein Paket zu erfassen, wird die Häufigkeit
der Paketerfassung verringert. Die Paketerfassung kann periodisch
sein, wobei sie jedesmal, wenn der Empfänger eine vorgegebene Anzahl
von Abtastwerten abtastet, einmal begonnen wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung liegt das beim Erzeugen der Folge von Abtastwerten
im Block 410 verwendete Abtastintervall bei einer Frequenz,
die ausreichend ist, um die ganze Bandbreite der Signale genau darzustellen,
die in dem Kommunikationskanal übertragen
werden. Mit anderen Worten, das Abtasten wird mit einer Rate ausgeführt, die
wenigstens gleich der Nyquist-Frequenz der Daten ist, die im Kommunikationskanal übertragen
werden.
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Wenn
ein Paket erfasst wird, dann ändert
der Empfänger
das Abtastintervall, so dass das Endergebnis eine andere Abtastfrequenz
ist. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das Abtastintervall so geändert, dass
die Abtastfrequenz sowohl größer als
die Nyquist-Frequenz als auch größer als
die anfängliche
(für die
Paketerfassung verwendete) Abtastfrequenz ist. Wenn das Abtasten
mit einer Frequenz ausgeführt
wird, die größer als
Nyquist-Frequenz ist, dann wird gesagt, dass das System überabtastet.
Das Überabtasten wird
typischerweise bei ganzzahligen Vielfachen der Nyquist-Frequenz
ausgeführt,
wobei 2, 3 und 4 die am häufigsten
verwendeten Vielfachen sind.
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Mit
dem Signal, das mit der neuen Abtastrate abgetastet wird, decodiert
und verarbeitet der Empfänger
die in dem Paket übertragenen
Informationen (Block 435). Ein Teil der Decodierungsoperation
umfasst das Bestimmen, ob der Empfänger der vorgesehene Empfänger des
Pakets ist. Wenn bestimmt wird, dass der Empfänger nicht der vorgesehene Empfänger des
Pakets ist, dann wird der Decodierungs- und Verarbeitungsschritt
beendet, wobei der Empfänger
zum Block 440 des Paketerfassungs- und -verarbeitungsalgorithmus 400 geht.
Sobald das Paket vollständig
decodiert und verarbeitet worden ist (oder falls das Paket nicht
für den
Empfänger
vorgesehen war), ändert
der Empfänger
das Abtastintervall zurück
zum ursprünglichen
Abtastintervall (Block 440), wobei der Empfänger zum
Erfassen des Vorhandenseins eines neuen Pakets zurückkehrt.
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In 5 veranschaulicht
eine graphische Darstellung einen Paketerfassungsalgorithmus 415 unter
Verwendung der Korrelation gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Paketerfassungsalgorithmus 415 unter Verwendung
der Korrelation ist für
einen Algorithmus repräsentativ,
der in dem Paketerfassungs- und -verarbeitungsalgorithmus 400,
wie er in 4 erörtert ist, verwendet werden
könnte.
Der Paketerfassungsalgorithmus 415 würde außerdem in einem Prozessor ausgeführt, der
den Betrieb des Empfängers
in einem Kommunikationssystem steuert.
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Der
Paketerfassungsalgorithmus 415 beginnt damit, dass der
Empfänger
eine Folge von Abtastwerten von dem Abtasten des Kommunikationskanals
empfängt.
Die Folge von Abtastwerten kann in Abhängigkeit davon, wie oft die
Ausführung
des Paketerfassungsalgorithmus 415 konfiguriert ist, als
ein einzelner Abtastwert auf einmal oder als eine Gruppe von Abtastwerten
auf einmal ankommen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Folge von Abtastwerten in einer Korrelationsstruktur,
die zu der in 3 gezeigten Korrelationsstruktur ähnlich ist,
mit sich selbst korreliert. Die Korrelation der Folge von Abtastwerten
führt zu
einem Korrelationswert (Block 510).
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Der
Korrelationswert wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen
(Block 515). Der vorgegebene Schwellenwert kann ein Wert
sein, der auf der Grundlage der früheren Leistungshistorie des Kommunikationssystems
festgelegt wird, oder es kann ein adaptiv festgelegter Schwellenwert
sein, der sich in Abhängigkeit
von der Genauigkeit des Paketerfassungsalgorithmus 415 ändern kann.
Ein Schwellenwert, der zu niedrig festgelegt ist, kann die Erfassung
von Störimpulsen
und Rauschen als Pakete erlauben. Während ein Schwellenwert, der
zu hoch festgelegt ist, zu einer falschen Nichterfassung tatsächlicher
Pakete im Kommunikationskanal führen kann.
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Wenn
der Korrelationswert größer als
der Schwellenwert ist, dann wird ein Paket im Kommunikationskanal
erfasst (Block 520). Wenn der Korrelationswert nicht größer als
der Schwellenwert ist, dann wird in Kommunikationskanal kein Paket
erfasst (Block 525). Das Ergebnis des Vergleichs kann in eine
Speicher stelle oder ein Register geschrieben werden, die bzw. das
durch den Prozessor geprüft werden
kann. Wenn ein Paket erfasst wird, kann alternativ eine Signal-Merker-Leitung aktiviert
werden, um den Prozessor wissen zu lassen, dass in der Tat ein Paket
erfasst worden ist.
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In 6 veranschaulicht
ein Blockschaltplan einen Empfangsweg 600 eines Empfängers in
einem Kommunikationssystem gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In den meisten Anwendungen ist ein Empfänger mit
einem Sender paarweise angeordnet, wobei dies im Allgemeinen als
ein Sender/Empfänger
bezeichnet wird. Die vorliegende Erfindung besitzt Anwendung auf den
Empfängerabschnitt
eines Sender/Empfängers. Deshalb
wird angenommen, dass der Sender/Empfänger einen Sender besitzt,
der für
Sender/Empfänger
völlig
typisch ist, wobei er keine Untersuchung erfährt.
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Ein
Signaldetektor 610 empfängt
die über den
Kommunikationskanal gesendeten Informationen. Der Signaldetektor 610 kann
eine Antenne sein, falls das System ein drahtloses Hochfrequenz-Kommunikationssystem
ist, oder er kann ein Sensor sein, falls das System andere Typen
der drahtlosen Kommunikation verwendet. Wenn das System eine herkömmliche
Verdrahtung verwendet, dann kann der Signaldetektor 610 ein
Spannungs- oder Stromsensor sein. Wenn das System alternativ Faseroptik
verwendet, dann kann der Signaldetektor 610 ein Lichtsensor
sein. Ungeachtet des Typs des verwendeten Kommunikationskanals setzt
der Signaldetektor 610 die im Kommunikationskanal gesendeten
Signalinformationen in eine Form um, die durch den Empfänger verwendbar
ist.
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Nach
der Umsetzung durch den Signaldetektor 610 in eine verwendbare
Form wird das elektrische Signal durch eine Abtasteinrichtung 615 in
einem regelmäßigen Intervall
abgetastet. Die Konstruktion der Abtasteinrichtung ist völlig typisch
und durch die Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet der vorliegenden
Erfindung gut verstanden.
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In 7 zeigt
ein Blockschaltplan eine beispielhafte Implementierung einer Abtasteinrichtung 615 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Abtasteinrichtung 615 empfängt vom
Signaldetektor 610 ein elektrisches Signal, das das Signal
repräsentiert,
das im Kommunikationskanal übertragen
wird. Die Abtasteinrichtung besitzt einen Signalspeicher 710,
der verwendet wird, um einen Spannungswert an seinem Eingang zu
speichern. Der Signalspeicher 710 wird durch einen Abtasttaktgeber 720 getaktet,
der die Frequenz bestimmt, mit der der Signalspeicher den Spannungswert
an seinem Eingang speichert. Der Abtasttaktgeber wird durch eine
Signalleitung vom Prozessor gesteuert. Der Prozessor kann den Abtasttaktgeber
beschleunigen oder verlangsamen, was zu verschiedenen Abtastraten
führt.
Der Signalspeicher 710 besitzt einen Ausgang, der eine
Folge von Abtastwerten, die den im Signalspeicher gespeicherten Werten
entspricht, an Komponenten weiter abwärts im Empfangsweg sendet.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung speichert der Signalspeicher 710,
nachdem er durch den Abtasttaktgeber 720 getaktet worden
ist, den aktuellen Spannungspegel an seinem Eingang und erzeugt dann
einen dem Spannungspegel entsprechenden Abtastwert im Datenstrom.
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Nachdem
die Folge von Abtastwerten durch die Abtasteinrichtung 615 in
den digitalen Bereich umgesetzt worden ist, wird die Folge von Abtastwerten
zu einer Korrelationseinrichtung 630 weitergeleitet, in
der die Folge mit sich selbst korreliert wird. Die Konstruktion
der Korrelationseinrichtung 630 ist vorher in 3 erörtert worden,
obwohl Korrelationseinrichtungen anderer Typen und Konstruktionen
ebenfalls funktionieren.
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Nach
der Korrelation (falls bestimmt worden ist, dass ein Paket in der
Folge von Abtastwerten vorhanden ist) erfährt die digitale Folge von
Abtastwerten die digitale Signalverarbeitung durch einen digitalen
Signalprozessor 635. Der digitale Signalprozessor 635 führt Aufgaben,
wie z. B. die digitale Filterung und die adaptive Kanalentzerrung,
aus. Falls das Kommunikationssystem ein Mehrträger-System wäre, wie z. B. ein IEEE-802.11a-konformes
System, würde
außerdem
eine Fourier-Transformation ausgeführt, um die Abtastwerte aus
dem Zeitbereich in den Frequenzbereich umzusetzen.
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Weil
jedoch die Aufgaben durch in einem Prozessor ausgeführte Software-Programme ausgeführt werden,
kann eine größere Menge
der Verarbeitung ausgeführt
werden. Es ist ein Prozessor 640 vorhanden, um irgendeine
Decodierungs- und weitere Verarbeitung auszuführen, die an der digitalen
Folge von Abtastwerten erforderlich ist, um sie für die Verwendung
durch eine digitale Vorrichtung 645 bereit zu machen, die
an den Prozessor 640 gekoppelt ist. Die digitale Vorrichtung 645 kann
ein Teil des Empfängers
oder des Sender/Empfängers sein
oder sie kann eine externe Vorrichtung sein, die an den Sender/Empfänger gekoppelt
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung vergrößert der
Prozessor 640, nachdem die Folge von Abtastwerten der Korrelation
unterzogen worden ist und bestimmt worden ist, dass die Folge tatsächlich ein
Paket enthält,
die Abtastrate der Abtasteinrichtung 615. Indem nur dann,
wenn ein Paket erfasst wird, eine höhere Abtastrate verwendet wird,
während
eine niedrigere Abtastrate verwendet wird, wenn das Vorhandensein
eines Pakets im Kommunikationskanal erfasst wird, empfängt das
Kommunikationssystem die durch das Überabtasten des tatsächlichen
Pakets bereitgestellte zusätzliche
Leistung und verringert die Leistungsaufnahme durch das Minimieren
der Abtastrate, wenn eine hohe Abtastrate nicht notwendig oder sogar
nicht gewünscht
ist.
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Die
variable Abtastrate (Überabtastrate)
des Kommunikationssystems bietet mehrere Vorteile, einschließlich der
verringerten Leistungsaufnahme, einer Abnahme der Rauschstörung von
außerhalb der
interessierenden Frequenz usw., ist aber nicht darauf eingeschränkt. Gleichzeitig
wird durch das Aufrechterhalten einer konstanten Verarbeitungsrate ein
relativ einfaches Kommunikationssystem beibehalten. Falls die Verarbeitungsrate
geändert
wird, ist ein komplexeres Kommunikationssystem erforderlich.
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Während diese
Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist nicht vorgesehen, dass diese Beschreibung
in einem einschränkenden
Sinn ausgelegt wird. Für
die Fachleute auf dem Gebiet werden unter Bezugnahme auf die Beschreibung
sowohl verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden
Ausführungsformen als
auch andere Ausführungsformen
der Erfindung offensichtlich sein. Es ist deshalb vorgesehen, dass die
beigefügten
Ansprüche
alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.