AT528315B1 - Verfahren zur Bestimmung der Richtung zu einem Objekt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Richtung zu einem Objekt, wobei eine Sendedatenfolge über wenigstens eine Sendeantenne gesendet und von dem Objekt reflektiert wird, wonach eine Reflexionsdatenfolge mittels einer Empfangsantenne empfangen und daraus die Richtung des Objektes bestimmt wird. Um ein Verfahren zur Bestimmung der Richtung zu einem Objekt zu ermöglichen, welches in einem großen Frequenzbereich einsetzbar ist, geringe Signalpegel erfordert und dennoch weitgehend störunanfällig ist, wird vorgeschlagen, dass wenigstens zwei unterschiedliche Sendedatenfolgen erzeugt und über je eine isotrope Sendeantenne gesendet werden, wobei für mehrere Referenzrichtungen durch Überlagerung der Sendedatenfolgen mit einem der jeweiligen Referenzrichtung entsprechenden zeitlichen Versatz Referenzdatenfolgen erzeugt werden und dass als Richtung zum Objekt die Referenzrichtung jener Referenzdatenfolge ausgegeben wird, die die größte Korrelation mit einer aus der Reflexionsdatenfolge erzeugten Prüfdatenfolge aufweist.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Richtung zu einem Objekt, wobei eine Sendedatenfolge über wenigstens eine Sendeantenne gesendet und von dem Objekt reflektiert wird, wonach eine Reflexionsdatenfolge mittels einer Empfangsantenne empfangen und daraus die Richtung des Objektes bestimmt wird.

[0002] Aus der US20060114146A1 ist ein Sensorsystem bekannt, in dem je Sensor über eine Sendeantenne eine Sendedatenfolge, beispielsweise das aufmodulierte Basissignal eines FMCW - Radars, einfache Pulse oder Pseudorauschen, ausgesendet wird, welche von einem umliegenden Objekt reflektiert und als Reflexionsdatenfolge von wenigstens zwei dem gleichen Sensor zugeordneten Empfangsantennen empfangen wird, um die Richtung zum Objekt zu bestimmen. Nachteilig daran ist, dass das Signal der Sendedatenfolge durch Interferenz und Mehrwegausbreitung im Raum zu Störsignalen führt, wodurch einerseits die Detektion echter Ziele gestört und andererseits Falschziele detektiert werden. Um in diesem Fall einen ausreichend hohen Störabstand zu erreichen, sind entsprechend hohe Signalpegel erforderlich, was entsprechende regulatorische Einschränkungen mit sich bringt. Dennoch bleiben solche Sensorsysteme für Störungen durch Fremdsysteme anfällig.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Richtung zu einem Objekt vorzuschlagen, welches in einem großen Frequenzbereich einsetzbar ist, geringe Signalpegel erfordert und dennoch weitgehend störunanfällig ist.

[0004] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass wenigstens zwei unterschiedliche Sendedatenfolgen erzeugt und über je eine isotrope Sendeantenne gesendet werden, wobei für mehrere Referenzrichtungen durch Überlagerung der Sendedatenfolgen mit einem der jeweiligen Referenzrichtung entsprechenden zeitlichen Versatz Referenzdatenfolgen erzeugt werden und dass als Richtung zum Objekt die Referenzrichtung jener Referenzdatenfolge ausgegeben wird, die die größte Korrelation mit einer aus der Reflexionsdatenfolge erzeugten Prüfdatenfolge aufweist. Zufolge dieser Maßnahmen wird ein Übersprechen zwischen Sende- und Empfangsantennen sowie der Einfluss von etwaigen Fremdsystemen wirksam verhindert, weil einzelne Sendedatenfolgen und deren Reflexionen aufgrund der geringen Korrelation mit den Referenzdatenfolgen empfängerseitig als Rauschen wahrgenommen werden und nur die am Objekt reflektierte Reflexionsdatenfolge mit einer der Referenzdatenfolgen korreliert. Dies bedeutet, dass in einer bevorzugten Ausführungsform die Reflexionsdatenfolge im Messraum eindeutig ist und ausschließlich durch die Reflexion an einem Objekt erzeugt wird. Um dennoch aus dieser Reflexionsdatenfolge eine Richtung zum Objekt bestimmen zu können, werden aus den Sendedatenfolgen Referenzrichtungen zugeordnete Referenzdatenfolgen erzeugt. Hierfür werden die Sendedatenfolgen entsprechend dem Abstand der Sendeantennen zueinander und der sich daraus für die jeweilige Referenzrichtung ergebenden relativen Unterschiede in den Signallaufzeiten zueinander zeitlich versetzt überlagert. Somit weist die Prüfdatenfolge, die im einfachsten Fall der Reflexionsdatenfolge entsprechen kann, mit jener Referenzdatenfolge die höchste Korrelation auf, deren zeitlicher Versatz und damit deren Referenzrichtung die höchste Übereinstimmung mit der Prüfdatenfolge aufweist. Für die reine Richtungsbestimmung kann der zeitliche Verlauf der Korrelation im Sinne einer Kanalimpulsantwort zunächst außer Acht gelassen werden, weil es lediglich auf die lokalen Maxima in diesem zeitlichen Verlauf ankommt. Klarstellend sei erwähnt, dass im Sinne der Erfindung unter einer Datenfolge sowohl die Abfolge von einzelnen Zeichen als auch ein entsprechend dieser Zeichen moduliertes Signal, insbesondere Trägersignal, verstanden wird. Grundsätzlich können für die Übertragung der Sendedatenfolgen über ein Trägersignal verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Modulationsverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise im Falle einer Amplitudenmodulation der Sendedatenfolgen entsteht an der Oberfläche des Objektes sowohl konstruktive als auch destruktive Interferenz, die zur Überlagerung der Sendedatenfolgen zur Reflexionsdatenfolge führt. Als Trägersignal können beispielsweise elektromagnetische oder mechanische Wellen eingesetzt werden. Beispielsweise können Elektromagnetische Wellen in einem Bereich von 30 MHz - 300 GHz oder optische Wellen eingesetzt werden. Es versteht sich für die Fachperson, dass die Sendedatenfolgen zeitlich synchro-

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nisiert über die Sendeantennen gesendet werden müssen, was mit konstruktiv einfachen Mitteln dadurch erfolgen kann, dass die Sender gleich aufgebaut und die Signalwege zu den Sendeantennen hin gleich lang sind. Ist dies nicht Fall, so kann eine zeitliche Synchronisation zwischen den, beispielsweise örtlich getrennt voneinander angeordneten Sendern vorgesehen sein. Beispielsweise können die Sendedatenfolgen entsprechend etwaiger Laufzeitunterscheide zu den Sendeantennen auch vorab zusätzlich voneinander abweichend verzögert werden. Die Empfangsantenne kann von den Sendeantennen räumlich beabstandet sein. Insbesondere kann die Empfangsantenne zwischen zwei benachbarten Sendeantennen angeordnet sein. Obwohl im Sinne der Erfindung auch mehrere Empfangsantennen zum Einsatz kommen können, genügt für die Ausführung der Erfindung eine Empfangsantenne.

[0005] Um die höchste Korrelation unabhängig von den verwendeten Sendedatenfolgen zuverlässig bestimmen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Prüfdatenfolge aus der Differenz zwischen der Reflexionsdatenfolge und wenigstens einer Sendedatenfolge erzeugt wird. Dadurch kann die Prüfdatenfolge bezüglich der Sendedatenfolgen normalisiert und eine differenzielle Messung ermöglicht werden. Bei geeigneter Ausführung kann damit auch der Einfluss der Sendeund Empfangseinrichtungen auf die Messung minimiert werden, wenn die Sendedatenfolge nach der Sendeeinrichtung abgegriffen wird.

[0006] Obwohl die Sendedatenfolgen grundsätzlich auf beliebigen binären oder ternären Zeichenfolgen basieren können, ergeben sich besonders vorteilhafte Bedingungen, wenn die Sendedatenfolgen durch Zerlegung einer Basisfolge mit hoher Autokorrelation erzeugt werden. Eine Basisfolge mit optimaler oder sehr hoher Autokorrelation kann beispielsweise eine Ipatov Sequenz sein.

[0007] In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Basisfolge durch Verschlüsselung nach dem Advanced Encryption Standard (AES) erzeugt werden. Die nachfolgende Zerlegung, beispielsweise Codespreizung der Basisfolge zur Erzeugung der Sendedatenfolgen kann dabei so erfolgen, dass die Kreuzkorrelation der Sendedatenfolgen geringer als die Autokorrelation der Basisfolge ist.

[0008] Die Zerlegung der Basisfolge in die Sendedatenfolgen kann besonders effizient durchgeführt werden, wenn eine ungerade Anzahl von wenigstens drei Sendedatenfolgen für wenigstens drei Sendeantennen vorgesehen ist, wobei die Basisfolge abschnittsweise abwechselnd den einzelnen Sendedatenfolgen zugewiesen wird, wobei die übrigen Sendedatenfolgen in dem jeweiligen Abschnitt mit einander bei Überlagerung auslöschenden Zeichen versehen werden. Zufolge dieser Maßnahmen ist die Kreuzkorrelation der Sendedatenfolgen untereinander geringer als die Autokorrelation der Basisfolge. Sofern die Sendeantennen außerhalb einer Geraden angeordnet sind, ermöglicht die Verwendung von wenigstens drei Sendeantennen darüber hinaus die Bestimmung zweier Raumrichtungen, also des Raumwinkels zum Objekt.

[0009] Eine über die Richtungsbestimmung hinausgehende Ortung von Objekten kann dadurch erreicht werden, dass aus der Reflexionsdatenfolge und der Prüfdatenfolge mit der größten Korrelation eine Kanalimpulsantwort bestimmt und aus den über einem vorgegebenen Referenzschwellwert liegenden lokalen Maxima der Kanalimpulsantwort der Abstand zum Objekt bestimmt wird. Der Referenzschwellwert muss dabei so gewählt werden, dass etwaige sich durch Mehrwegausbreitungen oder sonstige Störungen ergebende lokale Maxima unterhalb des Referenzschwellenwertes liegen, während die lokalen Maxima von zu messenden Objekten oberhalb dieses Referenzschwellenwertes liegen. Der Referenzschwellwert kann beispielsweise bei einem Drittel des Maximalwertes der Kanalimpulsantwort liegen. Aufgrund des zeitlichen Abstands des jeweiligen lokalen Maximums in der Kanalimpulsantwort kann auf die Entfernung des zugehörigen Objektes und somit gemeinsam mit der Richtung zu diesem Objekt auf seine Position geschlossen werden.

[0010] Zur Verringerung der Störanfälligkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der räumlichen Auflösung wird vorgeschlagen, dass die Zeichendauer der Sendedatenfolgen weniger als 5 ns, vorzugsweise weniger als 4 ns, noch bevorzugter weniger als 2 ns, beträgt. Die resultierenden Signale können demnach eine Bandbreite von mehr als 500 MHz aufweisen, um gemäß des Nyquist-

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Shannon Abtasttheorems eine fehlerfreie Rekonstruktion des Signals zu ermöglichen. Ein entsprechend breitbandiges Signal hat auch den Vorteil einer reduzierten Störanfälligkeit gegenüber schmalbandigen Störungen.

[0011] Insbesondere in Kombination mit breitbandigen, vorzugsweise ultrabreitbandingen Signalen mit einer Bandbreite von wenigstens 500 MHz kann das erfindungsgemäße Verfahren mit geringen regulatorischen Einschränkungen bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch durchgeführt werden, wenn die Signale der über die Sendeantennen übertragenen Sendedatenfolgen eine spektrale Leistungsdichte von weniger als -45 dBm/MHz aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Signale der Sendedatenfolgen eine spektrale Leistungsdichte von weniger als -41,3 dBm/MHz auf. Aufgrund der langen, bekannten Sendedatenfolgen bzw. der grundsätzlich bekannten erwarteten Reflexionsdatenfolge ist ein entsprechend geringer Störabstand ausreichend, um eine korrekte Richtungsbestimmung durch Korrelation der Prüfdatenfolge mit den Referenzdatenfolgen zu ermöglichen.

[0012] Eine erhöhte Störungssicherheit des Verfahrens kann dadurch erreicht werden, dass die Sendedatenfolgen pseudozufällig sind. Durch die geringe Korrelation der einzelnen Werte einer solchen Sendedatenfolge wird sichergestellt, dass der zeitliche Versatz dieser Sendedatenfolge zuverlässig detektiert werden kann, weil eine solche Sendedatenfolge nur bei keinem zeitlichen Versatz eine hohe Autokorrelation aufweist, während die Autokorrelation bei jedem anderen zeitlichen Versatz vernachlässigbar klein ist. Auch gilt für mehrere pseudozufällige Sendedatenfolgen entsprechend hoher Qualität, dass deren Kreuzkorrelation ebenfalls vernachlässigbar klein ist, sodass sichergestellt werden kann, dass sich die Sendedatenfolgen untereinander nicht beeinflussen.

[0013] Um trotz einer Detektion in einem großen Winkelbereich den Speicheraufwand zu reduzieren und gleichzeitig die Synchronisation mehrerer Systeme zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine Sendedatenfolge anhand eines vorgegebenen Algorithmus aus einer Erzeugerdatenfolge erzeugt wird. Dadurch kann bei gleichbleibend niedriger Störanfälligkeit auf lange in einem Speicher abgelegte Sendedatenfolgen verzichtet werden, da diese im Zuge des Verfahrens aus deutlich weniger speicheraufwendigen Erzeugerdatenfolgen generiert werden. Dabei können Verschlüsselungsalgorithmen eingesetzt werden, insbesondere symmetrische Verschlüsselungsalgorithmen. Ein Beispiel dafür ist der Advanced Encryption Standard (AES). Die Erzeugerdatenfolge kann dabei als Schlüssel für den Verschlüsselungsalgorithmus dienen. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, dass das Verfahren sehr sicher durchgeführt werden kann, weil nur bei Kenntnis der Erzeugerdatenfolge eine Manipulation der Reflexionsdatenfolge möglich ist. Umgekehrt kann die Erzeugerdatenfolge bei verteilten Systemen entsprechend einfach übertragen werden, sodass nicht nur eine hohe Sicherheit, sondern auch eine große Flexibilität in der Systemarchitektur erreicht wird.

[0014] Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Steuereinheit mit wenigstens zwei Sendedatenfolgengeneratoren einerseits über je einen Sender mit je einer Sendeantenne und andererseits über mehrere, je einer Referenzdatenfolge zugeordnete Korrelatoren und einen Empfänger mit einer Empfangsantenne verbunden ist. Die Steuereinheit kann zusätzlich einen Basisfolgengenerator zur Erzeugung einer Basisfolge aufweisen, welche durch die Sendedatenfolgengeneratoren in Sendedatenfolgen zerlegt wird. Die Erzeugung von Referenzdatenfolgen kann in einem Referenzdatenfolgengenerator stattfinden, indem die Sendedatenfolgen mit zeitlichem Versatz überlagert werden. Den dabei entstehenden Referenzdatenfolgen kann in Abhängigkeit des zeitlichen Versatzes eine Referenzrichtung zugeordnet werden, wonach die Referenzdatenfolgen je einem Korrelator zugewiesen werden. Der Empfänger kann die Reflexionsdatenfolge von der Empfangsantenne an einen Prüfdatengenerator übermitteln. Der Prüfdatengenerator erzeugt eine Prüfdatenfolge aus der Reflexionsdatenfolge und vorzugsweise wenigstens einer Sendedatenfolge, wobei die Prüfdatenfolge an die Korrelatoren übermittelt wird, wonach in einer Ausgabeeinheit der Steuereinheit die Referenzrichtung der Referenzdatenfolge mit der höchsten Korrelation zur Prüfdatenfolge als Richtung des zu ortenden Objektes ausgegeben werden kann.

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[0015] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0016] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

[0017] Fig. 2 die schematische Darstellung einer Zerlegung einer Basisfolge mit hoher Autokorrelation in drei Sendedatenfolgen mit geringer Kreuzkorrelation,

[0018] Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der beispielhaften Detektion von zwei Objekten und

[0019] Fig. 4 eine schematische Darstellung der Korrelation der Prüfdatenfolge mit Referenzdatenfolgen unterschiedlicher Referenzrichtungen, und zwar in Form von die Magnitude über einzelne Zeitabstände abbildenden Graphen.

[0020] Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung der Richtung zu einem Objekt 1 umfasst Sendedatenfolgengeneratoren 2 zur Erzeugung von Sendedatenfolgen 3. Die Sendedatenfolgen 3 werden über Sender 4 zu isotropen Sendeantennen 5 geleitet, welche die Sendedatenfolgen 3 ausstrahlen. Am Objekt 1 überlagern sich die Sendedatenfolgen 3 und werden als Reflexionsdatenfolge 6 von einer Empfangsantenne 7 empfangen. Ein Empfänger 8 verarbeitet anschließend die Reflexionsdatenfolge 6, wobei Im Empfänger 8 die Differenz der Reflexionsdatenfolge 6 und einer Sendedatenfolge 3 gebildet werden kann. Aus dieser Differenz kann eine Prüfdatenfolge 9 erzeugt und mithilfe von verschiedenen Korrelatoren 10 mit Referenzdatenfolgen 11 verglichen werden. Die Referenzdatenfolgen 11 werden zuvor in einem Referenzdatenfolgengenerator 12 aus den Sendedatenfolgen 3 mit unterschiedlichem zeitlichem Versatz erzeugt, wobei den Referenzdatenfolgen 11 in Abhängigkeit des zeitlichen Versatzes Referenzrichtungen zugeordnet sind. Eine Ausgabeeinheit 13 bestimmt auf Basis der Ausgabewerte 14 der Korrelatoren 10 jene Referenzdatenfolge 11, die die höchste Korrelation mit der Prüfdatenfolge 9 aufweist. Die Referenzrichtung, die dieser Referenzdatenfolge 11 mit der höchsten Korrelation zugeordnet ist, wird in der Ausgabeeinheit 13 als Richtung 15 zu dem Objekt 1 ausgegeben.

[0021] Die Sendedatenfolgen 3 können durch Zerlegung einer Basisfolge 16 mit hoher Autokorrelation, welche durch einen Basisfolgengenerator 17 erzeugt wurde, in den jeweiligen Sendedatenfolgengeneratoren 2 erzeugt werden. Die erzeugten Sendedatenfolgen 3 werden einerseits an die Sender 4 zur darauffolgenden Aussendung und andererseits an den Referenzdatenfolgengenerator 12 zur Bestimmung der Referenzdatenfolgen 11 übertragen. Die Sendedatenfolgengeneratoren 2, der Referenzdatenfolgengenerator 12, die Ausgabeeinheit 13 sowie der Basisfolgengenerator 17 können in einer gemeinsamen Steuereinheit 18 angeordnet sein.

[0022] Wie in der Fig. 2 gezeigt, kann die Basisfolge 16 mit hoher Autokorrelation in drei verschiedene Sendedatenfolgen 3 mit geringer Kreuzkorrelation zerlegt werden. Dabei werden die verschiedenen Basisfolgenabschnitte 19 abschnittsweise abwechselnd den drei Sendedatenfolgen 3 zugewiesen, wobei die übrigen Sendedatenfolgen in dem jeweiligen Abschnitt mit einander bei Überlagerung auslöschenden Füllzeichen 20a, 20b versehen werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Basisfolgenabschnitte 19 und Füllzeichen 20a, 20b mit Bezugszeichen versehen.

[0023] In der Fig. 3 ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Detektion von zwei Objekten 1 mithilfe von zwei Sendeantennen 5 und einer Empfangsantenne 7 schematisch gezeigt.

[0024] In der Fig. 4 sind die zugehörigen Korrelationen eines Korrelators 10a mit einem zeitlichen Versatz einer ersten Referenzrichtung 21 der Fig. 3 und eines Korrelators 10b mit einem zeitlichen Versatz einer zweiten Referenzrichtung 22 der Fig. 3 dargestellt. Entsprechend der Anordnung der Objekte 1 in der zweiten Referenzrichtung 22 zeigt die Prüfdatenfolge 9 keine Korrelation im Graphen 23 des Korrelators 10a, da dieser einen der ersten Referenzrichtung 21 entsprechenden zeitlichen Versatz aufweist. Im Gegensatz dazu zeigt der Graph 24 des Korrelators 10b zwei scharfe lokale Maxima 25, welche den Objekten 1 in Referenzrichtung 22 entsprechen. Durch den Abstand der lokalen Maxima 25 zur Ordinate kann auf die Distanz zu den Objekten 1 geschlossen werden.

Claims (8)

A ‚hes AT 528 315 B1 2025-12-15 Ss N Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung der Richtung zu einem Objekt, wobei eine Sendedatenfolge über wenigstens eine Sendeantenne gesendet und von dem Objekt reflektiert wird, wonach eine Reflexionsdatenfolge mittels einer Empfangsantenne empfangen und daraus die Richtung des Objektes bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Sendedatenfolgen erzeugt und über je eine isotrope Sendeantenne gesendet werden, wobei für mehrere Referenzrichtungen durch Überlagerung der Sendedatenfolgen mit einem der jeweiligen Referenzrichtung entsprechenden zeitlichen Versatz Referenzdatenfolgen erzeugt werden und dass als Richtung zum Objekt die Referenzrichtung jener Referenzdatenfolge ausgegeben wird, die die größte Korrelation mit einer aus der Reflexionsdatenfolge erzeugten Prüfdatenfolge aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfdatenfolge aus der Differenz zwischen der Reflexionsdatenfolge und wenigstens einer Sendedatenfolge erzeugt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Referenzdatenfolge mit der größten Korrelation und der Prüfdatenfolge eine Kanalimpulsantwort bestimmt und aus den über einem vorgegebenen Referenzschwellwert liegenden lokalen Maxima der Kanalimpulsantwort der Abstand zum Objekt bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeichendauer der Sendedatenfolgen weniger als 5 ns beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Sendedatenfolgen je einen Signalpegel von weniger als -45 dBm/MHz aufweisen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendedatenfolgen pseudozufällig sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sendedatenfolge anhand eines vorgegebenen Algorithmus aus einer Erzeugerdatenfolge erzeugt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit mit wenigstens zwei Sendedatenfolgengeneratoren einerseits über je einen Sender mit je einer Sendeantenne und andererseits über mehrere, je einer Referenzdatenfolge zugeordnete Korrelatoren und einen Empfänger mit einer Empfangsantenne verbunden ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen