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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines entweder gaussförmigen oder durch eine Exponentialfunktion darstellbaren elektrischen Impulssignals mit einer vorbestimmten Halbwertszeitspanne, die entweder kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwellen-Halbwertszeitspanne ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung eines solchen Impulssignals.
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Ultra-Breitband-Lokalisierungssysteme senden vorzugsweise schmale elektromagnetische Impulssignale für die Datenübertragung, um eine Positionsbestimmung mit Hilfe von Laufzeitverfahren wie beispielsweise dem TDOA-Verfahren (Time Difference of Arrival) durchzuführen. Für unterschiedliche Anforderungen an die Genauigkeit der Lokalisierung sind abstimmbare Impulsbreiten wünschenswert.
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Derzeit ist eine direkte Erzeugung eines schmalen gaussförmigen oder durch eine Exponentialfunktion darstellbaren Signalimpulses einer Halbwertszeitspanne im Nanosekundenbereich unter Verwendung eines aktiven Filters eine große Herausforderung.
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Ein Übertragungssystem für Nadelimpulse ist beispielsweise aus der
US 6,603,818 bekannt. Danach werden gaussförmige Impulssignale durch einen Rechteckgenerator mit anschließendem Tiefpass erzeugt. Zur Reduzierung der Halbwertszeitspanne des Impulses werden Differenzierungsoperationen vorgenommen. Hierbei handelt es sich um ein sehr aufwändiges Verfahren.
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Aus den
EP 0 821 520 A2 ,
GB 2 401 016 A und
DE 196 47 850 A1 sind Vorrichtungen mit Multiplizierern bzw. Mischern zur Ausgabe von wellenförmigen Signalen bekannt, die zwei verschiedene Signale miteinander multiplizieren.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines entweder gaussförmigen oder durch eine Exponentialfunktion darstellbaren elektrischen Impulssignals mit einer vorbestimmten Halbwertszeitspanne bereitgestellt, die entweder kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwellen-Halbwertszeitspanne ist. Die Vorrichtung enthält
- – einen Impulsgenerator, der ausgebildet ist, ein gaussförmiges oder durch eine Exponentialfunktion darstellbares elektrisches Impulssignal einer Halbwertszeitspanne oberhalb der Schwellen-Halbwertszeitspanne zu erzeugen und auszugeben, und
- – einen mit dem Ausgang des Impulsgenerators verbundenen Impulsformer, der mindestens einen Multiplizierer enthält, welcher zwei Faktoreingänge und einen Produktausgang enthält und der ausgebildet ist, durch Selbstmultiplikation des elektrischen Impulssignals ein dem Produkt an den Faktoreingängen anliegender identischer Signale proportionales Produktsignal zu erzeugen und auszugeben, dessen Halbwertszeitspanne entweder kleiner oder gleich der Schwellenhalbwertszeitspanne aufweist.
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Gemäß einem Verfahrensaspekt der vorliegenden Erfindung wird dementsprechend ein Verfahren zur Erzeugung eines entweder gaussförmigen oder durch eine Exponentialfunktion darstellbaren elektrischen Impulssignals mit einer vorbestimmten Halbwertszeitspanne bereitgestellt, die entweder kleiner oder gleich einer vorbestimmten Schwellen-Halbwertszeitspanne ist. Das Verfahren enthält die Schritte:
- – Erzeugen eines gaussförmigen elektrischen Impulssignals einer Halbwertszeitspanne oberhalb der Schwellen-Halbwertszeitspanne, und
- – Erzeugen eines einem Produkt des entweder gaussförmigen oder durch eine Exponentialfunktion darstellbaren elektrischen Impulssignals mit sich selbst proportionalen Produktsignals, dessen Halbwertszeitspanne entweder kleiner oder gleich der Schwellenhalbwertszeitspanne ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen auf einfache Weise die Erzeugung schmaler Impulssignale. Der Begriff „schmal” wird in diesem Zusammenhang gleichbedeutend mit dem Vorliegen einer gewünschten geringen Halbwertszeitspanne unterhalb der Schwellen-Halbwertszeitspanne verwendet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren umgehen eine direkte Erzeugung von Signalimpulsen geringer Halbwertszeitspanne, indem eine Selbstmultiplikation eines elektrischen Impulssignals vorgenommen wird, das auf der gewünschten gaussförmigen oder durch eine Exponentialfunktion darstellbaren Signalform beruht, jedoch eine Halbwertszeitspanne oberhalb der Schwellen-Halbwertszeitspanne hat. Das Verfahren nutzt die günstige Eigenschaft dieser Impulse, bei einer Selbstmultiplikation, die mathematisch einer Quadrierung entspricht, ihre Halbwertszeitspanne zu reduzieren.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, soweit sie nicht ausdrücklich als alternativ zueinander beschrieben werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält der Impulsformer eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Multiplizierer. Den Faktoreingängen eines ersten Multiplizierers ist das vom Impulsgenerator erzeugte Impulssignal zugeführt ist. Den Eingängen von Multiplizierern, die dem ersten Multiplizierer nachgeschaltet sind, ist das von einem jeweils vorangehenden Multiplizierer ausgegebene Produktsignal zugeführt. Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels hat den Vorteil, das eine besonders geringe Halbwertszeitspanne durch eine Serienschaltung von Multiplizierern erzeugt wird, die jeweils eine Selbstmultiplikation des vom vorangehenden Multiplizierers erzeugten Produktsignals vornehmen.
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Dieses Ausführungsbeispiel kann dadurch fortgebildet werden, das der Impulsformer einer Schaltvorrichtung enthält, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Schwellen-Halbwertszeitspanne und von der Halbwertszeitspanne des Impulssignals einen oder mehrere Multiplizierer der in Reihe geschalteten Multiplizierer zuzuschalten oder wegzuschalten. Hierbei können am Ausgang des Impulsformers Impulssignale mit unterschiedlichen Halbwertszeitspannen abgegriffen werden. Bevorzugt hat die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich einen programmierbaren Speicher für die Schwellen-Halbwertszeitspanne, der mit der Schaltvorrichtung verbunden ist. Auf diese Weise kann die Schaltvorrichtung bei der Halbwertszeitspanne des vom Impulsgenerator erzeugten Impulssignals je nach Schwellen-Halbwertszeitspanne, die im programmierbaren Speicher abgelegt ist, eine bestimmte Anzahl Multiplizierer zuschalten oder wegschalten.
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Es ist aber auch denkbar, dass der Impulsformer nur genau einen Multiplizierer aufweist. In diesem Fall hat er vorzugsweise eine Schaltvorrichtung, die ausgebildet ist den Faktoreingängen des Multiplizierers entweder den Ausgang des Impulsgenerators oder den Produktausgang des Multiplizierers selbst, jedoch über eine Verzögerungsstrecke synchron zuzuführen. Auch hier kann mit Hilfe der Schaltvorrichtung die Anzahl der Selbstmultiplikationen gesteuert werden.
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Die Vorgabe einer Schwellen-Halbwertszeitspanne erfolgt in einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe einer Nutzerschnittstelle, die mit der Schaltvorrichtung verbunden und die ausgebildet ist, eine Eingabe eines Wertes der Schwellen-Halbwertszeitspanne in ein elektrisches Schwellen-Halbwertszeitspannensignal umzusetzen und auszugeben. Dieses kann dann im programmierbaren Speicher abgelegt werden. Dieses Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Eingabe einer Lokalisierungsgenauigkeit über die Nutzerschnittstelle vorsehen, die leicht in eine Schwellen-Halbwertszeitspanne des zu erzeugenden Ausgangssignals der Vorrichtung umgerechnet werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel ist dem Ausgang des Impulsformers ein Verstärker variablen Verstärkungsfaktors (englisch: variable gain amplifier, VGA) vorgeschaltet. Der VGA ist mit dem Produktausgang eines Multiplizierers verbunden und ist ausgebildet, seinen Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von dem an seinem Eingang anliegenden Produktsignal so einzustellen, dass unabhängig von einer Eingangsamplitude des Produktsignals an seinem Ausgang ein gaussförmiger Ausgangsimpuls mit vorbestimmter Ausgangsamplitude abgreifbar ist. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal unabhängig von der Anzahl der durchgeführten Multiplikationen mit einer vorbestimmten Maximalamplitude ausgegeben.
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Hinsichtlich des Verfahrensaspektes beinhaltet ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einen Schritt des Ermittelns der Anzahl der erforderlichen Multiplikationsschritte, um die Schwellen-Halbwertszeitspanne zu erreichen oder zu unterschreiten.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Reduzierung der Halbwertszeitspanne durch Selbstmultiplikation; und
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2 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, das zugleich auch als Flussdiagramms eines entsprechenden Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gelesen werden kann.
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Das in 1 dargestellte Diagramm hat eine x-Achse 10, auf der die Zeit in Nanosekunden aufgetragen ist. Die Skala der x-Achse 10 bezieht sich auf den Zeitpunkt des Maximums der Amplitude eines gaussförmigen Impulssignals, dem der Zeitpunkt Null zugeordnet ist. Die Zeitskala in Nanosekunden ist rein beispielhaft. Es können auch andere Zeitskalen eine Rolle spielen, je nach Anwendung, beispielsweise eine Pikosekunden- oder eine Mikrosekunden-Zeitskala. Das Diagramm der 1 enthält weiterhin eine y-Achse 12, auf der die Amplitude des Signalimpulses in beliebigen linearen Einheiten aufgetragen ist. Ein erster Impuls F(t) bildet gaussförmiges elektrisches Impulssignal ab, das eine Halbwertszeitspanne oberhalb einer gewünschten Schwellen-Halbwertszeitspanne hat. Es repräsentiert daher das vom Impulsgenerator der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgegebene Impulssignal. Das Signal G2(t) entspricht dem Produkt des Impulssignals F(t) mit sich selbst und ist hier mit gleicher Amplitude dargestellt. Die gleiche Amplitude des Ausgangssignals im Vergleich zum Eingangssignal kann beispielsweise mit einem VGA am Ausgang des Impulsformers der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt werden.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, das zugleich auch als Flussdiagramms eines entsprechenden Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gelesen werden kann. Die Vorrichtung enthält einen Impulsgenerator 20, der ausgebildet ist, ein gaussförmiges oder ein anderes durch eine Exponentialfunktion darstellbares elektrisches Impulssignal zu erzeugen, das eine Halbwertszeitspanne oberhalb einer gewünschten Schwellen-Halbwertszeitspanne hat. Das Impulssignal entspricht dem Signal F(t) der 1.
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Das Impulssignal wird an einen Impulsformer 22 ausgegeben. Der Impulsformer 22 enthält eine Anzahl N von Multiplizierern (auch als Mixer bezeichnet). In 2 sind drei Multiplizierer 24, 26 und 28 dargestellt. Dem Multiplizierer 24 ist an zwei Faktoreingängen 24.1 und 24.2 das Impulssignal des Impulsgenerators zugeführt. An einem Produktausgang 24.3 des Multiplizierers 24 wird ein dem Produkt der an den beiden Faktoreingängen 24.1 und 24.2 anliegenden Signale proportionales Produktsignal ausgegeben. Dieses wird zwei Faktoreingängen 26.1 und 26.2 des nachfolgenden Multiplizierers 26 zugeführt. Am Ausgang des Multiplizierers 26 liegt dementsprechend das Selbstprodukt des Ausgangspulses des ersten Multiplizierers 24 an. Die Multiplikation wird insgesamt n-mal durchgeführt, bis zu dem letzten Multiplizierer 28, an dessen Ausgang schließlich ein Signal anliegt, das die Form G(t) = (F(t))2n hat.
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Hierbei versteht sich, dass die Reihenschaltung von Multiplizierern nicht beliebig fortgeführt werden kann. Eine sinnvolle Anzahl an Multiplizierern hängt nicht nur von den Erfordernissen einer jeweiligen Anwendung, sondern auch von der Linearität der verwendeten Multiplizierer im Hochfrequenzbereich ab. Eingangssignalkomponenten mit einer Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz des Multiplizierers werden nicht mehr linear transformiert, so dass unerwünschte Impulsdeformationen entstehen können, die auch eine weitere Verkürzung der Halbwertszeitspanne des Multiplizierers verhindern können. Dies ist dem Fachmann an sich jedoch bekannt. Er kann die Anzahl und den Typ der Multiplizierer entsprechend den Erfordernissen einer jeweiligen Anwendung wählen.
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Dieses Signal G(t) wird anschließend von einem VGA 30 auf eine gewünschte Amplitude normiert und schließlich ausgegeben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Schaltvorrichtung 32 vorgesehen, die mit Steuereingängen 24.4, 26.4 und 28.4 der Multiplizierer 24, 26 und 28 verbunden ist. Die Schaltvorrichtung 32 erzeugt an ihren Ausgängen Steuersignale zum Zu- oder Wegschalten eines jeweiligen Multiplizierers. Ein zugeschalteter Multiplizierer führt die Multiplikation des an seinem Eingang anliegenden Signals mit sich selbst aus. Ein weggeschalteter Multiplizierer leitet das an seinem Eingang anliegende Signal unverändert an den nachfolgenden Multiplizierer weiter.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Schaltvorrichtung 32 nicht mit den Multiplizierern, sondern mit Schaltern verbunden, die im Signalweg zwischen den Multiplizierern angeordnet sind. Die Schalter können zwischen einem ersten Signalpfad und einem zweiten Signalpfad schalten. Der erste Signalpfad verbindet zwei aufeinander folgende Multiplizierer miteinander. Der zweite Signalpfad umgeht einen nachfolgenden Multiplizierer und verbindet den Ausgang des vorangehenden Multiplizierers mit der nächsten Schaltvorrichtung im Signalpfad.
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Mit dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel gelingt es, gaussförmige oder andere durch eine Exponentialfunktion darstellbare elektrische Impulssignale auf eine gewünschte Halbwertszeitspanne zu reduzieren. Dies ist für die Lokalisierung mit einer abstimmbaren Genauigkeit von großem Nutzen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Ausbildung in Form einer integrierten Schaltung auf einem Chip. Hiermit kann gegenüber bekannten Verfahren eine deutliche Reduzierung des Herstellungsaufwandes erzielt werden. Die Vorrichtung ist daher besonders geeignet für die Verwendung in Nutzerendgeräten wie Handys oder Navigationssystemen oder in Basisstationen von drahtlosen Kommunikationsnetzwerken, die eine Lokalisierung von Nutzerendgeräten vornehmen.
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Die Erfindung ist grundsätzlich für jede Impulssignalform anwendbar, die bei einer Selbstmultiplikation zu einer Reduzierung der Halbwertszeitspanne des Signals führt. Als Halbwertszeitspanne wird die Zeitspanne zwischen denjenigen Zeitpunkten verstanden, an denen ein Impulssignal den halben Wert seiner Maximalamplitude annimmt. Es versteht sich, dass anstelle der Halbwertszeitspanne auch eine andere Zeitspanne gewählt werden kann, die sich auf einen anderen Wert der Amplitude des Impulssignals relativ zur Maximalamplitude des Impulssignals bezieht.
