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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit
eines Mischers gemäß Patentanspruch
1 sowie eine elektronische Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch
9.
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Stand der Technik
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In
Radarsystemen werden Mikrowellen-Mischer verwendet, um ein hochfrequentes
Sendesignal mit einem empfangenen Reflexionssignal zu mischen und
auf diese Weise ein Basisband-Signal mit einer niedrigeren Frequenz
zu gewinnen, das dennoch denselben Informationsgehalt wie das Reflexionssignal
aufweist. In sicherheitsrelevanten Systemen ist es erforderlich
die Mischerfunktion zu überwachen.
Im Stand der Technik wird trotzdem entweder keine oder nur eine
einfache und unsensible Überwachung
der Mischer verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Überprüfen der
Funktionsfähigkeit eines
Mischers anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiter ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine elektronische Schaltungsanordnung zum Überprüfen der
Funktionsfähigkeit
eines Mischers bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine elektronische
Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überprüfen der
Funktionsfähigkeit
eines Mischers wird dem Mischer ein Hochfrequenzsignal zugeführt, um
ein Basisband-Signal zu erzeugen. Dabei wird die Amplitude des Hochfrequenzsignals zeitabhängig verändert. Weiter
wird ein Gleichspannungsanteil des vom Mischer ausgegebenen Basisband-Signals
ausgewertet, um die Funktionsfähigkeit des
Mischers festzustellen. Vorteilhafterweise eignet sich das Verfahren
zum Überprüfen der
Funktionsfähigkeit
passiver und aktiver Mischer. Das Verfahren ist kostenneutral umzusetzen,
EMV- und EMC-verträglich
und erlaubt eine einfache Ansteuerung und Überwachung.
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In
einer Weiterbildung wird dem Mischer zusätzlich zum Hochfrequenzsignal
ein hochfrequentes Vergleichssignal zugeführt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Mischer Teil eines Radarsystems. Dabei wird das Hochfrequenzsignal
als Sendesignal des Radarsystems verwendet und als Vergleichssignal
ein durch das Radarsystem empfangenes Reflexionssignal verwendet.
Vorteilhafterweise gestattet dies eine Prüfung der Funktionsfähigkeit
der Mischers des Radarsystems, ohne dass hierfür die Beschaltung des Mischers
verändert
werden muss.
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Bevorzugt
wird ein zeitlicher Verlauf des Gleichspannungsanteils des Basisband-Signals ausgewertet.
Zur Absicherung gegenüber
anderen Einflüssen
kann die Modulationsfrequenz und dessen Amplitude im Spektrum verifiziert
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens wird die Amplitude des Hochfrequenzsignals mit einer
Amplitudenmodulationsfrequenz moduliert. Eine solche Amplitudenmodulation
kann vorteilhafterweise auf einfache Weise durch einen Verstärker mit
einstellbarem Verstärkungsfaktor
oder eine andere schaltbare Quelle erzeugt werden.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Höhe eines Signalpegels des Basisband-Signals bei
der Amplitudenmodulationsfrequenz des Hochfrequenzsignals mit einem
festgelegten Grenzwert verglichen, und der Mischer als funktionsfähig bewertet,
falls der Grenzwert überschritten
ist. Vorteilhafterweise werden bei einer solchen Auswertung in der Frequenzdomäne etwaige
Störeinflüsse, beispielsweise
durch Radarziele, eliminiert.
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In
einer zusätzlichen
Weiterbildung des Verfahrens wird die Amplitude des Hochfrequenzsignals während eines
ersten Zeitintervalls mit einer ersten Amplitudenmodulationsfrequenz
moduliert und während
eines zweiten Zeitintervalls mit einer zweiten Amplitudenmodulationsfrequenz
moduliert. Vorteilhafterweise kann dadurch eine zufällige Überlagerung
der Amplitudenmodulationsfrequenz mit einem Signal, dass durch eine
Reflexion an einem in der Umgebung des Radarsystems befindlichen
Objekt erzeugt wird, erkannt werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Verfahrens weist das Hochfrequenzsignals während eines ersten Zeitintervalls
eine erste zeitlich konstante Amplitude auf und während eines
zweiten Zeitintervalls eine zweite zeitlich konstante Amplitude
auf. Dabei wird der Mischer als funktionsfähig bewertet, falls der Gleichspannungsanteil
des Basisband-Signals im zweiten Zeitintervall einen anderen Betrag
als im ersten Zeitintervall aufweist. Vorteilhafterweise ist das
Verfahren in dieser Ausführungsform
noch einfacher durchführbar.
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Eine
erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung
umfasst einen Mischer zum Mischen eines Hochfrequenzsignals und
eines hochfrequenten Vergleichsignals und zum Ausgeben eines Basisband-Signals.
Dabei ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Amplitude des Hochfrequenzsignals
zeitabhängig
zu verändern.
Außerdem
ist eine Auswertschaltung vorgesehen, um anhand eines Vergleichs
einer zeitlichen Änderung
eines Gleichspannungsanteils des Basisband-Signals mit der zeitlichen Änderung
der Amplitude des Hochfrequenzsignals die Funktionsfähigkeit
des Mischers zu beurteilen. Vorteilhafterweise eignet sich die Schaltungsanordnung
zum Überprüfen der
Funktionsfähigkeit
passiver und aktiver Mischer. Sie ist EMV- und EMC-verträglich und
erlaubt eine einfache Ansteuerung und Überwachung.
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Bevorzugt
ist der Mischer Teil eines Radarsystems.
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Zweckmäßigerweise
ist der Mischer ein Diodenmischer oder eine Gilbert-Zelle.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei
werden für
gleiche oder gleich wirkende Teile einheitliche Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen:
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1 ein
schematisches Schaltbild eines Radarsystems und
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2 eine
schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs eines amplitudenmodulierten Hochfrequenzsignals
und eines Basisband-Signals.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Radarsystems 100. Bei
dem Radarsystem 100 kann es sich beispielsweise um ein
frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar handeln. Das Radarsystem 100 kann
beispielsweise zur adaptiven Fahrgeschwindigkeitsregelung in einem
Kraftfahrzeug dienen.
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Das
Radarsystem 100 weist einen spannungsgesteuerten Oszillator 120 auf.
Der spannungsgesteuerte Oszillator dient zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals 210.
Das Hochfrequenzsignal 210 kann beispielsweise eine Frequenz
in der Größenordnung
von 77 GHz aufweisen. Bevorzugt erlaubt der spannungsgesteuerte
Oszillator eine Einstellung der Frequenz des Hochfrequenzsignals 210. Anstelle
des spannungsgesteuerten Oszillators 120 kann auch ein
anderes Bauteil zur Erzeugung des Hochfrequenzsignals 210 vorgesehen
sein.
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Das
Radarsystem 100 umfasst außerdem einen Verstärker 130 mit
einem einstellbaren Verstärkungsfaktor.
Der Verstärker 130 weist
einen Verstärkereingang 132,
einen Modulationseingang 134 und einen Verstärkerausgang 136 auf.
Der Verstärkereingang 132 ist
mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 120 verbunden und
empfängt
das Hochfrequenzsignal 210. Der Modulationseingang 134 empfängt ein
Modulationssignal 220. Über
das am Modulationseingang 134 anliegende Modulationssignal 220 kann
der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 130 eingestellt
werden. Der Verstärker 130 verstärkt das
am Verstärkereingang 132 anliegende
Hochfrequenzsignal 210 und gibt es als verstärktes Hochfrequenzsignal 230 über den
Verstärkerausgang 136 aus.
Falls sich die Größe des am
Modulationseingang 134 anliegenden Modulationssignals 220 zeitabhängig ändert, so
wird das am Verstärkereingang 132 anliegende
Hochfrequenzsignal 210 durch den Verstärker 130 zusätzlich amplitudenmoduliert
und als amplitudenmoduliertes verstärktes Hochfrequenzsignal 230 ausgegeben.
Falls am Modulationseingang 134 ein zeitlich konstantes
Signal anliegt, so führt
der Verstärker 130 keine
Amplitudenmodulation durch.
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Das
Radarsystem 100 umfasst weiter eine Antenne 150 zum
Aussenden des Hochfrequenzsignals 230. Die Antenne 150 kann
auch zum Empfangen eines von eventuellen Objekten in der Umgebung
des Radarsystems 100 reflektierten Vergleichssignals 240 dienen.
In diesem Fall trennt ein in 1 nicht
dargestellter Zirkulator das ausgesandte Hochfrequenzsignal 230 und
das empfangene Vergleichssignal 240. Alternativ können zum
Aussenden und zum Empfangen getrennte Antennen 150 verwendet werden,
wie in 1 dargestellt.
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Das
Radarsystem 100 umfasst außerdem einen Mischer 110 mit
einem LO-Eingang 112,
einem RF-Eingang 114 und einem Basisband-Ausgang 116. Der
Mischer 110 ist ein Mikrowellen-Mischer zur Frequenzumsetzung.
Der Mischer 110 kann ein passiver Diodenmischer oder ein
aktiver Mischer, beispielsweise eine Gilbert-Zelle sein. Der LO-Eingang 112 ist mit
dem Verstärkerausgang 136 verbunden
und empfängt
das verstärkte
Hochfrequenzsignal 230. Am RF-Eingang 114 liegt das Vergleichssignal 240 an.
Das am LO-Eingang 112 anliegende Signal 230 und
das am RF-Eingang 114 anliegende Signal weisen ungefähr die gleiche
Frequenz auf. Der Mischer 110 kann ein homodyner bzw. monodyner
Mischer sein.
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Der
Mischer 110 multipliziert das verstärkte Hochfrequenzsignal 230 mit
dem Vergleichssignal 240. Anders ausgedrückt wird
dem Vergleichssignal 240 das verstärkte Hochfrequenzsignal 230 aufmoduliert.
Dadurch erzeugt der Mischer 110 ein Basisband-Signal 250,
das über
den Basisband-Ausgang 116 ausgegeben wird. Das Basisband-Signal 250 enthält Signalanteile,
deren Frequenz der Differenz der Frequenzen des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 und
des Vergleichssignals 240 entsprechen.
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Während des
normalen Betriebs des Radarsystems 100 wird die Frequenz
des Hochfrequenzsignals 210 und entsprechend auch des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 im
zeitlichen Verlauf rampenförmig
geändert.
Am Modulationseingang 134
des Verstärkers 130 liegt ein
zeitlich konstantes Modulationssignal 220 an, so dass der
Verstärker 130 das
verstärkte
Hochfrequenzsignal nicht amplitudenmoduliert. Das verstärkte Hochfrequenzsignal 230 wird über die
Antenne 150 ausgesandt. In der Umgebung des Radarsystems 100 befindliche
Objekte reflektieren das verstärkte
Hochfrequenzsignal 230 zurück zur Antenne 150,
wo es als Vergleichssignal 240 empfangen wird. Wegen der
Laufzeit des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 zum
reflektierenden Objekt und zurück
zur Antenne 150 hat sich die Frequenz des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 bis
zum Zeitpunkt des Empfangs des Vergleichssignals 240 bereits
geändert,
so dass zwischen dem verstärkten Hochfrequenzsignal 230 und
dem empfangenen Vergleichssignal 240 eine Frequenzdifferenz
besteht, die vom Abstand des reflektierenden Objekts vom Radarsystem 100 abhängt. Der
Mischer 110 erzeugt das Basisband-Signal 250,
dessen Frequenz dieser Frequenzdifferenz entspricht. Eine Auswertschaltung schließt dann
von der Frequenz des Basisband-Signals 250 auf
den Abstand des reflektierenden Objekts vom Radarsystem 100.
Um auch durch zwischen dem Radarsystem 100 und dem reflektierenden
Objekt bestehende Relativgeschwindigkeiten verursachte Doppler-Verschiebungen
auszugleichen, können
mehrere aufeinander folgende Messzyklen durchgeführt werden, bei denen die zeitliche Änderung
der Frequenz von Hochfrequenzsignal 210 und verstärktem Hochfrequenzsignal 230 mit
unterschiedlichen Steigungen erfolgt.
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Falls
die Frequenzdifferenz zwischen dem verstärkten Hochfrequenzsignal 230 und
dem Vergleichssignal 240 klein ist, so ist auch die Frequenz des
durch den Mischer 110 erzeugten Basisband-Signals 250 klein.
Falls das verstärkte
Hochfrequenzsignal 230 und das Vergleichssignal 240 die
gleiche Frequenz aufweisen, so gibt der Mischer 110 am
Basisband-Ausgang 116 eine Gleichspannung aus, oder das
Basisband-Signal 250 weist einen Gleichspannungsanteil
auf. In der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass die Größe des Gleichspannungsanteils
im Basisband-Signal 250 bei einem funktionsfähigen Mischer 110 von
der Amplitude des verstärkten
Hochfrequenzsignals 230 abhängt, während dies bei einem defekten
Mischer 110 nicht der Fall ist. In einer vereinfachten
Ausführungsform
muss dem Mischer 110 kein Vergleichssignal 240 zugeführt werden.
Auch ohne anliegendes Vergleichssignal 240 weist das durch
den Mischer 110 ausgegebene Basisband-Signal 250 einen
Gleichspannungsanteil auf, dessen Größe im Falle eines funktionsfähigen Mischers 110 von
der Amplitude des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 abhängt.
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In
beiden Fällen
lässt sich
aus dem Vorhandensein einer Abhängigkeit
der Höhe
des Gleichspannungsanteils des Basisband-Signals 250 von der
Amplitude des verstärkten
Hochfrequenzsignals 230 auf die Funktionsfähigkeit
des Mischers 110 schließen. Zu diesem Zweck weist
das Radarsystem 100 eine Einrichtung zur Amplitudenmodulation 160 auf,
die mit dem Modulationseingang 134 des Verstärkers 130 verbunden
ist. Die Einrichtung zur Amplitudenmodulation 160 gibt
das Modulationssignal 220 aus, um den Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 130 zeitabhängig zu ändern und
dadurch die Amplitude des durch den Verstärker 130 ausgegebenen verstärkten Hochfrequenzsignals 230 zu
modulieren. Das Radarsystem 100 weist außerdem eine
Auswertschaltung 140 auf, die das durch den Mischer 110 ausgegebene
Basisband-Signal 250 empfängt und auswertet. Die Auswertschaltung 140 ist
auch mit der Einrichtung zur Amplitudenmodulation 160 verbunden,
um die Amplitudenmodulation zu steuern. Die Auswertschaltung 140 prüft, ob sich
ein Gleichspannungsanteil des Basisband-Signals 250 entsprechend
der durch die Einrichtung zur Amplitudenmodulation 160 durchgeführten Amplitudenmodulation
des verstärkten
Hochfrequenzsignals 230 ändert. Ist dies der Fall, so
schlussfolgert die Auswertschaltung 140, dass der Mischer 110 funktionsfähig ist.
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Bevorzugt
findet eine solche Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
des Mischers 110 während
eines Zeittraums statt, während
der sich die Frequenz des Hochfrequenzsignals 210 und des
verstärkten Hochfrequenzsignals 230 zeitlich
nicht oder kaum ändert.
Ein Messzyklus zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
des Mischers 110 kann beispielsweise 1 Millisekunde dauern.
Anschließend
wird die Amplitudenmodulation des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 abgeschaltet
und das Radarsystem 100 wieder in den gewöhnlichen
Betrieb überführt.
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Die
Amplitude des verstärkten
Hochfrequenzsignals 230 kann zeitlich periodisch mit einer Amplitudenmodulationsfrequenz
moduliert werden. 2 zeigt exemplarisch einen zeitlichen
Verlauf eines derart amplitudenmodulierten verstärkten Hochfrequenzsignals 230.
Ebenfalls schematisch in 2 dargestellt ist der erwartete
zeitliche Verlauf des Basisband-Signals 250 im Falle eines
funktionsfähigen Mischers 110.
Die Höhe
des Gleichspannungsanteils des Basisband-Signals 250 ist
ebenfalls mit der Amplitudenmodulationsfrequenz moduliert. Eine
eventuelle Phasenverschiebung zwischen dem verstärkten Hochfrequenzsignal 230 und
dem Basisband-Signals 250 wurde in 2 nicht
berücksichtigt
und spielt für die
weitere Auswertung keine Rolle.
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Die
Auswertschaltung 140 kann das amplitudenmodellierte Basisband-Signal 250 beispielsweise in
der Frequenzdomäne
auswerten. Hierzu führt
die Auswertschaltung 140 eine Fouriertransformation des
empfangenen Basisband-Signals 250 durch und prüft, ob das
so gewonnene Spektrum des Basisband-Signals 250 ein Maximum
bei der Amplitudenmodulationsfrequenz aufweist. Vorteilhafterweise werden
etwaige Störeinflüsse bei
anderen Frequenzen dadurch eliminiert.
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Um
eine zufällige Überlagerung
der Amplitudenmodulationsfrequenz mit durch eine Reflexion an einem
Objekt in der Umgebung des Radarsystems 100 verursachten
Signalanteilen im Basisband-Signal 250 auszuschließen, können zwei
oder mehr aufeinander folgende Zyklen mit unterschiedlichen Amplitudenmodulationsfrequenzen
durchgeführt
werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung kann die Auswertung des Basisband-Signals 250 durch
die Auswertschaltung 140 auch in der Zeitdomäne erfolgen.
Hierbei kann beispielsweise die Amplitude des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 nicht
periodisch moduliert, sondern lediglich zwischen einem ersten und
einem zweiten Wert umgeschaltet werden. Beim Wechsel zwischen dem
ersten Wert der Amplitude des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 und
dem zweiten Wert der Amplitude des verstärkten Hochfrequenzsignals 230 sollte
sich bei einem funktionsfähigem
Mischer 110 auch die Größe des Gleichspannungsanteils
des Basisband-Signals 250 ändern. Ist dies nicht der Fall,
so kann auf einen defekten Mischer 110 geschlossen werden.
