DE102009050796B4

DE102009050796B4 - Verfahren und Anordnung zur Messung der Signallaufzeit zwischen einem Sender und einem Empfänger

Info

Publication number: DE102009050796B4
Application number: DE102009050796.5A
Authority: DE
Inventors: Roland Gierlich; Jörg Hüttner; Dr. Ziroff Andreas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: CL2012001061A1; DE102009050796A1; AU2010311632A1; WO2011051209A1; US20120268141A1; CA2778921A1; CN102597800A

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Laufzeit τ eines Signals zwischen einer Sendeeinheit (100) und einer Empfangseinheit (200), bei dem – in einem ersten Schritt von der Sendeeinheit (100) ein gepulstes Sendesignal Str erzeugt und ausgesendet wird, wobei das Sendesignal Str ein breitbandiges Spektrum SPEKtr mit einer Vielzahl von Linien w aufweist, – in einem zweiten Schritt das ausgesendete Signal Str von der Empfangseinheit (200) empfangen wird, wobei das empfangene Signal Srx ein breitbandiges Spektrum SPEKrx mit einer Vielzahl von Linien m aufweist, – in einem dritten Schritt in der Empfangseinheit (200) eine Kanalimpulsantwort hn des empfangenen Signals Srx ermittelt wird und – in einem vierten Schritt aus der Kanalimpulsantwort hn die Laufzeit τ ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Sendeeinheit (100) eine UWB-Sendeeinheit (100) und als Empfangseinheit eine FSCW-Empfangseinheit (200) verwendet werden.

Description

Verfahren und Anordnung zur Messung der Signallaufzeit zwischen einem Sender und einem Empfänger Die Erfindung betrifft eine Messung der Signallaufzeit zwischen einem UWB-Sender und einem FSCW-Empfänger.
Eine genaue Bestimmung der Position eines Funksenders bzw. des Abstands des Funksenders von einer Basisstation o. ä. ist bspw. im industriellen Umfeld von Bedeutung. Dabei ist es neben der Forderung nach kosten- und stromsparenden Messsystemen insbesondere für Anwendungen in geschlossenen Räumen oder Hallen aufgrund von möglichen störenden Mehrwegereflexionen notwendig, Messsysteme mit hoher Auflösung einzusetzen, um Fehler in der Abstandsmessung zu vermeiden. Bspw. UWB-Signale (”ultra wide band” bzw. Ultra-Breitband) bieten eine hohe Signalbandbreite und versprechen deshalb eine vergleichsweise hohe Auflösung und eine höhere Genauigkeit.
Für die Positions- bzw. Abstandsbestimmung sind verschiedene Methoden bekannt, die bspw. optische Signale, Ultraschall-Signale oder Funksensoriken nutzen. In der Regel wird auf den eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Abstand und der Laufzeit des Signals zurück gegriffen, d. h. letztlich handelt es sich wie auch in der vorliegenden Erfindung um eine Laufzeitmessung. Die Begriffe ”Abstandsmessung” und ”Laufzeitmessung” können daher im Folgenden im Prinzip synonym verwendet werden.
Insbesondere die Verfahren zur Abstandsmessung mit Hilfe von Funksignalen lassen sich in drei Kategorien einteilen:

– Kommunikationsbasierte Systeme: Hier wird das primär zu Kommunikationszwecken verwendete Signal zur Entfernungsmessung eingesetzt. Da in vielen Kommunikationssystemen geringere Ansprüche an die Synchronisation gestellt werden bzw. ein nur sehr schmalbandiger Funkkanal zur Verfügung steht, sind keine hohen erreichbaren Genauigkeiten der Abstandsmessung zu erwarten.
– FMCW-/FSCW-Lösungen: Diese Systeme arbeiten in den ISM-Bändern (”Industrial, Scientific, and Medical”) und ermöglichen die Bestimmung eines Entfernungswertes ähnlich wie beim klassischen FMCW-Radar (frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal bzw. frequency modulated continuous wave) durch das Durchstimmen einer Sendefrequenz. Dabei werden zum Einen transponderbasierte bzw. sog. ”Backscatter”-Lösungen eingesetzt und zum Anderen Empfänger, die sich hierauf synchronisieren können. Diese Systeme sind in ihrer Nutzung auf die hierfür freigegebenen Bänder beschränkt. In der Regel sind dies die ISM-Bänder, bei denen bspw. im 24 GHz Band eine Bandbreite von 80 MHz und im 5,8 GHz Band eine Bandbreite von 150 MHz zur Verfügung stehen.
– UWB-Systeme: Diese Systeme nutzen neue Regulierungsvorschriften aus, die die Aussendung von sehr breitbandigen Signalen erlauben, die jedoch eine sehr geringe spektrale Leistungsdichte aufweisen. Entsprechende UWB-Systeme sind bspw. aus DE 10 2006 010 380 A1 , US 7418029 B2 , US 2006/033662 A1 oder US 6054950 A bekannt. Die Empfängerarchitekturen können bspw. nicht-kohärente Empfänger mit Leistungsdetektoren sein, wobei sich bei einer reinen Leistungsdetektion die Genauigkeit der Entfernungsmessung verschlechtert. Zum Anderen können auch kohärente Empfänger eingesetzt werden, die jedoch entweder sehr lange Korrelationszeiten benötigen oder eine extrem hohe Abtastrate. In der Regel besteht der Empfänger aus einer Korrelatoreinheit, in der die empfangene Pulssequenz mit einer lokal generierten Sequenz korreliert wird. Die Realisierung eines solchen Empfängers ist jedoch vergleichsweise aufwändig, da derzeit keine kommerziellen IC-Komponenten verfügbar sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Möglichkeit anzubieten, einen Abstand zwischen einem Sender und einem Empfänger zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Laufzeit τ eines Signals zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit, wird

– in einem ersten Schritt von der Sendeeinheit ein gepulstes Sendesignal S_tr erzeugt und ausgesendet, wobei das Sendesignal S_tr ein breitbandiges Spektrum SPEK_tr mit einer Vielzahl von Linien w aufweist,
– in einem zweiten Schritt das ausgesendete Signal S_tr von der Empfangseinheit empfangen, wobei das empfangene Signal S_rx ein breitbandiges Spektrum SPEK_rx mit einer Vielzahl von Linien m aufweist,
– in einem dritten Schritt in der Empfangseinheit eine Kanalimpulsantwort h_n des empfangenen Signals S_rx ermittelt und
– in einem vierten Schritt aus der Kanalimpulsantwort h_n die Laufzeit τ ermittelt.

Erfindungsgemäß werden als Sendeeinheit eine UWB-Sendeeinheit und als Empfangseinheit eine FSCW-Empfangseinheit verwendet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird nach dem zweiten Schritt zunächst aus dem breitbandigen Spektrum SPEK_rx des empfangenen Signals S_rx ein Teilspektrum TSPEK_rx, das einen Frequenzbereich B mit einer schmaleren Bandbreite H_LPR und mit einer geringeren Anzahl von Linien m' abdeckt, ausgewählt. Im dritten Schritt wird dann anhand der Linien m' des ausgewählten Teilspektrums TSPEK_rx die Kanalimpulsantwort h_m. ermittelt. Aus dieser Kanalimpulsantwort h_m. wird schließlich im vierten Schritt die Laufzeit τ bestimmt.
In einer alternativen Weiterbildung des Verfahrens erfolgt dieses in mehreren Teilschritten k mit k = 1, 2, 3, ..., wobei

– nach dem zweiten Schritt zunächst aus dem breitbandigen Spektrum SPEK_rx des empfangenen Signals S_rx ein Teilspektrum TSPEK_rx(k), das einen Frequenzbereich B(k) mit einer schmaleren Bandbreite H_LPR und mit einer geringeren Anzahl von Linien m' abdeckt, ausgewählt wird, wobei in jedem Teilschritt k ein anderes schmalbandiges Teilspektrum TSPEK_rx(k) ausgewählt wird,
– im dritten Schritt anhand der Linien m' des ausgewählten Teilspektrums TSPEK_rx(k) die Kanalimpulsantwort h_m'(k) ermittelt wird und
– im vierten Schritt aus dieser Kanalimpulsantwort h_m'(k) die Laufzeit τ bestimmt wird.

In einer Weiterbildung dieser Alternative wird in einem Teilschritt k zur Auswahl eines Teilspektrums TSPEK_rx(k) ein Referenzsignal S_LO(k), insbesondere ein Lokaloszillator-Signal, mit einer Frequenz f_LO(k) erzeugt wird, wobei

– das empfangene Signal S_rx in einem Mischer mit dem LO-Signal S_LO(k) heruntergemischt wird und
– aus dem daraus resultierenden Ausgangssignal des Mischers der schmalerbandige Frequenzbereich B(k) ausgewählt wird.

Die Frequenz f_LO = f_LO(k) des Referenzsignals S_LO(k) wird dabei für die einzelnen Teilschritte k stufenweise verändert.
In einer erfindungsgemäßen Abstandsmessanordnung zur Messung einer Signallaufzeit τ zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfangeeinheit, ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit

– ausgebildet ist als Ultrabreitband-Sender, der geeignet ist zum Aussenden eines gepulstens Sendesignals S_tr, wobei das Sendesignal S_tr ein breitbandiges Spektrum SPEK_tr mit einer Vielzahl von Linien w aufweist, und die Empfangseinheit
– einen FSCW-Empfänger zum Empfangen des ausgesendeten Sendesignals S_tr aufweist, wobei das empfangene Signal S_rx ein breitbandiges Spektrum SPEK_rx mit einer Vielzahl von Linien m umfasst; und
– eine Auswerteeinheit aufweist, die ausgebildet ist, um aus dem empfangenen Signal S_rx eine Kanalimpulsantwort h_n und aus der Kanalimpulsantwort h_n die Signallaufzeit τ zu ermitteln.

In einer Weiterbildung der Abstandsmessanordnung weist die Empfangseinheit weiterhin auf:

– einen einstellbaren Lokaloszillator zum Erzeugen eines Lokaloszillator-Signals S_LO(k), wobei das Signal S_LO(k) eine Frequenz f_LO(k) aufweist, welche in Schritten k mit k = 1, 2, ... einstellbar ist,
– einen Mischer, dem das empfangene Signal S_rx und das LO-Signal S_LO(k) zuführbar sind und in dem diese Signale in ein Basisbandsignal gemischt werden,

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Weiterhin weist die Empfangseinheit einen Filter auf, dem das Basisbandsignal zugeführt ist und in dem aus dem Spektrum des Basisbandsignals ein schmalerbandiges Teilspektrum TSPEK_rx(k) auswählbar ist, wobei an Stelle des Ausgangssignals des Mischers das Ausgangssignal des Filters zur Ermittlung der Kanalimpulsantwort h_n und der Signallaufzeit τ in der Auswerteeinheit dient.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Vorteile eines UWB-Senders und die des FSCW-Empfängers aus:

– Zu den von einem UWB-Sender abgestrahlten UWB-Signalen sind auch kurze Hochfrequenzpulse zu zählen, wie sie in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen. Die Nutzung kurzer HF-Pulse erlaubt vorteilhafterweise den Aufbau stromsparender Sender. Darüber hinaus sind derartige Signale aufgrund ihrer hohen Bandbreite und kurzen Zeitdauer hervorragend für Abstandsmesssysteme geeignet.
– Entsprechend der US-amerikanischen Zulassungsbehörde FCC dürfen auch lediglich gepulste und nicht FMCW modulierte Signale ausgesendet werden. FSCW-Signale kommen in der Regel in der Radartechnik zum Einsatz. Aufgrund der Auswertung dieser Signale im Frequenzbereich über einen gewissen Zeitraum profitieren solche Systeme von einem hohem Prozessierungsgewinn.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen zum Einen in der simplen UWB-Sender-Architektur, zum Anderen in der etablierten schmalbandigen Empfängerstruktur.
Im einfachsten Fall ist senderseitig lediglich ein kohärent anschwingender Pulsgenerator notwendig, dessen Wiederholfrequenz durch eine Oszillatorschaltung vorgegeben wird.
Im Gegensatz zu klassischen UWB-Empfängersystemen ist eine schmalbandige Zwischenfrequenz-Architektur möglich, die vergleichbar mit der von FSCW-Systemen ist. Anders als bei UWB-Korrelationsempfängern mit festen Korrelationssignalen kann über die Wahl der Messdauer auch der Prozessierungsgewinn beeinflusst werden. Des Weiteren ermöglicht diese Architektur den quasikohärenten Empfang des UWB-Signals. Dies beinhaltet, dass das auszuwertende Signal nicht auf einmal empfangen, sondern kohärent zusammengesetzt wird. Demzufolge kann auch die Phaseninformation mit zur Auswertung genutzt werden. Dies ist prinzipbedingt für die exakte Bestimmung der Kanalimpulsantwort unabdingbar.
Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft zur Ortung und Abstandsmessung im industriellen Umfeld anwenden, wo robuste Lösungen und eine hohe Auflösung gefordert sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Laufzeitmessung,
2A, B das Sendesignal in Abhängigkeit von der Zeit und von der Frequenz,
3 die zeitliche Entwicklung der Phasen verschiedener Linien des Empfangsspektrums und
4 einen Ausschnitt aus dem Spektrum des Empfangssignals, dem einzelne Linien entsprechend den unterschiedlichen Frequenzen der Empfänger-Lokaloszillatorsignale überlagert sind.
Die 1 zeigt eine mobile Sendeeinheit 100 sowie einen Empfänger 200. Die Sendeeinheit 100 weist neben einer Antenne 130 einen Pulsgenerator 110 auf, der mit Hilfe eines kohärent anschwingenden Oszillators 120 ein breitbandiges Sendesignal S_tr, bspw. mit einer Bandbreite B_tr ≥ 500 MHz, um eine Mittelfrequenz f_tr des Oszillators 120, bspw. f_tr = 7,25 GHz, generiert. Das Frequenzspektrum besteht somit aus Linien im Abstand der Pulswiederholrate f_rep mit festem Phasenbezug zueinander.
Die Form und die Oszillationsfrequenz f_tr des Ausgangssignals des Oszillators 120 legen die Form und Position der Einhüllenden des Sendesignals S_tr im Spektrum fest. Durch das kohärente und periodische Ansteuern des Oszillators 120 entstehen die Frequenzlinien. Dabei liegen die Frequenzlinien bei den Frequenzen, die einem Vielfachen der periodischen Pulswiederholrate entsprechen.
Das Sendesignal S_tr besteht hier aus mehreren Pulsen, wobei zwei aufeinander folgende Pulse einen zeitlichen Abstand 1/f_rep aufweisen. Jeder Puls kann eine mit einem Rechtecksignal überlagerte bzw. multiplizierte Cosinusfunktion sein. Das Sendesignal S_tr lässt sich dann schreiben als
”δ” ist die Dirac-Funktion und ”rect(t-T_puls)” symbolisiert die Rechteckfunktion, wobei T_puls die Zeitspanne angibt, für die der Puls gesendet werden soll. Weiterhin gilt ω₀ = 2πf_tr.
Die 2A zeigt den zeitlichen Verlauf des von der Sendeeinheit 100 ausgesendeten gepulsten Sendesignals S_tr, während die 2B das Spektrum des Sendesignals S_tr darstellt. Dabei ist in den 2A, 2B im rechten Diagramm jeweils der im entsprechenden linken Diagramm markierte Ausschnitt vergrößert dargestellt.
Zur Bestimmung des Abstands zwischen Sender 100 und Empfänger 200 wird ausgenutzt, dass die Kanalimpulsantwort h(t) (bzw. deren Fouriertransformierte, die Transfer- oder auch Übertragungsfunktion H(ω)), die aus dem empfangenen Signal S_rx rekonstruiert werden kann, von der Laufzeit τ des Signals abhängt. Bekanntermaßen besteht im Frequenzraum zwischen dem Spektrum SPEK_tr des ausgesendeten Signals S_tr und dem Spektrum SPEK_rx des empfangenen Signals S_rx der Zusammenhang SPEK_rx(ω) = H(ω)·SPEK_tr(ω). Wie sich leicht zeigen lässt, lässt sich H_m(ω) für einen bestimmten Kanal m (d. h. für eine Frequenzlinie f_tr(m) = m·f_rep des Spektrums SPEK_tr mit m = 0, 1, 2 ...) beschreiben mit H_m(ω) = c_m·exp(–j·2π·m·f_rep·τ), wobei τ der Laufzeit des ausgesendeten Signals vom Sender 100 zum Empfänger 200 entspricht, c_m ein (komplexer) Koeffizient ist und f_rep wie oben erwähnt die Pulswiederholrate des ausgesendeten Signals ist.
Eine Fouriertransformation, insbesondere eine diskrete Fouriertransformation (DFT), der Transferfunktion H_m(ω) bzw. der Koeffizienten c_m der Transferfunktion liefert die Kanalimpulsantwort h_n(t) in der zeitlichen Domäne, aus der letztlich die Laufzeit τ bestimmt wird: h_n(t) = DFT{H_m(ω)) = c_n·δ(n/f_rep – τ)
Der Empfänger 200 (1) weist eine Antenne 210 zum Empfangen des vom Sender 100 ausgesendeten Signals S_tr auf. Das empfangene Zeitsignal S_rx ist entsprechend dem ausgesendeten Zeitsignal S_tr ebenfalls gepulst. Jedoch weist das empfangene Signal für jede Frequenzlinie m des Spektrums von S_rx eine Phasenverschiebung c_m·exp(–j·2π·m·f_rep·τ) gegenüber der Phase der entsprechenden Frequenzlinie des Spektrums von S_tr auf, wobei τ der Laufzeit eines ausgesendeten Signals vom Sender 100 zum Empfänger 200 entspricht und wobei c_m der oben eingeführte komplexe Koeffizient ist.
Dies ist in der 3 für verschiedene Frequenzen f(m) mit m = 1, 2, 3, ..., w – 2, w – 1, w dargestellt, wobei angenommen wird, dass das Spektrum des Sendesignals eine Anzahl w verschiedene Linien aufweist. Zu einem Zeitpunkt τ, der der Laufzeit entspricht, weisen die verschiedenen Linien m des Spektrums im Empfänger unterschiedliche Phasen Φ(m) auf. Dabei ist die Laufzeit τ zwar in der Phase jeder einzelnen Linie enthalten. Aufgrund der Periodizität und des damit verbundenen schmalen Eindeutigkeitsbereiches kann die Laufzeit aus der Phaseninformation einer einzelnen Linie nicht eindeutig reproduziert werden. Es ist jedoch möglich, aus den Phasenverschiebungen für mehrere verschiedene Linien m des Spektrums des Empfangssignals auf die Laufzeit τ zu schließen. Das Ziel ist es also, für die einzelnen Linien m des Spektrums SPEK_rx des Empfangssignals S_rx die Koeffizienten c_m zu ermitteln (sowohl Phase als auch Amplitude).
Hierzu wird das empfangene Signal S_rx zunächst in einem Verstärker 220 verstärkt, resultierend in einem verstärkten Signal S_rx'. Prinzipiell wäre es möglich, an dieser Stelle die weitere Signalverarbeitung, umfassend

a) die Ermittlung der Kanalimpulsantwort anhand der Linien m des Spektrums SPEK_rx sowie
b) die Bestimmung der Laufzeit τ aus der Kanalimpulsantwort, auszuführen.

Es ist jedoch vorteilhaft, das empfangene und ggf. verstärkte Signal zunächst in ein Basisband herunter zu mischen, anschließend mit Hilfe eines Filters aus dem Basisband einen schmalbandigen Frequenzbereich zu wählen, der nur noch eine bestimmte Anzahl von Linien enthält, und schließlich anhand dieser Linien die Signalverarbeitung mit a) und b) auszuführen. Aufgrund der somit geringeren zu verarbeitenden Datenmenge werden entsprechend geringere Anforderungen an die Hardware gestellt.
Dieses Verfahren erfolgt in mehreren Teilschritten k, wobei in jedem Teilschritt k ein anderer schmalbandiger Frequenzbereich B(k) ausgewählt wird. B(k) entspricht also einem schmalbandigen Teilspektrum TSPEK_rx des Spektrums SPEK_rx, das einen Frequenzbereich B mit einer schmaleren Bandbreite H_LPR und mit einer geringeren Anzahl von Linien m' abdeckt als das volle Spektrum SPEK_rx.
Das verstärkte Signal S_rx' wird zur Überführung in das Basisband in einem Mischer 230 mit einem in einem Lokaloszillator 240 lokal generierten Oszillatorsignal S_LO der LO-Frequenz f_LO(k) heruntergemischt und somit reel abgetastet. Das dem Mischer 230 entnehmbare Signal wird zunächst in einem Filter 250 gefiltert, wodurch aus dem Basisbandsignal ein schmalbandiger Frequenzbereich B(k) herausgefiltert wird, und anschließend zur weiteren Verarbeitung einem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) 260 zugeführt. Der Filter 250 weist eine Bandbreite H_LPR auf, bspw. kann der Filter als rechteckiger Tiefpassfilter ausgelegt sein. Der Empfänger 200 ist entsprechend der Bandbreite B_tr des Sendesignals S_tr ebenfalls breitbandig ausgelegt.
Die Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO des Empfängers 200 ist einstellbar. Dies wird beim erfindungsgemäßen Verfahren genutzt, um die Frequenz f_LO wie bei einem FSCW-Radar-System in Stufen k mit k = 0, 1, 2, ... über das gesamte UWB-Empfangsband zu verstellen, wobei die Differenz Δf_LO = f_LO(k) – f_LO(k – 1) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilschritten k – 1, k konstant bleibt. Dabei ist das UWB-Empfangsband identisch zum UWB-Sendeband des Senders 100.
In einem Teilschritt k wird ein Signal S_LO(k) mit der Frequenz f_LO(k) erzeugt, wobei dieses Signal S_LO(k) in Bezug auf die Phase des vorhergehenden Signals S_LO(k – 1) phasenrichtig erzeugt wird. D. h. zu jedem Zeitpunkt und zu jeder Frequenzstufe k ist die relative Phase des LO-Signals S_LO(k) bekannt (d. h. die Phasenbeziehung zwischen zwei Signalen S_LO(k), S_LO(k + 1) ist bekannt). Die 4 zeigt zur Erläuterung ein Diagramm, in dem sowohl die Frequenzen f_LO(k) des Empfänger-Oszillators 240 dargestellt sind als auch das Spektrum des Empfangssignals S_rx mit Linien m bei Frequenzen f_rx(m) sowie (angedeutet) die resultierenden schmalbandigen Frequenzbereiche B(k). Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige weniger Linien f_rx(m – 1), f_rx(m), f_rx(m + 1) ausgezeichnet.
Benachbarte Frequenzen wie bspw. f(k – 1), f(k), f(k + 1) und die Bandbreite des Filters 250 können so aufeinander abgestimmt werden, dass sich die entsprechenden Frequenzbereiche B(k – 1), B(k), B(k + 1), die jeweils eine Bandbreite H_LPR abdecken, an den Rändern überlappen. Alternativ kann die Abstimmung auch derart sein, dass keine Überlappung benachbarter Frequenzbereiche B auftritt.
Die weitergehende Signalverarbeitung im A/D-Wandler 260 beinhaltet zumindest die oben beschriebenen Schritte a) und b), bei denen in jedem Teilschritt k anhand der im Frequenzbereich B(k) liegenden Linien in an sich bekannter Weise die Kanalimpulsantwort h_k ermittelt und aus der Kanalimpulsantwort h_k die Laufzeit τ bestimmt wird. Zur Ermittlung der Kanalimpulsantwort werden zunächst die Koeffizienten c bestimmt, gefolgt von einer Fouriertransformation.
Der hier vorgeschlagene Ansatz zur Messung des Abstandes zwischen Sender 100 und Empfänger 200 basiert auf einem sukzessiven Abtasten des Spektrums SPEK_rx des Empfangssignals S_rx, wobei bei jedem Teilschritt k und damit mit jeder Frequenz f_LO(k) jeweils ein durch den Filter 250 vorgegebener schmalbandiger Frequenzbereich B(k) mit einer Bandbreite H_LPR des Linienspektrums des Empfangssignals S_rx verarbeitet wird. Es werden keine einzelnen Pulse mehr ausgewertet, sondern das komplexe Signal der jeweiligen Frequenzlinie.
Das durch das Pulsen des Senders 100 entstandene Linienspektrum (2B) wird im Empfänger 200 mit Hilfe des Mischers 230 sukzessive, quasikohärent in ein schmalbandiges Basisbandsignal umgesetzt werden. Durch eine Analyse der Frequenzlinien in diesem schmalbandigen Signal können die Frequenzlinien einfach mit dem A/D-Wandler 260 mit moderater Abtastrate im MHz-Bereich erfasst werden. Die Basisbandbreite sollte hier vorteilhafterweise mindestens den Frequenzlinienabständen Δf_LO entsprechen.
Wichtig ist hierbei eine bekannte Phasenbeziehung zwischen dem Oszillator 240 und dem A/D-Wandler 260. Zur weiteren Signalverarbeitung wird das Ausgangssignal des Filters 250 im A/D-Wandler 260 in die digitale Ebene überführt. Die bei der A/D-Wandlung verwendeten Abtastzeitpunkte legen ebenfalls den Phasenbezug zum Signal fest.
Aus der Phasenbeziehung der so jeweils hintereinander aufgenommen Frequenzlinien wird die zeitliche Information gewonnen. Zunutze macht man sich hierbei die Tatsache, dass sich zwischen zwei benachbarten Frequenzlinien des empfangenen Spektrums aufgrund der Laufzeit τ ein Phasenunterschied ΔΦ = 2π·Δf·τ ausbildet.
Da der absolute Startzeitpunkt nicht bekannt ist, werden letztlich lediglich die Laufzeitunterschiede in eine TDoA (time difference of arrival) Ansatz ausgewertet.
Das Verfahren zur Abstandsmessung lässt sich folgendermaßen zusammenfassen:

– Der UWB-Sender 100 sendet ein gepulstes Zeitsignal S_tr aus. Das entsprechende Spektrum des gepulsten Signals weist Linien auf, deren Abstand voneinander der Pulswiederholrate entspricht.
– Der Empfänger 200 verarbeitet pro Zeitschritt Δt nicht das komplette Signal im Spektrum, sondern nur einzelne Linien daraus. Diese werden sukzessive zusammengesetzt, indem die LO-Frequenz f_LO(k) des Empfangsoszillators in Stufen k (je Zeitschritt Δt eine Stufe k) stufenweise durchgeschaltet wird, bis das gesamte Sendespektrum erfasst ist.
– Im Empfangsspektrum ist auch die Kanalimpulsantwort enthalten. Diese wird sukzessive zusammengesetzt. - Die Kanalimpulsantwort gibt Auskunft über die Laufzeit τ der Signale vom Sender 100 zum Empfänger 200 bzw. über den dazwischen liegenden Abstand d.

Eine mehrdimensionale Position p kann bspw. mit Hilfe des sog. ”TDoA”-Verfahrens (time difference of arrival) über die Zeitdifferenzen zu verschiedenen Empfängern bestimmt werden. Davon ausgehend, dass mehrere Empfänger bzw. Basisstationen vorhanden sind, kann ein Mehrkanalsystem in den Basisstationen die Zeitdifferenz zwischen den einfallenden Kanälen liefern. Der Laufzeitunterschied zwischen mehreren Kanälen des Empfängers wird ausgewertet. Somit erhält man eine Information, die mit dem bekannten TDoA-Verfahren ausgewertet werden kann.
Alternativ können synchrone Basisstationen bzw. Empfänger ”gleichzeitig” jeweils eine Messung ausführen. Dieses Verfahren ist ähnlich dem oben beschriebenen, allerdings sind hier die Stationen zueinander synchronisiert, bspw. über eine geeignete Funkschnittstelle.
Alternativ ist auch eine TDoA-Messung über einen Referenzübertrager möglich, wobei ein zusätzlicher UWB-Sender als Referenz fungiert. Durch eine unterschiedliche Pulswiederholfrequenz bzw. durch eine geeignete Modulation können der Referenzsender und die mobilen Sender unterschieden werden. Zudem ist bei mehreren Basisstationen nur eine grobe Synchronisation aufgrund des geringen Frequenzunterschieds zwischen den Sendern notwendig.
Die Qualität, bspw. das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und das Phasenrauschen, des Basisbandsignals ist stark abhängig von der Qualität der im Sender und im Empfänger verwendeten Oszillatoren. Um einen möglichen Phasendrift zu kompensieren, kann die Filterbandbreite des ZF- und Basisband-Filters 250 und der Abstand zweier LO-Frequenzen f_LO(k), f_LO(k + 1) so gewählt werden, dass mindestens eine Linie des Empfangssignals in beiden Basisbandsignalen vorhanden ist.
Um den genauen Frequenzversatz der Oszillatoren in Sender 100 und Empfänger 200 zu bestimmen, kann das Empfangssignal S_rx bei einer konstanten Frequenz f_LO über eine längere Zeit Δt aufgenommen werden und dessen Frequenzen genau bestimmt werden. Die längere Beobachtungsdauer erhöht den Prozessierungsgewinn und vergrößert dadurch den Signal-zu-Rausch-Abstand.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Laufzeit τ eines Signals zwischen einer Sendeeinheit (100) und einer Empfangseinheit (200), bei dem – in einem ersten Schritt von der Sendeeinheit (100) ein gepulstes Sendesignal S_tr erzeugt und ausgesendet wird, wobei das Sendesignal S_tr ein breitbandiges Spektrum SPEK_tr mit einer Vielzahl von Linien w aufweist, – in einem zweiten Schritt das ausgesendete Signal S_tr von der Empfangseinheit (200) empfangen wird, wobei das empfangene Signal S_rx ein breitbandiges Spektrum SPEK_rx mit einer Vielzahl von Linien m aufweist, – in einem dritten Schritt in der Empfangseinheit (200) eine Kanalimpulsantwort h_n des empfangenen Signals S_rx ermittelt wird und – in einem vierten Schritt aus der Kanalimpulsantwort h_n die Laufzeit τ ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Sendeeinheit (100) eine UWB-Sendeeinheit (100) und als Empfangseinheit eine FSCW-Empfangseinheit (200) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – nach dem zweiten Schritt zunächst aus dem breitbandigen Spektrum SPEK_rx des empfangenen Signals S_rx ein Teilspektrum TSPEK_rx, das einen Frequenzbereich B mit einer schmaleren Bandbreite H_LPR und mit einer geringeren Anzahl von Linien m' abdeckt, ausgewählt wird, – im dritten Schritt anhand der Linien m' des ausgewählten Teilspektrums TSPEK_rx die Kanalimpulsantwort h_m' ermittelt wird und – im vierten Schritt aus dieser Kanalimpulsantwort h_m' die Laufzeit τ bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in mehreren Teilschritten k mit k = 1, 2, 3, ... erfolgt, wobei – nach dem zweiten Schritt zunächst aus dem breitbandigen Spektrum SPEK_rx des empfangenen Signals S_rx ein Teilspektrum TSPEK_rx(k), das einen Frequenzbereich B(k) mit einer schmaleren Bandbreite H_LPR und mit einer geringeren Anzahl von Linien m' abdeckt, ausgewählt wird, wobei in jedem Teilschritt k ein anderes schmalbandiges Teilspektrum TSPEK_rx(k) ausgewählt wird, – im dritten Schritt anhand der Linien m' des ausgewählten Teilspektrums TSPEK_rx(k) die Kanalimpulsantwort h_m'(k) ermittelt wird und – im vierten Schritt aus dieser Kanalimpulsantwort h_m'(k) die Laufzeit τ bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teilschritt k zur Auswahl eines Teilspektrums TSPEK_rx(k) ein Referenzsignal S_LO(k), insbesondere ein Lokaloszillator-Signal, mit einer Frequenz f_LO(k) erzeugt wird, wobei – das empfangene Signal S_rx in einem Mischer (230) mit dem LO-Signal S_LO(k) heruntergemischt wird und – aus dem daraus resultierenden Ausgangssignal des Mischers (230) der schmalerbandige Frequenzbereich B(k) ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz f_LO = f_LO(k) des Referenzsignals S_LO(k) für die einzelnen Teilschritte k stufenweise verändert wird.
Abstandsmessanordnung zur Messung einer Signallaufzeit τ zwischen einer Sendeeinheit (100) und einer Empfangeeinheit (200), wobei die Sendeeinheit (100) – ausgebildet ist als Ultrabreitband-Sender, der geeignet ist zum Aussenden eines gepulstens Sendesignals S_tr, wobei das Sendesignal S_tr ein breitbandiges Spektrum SPEK_tr mit einer Vielzahl von Linien w aufweist, und die Empfangseinheit (200) – einen FSCW-Empfänger zum Empfangen des ausgesendeten Sendesignals S_tr aufweist, wobei das empfangene Signal S_rx ein breitbandiges Spektrum SPEK_rx mit einer Vielzahl von Linien m umfasst, und – eine Auswerteeinheit (260) aufweist, die ausgebildet ist, um aus dem empfangenen Signal S_rx eine Kanalimpulsantwort h_n und aus der Kanalimpulsantwort h_n die Signallaufzeit τ zu ermitteln.
Abstandsmessanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (200) weiterhin aufweist – einen einstellbaren Lokaloszillator (240) zum Erzeugen eines Lokaloszillator-Signals S_LO(k), wobei das Signal S_LO(k) eine Frequenz f_LO(k) aufweist, welche in Schritten k mit k = 1, 2, ... einstellbar ist, – einen Mischer (230), dem das empfangene Signal S_rx und das LO-Signal S_LO(k) zuführbar sind und in dem diese Signale in ein Basisbandsignal gemischt werden, wobei das Ausgangssignal des Mischers (230) zur Ermittlung der Kanalimpulsantwort h_n und der Signallaufzeit τ in der Auswerteeinheit (260) dient.
Abstandsmessanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (200) weiterhin einen Filter (250) aufweist, dem das Basisbandsignal zugeführt ist und in dem aus dem Spektrum des Basisbandsignals ein schmalerbandiges Teilspektrum TSPEK_rx(k) auswählbar ist, wobei an Stelle des Ausgangssignals des Mischers (230) das Ausgangssignal des Filters (250) zur Ermittlung der Kanalimpulsantwort h_n und der Signallaufzeit τ in der Auswerteeinheit (260) dient.