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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, eine Schaltung und ein Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen zwei Knoten eines Funknetzes.
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In einem Funknetz ist es wünschenswert die Knoten des Funknetzes zu orten oder zumindest eine Entfernung zwischen den Knoten zu bestimmen. Hierdurch kann beispielsweise ein defekter Knoten leicht gefunden werden. Auch können langsame Bewegungen von Knoten – beispielsweise eines Transportmittels in einer Fabrik – verfolgt werden. Ebenfalls ist es möglich die Ortung der Knoten bei der Brandbekämpfung einzusetzen, wenn die von einem Flugzeug abgeworfenen Knoten geortet werden können und eine erhöhte Temperatur übermitteln.
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Aus der
WO 02/01247 A2 ist ein Verfahren zur Abstandsmessung zwischen zwei Objekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen bekannt. Es werden ein Abfragesignal einer Basisstation und ein Antwortsignal eines tragbaren Codegebers zweimal bei unterschiedlichen Trägerfrequenzen ausgesendet. Die Trägerfrequenzen sind dabei korreliert, d. h., dass sie voneinander abhängig sind. Die Trägerfrequenzen werden aneinander angeglichen, so dass eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen gemessen werden kann. Aus dieser Phasenverschiebung wird der Abstand des Codegebers zur Basisstation berechnet. Das Abfragesignal und das Antwortsignal können bei unterschiedlichen Trägerfrequenzen oder bei gleichen Trägerfrequenzen ausgesendet werden. Die Trägerfrequenzen werden für einen erneuten Frage-Antwort-Dialog verändert.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. 7 zur Abstandsmessung, das. auf der Messung der Phasendifferenz zweiter elektromagnetischer Wellen beruht, ist auch aus der Druckschrift
DE 10 2004 042 231 A1 bekannt. bei diesem Verfahren können unkorrelierte Trägerfrequenzen verwendet werden, wobei allerdings die Differenz der beiden Frequenzen der Trägerfrequenz aufmoduliert werden muss, um von der jeweiligen Gegenseite ausgewertet werden zu können.
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Ist ein Transceiver eines Knotens für ein Sensornetzwerk nach dem Industrie-Standard IEEE 802.15.4 nur für ein half-duplex, statt für ein full-duplex System ausgelegt, so kann dieser nicht gleichzeitig senden und empfangen. Soll dieser Transceiver als aktiver Reflektor zur Phasenmessung dienen, muss der Knoten daher die Phase des empfangenen Signals beispielsweise durch eine Phasenregelschleife speichern und nach dem Umschalten von Empfangen auf Senden dieselbe gespeicherte Phase wieder zum Senden benutzen. Beispielsweise wird beim Empfang durch eine zusätzliche Phasenregelschleife der Quarzoszillator des Transceivers des als aktiver Reflektor arbeitenden Knotens so eingeregelt, dass die Frequenz und Phase des LO-Signals (LO – engl. Local Oscillator) des lokalen Oszillators mit dem Empfangssignal übereinstimmen. Beim Umschalten auf Senden muss die zusätzliche Phasenregelschleife aufgetrennt werden und der nun in der Frequenz synchronisierte Quarzoszillator läuft frei weiter. Dadurch sendet der Transceiver des als aktiver Reflektor arbeitenden Knotens mit einer gleichen oder proportionalen Phasenlage und mit gleicher Frequenz, wie er zuvor ein Trägersignal empfangen hat. An den freilaufenden Oszillator werden dabei sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Frequenzkonstanz und Phasenkonstanz gestellt. Störungen, wie beispielsweise ein Übersprechen von Signalen auf dem integrierten Schaltkreis, die Phasenänderungen verursachen können, müssen vermieden werden.
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Aus der
US 5,220,332 A ist ein Entfernungsmessungssystem mit einer Abfrageeinrichtung und einem Transponder bekannt, das nicht-simultane Messungen zwischen zwei Objekten ermöglicht. Ein Trägersignal wird mit einem (niederfrequenten) Modulationssignal mit einer veränderbaren Modulationsfrequenz moduliert um mittels einer Phasenmessung oder alternativ einer Laufzeitmessung eine Entfernung aus der Änderung des Modulationssignals zu bestimmen.
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Aus der
US 6,731,908 B2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Distanz zwischen zwei Objekten für die Bluetooth-Technologie bekannt. Dabei wird die Frequenz durch Frequenzsprünge geändert um einen Phasenoffset für mehrere unterschiedliche Frequenzen zu messen. Ein Objekt weist einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator in einer Phasenregelschleife (PLL – engl. Phase Locked Loop) auf, wobei die Phasenregelschleife während des Empfangs geschlossen und während des Sendens geöffnet wird, so dass Empfangssignal und Sendesignal eine gleiche Frequenz aufweisen. Die Phase des lokalen Oszillatorsignals des spannungsgesteuerten Quarzoszillators ist durch die Synchronisation mittels der PLL dabei kohärent zum empfangenen Signal.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Entfernungsmessung in einem Funknetz möglichst zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
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Demzufolge ist ein Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten eines Funknetzes vorgesehen. Das Funknetz ist beispielsweise gemäß dem Industrie-Standard IEEE 802.15.1 oder vorzugsweise nach dem Industrie-Standard IEEE 802.15.4 ausgebildet.
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In dem Verfahren wird ein erstes Signal mit einer ersten Frequenz vom ersten Knoten gesendet und vom zweiten Knoten durch Heruntermischen auf eine erste Zwischenfrequenz empfangen. Das erste Signal wird vorzugsweise von einem lokalen Oszillator des ersten Knotens mit der ersten Frequenz als Sendefrequenz erzeugt. Vorteilhafterweise ist das erste Signal ein erstes unmoduliertes Trägersignal. Ein unmoduliertes Trägersignal ist beispielsweise eine hochfrequente Sinusschwingung. Vorzugsweise wird die erste Frequenz zur Entfernungsmessung zwischen mehreren ersten Frequenzwerten verändert.
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Vom zweiten Knoten wird ein erster Wert einer ersten Phase für einen ersten Frequenzwert der ersten Frequenz aus dem empfangenen ersten Signal ermittelt. Vorzugsweise ermittelt der zweite Knoten den ersten Wert der ersten Phase in Bezug zu einem Referenzsignal des zweiten Knotens. Vorzugsweise wird der Wert der ermittelten ersten Phase im zweiten Knoten gespeichert.
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Ein zweites Signal mit einer zweiten Frequenz wird vom zweiten Knoten gesendet und vom ersten Knoten durch Heruntermischen mittels eines lokalen Oszillatorsignals auf eine zweite Zwischenfrequenz empfangen. Das zweite Signal wird vorzugsweise von einem lokalen Oszillator des zweiten Knotens mit der zweiten Frequenz als Sendefrequenz erzeugt Vorzugsweise ist das zweite Signal ein zweites unmoduliertes Trägersignal.
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Ein erster Wert einer zweiten Phase wird aus dem empfangenen zweiten Signal für einen ersten Frequenzwert der zweiten Frequenz vom ersten Knoten gemessen. Vorzugsweise ermittelt der erste Knoten den Wert der zweiten Phase in Bezug zu einem Referenzsignal des ersten Knotens. Die Messungen erfolgen dabei vorzugsweise auf Zwischenfrequenzebene.
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Die erste Frequenz und die zweite Frequenz werden geändert. Zur Änderung weisen ein zweiter Frequenzwert der ersten Frequenz und der erste Frequenzwert der ersten Frequenz einen Frequenzunterschied auf. Zudem weist ein zweiter Frequenzwert der zweiten Frequenz und der erste Frequenzwert der zweiten Frequenz den Frequenzunterschied ebenfalls auf.
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Der Frequenzunterschied ist dabei ausreichend groß um eine auf diesem Frequenzunterschied basierende Messung von Phasenunterschieden durchzuführen. Vorzugsweise ist der Frequenzunterschied durch einen Frequenzabstand von Kanälen des Funknetzes definiert.
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Ein zweiter Wert der ersten Phase wird für den zweiten Frequenzwert der ersten Frequenz vom zweiten Knoten gemessen. Ein zweiter Wert der zweiten Phase wird für den zweiten Frequenzwert der zweiten Frequenz vom ersten Knoten gemessen.
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Ein Betrag der ersten und zweiten Zwischenfrequenz ist gleich. Beide Zwischenfrequenzen können jedoch unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
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Die erste Frequenz des ersten Signals und die zweite Frequenz des zweiten Signals sind um einen Betrag der ersten und zweiten Zwischenfrequenz voneinander beabstandet. Der erste Knoten sendet also auf der ersten Frequenz und empfängt auf der zweiten Frequenz für die Entfernungsmessung. Der zweite Knoten sendet also auf der zweiten Frequenz und empfängt auf der ersten Frequenz für die Entfernungsmessung.
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Eine Entfernung zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten wird aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert der ersten Phase und aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert der zweiten Phase und aus dem Frequenzunterschied berechnet.
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Vorzugsweise werden mehrere Werte der ersten Phase und mehrere Werte der zweiten Phase für eine Vielzahl von Frequenzwerten zur Berechnung ermittelt. Vorteilhafterweise werden die ermittelten Werte der ersten Phase und/oder der zweiten Phase als Messdaten über einen Kommunikationsdienst des Funknetzes zur Berechnung der Entfernung an den ersten Knoten übertragen.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde eine möglichst verbesserte Schaltung eines Knotens eines Funknetzes anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung enthalten.
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Demzufolge ist eine Schaltung eines Knotens eines Funknetzes vorgesehen. Das Funknetz ist beispielsweise gemäß dem Industrie-Standard IEEE 802.15.1 oder vorzugsweise nach dem Industrie-Standard IEEE 802.15.4 ausgebildet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein System mit einem ersten Knoten vorzugsweise mit einer zuvor erläuterten Schaltung und mit einem zweiten Knoten vorzugsweise mit einer zuvor erläuterten Schaltung. Das System aus beiden Knoten des Funknetzes ist eingerichtet das zuvor erläuterte Verfahren auszuführen.
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Die im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf das Verfahren, als auch auf die Schaltung als auch auf das System. Funktionale Merkmale der Schaltung ergeben sich dabei aus entsprechend eingerichteten Verfahrensschritten. Verfahrensschritte können aus Funktionen der Schaltung abgeleitet werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Schaltung eingerichtet eine Entfernung zu einem weiteren Knoten aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert der ersten Phase und dem ersten Wert und dem zweiten Wert der zweiten Phase und dem Frequenzunterschied beispielsweise mittels einer Recheneinheit – wie einem Mikrocontroller – zu berechnen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildungsvariante wird das zweite Signal von ersten Knoten empfangen. Das empfangene zweite Signal passiert im unteren Seitenband einen ersten Seitenbandfilter des ersten Knotens unterhalb der ersten Frequenz eines ersten lokalen Oszillators. Vorzugweise wird das erste Signal vom zweiten Knoten empfangen. Das empfangene erste Signal passiert im oberen Seitenband einen zweiten Seitenbandfilter des zweiten Knotens oberhalb der zweiten Frequenz eines zweiten lokalen Oszillators. Entsprechend werden die jeweils anderen Seitenbänder durch die vorzugsweise komplexen Seitenbandfilter ausgefiltert.
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Gemäß einer Ausgestaltung werden das erste Signal und das zweite Signal in einem Zeitabstand zeitversetzt gesendet Hierzu sind die Knoten beispielsweise als halfduplex-System ausgebildet.
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In einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen. dass die Entfernung aus einer Mehrzahl von ermittelten Werten der ersten Phase und ermittelten Werten der zweiten Phase berechnet wird. Vorzugsweise erfolgt die Berechnung durch Mittelwertbildung oder inverser schneller Fourier-Transformation unter Auswertung von Amplituden. Vorzugsweise werden Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz für eine Mehrzahl von Ermittlungen der Werte der ersten Phase und der zweiten Phase verändert. Die Frequenzwerte Sendefrequenzen des ersten Knotens und des zweiten Knotens werden dabei vorzugsweise gleichsinnig, besonders bevorzugt mit einem gleichen Frequenzoffset geändert. Bevorzugt ändert sich dabei der Abstand der Frequenzwerte der Sendefrequenzen des ersten Knotens und des zweiten Knotens nicht. Der Abstand der Frequenzwerte der Sendefrequenzen der Knoten ist vorzugsweise konstant.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Signal und das zweite Signal für jede Veränderung der Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz in dem gleichen Zeitabstand zeitversetzt gesendet werden.
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In einer ersten Ausgestaltungsvariante ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Mehrzahl von Ermittlungen der Werte der ersten Phase und der zweiten Phase für die veränderte Frequenzwerte der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz in beiden Knoten zueinander zeitlich äquidistant erfolgen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine zeitliche Synchronisation der Messungen der Werte durchgeführt wird. Die zeitliche Synchronisation wird dabei derart durchgeführt, dass Messzeitpunkte der Messungen der Werte, also des ersten und zweiten Wertes der ersten Phase sowie des ersten und zweiten Wertes der zweiten Phase eine vorbestimmte zeitliche Beziehung zueinander aufweisen.
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Besonders bevorzugt sind ein erster zeitlicher Abstand und ein zweiter zeitlicher Abstand gleich. Bevorzugt ist der erste zeitliche Abstand zwischen einem ersten Messzeitpunkt des ersten Wertes der ersten Phase und einem zweiten Messzeitpunkt des zweiten Wertes der ersten Phase definiert. Der zweite zeitliche Abstand ist bevorzugt zwischen einem dritten Messzeitpunkt des ersten Wertes der zweiten Phase und einem vierten Messzeitpunkt des zweiten Wertes der zweiten Phase definiert. Diese zeitliche Beziehung bewirkt, dass auch ein dritter Zeitabstand zwischen dem ersten Messzeitpunkt und dem dritten Messzeitpunkt gleich ist einem vierten Zeitabstand zwischen dem zweiten Messzeitpunkt und dem vierten Messzeitpunkt.
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Bevorzugt sind die Zeitabstände vorbestimmt Die Zeitabstände werden also nicht aus der laufenden Messung erst ermittelt Vorzugsweise sind die Zeitabstände fest vorgeben, beispielsweise als Parametersatz implementiert. Alternativ können die Zeitabstände auch für eine Entfernungsmessung zwischen den Knoten vereinbart werden. Hierzu sind die Knoten entsprechend eingerichtet. Vorteilhafterweise ist eine jeweilige Schaltung der Knoten zur Messung der Werte der Phasen in den Zeitabständen durch Speicherung des zu dem Messzeitpunkt aktuellen Wert der Phase eingerichtet, wobei die Werte der Phase fortlaufend ermittelt werden. Alternativ sind die Knoten eingerichtet die Werte der Phase nur zu dem Messzeitpunkt zu Messen und den gemessenen Wert abzuspeichern.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird zur Bestimmung der Entfernung eine Phasendifferenz aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert der ersten Phase und aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert der zweiten Phase berechnet. Bevorzugt erfolgt die Berechnung anhand der Formel: Δφ = (φA2 – φB2) – (φA1 – φB1)
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Dabei umfasst die Formal auch alle algebraischen Umformungen ihrer Terme. In der Formel ist φA1 der erste Wert und φA2 ist der zweite Wert der ersten Phase. φB1 ist der erste Wert und φB2 ist der zweite Wert der zweiten Phase.
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Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei kennen sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Figuren erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
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Im Folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
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Dabei zeigen
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1a ein schematisches Blockschaltbild zweier Knoten eines Funknetzes,
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1b ein erstes schematisches Diagramm,
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2 ein zweites schematisches Diagramm,
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3 ein drittes schematisches Diagramm,
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4a und 4b schematische Blockschaltbilder eines Teils eines Empfängers,
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5 ein viertes schematisches Diagramm mit Phasenmessungen zweiter Knoten eines Funknetzes, und
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6 ein fünftes schematisches Diagramm mit Phasenmessungen zweier Knoten eines Funknetzes.
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Entfernungsmessungen in einem Funknetz mit mehreren Knoten können auf Phasenmessungen basieren. Dabei wird nacheinander ein vorzugsweise unmoduliertes Trägersignal mit der Frequenz fa und ein unmoduliertes Trägersignal mit der Frequenz fb gesendet. Die Frequenzen unterscheiden sich nur durch eine kleine Differenzfrequenz Δf. Im Empfänger wird die Phase der empfangenen Welle ausgewertet und als Messwerte φ1 und φ2 abgelegt. Daraus lässt sich die Entfernung d zwischen den Stationen berechnen: d = (φ2 – φ1)c / 2πΔf (1)
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Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit.
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In 1a sind zwei Schaltungen eines ersten Knotens A und eines zweiten Knotens B dargestellt, wobei keiner der Knoten A, B als reiner aktiver Reflektor arbeitet. Die Schaltung des ersten Knotens A weist eine mit einer Antenne 10 verbindbare oder verbundene Sender-Empfänger-Schaltung 130 (TRX) auf, der mittels eines Quarzoszillators 110 als Referenztaktgenerator (XOSC1) und einer Phasenregelschleife 120 (PLL – engl. Phase Locked Loop) ein erstes lokales Oszillatorsignal LO1 bereitgestellt wird. Die Anordnung aus Sender-Empfänger-Schaltung 130, Phasenregelschleife 120 und Referenztaktgenerator 110 kann auch als Radio 100 bezeichnet werden.
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Die Schaltung des ersten Knotens A weist weiterhin einen Frequenzteiler 150 auf, der im Ausführungsbeispiel der 1 die erste Referenzfrequenz f(XOSC1) des ersten Referenzsignals XOSC1 des Referenztaktgenerators 110 durch den Teilerfaktor DF – beispielsweise acht – teilt zur Bereitstellung eines ersten Vergleichssignals SV1 mit einer Frequenz f(SV1), die einer Zwischenfrequenz ZF2 gleicht und beispielsweise etwa 2 MHz beträgt. Eingänge einer Phasenmessschaltung 140 (PMU – engl. Phase Measurement Unit) der Schaltung des ersten Knotens A sind mit dem Frequenzteiler 150 und der Sender-Empfänger-Schaltung 130 verbunden. Die Sender-Empfänger-Schaltung 130 ist zum Heruntermischen eines vom zweiten Knoten B empfangenen Trägersignals RF2 auf ein Zwischenfrequenzsignal ZF2 ausgebildet. Das Zwischenfrequenzsignal ZF2 weist im Ausführungsbeispiel der 1 die Zwischenfrequenz f(ZF2) von etwa 2 MHz auf.
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Die Phase φ des empfangenen Signals RF2 wird mit der Phasenmessschaltung 140 gemessen, die auch als Phasendetektor bezeichnet werden kann. Die Messung erfolgt auf Zwischenfrequenzebene, da bei der Frequenzumsetzung in einem Mischer der Sender-Empfänger-Schaltung 130 die Phasenlage des vom zweiten Knoten B gesendeten Trägersignals RF2 erhalten bleibt. Die Phasenmessschaltung 140 ist also zur Messung des Phasenunterschieds zwischen dem Zwischenfrequenzsignal ZF2 und der heruntergeteilten Referenzfrequenz als Vergleichssignal SV1 ausgebildet. Messwerte der Phase φ werden vorzugsweise gespeichert.
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Im Ausführungsbeispiel der 1a ist die Schaltung des zweiten Knotens B gleich der des ersten Knotens A aufgebaut. Die Schaltung des zweiten Knotens B weist ebenfalls eine Sender-Empfänger-Schaltung 230 auf, die mit einer Antenne 20 verbindbar oder verbunden ist. Der Sender-Empfänger-Schaltung 230 wird mittels eines Quarzoszillators 210 als Referenztaktgenerator (XOSC2) und einer Phasenregelschleife 220 ein zweites lokales Oszillatorsignal 102 bereitgestellt. Die Anordnung aus Sender-Empfänger-Schaltung 230, Phasenregelschleife 220 und Referenztaktgenerator 210 kann auch als Radio 200 bezeichnet werden.
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Die Schaltung des zweiten Knotens B weist ebenfalls einen Frequenzteiler 250 zur Bereitstellung eines zweiten Vergleichssignals SV2 an einem Eingang einer Phasenmessschaltung 240 auf. Der Frequenzteiler 250 ist zur Herunterteilung der Referenzfrequenz f(XOSC2) des zweiten Referenzsignals XOSC2 des Referenztaktgenerators 210 um den Faktor DF – beispielsweise acht – mit dem Referenztaktgenerator 210 der Schaltung des zweiten Knotens verbunden. Die Phase φ des empfangenen Signals RF1 wird mit der Phasenmessschaltung 240 gemessen. Hierzu ist ein Eingang der Phasenmessschaltung 240 mit einem Ausgang der Sender-Empfänger-Schaltung 230 verbunden. Die Phasenmessschaltung 240 ist zur Messung des Phasenunterschieds zwischen einem Zwischenfrequenzsignal ZF1 und dem Vergleichssignal SV2 ausgebildet. Messwerte der Phase φ werden vorzugsweise gespeichert.
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Die Referenztaktgeneratoren 110 und 210 sind als Quarzoszillatoren ausgebildet und voneinander entkoppelt. Aufgrund von Fertigungsschwankungen oder unterschiedlichen Temperaturen können die erste Frequenz f(XOSC1) des Referenztaktgenerators 110 des ersten Knotens A und die Frequenz f(XOSC2) der Referenztaktgenerators 210 des zweiten Knotens B voneinander abweichen. Wenn die Frequenz f(XOSC1) des Referenztaktgenerators 110 des ersten Knotens A und die Frequenz f(XOSC2) der Referenztaktgenerators 210 des zweiten Knotens B unsynchronisiert sind, ist eine zeitliche Synchronisation der Messungen der Phase im ersten Knoten A und der Phase im zweiten Knoten B zur Berücksichtigung des durch den Frequenzoffset zwischen dem ersten Referenztaktgenerator und dem zweiten Referenztaktgenerator bedingten Phasenfehlers erforderlich.
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In 1b ist ein schematisches Diagramm mit Frequenzen dargestellt. Beide in 1a dargestellten Knoten A, B verwenden die gleiche (niedrige) Zwischenfrequenz fZF von beispielsweise 2 MHz. Dabei ist in den 1a und 1b nur der Betrag der Zwischenfrequenz dargestellt. Die Zwischenfrequenzen fZF unterscheiden sich durch das Vorzeichen (nicht dargestellt). Beide Sender-Empfänger-Schaltungen (Transceiver) der Knoten A, B arbeiten auf unterschiedlicher Zwischenfrequenzlage. Eine der Sender-Empfänger-Schaltungen wird auf die entgegengesetzte Zwischenfrequenzlage des anderen Knotens A/B durch Filterung des entsprechenden Seitenbandes umgeschaltet.
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Beispielsweise sendet der erstes Knoten A auf der Oszillatorfrequenz fLOA1 = 2404 MHz und empfängt auf der Empfangsfrequenz fEA1 = 2402 MHz. Der zweite Knoten B sendet dann auf der Oszillatorfrequenz fLOB1 = 2402 MHz und empfängt auf der Empfangsfrequenz fEB1 = 2404 MHz. Zur Entfernungsmessung werden die Oszillatorfrequenzen fLOA1 und fLOB1 um denselben Frequenzschritt Δf geändert, der positiv oder negativ sein kann. Beträgt der Frequenzschritt Δf = +10 MHz, so sendet der erstes Knoten A auf der Oszillatorfrequenz fLOA2 = 2414 MHz und empfängt auf der Empfangsfrequenz fEA2 = 2412 MHz, wobei der zweite Knoten B dann auf der Oszillatorfrequenz fLOB2 = 2412 MHz sendet und auf der Empfangsfrequenz fEB2 = 2414 MHz empfängt. Sendefrequenz fLOA1, fLOA2, fLOB1, fLOB2 und Empfangsfrequenz fEA1, fEA2, fEB1, fEB2 unterscheiden sich jeweils um die gleiche Zwischenfrequenz fZF.
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Damit liegt die Empfangsfrequenz des ersten Knotens A über einer Frequenz der Phasenregelschleife 120 (PLL – engl. Phase Locked Loop) zur Erzeugung des lokalen Oszillatorssignals LO1 im ersten Knoten A und die Empfangsfrequenz des zweiten Knotens B liegt unter einer Frequenz der Phasenregelschleife 220 (PLL) zur Erzeugung des lokalen Oszillatorssignals LO2 im zweiten Knoten B. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Frequenz der Phasenregelschleifen 120, 220 für zwei Messungen in beide Richtungen zwischen den Knoten A, B nicht umgeschaltet werden muss, so dass kein Einschwingvorgang der Phasenregelschleifen 120, 220 erfolgen muss. Es wird eine bessere Phasenkonstanz und damit eine höhere Messgenauigkeit erzielt. Lediglich nach einem Frequenzschritt Δf müssen beide Phasenregelschleifen 120, 220 kurz einschwingen.
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Die Sender-Empfänger-Schaltung 130 des ersten Knotens A weist einen differenziellen komplexen Mischer 310, 310' und einen differentiellen komplexen Filter 320, 320' auf. Die Sender-Empfänger-Schaltung 230 des ersten Knotens B weist ebenfalls einen differenziellen komplexen Mischer 310, 310' und einen differentiellen komplexen Filter 320, 320' auf, wie dies beispielhaft in den 4a und 4b schematisch dargestellt ist.
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Beispielsweise wird das im ersten Knoten A empfangene Signal RF mittels eines komplexen Mischers 310, 310' auf ein Zwischenfrequenzsignal ZF heruntergemischt und mittels eines ersten komplexen Seitenbandfilters 320, 320' des ersten Knotens A unterhalb der ersten Oszillatorfrequenz fLOA1, fLOA2 des Oszillatorsignals 10 gefiltert Das im zweiten Knoten B empfangene Signal RF wird mittels eines komplexen Mischers 310, 310' auf ein Zwischenfrequenzsignal ZF heruntergemischt und mittels eines zweiten komplexen Seitenbandfilters 320, 320' des zweiten Knotens B oberhalb der zweiten Frequenz fLOB1, fLOB2 gefiltert. Die zwei Ausführungsbeispiels der 4a und 4b können dabei alternativ verwendet werden.
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Im Ausführungsbeispiel der 4a und 4b liegen die Inphase-Komponente I – Realteil – und die Quadraturphase-Komponente Q – Imaginärteil – als differentielle Signale am Mischer 310, 310' und Seitenbandfilter 320, 320' an. Die Filterung des oberen oder unteren Seitenbands wird durch Umschalten mittels der Schaltmittel 330, 330' eingestellt. Die Schaltmittel 330, 330' sind in den Ausführungsbeispielen der 4a und 4b als Kreuzschalter ausgebildet, die zur Einstellung des zu filternden Seitenbandes eine 180° Phasendrehung der Quadraturphase Q im Ausführungsbeispiel der 4a und eine 180° Phasendrehung der Inphase I im Ausführungsbeispiel der 4b bewirken. Die Schaltmittel 330, 330' werden durch eine Steuerschaltung 160 bzw. 260 gesteuert, die beispielsweise ein Mikrocontroller eines Knotens A, B sein kann.
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Zusätzlich zur Steuerung der Schaltmittel 330 oder 330' ist die Steuerschaltung 160 des ersten Knotens A eingerichtet die Messung der Phase φ zu zumindest zwei vorbestimmten Zeitpunkten t2, t4 zu triggern. Zur Steuerung der Phasenmessung zu den zumindest zwei vorbestimmten Zeitpunkten t2, t4 ist die Steuerschaltung 160 beispielsweise mit einem Steuereingang en der Phasenmessschaltung 140 verbunden. Beispielsweise wird zu den zumindest zwei vorbestimmten Zeitpunkten t2 und t4 ein Wert der Phase φ berechnet oder zu den zumindest zwei vorbestimmten Zeitpunkten t2 und t4 wird der aktuelle Wert der fortlaufend berechneten Phase φ gespeichert. Ebenfalls ist die Steuerschaltung 260 des zweiten Knotens B eingerichtet die Messung der Phase φ zu zumindest zwei vorbestimmten Zeitpunkten t1, t3 zu triggern. Zur Steuerung der Phasenmessung zu den zumindest zwei vorbestimmten Zeitpunkten t1, t3 ist die Steuerschaltung 260 beispielsweise mit einem Steuereingang en der Phasenmessschaltung 240 verbunden.
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Ein Zeitabstand zwischen den zu zumindest zwei vorbestimmten Zeitpunkten t2, t4 der Steuerschaltung 160 im ersten Knoten A und ein zwischen den zu zumindest zwei vorbestimmten Zeitpunkten t1, t3 der Steuerschaltung 260 im zweiten Knoten B sind dabei gleich. Damit sind ein Zeitabstand zwischen Phasenmessungen erster Frequenzen und ein Zeitabstand zwischen Phasenmessungen zweiter Frequenzen nach einem Frequenzschritt Δf ebenfalls gleich. Sollen weitere Phasen bei weiteren (Träger-)Frequenzen gemessen werden, so werden auch diese durch die Steuerschaltung 160, 260 in einem gleichen Zeitabstand gesteuert.
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Weiterhin ist die Steuerschaltung 160 des ersten Knoten A eingerichtet einen ersten Multiplikationsfaktor in der Phasenregelschleife 120 zu steuern. Die Steuerschaltung 260 des zweiten Knotens B ist eingerichtet einen zweiten Multiplikationsfaktor in der Phasenregelschleife 220 des zweiten Knotens B zu steuern. Durch die Multiplikationsfaktoren werden die um die Zwischenfrequenz verschiedenen Frequenzen der Oszillatorsignale LO1, LO2 des ersten Knotens A und des zweiten Knotens B gesteuert. Beispielsweise werden die Frequenzen der Oszillatorsignale LO1, LO2 in Stufen verändert.
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Ein Diagramm für einen Messablauf zur Phasenmessung ist in 5 schematisch dargestellt. In dem Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen dem ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B wird vom ersten Knoten A ein erstes unmoduliertes Trägersignal mit einer Trägerfrequenz f3 gesendet und vom zweiten Knoten B empfangen. Vom zweiten Knoten B wird ein zweites unmoduliertes Trägersignal mit einer Trägerfrequenz f1 gesendet und vom ersten Knoten A empfangen. Die Trägerfrequenz f1 unterscheidet sich von der Trägerfrequenz f3 um den Betrag einer Zwischenfrequenz fZF. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist die Zwischenfrequenz fZF in beiden Knoten gleich.
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Vom ersten Knoten A wird ein erster Wert φA1 einer ersten Phase zu einem ersten Messzeitpunkt t2 gemessen. Vom zweiten Knoten B wird ein erster Wert φB1 einer zweiten Phase zu einem dritten Messzeitpunkt t1 gemessen.
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Danach erfolgt eine Erhöhung der Trägerfrequenz f3 um einen Frequenzunterschied Δf auf die erhöhte Trägerfrequenz f4. Zugleich erfolgt eine Erhöhung der Trägerfrequenz f1 um den gleichen Frequenzunterschied Δf auf die erhöhte Trägerfrequenz f2. Mit der erhöhten Trägerfrequenz f4 wird vom ersten Knoten A das erste unmodulierte Trägersignal gesendet und vom zweiten Knoten B empfangen. Vom zweiten Knoten B wird das zweite unmodulierte Trägersignal mit der erhöhten Trägerfrequenz f2 gesendet und vom ersten Knoten A empfangen. Auch die erhöhte Trägerfrequenz f4 unterscheidet sich von der erhöhten Trägerfrequenz f2 um den Betrag einer Zwischenfrequenz fZF. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist die Zwischenfrequenz fZF in beiden Knoten wiederum gleich.
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Nach der Erhöhung der Trägerfrequenzen f2, f4 wird vom ersten Knoten A ein zweiter Wert φA2 der ersten Phase zu einem zweiten Messzeitpunkt t4 gemessen. Vom zweiten Knoten B wird ein zweiter Wert φB2 der zweiten Phase zu einem vierten Messzeitpunkt t3 gemessen. In jeweils einer Zwischenphase, die in den 5 und 6 schraffiert markiert ist, schalten der erste Knoten A und der zweiten Knoten B zwischen Senden TX und Empfangen RX um. Dabei wird der technische Effekt erzielt, dass die Frequenz der Phasenregelschleifen 120, 220 für zwei Messungen in beide Richtungen zwischen den Knoten A, B nicht umgeschaltet wird, so dass kein Einschwingvorgang der Phasenregelschleifen 120, 220 erfolgt.
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Im eher theoretischen Fall der 5 besteht zwischen den Frequenzen f(XOSC1, XOSC2) des ersten Referenztaktgenerators 110 zur Taktung der Phasenregelschleife 120 des ersten Knotens A und des zweiten Referenztaktgenerators 210 zur Taktung der Phasenregelschleife 220 des zweiten Knotens B kein Frequenzoffset. 5 soll zunächst den eher theoretischen Fall darstellen, dass die Frequenzen f(XOSC1, XOSC2) der Referenztaktgeneratoren exakt gleich sind. Die gemessene Phase φ ist also über die Zeit t konstant.
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Im Ausführungsbeispiel der 5 benötigen die Phasenregelschleifen 120, 220 beispielsweise 50 us oder weniger um sich einzuschwingen. Danach werden beide Phasenmessungen M2 zu den Zeitpunkten t3 und t4 für die Frequenzen f4 und f2 wiederholt, wobei der zweite Phasenwert φA2 der ersten Phase im ersten Knoten A und der zweite Phasenwert φB2 der zweiten Phase im zweiten Knoten B ermittelt werden. Somit ist der erste Wert φA1 der ersten Phase der Trägerfrequenz f1 zugeordnet und der erste Wert φB1 der zweiten Phase ist der Trägerfrequenz f3 zugeordnet. Der zweite Wert φA2 der ersten Phase ist der erhöhten Trägerfrequenz f4 zugeordnet. Der zweite Wert φB2 der zweiten Phasen ist der erhöhten Trägerfrequenz f2 zugeordnet.
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Aus den Phasenwerten φA1, φB1, φA2 und φB2 kann eine Phasendifferenz Δφ berechnet werden zu: Δφ = (φA2 – φB2) – (φA1 – φB1) (2a)
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Durch Umformung erhält man: Δφ = (φA2 – φA1) – (φB2 – φB1) (2b)
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Somit kann die Entfernung d berechnet werden zu: d = Δφc / πΔf (3)
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Abweichend von der eher theoretischen Darstellung der 5 werden in der Realität die Knoten A, B Referenztaktgeneratoren 110, 210 aufweisen, deren Frequenzen f(XOSC1), f(XOSC2) beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen oder unterschiedlichen Temperaturen einen Frequenzoffset aufweisen. Dadurch ändert sich die Phase φ im jeweils empfangenden Knoten, wie dies schematisch durch die Steigungen der Phasenverläufe in 6 dargestellt ist.
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Die Phasenänderung der Messung M1 zwischen den Messzeitpunkten t1 und t2 bewirkt zur bestimmten Phase φcalc einen Phasenfehler φerr. Der gleiche Phasenfehler φerr entsteht in der Messung M2 zu den Messzeitpunkten t3 und t4, wenn ein zeitlicher Abstand zwischen den Phasenmessung M1, M2 hinreichend klein ist. Sind die Zeitabstände t2–t1 und t4–t3 oder die Zeitabstände t3–t1 und t4–t2 gleich groß, ist auch der Phasenfehler φerr gleich groß und fällt bei der Berechung der Phasendifferenz Δφ (siehe Gleichung (2a/2b)) heraus. Dadurch kann die Entfernungsmessung anhand der Phasenmessung auch dann angewendet werden, wenn die Referenztaktgeneratoren 110, 210 der beiden Knoten A, B unsynchronisiert sind, wie im Ausführungsbeispiel der 1a.
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Um das Problem der Mehrwegeausbreitung zu umgehen, werden vorteilhafterweise Phasenmessungen über das gesamte zur Verfügung stehende Band durchgeführt. Ein Schema der Messungen M1, M2, M3 usw. ist in 2 dargestellt. Es werden N + 1 Messungen ausgeführt, wobei aus benachbarten Frequenzen N Phasendifferenzen Δφ berechnet werden. Hierzu ist es erforderlich, dass die einzelnen gemessenen Phasen φA1, φB1, φA2, φ82, φA3, φB3 usw. in einer Recheneinheit eines Knotens A, B zusammengeführt werden. Beispielsweise werden die Phasen φB1, φB2, φB3 durch Standardkommunikation im Funknetz vom zweiten Knoten B an den ersten Knoten A übertragen.
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Für die Berechnung von zwei Phasendifferenzen gilt Δφ1 = (φA2 – φB2) – φA1 – φB1) (4) und Δφ2 = (φA3 – φB3) – (φA2 – φB2) (5) oder allgemein für eine beliebige Anzahl von Phasendifferenzen gilt ΔφN = (φA,N+1 – φB,N+1) – φA,N – φB,N) (6)
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Jede Phasendifferenz kann mit der Gleichung
in eine Distanz d
N umgerechnet werden. Aufgrund der Mehrwegeausbreitung werden sich die Distanzwerte d
N deutlich unterscheiden.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel zur Auswertung der N Distanzmessungen wird der Mittelwert der Distanzwerte dN gebildet. Simulationen haben gezeigt, dass diese Methode zu relativ genauen Ergebnissen führt, wenn die Mehrwegeausbreitung moderat ist. D. h. die Komponente der kürzesten Verbindung (engl. Line-of-Sight) der Kanalimpulsantwort dominiert.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel zur Auswertung der N Distanzmessungen wird zusätzlich im Knoten A, B die Amplitude des Empfangssignals gemessen und für jede Frequenz abgespeichert. Aus Amplitude und Phase wird für jede Frequenz die komplexe Spektralkomponente berechnet zu IN + jQN = AN(cos(φN) + j·sin(φN)) (8)
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Durch eine inverse schnelle Fourier Transformation (IFFT) wird aus den N Spektralwerten die Kanalimpulsantwort berechnet. Durch einen Suchalgorithmus kann der erste Impuls (Komponente der kürzesten Verbindung) gefunden werden und damit dessen Laufzeit. Dieses Verfahren ist deutlich aufwendiger als die Mittelwertbildung, liefert jedoch auch bei starker Mehrwegeausbreitung zuverlässige Ergebnisse.
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Ein Ablauf eines Messverfahrens ist in den 3a und 3b schematisch als Diagramm dargestellt. Der erste Knoten A initialisiert die Entfernungsmessung und sendet im Schritt 1 einen Rahmen an den zweiten Knoten B mit dem Befehl eine Entfernungsmessung auszuführen. Die Sendefrequenz fTX ist dabei auf die Kanalfrequenz fch zur Kommunikation im Funknetz eingestellt. Mit dem Rahmen wird dem zweiten Knoten B die Einstellung zur Filterung eines Seitenbandes übermittelt. Alternativ ist es auch möglich, fest vorzugeben, welcher Knoten A, B das obere bzw. untere Seitenband ausfiltert. Zudem wird dem zweiten Knoten B eine Reihenfolge der Messfrequenzen oder Frequenzschritte übermittelt. Alternativ kann die Reihenfolge der Messfrequenzen für eine Phasenmessung auch fest vorgegeben sein.
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Im Schritt 2 des Verfahrens der 3a sendet der zweite Knoten B einen Rahmen Fsync zur zeitlichen Synchronisation des weiteren Verfahrensablaufs der Entfernungsmessung an den ersten Knoten A. Der Rahmen Fsync zur zeitlichen Synchronisation ist beispielsweise ein Standard-Rahmen, der standardgemäß (bspw. Industrie-Standard IEEE 802.15.4) ausgebildet ist und beispielsweise eine Präambel, einen Daten-Kopf und zu übertragende Daten aufweisen kann. Zur Synchronisation ist dabei keine Datenübertragung erforderlich, so dass ein leerer Rahmen übertragen werden kann. Dabei ist die Zeit, die für die Übertragung – d. h. für das Senden durch den zweiten Knoten B und das Empfangen durch den ersten Knoten A – des Rahmens Fsync zur zeitlichen Synchronisation benötigt wird, bekannt. Der zweite Knoten startet ausgehend vom Endzeitpunkt TXE des gesendeten Rahmens Fsync einen Timer mit der Länge tAS, der zum Start der Entfernungsmessung endet. Der erste Knoten A startet ebenfalls einen Timer mit der Länge tBS, der ebenfalls zum Start der Entfernungsmessung endet. Der Timer des ersten Kotens A wird durch die Bestimmung eines Zeitpunktes SFD (entspricht im Industrie-Standard IEEE 802.15.4 einem Indikator eines Endes der Präambel im Rahmen) im empfangenen Rahmen Fsync zur zeitlichen Synchronisation gestartet.
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Ausgehend von dem Ablauf des Timers des zweiten Knotens B werden die Messzeitpunkte t1, t3, t5 usw. zur Messung der Phase festgelegt. Ausgehend von dem Ablauf des Timers des ersten Knotens werden die Messzeitpunkte t2, t4, t6 usw. zur Messung der Phase festgelegt. Für eine Bestimmung der Entfernung ist es dabei erforderlich, dass der zeitliche Abstand zwischen den Messzeitpunkten t1, t3, t5 usw. im zweiten Knoten B und der zeitliche Abstand zwischen den Messzeitpunkten t2, t4, t6 usw. im ersten Knoten gleich und konstant ist. Der zeitliche Abstand ist vorbestimmt. Der vorbestimmte zeitliche Abstand kann fest implementiert sein. Alternativ wird zur Vorbestimmung der zeitliche Abstand zwischen den Knoten A, B vereinbart. Über die in 3a dargestellten Messzeitpunkte hinaus sind für die N Messungen weitere Messzeitpunkte im gleichen zeitlichen Abstand erforderlich, die in der vereinfachten Darstellung der 3a nicht dargestellt sind.
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Im Schritt 3 wird die Sendefrequenz fTX von der vorhergehenden Kommunkationsfrequenz fch auf die niedrigste Frequenz umgeschaltet. Dabei sind die lokalen Frequenzen der lokalen Oszillatoren um etwa die Zwischenfrequenz des Zwischenfrequenzsignals ZF unterschiedlich. Innerhalb der Zeiten tAS und tBS zum Ablauf der Timer schwingen sich die Phasenregelschleifen 160, 260 der Knoten A, B ein. Die Einstellung der niedrigsten Frequenz im ISM-Band auf beispielsweise den Wert 2404 MHz für den Knoten A ist in 3b schematisch dargestellt. Zunächst sendet der Knoten A im Sendemodus TX. Währendessen empfängt der zweite Knoten B im Empfangsmodus RX und misst die Phase zum Zeitpunkt t1 und speichert den Phasenwert. Anschließend sendet der zweite Knoten B ohne eine Änderung der Frequenz seines lokalen Oszillators und im ersten Knoten A wird zum Messzeitpunkt t2 ein Phasenwert gemessen und gespeichert.
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Danach wird die Sendefrequenz fTX in jedem Knoten um einen Frequenzschritt Δf erhöht und die Phasenregelschleifen schwingen sich erneut neu ein, wobei der Frequenzoffset zwischen den lokalen Oszillatoren der Knoten A und B wiederum der Zwischenfrequenz des Zwischenfrequenzsignals ZF gleicht. Danach werden zu den Messzeitpunkten t3 und t4 neue Phasenwerte gemessen und gespeichert.
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Dieser Ablauf wiederholt sich bis zur höchsten Frequenz im Band 2480 MHz. Die Erhöhung ist in 2b schematisch dargestellt. Im Schritt 3 werden demzufolge N Messungen mit unterschiedlichen Sendefrequenzen fTX durchführt.
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Im Schritt 4 schalten beide Knoten A, B auf die Netzwerkfrequenz fch zurück. Der zweite Knoten B sendet die gemessenen und gespeicherten Phasenwerte an den ersten Knoten A mittels einer Standard-Kommunikation im Funknetz zurück. Der Knoten A berechnet aus diesen Phaseninformationen und eigenen Phasenmessungen die Distanz d zwischen den Knoten A, B im Schritt 5.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsvarianten der 1a bis 6 beschränkt. Beispielsweise ist es möglich eine andere Reihenfolge der Frequenzen zur Phasenmessung – beispielsweise von der höchsten zur niedrigsten Sendefrequenz fTX – vorzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 200
- Radio, Transceiver
- 110, 210
- Referenztaktgenerator, Quarzoszillator
- 120, 220
- Phasenregelschleife
- 130, 230
- Sender-Empfänger-Schaltung
- 130, 240
- Phasenmessschaltung, Phasendetektor
- 150, 250
- Frequenzteiler
- 160, 260
- Steuerschaltung
- 310, 310'
- komplexer Mischer
- 320, 320'
- komplexer Filter
- 330, 330'
- Schaltvorrichtung, Kreuzschalter
- 340, 340'
- Steuerschaltung
- A, B
- Knoten
- I
- Inphase-Signal
- Q
- Quadraturphase-Signal
- RF, RF1, RF2
- Funksignal
- ZF, ZF1, ZF2
- Zwischenfrequenzsignal
- TX
- Sendemodus
- RX
- Empfangsmodus
- fEA1, fEA2, fEB1, fEB2
- Empfangsfrequenz
- fLOA1, fLOA2, fLOB1, fLOB2
- Oszillatorfrequenz
- Δf
- Frequenzschritt
- f1, f2, f3, f4, fTX
- Sendefrequenz
- DF
- Teilerfaktor
- fch
- Netzwerkfrequenz, Kommunikationskanal
- M1, M2, M3
- Messungen
- φA1, φB1, φA2, φB2, φA3, φB3, φ
- Phase
- φcalc
- bestimmte Phase
- φerr
- Phasenfehler
- Δφ1, Δφ2
- Phasendifferenz
- tsA, tsB
- Timerlänge
- TXE, SFD
- Timerstartzeitpunkt
- t
- Zeit
- t1, t2, t3, t4, t5, t6
- Messzeitpunkte
- Fsync
- Rahmen zur zeitlichen Synchronisation
- N
- Anzahl von Messungen
- S
- Signal
- TX
- Senden
- RX
- Empfangen