DE102012214400B4

DE102012214400B4 - Konzept zum synchronisieren einer sendertaktfrequenz und einer empfängertaktfrequenz

Info

Publication number: DE102012214400B4
Application number: DE102012214400.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Marx; Anton Grabmaier; Felix Weiler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: DE102012214400A1

Abstract

Empfänger (100), mit folgenden Merkmalen: einem Lokaloszillator (102), der ausgebildet ist, um ein Empfängeroszillatorsignal (114) mit einer Empfängeroszillatorfrequenz (f0,Rx) bereitzustellen; einer Einrichtung (104) zum Bereitstellen eines Empfängerträgersignals (106) mit einer Empfängerträgerfrequenz (fc,Rx) basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz (f0,Rx) des Empfängeroszillatorsignals (114); einer Einrichtung (108) zum Bereitstellen eines Empfängertaktsignals (110) mit einer Empfängertaktfrequenz (fb,Rx) basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz (f0,Rx) des Empfängeroszillatorsignals (114), wobei das Empfängertaktsignal (110) ein digitaler Systemtakt ist; und einer Einrichtung (112) zum Ermitteln eines Offset (Δf) zwischen einer Senderträgerfrequenz (fc,Tx) eines empfangenen Sendesignals (116) und der Empfängerträgerfrequenz (fc,Rx) des Empfängerträgersignals (106); wobei die Einrichtung (108) zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals (110) ausgebildet ist, um die Empfängertaktfrequenz (fb,Rx) in Abhängigkeit von dem Offset (Δf) einzustellen.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Konzept zum Synchronisieren einer Sendertaktfrequenz und einer Empfängertaktfrequenz. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Empfänger. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein System mit einem Sender und einem Empfänger. Manche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur drahtlosen Synchronisierung von Taktgeneratoren.
Funkverbindungen zwischen mehreren Geräten in einem drahtlosen System verwenden eine gemeinsame (i. d. R. hochfrequente) Trägerfrequenz.
Dabei wird ein Basisbandsignal senderseitig, mithilfe eines Mischers und eines Mischsignals der hochfrequenten Trägerfrequenz, in das per Funk zu übertragende, hochfrequente Funksignal umgesetzt, bzw. empfängerseitig auf die gleiche Art wieder heruntergemischt, also vom Hochfrequenzband ins Basisband umgesetzt. Das Mischsignal wird jeweils durch einen geräteeigenen lokalen Oszillator erzeugt. Es ist physikalisch nicht möglich, voneinander unabhängige Oszillatoren mit exakt gleicher Oszillationsfrequenz zu realisieren. Die Frequenzen der Oszillatoren weichen durch Fertigungsschwankungen, Bauteiletoleranzen, Temperaturabhängigkeiten, etc. in den einzelnen Geräten voneinander ab. Ohne weitere Maßnahmen führt dies im/in Empfänger(n) nach dem Mischen, also dem Herabsetzen des hochfrequenten Signals in das Basisband, zu einem Trägerfrequenzoffset, also einer Frequenzverschiebung um die Differenz der zum Mischen verwendeten Trägerfrequenzen.
Unabhängig von der Funkverbindung, werden in unterschiedlichen Anwendungen lokale Taktsignale, z. B. als digitaler Systemtakt, als Abtasttakt oder für Zähler verwendet. Im Allgemeinen weichen die lokalen Taktsignale in den beteiligten Geräten voneinander ab. Die lokalen Taktsignale werden beispielsweise mittels eines dedizierten Oszillators (nicht zu verwechseln mit dem lokalen Oszillator der Funkvorrichtung) im Digitalteil erzeugt.
Es existieren jedoch Anwendungen für drahtlos miteinander verbundene Geräte, die eine hohe Übereinstimmung der Frequenzen der lokalen Taktsignale der einzelnen Geräte erfordern, etwa zur Herstellung einer gemeinsamen Zeitbasis für alle beteiligten Geräteinstanzen.
In bestehenden Systemen werden Abweichungen der Frequenzen der lokalen Takte der einzelnen Geräte entweder in Kauf genommen, sind tolerierbar, oder werden nur in geringen Maße korrigiert, weil die dann verbleibenden Frequenzabweichungen tolerierbar sind.
In Kauf genommen werden können Abweichungen der Frequenzen der lokalen Takte der einzelnen Geräte dann, wenn beispielsweise keine hohe zeitliche Genauigkeit gefordert ist oder nur kurze Zeitabschnitte betrachtet werden, innerhalb derer unzulässig große Fehler nicht auftreten.
Ein Beispiel, bei dem Abweichungen der Frequenzen der lokalen Taktsignale (der Oszillatoren) der einzelnen Geräte in Kauf genommen werden, stellt die Zeitsynchronisierung von Informationssymbolen (Symbolsynchronisierung) in Kommunikationssystemen dar. Hierbei müssen die Abtastzeitpunkte der Informationssymbole im Empfänger hinreichend genau mit den Abtastzeitpunkten der Sendesymbole abgestimmt werden. Bei einem digitalen Übertragungssystem werden dabei Informationssymbole mit einer bestimmten Rate (Symbolrate) übertragen. Im Rahmen der Informationsübertragung werden senderseitig Informationssymbole auf ein analoges Trägersignal moduliert. Die entsprechende digital analog Wandlung wird dabei mit einem digitalen Abtasttakt im Sender getaktet; im Empfänger wird die analog digital Wandlung mit einem separaten digitalen Abtasttakt getaktet. Der Systemtakt ist dabei im Allgemeinen größer oder gleich dem Symboltakt, d. h. das Analogsignal wird über eine Symbolperiode mit einer Vielzahl von Abtastwerten (im Systemtakt) abgetastet. Die Abtastung der Informationssymbole im Empfänger erfolgt idR. durch die Auswahl geeigneter Abtastwerte des Analogsignals aus der Vielzahl der Abtastwerte des Analogsignals. Im Allgemeinen wird dabei ein Fehler in der Zeitsynchronisierung entsprechend der Abtastperiode des digitalen Systemtaktes (d. h. des Analog Digital Wandlers) toleriert.
Ein Beispiel für die Systeme und Verfahren, bei welchen die Abweichungen der Frequenzen der lokalen Takte der einzelnen Geräte nur in geringem Maße korrigiert werden, stellt die Frequenzsynchronisierung bei drahtlosen Kommunikationssystemen dar. Hierbei wird die nicht zu vermeidende Abweichung der Frequenz des lokalen Oszillators der Funkvorrichtung im Empfänger von der Frequenz des entsprechenden lokalen Oszillators im Sender, die wie beschrieben zu einem Trägerfrequenzoffset des Empfangssignals führt, durch Verfahren wie z. B. Trägerrückgewinnung (durch PLLs, Filterung) oder Offset-Schätzung und nachgeschalteter Korrektur korrigiert.
Es gibt jedoch Anwendungen, in welchen Abweichungen der Frequenzen der lokalen Takte der einzelnen Geräte weder in Kauf genommen werden können, noch tolerierbar sind, noch nur in geringern Maße korrigiert werden müssen. In solchen Anwendungen gibt es keine Alternative als eine gemeinsame Zeitbasis herzustellen.
Die US 7,787,357 B2 zeigt ein OFDM System (OFDM = Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, dt. Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren) mit einem Sender und einem Empfänger. Der Sender weist einen I/Q Modulator und einen Mischer auf, wobei der I/Q Modulator durch einen Oszillator angesteuert wird und der Mischer durch einen senderseitigen Lokaloszillator angesteuert wird, wobei der Oszillator und der senderseitige Lokaloszillator mit derselben Frequenzreferenz, z. B. einem Kristalloszillator, verknüpft sind. Der Empfänger weist einen Mischer und einen I/Q Demodulator auf, wobei der Mischer durch einen empfängerseitigen Lokaloszillator angesteuert wird und der I/Q Demodulator durch einen Oszillator angesteuert wird, wobei der Oszillator und der empfängerseitige Lokaloszillator mit derselben Frequenzreferenz, z. B. einem Kristalloszillator, verknüpft sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zum Synchronisieren von lokalen Takten zu schaffen, das die oben genannten Nachteile vermindert bzw. reduziert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Empfänger gemäß Anspruch 1, ein System gemäß Anspruch 6, einem Verfahren gemäß Anspruch 11, einem Verfahren gemäß Anspruch 12 und einem Computerprogramm gemäß Anspruch 13.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Empfänger mit einem Lokaloszillator, einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Empfängerträgersignals, einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Empfängertaktsignals, und einer Einrichtung zum Ermitteln eines Offsets. Der Lokaloszillator ist ausgebildet, um ein Empfängeroszillatorsignal mit einer Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx bereitzustellen. Die Einrichtung zum Bereitstellen des Empfängerträgersignals ist ausgebildet, um das Empfängerträgersignal mit einer Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals bereitzustellen. Die Einrichtung zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals ist ausgebildet, um das Empfängertaktsignal mit einer Empfängertaktfrequenz f_b,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals bereitzustellen, wobei das Empfängertaktsignal ein digitaler Systemtakt ist. Die Einrichtung zum Ermitteln des Offsets ist ausgebildet, um den Offset zwischen einer Senderträgerfrequenz f_c,Tx eines empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals zu ermitteln. Dabei ist die Einrichtung zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals ausgebildet, um die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offset einzustellen.
Bei Ausführungsbeispielen weist der Empfänger einen lokalen Oszillator auf, der das Empfängeroszillatorsignal mit der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx generiert. Dadurch, dass sowohl die Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals als auch die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx des Empfängertaktsignals von der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx abhängig sind, führt ein Offset der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx sowohl zu einem Offset der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx als auch der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx. Somit kann die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Rx des empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals derart eingestellt werden, dass die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx auf z. B. eine Sendertaktfrequenz f_b,Rx synchronisiert ist.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein System mit dem oben genannten Empfänger und einem Sender, wobei der Sender einen Lokaloszillator, eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Senderträgersignals, eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Sendertaktsignals und eine Einrichtung zum Senden eines Sendesignals aufweist. Der Lokaloszillator ist ausgebildet, um ein Senderoszillatorsignal mit einer Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx bereitzustellen. Die Einrichtung zum Bereitstellen des Senderträgersignals ist ausgebildet, um das Senderträgersignal mit einer Senderträgerfrequenz f_c,Tx basierend auf der Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx des Senderoszillatorsignals bereitzustellen. Die Einrichtung zum Bereitstellen des Sendertaktsignals ist ausgebildet, um das Sendertaktsignal mit einer Sendertaktfrequenz f_b,Tx basierend auf der Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx des Senderoszillatorsignals bereitzustellen, wobei das Sendertaktsignal ein digitaler Systemtakt ist. Die Einrichtung zum Senden des Sendesignals ist ausgebildet, um das Sendesignal mit der Senderträgerfrequenz f_c,Tx des Senderträgersignals zu dem Empfänger zu senden. Dabei ist die Einrichtung zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals des Empfängers ausgebildet, um die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offset derart einzustellen, dass das Sendertaktsignal mit der Sendertaktfrequenz f_b,tx und das Empfängertaktsignal mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx synchronisiert sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Empfängers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild eines Empfängers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockschaltbild eines Systems mit einem Sender und einem Empfänger gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Blockschaltbild eines Systems mit einem Sender und einem Empfänger gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Diagramm eines abgetasteten Empfängerbasisbandsignals bei nicht synchronisierter Empfängertaktfrequenz aufgetragen über die Zeit;
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Senden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Synchronisieren einer Sendertaktfrequenz und einer Empfängertaktfrequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Empfängers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Empfänger 100 weist einen Lokaloszillator 102, eine Einrichtung 104 zum Bereitstellen eines Empfängerträgersignals 106, eine Einrichtung 108 zum Bereitstellen eines Empfängertaktsignals 110 und eine Einrichtung 112 zum Ermitteln eines Offsets auf. Der Lokaloszillator 102 ist ausgebildet, um ein Empfängeroszillatorsignal 114 mit einer Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx bereitzustellen. Die Einrichtung 104 zum Bereitstellen des Empfängerträgersignals 106 ist ausgebildet, um ein Empfängerträgersignal 106 mit einer Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals 114 bereitzustellen. Die Einrichtung 108 zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110 ist ausgebildet, um das Empfängertaktsignal 110 mit einer Empfängertaktfrequenz f_b,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals 114 bereitzustellen. Die Einrichtung 112 zum Ermitteln des Offsets ist ausgebildet, um den Offset zwischen einer Senderträgerfrequenz f_c,Tx eines empfangenen Sendesignals 116 und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals 106 zu ermitteln. Die Einrichtung 108 zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110 ist dabei ausgebildet, um die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offset einzustellen.
Bei Ausführungsbeispielen weist der Empfänger einen lokalen Oszillator auf, der das Empfängeroszillatorsignal mit der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx generiert. Dadurch, dass sowohl die Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals als auch die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx des Empfängertaktsignals von der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx abhängig sind, führt ein Offset der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx sowohl zu einem Offset der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx als auch der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx. Somit kann die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx des empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals derart eingestellt werden, dass die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx auf z. B. eine Sendertaktfrequenz f_b,Rx synchronisiert ist.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Einrichtung 112 zum Ermitteln des Offsets ferner ausgebildet sein, um ein Offsetsignal 113 mit dem ermittelten Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx des empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals bereitzustellen. Die Einrichtung 108 zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110 kann dabei ausgebildet sein, um die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offsetsignal 113 mit dem Offset einzustellen.
Weitere Ausführungsbeispiele und/oder optionale Merkmale des Empfängers 100 werden im Folgenden anhand von 2 näher beschrieben.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Empfängers 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu 1 weist die in 2 gezeigte Einrichtung 112 zum Ermitteln des Offsets ferner eine Einrichtung 118 zum Schätzen des Offsets und einen Mischer 120 auf. Der Mischer 120 kann ausgebildet sein, um das empfangene Sendesignal 116 mit der Senderträgerfrequenz f_c,Tx und das Empfängerträgersignal 106 mit der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx zu mischen (runter zu mischen), um ein Empfängerbasisbandsignal 122 zu erhalten. Die Einrichtung 118 zum Schätzen des Offsets kann dabei ausgebildet sein, um den Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf dem Empfängerbasisbandsignal 122 zu ermitteln.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Einrichtung 118 zum Schätzen des Offsets ferner ausgebildet sein, um das Offsetsignal 113 mit dem ermittelten Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx des empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals bereitzustellen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Einrichtung 118 zum Ermitteln des Offsets ausgebildet sein, um den Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf einem Offset zwischen einer tatsächlichen und erwarteten Frequenzlage des Empfängerbasisbandsignals 122 zu ermitteln.
Beispielsweise führt ein Frequenzoffset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx ebenfalls zu einem Frequenzoffset zwischen einer tatsächlichen und erwarteten Frequenzlage des runtergemischten Basisbandsignals 122, so dass z. B. eine Mittenfrequenz des runtergemischten Basisbandsignals 122 ebenfalls den Frequenzoffset aufweist. Ein Frequenzoffset von z. B. 1 kHz zwischen der Senderträgerfrequenzf f_c,Tx und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx führt somit ebenfalls zu einem Frequenzoffset von 1 kHz zwischen einer tatsächlichen und einer erwarteten Mittenfrequenz des runtergemischten Basisbandsignals 122.
Bei Ausführungsbeispielen kann die Einrichtung 112 zum Ermitteln des Offsets eine Abtasteinrichtung 124 aufweisen, die ausgebildet ist, um ansprechend auf das Empfängertaktsignal 110 mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx das Empfängerbasisbandsignal 122 abzutasten, um ein abgetastetes Basisbandsignal 126 zu erhalten. In diesem Fall kann die Einrichtung 118 zum Schätzen des Offsets ausgebildet sein, um den Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf einer Phasendifferenz von zumindest zwei (unmittelbar) aufeinanderfolgenden Abtastwerten des abgetasteten Basisbandsignals 126 zu ermitteln.
Die Abtasteinrichtung 124 kann ein Analog-Digital-Wandler sein, der ausgebildet ist, um das analoge Basisbandsignal 122 ansprechend auf das Empfängertaktsignal 110 mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in das abgetastete bzw. digitale Basisbandsignal 126 zu wandeln.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Senders 200 und eines Empfängers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sender 200 weist einen Lokaloszillator 202, eine Einrichtung 204 zum Bereitstellen eines Senderträgersignals 206, eine Einrichtung 208 zum Bereitstellen eines Sendertaktsignals 210 und eine Einrichtung 212 zum Senden des Sendesignals 150 auf. Der Lokaloszillator 202 ist ausgebildet, um ein Senderoszillatorsignal 214 mit einer Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx bereitzustellen. Die Einrichtung 204 zum Bereitstellen des Senderträgersignals 206 ist ausgebildet, um das Senderträgersignal 206 mit einer Senderträgerfrequenz f_c,Tx basierend auf der Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx des Senderoszillatorsignals 214 bereitzustellen. Die Einrichtung 208 zum Bereitstellen des Sendertaktsignals 210 ist ausgebildet, um das Sendertaktsignal 210 mit der Sendertaktfrequenz f_b,Tx basierend auf der Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx des Senderoszillatorsignals 214 bereitzustellen. Die Einrichtung 212 zum Senden des Sendesignals 150 ist ausgebildet, um das Sendesignal 150 basierend auf dem Senderträgersignal 206 mit der Senderträgerfrequenz f_c,Tx zu dem Empfänger 100 zu senden.
Der Empfänger 100 weist den Lokaloszillator 102, die Einrichtung 104 zum Bereitstellen des Empfängerträgersignals 106, die Einrichtung 108 zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110 und die Einrichtung 112 zum Ermitteln des Offsets auf. Der Lokaloszillator 102 ist ausgebildet, um das Empfängeroszillatorsignal 114 mit der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx bereitzustellen. Die Einrichtung 104 zum Bereitstellen des Empfängerträgersignals 106 ist ausgebildet, um das Empfängerträgersignal 106 mit der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals 114 bereitzustellen. Die Einrichtung 108 zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110 ist ausgebildet, um das Empfängertaktsignal 110 mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals 114 bereitzustellen. Die Einrichtung 112 zum Ermitteln des Offsets ist ausgebildet, um den Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx des empfangenen Sendesignals 116 und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals 106 zu ermitteln. Dabei ist die Einrichtung 108 zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110 des Empfängers 100 ausgebildet, um die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offset derart einzustellen, dass das Sendertaktsignal 210 mit der Sendertaktfrequenz f_b,Tx und das Empfängertaktsignal 110 mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx synchronisiert sind.
Bei Ausführungsbeispielen bedeutet synchronisiert dabei, dass eine Abweichung zwischen der Sendertaktfrequenz f_b,Tx und der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx reduziert bzw. minimiert ist (hinreichend klein ist), z. B. dass die Abweichung kleiner als 0,001%, 0,0001%, 0,00001%, 0,000001%, 0,0000001%, 0,00000001%, 0,000000001% oder 0,0000000001% ist.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Empfänger 100 eine Einrichtung zum Empfangen des Sendesignals 150 aufweisen, die ausgebildet ist, um das Sendesignal 150 zu empfangen, um das empfangene Sendesignal 116 zu erhalten.
Wie in 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, kann die Einrichtung 212 zum Senden des Sendesignals 150 und die Einrichtung 140 zum Empfangen des Sendesignals 150 jeweils eine Antenne aufweisen. Mit anderen Worten, in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Sender 200 ein Funksender sein, während der Empfänger 100 ein Funkempfänger sein kann. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf solche Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Zu der Übertragung des Sendesignals 150 von dem Sender 200 zu dem Empfänger 100 kann auch eine drahtgebundene oder optische Übertragungsstrecke verwendet werden. Natürlich kann sowohl die Einrichtung 212 zum Senden als auch die Einrichtung 140 zum Empfangen weitere Komponenten, wie z. B. Verstärker und/oder Filter, aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Empfänger 100 eine Empfängeruhr 130 aufweisen, die mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx des Empfängertaktsignals 110 getaktet ist, so dass eine Uhrengeschwindigkeit der Empfängeruhr 130 von der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx des Empfängertaktsignals 110 abhängig ist. Ferner kann der Sender 200 eine Senderuhr 230 aufweisen, die mit der Sendertaktfrequenz f_b,Tx des Sendertaktsignals 210 getaktet ist, so dass eine Uhrengeschwindigkeit der Senderuhr 230 von der Sendertaktfrequenz f_b,Tx des Sendertaktsignals 210 abhängig ist.
Dadurch, dass das Empfängertaktsignal 110 mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx mit dem Sendertaktsignal 210 mit der Sendertaktfrequenz f_b,Tx synchronisiert ist, kann auch die Uhrengeschwindigkeit der Empfängeruhr 130 mit der Uhrengeschwindigkeit der Senderuhr 230 synchronisiert sein, d. h. eine Abweichung der Uhrengeschwindigkeit der Empfängeruhr 130 von der Uhrengeschwindigkeit der Senderuhr kann reduziert bzw. minimiert (hinreichend klein) sein, z. B. kleiner als 10.000 ppb, 1.000 ppb, 100 ppb, 10 ppb oder 1 ppb (ppb = parts per billion, dt. Teile von einer Milliarde).
Mit anderen Worten, es liegt ein System aus zwei oder mehreren Geräten (Empfänger 100 und Sender 200) vor, die über eine drahtlose Verbindung verfügen.
Jedes Gerät 100 und 200 enthält jeweils einen Oszillator 102 und 202, die Frequenz des Ausgangssignals 114 und 214 wird hier als Oszillatorfrequenz f_0,Rx und f_0,Tx bezeichnet.
In den Geräten 100 und 200 wird mit Hilfe eines Frequenzvervielfachers (beispielsweise einer Fractional-N-PLL, PLL = phase-locked loop, dt. Bruchteil-N-Phasenregelschleife) 104 und 204 aus dem Ausgangssignal 114 und 214 des Oszillators 102 und 202 das Hochfrequenzträgersignal 106 und 206 der Funkübertragung abgeleitet, wobei die Frequenz f_c,Rx und f_c,Tx des Trägersignals 106 und 206 über einen Faktor a mit der Oszillatorfrequenz f_0,Rx und f_0,Tx zusammenhängt.
Des Weiteren verfügen die Geräte 100 und 200 über ein weiteres lokales Taktsignal 110 und 210 (z. B. als digitaler Systemtakt, Abtasttakt, etc.).
Dieses Taktsignal 110 und 210 wird ebenfalls aus dem Ausgangssignal 114 und 214 des Oszillators 102 und 202 abgeleitet, wobei die Frequenz f_b,Rx und f_b,Tx des Taktsignals 110 und 210 über einem Faktor b zusammenhängt. Durch diese Anordnung mit einem gemeinsamen Oszillator 102 und 202 besteht in jedem Gerät (Sender 200 und Empfänger 100) jeweils ein festes und bekanntes (rationales) Verhältnis zwischen den Frequenzen des Taktsignals 110 und 210 und des hochfrequenten Trägersignals 106 und 206.
Senderseitig wird mit Hilfe des Trägersignals 206 ein hochfrequentes Funksignal 150 erzeugt.
Empfängerseitig wird das zu empfangene, hochfrequente Funksignal 150 mit Hilfe eines Mischers 120 in das Basisband umgesetzt. Der Mischer 120 wird mit einem im Empfänger 100 erzeugten Trägersignal 106 angesteuert.
Aus den im Allgemeinen sich unterscheidenden Frequenzen der Trägersignale 106 und 206 des Senders 200 und Empfängers 100 ergibt sich ein Trägerfrequenzoffset, also eine Frequenzverschiebung des Basisbands um die Differenz der Trägerfrequenzen.
Für die Frequenzen des Gesamtsystems gelten nun zusammenfassend folgende Zusammenhänge.
Bezeichnet jeweils für den Sender

f_0,Tx: die Frequenz des Oszillators 202,
f_c,Tx: die Frequenz des (hochfrequenten) Trägersignals 206,
f_b,Tx: die Frequenz des lokalen Taktes 210 (digitaler Systemtakt, Abtasttakt),
a_Tx: das Verhältnis zwischen der Trägerfrequenz und der Oszillatorfrequenz,
b_Tx: das Verhältnis zwischen der Frequenz des lokalen Taktes und der Oszillatorfrequenz,

f_c,Tx = a_Txf_0,Tx (1)

f_b,Tx = b_Txf_0,Tx (2)

Bezeichnet weiterhin jeweils für den Empfänger

f_0,Tx: die Frequenz des Oszillators 102,
f_c,Rx: die Frequenz des (hochfrequenten) Trägersignals 106,
f_b,Rx: die Frequenz des lokalen Taktes 110 (digitaler Systemtakt, Abtasttakt) im Empfänger,
a_Rx: das Verhältnis zwischen der Trägerfrequenz und Oszillatorfrequenz,
b_Rx: das Verhältnis zwischen der Frequenz des lokalen Taktes und der Oszillatorfrequenz und
Δf: der Trägerfrequenzoffset im Empfänger 100,

f_c,Rx = a_Rxf_0,Rx (3)

f_b,Rx = b_Rxf_0,Rx (4)

Δf = f_c,Rx – f_c,Tx. (5)

Empfängerseitig 100 wird der Trägerfrequenzoffset Δf mithilfe des Ausgangssignals 122 des Mischers 120 (des Basisbandsignals), geschätzt.
Basierend auf diesem geschätzten Trägerfrequenzoffset wird nun der Faktor b_Rx zu einem neuen Wert b so verändert, dass die Frequenz des (daraus) abgeleiteten Taktsignals 110 gleich der Frequenz des entsprechenden Taktsignals 210 des Senders 200 wird, d. h. f_b,Rx = f_b,Tx (6)
Dafür muss der aktuelle Wert b_Rx auf einen neuen Wert
eingestellt werden.
Die Schätzung des Trägerfrequenzoffsets und Einstellung des Faktors b_Rx kann dabei kontinuierlich erfolgen und damit nachgeführt werden, oder einmalig bzw. periodisch eingestellt gehalten werden. Die Häufigkeit der Nachführung der Oszillatorfrequenzen ist anwendungsspezifisch angemessen einzustellen.
Das Verfahren besteht zusammenfassend also darin, empfängerseitig 100 den Trägerfrequenzoffset Δf zu schätzen, hieraus über Gleichung (7) einen neuen Wert b_Rx zu berechnen und den Generator 108 für das lokale Taktsignal 110 mit diesem neuen Verhältnis zwischen der Frequenz des lokalen Taktes 110 und der Oszillatorfrequenz anzusteuern.
Mit diesem Verfahren wird es ermöglicht, die Frequenz des lokalen Taktes 110 des Empfängers 100 mit der Frequenz des lokalen Taktes 210 des Senders 200 zu synchronisieren.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems mit einem Empfänger 100 und einem Sender 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Empfänger 100 kann dabei den lokalen Oszillator 102, die Einrichtung 104 zum Bereitstellen des Empfängerträgersignals 106, die Einrichtung 108 zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110, die Einrichtung 112 zum Ermitteln des Offsets und die Einrichtung 140 zum Empfangen des Sendesignals 150 aufweisen. Die Einrichtung 112 zum Ermitteln des Offsets kann einen Mischer 120, eine Abtasteinrichtung 124 und eine Einrichtung 118 zum Schätzen des Offsets aufweisen. Der Mischer 120 kann ausgebildet sein, um das empfangene Sendesignal 116 mit der Senderträgerfrequenz f_c,Tx und das Empfängerträgersignal 106 mit der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx zu mischen, um ein Empfängerbasisbandsignal 122 zu erhalten. Die Abtasteinrichtung 124 kann ausgebildet sein, um ansprechend auf das Empfängertaktsignal 110 mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx das Empfängerbasisbandsignal 122 abzutasten, um ein abgetastetes Basisbandsignal 126 zu erhalten. Die Einrichtung 118 zum Schätzen des Offsets kann ausgebildet sein, um den Offset zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf einer Phasendifferenz von zumindest zwei (unmittelbar) aufeinanderfolgenden Abtastwerten des abgetasteten Basisbandsignals 126 zu ermitteln.
Der Sender 200 kann den Lokaloszillator 202, die Einrichtung 204 zum Bereitstellen des Senderträgersignals 206, die Einrichtung 208 zum Bereitstellen des Sendertaktsignals 210 und die Einrichtung 212 zum Senden des Sendesignals 150 aufweisen. Die Einrichtung 212 zum Senden des Sendesignals 150 kann dabei einen Mischer 220 aufweisen, der ausgebildet sein kann, um ein Senderbasisbandsignal 222 und das Senderträgersignal 210 mit der Senderträgerfrequenz f_c,Tx zu mischen, um das Sendesignal 150 zu erhalten.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Sender 200 einen Digital-Analog-Wandler 224 aufweisen, der ausgebildet ist, um ansprechend auf das Sendertaktsignal 210 mit der Sendertaktfrequenz f_b,Tx ein digitales Senderbasisbandsignal 226 in das Senderbasisbandsignal 222 zu wandeln.
Ferner kann der Sender 200 einen Basisbandprozessor 228 aufweisen, der ausgebildet sein kann, um das digitale Basisbandsignal 226 bereitzustellen.
Mit anderen Worten, 4 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Ausführung mit einem Sender 200 und einem Empfänger 100. Der Sender 200 weist einen Oszillator 202 (z. B. Quarzoszillator, RC-Oszillator) auf, welcher ein Oszillatorsignal 214 mit der Frequenz f_0,Tx erzeugt.
Mit Hilfe der Einheit 204 (Einrichtung zum Bereitstellen des Senderträgersignals 204, z. B. ein Frequenzsynthesizer) wird aus dem Signal 214 ein Trägersignal 206 mit der Frequenz f_c,Tx erzeugt.
Weiterhin wird mit Hilfe der Einheit 208 (Einrichtung zum Bereitstellen des Sendertaktsignals 210, z. B. ein Frequenzsynthesizer) aus dem Signal 214 ein Taktsignal 210 mit der Frequenz f_b,Tx erzeugt.
Das digital in Einheit 228 erzeugte digitale Basisbandsignal 226 wird über einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 224 in das analoge Basisbandsignal 222 gewandelt. Der Digital-Analog-Wandler 224 wird mit dem Taktsignal 210 getaktet. Ein Mischer 220 mischt das Signal 222 mit dem Trägersignal 206 zu dem auszusendenden HF-Signal 150.
Im Sender 200 kann beispielsweise eine Uhr 230 durch das Taktsignal 210 getaktet werden.
Der Empfänger 100 enthält einen Oszillator 102 (z. B. Quarzoszillator, RC-Oszillator), der ein Oszillatorsignal 114 mit der Frequenz f_0,Rx erzeugt.
Mit Hilfe der Einheit 104 (Einrichtung zum Bereitstellen des Empfängerträgersignals 106, z. B. einen Frequenzsynthesizer) wird aus dem Signal 114 ein Trägersignal 106 mit der Frequenz f_c,Rx erzeugt.
Weiterhin wird mit Hilfe der Einheit 108 (Einrichtung zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110, z. B. einem Frequenzsynthesizer) aus dem Signal 114 ein Taktsignal 110 mit der Frequenz f_b,Rx erzeugt.
Ein Mischer 120 setzt das hochfrequente Empfangssignal 116 mit Hilfe des Trägersignals 106 in das analoge Basisbandsignal 122 um.
Das Signal 122 kann mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) 124 in ein digitales Basisbandsignal 126 gewandelt werden. Der Analog-Digital-Wandler 124 wird mit dem Taktsignal 110 getaktet. Mit Hilfe der Einheit 118 (Einrichtung zum Schätzen des Offsets) wird aus dem Signal 126 der Trägerfrequenzoffset Δf geschätzt. Daraus wird ein Steuersignal 113 abgeleitet, welches die Einheit 108 (Einrichtung zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals 110) veranlasst, den Faktor b'_Rx so einzustellen, dass Gleichung (6) gilt.
Im Empfänger 100 kann beispielsweise eine Uhr 130 durch das Taktsignal 110 getaktet werden.
Technisch ist es häufig zweckmäßig, getrennte Oszillatoren zur Erzeugung des HF-Mischersignals und des digitalen Taktsignals einzusetzen, nicht zuletzt da die erforderlichen Taktfrequenzen um Größenordnungen auseinander liegen können.
Die oben beschriebene Anordnung, mit einer gemeinsamen Referenz und einem festen Verhältnis der Frequenzen bietet jedoch die im Folgenden genannten Vorteile.
Durch die Anwendung des beschriebenen Verfahrens wird ein drahtlos über entfernte Geräte synchronisierter Takt verfügbar gemacht. Dieser Takt kann als gemeinsame Zeitbasis dienen. Insbesondere ist eine auch über lange Zeiträume zeitlich genaue digitale Abtastung der Sende- bzw. Empfangssignale möglich.
Der technische Mehraufwand gegenüber herkömmlichen Verfahren liegt hauptsächlich nur bei dem Empfänger 100, wobei der Begriff hier nur die Rolle bei der Taktsynchronisierung beschreibt. Auch bei einer bidirektionalen Übertragung sind die Takte nach Anwendung des beschriebenen Verfahrens selbstverständlich gegenseitig synchronisiert.
Bei Ausführungsbeispielen wird ein gemeinsamer Oszillator 102 und 202 als Referenz für den Träger 106 und 206 und den digitalen Takt 110 und 210 verwendet, so dass sich im Empfänger 100 das Taktsignal 110 des digitalen Teils einer Veränderung der Trägerfrequenz des Empfangssignals anpasst.
Nachfolgend seien zwei Anwendungen genannt, in welchen Abweichungen der Frequenzen der lokalen Takte der einzelnen Geräte weder in Kauf genommen werden können, noch tolerierbar sind, noch nur in niedrigen Maße korrigiert werden müssen, d. h. bei welchen es zur Herstellung einer gemeinsamen Zeitbasis keine Alternative gibt.
Erstens, bei Anwendungen zur laufzeitbasierten Ortung von Objekten im physikalischen Raum werden senderseitig Impulse bzw. Informationssymbole auf einen hochfrequenten Träger moduliert. Bei einem digitalen Ortungssystem wird der zeitliche Verlauf dieser Symbole durch den lokalen digitalen Takt im Sender bestimmt. Die Ortungsgenauigkeit des Gesamtsystems hängt entscheidend davon ab, wie genau der Empfänger die Laufzeit bzw. den Empfangszeitpunkt der auf den Träger modulierten Informationssymbole bestimmen kann. Die Zeiten werden bei einem digitalen laufzeitbasierten Ortungssystem über digitale Zähler gemessen, welche durch den jeweiligen lokalen Takt getaktet werden. Weichen die Frequenzen der lokalen Takte zwischen Sender und Empfänger voneinander ab, weichen auch die Geschwindigkeiten der Uhren zur Zeitmessung voneinander ab. Ohne geeignete Gegenmaßnahmen entstehen hieraus im Allgemeinen Fehler in der Laufzeitmessung und damit der Ortsbestimmung.
Mit dem beschrieben Verfahren kann eine gemeinsame Zeitbasis zwischen Sender und Empfänger hergestellt werden.
Zweitens, bei Funkanwendungen, die für große Operationsreichweiten ausgelegt werden sollen, müssen Maßnahmen zur Erhöhung des Signal-Rauschabstandes (Signal to Noise Ratio, SNR) des Empfangssignals ergriffen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, das zu übertragende Signal nicht einmalig auszusenden, sondern mehrfach auszusenden und im Empfänger eine zeitlich kohärente Superposition der empfangenen Signalabschnitte durchzuführen, d. h. eine Aufaddierung jeweils miteinander korrespondierender Abtastwerte aus den Signalabschnitten. Dies setzt jedoch voraus, dass die Signalabschnitte im Empfänger exakt mit derselben zeitlichen Abfolge beginnen (abgetastet werden), mit welcher der Sender diese erzeugt hat. Die Zeitpunkte, zu welchen die Signalabschnitte im Sender und Empfänger beginnen, werden jedoch durch den lokalen Takt im Sender und Empfänger bestimmt. Die Frequenz dieser Taktsignale bestimmt damit die Uhrengeschwindigkeit und damit die Zeitbasis im Sender und Empfänger. Weichen die Taktfrequenzen und damit Uhrengeschwindigkeiten zwischen Sender und Empfänger voneinander ab, werden die Signale im Empfänger bei der Superposition nicht zeitlich kohärent abgetastet, d. h. bei der Addition zeitlich verschoben. 5 veranschaulicht diesen Effekt anhand eines einfachen Beispiels. Die Uhr im Empfänger laufe hierbei fehlerfrei (hinsichtlich der Geschwindigkeit), die Uhr im Sender läuft mit einer kleineren Ganggeschwindigkeit. Senderseitig werden mehrere Impulse mit der Wiederholperiode T_Tx gesendet. Auf der Empfängerseite wird das empfangene Signal mit der Periode T_Rx in gleich lange Signalabschnitte bzw. Beobachtungsfenster unterteilt. Die abweichenden Uhrengeschwindigkeiten und damit die abweichenden Zeitunterteilungen in Sender und Empfänger führen (bezogen auf die Zeitbasis des Empfängers) zu einer Streckung des gesamten Empfangssignals und damit zu einer sich über mehrere Perioden kumulierenden Verschiebung ΔT der Sendersignalabschnitte innerhalb der Beobachtungsfenster des Empfängers. Sollen die Beobachtungsfenster nun abtastwertweise addiert werden, führt die Verschiebung im resultierenden Summensignal bzw. Mittelwertsignal zu einer entsprechenden Signalverzerrung.
Bei einem Kommunikationssystem kann diese Verzerrung innerhalb bestimmter Grenzen toleriert werden. Bei einem Ortungssystem führt diese Signalverzerrung unmittelbar zu Fehlern. Gängige Verfahren werten beispielsweise den Zeitpunkt der ansteigenden Flanke des Empfangssignals aus oder bestimmen den Zeitpunkt, welcher in der Mitte eines Symbols des Empfangssignals liegt. Diese Zeitpunkte sind bei dem verzerrten Signal verschoben.
Mit dem beschrieben Verfahren kann diese Fehlerursache vermieden werden.
Im Allgemeinen kann das Verfahren vorteilhaft bei allen Anwendungen eingesetzt werden bei welchen das zu übertragende Signal im Sender und Empfänger über einen längeren Zeitraum zeitlich kohärent abgetastet werden soll.
Eine mögliche Anwendung ist (wie oben schon erwähnt wurde) die Ortung eines Senders im physikalischen Raum, basierend auf der Auswertung der Zeitpunkte des Empfangs des ausgesendeten Funksignals (bei mehreren Empfängern).
Bei Ausführungsbeispielen kann der Sender 200 (z. B. ein mobiler Tag) zur Bestimmung des Empfangszeitpunktes über einen bestimmten Zeitraum periodisch Signale im Zeitabstand T_Tx senden. In der Praxis können die Uhren 130 und 230 im Sender 200 und Empfänger 100 unterschiedliche Ganggeschwindigkeiten aufweisen, die Periode im Sender 200 wird nachfolgend als T_Tx und im Empfänger 100 als T_Rx bezeichnet.
Wenn T_Tx von T_Rx abweicht, entstehen Fehler. 5 veranschaulicht dies anhand eines einfachen Beispiels. Die Uhr 130 im Empfänger 100 laufe hier fehlerfrei (hinsichtlich der Geschwindigkeit), die Uhr 230 im Sender 200 laufe mit einer kleineren Ganggeschwindigkeit. Senderseitig 200 werden im Basisbandsignal 222 mehrere Impulse mit der Wiederholperiode T_Tx gesendet. Auf der Empfängerseite 100 wird das empfangene Basisbandsignal 122 mit der Periode T_Rx in gleich lange Beobachtungsfenster unterteilt. Dabei führen die abweichenden Zeitunterteilungen in Sender 200 und Empfänger 100 zu einer „Streckung” des gesamten Basisbandempfangssignals 122 und damit zu einer sich über mehrere Perioden kumulierenden Verschiebung der Sendersignalabschnitte innerhalb der Beobachtungsfenster des Empfängers 100. Sollen die Beobachtungsfenster, beispielsweise zwecks einer Erhöhung des SNR (SNR = signal-to-noise ratio, dt. Signal-Rausch-Verhältnis), abtastwertweise addiert werden, führt die Verschiebung im resultierenden Summenvektor zu einer entsprechenden Signalverzerrung (siehe 5).
Es ist hier also keine zeitlich kohärente Addition mit hinreichend kleinem Fehler mehr möglich.
Der Fehler steigt mit der Messdauer an. Sei beispielsweise angenommen, für die Anwendung zur Empfangszeitpunktbestimmung sei eine Abtastung und Verarbeitung des Empfangssignals über eine Messdauer von 8 ms notwendig. Eine Abweichung der Senderuhrgeschwindigkeit zur Empfängeruhrgeschwindigkeit von 10 ppm (ppm = parts per million, dt. Teile von einer Million) führt bei dieser Messdauer dazu, dass das Ende des Sendesignals gegenüber dem Anfang um nahezu 80 ns verschoben ist, was bei Lichtgeschwindigkeit einem Weg von 24 Meter entspricht. Wenn der nur durch unterschiedliche Uhrengeschwindigkeiten verursachte Fehler der zeitlich kohärenten Periodeneinteilung zwischen Sender 200 und Empfänger 100 hingegen kleiner als beispielsweise 0,1 m sein soll, dürfen die Uhrengeschwindigkeiten nicht mehr als
(ppb = parts per billion, dt. Teile von einer Milliarde) voneinander abweichen. Daher müssen entweder Maßnahmen zur Korrektur dieses Fehlers oder zur Synchronisierung der Uhrengeschwindigkeiten zwischen Sender 200 und Empfänger 100 ergriffen werden.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zum Empfangen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 302 wird ein Empfängeroszillatorsignal mit einer Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 304 wird ein Empfängerträgersignal mit einer Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Tx des Empfängeroszillatorsignals bereitgestellt. In einem dritten Schritt 306 wird ein Empfängertaktsignal mit einer Empfängertaktfrequenz f_b,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals bereitgestellt. In einem vierten Schritt 308 wird ein Offset Δf zwischen einer Senderträgerfrequenz f_c,Tx eines empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals ermittelt. Dabei wird beim Schritt 306 des Bereitstellens des Empfängertaktsignals die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offset Δf eingestellt.
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zum Synchronisieren einer Sendertaktfrequenz f_b,Tx und einer Empfängertaktfrequenz f_b,Rx. In einem ersten Schritt 402 wird ein Senderoszillatorsignal mit einer Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 404 wird ein Senderträgersignal mit einer Senderträgerfrequenz f_c,Tx basierend auf der Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx des Senderoszillatorsignals bereitgestellt. In einem dritten Schritt 406 wird ein Sendertaktsignal mit einer Sendertaktfrequenz f_b,Tx basierend auf der Senderoszillatorfrequenz f_0,Tx des Senderoszillatorsignals bereitgestellt. In einem vierten Schritt 408 wird ein Sendesignal mit der Senderträgerfrequenz f_c,Tx des Senderträgersignals mit einem Sender zu einem Empfänger gesendet. In einem fünften Schritt 410 wird das Sendesignal von einem Empfänger empfangen, um ein empfangenes Sendesignal zu erhalten. In einem sechsten Schritt 412 wird ein Empfängeroszillatorsignal mit einer Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx bereitgestellt. In einem siebten Schritt 414 wird ein Empfängerträgersignal mit einer Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals bereitgestellt. In einem achten Schritt 416 wird ein Empfängertaktsignal mit einer Empfängertaktfrequenz f_b,Rx basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz f_0,Rx des Empfängeroszillatorsignals bereitgestellt. In einem neunten Schritt 418 wird ein Offset Δf zwischen der Senderträgerfrequenz f_c,Tx des empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz f_c,Rx des Empfängerträgersignals ermittelt. Dabei wird in dem Schritt 416 des Bereitstellens des Empfängertaktsignals die Empfängertaktfrequenz f_b,Rx in Abhängigkeit von dem Offset Δf derart eingestellt, dass das Sendertaktsignal mit der Sendertaktfrequenz f_b,Tx und das Empfängertaktsignal mit der Empfängertaktfrequenz f_b,Rx synchronisiert sind.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement beispielsweise ein feldprogrammierbares Gate Array, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gate Array mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Claims

Empfänger (100), mit folgenden Merkmalen: einem Lokaloszillator (102), der ausgebildet ist, um ein Empfängeroszillatorsignal (114) mit einer Empfängeroszillatorfrequenz (f_0,Rx) bereitzustellen; einer Einrichtung (104) zum Bereitstellen eines Empfängerträgersignals (106) mit einer Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz (f_0,Rx) des Empfängeroszillatorsignals (114); einer Einrichtung (108) zum Bereitstellen eines Empfängertaktsignals (110) mit einer Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz (f_0,Rx) des Empfängeroszillatorsignals (114), wobei das Empfängertaktsignal (110) ein digitaler Systemtakt ist; und einer Einrichtung (112) zum Ermitteln eines Offset (Δf) zwischen einer Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) eines empfangenen Sendesignals (116) und der Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) des Empfängerträgersignals (106); wobei die Einrichtung (108) zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals (110) ausgebildet ist, um die Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) in Abhängigkeit von dem Offset (Δf) einzustellen.
Empfänger (100) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (112) zum Ermitteln des Offsets (Δf) einen Mischer (120) und eine Einrichtung (118) zum Schätzen des Offsets (Δf) aufweist, wobei der Mischer (120) ausgebildet ist, um das empfangene Sendesignal (116) mit der Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) und das Empfängerträgersignal (106) mit der Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) zu mischen, um ein Empfängerbasisbandsignal (122) zu erhalten; wobei die Einrichtung (118) zum Schätzen des Offsets (Δf) ausgebildet ist, um den Offset (Δf) zwischen der Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) und der Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) basierend auf dem Empfängerbasisbandsignal (122) zu schätzen.
Empfänger (100) nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung (118) zum Schätzen des Offsets (Δf) ausgebildet ist, um den Offset (Δf) zwischen der Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) und der Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) basierend auf einem Offset zwischen einer tatsächlichen und erwarteten Frequenzlage des Empfängerbasisbandsignals (122) zu ermitteln.
Empfänger (100) nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung (112) zum Ermitteln des Offsets (Δf) eine Abtasteinrichtung (124) aufweist, die ausgebildet ist, um ansprechend auf das Empfängertaktsignal (110) mit der Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) das Empfängerbasisbandsignal (122) abzutasten, um ein abgetastetes Basisbandsignal (126) zu erhalten; wobei die Einrichtung (118) zum Schätzen des Offsets (Δf) ausgebildet ist, um den Offset (Δf) zwischen der Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) und der Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) basierend auf dem abgetasteten Basisbandsignal (126) zu ermitteln.
Empfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Empfänger (100) eine Empfängeruhr (130) aufweist, die mit der Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) des Empfängertaktsignals (110) getaktet ist, so dass eine Uhrengeschwindigkeit der Empfängeruhr (130) von der Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) des Empfängertaktsignals (110) abhängig ist.
System mit einem Sender (200) und einem Empfänger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sender (200) folgende Merkmale aufweist: einen Lokaloszillator (202), der ausgebildet ist, um ein Senderoszillatorsignal (214) mit einer Senderoszillatorfrequenz (f_0,Tx) bereitzustellen; eine Einrichtung (204) zum Bereitstellen eines Senderträgersignals (206) mit einer Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) basierend auf der Senderoszillatorfrequenz (f_0,Tx) des Senderoszillatorsignals (214); eine Einrichtung (208) zum Bereitstellen eines Sendertaktsignals (210) mit einer Sendertaktfrequenz (f_b,Tx) basierend auf der Senderoszillatorfrequenz (f_0,Tx) des Senderoszillatorsignals (214), wobei das Sendertaktsignal (210) ein digitaler Systemtakt ist; und einer Einrichtung (212) zum Senden des Sendesignals (150) mit der Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) des Senderträgersignals (206) zu dem Empfänger (100); wobei der Empfänger (100) eine Einrichtung (140) zum Empfangen des Sendesignals (150) aufweist, und wobei die Einrichtung (108) zum Bereitstellen des Empfängertaktsignals (110) ausgebildet ist, um die Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) in Abhängigkeit von dem Offset (Δf) derart einzustellen, dass das Sendertaktsignal (210) mit der Sendertaktfrequenz (f_b,Tx) und das Empfängertaktsignal (110) mit der Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) synchronisiert sind.
System nach Anspruch 6, wobei der Empfänger (100) eine Empfängeruhr aufweist, die mit der Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) des Empfängertaktsignals (110) getaktet ist, so dass eine Uhrengeschwindigkeit der Empfängeruhr (130) von der Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) des Empfängertaktsignals (110) abhängig ist; und wobei der Sender (200) eine Senderuhr (230) aufweist, die mit der Sendertaktfrequenz (f_b,Tx) des Sendertaktsignals (210) getaktet ist, so dass eine Uhrengeschwindigkeit der Senderuhr (230) von der Sendertaktfrequenz (f_b,Tx) des Sendertaktsignals (210) abhängig ist.
System nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Einrichtung (212) zum Senden einen Mischer (220) aufweist, der ausgebildet ist, um ein Senderbasisbandsignal (222) und das Senderträgersignal (206) mit der Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) zu mischen, um das Sendesignal (150) zu erhalten.
System nach Anspruch 8, wobei der Sender (200) einen Digital-Analog-Wandler (224) aufweist, der ausgebildet ist, um ansprechend auf das Sendertaktsignal (210) mit der Sendertaktfrequenz (f_b,Tx) ein digitales Senderbasisbandsignal (226) in das Senderbasisbandsignal (222) zu wandeln.
System nach Anspruch 9, wobei der Sender (200) einen Basisbandprozessor (228) aufweist, der ausgebildet ist, um das digitale Basisbandsignal (226) bereitzustellen.
Verfahren zum Empfangen, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Empfängeroszillatorsignals mit einer Empfängeroszillatorfrequenz (f_0,Rx); Bereitstellen eines Empfängerträgersignals mit einer Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz (f_0,Rx) des Empfängeroszillatorsignals; Bereitstellen eines Empfängertaktsignals mit einer Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz (f_b,Rx) des Empfängeroszillatorsignals, wobei das Empfängertaktsignal ein digitaler Systemtakt ist; Ermitteln eines Offsets (Δf) zwischen einer Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) eines empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) des Empfängerträgersignals; wobei beim Bereitstellen des Empfängertaktsignals die Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) in Abhängigkeit, von dem Offset (Δf) eingestellt wird.
Verfahren zum Synchronisieren einer Sendertaktfrequenz (f_b,Tx) und einer Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx), mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Senderoszillatorsignals mit einer Senderoszillatorfrequenz (f_0,Tx); Bereitstellen eines Senderträgersignals mit einer Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) basierend auf der Senderoszillatorfrequenz (f_0,Tx) des Senderoszillatorsignals; Bereitstellen eines Sendertaktsignals mit einer Sendertaktfrequenz (f_b,Tx) basierend auf der Senderoszillatorfrequenz (f_0,Tx) des Senderoszillatorsignals, wobei das Sendertaktsignal ein digitaler Systemtakt ist; Senden eines Sendesignals mit der Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) des Senderträgersignals mit einem Sender; Empfangen des Sendesignals mit einem Empfänger, um ein empfangenes Sendesignal zu erhalten; Bereitstellen eines Empfängeroszillatorsignals mit einer Empfängeroszillatorfrequenz (f_0,Rx); Bereitstellen eines Empfängerträgersignals mit einer Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz (f_0,Rx) des Empfängeroszillatorsignals; Bereitstellen eines Empfängertaktsignals mit einer Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) basierend auf der Empfängeroszillatorfrequenz (f_0,Rx) des Empfängeroszillatorsignals, wobei das Empfängertaktsignal ein digitaler Systemtakt ist; Ermitteln eines Offsets (Δf) zwischen einer Senderträgerfrequenz (f_c,Tx) des empfangenen Sendesignals und der Empfängerträgerfrequenz (f_c,Rx) des Empfängerträgersignals; wobei beim Bereitstellen des Empfängertaktsignals die Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) in Abhängigkeit von dem Offset (Δf) derart eingestellt wird, dass das Sendertaktsignal mit der Sendertaktfrequenz (f_b,Tx) und das Empfängertaktsignal mit der Empfängertaktfrequenz (f_b,Rx) synchronisiert sind.
Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 11 oder 12 wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Mikroprozessor ausgeführt wird.