DE102016008217A1

DE102016008217A1 - Vorteilhafte Implementierung einer funkbasierten Positionsbestimmung mit hoch genauer Verzögerung im Transponder

Info

Publication number: DE102016008217A1
Application number: DE102016008217.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2018-01-11

Abstract

Die Erfindung beschreibt Details der vorteilhaften Implementierung eines neuartigen Systems zur Messung kurzer Entfernungen mittels der Laufzeit – Time of Flight – von Funksignalen zwischen mindestens einer Abfrageeinheit und einem Transponder, wobei eine Störung des Antwortsignals des Transponders durch das eigene Anfragesignal mittels einer hoch genauen Verzögerung der Anfrage im Transponder ausgeschlossen wird. Die Verzögerung wird dadurch quarzgenau mit der nötigen Präzision realisiert, dass diese in einer digitalen oder analogen Registerkette stattfindet, deren Registertakt dadurch zum Abfragesignal phasensynchron gehalten wird, dass eine variable Verzögerung des Abfragesignals in der Abfrageeinheit stattfindet und diese Verzögerung durch den erkennbaren Sprung der Gesamtlaufzeit – Round Trip – um eine Registertaktperiode am Synchronzeitpunkt vorzugsweise mittels einer Binärsuche angepasst wird.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entfernung zwischen einem beweglichen Objekt und jedenfalls einer ortsfesten Messstation mittels eines Funksignals präzise zu messen.
Hierzu bietet sich sowohl eine Laufzeitmessung in der Zeitebene, bekannt durch RADAR-Systeme aller Art, wie auch eine indirekte Laufzeitmessung durch eine Analyse z. B. eines Chirp-Signals in der Frequenzebene an.
In DE102015013453 desselben Erfinders ist ein neuartiges System zur direkten Laufzeitmessung beschrieben, welches eine Störung des Antwortsignals des Transponders durch das eigene Anfragesignal mittels einer hoch genauen Verzögerung der Anfrage im Transponder ausschließt. Die Verzögerung wird dadurch quarzgenau mit der nötigen Präzision realisiert, dass diese in einer digitalen oder analogen Registerkette stattfindet, deren Registertakt dadurch zum Abfragesignal phasensynchron gehalten wird, dass eine variable Verzögerung des Abfragesignals in der Abfrageeinheit stattfindet und diese Verzögerung durch den erkennbaren Sprung der Gesamtlaufzeit – Round Trip – um eine Registertaktperiode am Synchronzeitpunkt vorzugsweise mittels einer Binärsuche angepasst wird.
Zur Implementierung des Systems besteht das Problem, diese möglichst technisch stabil und kostengünstig vorzunehmen.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch das in den Ansprüchen beschriebene System gelöst, dessen Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird:
Das Beispiel in Bild 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System. Im oberen Teil des Bilds ist die Abfrageeinheit, im unteren der Transponder schematisch dargestellt.
Zunächst erzeugt der Oszillator OSC1 ein hochfrequentes Trägersignal vorzugsweise im Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Band, das über den Pulsmodulator PM1 moduliert und nach Verstärkung über den Leistungsverstärker PA1 über die Antenne ANT1 als Abfragesignal abgestrahlt werden kann.
Erfindungsgemäß wird jetzt ein besonders schneller Pulsmodulator PM1 eingesetzt, wodurch sich ein breitbandiges oder Ultra Wide Band Signal ergibt. Damit wird die Auswirkung der Cramer Rao Schranke auf die Systemgenauigkeit reduziert.
Für weitere Details der Abfrage wird auf DE102015013453 verwiesen.
Um zu verhindern, dass das von ANT3 ausgestrahlte Signal sofort fälschlicherweise eine weitere Abfrage auslöst, wird jetzt gemäß Unteranspruch der Empfänger DET1 kurz vor bis kurz nach der Aussendung gesperrt, dies kann durch Vorabableitung des Sperrsignals bei DFF2 und Veroderung desselbigen mit den Ausgangssignalen von DFF3 bis DFF4 geschehen. Alternativ setzt der Ausgang von DFF4 gemäß Unteranspruch die gesamte Registerkette zurück.
Um den Eingang des Signals beim Empfänger (DET1) besonders genau zu ermitteln, ist die Nutzung eines Korrelationsempfängers denkbar, wobei die Auswirkung von Multipath auf die Korrelation gemäß Unteranspruch nachträglich durch Auswertung der vom A/D-Wandler (DSO-ADC1) empfangenen Flanke reduziert werden kann. Diese Korrekturmöglichkeit besteht selbst bei einfachen Pulssignalen.
Als Empfänger wie auch als Korrelationsempfäger ist die Nutzung eines handelsüblichen I/Q-Demodulators ebenso wie eines handelsüblichen Breitbanddetektors denkbar. Gemäß Unteranspruch kann bei letzterem ein eventuell zusätzlich vorhandenes RMS Signal in Relation zum empfangenen Envelope gesetzt werden.
Bei Nutzung eines I/Q-Demodulators bietet sich die Quadrierung und nachfolgende Summierung der I/Q-Ausgänge an, dies kann direkt mittels analoger Multiplizierer oder auch per digitaler Signalverarbeitung, dort bevorzugt mittels CORDIC Algorithmus erfolgen. Die zusätzlich gewonnene Phaseninformation kann zur Erkennung eines stabilen Trägers und ggf. Korrelation mit diesem genutzt werden. Außerdem kann trotz Auslösung einer ersten Pulsbearbeitung in der Registerkette (DFF1 bis DFF4) nachträglich die Aussendung einer Antwort unterdrückt werden, sollte der empfangene Träger nicht hinreichend stabil sein.
Als erstes Register (DFF1) kann durchaus bei Nutzung eines I/Q-Demodulators wie auch Breitbanddetektors auch das analoge Sample/Hold-Register eines dem Demodulator oder Detektor nachgeschalteten A/D-Wandlers genutzt werden.
Weiterhin kann die Pulsbearbeitung unterdrückt werden, sollte nicht der dem Transponder zugehörige Abfragecode als Modulation auf dem Träger erkannt werden, bei Nutzung eines I/Q-Demodulators ist eine Phasenmodulation besonders vorteilhaft.
Die korrekte Ansteuerung des A/D-Wandlers zur Auswertung der Antwort ist für eine hohe Systemgenauigkeit besonders wichtig. Einerseits bestimmt dieser die genaue Signallaufzeit, wobei die Genauigkeit durch Interpolation oder Fitting erhöht werden kann.
Andererseits kann er gemäß Unteranspruch dazu genutzt werden, um aufgrund des symmetrischen Übertragungswegs aus der eingehenden Flanke inklusive aller Störungen durch Multipath eine Korrektur der gemessenen Laufzeit in Senderichtung vorzunehmen. Dazu wird die gemessene Flanke gegen das Verhalten und insbesondere die Triggerschwelle des Empfängers im Transponder rechnerisch verglichen, anhand des Vergleichs kann die Triggerschwelle rechnerisch verschoben und so eine Zeitkorrektur vorgenommen werden.
Dazu muss allerdings ein zum Trigger der Aufzeichnung synchroner Takt für den Wandler bereitgestellt werden. Während derartige Wandler einschließlich FIFO handelsüblich verfügbar sind – z. B. AD6641. von Analog Devices – braucht es für die Verschiebung der Taktflanken einen weiteren Kunstgriff.
Gemäß Unteransprüchen wird dies entweder durch Anwendung eines zweiten gleichartigen Verzögerungselements analog zu dem für den Trigger (VDLY1) erreicht oder durch Gewinnung des Rahmentakts für den Modulator (PM1) nachträglich durch Teilung des Takts für den A/D-Wandler. Zusätzlich können hier PLL Schleifen oder die digitale direkte Synthese zum Einsatz kommen, um eine Taktverschiebung zu erreichen.
Bei Nutzung von Vektormodulatoren – auch für die Pulserzeugung – und Vektordemodulatoren bietet sich die zusätzliche Implementierung eines etablierten Funkstandards an, gemäß Unteranspruch kann die Distanzmessfunktion z. B. durch Auswertung des Paketstarts oder eines anderen Merkmals wie z. B. einer Präambel ausgelöst werden. Dabei kann der Inhalt des Datenpakets die Transponderantwort freischalten.
Die nötigen Verzögerungselemente (VDLY1) lassen sich entweder taktbasiert oder auch, so die entsprechende Verarbeitungskapazität bereitsteht, durch Interpolation, insbesondere eines I/Q-Signals für den Vektormodulator, oder durch Resampling in digitaler Signalverarbeitung realisieren. Denkbar ist auch eine Kombination mit der taktbasierten Verzögerung.
Ggf. kann auch eine Vorverzerrung entsprechend bekannter Multipath Eigenschaften vorgenommen werden, welche entweder aus vorangegangenen Transponderantworten oder z. B. aus der Channel Equalization errechnet wird, besonders wenn weitere Funkstandards zum Ansatz kommen.
Somit lässt sich z. B. ein herkömmliches WLAN, LTE oder Bluetooth System durch Ergänzung von wenig zusätzlicher Hardware zur äußerst präzisen Distanzbestimmung nutzen. Damit wird dem Kosten-/Nutzen-Aspekt besonders Rechnung getragen.
Mit der Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, auch kurze Entfernungen im Raum mittels Funk besonders kostengünstig auszumessen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015013453 [0003, 0008]

Claims

System zur Entfernungsmessung durch Laufzeitmessung eines Funksignals, oder Abfrageeinheit oder Transponder eines solchen Systems, das System bestehend aus mindestens einer Abfrageeinheit und mindestens einem Transponder, wobei die Abfrageeinheit ein Abfragesignal zum Transponder aussendet, welches von diesem mit einem Antwortsignal beantwortet wird, das seinerseits von der Abfrageeinheit empfangen wird, wodurch die Zeit zwischen Abfrage und Antwort bestimmt und daraus die Entfernung zwischen Abfrageeinheit und Transponder errechnet wird, wobei die Abfrageeinheit die Anfragen zunächst in einem festen Zeitraster intern anlegt, die Abfrageeinheit über mindestens ein variables Verzögerungselement für die so erzeugten Abfragen verfügt, welches es ermöglicht, das zunächst dem Zeitraster gehorchende Abfragesignal variabel zeitlich im Raster zu verschieben und danach auszusenden, der Transponder die sodann empfangenen Abfragen in mindestens einer getakteten Registerkette verzögert und mit dem so verzögerten Signal die Antwort auslöst, diese Registerkette im Transponder aus einem lokalen Registertakt getaktet wird, welcher in fester Frequenz-Relation zum Zeitraster der Abfrageeinheit steht, mit Hilfe des variablen Verzögerungselements in der Abfrageeinheit jener optimaler Zeitpunkt ausgelotet wird, an dem gerade eben durch ein Taktsignal im Transponder eine sofortige Übernahme der Anfrage in der Registerkette exakt bei einer Taktflanke des Registertakts erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass breitbandige, breitbandig gepulste, OFDM oder Ultra Wideband Funksignale genutzt werden.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplung des eigenen Sendesignals auf den Empfänger des Transponders vermieden wird, indem dieser vorab, während und/oder nach der Aussendung deaktiviert wird oder die vorhandene Registerkette im Transponder nach der Aussendung zurückgesetzt wird.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrelation mit einem bekannten Signal oder eine Autokorrelation zur Ermittlung des Eingangs eines Abfragesignals genutzt wird.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur präzisen Erfassung des Antwortsignals in der Abfrageeinheit der Takt des die Antwort aufzeichnenden ADC Wandlers (DSO-ADC1) zusammen mit dessen Triggersignal über ein weiteres variablen Verzögerungselement, welches baugleich zum vorhandenen Verzögerungselement (VDLY1) ist und gleichartig angesteuert wird, mit verzögert wird.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst nur der Takt des die Antwort aufzeichnenden A/D Wandlers (DSO-ADC1) über das variable Verzögerungsglied (VDLY1) übertragen wird und durch Taktteilung aus diesem das Zeitraster zur Abfrage abgeleitet wird.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom A/D Wandler (DSO-ADC1) aufgezeichnete Antwort durch Analyse der aufgezeichneten Signalflanke so ausgewertet wird, dass sowohl die exakte Verzögerung der Rückübertragung vom Transponder bestimmt als auch unter Anwendung der bekannten Eigenschaften des Empfängers des Transponders eine Korrektur der Laufzeit zum Transponder hin für die exakte Ermittlung der zu messenden Distanz vorgenommen wird.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Transponder breitbandig durch einen Leistungsdetektor sowohl die Envelope- als auch die RMS-Leistung des empfangenen Funksignals ausgewertet wird und beide zur Ermittlung des Eingangs des Abfragepulses in Relation gesetzt werden.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Integration in ein bestehendes Standard-Datenübertragungssystem wie IEEE WLAN, ETSI LTE oder Bluetooth vorgenommen wird, indem eine Signalcharakteristik oder der Paketanfang als Abfrage- oder Antwortpuls interpretiert wird.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfänger (DET1 oder DET2) ein Vektordemodulator oder I/Q-Demodulator eingesetzt wird und das Vorhandensein eines stabilen Trägers auch nach Detektion der Wellenfront durch Auswertung der Amplituden oder Amplitudenquadrate nachträglich durch Auswertung der Phase festgestellt wird und bei Nichtvorliegen eines stabilen Trägers die Aussendung einer Antwort unterdrückt wird, wobei zusätzlich auf die Phase noch ein Abfragecode zur Freischaltung der Antwort moduliert werden kann, wobei zusätzlich als Sendemodulator (PM1 oder PM2) ein Vektormodulator oder I/Q-Modulator genutzt werden kann.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungselement (VDLY1) durch digitale Signalverarbeitung oder Interpolation oder Resampling eines I/Q-Signals realisiert wird.