DE102017100225A1

DE102017100225A1 - Transponder mit automatischer Kalibrierung für die funkbasierte Positionsbestimmung mit hoch genauer Verzögerung im Transponder

Info

Publication number: DE102017100225A1
Application number: DE102017100225.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-08
Filing date: 2017-01-08
Publication date: 2018-07-12

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Transponder für ein neuartiges System zur Messung kurzer Entfernungen mittels der Laufzeit - Time of Flight - von Funksignalen zwischen mindestens einer Abfrageeinheit und einem Transponder gemäß DE102015013453. Durch eine schaltbare Rückführung zwischen eigenem Sender und Empfänger und das Einfügen eines weiteren variablen Verzögerungselements wird ein Ringoszillator gebildet, dessen Frequenz bei einer bestimmten Verzögerung sprunghaft sinkt. Eine Steuerungseinheit stellt jetzt mittels einer Binärsuche die Verzögerung genau auf diesen Frequenzsprung ein, wodurch eine exakt definierte Gesamtverzögerung im Transponder erreicht 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 und die entsprechende Messeinrichtung zu kalibrieren.
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 DE102015013453B3 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.
Für weitere Details wird auf die Patentschrift DE102015013453B3 verwiesen.
Bei den bisher bekannten Lösungen zur Konstruktion eines Transponders gemäß DE102015013453B3 besteht das Problem, dass die Genauigkeit durch z.B. temperaturabhängige Schwankungen der (Gruppen-) Laufzeiten in Detektoren, Modulatoren und Verstärkern leiden kann.
Weiterhin besteht der Wunsch, als Abfrage sogenannte Chirp-Signale zu verwenden, in DE102016008390 desselben Erfinders ist ein besonders vorteilhafter Detektor für solche Chirp-Impulse beschrieben. Bei den Chirp-Signalen handelt es sich um Hochfrequenzsignale mit kontinuierlich steigender oder fallender Frequenz.
Mittels Korrelation der Ausgangssignale des Detektors auch mehrerer solche Chirp-Impulse im Empfänger gegen ein bekanntes Muster sowie mittels Frequenzsprungverfahren - Frequency Hopping - lässt sich zudem eine besonders stabile und störfeste Übertragung des Abfrage- und Antwortsignals sicherstellen.
Die Erzeugung eines solchen Chirp-Impulses kann nach dem Stand der Technik entweder digital mittels direkter digitaler Synthese oder schlicht Auslesen der Abtastwerte aus einem ROM Speicher erfolgen, oder analog durch das Anlegen eines Rampensignals an einen analogen VCO - Voltage Controlled Oscillator.
Die letztere Lösung hat den Vorteil eines geringen Herstellungsaufwands, aber den Nachteil einer hohen Frequenzungenauigkeit, da jede Schwankung des Rampensignals unmittelbar in die erzeugte Frequenz eingeht. Ein solches Rampensignal lässt sich beispielsweise leicht durch Ansteuerung eines Integrators mittels eines Differenzverstärkers realisieren, welcher die Differenz aus dem Ist-Wert am Integrator-Ausgang und dem Sollwert am zweiten Eingang des Differenzverstärkers liefert. Gibt man jetzt als Sollwert einen Spannungssprung vor, dann wird als Istwert die gewünschte Rampe erzeugt. Diese lässt sich auch analog leicht parametrisieren, z.B. durch Einstellung der hohen und niedrigen Spannung des Spannungssprungs oder Begrenzung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers z.B. mittels handelsüblicher Begrenzer-OpAmps und Vorgabe der Spannungen mittels Digital-Analog-Wandler.
Leider besteht auch bei dieser sehr preisgünstigen Chirp Erzeugung das Problem, dass die Parametrisierung auf irgendeine Art und Weise so zu ermitteln ist, dass sich angefangen vom Eingangsverstärker über den Chirp-Detektor bis zum Chirp-Generator und Leistungsverstärker eine definierte Laufzeit ergibt. Sind die Parameter erst einmal ermittelt, so lassen sich diese von einer Steuerung gemäß dem Stand der Technik ,problemlos mittels Analog Digital Wandlern einstellen.
Bisherige Lösungen zur Kalibrierung von Radar-Systemen wie beispielsweise in EP2773044B8 beschrieben setzen auf eine Vielzahl von Mischern und PLL-Schleifen, der Aufwand hierfür ist für einen kleinen Transponder sehr hoch.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch den im Hauptanspruch beschriebenen Transponder gelöst, wobei das Funktionsprinzip auch auf Abfragegeräte übertragbar ist, dessen Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird:
Das Beispiel in Bild 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Transponder. Im Regelbetrieb lässt die Steuerung CCTRL1 zunächst nur den Schalter SW2 geschlossen, hingegen sind SW1 und SW3 geöffnet. Wird jetzt ein Signal von der Abfrageeinheit durch den Empfangsverstärker LNA1, Detektor DET1 und Schmitt-Trigger ST1 empfangen, so wird dieses zum nächsten Takt vom ersten D-Flip-Flop DFF1 gelatcht und vorzeitig vor dem Aussenden der Antwort über den Eingang Det. In. von der Steuerung erkannt. Die Steuerung kann jetzt ohne zeitliche Probleme die Antenne dadurch auf den Sendeleistungsverstärker PA1 umschalten, dass der Schalter SW3 geschlossen und der Schalter SW2 geöffnet wird.
Die Antwort-Pulsgenerierung erfolgt dann nach Verzögerung über die D-Flip-Flops DFF2 und DFF3 über die Puksformungsschaltung bestehend aus dem D-Flip-Flop DFF4 und dem Gatter AND1. Der Puls wird variabel verzögert über das eben zu kalibrierende Zeitglied VDLY1 an den schnellen Pulsmodulator PM1 gegeben, welcher aus dem vom Sendesignal-Oszillator OSC1 erzeugten Träger einen HF Puls formt. Dieser wird dann über den Sendeleistungsverstärker PA1 verstärkt und via Schalter SW3 auf die Antenne gegeben.
Der eigentliche Antwortpuls wird dabei mittels des hochgenauen Pulsmodulators PM1 erzeugt. Diese getrennte Lösung wird gegenüber einer kombinierten Lösung aus SW3 und PM1 in einem Element bevorzugt, da Hochfrequenz-Leistungsschalter meist große zeitliche Schwankungen beim Umschalten aufweisen. Die weitere Funktion der eigentlichen Abfrage und auch die Elimination der Ungenauigkeit durch die taktgebundene Übergabe am D-Eingang von DFF1 ist in DE102015013453B3 beschrieben.
Nach einer angemessenen Zeitdauer erfolgt mittels eines Zeitglieds in der Steuerung CCTRL1 eine Rückschaltung in den Empfangsbetrieb.
Soll jetzt der Transponder z.B. in regelmäßigen Zeitintervallen kalibriert werden, so wird die Steuerung SW2 und SW3 öffnen, um unerwünschte Aussendungen zu verhindern. Gleichzeitig wird SW1 geschlossen, wobei sich ggf. der Einbau eines zusätzlichen - aus Übersichtlichkeitsgründen nicht eingezeichneten - Dämpfungsglieds in den Signalpfad via SW1 empfiehlt, um den LNA1 Verstärker nicht zu übersteuern oder gar bei hohen Sendeleistungen zu zerstören.
Die Steuerung CCTRL1 kann jetzt mittels dem Oder-Gatter OR1 einen Testpuls über ihren Ausgang Gen. Out in die so entstandene Schleife einfügen.
In der besonders vorteilhaften Ausführung gemäß Unteranspruch entsteht jetzt durch die geschlossene Schleife ein Ringoszillator, dessen Frequenz sich aus der Schleifenverzögerung ergibt. Diese ist inhärent mit dem lokalen Registertakt erzeugt von OSC2 synchronisiert, der Registertakt von OSC2 ist somit ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Ringoszillators.
Durch diese Kopplung ergibt sich jetzt überraschenderweise die Möglichkeit, die Schleifenverzögerung mit Hilfe der variablen Verzögerung im Verzögerungselement VDLY1 exakt zu kalibrieren. Denn beim Eintreffen des Impulses in der Schleife selbst kurz nach dem Erreichen der Grenze eines Registertakts am D-Eingang von DFF1 resultiert daraus gleich die Verzögerung um einen ganzen weiteren Registertakt in der gesamten Schleife. Somit ist die Gesamtlaufzeit in der Schleife ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer des von OSC2 erzeugten lokalen Registertakts.
In der weiterhin sehr vorteilhaften Ausführung der Erfindung gemäß Unteranspruch nähert sich jetzt die Steuerung genau dieser Grenze durch eine Binärsuche der dafür benötigten variablen Verzögerungszeit im Verzögerungselement VDLY1 an.
Hierzu wird zunächst die am Ausgang Delay Ctrl. der Steuerung vorgegebene Verzögerung um einen halben Schritt des aktuell vorliegenden Parameterintervalls verändert, anfänglich ist dieses Intervall der gesamte zulässige Wertebereich der einstellbaren Verzögerung. Ergibt sich dann eine Laufzeitverlängerung in der Schleife um einen Registertakt bzw. eine entsprechende Reduktion der Frequenz des Ringoszillators, so ist der korrekte Wert des Parameters im vorderen, sonst im hinteren Teil des Intervalls zu suchen.
Dementsprechend wird jetzt das neue Parameterintervall auf die vordere oder hintere Hälfte des bisherigen Intervalls reduziert und die Suche entsprechend fortgeführt. Damit lässt sich mit lediglich n Messungen eine Auflösung von einem 2 hoch n-ten Teil sehr schnell erreichen.
Ist jetzt der Zeitparameter entsprechend ausgelotet, so ist diese Einstellung für folgende Laufzeitmessungen mit dem Transponder unmittelbar oder mittels festem Offset verwendbar. Weiterhin kann auch eine Mehrpunktkalibrierung gemäß Unteranspruch vorgenommen werden, indem z.B. die Verzögerung nochmals soweit vergrößert wird, dass sich das Signal in der Schleife abermals um einen weiteren Registertakt verzögert bzw. die Frequenz des Ringoszillators abermals sinkt. Somit ergibt sich ein weiterer Kalibrierungspunkt, mittels einer Interpolation nach dem Stand der Technik sind beliebige Zwischenwerte der Verzögerung durch die Steuerung realisierbar.
Wie in der Einleitung erwähnt ist es besonders vorteilhaft, zur Übertragung des Abfrage- und Antwortsignals Chirp-Signale mit z.B. kontinuierlich steigender Frequenz zu verwenden. Gemäß Unteranspruch kann jetzt auf den Nulldurchgang des Chirp-Detektors - aufgebaut z.B. gemäß DE102016008390 - kalibriert werden, welcher den normalen Impulsdetektor DET1 ersetzt. Dieser Nulldurchgang entsteht, wenn die empfangene Frequenz des OSC1 exakt der am Chirp-Detektor anliegenden Lokaloszillatorfrequenz entspricht.
Es ist jetzt möglich, den OSC1 als Chirp-Oszillator dadurch zu realisieren, dass eine analoge Rampe durch den Ausgangspuls am Gatter AND1 gestartet wird und diese Rampe den als VCO-Voltage Controlled Oscillator - ausgelegten OSC1 in seiner Frequenz kontinuierlich hochfährt.
Der einzustellende Zeitparameter ist in diesem Fall die Steilheit der Rampe, nach Ausloten des Parameters wird dieser in einem Speicher abgelegt und z.B. mittels Digital-Analog-Wandler dem Rampengenerator zur Verfügung gestellt. Alternativ kann z.B. auch der Start- oder Endwert der Rampe kalibriert werden, durch Veränderung der Lokaloszillator-Frequenz des Chirp-Detektors, die gewöhnlich durch eine PLL stabilisiert bereitgestellt wird, auf die gewünschten Start- und Endfrequenzen der Rampe.
Sofern ein Frequenzsprung-Verfahren gewünscht ist, können gemäß Unteranspruch die Parameter für unterschiedliche Frequenzen, die jeweils einem anderen Betriebszustand entsprechen, in einem Speicher abgelegt und bedarfsweise für den oder die Digital-Analog-Wandler wieder aufgerufen werden. Somit lässt sich auch ein VCO mit nichtlinearer Spannungs-Frequenz-Kennlinie in einem Transponder mit Frequenzsprungverfahren auf einfache Art und Weise nutzen.
Die vorliegende Erfindung kann gemäß Unteranspruch auch in Systemen, welche unter dem Nachteil einer schlechteren Genauigkeit auf die Nutzung des Patents DE102015013453 verzichten möchten, genutzt werden, um Laufzeiten zumindest teilweise zu kalibrieren. Hierbei wird das variable Verzögerungselement dann aus der Schleife ausgekoppelt und anderweitig zur Signalverzögerung verwendet, wobei bei dieser Umgehung eben dann nachteilig ist, dass die anderweitig benötigten Schaltungselemente nicht mit kalibriert werden und somit das Gesamtsystem deutlich ungenauer wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht in Verbindung mit der Erfindung aus DE102015013453B3 die Realisierung eines millimetergenauen Funkortungssystems, das mit geringem Aufwand auch in geschlossenen Räumen funktioniert und nicht auf externe Satelliten angewiesen ist.
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 B3 [0003, 0004, 0005, 0015, 0030]
DE 102016008390 [0006, 0025]
EP 2773044 B8 [0011]
DE 102015013453 [0029]

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 der Transponder das eingehende Funksignal zunächst mit mindestens einem lokalen Registertakt synchronisiert und dann verzögert im Raster des lokalen Registertakts eine Antwort sendet, - wobei das Abfragegerät die Ungenauigkeit, welche durch die Synchronisation entsteht, durch Ausloten des Übernahmezeitpunkts des Transponders mittels mindestens einer variablen Verzögerung des ansonsten an das Raster des lokalen Registertakts angeglichenen Abfrageschemas ausgleicht, - wobei mindestens ein die Laufzeit mindestens eines Abfrage- oder Antwortsignals beeinflussender Zeitparameter durch eine Steuerung einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - eine schaltbare Rückführung zwischen mindestens einem Funkausgangssignal und mindestens einem Funkeingangssignal besteht, - die Steuerung zur Kalibrierung der Laufzeit die Rückführung aktiviert und mindestens einen Testpuls in die so entstehende Schleife einleitet, wodurch abhängig von dem Zeitparameter die synchrone Übernahme zu einem bestimmten Taktimpuls des lokalen Registertakts oder erst zum auf diesen folgenden Taktimpuls erfolgt, - die Steuerung anhand der so erkannten zusätzlichen Verzögerung um einen weiteren Registertakt ab einem bestimmten Wert des Zeitparameters diesen zur Einstellung einer genau definierten Verzögerung kalibriert.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausloten des Zeitpunkts der zusätzlichen Verzögerung des Testpulses in der Schleife durch eine binäre Suche der anzuwendenden Verzögerung innerhalb eines definierten Zeitintervalls erfolgt.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Rückführung entstehende Schleife einen Ringoszillator bildet, dessen Frequenz sich ab einem bestimmten Wert des Zeitparameters sprunghaft ändert, wobei die erzeugte Frequenz durch die Steuerung gemessen werden und zur Kalibrierung des Zeitparameters genutzt werden kann.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung des Zeitparameters so vorgenommen wird, dass der Transponder im Betriebszustand exakt bei der ermittelten Zeit der erkannten Verzögerung um einen weiteren Takt oder bei dieser zuzüglich eines festen, auch negativen, Offsets betrieben wird.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung des Zeitparameters so vorgenommen wird, dass die Verzögerung um einen weiteren Takt oder mehrere weitere Takte bei mindestens zwei Grundeinstellungen des Zeitparameters ausgelotet wird und somit eine Mehrpunktkalibrierung ermöglicht wird.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Funkübertragung Chirp-Signale genutzt werden und die Kalibrierung auf eine bestimmte temporäre Frequenz des Chirp-Signals erfolgt.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Chirp-Signale durch einen mittels eines analogen Rampengenerators angesteuerten VCOs - Voltage Controlled Oscillator - erzeugt werden und mindestens ein Parameter des Rampengenerators oder die Rampensteilheit ein zu kalibrierender Zeitparameter ist.
System oder Abfrageeinheit oder Transponder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zeitparameter für unterschiedliche Betriebszustände oder Betriebsfrequenzen kalibriert und in einem Speicher abgelegt wird und beim erneuten Auftreten dieses Betriebszustands wieder abgerufen wird.
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 der Transponder oder das Abfragegerät oder die Baugruppe eine schaltbare Schleife mit lokalem Registertakt gemäß Anspruch 1 oder 2 oder 3 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die so kalibrierte Verzögerung durch Umschaltung mindestens eines so kalibrierten Elements in einem weiteren Signalpfad in diesem benutzt wird, um auf Anfragesignale innerhalb der so kalibrierten Laufzeit Antworten zu senden.
Monolithischer integrierter Schaltkreis oder Baugruppe für ein System oder ein Abfragegerät oder einen Transponder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung gemäß Anspruch 1 oder 9 darin integriert ist, wobei zusätzlich noch andere Baugruppen des Systems darin integriert sein können, wobei auch ein Mikroprozessor oder digitaler Signalprozessor oder Universalrechner oder FPGA enthalten sein kann, welcher jedenfalls Teile der Signalverarbeitung des patentgemäßen Transponders oder der patentgemäßen Abfrageeinheit in Software implementiert.