Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Einfallsrichtung eines Funksignals, insbesondere des Funksignals eines Flugobjekts.The invention relates to a method and a device for determining an incident direction of a radio signal, in particular of the radio signal of a flying object.
Ein bekannter Ansatz zur Peilung von Funksignalen besteht in der Auswertung eines frequenzmodulierten Signals, das aufgrund des Doppler-Effekts Auskunft über die Richtung einer sich ausbreitenden ebenen Wellenfront gibt. Dazu kann beispielsweise eine Antenne auf einer Kreisbahn bewegt werden, so dass beim Bewegen der Antenne in eine Wellenausbreitungsrichtung eine kleinere Frequenz und beim Bewegen in die entgegengesetzte Richtung eine größere Frequenz als die tatsächliche Signalfrequenz gemessen wird. Das entspricht dem Dopplereffekt.A known approach to the detection of radio signals consists in the evaluation of a frequency-modulated signal, which gives information about the direction of a propagating planar wavefront due to the Doppler effect. For this example, an antenna can be moved on a circular path, so that when moving the antenna in a wave propagation direction a smaller frequency and when moving in the opposite direction a greater frequency than the actual signal frequency is measured. This corresponds to the Doppler effect.
Das mechanische Bewegen einer Antenne wird in alternativen bekannten Ansätzen durch das Umschalten zwischen mehreren, kreisförmig angeordneten Antennen ersetzt. Hierzu ist regelmäßig ein Antennenumschalter vorgesehen, dessen Schaltfrequenz das räumliche Auflösungsvermögen des Peilers maßgeblich bestimmt.The mechanical movement of an antenna is replaced in alternative known approaches by the switching between a plurality of circularly arranged antennas. For this purpose, an antenna switch is regularly provided whose switching frequency determines the spatial resolution of the direction finder significantly.
Der Doppler-Peiler benötigt in der Schaltvariante einen Antennenschalter, dessen Kosten mit steigender Antennenzahl steigen. Eine besonders große Antennenzahl ist aber aufgrund einer entsprechend hohen erreichbaren Ortsauflösung wünschenswert. Weiterhin führt ein moduliertes Empfangssignal regelmäßig zu verschiedenen Phasen bei den unterschiedlichen Empfangsantennen, die nicht nur auf die Richtung einer ebenen Welle zurückzuführen sind. Daher muss hierzu typischerweise noch eine zusätzliche Empfangsantenne genutzt werden, um die Modulation herauszurechnen.In the switching variant, the Doppler direction finder requires an antenna switch, the cost of which increases as the number of antennas increases. However, a particularly large number of antennas is desirable due to a correspondingly high achievable spatial resolution. Furthermore, a modulated received signal regularly results in different phases in the different receiving antennas, which are not due only to the direction of a plane wave. Therefore, an additional receiving antenna typically has to be used to calculate out the modulation.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Einfallsrichtung eines Funksignals. Das Verfahren umfasst dabei mindestens die in Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte.The present invention relates to a method for determining an incident direction of a radio signal. The method comprises at least the method steps mentioned in claim 1.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Einfallsrichtung eines Funksignals. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Mehrzahl von Antennen zum Empfangen zumindest des Funksignals und zum Ausgeben eines jeweiligen analogen Antennensignals, für jede der Antennen einen jeweiligen Signalpfad zum Digitalisieren der analogen Antennensignale zu jeweiligen digitalen Antennensignalen, und einen digitalen Signalprozessor zum Ermitteln relativer Phasen zwischen den jeweiligen digitalen Antennensignalen und zum Ermitteln der Einfallsrichtung des Funksignals basierend auf Differenzen zwischen den relativen Phasen gemäß nachstehend beschriebenem Verfahren.Furthermore, the present invention relates to a device for determining an incident direction of a radio signal. The apparatus comprises at least a plurality of antennas for receiving at least the radio signal and for outputting a respective analog antenna signal, for each of the antennas a respective signal path for digitizing the analog antenna signals to respective digital antenna signals, and a digital signal processor for determining relative phases between the respective digital ones Antenna signals and for determining the direction of incidence of the radio signal based on differences between the relative phases according to the method described below.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Einfallsrichtung eines Funksignals eines Flugobjekts.Furthermore, the present invention relates to a use of the device according to the invention for determining an incident direction of a radio signal of a flying object.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird die Erfindung näher anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Einfallsrichtung eines Funksignals,
- 2: eine schematische Darstellung des digitalen Signalprozessors der Vorrichtung aus 1,
- 3: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Einfallsrichtung eines Funksignals, und
- 4: einen Signalverlauf der relativen Phasen nach Parallel-Seriell-Wandler 10, und
- 5: einen Signalverlauf der Differenzen der relativen Phasen.
The invention will be explained in more detail with reference to the figures. Showing: - 1 FIG. 2: a schematic representation of a device for determining an incident direction of a radio signal, FIG.
- 2 : A schematic representation of the digital signal processor of the device 1 .
- 3 : a schematic representation of a method for determining an incident direction of a radio signal, and
- 4 FIG. 2: a relative phase waveform according to a parallel-to-serial converter 10 , and
- 5 : a waveform of the differences of the relative phases.
AUSFÜHRLICHE BSCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Einfallsrichtung eines Funksignals 6. Die Vorrichtung 1 ist vorzugsweise zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens bestimmt und eingerichtet. Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise mit der Vorrichtung 1 durchgeführt. 1 shows a device 1 for determining an incident direction of a radio signal 6 , The device 1 is preferably intended and arranged for carrying out the described method. The described method is preferably used with the device 1 carried out.
Mit dem beschriebenen Verfahren und mit der Vorrichtung 1 kann die Einfallsrichtung eines Funksignals 6 besonders genau ermittelt werden. Vorzugsweise sind die Vorrichtung 1 und das beschriebene Verfahren zum Ermitteln einer Einfallsrichtung eines Funksignals 6 eines Flugobjekts bestimmt und eingerichtet. Bei dem Flugobjekt kann es sich insbesondere um ein unbemanntes Flugobjekt, beispielsweise eine Drohne handeln. Bei dem Funksignal 6 kann es sich beispielsweise um ein von dem Flugobjekt ausgesendetes Signal handeln, über das das Flugobjekt mit einer Basisstation wie beispielsweise einer Fernbedienung kommuniziert. So kann über das Funksignal 6 beispielsweise ein Videobild einer Kamera einer Drohne an die Basisstation übermittelt werden. Durch Empfangen des von der Drohne ausgesendeten Funksignals 6 kann die Richtung des von der Drohne ausgesendeten Funksignals und damit die Richtung zur Drohne selbst ermittelt werden.With the described method and with the device 1 can be the direction of incidence of a radio signal 6 be determined particularly accurately. Preferably, the device 1 and the described method for determining an incident direction of a radio signal 6 determined and set up a flying object. The flying object may in particular be an unmanned flying object, for example a drone. At the radio signal 6 it may, for example, be a signal emitted by the flying object, via which the flying object communicates with a base station, such as a remote control. So can over the radio signal 6 For example, a video image of a camera of a drone are transmitted to the base station. By receiving the radio signal emitted by the drone 6 The direction of the radio signal emitted by the drone and thus the direction to the drone itself can be determined.
Mit dem beschriebenen Verfahren bzw. mit der Vorrichtung 1 kann insbesondere die Einfallsrichtung eines fremden Funksignals 6 ermittelt werden. Beispielsweise kann so die Richtung zu einer Drohne ermittelt werden. Das Aussenden des Funksignals 6 ist mithin vorzugsweise nicht Teil des beschriebenen Verfahrens. Das beschriebene Verfahren ist stattdessen vorzugsweise darauf gerichtet, aus einem empfangenen Funksignal 6 dessen Einfallsrichtung zu bestimmen.With the described method or with the device 1 especially the Direction of incidence of a foreign radio signal 6 be determined. For example, the direction to a drone can be determined. The transmission of the radio signal 6 is therefore preferably not part of the described method. Instead, the described method is preferably directed to a received radio signal 6 determine its direction of incidence.
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung 1 sind nicht auf Anwendungen im Zusammenhang mit Flugobjekten beschränkt. Das Funksignal 6 kann auch von einem stationären Sender oder von einer beweglichen Quelle am Boden ausgesendet werden.The described method and the device 1 are not limited to applications related to flying objects. The radio signal 6 can also be transmitted from a stationary transmitter or from a mobile source on the ground.
3 zeigt eine schematische Darstellung des beschriebenen Verfahrens. Die Verfahrensschritte a) bis d) werden nacheinander durchgeführt. 3 shows a schematic representation of the method described. The process steps a) to d) are carried out successively.
In Schritt a) des beschriebenen Verfahrens wird das Funksignal 6 mit einer Mehrzahl von Antennen 2 nahezu, aber tatsächlich nicht ideal gleichzeitig empfangen, da das empfangene Signal zuerst an der in Ausbreitungsrichtung nächstliegenden und danach entsprechend an den weiteren Antennen eintrifft. Von jeder Antenne 2 wird daraufhin ein jeweiliges analoges Antennensignal ausgegeben.In step a) of the method described becomes the radio signal 6 with a plurality of antennas 2 almost, but in fact not ideally received simultaneously, since the received signal arrives first at the next in the propagation direction and then according to the other antennas. From every antenna 2 then a respective analog antenna signal is output.
Das Funksignal 6 ist in 1 schematisch über eine gerade Wellenfront 7 eingezeichnet. Für die Ermittlung der Einfallsrichtung des Funksignals 6 kann das Funksignal 6 als eine ebene Welle angenommen werden. Diese Näherung ist insbesondere bei hinreichend großem Abstand zwischen einem Sender des Funksignals 6 und den Antennen 2 gerechtfertigt und kann die Ermittlung der Einfallsrichtung des Funksignals 6 erleichtern. Die Antennen 2 sind voneinander mit Abstand und vorzugsweise auf einer Kreisbahn angeordnet. Die Einfallsrichtung des Funksignals 6 kann in zwei Dimensionen bereits mit zwei Antennen 2 ermittelt werden. Das kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Einfallswinkel ermittelt wird. Bevorzugt sind mindestens drei Antennen 2 vorgesehen. Damit kann die Einfallsrichtung auch in drei Dimensionen ermittelt werden und beispielsweise über zwei Einfallswinkel ausgegeben werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass sogar mindestens vier Antennen 2 vorgesehen sind. Die Antennen 2 sind dabei vorzugsweise nicht entlang einer geraden Linie angeordnet, sondern vorzugsweise kreisförmig angeordnet. Eine derartige Anordnung ermöglicht die eindeutige Ermittlung der Einfallsrichtung des Signals. Dabei gilt, dass mit zunehmender Anzahl von Antennen 2 die Genauigkeit der Ermittlung der Einfallsrichtung des Signals zunimmt. Entsprechend ist auch eine größere Anzahl Antennen 2 bevorzugt.The radio signal 6 is in 1 schematically over a straight wavefront 7 located. For determining the direction of incidence of the radio signal 6 can the radio signal 6 be assumed as a plane wave. This approximation is in particular at a sufficiently large distance between a transmitter of the radio signal 6 and the antennas 2 justified and may be the determination of the direction of incidence of the radio signal 6 facilitate. The antennas 2 are spaced from each other and preferably arranged on a circular path. The direction of incidence of the radio signal 6 can already use two antennas in two dimensions 2 be determined. This can be done, for example, by determining an angle of incidence. At least three antennas are preferred 2 intended. Thus, the direction of incidence can also be determined in three dimensions and output, for example, over two angles of incidence. Furthermore, it is preferable that even at least four antennas 2 are provided. The antennas 2 are preferably not arranged along a straight line, but preferably arranged in a circle. Such an arrangement enables the unambiguous determination of the direction of arrival of the signal. It is true that with increasing number of antennas 2 the accuracy of determining the direction of arrival of the signal increases. Accordingly, a larger number of antennas 2 prefers.
Das Funksignal 6 wird mit jeder der Antennen 2 empfangen und liefert ein j eweiliges analoges Antennensignal in den jeweils nachfolgenden Signalverarbeitungspfad. Das analoge Antennensignal einer Antenne 2 entspricht dem Funksignal 6 mit einer jeweiligen individuellen Phase. Die individuellen Phasen der mehreren analogen Antennensignale ergeben sich daraus, dass das Funksignal die räumlich beabstandet angeordneten Antennen 2 aufgrund der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Funksignals 6 zu verschiedenen Zeiten erreicht, wobei das Signal von denjenigen Antennen ideal gleichzeitig empfangen wird, die in Ausbreitungsrichtung der Wellenfront nicht hintereinander, sondern nebeneinander angeordnet sind. Entsprechend kann basierend auf den unterschiedlichen Phasen der einzelnen Antennensignale die Einfallsrichtung des Funksignals 6 ermittelt werden.The radio signal 6 comes with each of the antennas 2 receives and delivers a respective analog antenna signal in the respective subsequent signal processing path. The analog antenna signal of an antenna 2 corresponds to the radio signal 6 with a respective individual phase. The individual phases of the plurality of analog antenna signals result from the fact that the radio signal, the spatially spaced antennas 2 due to the finite propagation speed of the radio signal 6 achieved at different times, the signal is ideally received simultaneously by those antennas, which are arranged in the direction of propagation of the wavefront not consecutively, but next to each other. Accordingly, based on the different phases of the individual antenna signals, the direction of incidence of the radio signal 6 be determined.
Die von den Antennen ausgegebenen analogen Antennensignale werden in Verfahrensschritt b) zu jeweiligen digitalen Antennensignalen digitalisiert. Dazu weist die Vorrichtung 1 für jede Antenne 2 einen jeweiligen Signalpfad 4 auf. Jeder Signalpfad 4 umfasst insbesondere einen jeweiligen Empfänger 3 und Verbindungsleitungen zwischen der jeweiligen Antenne 2 und dem Empfänger 3. Die Empfänger 3 weisen vorzugsweise jeweils alle analogen Komponenten für den entsprechenden Signalpfad 4 auf. Das können beispielsweise Mischer, Verstärker und/oder Filter sein. Zudem weist jeder Empfänger 3 vorzugsweise einen Analog-Digital-Wandler auf, mit dem das jeweilige analoge Antennensignal zu dem jeweiligen digitalen Antennensignal digitalisiert werden kann, sodass ein jeweiliger Empfänger die empfangenen Antennensignale in digitaler Form als digitale Antennensignale ausgibt. Die Empfänger 3 basieren vorzugsweise auf dem Prinzip des Software-Defined-Radios (SDR). Dadurch können die Empfänger 3 per Software auf unterschiedliche Funkstandards, beispielsweise hinsichtlich Frequenz und/oder Abtastrate, angepasst werden.The analog antenna signals output by the antennas are digitized in step b) to respective digital antenna signals. For this purpose, the device 1 for every antenna 2 a respective signal path 4 on. Every signal path 4 includes in particular a respective recipient 3 and connecting lines between the respective antenna 2 and the receiver 3 , The recipients 3 preferably each have all the analog components for the corresponding signal path 4 on. These may be, for example, mixers, amplifiers and / or filters. In addition, each recipient has 3 Preferably, an analog-to-digital converter, with which the respective analog antenna signal can be digitized to the respective digital antenna signal, so that a respective receiver outputs the received antenna signals in digital form as digital antenna signals. The recipients 3 are preferably based on the principle of Software Defined Radio (SDR). This allows the receiver 3 be adapted by software to different wireless standards, for example, in terms of frequency and / or sampling rate.
Die jeweiligen Signalpfade 4 sind vorzugsweise identisch zueinander ausgebildet. So sind vorzugsweise insbesondere Leitungslängen bei allen Signalpfaden 4 gleich lang. Damit sind Laufzeiten durch Leitungen sowie Verarbeitungszeiten beispielswiese für die Digitalisierung bei allen Signalpfaden 4 idealerweise gleich. Sind die einzelnen Signalpfade 4 ideal identisch zueinander ausgebildet, dann entsprechen Phasen zwischen den digitalen Antennensignalen ausschließlich einer jeweiligen Laufzeitdifferenz des Funksignals 6 zu den einzelnen Antennen 2.The respective signal paths 4 are preferably formed identical to one another. In particular, line lengths are preferably in all signal paths 4 of equal length. This means that runtimes through lines and processing times, for example, for the digitization of all signal paths 4 ideally the same. Are the individual signal paths 4 ideally formed identical to each other, then correspond phases between the digital antenna signals exclusively a respective propagation time difference of the radio signal 6 to the individual antennas 2 ,
Je geringer also die Unterschiede zwischen den Signalpfaden 4 sind, umso genauer kann die Einfallsrichtung des Funksignals 6 ermittelt werden. Es ist aber davon auszugehen, dass die Signalpfade 4 jedenfalls im Rahmen von Herstellungstoleranzen der verwendeten Hardware voneinander abweichen und es damit Hardwareeinflüsse gibt. Damit können sich in der Realität Beiträge zu den Phasen der digitalen Antennensignale ergeben, die nicht auf einem Laufzeitunterschied des Funksignals beruhen und die damit Messfehler verursachen.The lower the differences between the signal paths 4 are, the more accurate the direction of incidence of the radio signal 6 be determined. But it can be assumed that the signal paths 4 at least in the context of Manufacturing tolerances of the hardware used differ and there are thus hardware influences. This can in reality make contributions to the phases of the digital antenna signals that are not based on a transit time difference of the radio signal and thus cause measurement errors.
Um derartige Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Einfallsrichtung des Funksignals 6 ausgleichen zu können, wird vor Schritt d) des beschriebenen Verfahrens vorzugsweise eine Kalibrierung zum Ausgleich von Hardwareeinflüssen durchgeführt. Als Hardwareeinflüsse kommen insbesondere Eigenschaften der Signalpfade 4 in Betracht. Die Kalibrierung kann insbesondere zwischen Schritt b) und c) oder zwischen Schritt c) und d) erfolgen.To such inaccuracies in determining the direction of incidence of the radio signal 6 to be able to compensate is before step d ) of the described method preferably performs a calibration to compensate for hardware influences. As hardware influences come in particular properties of the signal paths 4 into consideration. The calibration can be done in particular between step b ) and c ) or between steps c ) and d ) respectively.
Durch die Kalibrierung können also insbesondere hardwarebedingte Unterschiede zwischen den Signalpfaden 4 ermittelt und dementsprechend anschließend ausgeglichen werden. So kann erreicht werden, dass nur Phasen zwischen den digitalen Antennensignalen, die auf Laufzeitunterschieden des Funksignals 6 beruhen, bei der Ermittlung der Einfallsrichtung des Funksignals 6 berücksichtigt werden. Digitale Antennensignale von Antennen 2, die das Funksignal 6 ideal zeitgleich erreicht, liegen nach der Kalibrierung folglich vorzugsweise phasengleich vor.Due to the calibration, therefore, in particular hardware-related differences between the signal paths 4 determined and subsequently compensated accordingly. Thus it can be achieved that only phases between the digital antenna signals, the runtime differences of the radio signal 6 in determining the direction of incidence of the radio signal 6 be taken into account. Digital antenna signals from antennas 2 that the radio signal 6 ideally reached at the same time, are therefore preferably in phase after calibration.
Die Kalibrierung erfolgt vorzugsweise mittels eines digitalen Signalprozessors 5. Der digitale Signalprozessor 5 ist an die Signalpfade 4 angebunden, indem die Empfänger 3 über Leitungen 14 mit dem digitalen Signalprozessor 5 verbunden sind.The calibration is preferably carried out by means of a digital signal processor 5 , The digital signal processor 5 is to the signal paths 4 Tied by the receiver 3 via lines 14 with the digital signal processor 5 are connected.
2 zeigt schematisch einen digitalen Signalprozessor 5 mit Funktionsblöcken 8 - 13 zur Verarbeitung der digitalen Antennensignale. Die Funktionsblöcke können dabei in Form von ausführbarem Computercode (Software) in dem digitalen Signalprozessor 5 implementiert sein. Die digitalen Antennensignale werden über jeweilige Leitungen 14 in den Signalprozessor 5 eingeleitet. Mittels eines jeweiligen Phasenschiebers 8 werden die digitalen Antennensignale gemäß der Kalibrierung für den jeweiligen Signalpfad kalibriert, also in ihrer Phasenlage verschoben, so dass die digitalen Antennensignale mit korrigierter Phase von den Phasenschiebern 8 ausgegeben werden. Die Korrektur durch die Phasenschieber 8 erfolgt gemäß einer Vorgabe durch ein Kalibrierungselement 13. Vorzugsweise ist die Kalibrierung für den jeweiligen Signalpfad in dem Kalibrierungselement 13 hinterlegt. Das Kalibrierungselement 13 kann dann gemäß der hinterlegten Kalibrierung Steuersignale an die einzelnen Phasenschieber 8 ausgeben, entsprechend der die jeweiligen Phasen der einzelnen digitalen Antennensignale verschoben werden können, sodass die korrigierten Antennensignale keine durch Hardwareeinflüsse bedingten Phasenverschiebungen mehr aufweisen. 2 schematically shows a digital signal processor 5 with function blocks 8th - 13 for processing the digital antenna signals. The function blocks can be in the form of executable computer code (software) in the digital signal processor 5 be implemented. The digital antenna signals are transmitted through respective lines 14 in the signal processor 5 initiated. By means of a respective phase shifter 8th According to the calibration, the digital antenna signals are calibrated for the respective signal path, that is to say they are shifted in their phase position, so that the corrected phase digital antenna signals are transmitted by the phase shifters 8th be issued. The correction by the phase shifters 8th takes place according to a specification by a calibration element 13 , Preferably, the calibration for the respective signal path is in the calibration element 13 deposited. The calibration element 13 can then according to the stored calibration control signals to the individual phase shifter 8th according to which the respective phases of the individual digital antenna signals can be shifted so that the corrected antenna signals no longer have due to hardware influences phase shifts.
In Schritt c) des Verfahrens werden relative Phasen zwischen den jeweiligen digitalen Antennensignalen und einem vorbestimmten, willkürlich ausgewählten digitalen Antennensignal ermittelt. Vorzugsweise werden die relativen Phasen in Schritt c) zwischen den gemäß der Kalibrierung korrigierten digitalen Antennensignalen und dem korrigierten digitalen vorbestimmten Signal ermittelt, sodass die ermittelten relativen Phasen nicht durch Hardwareeinflüsse verfälscht sind.In step c) of the method, relative phases between the respective digital antenna signals and a predetermined arbitrary digital antenna signal are determined. Preferably, the relative phases in step c) are determined between the digital antenna signals corrected according to the calibration and the corrected digital predetermined signal, so that the determined relative phases are not corrupted by hardware influences.
Die relativen Phasen zwischen den digitalen Antennensignalen entsprechen jeweiligen Laufzeitdifferenzen des Funksignals 6 zwischen den entsprechenden Antennen 2. Daher kann die Einfallsrichtung des Funksignals 6 unter Verwendung der relativen Phasen zwischen den digitalen Antennensignalen ermittelt werden.The relative phases between the digital antenna signals correspond to respective propagation time differences of the radio signal 6 between the corresponding antennas 2 , Therefore, the incident direction of the radio signal 6 be determined using the relative phases between the digital antenna signals.
Die relativen Phasen zwischen den digitalen Antennensignalen können insbesondere unmittelbar aus den digitalen Antennensignalen ermittelt werden. Das ist bei dem Beispiel aus 2 der Fall. So kann zuerst die Korrektur der Signale gemäß der bevorzugten Kalibrierung durchgeführt werden, und anschließend die relativen Phasen ermittelt werden. Dazu werden in dem Differenzbildungselement 9 Phasen der einzelnen digitalen Antennensignale relativ zu einem vorbestimmten, also einem ausgewählten der digitalen Antennensignale ermittelt. Das vorbestimmte Antennensignal, d.h. das Antennensignal einer willkürlich ausgewählten Antenne 2, ist damit Bezugsgröße, sodass das digitale Antennensignal dieser vorbestimmten Antenne definitionsgemäß die relative Phasenlage „null“ hat. Die übrigen digitalen Antennensignale haben eine relativ zu dieser Nulllage jeweilige verschobene Phase. Die so bestimmte Phase eines korrigierten digitalen Antennensignals ist die relative Phase zwischen dem jeweiligen digitalen Antennensignal und dem vorbestimmten digitalen Antennensignal. Die Ermittlung der Einfallsrichtung des Funksignals basiert auf den so ermittelten relativen Phasen. Die relativen Phasen der einzelnen digitalen Antennensignale können insbesondere durch Division der jeweiligen digitalen Antennensignale, welche als komplexwertige Daten vorliegen, mit dem vorbestimmten der digitalen Antennensignale erhalten werden.In particular, the relative phases between the digital antenna signals can be determined directly from the digital antenna signals. That's off in the example 2 the case. Thus, first the correction of the signals can be performed according to the preferred calibration, and then the relative phases can be determined. These are in the subtraction element 9 Phases of the individual digital antenna signals relative to a predetermined, ie a selected one of the digital antenna signals determined. The predetermined antenna signal, ie the antenna signal of an arbitrarily selected antenna 2 , is thus reference, so that the digital antenna signal of this predetermined antenna by definition has the relative phase position "zero". The remaining digital antenna signals have a phase shifted relative to this zero position. The thus-determined phase of a corrected digital antenna signal is the relative phase between the respective digital antenna signal and the predetermined digital antenna signal. The determination of the direction of incidence of the radio signal is based on the thus determined relative phases. Specifically, the relative phases of the individual digital antenna signals can be obtained by dividing the respective digital antenna signals, which are present as complex-valued data, with the predetermined one of the digital antenna signals.
Die relativen Phasen zwischen den digitalen Antennensignalen können aber auch mittelbar aus den digitalen Antennensignalen bestimmt werden. Dabei werden zuerst die relativen Phasen zwischen den digitalisierten (aber noch nicht korrigierten) Antennensignalen bestimmt und die bevorzugte Korrektur der Phasen gemäß der Kalibrierung findet danach statt.However, the relative phases between the digital antenna signals can also be determined indirectly from the digital antenna signals. First, the relative phases between the digitized (but not yet corrected) antenna signals are determined and the preferred correction of the phases according to the calibration then takes place.
Durch die beschriebene Kombination des gleichzeitigen Abtastens aller Antennensignale und des Beziehens auf ein vorbestimmtes der Antennensignale zur Ermittlung der relativen Phasen können insbesondere ein Frequenzoffset und eine Phasenvariation durch Signalmodulation zwischen den Antennen 2 eliminiert werden. Übrig bleiben dann nur noch relative Phasen, die ausschließlich auf Laufzeitdifferenzen des Funksignals 6 an den unterschiedlichen Antennen 2 beruhen. Derartige Laufzeitdifferenzen sind auf die Einfallsrichtung des Funksignals 6 zurückzuführen. Im Unterschied zu einem klassischen Dopplerverfahren, bei dem zeitlich hintereinander Signale von einem Antennenschalter oder von verschiedenen Winkelpositionen einer bewegten Antenne genutzt werden, werden vorliegend die relativen Phasen mit einem Differenzbildungselement 9 basierend auf im Wesentlichen gleichzeitig empfangenen Antennensignalen gebildet, wobei im Wesentlichen hier bedeutet, dass die relativen Phasen nur die tatsächlichen Laufzeitdifferenzen des Funksignals 6 zwischen den Antennen 2 wiederspiegeln, nicht aber durch ein Umschalten zwischen den mehreren Antennen bewirkt ist. By the described combination of the simultaneous scanning of all antenna signals and relating to a predetermined one of the antenna signals for determining the relative phases, in particular a frequency offset and a phase variation by signal modulation between the antennas 2 be eliminated. Remain then only relative phases, which are based solely on differences in transit time of the radio signal 6 at the different antennas 2 based. Such differences in transit time are on the direction of incidence of the radio signal 6 due. In contrast to a classical Doppler method, in which signals from an antenna switch or from different angular positions of a moving antenna are used one behind the other, in the present case the relative phases are combined with a subtraction element 9 is formed based on substantially simultaneously received antenna signals, wherein essentially means that the relative phases only the actual propagation time differences of the radio signal 6 between the antennas 2 reflected, but not caused by switching between the multiple antennas.
In Schritt d) des beschriebenen Verfahrens wird die Einfallsrichtung des Funksignals basierend auf Differenzen zwischen den in Schritt c) bestimmten relativen Phasen ermittelt.In step d ) of the described method, the direction of incidence of the radio signal based on differences between the in step c ) determined certain relative phases.
Nach dem Differenzbildungselement 9 werden die jeweiligen ermittelten relativen Phasen vorzugsweise einem Parallel-Seriell-Wandler 10 zugeleitet, der aus den digitalen Antennensignalen durch Hintereinanderschreiben ein serielles Signal erzeugt. Der Parallel-Seriell-Wandler schreibt die M zeitlich parallel ermittelten relativen Phasen aller Antennen 2 hintereinander, wobei M die Anzahl der Antennen 2 beschreibt. Für jede ermittelte relative Phase werden jeweils NAbtast Werte in das serielle Signal geschrieben, wobei NAbtast die Anzahl der zeitlich hintereinander gewonnenen Werte pro Antenne 2 beschreibt. 4 zeigt beispielhaft den Verlauf eines so erhaltenen Signals, welches der Parallel-Seriell-Wandler 10 für M=4 Antennen ausgibt, wobei in der gezeigten Ausführungsform die erste Antenne, d.h. diejenige mit Index 1, willkürlich als Bezugsantenne ausgewählt wurde. Die Phase der ersten Antenne ist damit Null, die Phasen der anderen Antennen 2 sind auf die Bezugsantenne bezogen.After the subtraction element 9 For example, the respective detected relative phases are preferably a parallel-to-serial converter 10 fed, which generates from the digital antenna signals by sequential writing a serial signal. The parallel-to-serial converter writes the M temporally parallel determined relative phases of all antennas 2 one behind the other, where M is the number of antennas 2 describes. For each detected relative phase, N samples are written to the serial signal, where N samples are the number of consecutive times per antenna 2 describes. 4 shows by way of example the course of a signal thus obtained, which is the parallel-to-serial converter 10 for M = 4 antennas, in the embodiment shown the first antenna, ie the one with index 1 , was arbitrarily selected as a reference antenna. The phase of the first antenna is thus zero, the phases of the other antennas 2 are related to the reference antenna.
Alternativ dazu können die gewonnenen Phasenwerte auch so seriell hintereinandergeschrieben werden, dass jeweils L zeitlich hintereinander gewonnene Phasenwerte einer Antenne 2 (wobei L eine Untermenge von NAbtast ist) geschrieben werden, bevor die nächsten L Phasenwerte der nächsten beliebigen Antenne 2 folgen. Nach L mal M Werten sind alle M Antennen einmal berücksichtigt worden und der Vorgang wird wiederholt.Alternatively, the phase values obtained can also be written serially one after the other in such a way that L in each case acquire phase values of an antenna obtained in succession 2 (where L is a subset of N samples ) are written before the next L phase values of the next arbitrary antenna 2 consequences. After L times M values all M antennas have been considered once and the process is repeated.
Von dem Parallel-Seriell-Wandler 10 wird das serielle Signal der hintereinander geschriebenen Phasenwerte einem Differenzelement 11 zugeleitet. Das Differenzelement 11 umfasst dazu vorzugsweise im Wesentlichen das Bilden einer Ableitung zur Bestimmung der Differenzen zwischen den relativen Phasen der digitalen Antennensignale und dabei insbesondere benachbarter Antennen 2.From the parallel-to-serial converter 10 the serial signal of the consecutively written phase values becomes a difference element 11 fed. The difference element 11 For this purpose, it preferably comprises essentially forming a derivative for determining the differences between the relative phases of the digital antenna signals and, in particular, of neighboring antennas 2 ,
Basierend auf den ermittelten relativen Phasen der korrigierten Antennensignale, siehe 4, werden anschließend die Differenzen zwischen diesen Werten, also den Phasen der korrigierten Antennensignale benachbarter Antennen ermittelt. 5 zeigt dazu die Differenzen der Phasen (Phasendifferenzen) benachbarter Antennen, wobei hier hinsichtlich der Bezeichnungen angenommen wird, dass die Antennen gleichmäßig beabstandet auf einer Kreisbahn angeordnet und mit fortlaufenden Indizes bezeichnet sind. Der mit Index „12“ indizierte Wert ist damit die Differenz der relativen Phasen der 1. und 2. Antenne, also ΔΦ12 = Φ2 - Φ1, ΔΦ23 = Φ3 - Φ2 ist die Differenz der relativen Phasen der 2. und 3. Antenne und so weiter.Based on the determined relative phases of the corrected antenna signals, see 4 , then the differences between these values, ie the phases of the corrected antenna signals of adjacent antennas are determined. 5 shows to the differences of the phases (phase differences) of adjacent antennas, it is here assumed in terms of the designations that the antennas are evenly spaced on a circular path and designated by continuous indices. The value indexed with index "12" is thus the difference of the relative phases of the 1st and 2nd antenna, that is, ΔΦ 12 = Φ 2 - Φ 1 , ΔΦ 23 = Φ 3 - Φ 2 is the difference of the relative phases of FIG. and 3rd antenna and so on.
5 zeigt eine Funktion, in der die Phasendifferenzwerte über die Antennen aufgetragen ist, d.h. zu einer Antenne ist die Differenz der Phase zur Phase der benachbarten Antenne aufgetragen. Dabei wird die Differenz zwischen den Phasen zweier Antennen von einer zur nächsten Antenne ermittelt, wobei initial die Reihenfolge der benachbarten Antennen frei gewählt werden kann. Dabei zeigt 5, dass auch über mehrere Iterationen (Umläufe über die bevorzugt kreisförmig angeordneten Antennen 2) die ermittelten Differenzen zwischen den relativen Phasen benachbarter Antennen nahezu gleichbleibt. 5 shows a function in which the phase difference values are plotted over the antennas, ie to one antenna, the difference of the phase is plotted to the phase of the adjacent antenna. In this case, the difference between the phases of two antennas is determined from one to the next antenna, wherein initially the order of the adjacent antennas can be freely selected. It shows 5 in that also over several iterations (circulations over the preferably circularly arranged antennas 2 ) the differences determined between the relative phases of neighboring antennas remain almost the same.
Basierend auf den ermittelten Phasendifferenzwerten ΔΦ wird im Berechnungselement 12 eine entsprechende Funktion (Phasendifferenzwerte vs. Antenne) ermittelt. Diese kann insbesondere sinusförmig sein, wobei die Frequenz und Amplitude der Funktion abhängig sind von der Anzahl der Antennen M, von der Anzahl der betrachteten Abtastwerte NAbtast sowie den geometrischen Abständen der Antennen.Based on the determined phase difference values ΔΦ is in the calculation element 12 a corresponding function (phase difference values vs. antenna) determined. This may in particular be sinusoidal, with the frequency and amplitude of the function depend on the number of antennas M, by the number of observed samples N sample and the geometrical distances between the antennas.
Schließlich kann in dem Berechnungselement 12 die Einfallsrichtung des Signals als Nullphasenwinkel der ermittelten Funktion und in Bezug auf die Bezugsantenne ermittelt werden. In einer Ausführungsform dann der Nullphasenwinkel der Funktion durch eine FFT (Fast Fourier Transformation) und eine Auswertung der Phase bei der Signalfrequenz ermittelt werdenFinally, in the calculation element 12 the direction of incidence of the signal is determined as zero phase angle of the function determined and with respect to the reference antenna. In one embodiment, then the zero phase angle of the function by an FFT (Fast Fourier Transformation) and an evaluation of the phase at the signal frequency are determined
In einer Ausführungsform kann die ermittelte Funktion in dem Berechnungselement 12 gefiltert werden, vorzugsweise mit einem Tiefpassfilter.In one embodiment, the function determined may be in the calculation element 12 filtered, preferably with a low-pass filter.
Zusätzlich kann aus der Amplitude der ermittelten Funktion noch eine zweite Einfallsrichtung bestimmt werden, nämlich der Elevationswinkel, um somit eine dreidimensionale Richtungsschätzung durchzuführen. Die Amplitude verhält sich typischerweise proportional zum Cosinus des Elevationswinkels, wobei der Elevationswinkel der Winkel über der Horizontalebene ist, die von den Antennen 2 aufgespannt wird. In addition, it is possible to determine from the amplitude of the determined function a second direction of incidence, namely the elevation angle, in order thus to carry out a three-dimensional directional estimation. The amplitude is typically proportional to the cosine of the elevation angle, where the elevation angle is the angle above the horizontal plane taken by the antennas 2 is spanned.
Die oben erwähnte Kalibrierung der Signalpfade 4 inklusive des jeweilige Empfängers 3 kann durch einen einmaligen Kalibriervorgang vor der Ermittlung der Einfallsrichtung des Funksignals durchgeführt werden. Der Kalibriervorgang kann dabei Teil des beschriebenen Verfahrens sein. Alternativ kann auch eine bereits verfügbare Kalibrierung verwendet werden.The above-mentioned calibration of the signal paths 4 including the respective recipient 3 can be performed by a one-time calibration before determining the direction of incidence of the radio signal. The calibration process can be part of the described method. Alternatively, an already available calibration can be used.
Die Kalibrierung kann insbesondere mittels eines Referenzsignals erhalten werden. Dazu werden die analogen Antennensignale mit dem Referenzsignal überlagert.The calibration can be obtained in particular by means of a reference signal. For this purpose, the analog antenna signals are superimposed with the reference signal.
Das Referenzsignal ist vorzugsweise ein Referenzfunksignal, das aus mindestens einer Referenzeinfallsrichtung von den Antennen 2 empfangen wird. Vorzugsweise sind Filter vorgesehen, mit denen die Anteile des Referenzsignals und des Funksignals an den analogen und/oder digitalen Antennensignalen voneinander getrennt werden können.The reference signal is preferably a reference radio signal consisting of at least one reference incident direction from the antennas 2 Will be received. Preferably, filters are provided with which the portions of the reference signal and the radio signal at the analog and / or digital antenna signals can be separated from each other.
Von dem Referenzfunksignal sind vorzugsweise insbesondere die Referenzeinfallsrichtung, eine Frequenz und/oder eine Modulation bekannt. Das Referenzfünksignal kann als Teil des beschriebenen Verfahrens ausgesendet werden, beispielsweise von einem dafür vorgesehenen Sender. Es ist aber auch möglich, dass das Verfahren nur das passive Empfangen des Referenzsignals umfasst, nicht aber das Senden. Das ist insbesondere dann möglich, wenn ein Referenzsignal mit bekannter Referenzeinfallsrichtung verfügbar ist. Ein solches kann beispielsweise von einem stationären Sender ausgesendet werden, der nicht Teil der Vorrichtung 1 ist. Die Überlagerung der analogen Antennensignale mit dem Referenzfunksignal kann insbesondere dadurch erfolgen, dass das Funksignal 6 und das Referenzfunksignal gleichzeitig von den Antennen 2 empfangen werden.Of the reference radio signal are preferably in particular the reference incident direction, a frequency and / or a modulation known. The reference signal can be transmitted as part of the method described, for example, from a dedicated transmitter. But it is also possible that the method comprises only the passive reception of the reference signal, but not the transmission. This is possible in particular if a reference signal with a known reference incident direction is available. Such can be emitted, for example, from a stationary transmitter, which is not part of the device 1 is. The superposition of the analog antenna signals with the reference radio signal can be effected in particular by the fact that the radio signal 6 and the reference radio signal from the antennas simultaneously 2 be received.
Alternativ ist es bevorzugt, dass das Referenzsignal unmittelbar in einen Signalpfad 4 einer jeweiligen Antenne 2 eingekoppelt wird. In dem Fall kann das Referenzsignal beispielsweise als elektrisches Signal über eine Kabelverbindung in die Signalpfade 4 vor den Empfängern 3 eingeleitet werden. Das Referenzsignal wird dabei vorzugsweise als Teil des beschriebenen Verfahrens von einer Wechselspannungsquelle, die vorzugsweise Teil der Vorrichtung 1 ist, erzeugt.Alternatively, it is preferable that the reference signal directly into a signal path 4 a respective antenna 2 is coupled. In that case, the reference signal may be, for example, as an electrical signal via a cable connection in the signal paths 4 in front of the receivers 3 be initiated. The reference signal is preferably as part of the described method of an AC voltage source, which preferably part of the device 1 is generated.
Die Vorrichtung 1 kann an das empfangene Funksignal 6 insbesondere hinsichtlich der Frequenz angepasst werden. Dafür können ein Trägerfrequenzbereich des Funksignals durch einen Frequenzscan ermittelt werden und die Schritte a) bis d) in Abhängigkeit des so bestimmten Trägerfrequenzbereichs durchgeführt werden.The device 1 can to the received radio signal 6 especially with regard to the frequency. For this purpose, a carrier frequency range of the radio signal can be determined by a frequency scan and the steps a) to d) are carried out as a function of the carrier frequency range thus determined.
Durch das Verwenden von SDR-Komponenten (Software Defined Radio) als Empfänger 3 und das Digitalisieren aller analogen Antennensignale ist eine hohe Flexibilität bezüglich des zu detektierenden Funksignals gegeben. Das bedeutet, dass die SDR-Komponenten typischerweise eine sehr hohe nutzbare Frequenzbandbreite aufweisen. Diese kann beispielsweise zu Beginn des beschriebenen Verfahrens für eine Richtungsfindung genutzt werden, um durch den Frequenzscan die beispielsweise von einer Drohne genutzte Funkfrequenz zu detektieren und danach alle anderen Algorithmen auf diese Frequenz einzustellen. Das hat insbesondere dann einen großen Vorteil, wenn von der Drohne untypische Frequenzbänder zur Kommunikation beispielsweise mit einer Fernbedienung genutzt werden, um eben eine Detektion und Abwehrmaßnahmen zu umgehen.By using Software Defined Radio (SDR) components as the receiver 3 and digitizing all the analog antenna signals is given a high flexibility with respect to the radio signal to be detected. This means that the SDR components typically have a very high usable frequency bandwidth. This can be used, for example, at the beginning of the method described for a direction finding, to detect by the frequency scan the example used by a drone radio frequency and then set all other algorithms to this frequency. This has a great advantage, in particular, when untypical frequency bands are used by the drone for communication, for example with a remote control, in order to avoid just detection and defensive measures.
Damit kann die Vorrichtung 1 besonders flexibel für besonders viele verschiedene Funksignale mit unterschiedlichen Frequenzen und/oder Modulationsarten verwendet werden.This allows the device 1 be used particularly flexible for a very large number of different radio signals with different frequencies and / or modulation types.
Das beschriebene Verfahren kann insbesondere an verschiedene Umgebungsbedingungen, insbesondere an eine zeitliche Änderung der Ausbreitungsbedingungen und/oder an verschiedene Signalbandbreiten, angepasst werden. Dazu kann insbesondere eine Abtastrate für die analogen Antennensignale verändert werden.The described method can be adapted in particular to different ambient conditions, in particular to a temporal change of the propagation conditions and / or to different signal bandwidths. For this purpose, in particular a sampling rate for the analog antenna signals can be changed.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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11
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Vorrichtungcontraption
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22
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Antenneantenna
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33
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Empfängerreceiver
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44
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Signalpfadsignal path
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55
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digitaler Signalprozessordigital signal processor
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66
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Funksignalradio signal
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77
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Wellenfrontwavefront
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88th
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Phasenschieberphase shifter
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99
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DifferenzbildungselementDifferencing element
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1010
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Parallel-Seriell-WandlerParallel to serial converter
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1111
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Differenzelementdifference element
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1212
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Vergleichselementpredicate
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1313
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Kalibrierungselementcalibration element
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1414
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Leitungmanagement
