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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur bidirektionalen Übertragung
von Datensignalen zwischen einer feststehenden Einrichtung und einer Fahrzeugeinrichtung,
bei dem die feststehende Einrichtung beim Uplink ein unmoduliertes
Signal einer Trägerfrequenz
aussendet, die Fahrzeugeinrichtung das ausgesandte Signal, insbesondere
nach dem semipassiven Transponder-Prinzip, mit wenigstens einer
Modulationsfrequenz mit Daten moduliert zurücksendet und die feststehende
Einrichtung das zurückgesandte
Signal empfängt
und zur Ermittlung der übersandten
Daten auswertet. Die Erfindung betrifft ferner eine feststehende
Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Durch
die Veröffentlichung
Proceedings of the Drive Conference "Advanced Telematics in Road Transport", 1991, Vol. 1, S.
248–268
ist im Rahmen des PAMELA-Projekts vorgeschlagen worden, einen Datenaustausch
im Mikrowellenbereich zwischen einer Bake am Rande einer Fahrstraße und einem Fahrzeug
mit einem aktiven oder einem semi-passiven Transponder durchzuführen. Dabei
werden Daten von einem Bakengerät
zum Sende- und Empfangsteil des Fahrzeuggeräts im sogenannten Downlink
mittels amplitudenmodulierter Signale übertragen. Die Datenübertragung
vom Fahrzeug zur Bake erfolgt im Uplink-Betrieb nach dem Transponder-Prinzip.
Dabei sendet die Bake ein unmoduliertes Trägersignal, das vom Fahrzeuggerät empfangen wird.
Dieses empfangene Signal vom Fahrzeuggerät wird mit den auszusendenden
Daten moduliert und wieder abgestrahlt und wieder vom Bakengerät empfangen.
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Es
ist bekannt, die von der Bake wieder empfangenen Signale mit einem
Einseitenbandmischer (Image Rejection Mixer) in das Basisband herabzumischen
und ggf. nur ein Seitenband zur Ermittlung der vom Fahrzeug übersandten
Daten auszuwerten.
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Die
Datenkommunikation zwischen dem Fahrzeug und der feststehenden Einrichtung
kann zur Sammlung relevanter Daten für eine Verkehrslenkung, zur
Angabe empfohlener Fahrtrouten, zur Abbuchung von Benutzungsgebühren usw.
benutzt werden.
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Für viele
Anwendungszwecke ist es sinnvoll, eine Information über den
Abstand der Fahrzeuge von der Bake zu erhalten. Die Abstandsinformation ist
beispielsweise außerordentlich
vorteilhaft, wenn elektronisch gesteuerte Antennen benutzt werden, die
ihre Ausrichtung dem bewegten Fahrzeug nachführen. Sind mehrere Fahrzeuge
auf einer einspurigen Fahrbahn, kann durch die Abstandsinformation abgeschätzt werden,
in welcher Reihenfolge die Fahrzeuge das Kommunikationsgebiet mit
der Bake verlassen. Bei einer optimalen Ausnutzung des Übertragungskanals
kann insofern das Bakensteuergerät die
von den Fahrzeugen individuell angeforderten Dienste nach einer
Prioritätenliste
abarbeiten. Ferner kann durch die Abstandsinformation von der Bake
die Fahrzeugposition im Straßennetz
bestimmt werden, da die Bakenposition selbst bekannt ist. Diese
Information kann an das Fahrzeug übertragen werden und von diesem
für die
Verkehrsleitdienste, für
die eine genaue Ortung bzw. Positionsbestimmung erforderlich ist,
verwendet werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, daß der
Bakenrechner die Fahrzeugposition in den Informationen, die die
Bake an das Fahrzeug sendet (z.B. Routenempfehlungen) schon berücksichtigt
bzw. einrechnet.
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Von
größerem Nutzen
kann die Abstandsinformation bei schranken- oder ampelgesteuerten Einfahrten oder
Ausfahrten in Parkhäusern
o.ä. sein. Halten
sich zwei oder mehrere Fahrzeuge im Kommunikationsgebiet auf, ist
es wichtig zu wissen, welches Fahrzeug der Bake am nächsten ist
und ob dieses Fahrzeug beispielsweise das erste oder das zweite
Fahrzeug vor der Schranke ist. Sind mehrere Baken vorhanden, kann
durch Schnittpunktermittlung die Position des Fahrzeugs bzw. die
Fahrbahn bestimmt werden, auf der sich das Fahrzeug befindet. In
Parkhäusern
mit mehrspurigen Zufahrten bzw. Ausfahrten kann mit dieser Information
die entsprechende Schranke geöffnet
werden.
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Ferner
kann durch wiederholte Abstandsmessungen festgestellt werden, ob
sich der Abstand verändert
und ggf. wie stark. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob
der Verkehr flüssig
ist oder ob sich die Fahrzeuge im Stau befinden.
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Bekannte
Lösungen
zur Ermittlung des Abstandes beziehen sich auf Radarprinzipien nach
dem Puls-Echo-Verfahren oder dem FMCW-Radar. Ferner sind Induktionsschleifen
in der Fahrbahn und Lichtschranken bekannt. Allen bekannten Verfahren ist
gemeinsam, daß zusätzliche
Einrichtungen und/oder teure Geräte
erforderlich sind.
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Aus
der
DE 42 13 881 A1 ist
ein System zur bidirektionalen elektromagnetischen Übertragung von
Datensignalen zwischen wenigstens zwei feststehenden Einrichtungen
und einer Fahrzeugeinrichtung bekannt. Dabei werden im Uplink-Betrieb
die Datensignale von der Fahrzeugeinrichtung nach dem semi-passiven-Transponder-Prinzip
an die feststehende Einrichtung übertragen.
Die Möglichkeit
einer Abstandsmessung wird nicht erwähnt.
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Aus
Skolnik M., Introduction to radar systems, Second Edition, McGraw-Hill
Book Company, New York, 1980, Seite 81 bis 86 ist eine Vorgehensweise
für Abstandsmessungen
mittels zeitlich frequenzmodulierter Dauerstrichsignale bekannt.
Dabei wird der laufzeitabhängige
Unterschied zwischen ausgesandten und empfangenen, vom Messobjekt reflektierten
frequenzmodulierten Trägersignals
ermittelt und als Maß für die Abstandsmessung
ausgewertet. Hinweise auf eine Datenübertragung sind in diesem Zusammenhang
nicht gegeben.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung besteht daher darin,
eine Abstandsmessung mit einem möglichst
geringen Zusatzaufwand zu ermöglichen.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen vorgesehen sowie eine feststehende Einrichtung und Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 7.
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Die
vorzugsweise linear frequenzmodulierte Trägerfrequenz ändert sich
somit mit der Zeit. Die Änderung
der Trägerfrequenz
zwischen dem Aussendezeitpunkt zum Fahrzeuggerät und dem Empfangszeitpunkt
des vom Fahrzeuggerät
zurückgesandten Signals
ermöglicht
die Ermittlung der Laufzeit des Signals, die naturgemäß abstandsabhängig ist.
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Eine
besonders einfache Auswertung ohne großen Zusatzaufwand wird dadurch
ermöglicht,
daß in
der feststehenden Einrichtung das empfangene, von der Fahrzeugeinrichtung
zurückgesandte
Signal in einem Einseitenbandmischer getrennt für das obere Seitenband und
das untere Seitenband unter Verwendung der momentanen Trägerfrequenz
heruntergemischt wird. Da sich die momentane Trägerfrequenz gegenüber der
ursprünglichen
Sende-Trägerfrequenz
zu niedrigen oder höheren
Frequenzen hin verschoben hat, sind die modulierten Antwortsignale, bei
einer FSK-Modulation die Shift-Frequenzen bzw. bei einer PSK-Modulation
die Unterträger,
in den beiden Seitenbändern
relativ zur momentanen Trägerfrequenz
verschoben, und zwar so, daß im
unteren Seitenband eine Verschiebung zur Trägerfrequenz hin erfolgt, wenn
im oberen Seitenband eine Verschiebung von der Trägerfrequenz
weg entstanden ist, und umgekehrt. Da sich die beiden Seitenbänder bezüglich der
Shift-Frequenzumtastung (FSK-Modulation) bzw. des Unterträgers (PSK-Modulation)
vollständig
gleich verhalten, kann aus dem Frequenzunterschied fU =
2 Δ f, direkt
die Entfernung der Fahrzeugeinrichtung zur feststehenden Einrichtung
ermittelt werden.
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Für eine einfache
Implementierung ist es zweckmäßig, wenn
für beide
Seitenbänder
jeweils Nulldurchgänge
während
einer gemeinsamen gesteuerten Zählperiode
gezählt,
die Zeit bis zum Erreichen eines vorgegebenen Zählerstands gemessen und aus
einer Differenz der gemessenen Zeiten für die beiden Seitenbänder auf
den Abstand geschlossen wird.
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Bei
sich bewegenden Fahrzeugen setzt sich der gemessene Frequenzunterschied
fU aus einem geschwindigkeitsabhängigen Term
(Dopplerfrequenz) und einem entfernungsabhängigen Term zusammen.
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Dies
führt dazu,
daß die
Abstandsmessung mit einer Ungenauigkeit behaftet ist, die proportional der
Geschwindigkeit ist. Es ist daher zweckmäßig, die Geschwindigkeit des
Fahrzeugs zu bestimmen und als Korrekturwert für die Abstandsmessung zu verwenden.
Dabei kann eine Geschwindigkeitsmessung vorgenommen werden, wie
sie in der älteren, nicht
vorveröffentlichten
Patentanmeldung
P 43 31 286.1 offenbart
ist.
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Eine
weitere Methode, den geschwindigkeitsabhängigen Term und den entfernungsabhängigen Term
gleichzeitig zu ermitteln, besteht darin, in einem Uplink zwei Messungen
durchzuführen.
Hierzu wird die Frequenzmodulation der Trägerfrequenz dreieckförmig ausgebildet,
und es werden zur Abstandsbestimmung zwei empfangene Signale verwendet,
deren Trägerfrequenzen
einerseits aus dem zunehmenden Bereich, andererseits aus dem abnehmenden
Bereich des Modulationsverlaufs der Trägerfrequenz stammen, wobei
die Modulationsperiode groß gegen
die zu messenden Laufzeitunterschiede gewählt wird. Die Dopplerfrequenzverschiebung
hat für
beide Messungen das gleiche Vorzeichen, während sich das Vorzeichen des
entfernungsabhängigen
Terms umkehrt. Bei der Mittelbildung der Frequenzunterschiede fU aus beiden Messungen läßt sich der geschwindigkeitsabhängige Term – und damit
auch die Geschwindigkeit – errechnen.
Aus der Differenz der Frequenzunterschiede läßt sich dann der entfernungsabhängige Term – und damit
der Abstand – ermitteln.
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Zur
Lösung
des obenangegebenen Problems ist ferner eine feststehende Einrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens gekennzeichnet durch einen Trägerfrequenzgenerator zur Erzeugung
einer frequenzmodulierten Trägerfrequenz
und zur Leitung der Trägerfrequenz
auf eine Sendeantenne, einen an eine Empfangsantenne angeschlossenen
Einseitenbandmischer, dessen einer Eingang mit dem Trägerfrequenzgenerator
verbunden ist, an den Einseitenbandmischer angeschlossene Verarbeitungseinrichtungen
für die
beiden Seitenbänder
und durch eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich des zeitlichen Verhaltens
der beiden verarbeiteten Seitenbandsignale.
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Zweckmäßigerweise
weisen die Verarbeitungseinrichtungen für die beiden Seitenbandsignale jeweils
einen Nulldurchgangsdetektor und einen daran angeschlossenen Zähler auf
und ein Vergleicher vergleicht eine Zählerstand-Zeit-Relation für die beiden
Seitenbänder.
Dabei kann eine Auswertungsschaltung einen bei dem Vergleich ermittelten
Unterschied automatisch mit einer Abstandsinformation korrellieren.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn die Verarbeitungsschaltungen für beide Seitenbänder jeweils
einen Zeitmesser aufweisen, auf die ein gemeinsames Startsignal
gelangt und die bei Erreichen eines vorgegebenen Zählerstandes
des zugehörigen Zählers stoppbar
sind.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – eine schematische Darstellung
der Datenkommunikation zwischen einer Bake als feststehende Einrichtung
und einem Fahrzeug
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2 – eine schematische Darstellung
zur Erläuterung
der im Zeitmultiplex ablaufenden Kommunikation zwischen einer feststehenden
Einrichtung und einer Fahrzeug einrichtung
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3 – Funktionsblockschaltbilder
für die Sende-/Empfangseinrichtung
der Bake und der Sende-/Empfangseinrichtung des Fahrzeugs
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4 – Frequenzspektren zur Erläuterung der
an verschiedenen Stellen der Anordnung gemäß Figur auftretenden Signale
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5 – ein Blockschaltbild für eine Einrichtung
in der Bake zur Ermittlung des Abstandes zwischen Fahrzeug und Bake.
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Die 1 und 2 erläutern
die Kommunikation zwischen einer Sende- und Empfangseinrichtung 11 einer
Bake 12 und einem Fahrzeuggerät 13 eines Fahrzeugs 14.
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Die
Kommunikation findet in zeitlich einander abwechselnden Phasen,
dem Downlink und dem Uplink statt. 2 verdeutlicht
das Abwechseln von Uplink UL und Downlink DL, wobei hier für die Downlink-Phase
vorzugsweise jeweils eine längere
Zeit als für
die Uplink-Phase zur Verfügung
steht.
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Beim
Downlink werden von dem Sende- und Empfangsgerät 11 der Bake 12 Daten
an das Fahrzeuggerät 13 übermittelt.
Die Datenübermitt lung
erfolgt durch eine Amplitudenmodulation (Amplitude Shift Keying – ASK),
ist an sich bekannt und muß hier nicht
näher erläutert werden.
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In
der Uplink-Phase sendet das Sende- und Empfangsgerät 11 ein
Signal konstanter Amplitude in einer vorgegebenen Frequenz aus.
Gemäß den derzeitigen
Normungsbestrebungen wird dieses Signal eine Frequenz von ca. 5,8
GHz haben. Dieses Signal wird von dem Fahrzeuggerät 13 empfangen
und nach dem semipassiven Transponder-Prinzip mit den zurückzusendenden
Daten moduliert. Diese Datenmodulation erfolgt in Seitenbändern des
Trägers
als Frequenzmodulation (Frequency Shift Keying – FSK) oder als Phasenmodulation
(Phase Shift Keying – PSK).
Das so modulierte Signal wird vom Sende- und Empfangsgerät 11 der
Bake 12 wieder empfangen. Zur Ermittlung der vom Fahrzeug übersandten
Daten wird das empfangene Signal im Sende- und Empfangsgerät 11 ausgewertet.
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3 und 4 verdeutlichen diese Kommunikation für die Uplink-Phase.
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In
dieser Phase erzeugt ein Oszillator 15 ein Ausgangssignal
mit einer Trägerfrequenz
fT, die in 4a dargestellt
ist. Diese Trägerfrequenz
ist allerdings zeitlich frequenzmoduliert und ändert sich im Laufe der Zeit,
beispielsweise mit der Beziehung f(t) = f0 ± Δ F/Δ T × t, also
in Form einer sägezahnförmigen Frequenzmodulation.
Zum Aussendezeitpunkt t = tA sei die ausgesandte
Trägerfrequenz
fA = fT. Dieses
Ausgangssignal gelangt auf eine Sendeantenne 16, die das
Signal mit der Frequenz als kontinuierliche Welle (CW) abstrahlt.
Dieses Signal wird von einer Sende-/Empfangsantenne 17 des
Fahrzeugsgeräts 13 empfangen.
Das Fahrzeuggerät 13 enthält vorzugsweise
in einem Speicher abgelegte Daten, die während der Uplink-Phase auf
die Bake 12 übertragen
werden sollen. Entsprechend diesen Daten wird ein Phasen- oder Frequenzmodulationsgenerator 18 gesteuert,
der Modulations-Steuersignale für einen
Modulator 19 erzeugt. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel findet eine
Frequenzmodulation mit zwei Shift- Frequenzen f1,
f2 statt, deren Frequenzspektrum in 4b gezeigt ist. Am Ausgang
des Modulators 19 steht nunmehr das modulierte Signal an,
das aus der empfangenen Trägerfrequenz
fA sowie symmetrisch dazu angeordneten Shift-Frequenzen
in beiden Seitenbändern
besteht, wie dies das Frequenzspektrum 3 in 4c zeigt. Das so modulierte
Signal wird von der Sende-/Empfangsantenne 17 abgestrahlt
und von einer Empfangsantenne 20 des Geräts 11 empfangen.
Bei einem nicht bewegten Fahrzeug entspricht das empfangene Frequenzspektrum 4 (4d) dem ausgesandten Frequenzspektrum 3.
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Mit
einem Einseitenbandmischer 21 wird das empfangene Frequenzspektrum 4 mit
der momentan in im Sende-/Empfangsgerät 11 der Bake 12 produzierten
Trägerfrequenz
gemischt. Die momentane Trägerfrequenz
fE entspricht der anfänglichen Trägerfrequenz fT – fL, wobei fL für die Laufzeit
bedingte Frequenzänderung
steht.
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Durch
den Mischvorgang mit der Frequenz fE entstehen
im unteren Seitenband LSB verschobene Shift-Frequenzen f1 – fL und f2 – fL, während
im oberen Seitenband (USB) verschobene Shiftfrequenzen f1 + fL, f2 + fL entstehen.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für die Auswerteeinrichtung 22a zur
Ermittlung des Abstandes zwischen Fahrzeugeinrichtung 13 und
Bake 12.
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Das
FSK- oder PSK-modulierte Hochfrequenzsignal HF gelangt auf den Einseitenbandmischer 21,
dem andererseits die momentane Trägerfrequenz LO des Oszillators 15 zugeführt wird.
Das so heruntergemischte obere Seitenband USB und untere Seitenband
LSB gelangen jeweils auf einen Nulldurchgangsdetektor 23, 23'. Zwischen dem
Nulldurchgangsdetektor 23, 23' und einem die Nulldurchgänge zählenden
Zähler 24, 24' ist eine Torschaltung 25, 25' geschaltet.
Diese wird durch ein Startsignal geöffnet.
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Der
Zählerstand
der Zähler 24, 24' gelangt auf
einen Eingang eines Vergleichers 26, 26', dessem anderen
Eingang ein Referenzwert von einem gemeinsamen Referenzwertgenerator
zugeführt wird.
Erreicht der Stand des Zählers 24, 24' den Referenzwert
des Referenzwertgenerators 27, erzeugt der jeweilige Vergleicher 26, 26' ein Stopsignal,
das auf einen zugeordneten Zeitmesser 28, 28' gelangt. Der
Zeitmesser ist durch das Startsignal für die Torschaltungen 25, 25' ebenfalls gestartet
und wird nunmehr gestoppt, wenn die Anzahl der gezählten Nulldurchgänge dem
Referenzwert entsprechen.
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Wie
anhand der 4 dargelegt
worden ist, entsteht durch die Veränderung der Ausgangsfrequenz
LO des Oszillators 15 durch das Modulationssignal 15a während der
Laufzeit des von dem Sende- und Empfangsgerät 11 ausgesandten
und wieder empfangenen Signals eine Frequenzverschiebung, die im
oberen Seitenband USB zu einer Frequenzerhöhung, im unteren Seitenband
LSB zu einer Frequenzerniedrigung bzw. umgekehrt führt. Daher
werden die an sich gleichen Signale im oberen Seitenband USB und
unteren Seitenband LSB geringfügig unterschiedliche
Frequenzen aufweisen, so daß die vorgegebene
Anzahl der Nulldurchgänge
durch die Signale zu unterschiedlichen Zeiten erreicht werden. Die
von den Zeitmessern 28, 28' gemessenen Zeiten für das Erreichen
der vorgegebenen Anzahl der Nulldurchgänge in den beiden Seitenbändern USB,
LSB erscheint in der Auswertungsschaltung 29 für die Abstandsberechnung
als Zeitdifferenz, die mit Hilfe des Referenzwertes für die Nulldurchgänge in einen
Abstandswert umrechenbar ist.
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Die
in 5 dargestellte Schaltung
läßt sich mit
einfachen digitalen Bausteinen erstellen und eignet sich für eine Integration
zu einem IC.
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Die
in
5 dargestellte Schaltung
läßt sich in
nahezu unveränderter
Weise auch für
eine Geschwindigkeitsermittlung ausnutzen, wenn das Modulationssignal
15a für eine gewisse
Zeit konstant bleibt, beispielsweise abgeschaltet wird, so daß eine Messung
mit einem nicht veränderbaren
Ausgangssignal LO des Oszillators
15 stattfindet. In diesem Fall
führt die
Dopplerverschiebung der Frequenz durch die relative Geschwindigkeit
der bewegten Fahrzeugeinrichtung
13 zur Bake
12 zu
einem Frequenz- und damit Zeitunter schied für die beiden getrennt verarbeiteten
Seitenbänder
USB, LSB. Es wäre
daher möglich,
das Modulationssignal so auszubilden, daß es periodisch konstant ist,
und während
der konstanten Phase des Modulationssignals eine zur Korrektur verwendbare
Geschwindigkeitsmessung durchzuführen.
Das Prinzip der Geschwindigkeitsmessung unter Ausnutzung der Dopplerverschiebung
ist in der älteren,
nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
P 43 31 286.1 beschrieben.
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Wie
oben erwähnt
worden ist, kann der geschwindigkeitsabhängige Term für die Abstandsmessung
auch dadurch eliminiert werden, daß das Modulationssignal 15a nicht – wie in 3 angedeutet – als Sägezahn,
sondern dreieckförmig
ausgebildet wird und wenn zwei Messungen durchgeführt werden,
von denen eine im aufsteigenden Teil und die andere im absteigenden
Teil des Modulationssignals 15a durchgeführt wird.