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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie auf Meßanordnungen
zur Durchführung
dieses Verfahrens. Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus
dem Buch „Spaceborne
Radar Remote Sensing: Applications and Techniques" von Charles Elachi,
IEEE Press, Seiten 51 bis 145 bekannt.
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Für Messungen
in unterbrechungsfrei betriebenen Übertragungssystemen, z.B. digitalen
Gleichwellensendernetzen, Mobilfunknetzen oder Fernsehsendernetzen
ist ein Meßverfahren
bekannt ( Dissertation „Identifikation
des zeitvarianten Mobilfunkkanals mit analogen und digitalen Rundfunksignalen" von Friedemann Weiß am Institut
für Nachrichtenübertragung
der Universität
Stuttgart, 1997), das sich für
den Einsatz in Fahrzeugen eignet, um mit einer einzelnen am Fahrzeug
angebrachten Antenne, die für
sich genommen keine Richtwirkung aufzuweisen braucht, die Einfallswinkel,
die Intensität
und die Laufzeit von Partialwellen des Wellenfeldes bei Streckenfahrten
mit hoher Auflösung
zu bestimmen. Das Meßverfahren
eignet sich für
die topographische Kartierung des Streuquerschnitts für Wellen
in der Meßumgebung.
Hierdurch wird eine Visualisierung der Streuzentren im vermessenen
Bereich des Wellenspektrums erreicht. Für die Durchführung des
Meßverfahrens
reichen als Signalquellen die regulär für die jeweilige Anwendung betriebenen
Signalquellen aus. Zusätzliche
Signalquellen oder Sendeeinrichtungen sind nicht erforderlich. Auf
die Implementierung spezieller Trainingssequenzen für Zwecke
der Kanalsondierung kann verzichtet werden.
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Für die Messung
der Kanalimpulsantwort von Übertragungskanälen werden
nach dem heutigen Stand der Technik entweder eigens für diesen
Zweck konstruierte Kanalsonden eingesetzt, die mit einem Sender
ein Prüfsignal
(kodierter Puls) abstrahlen, dessen Echo empfangen wird und hinsichtlich
der Laufzeit und Intensität ausgewertet
(Aufsatz „Modeling
the Mobile Radio Channel by Echo Estimation" von U: Martin in „FREQUENZ", Dezember 1994), oder es werden spezielle
Zeichen bzw. Zeichenfolgen in die laufende Übertragung eines informationsbehafteten
Signals integriert, deren Auswertung im Empfänger auf die Verzerrung im Übertragungskanal
schließen
lassen (z.B. Prüfzeile
im Fernsehsignal, Phasenreferenzsymbol bei DAB, Referenzsymbol bei GSM;
Vortrag von Henrik Schulze „Codierung,
Interleaving und Multiplex-Diversity bei DAB: Auswirkungen auf die
Rundfunkversorgung" auf
der ITG Fachtagung „Mobile
Kommunikation 95").
Durch Auswertung der Doppler-Verschiebung
können
mit aufwendigen Auswertealgorithmen (beispielsweise Aufsatz „MUSIC,
Maximum Likelihood, and Cramer-Rao-Bound" von P. Stoica und A Nehorai in IEEE
Transactions on Acoustic and Signal Processing, Vol. 37, No. 5,
May 1989, Seiten 720 bis 741) teilweise Rückschlüsse auf die Einfallsrichtung
von Partialwellen gezogen werden.
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Für die richtungsmäßig hochselektive
Sondierung einzelner Partialwellen von Wellenfeldern werden nach
dem allgemein bekannten Stand der Technik einerseits Antennensysteme
oder Sensorsysteme mit großen
realen Aperturen eingesetzt, die durch phasenrichtige Zusammenschaltung
von Einzelantennen oder durch entsprechende mechanische Ausformung
eines einzelnen Sensors (Yagi-Antenne, Parabolantenne) erzeugt werden.
Andererseits kann die reale Apertur wie bei Radaranwendungen mit
geophysikalischem Bezug (Erderkundung vom Flugzeug oder Satelliten
aus) synthetisiert (SAR = Synthetic Aperture Radar; vergleiche Buch „Spaceborne
Radar Remote Sensing: Applications and Techniques" von Charles Elachi,
IEEE Press, Seiten 51 bis 145) werden, indem die Aussendung pulsförmiger Radarsignale
während
der Bewegung des Radargerätes
wiederholt wird und die empfangenen Echosignale kombiniert und ausgewertet
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Verfahren zu
schaffen, das mit kleinen Empfangsantennen oder Sensoren ohne ausgeprägte Richtwirkung
zum Einsatz kommen kann, das sich ausschließlich auf die abgestrahlten
Signale eines regulär
betriebenen Übertragungssystems
abstützt
und das keine zusätzlichen
Sender bzw. Signalquellen benötigt,
um richtungsselektive Kanalimpulsantworten zu messen.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Meßanordnungen
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus den Patentansprüchen
2 bis 4.
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Die
Erfindung beruht auf der Überlegung,
daß mehrere
Messungen der vollständigen Übertragungsfunktionen,
welche die Mehrwegeausbreitung von Wellen zwischen einem Meßort und
einer Sendestelle in der Summe charakterisieren, in geeigneter Weise
durchgeführt
und ausgewertet werden können,
um die Richtung, die Intensität
und die Laufzeitdifferenzen der zu der vollständigen Übertragungsfunktion beitragenden
Partialwellen bestimmen zu können.
Die vollständige Übertragungsfunktion
kann leicht mit Antennen oder Sensoren kleiner Abmessung gemessen
werden. Die Bestimmung der Übertragungsfunktion
der Partialwellen, welche die richtungsabhängige Information über Laufzeit
und Intensität
des Wellenausbreitung beinhaltet, erfolgt erfindungsgemäß durch
mehrerere, zeitlich sequentiell aufeinanderfolgende Messungen der
vollständigen Übertragungsfunktion
eines Wellenfeldes an verschiedenen Orten, deren Koordinaten gleichfalls
bestimmt werden oder anderweitig bekannt sind und mit den gemessenen Übertragungsfunktionen
rechnerisch in Zusammenhang gebracht werden. Das Verfahren kann
für alle
Arten der Wellenausbreitung angewendet werden, insbesondere bei
elektromagnetischen und akustischen Anwendungen.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die erfindungsgemäß bestimmbaren Übertragungsfunktionen
der Partialwellen die relativ zum Meßort richtungsmäßig getrennte
Information bezüglich
Laufzeit und Intensität
liefern. Dies ermöglicht
die Darstellung der wirksamen Streuer in der Umgebung des Meßortes z.B.
auf einer topographischen Karte und damit deren räumliche
Identifizierung. Weiterhin läßt sich
in Gleichwellensendernetzen, wie sie zum Beispiel für Zwecke
der Verbreitung des digitialen Rundfunks errichtet und betrieben werden,
die Richtung zu den Sendern bestimmen, die zu der Summenfeldstärke beitragenden
senderspezifischen Intensitäten
ermitteln, Intersymbolinterferenz quantifizieren, und die Wirkung
der Streueigenschaften der Umgebung auf die von den einzelnen Sendern
einfallenden Wellen untersuchen. Dadurch läßt sich die Optimierung von
Senderkonfigurationen im Gleichwellenbetrieb auf der Grundlage von
Messungen realisieren, die während
des Regelbetriebs eines solchen Sendernetzes durchgeführt werden
können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im folgenden zunächst
anhand eines einfachen Beispiels erläutert, das sich ohne Beschränkung der
Allgemeinheit auf elektromagnetische Wellen bezieht. Von diesem Beispiel
ausgehend wird aufgezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren
allgemein anwendbar ist. Schließlich
wird das Ergebnis einer praktisch ausgeführten Messung erläutert und
dargestellt.
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Die
Aufgabe besteht darin, für
einen Ort P in einem Meßgebiet
die richtungsabhängigen Übertragungsfunktionen
der Partialwellen Hn eines Wellenfeldes
durch Messung der Übertragungsfunktionen
an Orten P1... Pm in
der Umgebung von P zu bestimmen, ohne daß zusätzliche Bedingungen bezüglich der
Richtwirkung der Meßantenne
zu erfüllen
sind. Der Lösungsansatz
wird zunächst
an einem Beispiel erläutert,
bei dem zwei Partialwellen betrachtet werden, die das Wellenfeld
ausbilden.
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1 veranschaulicht
die Situation. Von einem Sender TX wird ein hochfrequentes elektromagnetisches
Signal abgestrahlt. Im Meßgebiet
M trifft das Sendesignal auf zwei unterschiedlichen Wegen ein, zum einen
auf dem direkten Verbindungsweg, zum anderen auf einem Umweg, der
durch Streuung oder Reflexion zustande kommt. Im Meßgebiet
weisen die Teilsignale im allgemeinen unterschiedliche Laufzeiten
und unterschiedliche Amplituden auf. Eine im Wellenfeld befindliche
Antenne, die keine Richtwirkung aufweist, liefert ein Ausgangsignal,
das der Überlagerung
der beiden Partialwellen entspricht.
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Der Übertragungskanal
zwischen Senderstandort und Empfangsort läßt sich durch die Kanalimpulsantwort
KI(t,τ)
bzw. deren Fourier-Transformierte, die Übertragungsfunktion H(ω,τ) beschreiben.
Die Kanalimpulsantwort KI(t,τ)
ist als Integralkern definiert
wobei
U
s(t) bzw. U
s(ω) das in
die Sendeantenne eingespeiste Signal bezeichnet und U
a(t)
bzw. U
a(ω)
das von der Empfangsantenne abgegebene Signal ist; τ ist dabei
die Laufzeitverzögerung,
die sich bei der Übertragung des
Sendesignals auf dem Funkweg ergibt, ω die Winkelfrequenz des Signals.
Meßtechnisch
sind die Kanalimpulsantwort bzw. die Übertragungsfunktion zugänglich,
wenn das Sendesignal und das Empfangssignal bekannt sind; im einfachsten
Fall liefert der komplexe Quotient der Fourier-Transformierten von
Empfangssignal und Sendesignal das gewünschte Ergebnis.
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Im
hier betrachteten Fall setzt sich die gemessene Übertragungsfunktion Hg(ω,τ) aus den Übertragungsfunktionen
H1(ω,τ) und H2(ω,τ) zweier
Partialwellen zusammen, weil die Empfangsantenne gemäß Voraussetzung
keine Winkelauflösung
besitzt. Der Zusammenhang lautet Hg(ω,τ) = H1(ω,τ) + H2(ω,τ) (2)
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Um
die den beiden Partialwellen zugehörigen Übertragungsfunktionen getrennt
bestimmen zu können,
wird bei der Messung wie in 2 angegeben
verfahren. An den Orten P1 und P2 werden mit einer Rundantenne die Übertragungsfunktionen
Hg P1(ω,τ) und Hg P2(ω,τ) gemessen.
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Nimmt
man an, daß sich
beide Partialwellen in der betrachteten Umgebung der Orte P, P1 und P2 ungehindert
ausbreiten und daß die
Ausbreitung ohne Beschränkung
der Allgemeinheit durch eine ebene Welle beschrieben werden kann,
lassen sich folgende Zusammenhänge
ableiten. Zwischen dem Erreichen des Ortes P1 und
dem Erreichen des Ortes P einer Wellenfront der Partialwelle 1 vergeht
die Zeitspanne Δτ11 =
l11/c (3)wobei
l11 die auf die Ausbreitungsrichtung der
Partialwelle 1 projizierte Länge
des Abstands der Orte P und P1 ist und c
die Ausbreitungsgeschwindigkeit bedeutet. Entsprechend findet man
die Zeitspanne, die zwischen dem Erreichen des Ortes P2 und
dem Erreichen des Ortes P der Wellenfront der Partialwelle 1 vergeht Δτ21 =
l21/c (4)
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Für die Wellenfront
der Partialwelle 2 bezüglich
der Orte P, P1 und P2 gilt
entsprechend Δτ12 =
l12/c (5) Δτ22 =
l22/c (6)
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Die
zugehörigen Übertragungsfunktionen
K
m,n(ω, Δτ
m,n)
für die
Strecken l
m,n lauten
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Die
am Ort P1 gemessene Übertragungsfunktion Hg P1(ω,τ) setzt sich
aus den Übertragungsfunktionen der
Partialwelle 1, H1 P1,
und der Partialwelle 2, H2 P1,
zusammen; entsprechendes gilt für
die am Ort P2 gemessene Übertragungsfunktion Hg P2(ω,τ). Hg P1 = H1 P1 +
H2 P1
Hg P2 = H1 P2 + H2 P2 (8a,b)
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Am
Ort P setzt sich die Übertragungsfunktion
Hg aus den gesuchten Übertragungsfunktionen der Partialwellen
H1 und H2 zusammen
(s. Gl. 2). Die Übertragungsfunktion
H1 beschreibt die hintereinandergeschalteten Übertragungen
der Partialwelle 1 und zwar (a) von ihrem Entstehungsort bis zum
Ort P1, und (b) vom Ort P1 bis
zum Ort P. Für
den Ort P2 bzw. für die Partialwelle 2 gilt entsprechendes. H1 =
H1 P1·K1,1 = H1 P2·K2,1
H2 = H2 P1·K1,2 = H2 P2·K2,2 (9a,b,c,d)
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Nach
Auflösen
des Gleichungssystems nach den Unbekannten H1 und
H2 erhält
man die gesuchten Übertragungsfunktionen
der Partialwellen als Funktion der Meßgeometrie und der mit einer
Rundantenne gemessenen Übertragungsfunktionen
an den Orten P1 und P2.
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Die
Bedingung K11/K12 ≠ K21/K22 ist durch
geeignete Wahl der Meßorte
P1 und P2 zu erfüllen.
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Ausgehend
von diesem einfachen Spezialfall mit zwei Partialwellen und zwei
Messungen an unterschiedlichen Orten lassen sich die Gleichungen
verallgemeinern; Gl. (7) weist bereits die gewünschte Form auf, allerdings
läuft jetzt
der Index m, der die Meßorte
P
m abzählt,
von 1...M, und der Index n, der die Anzahl der Partialwellen abzählt, von
1...Z. Die Gleichungen (8a,b) lassen sich durch
ersetzen,
die Gleichungen (9a,b,c,d) schreiben sich dann
Hn =
Hmn ·Km, n (14) -
Die
Gleichungen (10a,b,c,d) lassen sich in die Form
bringen.
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Die
Beziehungen (15) stellen ein lineares Gleichungssystem mit M Gleichungen
und Z Unbekannten H
n dar. Dieses ist für M ≥ Z lösbar, falls
Det
. Somit ist gezeigt, daß die Bestimmung
der richtungsspezifischen Übertragungsfunktionen
der Partialwellen auf die Lösung
eines linearen Gleichungssystems zurückgeführt werden kann, dessen Koeffizienten
durch die geometrische Anordnung der Meßorte und durch die mit Rundantenne
gemessenen Übertragungsfunktionen an
diesen Orten gegeben sind.
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Für die Durchführung von
Messungen ergeben sich aus dem abgeleiteten Ergebnis (15) mehrere
Konsequenzen.
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Zunächst ist
festzuhalten, daß die
Hn nicht von spezifischen Eigenschaften
des Sendesignals wie der Modulationsart und dem übertragenen Informationsinhalt
abhängen.
Maßgebend
ist allein die Bandbreite des Sendesignals, welche die Genauigkeit
der Messung des spektralen Verlaufs der Übertragungsfunktionen bestimmt.
Hieraus kann abgeleitet werden, daß sich das Meßverfahren
allgemein einsetzen läßt, z.B.
für FM-, TV-,
DAB-Sendernetze, es aber auch z.B. für akustische Anwendungen geeignet
ist, z.B. für
die Bewertung von Beschallungsanlagen, der Raumakustik, etc.
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Weiterhin
sind die Koeffizienten des linearen Gleichungssystems (15) unabhängig von
der Zeit. Deshalb sind sowohl simultane als auch zeitlich aufeinander
folgende Messungen der Übertragungsfunktionen
Hm g an den Meßorten Pm zulässig.
Hieraus kann gefolgert werden, daß das Meßverfahren anwendbar ist, wenn mindestens
ein Empfangssystem verfügbar
ist, das an unterschiedlichen Meßorten nacheinander zum Einsatz kommt.
Dabei ist die Stabilität
der Mehrwegeausbreitung Voraussetzung, d.h. der Ursprung der Partialwellen hat über die
Zeit der sequentiellen Messung ortsfest zu sein.
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Schließlich ist
festzuhalten, daß die
Meßorte
so zu legen sind, daß die
Determinante der Matrix [1/Km,n] nicht verschwindet.
Diese Bedingung ist immer dann erfüllbar, wenn spezielle Symmetrien
der Meßorte
vermieden werden. Das Verfahren ist für 2D- und 3D-Messungen anwendbar.
Dies betrifft sowohl die Richtungen der Partialwellen als auch die
Konfiguration der Meßorte.
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6 zeigt
das Ergebnis einer praktisch ausgeführten Messung vom 10.2.1997,
die in Stuttgart auf dem Gelände
des Cannstatter Wasen stattfand. Für die Messung wurde ein DAB-Signal
gemäß ETSI-Spezifikation
verwendet, das auf der Frequenz 225.6 MHz von den Sendern Stuttgart-Degerloch
und Stuttgart- Funkhaus
synchron im Gleichkanalbetrieb ausgestrahlt wurde. Das DAB Signal übertrug
den regulären
Programm-Multiplex für
das DAB-Pilotprojekt Baden-Württemberg.
Das Meßsystem,
bestehend aus Stabantenne mit Rundstrahlcharakteristik, Empfänger, Signalabtasteinrichtung,
digitalem Speicher, Demodulator und Signalprozessor entsprechend 5,
war fest in einem Kleinbus eingebaut. Die Bestimmung der Positionen
der Meßorte
erfolgte sowohl mit einem Satellitennavigations-System (GPS mit
DGPS Korrektur, die über
den UKW-Sender 92.2 MHz von Stuttgart-Degerloch aus übertragen
wurde) als auch mit einem Drehwinkel-Impulsgeber, der mit der Tachowelle
des Meßfahrzeugs
mechanisch verkoppelt war. Das Meßfahrzeug wurde mit einer Geschwindigkeit
von 30 km/h bewegt.
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Die
Abtastung des frequenzmäßig heruntergemischten
DAB-Signals erfolgte mit einer Abtastrate von 4.096 MSamples/s und
einer Auflösung
von 12 Bit. Sämtliche
Frequenzgeneratoren und Impulsgeber waren phasenstarr gekoppelt
und an ein mitgeführtes
Frequenznormal angebunden.
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Die
Kanalimpulsantwort Hg des gesamten Übertragungskanals
wurde alle 96 ms bestimmt. Jedes empfangene Phasenreferenzsymbol,
repräsentiert
durch 4096 Abtastwerten, wurde zu diesem Zweck Fourier-transformiert
und durch die Fourier-Transformierte eines unter labormäßigen Bedingungen
gemessenen Referenzphasensymbols komplex dividiert. Synchron wurden
die Ortskoordinaten alle 96 ms registriert.
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Die
an 40 aufeinander folgenden Meßorten
ermittelten Übertragungsfunktionen
wurden entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet (siehe
Gleichung 15). Die resultierenden richtungsspezifischen Übertragungsfunktionen
wurden einer inversen Fourier-Transformation unterzogen, um die
richtungsspezifischen Kanalimpulsantworten zu erhalten. Diese sind
in 6 für
36 unterschiedliche Richtungen dargestellt. Die Y-Achse ist logarithmisch
unterteilt (Skalierung: dB), die X-Achse ist linear unterteilt und
hat als Einheit den Reziprokwert der Abtastrate von 4.096 MHz, der
etwa 250 ns beträgt.
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Teilbild
KI6 zeigt die richtungsselektive Kanalimpulsantwort für die Haupteinfallsrichtung
derjenigen Partialwelle, die vom Sender Stuttgart-Degerloch stammt.
Teilbild KI33 zeigt die richtungsselektive Kanalimpulsantwort für die Haupteinfallsrichtung
derjenigen Partialwelle, die vom Sender Stuttgart-Funkhaus stammt. Die
Laufzeitdifferenz beider Partialwellen läßt sich durch Vergleich der
X-Achsenabschnitte
der Maxima bestimmen; sie beträgt
13.8μs,
was einer Entfernungsdifferenz von 4.1 km entspricht und die tatsächlichen
geographischen Verhältnisse
widerspiegelt.
