DE202004005087U1

DE202004005087U1 - Nahbereichsradar mit Datenübertragung

Info

Publication number: DE202004005087U1
Application number: DE202004005087U
Authority: DE
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2014-03-30

Abstract

System zum simultanen Senden und Empfangen von Radarsignalen und digitalen Daten, mit Mitteln (1a, 1b) zur Generierung und Aufnahme von Radarsignalen auf einer Radar-Zwischenfrequenz, Mitteln (2a, 2b) zur Generierung und Aufnahme digitaler Signale auf einer Modem-Zwischenfrequenz und Mitteln zum Senden (7a, 7b) und Empfangen (8a, 8b) einer HF-Trägerfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokaler Oszillator (9a, 9b) zur Erzeugung einer stabilen Zwischenfrequenz vorhanden ist, sowie
– sendeseitig Mittel (3a, 3b) zur Überlagerung von Radar- und digitalen Signalen auf eine gemeinsame Zwischenfrequenz und Mittel (5a, 5b) zur Hochmischung auf die ausgesendete HF-Trägerfrequenz und
– empfangsseitig Mittel (6a, 6b) vorhanden sind zur Abtrennung der gemeinsamen Zwischenfrequenz aus der empfangenen HF-Trägerfrequenz, sowie Mittel (4a, 4b) zur Separierung von Radar- und digitalen Signalen auf der gemeinsamen Zwischenfrequenz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarsystem, mit dem sowohl eine Datenübertragung zur Kommunikation als auch eine Sensierung zur Umfelderfassung möglich ist, sowie ein mit diesem System ausgestattetes Fahrzeug.
Die Information der Fahrzeugführer über die Situation in der unmittelbaren bzw. näheren Umgebung ihres Fahrzeuges erfolgt nach wie vor auch in modernen Fahrzeugen überwiegend auf visuellem Wege. So werden beispielsweise Routeninformationen und lokal geltende Verkehrsvorschriften wie z.B. Geschwindigkeitsbeschränkungen dem Fahrer über Schilder bzw. Schautafeln mitgeteilt, ebenso erfolgt beispielsweise die Wahrnehmung eines Bremsmanövers des Vordermannes über die aufleuchtenden Bremsleuchten des Fahrzeugs. Ein voraus liegendes Stauende oder eine andere Gefahrenstelle wird entweder direkt oder über die Warnblinklichter der umgebenden Fahrzeuge wahrgenommen. Ebenso werden Informationen über umliegende Orte, beispielsweise über Schau- oder Hinweistafeln auf visuellem Weg übermittelt. Damit ist der Fahrzeugführer im modernen Verkehr einer Vielzahl von optischen Eindrücken ausgesetzt, deren Verarbeitung ihn in manchen Situationen mit mehr oder weniger schwerwiegenden Folgen überfordert.
Zur Entlastung ist es somit wünschenswert, die visuellen Informationen durch elektronische Daten zu ergänzen. Hierbei ist es vorteilhaft, Informationen aus dem unmittelbaren Fahrzeugumfeld zu verwenden, die von Fahrzeug zu Fahrzeug übertragen werden können. Dabei werden die Daten dort übertragen, wo sie generiert, konsumiert und benötigt werden.
Zur Realisation eines derartigen Dienstes ist es notwendig, ein sogenanntes Ad Hoc Netz aufzubauen, dessen Knoten die einzelnen Fahrzeuge darstellen. Eine mögliche Vorgehensweise hierzu ist die Verwendung des WLAN IEEE 802.11-Standards. Hierzu ist es jedoch erforderlich, die Fahrzeuge mit den notwendigen Hard- und Softwarekomponenten auszustatten und diese Standards an die automobilen Gegebenheiten anzupassen. Für die hier vorliegenden Anwendungen ist eine kurze Funkreichweite ausreichend. Allerdings sind keine größeren Verzögerungen beim Aufbau der Verbindung und bei der Datenübertragung zulässig. Aus diesem Grund erscheint die Nutzung des Zellularfunks (GSM, UMTS) für diese Applikation ungeeignet. Weitere Rahmenbedingungen sind Kostenaspekte und die Vermeidung weiterer Antennen – auch aus ästhetischen Gesichtspunkten.
Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Realisation von Ad Hoc Netzen besteht darin, die in den Fahrzeugen bereits vorhandenen Komponenten zu nutzen. Die Verwendung von Nahbereichsradaren als multifunktionales Sensorik- und Übertragungssystem für Komfort- und Sicherheitsfunktionen wird zur Zeit sowohl von Fahrzeugherstellern als auch ihren Zulieferern im zunehmenden Maße untersucht. Die duale Verwendung eines Radarsystemes im Fahrzeug als Umfeldsensierungs- und Datenübertragungssystem stellt somit eine mögliche Lösung für die oben genannten Anforderungen dar. So wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 101 58 719 , die ebenfalls auf die Anmelderin zurückgeht, ein Kfz-Nahbereichsradar beschrieben, das eine Vielzahl an Einzelradaren aufweist, die jeweils für sich entweder in einem Abtast- bzw. Sensierungsmodus oder in einem Datenübertragungsmodus zur Kommunikation betrieben werden können. Dieses System erlaubt allerdings nur den Einsatz eines Einzelradars zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder zur Datenübertragung oder zur Umfeldsensierung. Das in der genannten Schrift beschriebene System weist somit den Nachteil auf, dass beim Betrieb eines Einzelradars im Datenübertragungsmodus dieses nicht mehr für die Umfeldsensierung zur Verfügung steht. Die Kommunikations- bzw. die Sensierungsfunktionalität stehen damit jeweils zeitweise nicht zur Verfügung.
Die Erfindung geht aus von der o.g. Patenanmeldung als nächstliegendem Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Übertragung von Daten im Fahrzeugbereich unter Nutzung üblicher Nahbereichsradareinrichtungen zu entwickeln, das einen kontinuierlichen Betrieb sowohl für Sensorikaufgaben als auch für Datentransfer ermöglicht und weitere Vorzüge aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Details, Vorzüge und Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben unter Bezugnahme auf die Figuren und die darin angegebenen Bezugszeichen. Es zeigt:
1 Schema des Übertragungssystems mit sende- und empfangsseitig vorhandenen Leistungsteilern, lokalen Oszillatoren und Mischern zur Kombination der Signale der Radar- und WLAN-Komponenten.
2 Einfluß der Stabilität lokaler Oszillatoren auf die erreichbare maximale WLAN-Datentransfer-Rate Grundkonzept der Erfindung ist die Kombination der Signale von Radar und WLAN Komponenten dergestalt, dass im Ergebnis zwei Code Division Multiple Access (CDMA) Systeme, nämlich zum einen ein Pseudo Noise Code Radarsystem und zum anderen ein Bandspreiz-Kommunikations-System störungsfrei simultan betrieben werden können. Das erfindungsgemäße System weist dementsprechend neben den üblichen Sende- und Empfangseinrichtungen eines Nahbereichsradars zusätzliche Komponenten wie Leistungsteiler und Mischer zur Kombination von kodierten WLAN-Daten mit Radarsignalen auf, sowie die entsprechenden Mittel zur Separierung der so übertragenen Daten im Empfangsteil. Die verschiedenen Komponenten des Übertragungssystems sind als handesübliche Bauelemente kostengünstig verfügbar.
1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Anordnung in sende- und empfangseitig symmetrischer Ausführung. Dargestellt ist auf jeder Seite jeweils ein Radarsystem 1a, 1b, sowie die zugeordnete WLAN-Einheit 2a, 2b. Das Radarsystem kann beispielsweise als Dauerstrichradar (Continuous Wave Radar) ausgeführt sein und arbeitet auf einer ersten Zwischenfrequenz. Die WLAN-Einheit überträgt digitale Daten mittels eines integrierten Modems auf einer zweiten Trägerfrequenz. Vorzugsweise (aber nicht zwingend) arbeiten sowohl Radar als auch WLAN-Einheit auf der gleichen Frequenz (z.B. 2,4 GHz), da sich ansonsten die Bandbreite für die spätere HF-Übertragung erhöht. Dabei können die Signale des Radars und der WLAN-Einheit auf unterschiedliche Weise moduliert sein.
Die Signale der WLAN-Einheit werden mit den ausgehenden Signalen des Radarsystems mittels eines Leistungsteilers 3a, 3b – beispielsweise ausgelegt als Richtkoppler – kombiniert. Anschließend wird die Zwischenfrequenz für das Summensignal aus WLAN und Radar mittels eines Mischers 5a, 5b mit der Frequenz eines lokalen Oszillators 9a, 9b zusammen auf eine Trägerfrequenz (z.B. 24 GHz) herauf gemischt und über eine Ausgangsstufe 7a, 7b dem Antennensystem zugeführt.
Empfangsseitig wird nach der Eingangsstufe 8a, 8b über einen Mischer 6a, 6b durch Differenzbildung zwischen der Trägerfrequenz und der Frequenz des Lokaloszillators 9a, 9b die Zwischenfrequenz zurückgewonnen und die jeweiligen Signalanteile für das Radar und WLAN anschließend in einem nachgeschalteten Leistungsteiler 4a, 4b verzweigt. Hier erfolgt die Aufteilung vorzugsweise durch Multiplikation mit den jeweiligen Pseudorandom Noise Codes des CDMA-Verfahrens, wie nachfolgend erläutert.
Wenn zwei Systeme, nämlich Radar und Kommunikation, auf denselben physikalischen Übertragungskanal zugreifen, muß eine geeignete Multiplexeinrichtung installiert sein. Bekannte Multiplextechniken sind Frequenz-Multiplex (FDMA), Zeit-Multiplex (TDMA) und Code-Multiplex (CDMA). Die beiden Erstgenannten scheiden aus folgenden Überlegungen aus: Die für Radar eingesetzten kurzen Pulse nehmen unvermeidbar ein sehr breites Band im Frequenzbereich ein. Die von den Regulierungsbehörden zugelassene Bandbreite wird infolgedessen wegen der notwendigen hohen Ortauflösung vollständig ausgeschöpft. Daher kann ein Frequency Division Multiplex (FDMA) nicht eingesetzt werden. Die Time Division Multiplex Technik führt hier zu dem Problem, dass an der Empfangsantenne Radarreflexe von räumlich beliebig verteilten Objekten zu nicht vorhersehbaren Zeiten eintreffen. Daher ist eine zeitliche Synchronisation zwischen Radarempfang und Kommunikationsempfang nicht möglich. Aufgrund dieser Überlegungen verbleibt die Code-Division-Multiplex-Technik (CDMA).
Um ein kostengünstiges System zu erstellen, ist es offensichtlich vorteilhaft, vorhandene WLAN-Techniken wie z.B. „Bluetooth" oder „IEEE 802.11b" mit dem Nahbereichsradar zu verbinden. Die Spezifikation von IEEE 802.11b betrifft beispielsweise u.a. die Einhaltung folgender Vorgaben:

Träger: 2400–2483 MHz
Codierung: Direct Sequence Spread Spectrum (11-Chip Barker Folge)
Complementary Code Keying (CCK): 11 Mbit/s; 5,5 Mbit/s

Betrachtet man die aktuell als Standards zur Verfügung stehenden Frequenzbänder, ist die Verwendung von ISM Bändern (ISM steht für Industrial, Scientifical and Medical) die zur Zeit vorteilhafteste Lösung. Allerdings sind nur einige ISM-Frequenzbänder für derartige Übertragungen allgemein freigegeben (z.B. 2,4 GHz; 5,8 GHz; 24 GHz). Das 2,4 GHz-Band ist bereits mit einer Vielzahl von Anwendungen belegt, das 5,8 GHz-Band wird ebenfalls unterschiedlich genutzt, so dass hier dementsprechend Probleme durch die störende Wechselwirkung verschiedener Anwendungen auftreten. Von daher ist das erfindungsgemäße System vorzugsweise auf das 24 GHz-Frequenzband ausgelegt. Radar und WLAN-Kommunikation liegen dabei im selben Frequenzband (24 GHz). Das Radar nützt dieses Band voll aus, während der Datentransfer für die WLAN-Kommunikation nach Auswahl eines bestimmten Kanals nur ca. 20 MHz belegt. Die beiden Signale können gleichzeitig dasselbe Frequenzband nutzen, wenn unterschiedliche Chip-Sequenzen als „Adressen" verwendet werden. Beim Empfang wird durch Multiplikation mit der jeweiligen Chip-Sequenz und anschließender Tiefpaßfilterung das Radar-Signal vom WLAN-Signal abgetrennt.
Einfache Abschätzungen zeigen, dass eine Netto-Datenrate von unter 1 Mbit pro Sekunde für die meisten WLAN-Anwendungen ausreichen sollte, was mit der o.g. Übertragungsbandbreite ohne Schwierigkeiten erreichbar ist. Wesentlich ist dabei die Stabilität des lokalen Oszillators gegenüber Einflußgrößen wie z.B. Temperaturänderung, schwankende Versorgungsspannung, Alterung usw. Bei Verwendung einer Sendefrequenz von 24,125GHz und einer standarisierten WLAN-Frequenz von 2,45GHz ergibt sich für den lokalen Oszillator eine Frequenz von 21,7GHz. Bei einer Drift des Synthesizers von diesem Frequenz-Sollwert reduziert sich die maximal mögliche Datenrate für die WLAN-Kommunikation.
2 zeigt gemessene Datenraten in Abhängigkeit von einem Frequenzversatz des Synthesizers. Bis zu einem Frequenzversatz von etwa ±60KHz kann eine maximale Datenrate von ca. 11 Mbit/s übertragen werden (CCS-Modulation). Bei größerem Frequenzversatz muss für eine fehlerfreie Kommunikation die Datenrate entsprechend reduziert werden. Beispielsweise kann automatisch auf robustere Modulationsverfahren mit niedriger Datenrate (5,5 – 2,0 – 1,0 Mbit/s) umgeschaltet werden. Damit kann auf weitergehende Synchronisationsmaßnahmen verzichtet werden, solange die lokalen Oszillatoren eine Stabilität von ca. ±100kHz aufweisen.
Für den Einsatz als Lokaloszillatoren können beispielsweise Gunn-Oszillatoren verwendet werden, die relativ kostengünstig sind. Nachteilig ist jedoch ein relativ stark temperaturabhängiges Verhalten dieser Oszillatoren. Alternativ können dielektrische Resonatoren (Dielectric Resonator Oszillator, DRO) eingesetzt werden. Wenn ein DRO über eine Regelschleife an eine niederfrequente Quarz-Referenz-Frequenz angebunden wird, ist sichergestellt, dass der zulässige Bereich entsprechend 2 im Temperaturbereich –30°C bis +100°C nicht verlassen wird.
Betrachtungen der Leistungsverteilung zwischen Radarsignalen und WLAN-Signale zeigen, dass im Verhältnis zu starke Radarsignale die Übertragung der WLAN-Signale störend beeinflussen können. Liegt die Leistung des Radarsignals z.B. mehr als 9dB über dem Kommunikationssignal, so kann die Datenübertragung negativ beinflußt werden. Da die Radarleistung im Interesse einer maximalen Reichweite der Objekterfassung nicht reduziert werden sollte, bietet sich als Alternative eine entsprechende Verstärkung des WLAN-Ausgangssignals an. In 1 sind derartige Ausgangsverstärker 10a bzw. 10b wiedergegeben. Zusätzlich wäre der Einsatz eine Sende/Empfangsweiche (Zirkulator) vorzusehen. Als kostengünstige Alternative können auch Mischer mit sehr geringem Mischer-Verlust eingesetzt werden. Zur weiteren Unterdrückung von störenden Rauschanteilen können in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Übertragungseinrichtung Richtkoppler mit möglichst hoher Isolationseigenschaft als Leistungsteiler eingesetzt werden.
Die Erfindung bietet ein kombiniertes Radar- und Datenübertragungssystem, das durch Nutzen einer einzigen Übertragungsfrequenz mit nur einer Sende- und Empfangsverstärkung auskommt und zur Übertragung nur ein Antennensystem benötigt.

Claims

System zum simultanen Senden und Empfangen von Radarsignalen und digitalen Daten, mit Mitteln (1a, 1b) zur Generierung und Aufnahme von Radarsignalen auf einer Radar-Zwischenfrequenz, Mitteln (2a, 2b) zur Generierung und Aufnahme digitaler Signale auf einer Modem-Zwischenfrequenz und Mitteln zum Senden (7a, 7b) und Empfangen (8a, 8b) einer HF-Trägerfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokaler Oszillator (9a, 9b) zur Erzeugung einer stabilen Zwischenfrequenz vorhanden ist, sowie – sendeseitig Mittel (3a, 3b) zur Überlagerung von Radar- und digitalen Signalen auf eine gemeinsame Zwischenfrequenz und Mittel (5a, 5b) zur Hochmischung auf die ausgesendete HF-Trägerfrequenz und – empfangsseitig Mittel (6a, 6b) vorhanden sind zur Abtrennung der gemeinsamen Zwischenfrequenz aus der empfangenen HF-Trägerfrequenz, sowie Mittel (4a, 4b) zur Separierung von Radar- und digitalen Signalen auf der gemeinsamen Zwischenfrequenz.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (3a, 3b) zur Überlagerung bzw. Separierung (4a, 4b) von Radar- und digitalen Signalen als Leistungsteiler, z.B. Richtkoppler ausgebildet sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Überlagerung (3a, 3b) bzw. Separierung (4a, 4b) von Radar- und digitalen Signalen als Chipsequenz-Multiplexer ausgebildet sind.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Oszillator (9a, 9b) als Gunn-Oszillator oder dielektrischer Resonator (DRO) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quarz-Referenz zur Stabilisierung des lokalen Oszillators (9a, 9b) vorhanden ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor den sendeseitigen Mitteln (3a, 3b) zur Überlagerung der Radar- und digitalen Signale ein Verstärker (10a, 10b) zur Anhebung der digitalen Signale vorhanden ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sende-/Empfangsweiche (Zirkulator) vorhanden ist.