DE3324693C2 - Method and device for two-way transit time measurement according to the correlation principle - Google Patents
Method and device for two-way transit time measurement according to the correlation principleInfo
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Abstract
Ein Verfahren zur Zweiweg-Laufzeitmessung nach dem Korrelationsprinzip mittels elektromagnetischer Signale wird weiter in der Weise verbessert, daß Laufzeitverzögerungen in der Sekundärstation auf besonders einfache Weise eliminiert werden, indem die Modulationsform eines am anderen Ende der zu messenden Strecke zu erzeugenden Signals direkt zur Korrelation mit dem dort aufgenommenen Signal benutzt wird.A method for two-way propagation time measurement according to the correlation principle using electromagnetic signals is further improved in such a way that propagation delays in the secondary station are eliminated in a particularly simple manner by using the modulation form of a signal to be generated at the other end of the path to be measured directly for correlation with the signal recorded there.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zweiweg-Laufzeitmessung nach dem Korrelationsprinzip gemäß dem Oberegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for two-way transit time measurement according to the correlation principle according to the preamble of claim 1.
Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Zweiweg-Laufzeitmessung nach dem Oberbegriff des Anspruches 7.Furthermore, the invention relates to a device for two-way transit time measurement according to the preamble of claim 7.
Zur Abstandsmessung mit elektromagnetischen Wellen, insbesondere mit Mikrowellen werden zwei Grundverfahren eingesetzt, nämlich
- 1. die Zweiweg-Laufzeitmessung zwischen einem gleichzeitig sendenden und empfangenden Gerät und einem reflektierenden Ziel;
- 2. die Zweiweg-Laufzeitmessung zwischen zwei Sende-Empfänger-Geräten.
Two basic methods are used to measure distances using electromagnetic waves, especially microwaves, namely
- 1. the two-way time-of-flight measurement between a simultaneously transmitting and receiving device and a reflecting target;
- 2. the two-way propagation time measurement between two transceiver devices.
Als drittes Verfahren gibt es noch eine Einweg-Laufzeit- Messung zwischen einem Sender und einem Empfangsgerät. Dieses Verfahren ist aber nur unter bestimmten Voraussetzungen anwendbar. An beiden Enden der Meßstrecke müssen sehr genaue Zeitreferenzen vorhanden sein. Dies erfordert einen erheblichen Aufwand an Apparaten und die Notwendigkeit, die Einrichtungen durch fortlaufende Eichungen ständig zu kontrollieren. Dies Verfahren ist deshalb nur unter bestimmten Voraussetzungen brauchbar und wirtschaftlich und bleibt daher außer Betracht.The third method is a one-way transit time measurement between a transmitter and a receiver. However, this method can only be used under certain conditions. Very precise time references must be available at both ends of the measuring section. This requires a considerable amount of equipment and the need to constantly check the equipment through continuous calibration. This method is therefore only useful and economical under certain conditions and is therefore not considered.
Die Reichweite des ersten Verfahrens ist stets kleiner als die des zweiten, weil bei gleicher Größe der zu messenden Strecke beim ersten Verfahren das Signal durch das nochmalige Durchlaufen der Strecke und aufgrund des oft geringen Reflexionsfaktors des Ziels geschwächt wird.The range of the first method is always smaller than that of the second because, for the same length of distance to be measured, the signal in the first method is weakened by having to travel the same distance again and due to the often low reflection factor of the target.
Zur Durchführung des zweiten Verfahrens sind zwei Sende- Empfänger erforderlich. Das von einer Primärstation ausgesendete Signal wird von der Sekundärstation empfangen und wieder zur Primärstation zurückgesendet, an der die Laufzeit vom Aussenden bis zum Empfangen des Rücklaufsignales gemessen und daraus bei bekannter Wellenausbreitungsgeschwindigkeit der Abstand der beiden Stationen ermittelt wird, Zur Informationsübertragung sind drei Verfahren bekannt
- 1. Impuls-Laufzeitmessung;
- 2. Phasendifferenzmessung auf der Grundlage von Trägerfrequenzen oder diskreten Modulationsfrequenzen;
- 3. Korrelationsverfahren mit Modulation durch "Chirp"- oder Pseudozufallsignalen.
To carry out the second method, two transmitters and receivers are required. The signal sent by a primary station is received by the secondary station and sent back to the primary station, where the transit time from the transmission to the reception of the return signal is measured and from this, given the known wave propagation speed, the distance between the two stations is determined. There are three known methods for transmitting information.
- 1. Pulse transit time measurement;
- 2. Phase difference measurement based on carrier frequencies or discrete modulation frequencies;
- 3. Correlation methods with modulation by chirp or pseudorandom signals.
Diesen drei Verfahrenstypen ist die Bedingung gemeinsam, daß die in der Sekundärstation entstehende Laufzeitverzögerung zwischen Empfang und Wiederaussendung des Antwort- oder Rücklaufsignales sehr genau bekannt sein muß. Die Grenzen der Meßgenauigkeit werden im allgemeinen durch diese Verzögerung bestimmt. Dies ist besonders bei den Impulsverfahren zu beachten, da hier wegen der zu wählenden Bandbreite die Anstiegsflanke der Sendeimpulse nicht beliebig steil gestaltet werden kann und der Empfänger eine bestimmte Ansprechschwelle haben muß, um nicht auf sporadische Störsignale anzusprechen. Dies führt zu einer feldstärkenabhängigen Ansprechverzögerung in der Sekundärstation.These three types of method have the common condition that the delay in the secondary station between reception and retransmission of the response or return signal must be known very precisely. The limits of the measurement accuracy are generally determined by this delay. This is particularly important for pulse methods, since the rising edge of the transmission pulses cannot be made arbitrarily steep due to the bandwidth to be selected and the receiver must have a certain response threshold in order not to respond to sporadic interference signals. This leads to a response delay in the secondary station that depends on the field strength.
Bei den Phasenvergleichsverfahren lassen sich derartige Ansprechverzögerungen weitgehend vermeiden, jedoch leiden diese Verfahren unter der Mehrdeutigkeit, da immer nur Vielfache der jeweiligen Meßfrequenz aufgelöst werden können. Dieser Nachteil kann nur durch umständliche Mehrfrequenz-Messungen ausgeschaltet werden.With phase comparison methods, such response delays can be largely avoided, but these methods suffer from ambiguity, since only multiples of the respective measuring frequency can be resolved. This disadvantage can only be eliminated by laborious multi-frequency measurements.
Die Korrelationsverfahren haben ebenso wie die Impulsverfahren den Vorteil, daß die Laufzeitmessung eindeutig ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nur eine geringe Sendeleistung benötigt wird. Dadurch wird der Aufwand für die Sende-Endstufe und die dadurch bedingte thermische Belastung der Umgebung gering gehalten. Dagegen ist der Aufwand für die Sekundärstation bei den Korrelationsverfahren gewöhnlich sehr groß, da zunächst eine Dekodierung vorteilhaft erfolgen sollte, aufgrund deren ein codiertes Sendesignal neu erzeugt wird.Like the pulse method, the correlation method has the advantage that the transit time measurement is unambiguous. Another advantage is that only a low transmission power is required. This keeps the effort for the transmitter output stage and the resulting thermal load on the environment to a minimum. In contrast, the effort for the secondary station is usually very high with the correlation method, since decoding should preferably be carried out first, on the basis of which a coded transmission signal is generated anew.
Aus der DE-OS 31 31 488 ist ein Zweiweg-Laufzeit-Entfernungsmeßsystem bekannt, bei dem das vom ersten Ende der Meßstrecke ausgesendete Signal in der Empfangseinrichtung am zweiten Ende der Meßstrecke aufgenommen und mit einem zweiten gleichartigen Signal synchronisiert wird, das zum ersten Ende der Meßstrecke gesendet und mit dem ersten Signal korreliert wird. Damit läßt sich die Laufzeit von dem einen Ende der Meßstrecke zum anderen Ende und zurück ermitteln. Zur Vermeidung der Mehrdeutigkeit, insbesondere bei Messungen über größere Entfernungen wird eine vorgegebene Pseudo-Zufallsfolge mit Rahmentakten verwendet.A two-way travel time distance measuring system is known from DE-OS 31 31 488, in which the signal sent from the first end of the measuring section is received in the receiving device at the second end of the measuring section and synchronized with a second similar signal that is sent to the first end of the measuring section and correlated with the first signal. This makes it possible to determine the travel time from one end of the measuring section to the other end and back. To avoid ambiguity, especially when measuring over longer distances, a predetermined pseudo-random sequence with frame clocks is used.
Der Erfindung liegt, ausgehend von der DE-OS 31 31 488, die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Zweiweg-Laufzeitmessung anzugeben, bei dem unerwünschte und unkontrollierbare zusätzliche Laufzeitverzögerungen bei der Signalverarbeitung und -aufbereitung ausgeschlossen werden können.The invention is based on the object of specifying a method and a device for two-way propagation time measurement in which undesirable and uncontrollable additional propagation delays in signal processing and conditioning can be excluded.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with the features of claims 1 and 7. Advantageous developments of the invention are specified in subclaims.
Vorzugsweise wird das Verfahren im Mikrowellenbereich ausgeführt, in dem die frequenzspektrale Modulation mit Pseudo-Zufallsgeneratoren eingesetzt werden kann. Das Verfahren hat weiter den Vorteil, daß eine große Genauigkeit mit relativ geringen apparativen Mitteln erreicht wird, wobei die Genauigkeit, d. h. die Fehlergrenze, sehr gut und eng bestimmt werden kann.The method is preferably carried out in the microwave range, in which frequency-spectral modulation with pseudo-random generators can be used. The method also has the advantage that a high degree of accuracy is achieved with relatively little equipment, whereby the accuracy, i.e. the error limit, can be determined very well and closely.
Die für das Verfahren benutzte Modulation mit einer Pseudo-Zufallsignalfolge und die erfindungsgemäße Korrelation und Synchronisation vermeidet unerwünschte und unkontrollierbare zusätzliche Laufzeitverzögerungen.The modulation with a pseudo-random signal sequence used for the method and the correlation and synchronization according to the invention avoid unwanted and uncontrollable additional propagation delays.
In der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, ist die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt. Es zeigtIn the following description and the drawing, the invention is explained and illustrated by way of example. It shows
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer für die Erfindung benutzten Einrichtung, Fig. 1 is a simplified block diagram of a device used for the invention,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Pseudozufallgenerators, Fig. 2 is a block diagram of a pseudorandom generator,
Fig. 3 das Eingangstaktsignal und darunter den Ausgangscode des Generators der Fig. 2, Fig. 3 shows the input clock signal and below it the output code of the generator of Fig. 2,
Fig. 4 die Autokorrelationsfunktion für den Ausgangscode der Fig. 3, Fig. 4 the autocorrelation function for the output code of Fig. 3,
Fig. 5a und 5b die in der Sekundärstation am Ausgang der Empfangseinrichtung auftretenden, um eine Taktbreite gegeneinander verschobenen Korrelationssignale bzw. die aus diesen beiden Signalen gebildete, zur Nachsteuerung benutzte Differenz, und Fig. 5a and 5b show the correlation signals occurring in the secondary station at the output of the receiving device, shifted against each other by one clock width, and the difference formed from these two signals used for follow-up control, and
Fig. 6 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung. Fig. 6 is a view corresponding to Fig. 1 of a modified embodiment of a device according to the invention.
Die Benutzung von Pseudozufallsignalen zur Modulation des Trägersignales bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfordert den Einsatz von Pseudozufallgeneratoren. Fig. 2 zeigt schematisch eine einfache Form eines 4-Bit-Schieberegisters 30 mit linearer Rückkopplung von zwei Ausgängen 42, 44 über eine Exclusiv-Oder-Verknüpfung 40. Der am Ausgang 42 entstehende Code ist eine unregelmäßige Folge von Potentialwechseln, die sich nach jeweils 15 Taktimpulsen wiederholt. Die Länge des Schieberegisters, beim Schieberegister 30 durch die vier aufeinanderfolgenden Flipflops 32, 34, 36, 38 vorgegeben, bestimmt die Wiederholungsrate dieser unregelmäßigen Potentialwechselfolge, die eine Pseudozufallsfolge darstellt. Bei jeweils optimaler Auslegung der Rückkopplungsglieder wiederholt sich das Pseudozufallsignal nach einer Anzahl von Taktimpulsen, die gleich der um eine verminderten Zweierpotenz ist, deren Exponent die Zahl der Registerglieder bildet. Das heißt, daß für das dargestellte 4-Bit-Schieberegister die Wiederholungsrate 15 Taktimpulse und für ein 8-Bit-Schieberegister die Wiederholungsrate 255 Taktimpulse (256-1) beträgt.The use of pseudorandom signals to modulate the carrier signal in the method according to the invention requires the use of pseudorandom generators. Fig. 2 shows a simple form of a 4-bit shift register 30 with linear feedback from two outputs 42, 44 via an exclusive-OR link 40. The code produced at the output 42 is an irregular sequence of potential changes which repeats after every 15 clock pulses. The length of the shift register, which in the case of the shift register 30 is predetermined by the four consecutive flip-flops 32, 34, 36, 38 , determines the repetition rate of this irregular sequence of potential changes, which represents a pseudorandom sequence. With the optimal design of the feedback elements, the pseudorandom signal repeats itself after a number of clock pulses which is equal to the number of clock pulses reduced by a power of two, the exponent of which is the number of register elements. This means that for the 4-bit shift register shown, the repetition rate is 15 clock pulses and for an 8-bit shift register, the repetition rate is 255 clock pulses (256-1).
Fig. 4 zeigt eine Autokorrelation des Ausgangssignales nach Fig. 3 im Zeitbereich. Es zeigt sich deutlich, daß die Wiederholung des Pseudozufallsignales auf ein Taktbit genau festgelegt werden kann. Zusätzlich wird noch innerhalb des Taktes eine hohe Auflösung erreicht, da die Flanken der Korrelationsspitze sehr steil sind. Fig. 4 shows an autocorrelation of the output signal according to Fig. 3 in the time domain. It is clear that the repetition of the pseudorandom signal can be set to a precise clock bit. In addition, a high resolution is achieved within the clock because the edges of the correlation peak are very steep.
Fig. 1 zeigt vereinfacht eine Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Die Einrichtung umfaßt eine Primärstation P, die an dem ersten Ende einer zu messenden Strecke aufgestellt wird, und eine Sekundärstation S, die an dem anderen Ende aufgestellt ist. Die Primärstation P enthält eine Mikrowellen-Signalquelle 1, deren Ausgangssignal mittels eines Phasenmodulators 2, in diesem Fall ein Bi-Phase-Modulator, um +/- 90° phasenmoduliert und dann von einem Antennensystem 4 abgestrahlt wird. Das für die Modulation benutzte Signal ist eine Pseudozufallsfolge, die in einem ersten Pseudozufallgenerator 3 erzeugt wird. Fig. 1 shows a simplified device for carrying out the method. The device comprises a primary station P , which is set up at the first end of a section to be measured, and a secondary station S , which is set up at the other end. The primary station P contains a microwave signal source 1 , the output signal of which is phase-modulated by +/- 90° by means of a phase modulator 2, in this case a bi-phase modulator, and then emitted by an antenna system 4. The signal used for the modulation is a pseudorandom sequence which is generated in a first pseudorandom generator 3 .
Das derartig modulierte Signal, das von dem Antennensystem 4 ausgestrahlt wird, wird an der Sekundärstation S von der Antenne 5 empfangen und über einen daran angeschlossenen Zirkulator 51 einem Empfangsmischer 52 zugeführt. Als Empfangsmischer wird vorzugsweise eine Ausführungsform benutzt, die z. B. auch von Funkamateuren verwendet wird und bei der ein Sendeoszillator gleichzeitig als Empfangsüberlagerer dient. Die Sendefrequenz ist dabei um den Betrag einer ersten Zwischenfrequenz gegenüber der Empfangsfrequenz verschoben.The signal modulated in this way, which is emitted by the antenna system 4 , is received at the secondary station S by the antenna 5 and fed to a receiving mixer 52 via a circulator 51 connected to it. The receiving mixer is preferably of a type which is also used by radio amateurs, for example, and in which a transmitting oscillator simultaneously serves as a receiving superimposed signal. The transmitting frequency is shifted by the amount of a first intermediate frequency compared to the receiving frequency.
Die Sekundärstation S weist ebenfalls einen Mikrowellengenerator 6 auf, dessen Ausgangssignal in einem als Bi-Phase-Modulator ausgeführten Modulator 7 um +/- 90° phasenmoduliert wird. Hierfür wird eine im zweiten Pseudozufallgenerator 8 erzeugte Pseudozufallsignalfolge verwendet, die der im Generator 3 der Primärstation P erzeugten Signalfolge entspricht bis auf den Unterschied, daß das Ausgangssignal von 8 mit einer zusätzlichen, niederfrequenten Modulationsfrequenz jeweils um eine Taktperiode verschoben wird. Diese zusätzliche Modulation ist erforderlich, um am Ausgang der Empfangseinrichtung 9, die an den Mischer 52 anschließt, zwei um eine Taktperiode verschobene Korrelationssignale, siehe Fig. 5a, entstehen zu lassen, wenn der Generator 8 der Sekundärstation S zum Generator 3 der Primärstation P über einen digitalen Phasenschieber 11 in der Zeitachse kontinuierlich geschoben wird. Durch Differenzbildung aus den in Fig. 5a mit a und b bezeichneten Signalen im Nachsteuergenerator 10 ergibt sich die Signalkurve gemäß Fig. 5b. Nach einer Suchphase zur Auffindung des Punktes x dieser Signalkurve steuert das Ausgangssignal des Nachsteuergenerators 10 über den digitalen Phasenschieber 11 den Pseudozufallgenerator 8 derart nach, daß dieser immer um eine halbe Taktperiode, entsprechend der Lage des Punktes x, dem Signal nachläuft, das von der Antenne 4 ausgesendet und in der Antenne 5 empfangen worden ist. Dieses derartig modulierte Signal wird gleichzeitig von der Antenne 5 ausgesendet und mit einem in der Primärstation P vorgesehenen Empfangssystem 12 empfangen.The secondary station S also has a microwave generator 6 , the output signal of which is phase-modulated by +/- 90° in a modulator 7 designed as a bi-phase modulator. For this purpose, a pseudorandom signal sequence generated in the second pseudorandom generator 8 is used, which corresponds to the signal sequence generated in the generator 3 of the primary station P , except that the output signal of 8 is shifted by one clock period at a time with an additional, low-frequency modulation frequency. This additional modulation is necessary in order to produce two correlation signals shifted by one clock period, see Fig. 5a, at the output of the receiving device 9 , which is connected to the mixer 52 , when the generator 8 of the secondary station S is continuously shifted in the time axis to the generator 3 of the primary station P via a digital phase shifter 11. By forming the difference between the signals designated a and b in Fig. 5a in the follow-up generator 10 , the signal curve according to Fig. 5b is obtained. After a search phase to find the point x of this signal curve, the output signal of the control generator 10 controls the pseudorandom generator 8 via the digital phase shifter 11 in such a way that the latter always lags behind the signal transmitted by the antenna 4 and received in the antenna 5 by half a clock period, corresponding to the position of the point x . This signal modulated in this way is simultaneously transmitted by the antenna 5 and received by a receiving system 12 provided in the primary station P.
Das bei 12 empfangene, von der Sekundärstation S kommende Signal wird in einem Mischer 12 a mittels eines Signales, das von einem Überlagerungsoszillator 13 abgegeben wird, auf eine Zwischenfrequenz herabgesetzt. Dieses Zwischenfrequenzsignal wird einem Signalverteiler 14 zugeführt und von diesem Verteiler an zwei Empfangskonverter 15 und 16 weitergeleitet.The signal received at 12 from the secondary station S is reduced to an intermediate frequency in a mixer 12a by means of a signal emitted by a local oscillator 13. This intermediate frequency signal is fed to a signal distributor 14 and forwarded by this distributor to two receiving converters 15 and 16 .
Die Empfangskonverter 15 und 16 setzen das vom Verteiler 14 kommende Signal jeweils in eine zweite Zwischenfrequenz um. Zu diesem Zweck werden die beiden Empfangskonverter 15 und 16, die als Mischer ausgelegt sind, von einem zweiten Überlagerungsoszillator 17 über jeweils einen Modulator 18 bzw. 19 angesteuert, wobei jeder Modulator außerdem von einem dritten Pseudozufallgenerator 20 ein Korrelationssignal zugeführt erhält, welches dem Signal des Generators 8 der Sekundärstation S entspricht. Während aber in dem Generator 8 die Signale mit einer niederfrequenten Modulationsfrequenz um eine Taktperiode umgetastet werden, erzeugt der Generator 20 beide zeitverschobenen Signale gleichzeitig und führt eines dem Modulator 18, das andere dem Modulator 19 zu. Die von 15 und 16 kommenden beiden zeitverschobenen Korrelationssignale werden über die nachgeschalteten Empfangseinrichtungen 21 bzw. 22 demoduliert und anschließend einer als Nachsteuerlogik ausgebildeten Auswerteschaltung 23 zugeführt.The reception converters 15 and 16 each convert the signal coming from the distributor 14 into a second intermediate frequency. For this purpose, the two reception converters 15 and 16 , which are designed as mixers, are controlled by a second local oscillator 17 via a modulator 18 or 19 , respectively, with each modulator also receiving a correlation signal from a third pseudorandom generator 20, which corresponds to the signal from the generator 8 of the secondary station S. However, while in the generator 8 the signals are keyed by one clock period with a low-frequency modulation frequency, the generator 20 generates both time-shifted signals simultaneously and feeds one to the modulator 18 and the other to the modulator 19 . The two time-shifted correlation signals coming from 15 and 16 are demodulated via the downstream receiving devices 21 and 22, respectively , and then fed to an evaluation circuit 23 designed as a follow-up logic.
Die Auswerteschaltung 23 empfängt von den beiden Kanälen 15, 21 bzw. 16, 22 anteilmäßig das vom Generator 8 umgetastete Signal, siehe auch die Darstellung in Fig. 5a. Analog zur Nachsteuerlogik 10 wird in der Auswerteschaltung 23 ein Fehlersignal abgeleitet, das über einen digitalen Phasenschieber 24 den dritten Pseudozufallgenerator 20 derart nachsteuert, daß er zum Mittelwert des an der Antenne 12 empfangenen, von der Sekundärstation S ausgesendeten Signales synchronisiert ist.The evaluation circuit 23 receives the signal keyed by the generator 8 from the two channels 15, 21 and 16, 22 , see also the illustration in Fig. 5a. Analogous to the control logic 10 , an error signal is derived in the evaluation circuit 23 , which controls the third pseudorandom generator 20 via a digital phase shifter 24 in such a way that it is equal to the mean value of the signal received at the antenna 12 and from the signal transmitted by secondary station S is synchronized.
Das Verfahren und die Einrichtung sorgen dafür, daß der Generator 8 in der Sekundärstation S in völlig gleicher Weise wie der Generator 3 der Primärstation arbeitet, aber mit einer zeitlichen Versetzung, die der Laufzeit entspricht, die die von der Primärstation P ausgesendete Welle bis zur Sekundärstation S benötigt. Ebenso arbeitet der Generator 20 in dem Empfangsteil der Primärstation P in gleicher Weise wie der Generator 8, jedoch um den Betrag der Laufzeit der Welle von der Sekundärstation S zur Primärstation P verzögert. Der Zeitunterschied zwischen den beiden Generatoren 3 und 20 der Primärstation ist demnach gleich der doppelten Laufzeit der Mikrowellensignale zwischen Primärstation P und Sekundärstation S. Dieser Zeitunterschied wird in der der Zeitmessung dienenden Einheit 25 festgestellt, die eine Auswertlogik enthält und aus dem Zeitunterschied den Abstand der beiden Stationen errechnet.The method and the device ensure that the generator 8 in the secondary station S works in exactly the same way as the generator 3 of the primary station, but with a time offset that corresponds to the travel time that the wave transmitted by the primary station P takes to reach the secondary station S. Likewise, the generator 20 in the receiving section of the primary station P works in the same way as the generator 8 , but is delayed by the amount of the travel time of the wave from the secondary station S to the primary station P. The time difference between the two generators 3 and 20 of the primary station is therefore equal to twice the travel time of the microwave signals between the primary station P and the secondary station S. This time difference is determined in the time measurement unit 25 , which contains an evaluation logic and calculates the distance between the two stations from the time difference.
Da in der Empfangseinrichtung 5 der Sekundärstation S das Antwort-Sendesignal gleichzeitig zur Korrelation des Empfangssignales über den integrierten Empfangsmischer benutzt wird, tritt hier zwischen Empfangs- und Antwortsignal keine Zeitverschiebung auf, im Gegensatz zu bisher üblichen Einrichtungen, die derartige Zeitverschiebungen in Kauf nehmen mußten.Since in the receiving device 5 of the secondary station S the response transmission signal is simultaneously used to correlate the received signal via the integrated receiving mixer, there is no time shift between the received and response signals, in contrast to previously conventional devices which had to accept such time shifts.
Für die Zweiweg-Laufzeitmessung mit frequenzspektraler Modulation nach der Erfindung ist es bei Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung erforderlich, daß in der Primärstation P in den beiden an den Verzweiger 14 anschließenden Zweigen die Signale um genau ein halbes Takt-Bit gegeneinander verschoben sind. Dies läßt sich durch Abstimm- und Abgleichvorrichtungen erreichen, die an sich bekannt und deshalb in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Diese Vorrichtungen erfordern jedoch einen zusätzlichen Aufwand, der vermieden werden kann, siehe die in Fig. 6 dargestellte Einrichtung. In Fig. 6 sind Schalteinrichtungen, die denen der Fig. 1 entsprechen, mit entsprechenden Bezugszahlen zuzüglich 100 versehen worden.For the two-way transit time measurement with frequency spectral modulation according to the invention, when using the device shown in Fig. 1, it is necessary that in the primary station P in the two branches connected to the splitter 14 the signals are shifted against each other by exactly half a clock bit. This can be achieved by tuning and balancing devices which are known per se and are therefore not shown in Fig. 1. However, these devices require additional expenditure which can be avoided, see the device shown in Fig. 6. In Fig. 6, switching devices which correspond to those in Fig. 1 have been provided with corresponding reference numbers plus 100 .
Die Einrichtung der Fig. 6 beruht auf dem Gedanken, das Taktsignal für die zur Auswertung erforderliche Nachsteuerlogik 123 von einer zusätzlich übertragenen Information abzuleiten. Dies führt zu einer besonders vorteilhaften Einrichtung, wenn z. B. mit der Laufzeitmessung eine Richtungsmessung kombiniert wird. Auch dann, wenn gleichzeitig von der Sekundärstation nach der Primärstation eine zusätzliche Information, z. B. zur Übermittlung von Meß- und Zustandsdaten, übertragen wird, ist die Einrichtung nach Fig. 6 äußerst vorteilhaft. Diese Einrichtung arbeitet mit einem Zusatzkanal 132/133 zusätzlich zu einer geonderten Sendeantenne 105 a der Sekundärstation S. Auf den Zusatzkanal kann verzichtet werden, falls im Multiplexbetrieb gearbeitet wird.The device in Fig. 6 is based on the idea of deriving the clock signal for the follow-up logic 123 required for evaluation from additionally transmitted information. This leads to a particularly advantageous device if, for example, a direction measurement is combined with the transit time measurement. The device in Fig. 6 is also extremely advantageous if additional information, e.g. for transmitting measurement and status data, is transmitted from the secondary station to the primary station at the same time. This device works with an additional channel 132/133 in addition to a modified transmitting antenna 105 a of the secondary station S . The additional channel can be dispensed with if multiplex operation is used.
Fig. 6 zeigt die Einrichtung mit einem Zusatzkanal zum Zweck der Datenübertragung. Der Kanal 132/133 kann aber gleichzeitig, wie angedeutet, für die Ermittlung der Einfallsrichtung benutzt werden, ohne die Datenübertragung zu beeinträchtigen. Aufgrund der Übertragung des Taktsignales über einen Zusatzkanal entfallen die folgenden Module, die in der Einrichtung nach Fig. 1 enthalten sind:
- Leistungsteiler 14,
Ringmischer 16,
Bi-Phase-Modulator 19 und
ZF-Verstärker 22
Fig. 6 shows the device with an additional channel for the purpose of data transmission. However, as indicated, channel 132/133 can be used at the same time to determine the direction of incidence without affecting the data transmission. Due to the transmission of the clock signal via an additional channel, the following modules, which are included in the device according to Fig. 1, are omitted:
- Power divider 14 ,
Ring mixer 16 ,
Bi-phase modulator 19 and
IF amplifier 22
Dies gilt entsprechend, falls anstatt eines Zusatzkanales im Multiplexbetrieb gearbeitet wird.This applies accordingly if multiplex operation is used instead of an additional channel.
Ferner wird im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform des Verfahrens in der Einrichtung nach Fig. 6 nicht grundsätzlich mit einem Mikrowellen-Verfahren gearbeitet, für das Hornantennen und ein Zirkulator im Sendeempfänger der Sekundärstation vorzusehen sind. Die Einrichtung der Fig. 6 ist für eine allgemeine Form des Verfahrens vorgesehen, bei dem sämtliche Sende- und Empfangskanäle getrennt sind und das daher auch in beliebigen Frequenzbereichen anwendbar ist.Furthermore, in contrast to the first embodiment of the method, the device according to Fig. 6 does not fundamentally work with a microwave method for which horn antennas and a circulator are to be provided in the transceiver of the secondary station. The device of Fig. 6 is intended for a general form of the method in which all transmission and reception channels are separate and which can therefore also be used in any frequency range.
Die Datenübertragung erfolgt in diesem Beispiel im sogenannten FSK-Mode (FSK = Frequency Shift Key). Diese Übertragungsart wird beispielsweise zur Datenübertragung im Telefonnetz nach der CCITT-Norm V23 benutzt. Bei dieser Übertragungsart wird die binäre Dateninformation in Form von zwei diskreten Tonfrequenzen übertragen. Der FSK-Decoder im Empfangskanal synchronisiert sich automatisch auf eine dem Sendesignal überlagerte Taktfrequenz. DieseTaktfrequenz wird erfindungsgemäß sowohl senderseitig, d. h. in derSekundärstation S , als auch empfängerseitig in der Primärstation P zur Umtastung der Pseudo-Zufallsgeneratoren und derReferenz für die jeweilige Nachsteuerlogik verwendet. Damit wird eine aufwendige Wiedergewinnung des Taktsignales in der Primärstation P mittels der denTaktperioden fest zugeordneten zwei Empfängerkanälen überflüssig. Im einzelnen wird die Arbeitsweise der Einrichtung nach Fig. 6 nachstehend erläutert.In this example, data is transmitted in the so-called FSK mode (FSK = Frequency Shift Key). This type of transmission is used, for example, for data transmission in the telephone network according to the CCITT standard V23. With this type of transmission, the binary data information is transmitted in the form of two discrete audio frequencies. The FSK decoder in the receiving channel automatically synchronizes itself to a clock frequency superimposed on the transmission signal. According to the invention, this clock frequency is used both on the transmitter side, i.e. in the secondary station S , and on the receiver side in the primary station P to key the pseudo-random generators and the reference for the respective follow-up logic. This eliminates the need for complex recovery of the clock signal in the primary station P using the two receiver channels permanently assigned to the clock periods. The operation of the device according to Fig. 6 is explained in detail below.
Das Signal des Generators 101 für die Trägerfrequenz f 1 wird im Bi-Phase-Modulator 102 mit dem Pseudo-Zufallssignal aus dem Pseudo-Zufallsgenerator 103 moduliert und ggf. unter Zwischenschaltung einer Sende-Endstufe 104 a von der Antenne 104 abgestrahlt. In der Sekundärstation S wird dieses Signal von der Antenne 105 aufgenommen und über den Bi-Phase-Modulator 107 dem Empfänger 109 zugeleitet, dessen Demodulator über die Nachsteuerlogik 110 und den digitalen Phasenschieber 111 den Pseudo-Zufallsgenerator 108 nachzieht, so daß dieser Generator 108 um die einfache Signal-Laufzeit verzögert mit dem Generator 103 synchron läuft. Die Trägerfrequenz des HF-Generators 106 wird über den Bi-Phase-Modulator 107 a mit dem verzögerten Signal des Pseudo-Zufallsgenerators 108 moduliert und ggf. unter Zwischenschaltung einer Sende-Endstufe 105 b als Frequenz f 2 von der Antenne 105 a abgestrahlt.The signal from the generator 101 for the carrier frequency f 1 is modulated in the bi-phase modulator 102 with the pseudo-random signal from the pseudo-random generator 103 and, if necessary, radiated by the antenna 104 with the interposition of a transmitting output stage 104 a . In the secondary station S, this signal is picked up by the antenna 105 and fed via the bi-phase modulator 107 to the receiver 109 , whose demodulator adjusts the pseudo-random generator 108 via the follow-up logic 110 and the digital phase shifter 111 , so that this generator 108 runs synchronously with the generator 103 , delayed by the simple signal propagation time. The carrier frequency of the RF generator 106 is modulated by the bi-phase modulator 107a with the delayed signal of the pseudo-random generator 108 and, if necessary with the interposition of a transmitting output stage 105b , is radiated as frequency f2 from the antenna 105a .
Dieses Signal wird in der Primärstation von der Antenne 112 aufgenommen und über einen Bi-Phase-Modulator 118 einem Empfänger 121 zugeleitet. Mittels einer Nachsteuerlogik 123 und einem digitalen Phasenschieber 124 wird der Pseudo-Zufallsgenerator 120 so nachgezogen, daß dieser, um die doppelte Laufzeit verzögert, mit dem Generator 103 synchronisiert ist.This signal is picked up by the antenna 112 in the primary station and fed to a receiver 121 via a bi-phase modulator 118. By means of a follow-up logic 123 and a digital phase shifter 124 , the pseudo-random generator 120 is adjusted so that it is synchronized with the generator 103 , delayed by twice the running time.
In einer Laufzeit-Meßeinrichtung 125 wird die Zeitdifferenz der Pseudo-Zufallssignale aus den Generatoren 103 und 120 gemessen und als Laufzeitinformation ausgegeben.In a runtime measuring device 125, the time difference of the pseudo-random signals from the generators 103 and 120 is measured and output as runtime information.
Ein FSK-Generator 130 in der Sekundärstation S codiert nicht nur die zu übertragenden Daten, sondern liefert auch die Taktfrequenz zur Umsteuerung des Pseudo-Zufallsgenerators 108 und der Nachsteuerlogik 110. Der Sender 131 für die dritte Frequenz f 3 wird mit dem FSK-Signal moduliert und strahlt über die Antenne 132 aus. Das Signal von der Antenne 132 wird an der Antenne 133 empfangen und einem Empfänger 134 zugeführt. Ein diesem Empfänger nachgeschalteter FSK-Decoder 135 synchronisiert sich auf die Taktfrequenz des Generators 130 und decodiert die Dateninformation. Das Synchronsignal wird dem Pseudo-Zufallsgenerator 120 und der Nachsteuerlogik 123 zugeführt, um die gewünschte Laufzeitinformation auf einfache Weise decodieren zu können.An FSK generator 130 in the secondary station S not only encodes the data to be transmitted, but also supplies the clock frequency for reversing the pseudo-random generator 108 and the follow-up logic 110. The transmitter 131 for the third frequency f 3 is modulated with the FSK signal and radiates via the antenna 132. The signal from the antenna 132 is received at the antenna 133 and fed to a receiver 134 . An FSK decoder 135 connected downstream of this receiver synchronizes itself to the clock frequency of the generator 130 and decodes the data information. The synchronization signal is fed to the pseudo-random generator 120 and the follow-up logic 123 in order to be able to decode the desired runtime information in a simple manner.
Auch in dieser Ausführungsform wird das Antwort-Sende- Signal derart zur Korrelation des Empfangssignales benutzt, daß zwischen Empfangs- und Antwortsignal keine Zeitverschiebung auftritt.In this embodiment, the response transmission signal is also used to correlate the reception signal in such a way that no time shift occurs between the reception and response signals.
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