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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rauschreduzierung
in einem Radarempfänger. Sie
ist insbesondere anwendbar bei Radargeräten für Kraftfahrzeuge. Allgemein
betrifft sie Radargeräte,
die eine Herstellung zu geringen Kosten erfordern und gleichzeitig
gute Rauscheigenschaften aufweisen.
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Es
gibt mehrere Arten von Strukturen von Radar-Empfangsschaltungen. Es ist bekannt,
das Heterodynempfänger
eine große
Empfindlichkeit aufweisen, aber hohe Herstellungskosten haben, was
mit Anwendungen mit dem Ziel reduzierter Kosten, wie zum Beispiel
den Kraftfahrzeuge bestückenden
Radargeräten, inkompatibel
ist. In diesem letzteren Fall ist das Ziel reduzierter Kosten umso
wichtiger, als in Betracht gezogen wird, Fahrzeuge der Mittelklasse
mit Radargeräten
auszurüsten,
insbesondere für
Anwendungen der Überwachung
und Regelung des Straßenverkehrs.
Solche Radargeräte
haben zum Beispiel die Aufgabe, die Entfernung und die Geschwindigkeit
zwischen einem Trägerfahrzeug
und dem vor ihm fahrenden Fahrzeug zu erfassen, um es dem Trägerfahrzeug
zu ermöglichen,
seine Geschwindigkeit in Bezug auf diejenige des vor ihm fahrenden
Fahrzeugs einzustellen, zum Beispiel um insbesondere Sicherheitskriterien
zu erfüllen.
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Ein
Homodynempfänger
hat den Vorteil, insbesondere aufgrund seiner Einfachheit mit geringen
Kosten hergestellt werden zu können.
Es ist aus diesem Grund also vorgesehen, ihn insbesondere für Kraftfahrzeugzwecke
zu verwenden. Dagegen hat er eine geringe Empfindlichkeit. Das Zielsignal
wird nämlich
direkt in das Basisband transponiert, d.h. auf sehr niedrige Frequenzen,
ohne merkliche Verstärkung,
meist sogar ohne die geringste Verstärkung. Komponenten wie zum
Beispiel Mischstufen oder Videofrequenzverstärker weisen aber ein erhebliches
zusätzliches
Farbrauschen auf, dessen Spektraldichte gemäß einem Gesetz in 1/Fk variiert, wobei F eine Frequenz betreffend
die gesendete Trägerwelle
darstellt.
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Ein
Homodynempfänger
ist außerdem
anderen Arten des Rauschens ausgesetzt. Es handelt sich zum Beispiel
um weißes
Breitband-Wärmerauschen,
das von der Antenne, der Mikrowellen-Mischstufe oder von Verstärkern kommt,
die zwischen die Antenne und die Mischstufe eingefügt sind.
Es kann sich auch um Phasen- und Amplitudenrauschen des Wellengenerators,
das von dem von den Zielobjekten empfangenen Signal oder von den
Isolationsfehlern der Mikrowellen-Schaltkreise stammt, handeln.
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Ziel
der Erfindung ist es insbesondere, die Verwendung einer Homodynempfänger-Struktur
zu ermöglichen
und gleichzeitig eine Empfindlichkeit zu erhalten, die derjenigen
vergleichbar ist, die man mit einem einen Heterodynempfänger aufweisenden
Radargerät
erhalten hätte.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Rauschreduzierung
in einem Radarempfänger
zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass sie, wenn das zu reduzierende
Rauschen in 1/Fk vorliegt und das Radargerät eine Codierung
des Sendesignals gemäß mindestens
zwei Frequenzen durchführt,
mindestens aufweist:
- – Mittel, um die auf mindestens
zwei Kanälen
empfangenen Signale derart zu lenken, dass, wenn ein Zielobjekt
von einem Sendesignal mit der ersten Codefrequenz getroffen wird,
das entsprechende empfangene Signal getastet und auf einen ersten
Kanal gelenkt wird, und dann, wenn das Zielobjekt von der zweiten Codefrequenz
getroffen wird, das entsprechende empfangene Signal getastet und
auf einen zweiten Kanal gelenkt wird;
- – Mittel
zur linearen Kombination des auf dem ersten Kanal vorhandenen Signals
und des auf dem zweiten Kanal vorhandenen Signals, wobei die lineare
Kombination eine Filterung des Rauschens synthetisiert.
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Die
Hauptvorteile der Erfindung sind, dass sie das Signal-Rausch-Verhältnis bei
einem Homodynempfänger
verbessert, dass sie einfach anzuwenden und wirtschaftlich ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.
Es zeigen:
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1 das
Schaltbild eines Radar-Homodynempfängers;
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2 ein
Beispiel für
ein Farbrauschen gemäß 1/Fk;
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3 eine
Darstellung des Betriebsprinzips einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 ein
Beispiel für
die Frequenzcodierung einer Radaremission;
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5 ein
mögliches
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6 ein
Beispiel einer Frequenzverschiebung einer Transferfunktion einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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die 7 und 8 weitere
mögliche
Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
das Schaltbild eines Radar-Homodynempfängers. Ein
gemeinsamer Wellengenerator 1 liefert das Sendesignal und
dient als lokaler Oszillator beim Empfang. Das Sendesignal kann
ggf. impulsmoduliert werden. Nur der für den Empfang verwendete Teil
ist in 1 gezeigt. Der Ausgang des Wellengenerators 1,
der hier als lokaler Oszillator wirkt, ist mit einem der beiden
Eingänge
einer Mikrowellen-Mischstufe 2 verbunden, während der
andere Eingang dieser Mischstufe das Signal von der Antenne 3 empfängt. Der
Ausgang der Mischstufe 2 ist mit dem Eingang eines Videofrequenzverstärkers 4 verbunden,
der ein Signal an einen Detektor liefert. Das im Detektor erfasste
Rauschen beruht auf dem Beitrag:
- – des weißen Breitband-Zusatz-Wärmerauschens,
das von der Antenne 3, der Mikrowellen-Mischstufe 2 und
einem möglichen
Mikrowellen-Verstärker
kommt, der zwischen die Antenne 3 und die Mischstufe 2 geschaltet
ist;
- – des
Phasen- und Amplitudenrauschens des Wellengenerators 1,
das vom von den Zielobjekten empfangenen Signal und/oder den Isolationsfehlern
der Mikrowellen-Schaltkreise stammt;
- – des
Zusatz-Farbrauschens in 1/Fk, das vom Videofrequenz-Port
der Mischstufe und den ihr nachgeschalteten Videofrequenzverstärkern kommt.
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Wie
man weiter oben gesehen hat, hat die Erfindung insbesondere zum
Ziel, dieses letztere Rauschen zu reduzieren. 2 stellt
eine für
das Farbrauschen gemäß einem
1/Fk-Gesetz repräsentative Kurve 10 dar, wobei
die Abszissenachse die Frequenzen F und die Ordinatenachse die Rauschamplitude
darstellt. Das dargestellte Rauschen ist beispielsweise dasjenige
der Mikrowellen-Mischstufe 2.
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3 erläutert das
Betriebsprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zusätzlich zur
für das
Farbrauschen repräsentativen
Kurve 10 ist das Wärmerauschen
durch eine Gerade 11 parallel zur Achse der Frequenzen
dargestellt. Dieses Rauschen ist das normale Rauschen, das nicht
unterschritten werden kann. Diese Gerade 11 schneidet zum
Beispiel die Kurve 10 des Farbrauschens mit einer Frequenz
gleich etwa 1 kHz. Jenseits dieser Frequenz geht das Farbrauschen
unter das Wärmerauschen.
Das Farbrauschen muss also für Frequenzen,
die sich unterhalb der Frequenz Fc entsprechend dem Schnittpunkt 12 der
Kurve und der Gerade befinden, verringert werden. Die Erfindung
nutzt die Tatsache, dass das Radargerät außerdem die Codierung der Sendefrequenz
gemäß mindestes
zwei abwechselnden Frequenzen durchführt, um auf einfache und wirtschaftliche
Weise eine Filterung des Farbrauschens zu synthetisieren. Ein Beispiel
für die
Amplituden-Transferfunktion ist durch eine Kurve 13 im
Sinusmodul dargestellt, die eine Nullstelle bei der Frequenz Null
und eine Nullstelle bei der Tastfrequenz Fe der empfangenen Signale
hat, wobei diese Frequenz außerdem
beispielsweise gleich dem doppelten Wert der Schaltfolge Fr der
Sendefrequenz ist.
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4 stellt
ein Codierbeispiel der vom Radargerät in dem einfachen Fall gesendeten
Signale dar, in dem die Anzahl von Codierintervallen 41 gleich
zwei ist. Jedes Zeitintervall 41 ist gleich einer gegebenen
Zeit Tf. Die Codierung ist derart, dass das Radargerät eine Folge 42 sendet,
die nacheinander ein Signal auf einer ersten Frequenz F1 während Tf
und dann ein Signal auf einer zweiten Frequenz F2 während einer
gleichlangen Dauer Tf und so weiter aufweist. Die Schaltfolge Fr
zwischen den Sendefrequenzen ist also gleich 1/Tf. Der Teil 43 des
empfangenen Signals, das von einem Zielobjekt kommt, wird erhalten,
indem die gesendete Folge 42 um den Zeitraum für den Hin-
und Rückweg τ = 2D/C zeitlich
verschoben wird, und indem seine Augenblicksfrequenz von der Dopplerfrequenz
Fd = 2Vr/ λ transponiert wird, die durch
die Bewegung des Zielobjekts verursacht wird, wobei D, C, Vr und λ die Entfernung
zum Zielobjekt, die Lichtgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit des
Zielobjekts bzw. die Wellenlänge
des gesendeten Signals darstellen. Da die Sendefrequenzen einander
nahe liegen, verändert
sich die Wellenlänge λ wenig von
einem Signal zum anderen, und die Dopplerfrequenz kann als konstant
gegenüber
der spektralen Auflösung
angesehen werden. Eine Kurve 44 stellt bezüglich der
Folgen 42, 43 von gesendeten und empfangenen Signalen
das Rauschen dar, zum Beispiel das Rauschen der Mikrowellen-Mischstufe.
Dieses Rauschen enthält
insbesondere ein weißes
Breitband-Wärmerauschen,
das durch die Gerade 11 dargestellt ist, und das von der
Kurve 10 dargestellt Farbrauschen, das die Erfindung insbesondere
reduzieren will.
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5 zeigt
ein mögliches
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
vorteilhafterweise sehr einfach einzusetzen und wirtschaftlich.
Auf der Sendeseite werden die vom Wellengenerator 1 gelieferten
Signale zur Antenne 3 über
nicht dargestellte Verstärkerschaltungen
gesendet. Auf der Empfangsseite werden die von der Antenne 3 empfangenen
Signale zur Mischstufe 2 über nicht dargestellte Schaltungen geleitet.
Die Mischstufe 2 empfängt
einerseits die vom Frequenzcode signierten und von den Zielobjekten
zurückgesendeten
Signale und empfängt
andererseits das vom Wellengenerator 1 gelieferte Signal,
der auf der Empfangsseite als lokaler Oszillator wirkt. Der Ausgang
der Mischstufe 2 ist mit dem Eingang von Leitmitteln 22 verbunden.
Diese letzteren tasten die von der Mischstufe gelieferten Signale
und leiten sie dann auf zwei Kanäle 210, 211,
derart, dass, wenn ein Zielobjekt von einer Aussendung auf der ersten
Frequenz F1 getroffen wird, das entsprechende
empfangene Signal S1 getastet und auf einen
ersten Kanal 210 geleitet wird, und dann, wenn das Zielobjekt
von der zweiten Frequenz F2 getroffen wird,
das entsprechende empfangene Signal S2 getastet
und auf einen zweiten Kanal 211 geleitet wird. Die Leitmittel 22 weisen
zum Beispiel einen dem Fachmann bekannten Demultiplexer auf. Diese
Mittel, insbesondere die Tastmomente, werden zum Beispiel auf die
Codiermittel des Sendesignals synchronisiert, wobei diese letzteren
nicht dargestellt sind. Jeder Kanal weist zum Beispiel eine bestimmte
Frequenzfilterung 23 auf, zum Beispiel eine Bank von Dopplerfiltern,
insbesondere, um die Geschwindigkeit eines Zielobjekts zu erfassen.
Mindestens ein Kanal 210 weist außerdem eine Vorrichtung nach
Art einer Verzögerungsleitung 24 auf,
um zu kompensieren:
- – die nicht vorhandene Gleichzeitigkeit
der Berücksichtigungszeitpunkte
der Signale betreffend die N Frequenzen des Codes;
- – die
differentiellen Verzögerungen,
die ggf. durch die jedem Kanal eigenen Filter eingeführt werden.
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Die
Verzögerungsmittel 24 sind
zum Beispiel Vorrichtungen nach Art einer Verzögerungsleitung. Die Kanäle 210, 211 führen zu
Subtraktionsmitteln 25. Diese letzteren subtrahieren das
Signal des einen vom Signal des anderen; sie führen zum Beispiel die Subtraktion
des Signals am Ausgang des Filters 23 des zweiten Kanals 211 vom
Signal am Ausgang der Verzögerungsmittel 24 des
ersten Kanals 210 durch. Das am Ausgang der Subtraktionsmittel 25 erhaltene
Signal S ist mit einem reduzierten Farbrauschen behaftet, was die
folgenden Zeilen zeigen.
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Bei
einer Codierung mit zwei Frequenzen, wie durch 4 dargestellt,
wobei die Leitmittel 22 zwei Tastproben eines Zielobjektsignals
nach der Überlagerung
in der Mischstufe 2 nehmen, nämlich:
- – die erste
Tastprobe S1 in einem Zeitintervall, in
dem das Frequenzsignal F1 + Fd mit
dem Signal des lokalen Oszillators auf der ersten Frequenz F1 schwingt, wobei beispielsweise der lokale
Oszillator vom Wellengenerator 1 gebildet wird;
- – die
zweite Tastprobe S2 in einem Zeitintervall,
in dem das Frequenzsignal F2 + Fd mit dem Signal des lokalen Oszillators
auf der zweiten Frequenz F2 schwingt;
- – wobei
diese beiden Tastproben voneinander durch eine Dauer Tf getrennt
sind, wobei Tf die Dauer eines Zeitintervalls ist;
- – wobei
das Signal S am Ausgang der Subtraktionsmittel 25 durch
die folgende Beziehung gegeben ist: S = S1 – S2 (1)
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Bei
einem unabhängig
vom Frequenzcode hinzugefügten
Signal, wie dies beim Wärmerauschen
oder beim Farbrauschen der Fall ist, das durch die Mischstufe hinzugefügt wird,
stellt die Beziehung (1) ein Filter dar, dessen Frequenz-Transferfunktion
H(f) durch die folgende Beziehung gegeben ist, wobei f die Frequenzvariable
und T die Tastperiode der Signale auf jedem Kanal ist; in einem
Beispiel mit zwei Kanälen
gilt T = 2Tf: H(f)
= 2jej(πfT)sin(πfT) (2)
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Der
Modulwert dieser Transferfunktion wird dann durch den Modulwert
der Funktion 2sin(πfT)
gegeben.
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Die
für eine
solche Transferfunktion repräsentative
Kurve ist von der Art der Kurve 13 der 3,
mit einer Nullstelle für
eine Frequenz Null und einer weiteren Nullstelle für eine Frequenz
gleich der Tastfrequenz Fe = 1/T der Signale auf jedem Kanal 210, 211.
Diese letztere Tastfrequenz ist im Beispiel gleich der Hälfte der Schaltfrequenz
Fr = 2/T für
die Sendefrequenz; sie ist tatsächlich
N mal geringer als die Schaltfrequenz, wenn es N Codierfrequenzen
und N entsprechende Kanäle
gibt.
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Für ein Radargerät, das zum
Beispiel in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, ist die Tastfrequenz
Fe, im Fall einer Codierung mit zwei Frequenzen, zum Beispiel in
der Größenordnung
von 100 kHz. Wie man oben gesehen hat, muss das Farbrauschen 10 nur
in einem Frequenzbereich zwischen 0 und einer Frequenz Fc im Schnittpunkt
von etwa 1 kHz reduziert werden, die in jedem Fall deutlich geringer
als die Tastfrequenz ist. Die Kurven des Farbrauschens 10 der
Transferfunktion H(f) zeigen, dass unterhalb der Schnittstellenfrequenz
Fc die Transferfunktion H(t), die weit von ihrem Maximum entfernt
ist, das Farbrauschen dämpft.
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Wenn
die Frequenz Fc, unterhalb von der das Farbrauschen signifikant
ist, nicht ausreichend niedriger als die Tastfrequenz Fe ist, damit
die Transferfunktion H(f) dieses Rauschen dämpft, ist es möglich, zum
Beispiel die Kurve der Transferfunktion 13 in Richtung
steigender Frequenzen zu verschieben, wie es 6 zeigt, d.h.,
indem die Nullstellen der Transferfunktion des Filters verschoben
werden. Wie 7 zeigt, können hierzu die Subtraktionsmittel 25 durch
lineare Kombinationsmittel 71 ersetzt werden, die die folgende
Kombination der Signale S1 und S2 auf den Kanälen 210, 211 durchführen, wobei
S das Ausgangssignal am Ausgang der linearen Kombinationsmittel 71 ist: S = S1 – WS2 (4)wobei
W eine komplexe Zahl mit einem Modulwert gleich 1 und einer Phase ψ nahe 0
ist, d.h.: W = ejψ (5)
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Die
Transferfunktion H(f) kann dann folgendermaßen geschrieben werden:
und ihr
Modulwert ergibt sich aus folgender Beziehung:
wobei
die Frequenzverschiebung
der Transferfunktion von
bewirkt.
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Diese
letztgenannte Lösung
ist aber weniger wirtschaftlich als die erste, da die lineare Kombination etwas
komplizierter in der Ausführung
ist, und da sie vor allem eine Mischstufe des Typs BLU erfordert,
das heißt
mit einem einzigen Seitenband, die in der Lage ist, das Überlagerungssignal
unter seinem komplexen Ausdruck wiederherzustellen. Eine solche
Mischstufe ist teuer.
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8 stellt
eine weitere mögliche
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
dar. Da in diesem Fall die Aussendung auf vier Frequenzen codiert
ist, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
vier Kanäle 210, 211, 212, 213 auf,
die je einer Codierfrequenz zugeordnet sind. Die Kanäle sind
paarweise zusammengefasst, so dass erste Subtraktionsmittel 25 das
Signal des zweiten Kanals 211 vom Signal des ersten Kanals 210 subtrahieren
und zweite Subtraktionsmittel 81 das Signal des vierten
Kanals 213 vom Signal des dritten Kanals 212 subtrahieren.
Die Signals S1' und
S2' am Ausgang der
Subtraktionsmittel 25, 81 sind so vom Farbrauschen
in 1/Fk befreit, um in einer späteren
Verarbeitung verwendet zu werden, die auf zwei Erfassungssignalen
basiert. Es kann nämlich
sehr vorteilhaft sein, dass diese Verarbeitung mit Erfassungssignalen arbeitet,
die kein Farbrauschen aufweisen. Eine solche Verarbeitung kann zum
Beispiel die Entfernung oder die Geschwindigkeit der Zielobjekte
liefern. Jeder Kanal 210, 211, 212, 213 weist
zum Beispiel eine Filterung 23 auf, ggf. eine Gruppe von
Dopplerfiltern. Alle Kanäle
außer
einem, dem Kanal 211, weisen zum Beispiel Verzögerungsmittel 24 auf,
um die nicht vorhandene Gleichzeitigkeit der Zeitpunkte der Berücksichtigung
der Signale bezüglich
der vier Codefrequenzen und der differentiellen Verzögerungen
zu kompensieren, die ggf. durch die jedem Kanal eigenen Filter eingeführt werden.
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Die
Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben, die auf zwei oder vier Sendecodefrequenzen basieren.
Sie kann aber auf eine beliebige Anzahl von Codefrequenzen angewendet
werden. Alle linearen Kombinationen der zugeordneten empfangenen
Signale, die eine Filterung des Rauschens synthetisieren, können in
Betracht gezogen werden. Außerdem
wird in den beschriebenen Ausführungsbeispielen die
Tastung in Höhe
der Leitmittel durchgeführt,
da diese in der Praxis im allgemeinen eine solche Funktion erfüllen; es
ist aber auch möglich,
eine Tastung der Signale an einer anderen Stelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorzusehen. Insbesondere kann die Tastung in Höhe der Subtraktionsmittel erfolgen.
wobei
die Frequenzverschiebung der Transferfunktion von
bewirkt.