JP3870194B2 - 無線局を同期させるための方法と装置及び時間同期された無線バスシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念記載の特徴を備えた、無線局を同期させるための方法、そのような方法を実施するための装置ないしバスシステム並びにこれらの使用可能性に関する。

マイクロ波システムにおいては通常の場合、検出された高周波信号は直接評価されずに、基準信号と関連させて評価される。通常の場合、ミキサまたは復調器が使用され、これらによって検出された信号は基準信号を用いて大部分低周波帯域に低減される。基準信号が検出された信号と可能な限り厳密な時間関係及び周波数関係を有する場合には殊に有利である。この関係が厳密であればあるほど、妨害に対する安全性はますます高まり、また検出された信号に包含される情報をますます容易に推量できる。送信局から重要な信号が送信され、空間的に離れた受信局において前述のようにして受信されて評価される場合には、この所望の時間関係及び周波数関係は簡単には生じていない。何故ならば２つの信号、すなわち送信局において発生された送信信号と受信局において発生された基準信号とは異なるソースに由来する、ないし異なるソースから導出されたものだからである。

したがって一般的に重要とされるのは、送信局及び受信局におけるソースを何らかのやり方で相互に結合させることである。このために種々の方法及び装置が慣例である。簡単な周波数関係は、送信器及び受信器において周波数の安定性が高い発振器が使用されることによって実現することができる。

しかしながらここでは温度又は老化ドリフトによって常に未知の残留周波数シフトが残る。比較的高価な装置は、残留周波数シフト及び／又は位相シフトの検出に適した手段を有する。所定の偏差量に基づいて、例えば比較ソースを制御又は調整できる。このために種々の周波数制御ループ及び位相制御ループが使用される。これらの方法は通常の場合非常に繁雑であり、また殊に、調節されるべき送信ソースのソースが受信局の周辺において送信信号の唯一のソースでない場合には妨害に対して抵抗がない。

残留周波数シフトが存在する場合には、２つのソースの位相は固定の関係にはならず、位相は原則として時間量に相応する。例えば送信局からタイムマークが送信され、受信局によってこのタイムマークが検出されると、２つの時間基準は短時間のみ一致するが、その後は「クロック」のタイミングは正確に同じ速さではないので、残留周波数シフトに応じて多かれ少なかれ急速にずれる。更には、無線システムにおいて許容される帯域幅は法律的な制限が課されているために、例えばビットの側縁は任意の勾配を取ることができないので、非常に厳密なタイムマークを送信することは極めて困難である。

したがって無線システムにおいてはしばしば以下の問題が存在する：
時分割多重モードにおける無線システムでは送信局が信号を受信局に送信し、受信局側では所定の時間後にこの信号に応答する。受信局における「時計」が送信局における「クロック」と厳密に同期して動作していない場合には、送信局の応答時点を決して厳密に知ることはできない。このことは、例えば伝送信号の伝播時間に基づいて送信局と基地局との間の空間的な距離を検出できることを妨げる。またこのことは、殊に非常に広帯域で動作する無線システムでは受信信号の復調ないし情報抽出を困難にする。

時間同期された複雑な無線バスシステムにおいては部分的に、マスタ局から１つまたは複数の情報を種々のスレーブ受信局に伝送するというタスクが生じる。これらの情報が例えば行動指示を包含する場合、幾つかの適用形態ではこれらの指示された行動は、例えば工作機械において無線毎に複数の処理装置が応答するがその動作シーケンスは時間的に非常にクリティカルに結合されている場合には、時間同期して経過することが望ましい。上述の理由によりそのような時間同期は一般的に無線バスシステムにおいては生じていない。一方では個々のスレーブ受信局に対する指示の大部分が逐次送信され、他方では指示された行動はしばしば比較的長いものである。すなわち全ての無線局における「クロック」は、このような指示を処理できるようにするために非常に厳密に同期されている必要がある。例えば現行のＤＣＦ７７無線時計を用いる同期はしばしば本質的に過度に不正確であり、例えばＧＰＳ（ＧＰＳ：Global Positioning System）を基礎とする時計を用いる同期はしばしば過度に繁雑であり、また部分的にはさらに過度に不正確でもある。

本発明の課題は、無線コネクションを介して相互に通信する２つの局の改善された同期を実現する方法ないし装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する無線局を同期させるための方法、請求項１７の特徴を有するそのような方法を実施するための装置、請求項１９の特徴を有するバスシステムないし請求項２０から２１の特徴を有するそのような方法の使用により解決される。

有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

好適には、無線サポートの通信システムにおける無線インタフェース又は有線サポートの通信システムにおけるインタフェースを介して相互に通信する送信局と受信局とを同期させるための方法では、送信局において送信信号が信号ソースを用いて形成され、無線インタフェースを介して送出され、受信局においては相応の受信信号が無線インタフェースによって受信され、受信器信号ソース信号を使用して送信側の信号ソースに適合されている受信側の信号ソースによって評価され、同期をその都度時宜的に適合させるために送信信号に対して受信器信号ソース信号に対しても同種の周波数変調が適用され、受信局において受信された受信信号は受信器信号ソース信号を用いて１つの混合信号に混合され、混合信号は周波数離調に関して分析される。

周波数変調は殊に、周波数が継続的に増大及び／又は低減する線形又は区間毎に線形のランプでよい。ランプの代わりに他の任意の変調も使用できる。

簡単な場合には、等しく１にセットできる比例値を考慮して、通常の場合信号の一定の周波数差値及び時間シフトを相互に検出することができる。簡単な方程式系を使用して解が得られる。

そのような方法は、変調にパラメータを使用する、相応に構成された受信装置又は組み合わされた送信／受信装置において実施することができ、パラメータはこの形態では信号形成の際に送信装置においても使用される。殊に変調を目下の要求に適合させる方法では送信装置も、送信信号形成の際に種々の変調パラメータが一般的にまたはこの送信装置と通信する受信局の要求に基づいて次々使用されるように構成されている。

少なくとも１つの主局及びこの主局と通信する複数の通信装置を有する時間同期されたバスシステムを、例えば中央の主局とこの主局によって制御される複数の動作局とを有する技術的な装置を制御するために、多数の技術的な分野に使用することができる。

実施例を以下では図面に基づき詳細に説明する。ここで、
図１は相互に通信する２つの無線局を示し、
図２は送信装置における第１の信号発生器によって形成される、ないし受信装置における第２の信号発生器によって形成される２つの信号形状を示し、
図３は周波数変調された信号のスペクトルを示し、
図４は種々の周波数経過を有する信号を示し、
図５は有利な送信／受信装置の実施形態を示し、
図６は複数の通信装置と通信する主局を示し、
図７は周波数成分の種々の振幅スペクトルを示す。

図１から分かるように、送信装置ＳＥは種々の装置から構成されている。以下ではこれらの装置のうち本発明に関連する装置のみを説明する。それらの装置は送信信号ｓｉｇ１を形成する信号発生器ＳＧＥＮ１並びにこの信号発振器ＳＧＥＮを励起させるクロックを形成するクロック装置ＣＬＫ１である。

送信装置ＳＥは信号発振器ＳＧＥＮ１を介して送信信号ｓｉｇ１を形成し、この送信信号ｓｉｇ１は送信アンテナＡＳから無線コネクションＶを介して受信装置ＥＥに向かって放射される。信号ｓｉｇ１の形状は一定に設定されており、例えば図２に示されているような、三角波状の周波数変調されたランプである。信号ｓｉｇ１の周波数ｆ及び持続時間２・Ｔのみが、送信装置ＳＥのクロック装置ＣＬＫにおいて形成され、また２Ｔの持続時間を有するベースクロックによってスケーリングされる。

受信装置ＥＥは大部分同様に構成されている。この受信装置ＥＥでは送信装置ＳＥと同じやり方で信号ｓｉｇ２が形成される。信号を形成するためにやはり信号発生器ＳＧＥＮ２が使用され、この信号発生器ＳＧＥＮ２はクロック装置ＣＬＫ２のクロックによって励起される。信号ｓｉｇ２の形状は信号ｓｉｇ１の形状に対応すべきである。しかしながらクロック装置ＣＬＫ２によって決定される信号ｓｉｇ２のスケーリングファクタは一般的には、すなわち非同期の場合には、送信装置ＳＥの信号ｓｉｇ１のスケーリングファクタとは差し当たり異なる。また一般的にはこれらの信号ｓｉｇ１とｓｉｇ２との間の時間オフセット及び周波数オフセットも差し当たり存在する。

事前に送信装置ＳＥによって形成されて送信された信号は受信装置ＥＥのアンテナＡＥを介して受信されて、ミキサＭＩＸを用いて信号ｓｉｇ２と混合される。混合信号ｓｉｇｍｉｘは評価及び制御装置ＡＳＥに供給され、この評価及び制御装置ＡＳＥは混合信号ｓｉｇｍｉｘを分析し、この評価結果に基づきクロック装置ＣＬＫ２のクロックを、送信装置ＳＥと受信装置ＥＥとが可能な限り同期して動作するように修正する。

同期させるための方法を殊に有利な信号形状に関して以下詳細に説明する。信号形状として有利には、図２に示されているような三角波状の周波数変調されたランプが使用される。始動周波数ｆ_{ｓｔａｒｔ}を基礎として、正弦波状の送信信号ｓｉｇ１の周波数ｆはまっすぐ線形に、または線形に時間Ｔにおいて段階的に先ず停止周波数ｆ_ｓｔｏｐまで高められ、次いで同様にしてやはり始動周波数ｆ_{ｓｔａｒｔ}まで低減される。この変調は有利には周期的に反復される。厳密な値は始動周波数ｆ_{ｓｔａｒｔ}、停止周波数ｆ_ｓｔｏｐ及びクロック装置ＣＬＫ１の時間Ｔに依存しているので、したがってクロック装置ＣＬＫ１のベースクロックが変動する可能性がある範囲では未知である。受信装置ＥＥの信号ｓｉｇ２も同様に形成される。しかしながら受信装置ＥＥのクロック装置ＣＬＫ２に依存して、受信装置ＥＥの信号ｓｉｇ２は始動周波数ｆ_{ｓｔａｒｔ}、停止周波数ｆ_Ｓｔｏｐ及び送信信号ｓｉｇ１の時間Ｔに関して異なり、信号ｓｉｇ１とｓｉｇ２との間には差し当たり任意の時間シフトないし時間オフセットが生じる。

先ずシステムにおいて使用される信号周波数が、同期に用いられる信号ｓｉｇ１及びｓｉｇ２の変調帯域幅Ｂよりも著しく大きく、また２つのクロック装置ＣＬＫ１及びＣＬＫ２のベースクロックが同一のオーダにあることを基礎とする場合、送信装置ＳＥの信号ｓｉｇ１と受信装置ＥＥの信号ｓｉｇ２との相違を周波数シフトΔｆ及び時間オフセットτによって十分正確に表すことができる。大抵は僅かにしか異ならないランプの勾配は、慣例の実際の無線システムの実施において生じている前述の前提では無視することができる。通常の場合、高周波数の混合成分を除去するローパスフィルタが後置接続されているミキサＭＩＸでは、一般的にそれ自体公知であるようにして、２つの信号ｓｉｇ１とｓｉｇ２との間の周波数差分Δｆが検出される。

以下のような混合周波数が生じる：
１）送信器信号ｓｉｇ１も受信器信号ｓｉｇ２もランプの上昇部分に存在する場合、周波数ｆ_ｕｐを有するほぼ単一周波数の信号
２）送信器信号ｓｉｇ１も受信器信号ｓｉｇ２もランプの下降部分に存在する場合、周波数ｆ_ｄｎを有するほぼ単一周波数の信号
３）２つの信号ｓｉｇ１とｓｉｇ２のランプが反対の符号を有する場合、大きく周波数変調された信号ｍｏｄｓｉｇ。この信号は図２においてハッチング領域として表されている。

混合信号に関するスペクトル分析が、有利には受信信号ｓｉｇ２の完全な三角波ランプの持続時間２Ｔにわたり実施されると、図３に示したようなスペクトルが生じる。単一周波数の信号成分Ａsigの振幅が大きくなればなるほど、信号ｓｉｇ１とｓｉｇ２との間の時間オフセットτは小さくなる。広帯域信号ｍｏｄｓｉｇの振幅は信号エネルギが大きい帯域幅に分散されているので、信号ｓｉｇ１とｓｉｇ２とが相対的に正確にＴだけシフトしている特別な場合を除き、一般的に単一周波数信号成分Ａsigよりも著しく小さい。このスペクトルから単一周波数の信号の２つの周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎを検出することができる。これらの周波数が既知であるならば、受信装置ＥＥを非常に厳密に送信装置ＳＥと同期させることができる。

本方法は図２に示されている信号形状にしか適用できないというものではない。ランプ状の信号が使用される場合には、異なる勾配を有するスロープの２つのカーブを使用することのみが必要とされる。つまり２つの異なる周波数値が得て、これらの周波数値を用いて周波数シフトΔｆ及び時間オフセットＴ_ｏｆｆを計算することができる。同期原理を説明するためにここで一例として、多少より一般的な事例を考察する。

説明したように、線形に周波数変調された２つの信号、いわゆるスイープが相互に混合されることを前提とする。信号の変調帯域幅Ｂは中間周波数よりも著しく小さいものとする。倍加された基本周波数における信号成分は、そのようなミキサ装置では慣用であるように、ローパスフィルタによって抑制される。スイープ率すなわち２つの信号ｓｉｇ１及びｓｉｇ２の時間毎の周波数の変化は比例値αに関して異なり、２つのスイープの始動周波数は一定値Δｆだけ相互に偏差する。さらには信号は時間オフセットＴ_ｏｆｆを相互に有する。この場合には、評価装置ＡＳＥにおいて分析されるべき、受信装置ＥＥにおいて混合された信号ｓｉｇｍｉｘの目下の周波数ｆ_{ｓｉｇｍｉｘ}（ｔ）を以下のように表すことができる。

ここでμはスイープ率であり、τは送信装置ＳＥから受信装置ＥＥまでの信号の伝播時間を表す。ｆ_{ｓｉｇｍｉｘ}（ｔ）が連続的に２つの異なるスイープ率μ1及びμ2に関して測定され、差し当たり非同期の場合における未知数Δｆ、Ｔ_ｏｆｆ及びαが２回の測定の間で変化しないか、少なくとも極僅かにしか変化しないと仮定すると、通常の方程式係によりΔｆ及びＴ_ｏｆｆに関する以下の解が得られる：

それぞれのシステムトポロジ及びこのシステムトポロジから生じる関係または可能な単純化に依存して、これら２つの式を用いて一般的に非常に簡単に２つの局の高精度の同期を行うことができる。以下では同期のための幾つかの典型的な可能性を説明する。

周波数シフトΔｆを検出するためには、２つの異なるスイープ率間のファクタないし指数ｋ、すなわちｋ＝μ1／μ2が既知であれば十分である。この場合に周波数シフトΔｆは厳密なスイープ率が既知でなくとも次式により得られる。

例えばμ1＝−μ2すなわちｋ＝−１が選択される場合、このことは技術的に非常に簡単に実現されており、以下の結果が得られる。

時間オフセットＴ_ｏｆｆを検出するためには、比例ファクタαに関する仮定を行うことが必要である。比例ファクタを簡単にα−１、またスイープ率μ1及びμ2を既知と仮定することがしばしば可能である。通常の無線システムの中間周波数は一般的に変調帯域幅Ｂよりも遙かに大きいので、相対的な不正確性はスイープ率の偏差よりも明らかに強く量Δｆに作用する。時間オフセットＴ_ｏｆｆに関しては次の仮定が成り立つ

したがって時間オフセットＴ_ｏｆｆは信号伝播時間τを除き既知となり、２つの無線局ＳＥ及びＥＥを時間ｔに関して同期させることもできる。

簡単な仮定α＝１が許容されない場合には、以下のシステムトポロジ及び評価が提案される。１つの局の信号、すなわち中間周波数も変調も共通の基準周波数ソースから導き出される場合には、例えばこれは後に説明する図５に示されているが、例えば混合、簡略化によってまたは位相／周波数制御ループを用いて、比例ファクタαが常に周波数シフトΔｆと算術的な関係にある。すなわち先ず周波数シフトΔｆが上述したように検出されると、この周波数シフトΔｆから比例ファクタα、したがってこの比例ファクタαに応じて時間オフセットＴ_ｏｆｆも一義的に導出することができる。

受信器信号ｓｉｇ２ないしックロック装置ＣＬＫ２が、導出された関係を用いて相応の値Δｆ及びＴ_ｏｆｆに関して修正されると、送信装置ＳＥ及び受信装置ＥＥは同期して動作する。すなわち信号ｓｉｇ１及びｓｉｇ２はほぼ同一であり、またＣＬＫ１及びＣＬＫ２におけるクロック信号もほぼ等しい。したがって同期も比較的長い期間にわたって存在し続ける。

２つの無線局ＳＥ及びＥＥを具体的に時計とみなした場合には、時計は同期の成功後では同じ速さで動作し、信号伝播時間τを除き絶対的に厳密に等しく動作する。

同期された場合には混合周波数ｆ_{ｓｉｇｍｉｘ}（ｔ）はもはや時間の関数ではなく、一定である。比例ファクタαが僅かに１しか偏差しない場合には、非同期の場合においてもｆ_{ｓｉｇｍｉｘ}の時間依存性を無視することができ、このことは評価を著しく簡単にする。つまりこの場合には混合信号ｆ_{ｓｉｇｍｉｘ}を通常のスペクトル分析方法、例えばフーリエ変換を用いて平均的に測定時間全体にわたり検出することができ、瞬時周波数すなわち信号位相の導関数を検出する必要はない。

以下では再び図２に示したような信号形状を前提とする。しかしながらこの実施形態は勿論一般的な場合に適用することができる。システムの実施に際し、同期プロシージャの以下の改善は有利である。前述したように、信号ｓｉｇ１及びｓｉｇ２は相対的に丁度時間Ｔについてずれている可能性があり、したがって２つの周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎを検出できないまたは一義的には検出できない。有利にはこの特別な場合は、スペクトルにおいて２つの周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎを一義的に検出できないならば、受信器信号ｓｉｇ２を常に有利には半分の時間Ｔ／２だけシフトし、新たな測定を開始するよう処理される。

評価及び制御装置ＡＳＥにおいて混合信号ｓｉｇｍｉｘを検出するために必要とされる周波数領域を小さく維持し、また場合によっては今まで無視した異なるランプ勾配を非同期の場合において処理できるようにするために、同期が有利には適応的に複数のステップにおいて実施される。このために図１の実施形態が有利には受信装置ＥＥからの送信装置ＳＥまでの無線通信区間Ｖ′について拡張される。この無線通信区間Ｖ′は任意の従来技術により実施できるものであり、したがってここでは詳細には説明もしない。同期経過を制御するために受信装置ＥＥが情報を送信装置ＳＥに伝送できることのみが重要である。有利には、同期が正に上述したように、しかしながら著しく低減されている変調帯域幅Ｂでもって開始される。差し当たり時間オフセット値τが大きい場合でも、２つの周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎは、完全な変調帯域幅Ｂが選択された場合のようにおよそ大きいものではない。もっとも同期も相応にして不正確にしか実施されない。したがってこれらの周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎの値に基づいて、先ず最初の粗い同期が実施される。この最初の同期が行われると直ぐに、受信装置ＥＥは送信装置ＳＥに無線区間Ｖを介してこの同期に関する通知を行う。送信装置ＳＥ及び受信装置ＥＥにおいては、変調帯域幅Ｂが高められて厳密な同期が実施される。この第２のステップの前に既に最初の同期が行われているので、第２のステップにおいて帯域幅が高められた場合であっても高い周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎは期待されない。前述のステップは帯域幅を更に高める場合にその帯域幅が完全な変調帯域幅Ｂに達するまで反復される。通常の場合僅かなステップ、確実且つ厳密な同期のためには例えば１／１００帯域幅、１／１０帯域幅及び完全な帯域幅で十分である。

付加的な無線通信区間Ｖを省略する場合には、段階的な同期を以下のように実現することもできる。送信装置ＳＥが反復的に、帯域幅の異なる複数の三角波状ランプ、例えばＮランプを連続的に次々と送信する。Ｎ＝３である場合には、例えば１／１００帯域幅、１／１０帯域幅及び完全な帯域幅、１／１００帯域幅、１／１０帯域幅等々が生じる。同期の開始時には、図４からも見て取れるように、受信器信号ｓｉｇ２に関しては最も小さい帯域幅を有するランプ信号が選択され、これが少なくともＮ回繰り返される。周波数分析も有利には２ＮＴの時間的な範囲にわたり実施される。ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎの上述した周波数はＮ個のランプペアの内の１つについて生じる。この最初の同期が行われていれば、受信器信号ｓｉｇ２に対して次に高い帯域幅を有するランプ信号が同様に使用され、この信号ｓｉｇ２のＮ個のランプが完全な帯域幅に達するまで行われる。

択一的に、中間周波数の最初の同期を無変調のＣＷ信号（Continous Wave＝連続波信号）を用いても行い、その後の１回または複数回のステップにおいて時間オフセットＴ_ｏｆｆを前述のように修正することができる。

ミキサＭＩＸは実数値ミキサでも、混合信号ｓｉｇｍｉｘの実部及び虚部を形成する４象限ミキサ（Quadrature mixer）でも良い。ミキサ信号ｓｉｇｍｉｘが実数値で測定される場合には、スペクトルにおける負の周波数は、一般的に公知であるように、零点において反射され、正の周波数領域に折り返される。実数値のミキサ信号ｓｉｇｍｉｘを使用する場合には、混合信号ｓｉｇｍｉｘについて所定の零とは異なる中間周波数ｆzfを選択すること、すなわち周波数シフトΔｆが完全な同期後も零ではなく中間周波数ｆzfに相応するように混合信号ｓｉｇ２を選択することは有効である。

評価及び制御装置ＡＳＥは、図５の例からも分かるように、有利にはアナログ／ディジタル変換器ＡＤと、混合信号ｓｉｇｍｉｘをディジタルで記録するためのメモリと、スペクトル分析及びクロック装置ＣＬＫ２の制御のため、ないし受信装置ＥＥの信号ｓｉｇ２の形成及び制御のためのプロセッサμＰを包含する。

信号の発生は有利には、位相同期ループを備えた周波数同期装置、ディジタル信号発生器またはＤＤＳモジュール（ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ）を使用して実施される。周波数合成器を任意の従来技術により、例えばプログラム可能な小数分周器（Fractional divider）または整数分周器（integer divider）を用いてまたはＤＤＳモジュールを用いて実施することができる。信号が、説明したように、クロック装置ＣＬＫ１及びＣＬＫ２または他の手段を介して、例えば直接的に周波数合成器またはＤＤＳ装置を介して適合されるか否か、信号発生器の信号パターンが新たに計算されるか否かは、合成信号ｓｉｇ１及びｓｉｇ２並びにこれを表す適合は上述の実施例に対応するか、これらの実施例に起因する限りには勿論本方法の機能に関して決定的なものではない。

通常の場合、信号形状は低周波数ベースバンドにおいて形成され、一定周波数発振器を用いて、高い周波数へと例えばマイクロ波領域へと混合される。一般的に本方法は勿論所定の周波数領域ないし所定の波長種類に固定されるものではなく、例えば音響波、電磁波にも適用することができる。重要なことは、ソースの変調能力及び信号ｓｉｇ１とｓｉｇ２を混合する可能性だけである。混合過程、例えば乗算を勿論適切な周波数で算術的に計算装置において行うこともできる。

１つの可能な実施例を図５に示す。ここでシステムは局が送信装置としても受信装置としても機能するように構成されている。

実質的にこの組み合わされた局は、信号ｓｉｇ１ないしｓｉｇ２を送信及び受信するためのアンテナＡから構成されている。アンテナＡにはスイッチＳＷが接続されており、このスイッチＳＷは受信モードと送信モードを切り換え、アンテナＡは相応のモジュールと結合されている。受信信号ｓｉｇ１に関するスイッチＳＷの出力側はミキサＭＩＸと接続されている。ミキサＭＩＸの第２の入力側は、前述したように信号ソースＶＣＯと接続されている。混合信号ｓｉｇｍｉｘを出力するミキサＭＩＸの出力側はフィルタＦＬＴ１と接続されており、このフィルタＦＬＴ１の出力側は本来の評価及び制御装置ＡＳＥに案内されている。この評価及び制御装置ＡＳＥは殊にアナログ／ディジタル変換器ＡＤ及びマイクロプロセッサμＰから構成されている。マイクロプロセッサμＰの出力側はＤＤＳモジュールＤＤＳまたは相応の装置と接続されている。マイクロプロセッサμ及びＤＤＳモジュールは、クロック発生器ＣＬＫからのクロック信号が供給される１つの別の入力側をそれぞれ有する。ＤＤＳモジュールＤＤＳの出力側は、この出力側がＤＤＳモジュールの構成部材として構成されていない限り、信号発生器ＳＧＥＮ２（２）と接続されている。信号発生器ＳＧＥＮ２（２）は複数の構成素子から構成されており、殊に出力側がミキサＭＩＸと電力増幅器ＰＡと分周器Ｔとに案内されている信号ソースＶＣＯと、信号ｓｉｇ２の信号周波数ｆを整数部ｆ／Ｎに分周するための分周器Ｔと、入力側がクロックソースＣＬＫと分周器Ｔとに接続されている別のミキサＭＩＸ２と、入力側が別のミキサＭＩＸ２と接続されている第２のフィルタＦＬＴ２と、入力側が第２のフィルタＦＬＴ２とＤＤＳモジュールＤＤＳとに接続されている位相比較器ないし位相コンパレータＰｈｃｍｐφと、入力側が位相比較器Ｐｈｃｍｐφの出力側に接続されており、出力側が信号ソースＶＣＯの入力側と接続されているフィルタＦＬＴ３とから構成されている。

ＶＣＯ（電圧制御発振器）によって形成された信号が電力増幅器ＰＡを介して送出されたか否か、またはアンテナＡを介して受信した信号がミキサＭＩＸにおいて信号ソースＶＣＯにおいて形成された信号と混合されたか否かがスイッチＳＷを介して選択される。一般的に、殊に信号形成に関して、送信装置と受信装置において同様のシステムが使用される場合には有利である。信号形成は例示的に示されている実施形態においてはＤＤＳ周波数合成器を用いて行われる。ベースクロックとしてクロックソースないし周波数発振器ＣＬＫの周波数が使用される。このベースクロックからシステム、すなわちプロセッサμＰ及び／又はＩＢＤＤＳモジュールＤＤＳに関する全ての信号、周波数及び時間量が導出される。ＤＤＳモジュールＤＤＳ、位相コンパレータＰｈｃｍｐ、第２のフィルタＦＬＴ２、第３のフィルタＦＬＴ３、信号ソースＶＣＯ、別のミキサＭＩＸ２及び分周器Ｔは、それ自体で１つの従来技術による周波数合成器を形成する。周波数合成器を従来技術とは異なるように実現することも勿論可能である。つまり、例えばＤＤＳモジュールＤＤＳをプロセッサμＰによってプログラム可能な分周器またはディジタル無線発振器、すなわち信号経過が格納されているメモリ及びＤ／Ａ変換器、または小数ＰＬＬ（移動同期ループ）を備えた周波数合成器に置換することができる、または例えばミキサＭＩＸ２を省略することができる。

図５によるシステムにおいて、信号ソースないし送信装置ＶＣＯのＶＣＯ周波数がＤＤＳモジュールＤＤＳにより始動周波数ｆ_{ｓｔｒａｔ}を基礎として時間Ｔにおいて帯域幅Ｂについて高められ、相応に最初の測定において周波数ｆ_ｕｐが検出され、更なる測定では反対のスイープ方向において、すなわちｆ_{ｓｔａｒｔ}＋Ｂから出発してｆ_{ｓｔａｒｔ}へと下がる方向において周波数ｆ_ｄｎが検出される場合には、所定の周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎを基礎として周波数シフトΔｆ及び時間オフセットＴ_ｏｆｆについての以下の解が上述の関係から導き出せる。すなわち、

周波数ｆ_ｕｐ及びｆ_ｄｎは実施例においては、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）または他の公知のスペクトル分析法を用いたプロセッサμＰにおける混合信号ｓｉｇｍｉｘのＡ／Ｄ変換により検出される。

本方法が時間同期されたバスシステムに適用できることは非常に有利である。任意の従来技術による通信システムは上述の実施形態について拡張される。同期成功後には例えば、無線毎のタイムマークを用いた指示または一連の指示を伝送し、指示または一連の指示を非常に正確に例えばマイクロ秒範囲で、それどころかナノ秒領域で指示されたタイムスキーマに応じて動作させることが可能である。このことは殊に、図６に示されているように主局ないしマスタ局から複数の通信装置に指示がなされる場合、例えば工作機械において無線毎に複数の処理装置が応答することが指示され、その動作経過は時間的に非常にクリティカルに相互に結合されている場合には必要である。全ての通信装置は本発明による方法を用いてマスタ装置と同期される。

殊に有利な実施形態では同期を上述の方法を用いて正確なチャネル長、すなわち２つの通信装置間の距離を例えば「チャレンジ・レスポンス法」により時分割多重モードにおいて測定できるように厳密に実行することができる。本発明による同期が行われた後に、第１の局ＫＥ１またはＭＥは信号を第２の局ＫＥ２へと送信し、この第２の局ＫＥ２は所定時間後に応答信号を返送する。問合せと応答との時間差から所定の時間を考慮して信号伝播時間、したがって無線チャネル長を計算することができる。本発明による同期を使用しない通常のシステムではこの方法は一般的に、クロックベースが同一ではないため空間的に離れた２つのシステムは厳密な期間、殊に比較的長い時間一致できないので失敗する。しかしながら同期によってクロックを高精度に調節することができる。

ここで基地局とトランスポンダとの間の距離を測定するための別の方法として、ＤＥ １９９ ４６ １６１、ＤＥ １９９ ４６ ２０４及びＤＥ１９９ ４６ １６８も挙げられる。これらの文献には殊に、問合せ信号に対して遅延して応答する、アクティブマイクロ波リフレクタを用いる距離測定または対象の位置検出が記載されている。これらの方法は非常に有利にはここで説明する本方法と組み合わせることができる。同期を実施するために使用される線形に周波数変調された信号が、通常の場合ＦＭＣＷレーダシステム（ＦＭＣＷ：周波数変調連続波）において使用される信号に対応するので、このために既知の全てのＦＭＣＷ距離測定方法を好適に本発明によるシステム及び同期方法と組み合わせることができる。

マスタ局ＭＥと複数の通信装置ＫＥ１、ＫＥ２、ＫＥ３との間の距離は例えば前述の測定により既知であるので、信号伝播時間を一緒に考慮することによって時間同期を更に改善することができる。この場合には、位置的にも離れており、また異なる距離で相互に離すこともできる複数の分散した局ＫＥ１、ＫＥ２、ＫＥ３を非常に正確に、すなわち局間の信号伝播時間差よりも良好に同期させることができる。

非常に有利には本方法によるシステムを無線チャネルの測定及び特徴付けにも使用することができる。殊にシステムは多重反射の検出及び評価に適している。多重反射が生じると、すなわち送信局から送出された信号が１つの経路ではなく、複数の異なる経路を介して受信局に到来すると、図２のスペクトルは図７に示したように変化する。最短の伝送経路ｆ_ｕｐ１及びｆ_ｄｎ１の周波数の他に、伝送経路の個数Ｋに応じて付加的に、より長い伝送経路のスペクトル線（ｆ_ｕｐ２、ｆ_ｄｎ２、．．．、ｆ_ｕｐＫ、ｆ_ｄｎＫ）が生じる。ランプ勾配が既知である場合には、線間の周波数差から非常に簡単に伝播時間差ないし伝送経路の長さ差を計算することができる。さらには各伝送経路に正確な伝送減衰を対応付けることができる。したがって、全体の伝送チャネルを非常に詳細に分析することができる。そのような本発明による分析に基づき、通信システムを改善するために、データ伝送のコーディングスキーマないし通信システムのデータレートを状況に依存させてそれぞれのチャネル特性に適合させることが可能である。これによって、改善された伝送の安全性及び向上された効果的なデータレートを保証することができる。測定されたチャネル特性をデータストリームの評価時に、伝送経路の種々の長さ及び減衰を補償する折り返し（Rueckfaltung）を用いて考慮することもできる。

説明した同期信号は非常に良好に自己相関特性及び相互相関特性を有するので、データストリームを並行して、すなわち同時に同期信号と共に伝送することも可能である。さらに同期信号の相関特性は、本発明によるシステム及び方法が一般的に他の無線システムの妨害に対して非常にロバストなものにする。

相互に通信する２つの無線局である。 ２つの信号形状である。 周波数変調された信号のスペクトルである。 種々の周波数経過を有する信号である。 有利な送信／受信装置の実施形態である。 複数の通信装置と通信する主局である。 周波数成分の種々の振幅スペクトルである。

Claims (19)

1. インタフェース（Ｖ）を介して相互に通信する、送信局（ＳＥ；ＳＥ／ＥＥ）と受信局（ＥＥ；ＳＥ／ＥＥ）とを同期させる方法であって、
   −前記送信局（ＳＥ；ＳＥ／ＥＥ）において、送信信号（ｓｉｇ１）を信号ソース（ＳＧＥＮ１）を用いて形成し、前記インタフェース（Ｖ）を介して送出し、
   −前記受信局（ＥＥ；ＳＥ／ＥＥ）において、相応の受信信号（ｅｓｉｇ１）を前記インタフェースから受信し、該受信信号（ｅｓｉｇ１）を、受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）を使用して前記送信器側の信号ソース（ＳＧＥＮ１）に適合された受信器側の信号ソース（ＳＧＥＮ２）によって評価する、送信局（ＳＥ；ＳＥ／ＥＥ）と受信局（ＥＥ；ＳＥ／ＥＥ）とを同期させる方法において、
   −前記送信信号（ｓｉｇ１）にも前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）にも同一の変調を適用し、
   −前記受信局（ＥＥ；ＳＥ／ＥＥ）において受信された受信信号（ｅｓｉｇ１）を前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）を用いて１つの混合信号（ｓｉｇｍｉｘ）に混合し、
   −該混合信号（ｓｉｇｍｉｘ）を分析することを特徴とする、送信局（ＳＥ；ＳＥ／ＥＥ）と受信局（ＥＥ；ＳＥ／ＥＥ）とを同期させる方法。
2. 前記送信信号（ｓｉｇ１）及び前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）に周波数変調を適用し、前記混合信号（ｓｉｇｍｉｘ）のスペクトルを分析する、請求項１記載の方法。
3. 前記送信信号（ｓｉｇ１）及び前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）に線形または区間毎に線形の変調を行う、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記送信信号（ｓｉｇ１）及び前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）に周波数変調を適用し、該周波数変調の変調帯域幅（Ｂ）は信号中間周波数よりも著しく小さい、例えば１オーダ小さい、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 混合後に前記受信信号（ｅｓｉｇ１）の成分及び前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）の成分において、該２つの信号の時間（ｔ）毎の周波数の変化は周波数差（Δｆ）と常に算術的な関係にある比例値（α）について異なり、前記受信信号（ｅｓｉｇ１）の成分及び受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）の成分は一定の周波数差（Δｆ）について相互に偏差し、混合された信号成分は通常相互に時間シフト（Ｔ_off）を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 方程式系を作成するために２つの異なる変調率（μ1ないしμ2）を用いて連続して測定された２つの混合信号（ｆ_sigmix（ｔ））からなるパラメータを使用する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 異なる変調率を用いる２回の測定の際に、パラメータとして２つの異なる周波数（ｆｂ１及びｆｂ２）を使用し、非同期の場合には先ず前記受信信号（ｅｓｉｇ１）と前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）との間の周波数差（Δｆ）、時間シフト（Ｔ_off）及び比例値（α）の未知数は前記２回の測定の間では変化しない、または少なくとも僅かにしか変化しないと仮定し、例えば前記周波数差値（Δｆ）及び前記時間シフト（Ｔ_off）に関する前記方程式系を次式、すなわち、
   

   

   により解く、請求項６記載の方法。
8. 前記周波数同期のために前記受信信号（ｅｓｉｇ１）と前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）との間の周波数差（Δｆ）を、２つの異なる変調率（μ1及びμ2）間の既知のファクタ（ｋ＝μ1／μ2）において変調率（μ1ないしμ2）を厳密に知らずとも、例えば式
   

   

   から求める、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 時間的な同期のために前記受信信号（ｅｓｉｇ１）と前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）との間の時間シフト（Ｔ_off）を前記比例値ファクタ（α）に関する仮定を使用して、中間周波数が変調帯域幅（Ｂ）よりも著しく大きい場合には、相対的な不正確性は異なる変調率の偏差よりも周波数差値（Δｆ）に著しく強く作用することを検出し、例えば次式を使用する、
   

   

   請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 時間的な同期のために前記受信信号（ｅｓｉｇ１）と前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）との間の時間シフト（Ｔ_off）を、共通の基準周波数ソースに基づく中間周波数及び変調を使用して、前記比例値ファクタ（α）が前記信号（ｓｉｇ１、ｓｉｇ２）間の周波数差（Δｆ）と常に算術的な関係にあると仮定する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記送信局（ＳＥ；ＳＥ・ＥＥ）において形成される全ての信号は送信器側の基準ソース（ＣＬＫ１）と一定の関係にあり、前記受信局（ＥＥ；ＳＥ／ＥＥ）において形成される全ての信号は受信器側の基準ソース（ＣＬＫ２）と一定の関係にある、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
12. 同期の際に前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）ないし相応のクロック装置（ＣＬＫ２）を前記受信信号（ｅｓｉｇ１）ないし前記クロック装置（ＣＬＫ２）に同期させる、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 同期の際に前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）をシフトし、例えば変調周期の半分の持続時間（Ｔ／２）だけシフトし、前記混合信号（ｓｉｇｍｉｘ）のスペクトルにおいて２つの周波数成分（ｆ_up及びｆ_dn）が前記評価のために十分に一義的に検出されない場合には新たな測定を開始する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 同期の際に前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）及び／又は前記送信器信号ソース信号（ｓｉｇ１）を適合的に複数のステップにおいて、使用される変調を変更することにより修正する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 同期を最初のステップでは著しく小さい変調帯域幅（Ｂ）でもって開始し、更なるステップでは前記送信装置（ＳＥ）及び前記受信装置（ＥＥ）において前記変調帯域幅（Ｂ）段階的に高め、より厳密な同期を実施する、請求項１４記載の方法。
16. 信号ソース（ＶＣＯ）を始動周波数（ｆ_strat）から出発して変調周期（Ｔ）の持続時間において、事前に決定された帯域幅（Ｂ）について停止周波数（ｆ_stop＝ｆ_start＋Ｂ）へと上方に同調し、最初の測定時に第１の周波数（ｆ_up）を検出し、更なる測定において前記停止周波数（ｆ_stop＝ｆ_start＋Ｂ）から出発して前記始動周波数（ｆ_start）へと下降する反対の変調方向でもって第２の周波数（ｆ_dn）を検出し、例えば前記所定の周波数（ｆ_up、ｆ_dn）を基礎として周波数シフト（Δｆ）及び時間オフセット（Ｔ_off）についての解を式
    

    

    を用いて求める、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. 請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法を実施する受信装置（ＥＥ）または組み合わされた送信／受信装置（ＳＥ／ＥＥ）であって、
    −送信側の信号ソース（ＳＧＥＮ１）の受信信号（ｅｓｉｇ１）を受信するインタフェース入力部（Ａ）と、
    −受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）を形成する受信器側の信号ソース（ＳＧＥＮ２）と、
    −前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）を考慮して前記受信信号（ｅｓｉｇ１）を処理する処理装置（ＭＩＸ、ＡＳＥ）とを備えた、受信装置（ＥＥ）または組み合わされた送信／受信装置（ＳＥ／ＥＥ）において、
    −前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）を送信器側の信号ソース（ＣＬＫ１、ＳＧＥＮ１）に同期させる同期装置（ＭＩＸ、ＡＳＥ、ＣＬＫ２、ＳＧＥＮ２）と、
    −本来的に前記送信信号（ｓｉｇ１）に適用した周波数変調と同じ周波数変調を用いて前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）を形成する変調装置とが設けられていることを特徴とする、受信装置（ＥＥ）または組み合わされた送信／受信装置（ＳＥ／ＥＥ）。
18. 前記同期装置（ＭＩＸ、ＡＳＥ、ＣＬＫ２、ＳＧＥＮ２）は、
    −前記受信信号（ｅｓｉｇ１）を前記受信器信号ソース信号（ｓｉｇ２）を用いて１つの混合信号（ｓｉｇｍｉｘ）に混合するミキサ（ＭＩＸ）と、
    −周波数シフト（Δｆ）及び／又は時間シフト（Ｔ_off）に関して前記混合信号（ｓｉｇｍｉｘ）を分析し、前記受信器側の信号ソース（ＳＧＥＮ２）を前記送信器側の信号ソース（ＳＧＥＮ１）に相応に同期させる評価及び制御装置（ＡＳＥ）とを有する、請求項１７記載の受信装置（ＥＥ）または組み合わされた送信／受信装置（ＳＥ／ＥＥ）。
19. 時間同期されたバスシステムにおいて、
    −少なくとも１つの主局（ＭＥ）と、
    −複数の通信装置（ＫＥ）とを備え、
    −前記主局（ＭＥ）はインタフェース（Ｖ）を介して前記通信装置と通信し、
    −前記通信装置の少なくとも一部が請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法を用いて前記主局（ＭＥ）に同期されることを特徴とする、時間同期されたバスシステム。

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