專利名稱：用于測量無線電網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點之間的距離的電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量無線電網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點之間的距離的系統(tǒng)、電路和方法。

背景技術(shù)：
在無線電網(wǎng)絡(luò)中，希望可以定位無線電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點或者至少確定節(jié)點之間的距離。由此，例如可以容易地找出故障節(jié)點。也可以跟蹤節(jié)點的緩慢運動——例如跟蹤工廠中運輸工具的運動。如果由飛機擲下的節(jié)點可被定位并且可以傳輸升高的溫度，則節(jié)點的定位可被有利地應(yīng)用于消防。
WO 02/01247 A2公開了一種借助電磁波測量兩個目標(biāo)物之間的距離的方法。以不同的載波頻率兩次發(fā)送基站的詢問信號和便攜式編碼器的應(yīng)答信號。這些載波頻率在此是相關(guān)的，也就是說，它們相互依賴。這些載波頻率相互逼近，從而可以測量這些信號之間的相移。由所述相移計算出編碼器到基站的距離?？梢砸圆煌妮d波頻率或者以相同的載波頻率發(fā)送詢問信號和應(yīng)答信號。對于新的詢問/應(yīng)答對話改變載波頻率。
如果根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4的傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的收發(fā)機被設(shè)置用于半雙工系統(tǒng)而不是全雙工系統(tǒng)，則所述收發(fā)機不能同時發(fā)送和接收。如果所述收發(fā)機作為有源反射器用于相位測量，則節(jié)點必須通過鎖相環(huán)存儲所接收的信號的相位并且在從接收轉(zhuǎn)換到發(fā)送之后將存儲的相位用于發(fā)送。例如在接收時通過附加的鎖相環(huán)如此調(diào)節(jié)作為有源反射器工作的節(jié)點的收發(fā)機的石英振蕩器，使得本地振蕩器的LO信號(LOLocal Oscillator本地振蕩器)的頻率和相位與接收信號一致。在轉(zhuǎn)換到發(fā)送時，附加的鎖相環(huán)必須被斷開并且它現(xiàn)在在頻率同步的石英振蕩器中繼續(xù)自由振蕩。由此，作為有源反射器工作的收發(fā)機以與它事先所接收的載波信號相同或者成比例的相位以及相同的頻率進行發(fā)送。在此，對自由振蕩的振蕩器在頻率常數(shù)和相位常數(shù)方面提出很高的要求。必須避免例如集成電路上可能由相位變化引起的信號串?dāng)_的干擾。
US 5,220,332公開了一種具有詢問裝置和應(yīng)答器的測距系統(tǒng)，所述測距系統(tǒng)實現(xiàn)了兩個目標(biāo)物之間的非同時的測量。以具有可變調(diào)制頻率的(低頻)調(diào)制信號對載波進行調(diào)制，以便借助相位測量或者替代地借助傳輸時間測量由調(diào)制信號的變化確定距離。
US 6,731,908 B2公開了一種用于確定兩個目標(biāo)物之間的距離的藍(lán)牙技術(shù)方法。在此，通過頻率跳變改變頻率，以便測量多個不同頻率的相位偏移。目標(biāo)物具有鎖相環(huán)(PLL-Phase Locked Loop)中的電壓控制的石英振蕩器，其中在接收期間關(guān)閉鎖相環(huán)而在發(fā)送期間打開鎖相環(huán)，使得接收信號和發(fā)送信號具有相同的頻率。在此，電壓控制的石英振蕩器的本地振蕩器信號的相位借助鎖相環(huán)通過同步與所接收的信號相干


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，盡可能改進用于無線電網(wǎng)絡(luò)中的距離測量的方法。
所述任務(wù)通過具有獨立權(quán)利要求1的特征的方法解決。有利的進一步構(gòu)型是從屬權(quán)利要求的主題并且包含在說明書中。
因此，提出了一種用于測量無線電網(wǎng)絡(luò)的第一節(jié)點與第二節(jié)點之間的距離的方法。所述無線電網(wǎng)絡(luò)例如根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.1或者優(yōu)選地根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4構(gòu)造。
在所述方法中，具有第一頻率的第一信號由第一節(jié)點發(fā)送并且由第二節(jié)點通過下混頻到第一中間頻率接收。優(yōu)選地，第一信號由第一節(jié)點的本地振蕩器以作為發(fā)送頻率的第一頻率產(chǎn)生。有利地，第一信號是第一未經(jīng)調(diào)制的載波信號。未經(jīng)調(diào)制的載波信號例如是高頻正弦振蕩信號。優(yōu)選地，在多個第一頻率值之間改變用于距離測量的第一頻率。
對于第一頻率的第一頻率值，由第二節(jié)點由所接收的第一信號確定第一相位的第一值。優(yōu)選地，第二節(jié)點根據(jù)第二節(jié)點的參考信號確定第一相位的第一值。優(yōu)選地，存儲第二節(jié)點中所確定的第一相位的值。
具有第二頻率的第二信號由第二節(jié)點發(fā)送并且由第一節(jié)點通過借助本地振蕩器信號下混頻到第二中間頻率接收。優(yōu)選地，第二信號由第二節(jié)點的本地振蕩器以作為發(fā)送頻率的第二頻率產(chǎn)生。優(yōu)選地，第二信號是第二未經(jīng)調(diào)制的載波信號。
對于第二頻率的第一頻率值，由第一節(jié)點由所接收的第二信號測量第二相位的第一值。優(yōu)選地，第一節(jié)點根據(jù)第一節(jié)點的參考信號確定第二相位的值。在此優(yōu)選地，這些測量在中間頻率層上進行。
改變第一頻率和第二頻率。為了所述改變，第一頻率的第二頻率值與第一頻率的第一頻率值具有一個頻率差。另外，第二頻率的第二頻率值與第二頻率的第一頻率值同樣具有所述頻率差。在此所述頻率差足夠大，以便實施基于所述頻率差的相位差測量。優(yōu)選地，頻率差由無線電網(wǎng)絡(luò)的信道的頻率間距定義。
對于第一頻率的第二頻率值，由第二節(jié)點測量第一相位的第二值。對于第二頻率的第二頻率值，由第一節(jié)點測量第二相位的第二值。
第一中間頻率和第二中間頻率的量值是相等的。然而，這兩個中間頻率可以具有不同的符號。
第一信號的第一頻率與第二信號的第二頻率彼此間隔第一和第二中間頻率的量值。為了進行距離測量，第一節(jié)點在第一頻率上發(fā)送并且在第二頻率上接收。為了進行距離測量，第二節(jié)點在第二頻率上發(fā)送并且在第一頻率上接收。
由第一相位的第一值和第二值、由第二相位的第一值和第二值以及由所述頻率差計算出第一節(jié)點與第二節(jié)點之間的距離。
優(yōu)選地，為了所述計算，對于多個頻率值確定第一相位的多個值以及第二相位的多個值。有利地，為了計算距離，通過無線電網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)向第一節(jié)點傳輸作為測量數(shù)據(jù)的第一相位的和/或第二相位的所確定的值。
此外，本發(fā)明的任務(wù)還在于，說明一種無線電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的盡可能改進的電路。
所述任務(wù)通過具有獨立權(quán)利要求9的特征的電路解決。有利的進一步構(gòu)型是從屬權(quán)利要求的主題并且包含在說明書中。
因此，提出了一種無線電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的電路。所述無線電網(wǎng)絡(luò)例如根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.1或者優(yōu)選地根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4構(gòu)造。
所述電路具有收發(fā)機，所述收發(fā)機用于通過下混頻到中間頻率來接收具有第一頻率的第一信號。
所述電路具有相位測量電路，所述相位測量電路被設(shè)置用于對于第一頻率的第一頻率值測量第一相位的第一值。
所述電路的收發(fā)機被設(shè)置用于為了確定第二相位的第一值而發(fā)送具有第二頻率的第一頻率值的第二信號。在此，所述確定可以通過另一節(jié)點的為此設(shè)置的電路進行。
控制電路被設(shè)置用于改變第一頻率和第二頻率。在此，(改變之后的)第一頻率的第二頻率值與(改變之前的)第一頻率的第一頻率值具有一個頻率差。(在頻率改變之后)第二頻率的第二頻率值相對于(頻率改變之前的)第二頻率的第一頻率值具有一個頻率差。第一信號的第一頻率與第二信號的第二頻率彼此間隔一個中間頻率的量值。
相位測量電路被設(shè)置用于在頻率改變之后對于第一頻率的第二頻率值測量第一相位的第二值。
所述電路的收發(fā)機被構(gòu)造用于為了確定第二相位的第二值而發(fā)送具有第二頻率的第二頻率值的第二信號。第二值的確定又可以通過另一節(jié)點的為此設(shè)置的電路進行。
所述電路被設(shè)置用于借助收發(fā)機發(fā)送第一相位的值和/或接收第二相位的值。如果接收到第二相位的值，則可以通過所述電路計算距離。
本發(fā)明的另一方面在于無線電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的電路，所述電路例如具有以上所述的功能。所述電路具有——例如計算單元形式，如微控制器形式的——控制電路，所述控制電路被設(shè)置用于控制用于距離測量的模式。
所述電路具有用于調(diào)節(jié)用于距離測量的發(fā)送頻率的本地振蕩器。優(yōu)選地，所述本地振蕩器具有鎖相環(huán)、振蕩器以及分頻器，其中所述分頻器具有可調(diào)節(jié)的分頻因子。
所述電路具有用于距離測量的接收信號的濾波的邊帶濾波器。優(yōu)選地，所述電路此外還具有用于下混頻接收信號的混頻器。所述混頻器優(yōu)選地與本地振蕩器相連接。優(yōu)選地，邊帶濾波器被構(gòu)造為復(fù)數(shù)邊帶濾波器和/或差分邊帶濾波器。在一個實施方式中，所述邊帶濾波器也可被稱作單邊帶濾波器(SSBF-Single Side Band Filter)。
所述電路具有開關(guān)裝置，所述開關(guān)裝置與控制電路連接以便控制開關(guān)位置。有利地，所述開關(guān)裝置具有多個開關(guān)晶體管，這些開關(guān)晶體管的控制端子與控制電路相連接。
邊帶濾波器與開關(guān)裝置相連接，以便在上邊帶和下邊帶之間轉(zhuǎn)換所述濾波。這實現(xiàn)了所述電路以用于距離測量的不同中間頻率位置工作。上邊帶和下邊帶之間的濾波轉(zhuǎn)換可以例如通過混頻器與邊帶濾波器的相位關(guān)系的改變實現(xiàn)。
控制電路被設(shè)置用于根據(jù)用于距離測量的模式來控制濾波的轉(zhuǎn)換。例如，控制電路啟動用于距離測量的模式并且將開關(guān)裝置控制到用于距離測量的預(yù)先確定的開關(guān)位置中。替換地，節(jié)點接收用于啟動距離測量模式的命令并且根據(jù)所接收到的命令將開關(guān)裝置控制到預(yù)先確定的開關(guān)位置中。
本發(fā)明的另一方面是一種具有第一節(jié)點和第二節(jié)點的系統(tǒng)，所述第一節(jié)點優(yōu)選具有以上所述的電路并且所述第二節(jié)點優(yōu)選具有以上所述的電路。由無線電網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點組成的系統(tǒng)被設(shè)置用于實施以上所述的方法。
以下所述的進一步構(gòu)型不僅涉及所述方法，而且涉及所述電路和所述系統(tǒng)。在此，電路的功能特征由相應(yīng)設(shè)置的方法步驟得出。方法步驟可以由電路的功能導(dǎo)出。
在一個有利的進一步構(gòu)型中，電路被設(shè)置用于例如借助計算單元——如微控制器——由第一相位的第一值和第二值、由第二相位的第一值和第二值以及由頻率差計算出到另一節(jié)點的距離。
根據(jù)一個有利的進一步構(gòu)型方案，第二信號由第一節(jié)點接收。所接收到的第二信號在下邊帶中在第一本地振蕩器的第一頻率以下通過第一節(jié)點的第一邊帶濾波器。優(yōu)選地，第一信號由第二節(jié)點接收。所接收到的第一信號在上邊帶中在第二本地振蕩器的第二頻率以上通過第二節(jié)點的第二邊帶濾波器。相應(yīng)地，其他邊帶分別通過優(yōu)選復(fù)數(shù)邊帶濾波器濾除。
根據(jù)一個構(gòu)型，以一時間間隔時間錯開地發(fā)送所述第一信號和所述第二信號。為此，這些節(jié)點例如被構(gòu)造為半雙工系統(tǒng)。
在另一個進一步構(gòu)型中提出，由第一相位的多個所確定的值以及由第二相位的多個所確定的值計算出距離。優(yōu)選地，所述計算通過計算平均值或者分析幅值的情況下的快速傅立葉逆變換進行。優(yōu)選地，為了多次確定第一相位的值和第二相位的值改變第一頻率的頻率值和第二頻率的頻率值。在此，優(yōu)選在同一方向上、特別優(yōu)選以相同的頻率偏移量改變第一節(jié)點和第二節(jié)點的發(fā)送頻率的頻率值。在此優(yōu)選地，第一節(jié)點和第二節(jié)點的發(fā)送頻率的頻率值的間距不發(fā)生變化。這些節(jié)點的發(fā)送頻率的頻率值的間距優(yōu)選是恒定的。
根據(jù)一個優(yōu)選的進一步構(gòu)型，對于第一頻率和第二頻率的頻率值的每次改變，以相同的時間間隔時間錯開地發(fā)送第一信號和第二信號。
在第一構(gòu)型方案中有利地提出，對于第一頻率和第二頻率的已改變的頻率值，在兩個節(jié)點中在時間上彼此等距地進行第一相位和第二相位的值的多次確定。
在一個有利的進一步構(gòu)型中，實施值的測量的時間同步。在此如此實施所述時間同步，使得值的測量的測量時刻，即第一值、第二值、第三值和第四值的測量的測量時刻彼此具有預(yù)先確定的時間關(guān)系。
特別優(yōu)選地，第一時間間隔與第二時間間隔是相同的。優(yōu)選地，第一時間間隔定義成第一相位的第一值的第一測量時刻與第一相位的第二值的第二測量時刻之間的時間間隔。優(yōu)選地，第二時間間隔定義成第二相位的第三值的第三測量時刻與第二相位的第四值的第四測量時刻之間的時間間隔。所述時間關(guān)系導(dǎo)致第一測量時刻與第三測量時刻之間的第三時間間隔與第二測量時刻與第四測量時刻之間的第四時間間隔也是相同的。
優(yōu)選地，這些時間間隔是預(yù)先確定的。即這些時間間隔并不是由正在進行的測量確定的。優(yōu)選地，這些時間間隔是固定地預(yù)先給定的，例如被實現(xiàn)為參數(shù)組。替換地，對于距離測量，還可以在節(jié)點之間對這些時間間隔進行協(xié)商。為此相應(yīng)地設(shè)置這些節(jié)點。有利地，這些節(jié)點的各個電路被設(shè)置用于以所述時間間隔通過存儲相位的、在測量時刻的當(dāng)前值來測量相位的值，其中相位的值被連續(xù)地確定。替換地，這些節(jié)點被設(shè)置用于僅僅在測量時刻測量相位的值并且存儲所測得的值。
在一個優(yōu)選的進一步構(gòu)型中，為了確定距離而由第一相位的第一值和第二值以及由第二相位的第三值和第四值計算出相位差。優(yōu)選地，所述計算根據(jù)以下公式進行
在此，所述公式還包括它的項的所有代數(shù)變形。在所述中，

是第一相位的第一值而

是第一相位的第二值。

是第二相位的第三值而

是第二相位的第四值。
以上所述的這些進一步構(gòu)型方案不僅單獨地是有利的而且其組合也是特別有利的。在此情況下，所有的進一步構(gòu)型方案可不同地組合。在結(jié)合附圖對實施例的描述中對一些可能的組合進行說明。但那里所述的進一步構(gòu)型方案的組合的可能性并未窮盡。



以下根據(jù)附圖通過實施例來進一步描述本發(fā)明。
附圖示出 圖1a無線電網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點的示意性框圖， 圖1b第一示意圖， 圖2第二示意圖， 圖3a和3b第三示意圖， 圖4a和4b接收機的一部分的示意性框圖， 圖5具有無線電網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點的相位測量的第四示意圖， 圖6具有無線電網(wǎng)絡(luò)的兩個節(jié)點的相位測量的第五示意圖。

具體實施例方式 具有多個節(jié)點的無線電網(wǎng)絡(luò)中的距離測量可基于相位測量。在此，相繼地發(fā)送具有頻率fa的、優(yōu)選未經(jīng)調(diào)制的載波信號以及具有頻率fb的、未經(jīng)調(diào)制的載波信號。這些頻率僅僅相差一個小的頻率差Δf。在接收機中，對所接收的波的相位進行分析并且將其存儲為測量值

和

由此可以計算出各站之間的距離d
在此，c是光速。
圖1中示出了第一節(jié)點A和第二節(jié)點B的兩個電路，其中節(jié)點A、B都不作為純有源反射器工作。第一節(jié)點A的電路具有可與或已與天線10連接的發(fā)射機/接收機電路130(TRX)，借助作為參考時鐘發(fā)生器(XOSC1)的石英振蕩器110以及鎖相環(huán)120(PLL-Phase Locked Loop)向所述發(fā)射機/接收機電路提供第一本地振蕩器信號LO1。由所述發(fā)射機/接收機電路130、所述鎖相環(huán)120和所述參考時鐘發(fā)生器110組成的裝置也可被稱為無線電臺100。
此外，第一節(jié)點A的電路還具有分頻器150，所述分頻器150在圖1的實施例中通過分頻因子DF——例如8——對參考時鐘發(fā)生器110的第一參考信號XOSC1的第一參考頻率f(XOSC1)進行分頻，用于提供具有頻率f(SV1)的第一比較信號SV1，所述頻率f(SV1)與中間頻率ZF2相同并且例如約為2MHz。第一節(jié)點A的電路的相位測量電路140(PMU-PhaseMeasurement Unit相量測量單元)的輸入端與分頻器150和發(fā)射機/接收機電路130相連接。發(fā)射機/接收機電路130被構(gòu)造用于將從第二節(jié)點B接收的載波信號RF2下混頻到中間頻率信號ZF2。所述中間頻率信號ZF2在圖1的實施例中具有約為2MHz的中間頻率f(ZF2)。
借助相位測量電路140測量所接收到的信號RF2的相位

所述相位測量電路140也可被稱為鑒相器。所述測量在中間頻率層上進行，因為在發(fā)射機/接收機電路130的混頻器中的頻率轉(zhuǎn)換時，由第二節(jié)點B所發(fā)送的載波信號RF2的相位保持不變。相位測量電路140被構(gòu)造用于測量中間頻率信號ZF2與作為比較信號SV1的經(jīng)分頻的參考頻率之間的相位差。相位

的測量值優(yōu)選被存儲。
在圖1的實施例中，第二節(jié)點B的電路的結(jié)構(gòu)與第一節(jié)點A的電路的結(jié)構(gòu)相同。第二節(jié)點B的電路同樣具有發(fā)射機/接收機電路230，所述發(fā)射機/接收機電路可與或已與天線20連接。借助作為參考時鐘發(fā)生器(XOSC2)的石英振蕩器210以及鎖相環(huán)220向發(fā)射機/接收機電路230提供第二本地振蕩器信號LO2。由發(fā)射機/接收機電路230、鎖相環(huán)220和參考時鐘發(fā)生器210組成的裝置也可被稱為無線電臺200。
第二節(jié)點B的電路同樣具有分頻器250，所述分頻器250用于在相位測量電路240的輸入端上提供第二比較信號SV2。分頻器250與第二節(jié)點的電路的參考時鐘發(fā)生器210連接，以便以因子DF——例如8——對參考時鐘發(fā)生器210的第二參考信號XOSC2的參考頻率f(XOSC2)進行分頻。借助相位測量電路240測量所接收到的信號RF1的相位

為此，相位測量電路240的輸入端與發(fā)射機/接收機電路230的輸出端相連接。相位測量電路240被構(gòu)造用于測量中間頻率信號ZF1與比較信號SV2之間的相位差。相位

的測量值優(yōu)選被存儲。
參考時鐘發(fā)生器110和210被構(gòu)造成石英振蕩器并且彼此去耦。由于制造波動或不同溫度，第一節(jié)點A的參考時鐘發(fā)生器110的第一頻率f(XOSC1)與第二節(jié)點B的參考時鐘發(fā)生器210的頻率f(XOSC2)可以彼此不同。如果第一節(jié)點A的參考時鐘發(fā)生器110的頻率f(XOSC1)與第二節(jié)點B的參考時鐘發(fā)生器210的頻率f(XOSC2)是不同步的，則為了考慮取決于第一參考時鐘發(fā)生器與第二參考時鐘發(fā)生器之間的頻率偏移量的相位誤差，第一節(jié)點A中的相位測量與第二節(jié)點B中的相位測量的時間同步是必需的。
圖1b中示出了頻率示意圖。在圖1a中示出的兩個節(jié)點A、B使用例如為2MHz的、相同的(低的)中間頻率fZF。在此，在圖1a和1b中僅僅示出了中間頻率的量值。這些中間頻率fZF的區(qū)別在于符號(未示出)。節(jié)點A、B的兩個發(fā)射機/接收機電路(收發(fā)機)工作在不同的中間頻率位置上。通過相應(yīng)邊帶的濾波將這些發(fā)射機/接收機電路中的一個發(fā)射機/接收機電路轉(zhuǎn)換到另一節(jié)點A/B的、相反的中間頻率位置上。
例如，第一節(jié)點A在振蕩器頻率fLOA1＝2404MHz上進行發(fā)送并且在接收頻率fEA1＝2402MHz上進行接收。那么，第二節(jié)點B在振蕩器頻率fLOB1＝2402MHz上進行發(fā)送并且在接收頻率fEB1＝2404MHz上進行接收。為了進行測量距離，使振蕩器頻率fLOA1和fLOB1改變同一頻率步長Δf，所述頻率步長Δf可以是正的或者負(fù)的。如果頻率步長Δf＝+10MHz，則第一節(jié)點A在振蕩器頻率fLOA2＝2414MHz上進行發(fā)送并且在接收頻率fEA2＝2412MHz上進行接收，其中第二節(jié)點B在振蕩器頻率fLOB2＝2412MHz進行發(fā)送并且在接收頻率fEB2＝2414MHz上進行接收。發(fā)送頻率fLOA1、fLOA2、fLOB1、fLOB2以及接收頻率fEA1，fEA2，fEB1，fEB2分別相差相同的中間頻率fZF。
因此，第一節(jié)點A的接收頻率高于用于產(chǎn)生第一節(jié)點A中的本地振蕩器信號LO1的鎖相環(huán)(PLL)120的頻率并且第二節(jié)點B的接收頻率低于用于產(chǎn)生第二節(jié)點B中的本地振蕩器信號LO2的鎖相環(huán)(PLL)220的頻率。在此特別有利的是，不必為了節(jié)點A、B之間的兩個方向上的兩次測量轉(zhuǎn)換鎖相環(huán)120、220的頻率，從而不必進行鎖相環(huán)120、220的暫態(tài)振蕩過程。從而獲得了更好的相位穩(wěn)定性(Phasenkonstanz)，并且因此獲得更高的測量精度。兩個鎖相環(huán)120、220僅須在頻率步長Δf之后短暫地暫態(tài)振蕩。
第一節(jié)點A的發(fā)射機/接收機電路130具有差分復(fù)數(shù)混頻器310、310’以及差分復(fù)數(shù)濾波器320、320’。第二節(jié)點B的發(fā)射機/接收機電路230同樣具有差分復(fù)數(shù)混頻器310、310’以及差分復(fù)數(shù)濾波器320、320’，如示例性地在圖4a和4b中示意性示出的那樣。
例如，第一節(jié)點A中所接收到的信號RF借助復(fù)數(shù)混頻器310、310’下混頻至中間頻率信號ZF并且借助第一節(jié)點A的第一復(fù)數(shù)邊帶濾波器320、320’在振蕩器信號LO的第一振蕩器頻率fLOA1、fLOA2以下濾波。第二節(jié)點B中所接收到的信號RF借助復(fù)數(shù)混頻器310、310’下混頻至中間頻率信號ZF并且借助第二節(jié)點B的第二復(fù)數(shù)邊帶濾波器320、320’在第二頻率fLOB1、fLOB2以上濾波。在此，可以替換地使用圖4a和4b的兩個實施例。
在圖4a和4b的實施例中，在混頻器310、310’和邊帶濾波器320、320’上施加作為差分信號的同相分量I——實數(shù)部分和正交相分量——虛數(shù)部分。通過借助開關(guān)裝置330、330’的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)上邊帶或下邊帶的濾波。開關(guān)裝置330、330’在圖4a和4b的實施例中被構(gòu)造為交叉開關(guān)，所述交叉開關(guān)在圖4a的實施例中導(dǎo)致正交相Q的180°的相位翻轉(zhuǎn)并且在圖4b的實施例中導(dǎo)致同相I的180°的相位翻轉(zhuǎn)，以便調(diào)節(jié)待濾波的邊帶。通過控制電路160或260來控制開關(guān)裝置330、330’，所述控制電路160或260例如可以是節(jié)點A、B的微控制器。
除控制開關(guān)裝置330或330’外，第一節(jié)點A的控制電路160被設(shè)置用于在至少兩個預(yù)先確定的時刻t2、t4觸發(fā)相位

的測量。為了控制在至少兩個預(yù)先確定的時刻t2、t4的相位測量，控制電路160例如與相位測量電路140的控制輸入端en連接。例如，在至少兩個預(yù)先確定的時刻t2和t4計算相位

的值或者在至少兩個預(yù)先確定的時刻t2和t4存儲連續(xù)計算出的相位

的當(dāng)前值。同樣地，第二節(jié)點B的控制電路260被設(shè)置用于在至少兩個預(yù)先確定的時刻t1、t3觸發(fā)相位

的測量。為了控制在至少兩個預(yù)先確定的時刻t1、t3的相位測量，控制電路260例如與相位測量電路240的控制輸入端en連接。
在此，第一節(jié)點A中的控制電路160的至少兩個預(yù)先確定的時刻t2、t4之間的時間間隔與第二節(jié)點B中的控制電路260的至少兩個預(yù)先確定的時刻t1、t3之間的時間間隔是相同的。因此，第一頻率的相位測量之間的時間間隔與第二頻率的相位測量之間的時間間隔在頻率步長Δf之后同樣是相同的。如果應(yīng)在其他的(載波)頻率情況下測量其他的相位，則也可以通過控制電路160、260以相同的時間間隔控制這些相位測量。
此外，第一節(jié)點A的控制電路160被設(shè)置用于控制鎖相環(huán)120中的第一乘數(shù)因子。第二節(jié)點B的控制電路260被設(shè)置用于控制第二節(jié)點B的鎖相環(huán)220中的第二乘數(shù)因子。通過這些乘數(shù)因子來控制第一節(jié)點A和第二節(jié)點B的振蕩器信號LO1、LO2的、相差所述中間頻率的頻率。例如，逐級地改變振蕩器信號LO1、LO2的頻率。
圖5中示意性地示出了用于相位測量的測量過程的圖。在用于測量第一節(jié)點A與第二節(jié)點B之間的距離的方法中，具有載波頻率f3的第一未經(jīng)調(diào)制的載波信號由第一節(jié)點A發(fā)送并且由第二節(jié)點B接收。具有載波頻率f1的第二未經(jīng)調(diào)制的載波信號由第二節(jié)點B發(fā)送并且由第一節(jié)點A接收。所述載波頻率f1與所述載波頻率f3相差一個中間頻率fZF的量值。在圖5的實施例中，這兩個節(jié)點中的中間頻率fZF是相同的。
第一節(jié)點A在第一測量時刻t2測量第一相位的第一值

第二節(jié)點B在第三測量時刻t1測量第二相位的第三值
在此之后，使載波頻率f3提高一個頻率差Δf至更高的載波頻率f4。同時，使載波頻率f1提高相同的頻率差Δf至更高的載波頻率f2。以更高的載波頻率f4，第一未經(jīng)調(diào)制的載波信號由第一節(jié)點A發(fā)送并且由第二節(jié)點B接收。以更高的載波頻率f2，第二未經(jīng)調(diào)制的載波信號由第二節(jié)點B發(fā)送并且由第一節(jié)點A接收。更高的載波頻率f4與更高的載波頻率f2同樣相差一個中間頻率fZF的量值。在圖5的實施例中，兩個節(jié)點中的中間頻率fZF也是相同的。
在提高載波頻率f2、f4之后，第一節(jié)點A在第二測量時刻t4測量第一相位的第二值

第二節(jié)點B在第四測量時刻t3測量第二相位的第四值

在圖5和6中以陰影標(biāo)記的各個中間階段中，第一節(jié)點A和第二節(jié)點B在發(fā)送TX和接收RX之間進行轉(zhuǎn)換。在此獲得如下技術(shù)效果不必為了節(jié)點A、B之間的兩個方向上的兩次測量轉(zhuǎn)換鎖相環(huán)120、220的頻率，從而不進行鎖相環(huán)120、220的暫態(tài)振蕩過程。
在圖5的理論上的情形中，在用于向第一節(jié)點A的鎖相環(huán)120提供時鐘的第一參考時鐘發(fā)生器110與用于向第二節(jié)點B的鎖相環(huán)220提供時鐘的第二參考時鐘發(fā)生器210的頻率f(XOSC1，XOSC2)之間不存在頻率偏移量。首先，圖5示出了理論上的情形，即這些參考時鐘發(fā)生器的頻率f(XOSC1，XOSC2)精確相同。即所測得的相位

在時間t上是恒定的。
在圖5的實施例中，鎖相環(huán)120、220需要例如50μs或更少時間進行暫態(tài)振蕩。此后，在時刻t3和t4對于頻率f4和f2重復(fù)兩個相位測量M2，其中在第一節(jié)點A中確定第一相位的第二相位值

并且在第二節(jié)點B中確定第二相位的第四相位值

因此，第一相位的第一值

對應(yīng)于載波頻率f1并且第二相位的第三值

對應(yīng)于載波頻率f3。第一相位的第二值

對應(yīng)于更高的載波頻率f4。第二相位的第四值

對應(yīng)于更高的載波頻率f2。
由相位值

和

計算出相位差

通過變形得到
因此可以計算出距離d
與圖5的理論上的示圖不同，在實際中節(jié)點A、B具有參考時鐘發(fā)生器110、210，所述參考時鐘發(fā)生器110、210的頻率f(XOSC1)、f(XOSC2)例如由于制造公差或者不同的溫度而具有頻率偏移量。由此，各個接收節(jié)點中的相位

發(fā)生變化，如示意性地通過圖6中的相位變化曲線的斜坡所示的那樣。
測量時刻t1與t2之間的測量M1的相位變化對所確定的相位

造成一個相位誤差

如果相位測量M1、M2之間的時間間隔足夠小，則在測量M2中在測量時刻t3和t4產(chǎn)生相同的相位誤差

如果時間間隔t2-t1和t4-t3或者時間間隔t3-t1和t4-t2大小相同，則相位誤差

大小也相同并且在計算相位差

時(參見公式(2a/2b))消除。如果兩個節(jié)點A、B的參考時鐘發(fā)生器110、210如圖1a的實施例中那樣是不同步的，則由此也可以根據(jù)相位測量應(yīng)用距離測量。
為了解決多徑傳播的問題，有利地在全部可供使用的頻帶上實施相位測量。圖2中示出了測量M1、M2、M3等等的示意圖。執(zhí)行N+1次測量，其中由相鄰的頻率計算出N個相位差

為此所必需的是，將各個所測量出的相位

等等共同輸入到節(jié)點A、B的計算單元中。例如，相位

通過無線電網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)通信由第二節(jié)點B傳輸?shù)降谝还?jié)點A。
對于兩個相位差的計算有
以及
或者對于任意數(shù)目的相位差普遍有
每個相位差都可借助公式
換算到距離dN。由于多徑傳播，這些距離值dN明顯不同。
在用于分析N個距離測量的第一實施例中，計算這些距離值dN的平均值。仿真已經(jīng)表明如果多徑傳播適度，那么所述方法導(dǎo)致相對準(zhǔn)確的結(jié)果。即信道沖激響應(yīng)的最短連接(Line-of-Sight視距)的分量占主導(dǎo)地位。
在用于分析N個距離測量的第二實施例中，附加地在節(jié)點A、B中測量接收信號的幅值并且對于每個頻率存儲所述幅值。對于每個頻率，由幅值和相位計算出復(fù)數(shù)的頻譜分量
通過快速傅立葉逆變換(IFFT)，由N個頻譜值計算出信道沖激響應(yīng)。通過尋找算法(Suchalgorithmus)可以找到第一脈沖(最短連接的分量)并且因此找到其傳輸時間。所述方法比平均值計算代價大得多，但在強的多徑傳播的情況下也提供可靠的結(jié)果。
在圖3a和3b中以示意圖的形式示出了測量方法的過程。第一節(jié)點A初始化距離測量并且在步驟1中向第二節(jié)點B發(fā)送一個幀，以便借助命令執(zhí)行距離測量。在此，發(fā)送頻率fTX調(diào)節(jié)到信道頻率fch上，以便在無線電網(wǎng)絡(luò)中進行通信。借助所述幀向第二節(jié)點B傳輸用于邊帶濾波的調(diào)節(jié)。替換地，也可以固定地預(yù)先給定節(jié)點A、B中的哪一個節(jié)點濾出上邊帶或者下邊帶。此外，向第二節(jié)點B傳輸測量頻率序列或者頻率步長。替換地，也可以固定地預(yù)先給定用于相位測量的測量頻率序列。
在圖3a的方法的步驟2中，第二節(jié)點B向第一節(jié)點A發(fā)送用于距離測量的其他方法過程的時間同步的幀F(xiàn)sync。用于時間同步的幀F(xiàn)sync例如是標(biāo)準(zhǔn)幀，所述標(biāo)準(zhǔn)幀根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(例如工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4)構(gòu)造并且可以具有例如前導(dǎo)、數(shù)據(jù)頭以及待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在此，為了進行同步不需要傳輸數(shù)據(jù)，從而可以傳輸一個空幀。在此，用于時間同步的幀F(xiàn)sync的傳輸所需的時間是已知的，即通過第二節(jié)點B的發(fā)送以及通過第一節(jié)點A的接收所需的時間是已知的。第二節(jié)點從所發(fā)送的幀F(xiàn)sync的結(jié)束時刻TXE起啟動具有長度tAS的定時器，所述定時器在距離測量開始時結(jié)束。第一節(jié)點A同樣啟動具有長度tBS的定時器，所述定時器同樣在距離測量開始時結(jié)束。通過所接收的、用于時間同步的幀F(xiàn)sync中的時刻SFD(SFD在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4中對應(yīng)于幀中的前導(dǎo)的結(jié)束的指示符)的確定來啟動第一節(jié)點的A的定時器。
從第二節(jié)點B的定時器的到期起，確定用于測量相位的測量時刻t1、t3、t5等等。從第一節(jié)點的定時器的到期起，確定用于測量相位的測量時刻t2、t4、t6等等。在此，對于距離的確定所必需的是，第二節(jié)點B中的測量時刻t1、t3、t5等等之間的時間間隔與第一節(jié)點中的測量時刻t2、t4、t6等等之間的時間間隔是相同的并且是恒定的。所述時間間隔是預(yù)先確定的?？梢怨潭ǖ貙崿F(xiàn)所預(yù)先確定的時間間隔。替換地，為了預(yù)先確定而在節(jié)點A、B之間對時間間隔進行協(xié)商。除圖3a中所示的測量時刻外，對于N次測量，具有相同時間間隔的其他測量時刻是必需的，這些測量時刻未在圖3a的簡化示圖中示出。
在步驟3中將發(fā)送頻率fTX從之前的通信頻率fch轉(zhuǎn)換至最低的頻率。在此，本地振蕩器的本地頻率大約相差中間頻率信號ZF的中間頻率。在直到定時器到期的時間tAS和tBS內(nèi)，節(jié)點A、B的鎖相環(huán)160、260暫態(tài)振蕩。對于節(jié)點A，在圖3中示意性地示出ISM頻帶中的最低頻率到例如值2404MHz的調(diào)節(jié)。首先，節(jié)點A在發(fā)送模式TX中進行發(fā)送。在此期間，第二節(jié)點B在接收模式RX中進行接收并且在時刻t1測量相位并且存儲相位值。隨后第二節(jié)點B在不改變它的本地振蕩器的頻率的情況下進行發(fā)送，而在第一節(jié)點A中在測量時刻t2測量并且存儲相位值。
此后，每個節(jié)點中的發(fā)送頻率fTX被提高一個頻率步長Δf，并且鎖相環(huán)再次重新暫態(tài)振蕩，其中節(jié)點A、B的本地振蕩器之間的頻率偏移量與中間頻率信號ZF的中間頻率相同。此后，在測量時刻t3和t4測量并且存儲新的相位值。所述過程一直重復(fù)直至頻帶中的最高頻率2480MHz。在圖2b中示意性地示出所述提高。因此，在步驟3中以不同的發(fā)送頻率fTX實施N次測量。
在步驟4中，兩個節(jié)點A、B轉(zhuǎn)換回網(wǎng)絡(luò)頻率fch。第二節(jié)點B借助無線電網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)通信向第一節(jié)點A發(fā)回已測量并且已存儲的相位值。在步驟5中，節(jié)點A由這些相位信息和自己的相位測量計算出節(jié)點A、B之間的距離d。
本發(fā)明并不限于圖1a至6所示的構(gòu)型方案。例如，還可以設(shè)置另一個用于相位測量的頻率序列——例如從最高的發(fā)送頻率fTX到最低的發(fā)送頻率fTX。
附圖標(biāo)記 100、200 無線電臺、收發(fā)機 110、210 參考時鐘發(fā)生器、石英振蕩器 120、220 鎖相環(huán) 130、230 發(fā)射機/接收機電路 140、240 相位測量電路、鑒相器 150、250 分頻器 160、260 控制電路 310、310’復(fù)數(shù)混頻器 320、320’復(fù)數(shù)濾波器 330、330’開關(guān)裝置、交叉開關(guān) 340、340’控制電路 A、B 節(jié)點 I 同相信號 Q 正交相信號 RF、RF1、RF2 無線電信號 ZF、ZF1、ZF2 中間頻率信號 TX發(fā)送模式 RX接收模式 fEA1、fEA2、fEB1、fEB2接收頻率 fLOA1、fLOA2、fLOB1、fLOB2振蕩器頻率 Δf 頻率步長 f1、f2、f3、f4、fTX 發(fā)送頻率 DF分頻因子 fch 網(wǎng)絡(luò)頻率、通信信道 M1、M2、M3測量

相位


所確定的相位

相位誤差

相位差 tAS、tBS 定時器長度 TXE、SFD 定時器啟動時刻 t 時間 t1、t2、t3、t4、t5、t6測量時刻 Fsync 用于時間同步的幀 N 測量次數(shù) S 信號 TX發(fā)送 RX接收
權(quán)利要求
1.用于測量一無線電網(wǎng)絡(luò)的一第一節(jié)點(A)與一第二節(jié)點(B)之間的距離的方法，
其中，具有一第一頻率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)的一第一信號(RF1)由所述第一節(jié)點(A)發(fā)送并且由所述第二節(jié)點(B)通過下混頻到一第一中間頻率(fZF)接收，
其中，對于所述第一頻率的一第一頻率值(f3，fLOA1)，由所述第二節(jié)點(B)確定一第一相位的一第一值
其中，具有一第二頻率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)的一第二信號(RF2)由所述第二節(jié)點(B)發(fā)送并且由所述第一節(jié)點(A)通過下混頻到一第二中間頻率(fZF)接收，
其中，對于所述第二頻率的一第一頻率值(f1，fLOB1)，由所述第一節(jié)點(A)測量一第二相位的一第一值
其中，改變所述第一頻率和所述第二頻率，其方式是，所述第一頻率的一第二頻率值(f4，fLOA2)與所述第一頻率的所述第一頻率值(f3，fLOA1)具有一頻率差(Δf)，并且所述第二頻率的一第二頻率值(f2，fLOB2)與所述第二頻率的所述第一頻率值(f1，fLOB1)具有所述頻率差(Δf)，
其中，對于所述第一頻率的所述第二頻率值(f4，fLOA2)，由所述第二節(jié)點(B)確定所述第一相位的一第二值
其中，對于所述第二頻率的所述第二頻率值(f2，fLOB2)，由所述第一節(jié)點(A)確定所述第二相位的一第二值
其中，所述第一和第二中間頻率(fZF)的量值相等，
其中，所述第一信號(RF1)的所述第一頻率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)與所述第二信號(RF2)的所述第二頻率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)彼此間隔所述第一和第二中間頻率(fZF)的量值，
其中，由所述第一相位的所述第一值
和所述第二值
由所述第二相位的所述第一值
和所述第二值
以及由所述頻率差(Δf)計算出所述第一節(jié)點(A)與所述第二節(jié)點(B)之間的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，
其中，所述第二信號(RF2)由所述第一節(jié)點(A)接收并且在下邊帶中在所述第一頻率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)以下通過所述第一節(jié)點(A)的的一第一邊帶濾波器(320、320’)，以及
其中，所述第一信號(RF1)由所述第二節(jié)點(B)接收并且在上邊帶中在所述第二頻率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)以上通過所述第二節(jié)點(B)的一第二邊帶濾波器(320、320’)。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，以一時間間隔時間錯開地發(fā)送所述第一信號(RF1)和所述第二信號(RF2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，
其中，由所述第一相位的多個所確定的值
以及所述第二相位的多個所確定的值
計算所述距離，
其中，為了多次確定，改變、尤其是逐步地改變所述第一頻率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)以及所述第二頻率(f1，f2、fLOB1，fLOB2)的頻率值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，對于所述第一頻率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)以及所述第二頻率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)的頻率值的每次改變，以相同的時間間隔時間錯開地發(fā)送所述第一信號和所述第二信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，對于所述頻率的已改變的頻率值(f1，f2，f3，f4，fLOA1，fLOA2，fLOB1，fLOB2)，在所述兩個節(jié)點(A，B)中在時間上彼此等距地進行所述相位的值
的所述多次確定。
7.一無線電網(wǎng)絡(luò)的一節(jié)點(B)的電路，
所述電路具有一收發(fā)機(200)，所述收發(fā)機(200)用于通過下混頻至一中間頻率(fZF)來接收具有一第一頻率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)的一第一信號(RF1)，
所述電路具有一相位測量電路(240)，所述相位測量電路(240)被設(shè)置用于對于所述第一頻率的一第一頻率值(f3，fLOA1)測量一第一相位的一第一值
其中，所述收發(fā)機被設(shè)置用于為了確定一第二相位的一第一值
而發(fā)送具有一第二頻率的一第一頻率值(f1，fLOB1)的一第二信號(RF2)，
其中，控制電路(260)被設(shè)置用于改變所述第一頻率和所述第二頻率，其方式是，所述第一頻率的一第二頻率值(f4，fLOA2)與所述第一頻率的所述第一頻率值(f3，fLOA1)具有一頻率差(Δf)并且所述第二頻率的一第二頻率值(f2，fLOB2)與所述第二頻率的所述第一頻率值(f1，fLOB1)具有所述頻率差(Δf)，
其中，所述相位測量電路(240)被設(shè)置用于對于所述第一頻率的所述第二頻率值(f4，fLOA2)測量所述第一相位的一第二值
其中，所述收發(fā)機被構(gòu)造用于為了確定所述第二相位的一第二值
而發(fā)送具有所述第二頻率的一第二頻率值(f2，fLOB2)的所述第二信號(RF2)，
其中，所述第一信號(RF1)的所述第一頻率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)與所述第二信號(RF2)的所述第二頻率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)彼此間隔所述中間頻率(fZF)的量值，
其中，所述電路被設(shè)置用于借助所述收發(fā)機(200)發(fā)送所述第一相位的值
和/或接收所述第二相位的值
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電路，所述電路被設(shè)置用于由所述第一相位的所述第一值
和所述第二值
由所述第二相位的所述第一值
和所述第二值
以及由所述頻率差(Δf)計算出至一個另外的節(jié)點的距離。
9.一無線電網(wǎng)絡(luò)的一節(jié)點(B)的電路，尤其是根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電路，
所述電路具有一控制電路(160，260)，所述控制電路(160，260)被設(shè)置用于控制一用于距離測量的模式，
所述電路具有一本地振蕩器(210，220)，所述本地振蕩器(210，220)用于所述距離測量的一發(fā)送頻率和/或一接收頻率(f1，f2，f3，f4，fLOA1，fLOA2，fLOB1，fLOB2)的調(diào)節(jié)，
所述電路具有一邊帶濾波器(320，320’)，用于對所述距離測量的接收信號的濾波，
所述電路具有一開關(guān)裝置(330，330’)，所述開關(guān)裝置(330，330’)與所述控制電路(260)連接用于對一開關(guān)位置的控制，
其中，所述邊帶濾波器(320，320’)與所述開關(guān)裝置(330，330’)連接用于所述濾波在上邊帶與下邊帶之間的轉(zhuǎn)換，以及
其中，所述控制電路(260’)被設(shè)置用于根據(jù)所述用于距離測量的模式控制所述濾波的轉(zhuǎn)換。
10.具有一無線電網(wǎng)絡(luò)的一第一節(jié)點(A)與一第二節(jié)點(B)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)被設(shè)置用于實施根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的電路以及用于距離測量的方法，其中所述電路具有用于通過下混頻至中間頻率來接收具有第一頻率的第一信號的收發(fā)機以及被設(shè)置用于對于第一頻率的第一頻率值測量第一相位的第一值的相位測量電路；收發(fā)機被設(shè)置用于為了確定第二相位的第一值發(fā)送具有第二頻率的第一頻率值的第二信號；控制電路被設(shè)置用于改變第一頻率和第二頻率，其方式是，第一頻率的第二頻率值與第一頻率的第一頻率值具有一頻率差并且第二頻率的第二頻率值與第二頻率的第一頻率值具有所述頻率差；相位測量電路被設(shè)置用于對于第一頻率的第二頻率值測量第一相位的第二值；第一信號的第一頻率與第二信號的第二頻率彼此間隔中間頻率的量值。
文檔編號G01S13/26GK101825706SQ200910263720
公開日2010年9月8日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者W·克盧格, E·薩克塞 申請人:愛特梅爾汽車股份有限公司