專利名稱：用于測量發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的信號(hào)時(shí)延的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)UWB發(fā)射機(jī)和FSCW接收機(jī)之間的信號(hào)時(shí)延進(jìn)行測量的方法。
背景技術(shù)：
精準(zhǔn)確定無線電發(fā)射機(jī)的位置或者說該無線電發(fā)射機(jī)與基站或者類似物的距離例如在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有意義。其中，除了需要省錢省電的測量系統(tǒng)，尤其是為了運(yùn)用到封閉的空間或大廳中，由于可能存在干擾性多途徑反射，所以需要使用高解析度的測量系統(tǒng)，以避免距離測量中出現(xiàn)錯(cuò)誤。例如UWB (ultra wide band或者說超寬帶)信號(hào)提供較大的信號(hào)帶寬，并且因此能確保得到較高的解析度和更高的準(zhǔn)確度。為了確定位置或者間距，已知各種各樣的方法，這些方法例如利用光學(xué)信號(hào)、超聲波信號(hào)或者無線電傳感器。通常會(huì)追溯到間距和信號(hào)的時(shí)延之間明確的相互關(guān)系，也就是說，最終也如本發(fā)明中的一樣是進(jìn)行時(shí)延測量。因此，接下來在原則上可以將概念“間距測量”和“時(shí)延測量”當(dāng)做同義詞。尤其是在無線電信號(hào)的幫助下進(jìn)行間距測量的方法可以被歸納成三大類-以通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)這類會(huì)使用主要用于通訊目的的信號(hào)來測量距離。因?yàn)樵谠S多通訊系統(tǒng)中，對(duì)同步性的要求不高或者說提供的無線電帶寬很窄，所以間距測量不可能獲得高的精確度。-FMCW-/FSCW解決方案這類系統(tǒng)在ISM(工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)藥)頻段中工作，并且使得可以類似于經(jīng)典的FMCW(frequency modulated continuous wave頻率調(diào)制連續(xù)波)雷達(dá)一樣通過調(diào)諧發(fā)送頻率確定距離值。其中，一方面使用以傳輸為基礎(chǔ)的、或者說所謂的“背散射”(Backscatter)解決方案，并且另一方面使用可以與之同步的接收機(jī)。這些系統(tǒng)在其使用方面局限于為其解除管制的頻段。通常是ISM頻段，其中，例如在MGHz頻段中提供80MHz的帶寬，并且在5. 8GHz頻段中提供150MHz的帶寬。-UWB系統(tǒng)這些系統(tǒng)采用新的管理規(guī)定，其允許發(fā)送帶寬大、卻具有非常小的光頻譜功率密度的信號(hào)。相應(yīng)的UWB系統(tǒng)例如由US7418029B2、US2006/033662A1或US60M950A中已知。這些接收機(jī)結(jié)構(gòu)例如可以是帶有功率檢測器的非相干接收機(jī)，其中，在進(jìn)行純粹的功率檢測時(shí)，距離測量的準(zhǔn)確度會(huì)下降。另一方面也可以使用相干接收機(jī)，但是這些相干接收機(jī)或者需要很長的關(guān)聯(lián)時(shí)間或者需要極高的取樣頻率。通常接收機(jī)由關(guān)聯(lián)單元組成，其中，將接收到的脈沖頻率與本地產(chǎn)生的頻率進(jìn)行關(guān)聯(lián)。然而實(shí)現(xiàn)這種接收機(jī)耗費(fèi)較高，因?yàn)槟壳斑€沒有商業(yè)化的IC組件。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的提供一種簡單的用于確定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的間距的解決方案。該目的通過獨(dú)立權(quán)利要求中給出的內(nèi)容得以實(shí)現(xiàn)。有利的改進(jìn)方案由從屬權(quán)利要求中得出。
在根據(jù)本發(fā)明的用于確定UWB發(fā)射單元和FSCW接收單元之間的信號(hào)的時(shí)延τ的方法中，-在第一步驟中，由發(fā)射單元產(chǎn)生并發(fā)出脈沖式的發(fā)射信號(hào)Ste，其中，該發(fā)射信號(hào)Str具有帶有多條頻線W的寬帶頻譜SPEKr，-在第二步驟中，發(fā)出的信號(hào)Ste被接收單元接收，其中，接收的信號(hào)Sn具有帶有多條頻線m的寬帶頻譜SPEKM,-在第三步驟中，在接收單元中確定出接收的信號(hào)Srx的信道脈沖響應(yīng)hn，并且-在第四步驟中，從信道脈沖響應(yīng)hn中確定出時(shí)延τ。在有利的改進(jìn)方案中，在第二步驟后，首先從接收的信號(hào)Srx的寬帶頻譜SPEKn中選取部分頻譜TSPEKn,該部分頻譜覆蓋具有較窄帶寬Hm并且具有較少數(shù)量頻線m'的頻率范圍B。然后在第三步驟中借助所選的部分頻譜TSPEKm的頻線m'確定出信道脈沖響應(yīng)hm'。最后在第四步驟中從信道脈沖響應(yīng)hm'確定出時(shí)延τ。在所述方法的可代替的改進(jìn)方案中，這在多個(gè)分步驟k中(k= 1，2，3，...)實(shí)現(xiàn)，其中，-在第二步驟后，首先從接收的信號(hào)Sn的寬帶頻譜SPEKm中選取部分頻譜TSPEKn(k)，該部分頻譜覆蓋具有較窄帶寬Hmi并且具有較少數(shù)量頻線m'的頻率范圍B (k)，其中，在每個(gè)分步驟k中選擇另窄帶的部分頻譜TSPEKn (k)，-在第三步驟中借助所選的部分頻譜TSPEK,x(k)的頻線m'確定出信道脈沖響應(yīng)hm' (k)，并且-在第四步驟中從該信道脈沖響應(yīng)hm'(k)中確定出時(shí)延τ。在該代替方案的改進(jìn)方案中，在用于選取部分頻譜TSPEKm (k)的分步驟k中，生成頻率為的基準(zhǔn)信號(hào)^(k)，尤其是本地振蕩器信號(hào)，其中-所接收的信號(hào)Srx在混頻器中與LO信號(hào)(k)進(jìn)行降頻混合，并且從混頻器最終獲得的輸出信號(hào)中選出窄帶的頻率范圍B(k)。在此，基準(zhǔn)信號(hào)^ (k)的頻率& = fL0 (k)針對(duì)單個(gè)分步驟k階段性地改變。在根據(jù)本發(fā)明的用于測量發(fā)射單元和接收單元之間的信號(hào)時(shí)延τ的間距測量裝置中提出，所述發(fā)射單元-被構(gòu)造成超寬帶發(fā)射機(jī)，該超寬帶發(fā)射機(jī)適合于發(fā)送脈沖式的發(fā)射信號(hào)Ste，其中，該發(fā)射信號(hào)Ste具有帶有多條頻線w的寬帶頻譜SPEKr，并且所述接收單元-具有FSCW接收機(jī)，用于接收所發(fā)出去的發(fā)射信號(hào)Ste，其中，接收的信號(hào)Sm包括有多條頻線m的寬帶頻譜SPEKm,并且-具有評(píng)估單元，所述評(píng)估單元被構(gòu)造成用于從接收的信號(hào)Srx中確定出信道脈沖響應(yīng)hn，并且從該信道脈沖響應(yīng)hn中確定出信號(hào)時(shí)延τ。在間距測量裝置的改進(jìn)方案中，所述接收單元還具有-可調(diào)節(jié)的本地振蕩器，用于產(chǎn)生本地振蕩器信號(hào)^(k)，其中，該本地振蕩器信號(hào)SM(k)具有頻率Uk)，該頻率可以在步驟k(k= 1，2，...)中進(jìn)行調(diào)節(jié)，-混頻器，所述接收的信號(hào)、和LO信號(hào)^(k)輸入到所述混頻器中并且在所述混頻器中被混合成為基帶信號(hào)，其中，利用該混頻器的輸出信號(hào)在評(píng)估單元中確定出信道脈沖響應(yīng)hn和信號(hào)時(shí)延
此外，所述接收單元具有濾波器，基帶信號(hào)輸入至所述濾波器中，并且在濾波器中可以從基帶信號(hào)的頻譜中選擇窄帶的部分頻譜TSPEKmGO，其中，不是用混頻器的輸出信號(hào)，而是用濾波器的輸出信號(hào)在評(píng)估單元中確定出信號(hào)脈沖響應(yīng)、和信號(hào)時(shí)延τ。本發(fā)明利用了 UWB發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和FSCW接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)-短的高頻脈沖也屬于由UWB發(fā)射機(jī)發(fā)射的UWB信號(hào)，正如在本發(fā)明中要用到的那樣。以具有優(yōu)點(diǎn)的方式，使用短的高頻脈沖使得可以構(gòu)造出省電的發(fā)射機(jī)。此外，這種信號(hào)由于其帶寬高并且延續(xù)時(shí)間短所以特別突出地適用于間距測量系統(tǒng)。-根據(jù)美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)FCC的規(guī)定，也僅允許發(fā)射脈沖式的、而非FWCW調(diào)制的信號(hào)。FSCW信號(hào)通常用在雷達(dá)技術(shù)中。由于在覆蓋一定時(shí)間段的頻率范圍內(nèi)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行評(píng)估，所以這類系統(tǒng)得益于高的處理增益。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)一方面在于簡單的UWB發(fā)射機(jī)構(gòu)造，另一方面在于已經(jīng)確立的窄帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)。在最簡單的情況下，發(fā)射機(jī)方面僅需要相干起振的脈沖發(fā)生器，它的重復(fù)頻率由振蕩器電路預(yù)先給定。相對(duì)于典型的UWB接收機(jī)系統(tǒng)，這里需要的是一種窄帶中頻(Zwischenfrequenz)構(gòu)造，它與FSCW系統(tǒng)的構(gòu)造差不多。與具有固定的關(guān)聯(lián)信號(hào)(K)的UWB相干接收機(jī)的情況不同的是，通過選擇測量持續(xù)時(shí)間也可以影響處理增益。此外，這種構(gòu)造方式使得可以準(zhǔn)相干地接收UWB信號(hào)。這包括要進(jìn)行評(píng)估的信號(hào)不是一下子被接收，而是相關(guān)地組合在一起。據(jù)此，也可以連帶使用相位信息進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)原理，為了準(zhǔn)確確定信號(hào)脈沖響應(yīng)，這是絕對(duì)必要的。特別具有優(yōu)點(diǎn)地，本發(fā)明被用于在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行定位和間距測量，在這些領(lǐng)域要求魯棒的解決方案和很高的解析度。


本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)由下面描述的實(shí)施例以及借助附圖得出。圖中示出了圖1是依據(jù)本發(fā)明的用于測量時(shí)延的裝置，圖2Α、B取決于時(shí)間和頻率的發(fā)射信號(hào)，圖3是接收頻譜的各條頻線的相位隨時(shí)間的變化情況，以及圖4是從接收信號(hào)的頻譜中截取的一個(gè)截取部分，它疊置在符合接收機(jī)本地振蕩器信號(hào)的不同頻率的各條線上。
具體實(shí)施例方式圖1示出移動(dòng)的發(fā)射單元100以及接收機(jī)200。該發(fā)射單元100除了天線130還具有脈沖發(fā)生器110，脈沖發(fā)生器在相干起振的振蕩器120的幫助下，以振蕩器120的平均頻率fte，例如ftr = 7. 25GHz，產(chǎn)生寬帶發(fā)射信號(hào)Ste，例如帶寬Br彡500MHz)。因此，頻譜由間隔為脈沖重復(fù)頻率fr印的頻線組成，這些頻線之間具有固定的相位關(guān)系。振蕩器120的輸出信號(hào)的形式和振蕩頻率fte確定了發(fā)射信號(hào)Ste的包絡(luò)(Einhuellenden)在頻譜中的形式和位置。通過相干地并且周期性地激勵(lì)振蕩器120，形成這些頻率線。其中，頻率線對(duì)應(yīng)的是相應(yīng)于周期性脈沖重復(fù)頻率的多倍的頻率。發(fā)射信號(hào)Ste在這里由多個(gè)脈沖組成，其中，兩個(gè)相互跟隨的脈沖具有時(shí)間間距1/frepo每個(gè)脈沖可以是與方波信號(hào)重疊的或者說相乘的余弦函數(shù)。發(fā)射信號(hào)Ste就可以被描述為
權(quán)利要求
1.用于確定UWB發(fā)射單元(100)和FSCW接收單元(200)之間的信號(hào)的時(shí)延τ的方法中，其中-在第一步驟中，由發(fā)射單元(100)產(chǎn)生并發(fā)出脈沖式的發(fā)射信號(hào)Ste，其中，所述發(fā)射信號(hào)Ste具有帶有多條頻線W的寬帶頻譜SPEKte,-在第二步驟中，所述發(fā)出的信號(hào)Ste被接收單元(200)接收，其中，所述接收的信號(hào)Sm具有帶有多條頻線m的寬帶頻譜SPEKm,-在第三步驟中，在所述接收單元O00)中確定出接收的信號(hào)SmW信道脈沖響應(yīng)hn，并且-在第四步驟中，從所述信道脈沖響應(yīng)、中確定出時(shí)延τ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，-在第二步驟后，首先從所述接收的信號(hào)Sn的寬帶頻譜SPEKm中選取部分頻譜TSPEKrx,該部分頻譜覆蓋具有較窄帶寬Hm并且具有較少數(shù)量頻線m'的頻率范圍B，-在第三步驟中借助所選的部分頻譜TSPEKm的頻線m'確定出信道脈沖響應(yīng)hm'，并且-在第四步驟中從該信道脈沖響應(yīng)hm'中確定出時(shí)延τ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在多個(gè)分步驟k中實(shí)現(xiàn)，k= 1，2，3，..，其中，-在第二步驟后，首先從所述接收的信號(hào)Sn的寬帶頻譜SPEKm中選取部分頻譜TSPEKn(k)，該部分頻譜覆蓋具有較窄帶寬Hmi并且具有較少數(shù)量頻線m'的頻率范圍B (k)，其中，在每個(gè)分步驟k中選擇另外的窄帶的部分頻譜TSPEKn(k)，-在第三步驟中借助所選的部分頻譜TSPEK,x(k)的頻線m'確定出所述信道脈沖響應(yīng)hm' (k)，并且-在第四步驟中從該信道脈沖響應(yīng)hm' (k)中確定出時(shí)延時(shí)長τ。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在用于選取部分頻譜TSPEKn(k)的分步驟k中，生成頻率為fM(k)的基準(zhǔn)信號(hào)SujGO,尤其是本地振蕩器信號(hào)，其中-所接收的信號(hào)Srx在混頻器(230)中與LO信號(hào)^(k)進(jìn)行降頻混合，并且-從所述混頻器(230)最終獲得的輸出信號(hào)中選出窄帶的頻率范圍B(k)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述基準(zhǔn)信號(hào)SM(k)的頻率 ·ω= ·ω(10針對(duì)單個(gè)分步驟k階段性地改變。
6.用于測量發(fā)射單元(100)和接收單元(200)之間的信號(hào)時(shí)延τ的間距測量裝置，其中，所述發(fā)射單元(100)-被構(gòu)造成超寬帶發(fā)射機(jī)，所述超寬帶發(fā)射機(jī)適合于發(fā)送脈沖式的發(fā)射信號(hào)Ste，其中，該發(fā)射信號(hào)Ste具有帶有多條頻線w的寬帶頻譜SPEKte,并且所述接收單元Q00)-具有FSCW接收機(jī)，用于接收所發(fā)出的發(fā)射信號(hào)Ste，其中，所述接收的信號(hào)Sm包括有多條頻線m的寬帶頻譜SPEKm,并且-具有評(píng)估單元O60)，所述評(píng)估單元被構(gòu)造成用于從接收的信號(hào)Srx中確定出信道脈沖響應(yīng)hn，并且從該信道脈沖響應(yīng)&中確定出信號(hào)時(shí)延τ。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的間距測量裝置，其特征在于，所述接收單元(200)還具有-可調(diào)節(jié)的本地振蕩器Ο40)，用于產(chǎn)生本地振蕩器信號(hào)Suj(k)，其中，該本地振蕩器信號(hào)SM(k)具有頻率Uk)，該頻率可以在步驟k(k= 1，2，...)中進(jìn)行調(diào)節(jié)，-混頻器030)，所述接收的信號(hào)Sn和LO信號(hào)Suj(k)輸入到所述混頻器中并且在所述混頻器中被混合成為基帶信號(hào)，其中，利用所述混頻器O30)的輸出信號(hào)在所述評(píng)估單元O60)中確定出信道脈沖響應(yīng)hn和信號(hào)時(shí)延τ。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的間距測量裝置，其特征在于，所述接收單元(200)還具有濾波器050)，所述基帶信號(hào)輸入至所述濾波器中，并且在所述濾波器中可以從基帶信號(hào)的頻譜中選擇窄帶的部分頻譜TSPEKm(k)，其中，不是用混頻器Q30)的輸出信號(hào)，而是用濾波器(250)的輸出信號(hào)在評(píng)估單元O60)中確定出所述信號(hào)脈沖響應(yīng)11 和所述信號(hào)時(shí)延τ。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)UWB發(fā)射機(jī)和FSCW接收機(jī)之間的信號(hào)時(shí)延τ進(jìn)行測量的方法。在該在多個(gè)分步驟k(k＝1，2，3，...)中實(shí)現(xiàn)的方法中，由發(fā)射單元產(chǎn)生并發(fā)出脈沖式的發(fā)射信號(hào)Str，其中，該發(fā)射信號(hào)Str具有帶有多條頻線w的寬帶頻譜SPEKtr，被發(fā)送的信號(hào)Str由接收單元接收，其中，接收的信號(hào)Srx具有帶有多條頻線m的寬帶頻譜SPEKrx，從接收的信號(hào)Srx的寬帶頻譜SPEKrx中選出具有較窄帶寬HLPR和較少數(shù)量頻線m′的頻率范圍B(k)，其中，在每個(gè)分步驟k中選擇另外的窄帶頻率范圍B(k)，借助所選的頻率范圍B(k)確定出信道脈沖響應(yīng)hm′，在第四步驟中從該信道脈沖響應(yīng)中確定出時(shí)延τ。
文檔編號(hào)G01S11/02GK102597800SQ201080048965
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者安德烈亞斯·澤洛夫, 約爾格·許特納, 羅蘭·吉爾利希 申請(qǐng)人:西門子公司