DE102004038836A1

DE102004038836A1 - Verfahren zur Entfernungsmessung in einem drahtlosen Trägerfrequenz-Kommunikationssystem und Trägerfrequenz-Kommunikationssystem zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102004038836A1
Application number: DE200410038836
Authority: DE
Inventors: Thomas Klement
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-02-23
Also published as: WO2006018355A1

Abstract

Erfindungsgemäß wird bei einem drahtlosen Trägerfrequenz-Kommunikationssystem, insbesondere einem Zugangsberechtigungs-Kontrollsystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem die Entfernung zwischen zwei Sende- und Empfangseinheiten durch die Auswertung von Phaseninformationen übertragener Signale ermittelt wird, ein Zuverlässigkeitsfaktor zur Bewertung der Korrektheit des Ergebnisses für die Entfernungsbestimmung ermittelt. Der Zuverlässigkeitsfaktor wird durch die direkte oder indirekte Erfassung des Verlaufs der Phase und/oder des Betrags der Systemübertragungsfunktion über im Wesentlichen die gesamte Kanalbreite ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Entfernung zwischen einer ersten und einer zweiten Sende- und Empfangseinheit eines drahtlosen Trägerfrequenz-Kommunikationssystems, insbesondere eines Zugangsberechtigungs-Kontrollsystems für ein Kraftfahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Zugangsberechtigungs-Kontrollsystem, welches zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.

Bekannte Zugangsberechtigungs-Kontrollsysteme bestehen üblicherweise aus einer im Fahrzeug angeordneten, ortsfesten Sende- und Empfangseinheit und aus mindestens einem Schlüssel, d.h. einer beweglichen Sende- und Empfangseinheit. Durch die drahtlose Datenübertragung zwischen den beiden Sende- und Empfangseinheiten kann die Zugangsberechtigung der Person überprüft werden, welche im Besitz des Schlüssels ist. Bei diesen funkbasierten Zugangsberechtigungs-Kontrollsystemen ist es wichtig, die Entfernung zwischen der mobilen und der ortsfesten Sende- und Empfangseinheit zu bestimmen. Denn nur auf diese Weise kann beispielsweise verhindert werden, dass keine Aktionen im Kraftfahrzeug ausgelöst werden, wenn sich der Inhaber des Schlüssels noch zu weit vom Fahrzeug entfernt befindet. Auch gilt es zu verhindern, dass sich eine nicht berechtigte Person, die sich Kenntnis von den Signalen verschafft hat, Zugang zum Fahrzeug erhalten kann, obwohl der Ort, von dem aus die Signale gesendet werden, weit vom Fahrzeug entfernt sind.

Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Entfernung zwischen den beiden Sende- und Empfangseinheiten besteht darin, dass die im Fahrzeug befindliche Sende- und Empfangseinheit ein Signal mit einer bestimmten Trägerfrequenz aussendet, welches von der mobilen Sende- und Empfangseinheit empfangen wird, wenn das Sendesignal am Empfangsort eine ausreichende Signalstärke aufweist. Die mobile Sende- und Empfangseinheit kann das Signal detektieren und einen lokalen Oszillator auf die Trägerfrequenz des Empfangssignals synchronisieren. Die mobile Sende- und Empfangseinheit kann daraufhin ein Antwortsignal an die ortsfeste Sende- und Empfangseinheit senden, wobei das Antwortsignal am Ort der mobilen Sende- und Empfangseinheit in Phase mit dem an diesem Empfangsort empfangenen Signal ist, das von der ortsfesten Sende- und Empfangseinheit emittiert wurde. Das Antwortsignal wird wiederum von der ortsfesten Sende- und Empfangseinheit empfangen, wobei die ortsfeste Sende- und Empfangseinheit aus der Phasenbeziehung zwischen dem Sendesignal und dem Antwortsignal die Entfernung ermitteln kann.

Anstelle des Synchronisierens eines lokalen Oszillators genügt es, in den Sende- und Empfangseinheiten jeweils einen stabil laufenden Oszillator vorzusehen, und von diesem jeweils die tatsächliche Frequenz des Sendesignals bzw. Antwortsignals abzuleiten. In gleicher Weise kann dann in beiden Sende- und Empfangseinheiten jeweils die Phasenverschiebung zwischen dem empfangenen Signal und einem vom lokalen Oszillator abgeleiteten Signal gleicher Frequenz ermittelt werden. In Verbindung mit dem Antwortsignal kann diese Phasenverschiebung dann in Form entsprechender Daten von der mobilen Sende- und Empfangseinheit an die ortsfeste Sende- und Empfangseinheit übermittelt werden. Diese kann dann aus den ihr übertragenen Daten sowie aus der von ihr selbst bestimmten Phasenverschiebung zwischen dem empfangenen Antwortsignal und einem von der Frequenz des lokalen Oszillators abgeleiteten Signal gleicher Frequenz die gesamte Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Antwortsignal ermitteln und hieraus die Entfernung berechnen.

Bei dieser Art und Weise der Entfernungsbestimmung zwischen den beiden Sende- und Empfangseinheiten wirkt sich selbstverständlich jegliche Phasenverzerrung des Übertragungswegs auf die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung aus. Ein Extremfall einer derartigen Phasenverzerrung ergibt sich insbesondere bei Auftreten eines Mehrfachempfangs, d.h. beispielsweise bei einer Übertragung des jeweiligen Signals auf direktem Weg zwischen den beiden Sende- und Empfangseinheiten und bei gleichzeitigem Auftreten von reflektierten Signalanteilen. Derartige Reflexionen können an reflektierenden Flächen, wie weiteren Fahrzeugen, Hauswänden und dergleichen entstehen. Selbstverständlich wirkt sich auch die Übertragung entsprechender Signale von weiteren Sende- und Empfangseinheiten in gleicher Weise phasenverzerrend aus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Entfernung zwischen einer ersten und einer zweiten Sende- und Empfangseinheit eines drahtlosen Trägerfrequenz-Kommunikationssystems, insbesondere eines Zugangsberechtigungs-Kontrollsystems für ein Kraftfahrzeug, zu schaffen, bei dem Messfehler, die durch Phasenverzerrungen des Übertragungswegs entstehen, erkannt werden und demzufolge das Messergebnis hinsichtlich seiner Korrektheit bewertet werden kann. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein drahtloses Trägerfrequenz-Kommunikationssystem zu schaffen, in dem dieses Verfahren integriert ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 7.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass extreme Verzerrungen, wie sie beispielsweise durch das Auftreten eines Mehrwegeempfangs verursacht werden, dadurch erfasst werden können, dass in einem Analysemodus von einer der beiden Sende- und Empfangseinheiten ein vorbestimmtes Analyse-Sendesignal erzeugt wird, dessen spektrale Breite im Wesentlichen gleich der dem Trägerfrequenz-Kommunikationssystem zugeordneten Kanalbreite ist und dass die jeweils andere Sende- und Empfangseinheit im Analysemodus aus dem von ihr empfangenen, mit dem Analyse-Sendesignal korrespondierenden Analyse-Empfangssignal einen Zuverlässigkeitsfaktor zur Bewertung der Korrektheit des Ergebnisses für die Entfernungsbestimmung ermittelt. Im Prinzip wird hierbei versucht, aus dem Analyse-Empfangssignal und der Kenntnis über das ausgesendete Analyse-Sendesignal Rückschlüsse auf die Systemübertragungsfunktion des Übertragungswegs zu ziehen.

Nach der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann dann bei Überschreiten oder Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes für den Zuverlässigkeitsfaktor oder bei Unter- oder Überschreiten eines vorgegebenen Wertebereichs für den Zuverlässigkeitsfaktor zumindest ein zeitnah mit der Bestimmung des Zuverlässigkeitsfaktors bestimmter Wert für die Entfernung zwischen der ersten und zweiten Sende- und Empfangseinheit als ungültig verworfen werden. Als Reaktion auf dieses Verwerfen kann dann beispielsweise eine vorbestimmte Zeit abgewartet und erneut das Verfahren zur Bestimmung des Zuverlässigkeitsfaktors durchgeführt werden. Eine erneute Entfernungsbestimmung kann beispielsweise auch erst dann durchgeführt werden, wenn im Analysemodus ein "gültiger" Zuverlässigkeitsfaktor ermittelt werden konnte. Selbstverständlich kann die Entfernungsbestimmung auch gleichzeitig mit der Bestimmung des Zuverlässigkeitsfaktors durchgeführt werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann im Analysemodus die Frequenzabhängigkeit der Phase oder der Gruppenlaufzeit und/oder die Frequenzabhängigkeit der Signalstärke des Analyse-Empfangssignals im Wesentlichen über die gesamte Bandbreite des Kanals bestimmt werden. Selbstverständlich kann dabei die Gruppenlaufzeit durch Differenzieren der frequenzabhängigen Phase ermittelt werden.

Weist der frequenzabhängige Verlauf der Phase über die Kanalbandbreite große Abweichungen von einem linearen Verlauf auf, der bei einem vollkommen unverzerrten Übertragungsweg gegeben wäre, so kann davon ausgegangen werden, dass eine Entfernungsmessung durch das Ausnutzen von Phaseninformationen nicht mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Da die Gruppenlaufzeit durch das Differenzieren des Phasenverlaufs ermittelt werden kann, kann die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Gruppenlaufzeit innerhalb der Kanalbandbreite als Maß für die Verzerrung einschließlich des Auftretens eines Mehrfachempfangs) dienen. In gleicher Weise kann die Frequenzabhängigkeit der Signalstärke des Empfangssignals ausgewertet werden. Im einfachsten Fall kann von einer konstanten Signalstärke des jeweils gesendeten Signals ausgegangen werden, so dass jegliche Verzerrung, die den Betrag der Systemfunktion des Übertragungswegs beeinflusst am Empfangssignal sichtbar ist. Da üblicherweise davon ausgegangen werden kann, dass bei extremen Verzerrungen des Betrags der Systemfunktion auch eine entsprechende Verzerrung der Phase gegeben ist, kann auch bei unzulässig großen Verzerrungen des Betrags der Systemfunktion des Übertragungswegs davon ausgegangen werden, dass eine Entfernungsmessung durch die Auswertung von Phaseninformationen nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich ist. In diesem Fall kann beispielsweise die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Signalstärke des jeweiligen Empfangssignals bestimmt und als Zuverlässigkeitsfaktor verwendet werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein vorzugsweise sinusförmig frequenzmoduliertes Analyse-Sendesignal mit einer vorzugsweise der Kanalmitte entsprechenden Trägerfrequenz verwendet werden, wobei der Modulationshub vorzugsweise im Wesentlichen gleich der halben Kanalbandbreite ist. In diesem Fall muss lediglich die Signalstärke des Empfangssignals, beispielsweise durch einfache Amplitudendemodulation beobachtet werden. Ergibt sich eine unzulässig große Schwankung in der Signalstärke und damit des amplitudendemodulierten Signals, so kann von einer unzulässig großen Verzerrung des Betrags der Systemfunktion bzw. des Übertragungswegs und damit auch (vgl. oben) üblicherweise von einer damit einherschreitenden unzulässig hohen Phasenverzerrung ausgegangen werden. Weist der Verlauf des Betrags Systemübertragungsfunktion innerhalb der Kanalbandbreite ein lokales Minimum oder Maximum auf, so ergibt sich ein amplitudendemoduliertes Signal, das mit der doppelten Frequenz oszilliert wie das Modulationssignal für das frequenzmodulierte Analyse-Sendesignal. Aus der Phasenlage des amplitudendemodulierten Signals und des Modulationssignals kann dann ermittelt werden, ob es sich um ein lokales Minimum oder Maximum handelt.

Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens kann also die zeitlich Schwankung der Signalstärke des Analyse-Empfangssignals, d.h. die Schwankung des amplitudendemodulierten Signals zur Bestimmung eines Zuverlässigkeitsfaktors ausgewertet werden, wobei vorzugsweise die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Signalstärke bzw. die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Wert des amplitudendemodulierten Signals als Zuverlässigkeitsfaktor verwendet wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung eines drahtlosen Trägerfrequenz-Kommunikationssystems in Form eines Zugangsberechtigungs-Kontrollsystems für ein Kraftfahrzeug;
2 schematische Diagramme eines frequenzabhängigen Phasenverlaufs (2a) und eines frequenzabhängigen Verlaufs de Gruppenlaufzeit (2b) eines durch Mehrwegeempfang verzerrten Übertragungskanals;
3 eine schematische Darstellung des Betrags einer durch Mehrwegeempfang verzerrten frequenzabhängigen Verlaufs der Systemübertragungsfunktion eines Übertragungskanals;
4 eine schematische Darstellung der für die Erfindung wesentlichen Komponenten eines Trägerfrequenz-Kommunikationssystems nach der Erfindung und
5 eine schematische Darstellung der für die Erfindung wesentlichen Komponenten einer zweiten Ausführungsform eines Trägerfrequenz-Kommunikationssystems nach der Erfindung.
1 zeigt schematisch ein Trägerfrequenz-Kommunikationssystem 1, welches eine ortsfest in einem Kraftfahrzeug 3 angeordnete Sende- und Empfangseinheit 5 und eine mobile Sende- und Empfangseinheit 7 umfasst. Das drahtlose Trägerfrequenz-Kommunikationssystem 1 kann dabei als Zugangsberechtigungs-Kontrollsystem für das Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Jede der Sende- und Empfangseinheiten 5, 7 weist eine Sende- und Empfangsantenne 9 bzw. 11 auf.
Das Trägerfrequenz-Kommunikationssystem 1 kann in an sich bekannter Weise so ausgebildet sein, dass es in der Lage ist, die Entfernung der mobilen Sende- und Empfangseinheit 7 von der ortsfesten, im Kraftfahrzeug angeordneten Sende- und Empfangseinheit 5 zu bestimmten. Die Daten- bzw. Signalübertragung zwischen den Sende- und Empfangseinheiten 5, 7 kann beispielsweise durch die Übertragung frequenz- oder phasenmodulierter Signale zwischen den Sende- und Empfangsantennen 9 bzw. 11 erfolgen.
Das Bestimmen der Entfernung zwischen den beiden Sende- und Empfangseinheiten 5, 7 kann durch Auswerten der Phasenverschiebung zwischen dem von einer Sende- und Empfangseinheit ausgesendeten Signal und dem von der jeweils anderen Sende- und Empfangseinheit zurückgesendeten Empfangssignal erfolgen. Auf eine detaillierte Erläuterung der Bestimmung der Entfernung aus diesen Phaseninformationen kann verzichtet werden, da es sich hierbei um an sich bekannte Verfahren handelt.
Von Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist jedoch, dass bei der drahtlosen Übertragung von Signalen zwischen den beiden Sende- und Empfangseinheiten 5, 7 Reflexionen auftreten können, die zu einem Mehrwegeempfang am Ort der jeweils empfangenden Sende- und Empfangseinheit führen. In 1 ist dies schematisch in Form der beiden Signalwege I und II dargestellt. Der Signalweg I stellt den direkten Übertragungsweg zwischen den beiden Sende- und Empfangsantennen 9, 11 dar. Der Signalweg II zeigt beispielhaft die Reflexion des von der Sende- und Empfangsantenne 9 gesendeten Signals an einem reflektierenden Objekt 13, wobei der reflektierte Signalanteil dann entlang des weiteren Verlaufs Signalwegs II zur Sende- und Empfangsantenne 9 der ortsfesten Sende- und Empfangseinheit 5 im Kraftfahrzeug gelangt. Am Ort der Sende- und Empfangsantenne 9 tritt damit eine Überlagerung der Signale auf, die zum einen entlang des Signalwegs 1 und zum anderen entlang des Signalwegs 2 zur Sende- und Empfangsantenne 9 gelangen. Je nach der Phasenverschiebung und unterschiedlichen Dämpfung der Signale kommt es zu entsprechend mehr oder weniger ausgeprägten konstruktiven bzw. destruktiven Interferenzen.
Die Überlagerung der einzelnen Teilsignale im Fall eines Mehrwegeempfangs am Ort der jeweiligen Empfangsantenne kann daher zu derart großen Phasenverzerrungen führen, dass eine Entfernungsmessung durch Auswertung von Phaseninformationen kein zuverlässiges Ergebnis mehr liefert.
In 2a ist schematisch der Verlauf der Phase der Übertragungsfunktion des Übertragungswegs zwischen den beiden Sende- und Empfangseinheiten 5, 7 dargestellt. Im Fall einer idealen, unverzerrten Systemübertragungsfunktion wäre der Phasenverlauf streng linear. Die in 2a dargestellte Krümmung des angenommenen praktischen Phasenverlaufs deutet auf eine erhebliche Verzerrung hin, die insbesondere durch einen Mehrwegeempfang, d.h. durch Signalreflexionen, verursacht sein kann.
2b zeigt den frequenzabhängigen Verlauf der Gruppenlaufzeit τ_g, die als Ableitung der Phase Φ nach der Frequenz (genauer: nach der Kreisfrequenz ω = 2πf) definiert ist. Die Bandbreite Δf des für das Trägerfrequenz-Kommunikationssystem 1 zur Verfügung gestellten Übertragungskanals liegt bei dem in 2 angenommenen Ausführungsbeispiel genau im Bereich der größten Verzerrungen der frequenzabhängigen Systemübertragungsfunktion.
Erfindungsgemäß lässt sich nun aus dem Verlauf der Phase Φ und/oder der Gruppenlaufzeit τ_g über im Wesentlichen die gesamte Bandbreite Δf des Übertragungskanals ein Zuverlässigkeitsfaktor zur Bewertung der Korrektheit des Ergebnisses für die Entfernungsbestimmung ableiten. Je stärker der Phasenverlauf in 2a gekrümmt ist, d.h. beispielsweise je stärker ein Mehrwegeempfang ausgeprägt ist, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis der Entfernungsbestimmung nicht hinreichend genau ist, d.h. um mehr als einen vorgegebenen Betrag vom tatsächlichen Messergebnis abweicht.
Nach einer ersten Verfahrensweise kann als Maß für die Krümmung des Phasenverlaufs, d.h. als Maß für die Phasenverzerrung der minimale und der maximale Wert der Gruppenlaufzeit τ_g innerhalb der Bandbreite Δf des Übertragungskanals bestimmt werden. Je größer der Betrag der Differenz dieser beiden Werte ist, umso größer ist die Phasenverzerrung. Damit kann die Betragsdifferenz zwischen dem maximalen und minima len Wert der Gruppenlaufzeit τ_g innerhalb der Kanalbandbreite Δf als Zuverlässigkeitsfaktor zur Bewertung der Korrektheit des Ergebnisses für die Entfernungsbestimmung verwendet werden. Beispielsweise kann das Ergebnis für die Entfernungsbestimmung als unzulässig, weil mit hoher Wahrscheinlichkeit zu ungenau, verworfen werden, wenn der in der vorstehenden Weise bestimmte Zuverlässigkeitsfaktor größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
Selbstverständlich kann der Zuverlässigkeitsfaktor auch auf andere Weise bestimmt werden, indem nach einem geeigneten Verfahren aus dem Verlauf der Phase Φ(f) die Abweichung dieses Verlaufs von einem idealen linearen Verlauf eines unverzerrten Übertragungskanals bestimmt und ein entsprechend ermittelter Wert als Zuverlässigkeitsfaktor verwendet wird.
Nach einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Trägerfrequenz-Kommunikationssystems 1, das schematisch in 4 dargestellt ist, wird ein Zuverlässigkeitsfaktor dadurch ermittelt, dass beispielsweise die mobile Sende- und Empfangseinheit 7 ein Analyse-Sendesignal S_a erzeugt, das eine spektrale Breite aufweist, die im Wesentlichen der Bandbreite Δf des Übertragungskanals entspricht. Dieses Sendesignal kann ein sinusförmiges Trägersignal sein, dessen Frequenz in Form einer Rampe von der linken unteren Grenzfrequenz des Übertragungskanals bis zur rechten oberen Grenzfrequenz des Übertragungskanals variiert wird. Wie in 2a bzw. in 2b dargestellt, kann auch eine diskrete Änderung der Frequenz dieses Analyse-Sendesignals S_a erfolgen (Frequenzen f₁–f₉ in 2). Aus Gründen der Einfachheit sollte dabei sichergestellt sein, dass die Phase jedes Analyse-Sendesignals S_a bei einer bestimmten Frequenz in Bezug auf ein lokales Referenzsignal der mobilen Sende- und Empfangseinheit 7 eine konstante Phasenbeziehung, d.h. eine konstante Phasendifferenz aufweist. Es kann jedoch auch für jede Frequenz des Analyse-Sendesignals S_a die Phasenbeziehung in Bezug auf das lokale und zeitlich stabile Referenzsignal gemessen und zur Auswer tung der Phasenverschiebung die ortsfeste Sende- und Empfangseinheit 5 übertragen werden. Die ortsfeste Sende- und Empfangseinheit 5 in 4 empfängt das Analyse-Sendesignal Sa bei jeder Frequenz und bestimmt die Phasenbeziehung des empfangenen Analyse-Empfangssignals E_a am Ort der Sende- und Empfangsantenne 9 relativ zur zeitlich ausreichend stabilen Phase eines lokalen Referenzsignals der Sende- und Empfangseinheit 5.
Wird auf Seiten der das Analyse-Sendesignal S_a sendenden Sende- und Empfangseinheit 7 kein Analyse-Sendesignal S_a erzeugt, das in Bezug auf ein zeitlich phasenstabiles Referenzsignal der Sende- und Empfangseinheit 7 eine konstante Phasenbeziehung aufweist (bei allen Frequenzen innerhalb der Kanalbandbreite Δf) und wird, wie vorstehend erläutert, dementsprechend für jede Frequenz eines Analyse-Sendesignals S_a jeweils ein entsprechender Phasenwert mit an die Sende- und Empfangseinheit 5 übertragen, so kann diese aus den lokal erfassbaren Phasenbeziehungen (relativ zu einer Referenzfrequenz) und den jeweiligen übertragenen Phaseninformationen jeweils die Phase des Analyse-Empfangssignals E_a in Bezug auf einen konstanten Referenzphasenwert ermitteln. Somit kann auf diese Weise in der Sende- und Empfangseinheit 5 der Verlauf der Phase der Systemübertragungsfunktion gemäß 2a bis auf einen konstanten Wert über die gesamte interessierende Kanalbandbreite Δf ermittelt werden.
Damit kann in der vorstehend beschriebenen Art und Weise die Verzerrung der Phase innerhalb des Übertragungskanals, beispielsweise durch die Ermittlung eines Werts, der die Krümmung der frequenzabhängigen Phase im gesamten Übertragungskanal wiederspiegelt, bestimmt werden.
Wie oben beschrieben, kann beispielsweise der kontinuierliche oder diskrete Verlauf der Gruppenlaufzeit auf dem Phasenverlauf durch (numerisches) Differenzieren bestimmt und hieraus ein Zuverlässigkeitsfaktor berechnet werden.
Wie in 4 dargestellt, kann die Sende- und Empfangseinheit 5 neben der Sende- und Empfangsantenne 9 einen rauscharmen Verstärker 15 umfassen, der das diesem von der Antenne 9 zugeführte Empfangssignal E_a verstärkt und einem nachgeschalteten Bandfilter 17 zuführt. Der Bandfilter 17 kann eine Bandpasscharakteristik aufweisen, deren untere und obere Grenzfrequenz die Kanalbandbreite des Übertragungskanals definieren. Dem Bandfilter 17 ist ein Mischer 19 nachgeschaltet, der das vom Bandfilter 17 gelieferte Signal mit einem von einer lokalen Oszillatoreinheit 21 gelieferten Mischsignal mischt. Das gemischte Signal umfasst eine Komponente, welche die Phase zwischen dem Empfangssignal E_a und dem Mischsignal der lokalen Oszillatoreinheit 21 beinhaltet. Dieses Signal wird einer Controller-Einheit 23 zugeführt, die das ihr zugeführte Signal auswertet und alle erforderlichen Berechnungen zur Ermittlung des Zuverlässigkeitsfaktors durchführt. Hierzu kann die Controller-Einheit 23 selbstverständlich eine geeignete Software mit umfassen.
Zur Bestimmung des Zuverlässigkeitsfaktors kann zunächst zwischen den beiden Sende- und Empfangseinheiten 5, 7 vereinbart werden, dass beide Einheiten in einen Analysemodus versetzt werden, in welchem der Zuverlässigkeitsfaktor ermittelt wird. In diesem Analysemodus kann die Sende- und Empfangseinheit 7 ein Analyse-Sendesignal erzeugen, welches jeweils für eine bestimmte Zeitspanne sinusförmig mit einer bestimmten Frequenz F_i oszilliert. Selbstverständlich kann dabei auch zusätzlich eine Modulation des Signals S_a erfolgen, um gleichzeitig Informationen zwischen den Sende- und Empfangseinheiten 7 und 5 zu übertragen. Die Sende- und Empfangseinheit 5 kann dabei Kenntnis von der Zeitspanne haben, für welche das Analyse-Sendesignal S_a jeweils eine bestimmte Trägerfrequenz F_i aufweist. Die lokale Oszillatoreinheit 21 der Sende- und Empfangseinheit 5 kann in den gleichen zeitlichen Abständen jeweils ein Mischsignal mit der jeweiligen Frequenz F_i erzeugen. Auf diese Weise ist es möglich, den frequenzabhängigen Verlauf der Systemübertragungsfunktion innerhalb der Kanalbandbreite zu scannen. Selbstverständlich kann das Analyse-Sendesignal S_a auch so erzeugt werden, dass jeweils eine kontinuierliche zeitabhängige Änderung der Frequenz erfolgt. In diesem Fall erzeugt die lokale Oszillatoreinheit 21 der Sende- und Empfangseinheit das Mischsignal entsprechend.
Von Bedeutung für dieses erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch, dass die spektrale Breite des Analyse-Sendesignals S_a mindestens so groß ist wie die Bandbreite Δf des Übertragungskanals. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Begriff der spektralen Breite des Analyse-Sendesignals S_a so verstanden, dass damit auch ein zeitlich veränderliches Spektrum des Analyse-Sendesignals mit umfasst ist. Die spektrale Breite des Analyse-Sendesignals S_a wird bei einem zeitvarianten Spektrum des Analyse-Sendesignals durch eine Vernachlässigung der Zeitabhängigkeit ermittelt, d.h. durch ein Übereinanderlegen aller zeitlichen Momentaufnahmen des zeitvarianten Sendespektrums.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung eines Zuverlässigkeitsfaktors wird im Folgenden anhand der 3 und 5 erläutert.
3 zeigt einen frequenzabhängigen Verlauf des Betrags der Systemübertragungsfunktion S(f) innerhalb der Bandbreite Δf des dem Trägerfrequenz-Kommunikationssystem 1 zugeordneten Übertragungskanal. Beispielsweise infolge eines Mehrwegeempfangs kommt es durch destruktive Indifferenz zu einem Minimum der Systemübertragungsfunktion S(f) innerhalb des Übertragungskanals. Wird in einem derartigen Fall mit einem Analyse-Sendesignal S_a gearbeitet, welches eine Trägerfrequenz aufweist, die in der Mitte der Kanalbandbreite Δf liegt, und wird die Trägerfrequenz mit einem Modulationssignal FM frequenzmoduliert, so entsteht bei einem derartigen Analyse-Sendesignal S_a, welches von der Sende- und Empfangsantenne 11 der Sende- und Empfangseinheit 7 abgestrahlt wird, am Ort der Sende- und Empfangsantenne 9 der Sende- und Empfangseinheit 5 ein Analyse-Empfangssignal E_a, das neben der Frequenzmodulation eine Amplitudenmodulation aufweist, wie dies in 3 schematisch dargestellt ist.
Der amplitudenmodulierte Signalanteil kann in der Sende- und Empfangseinheit 5 amplitudendemoduliert werden, wobei das amplitudendemodulierte Signal AM mit einer zeitlichen Frequenz schwankt, die bei dem in 3 dargestellten Fall doppelt so groß ist wie die Frequenz des Modulationssignals FM zur Erzeugung des frequenzmodulierten Analyse-Sendesignals S_a.
Aus 3 ist damit ersichtlich, dass eine derartige Verzerrung des Betrags der Systemübertragungsfunktion S(f) zu einer FM-AM-Konversion führt. Ein idealer, verzerrungsfreier Übertragungskanal, bei dem die Systemübertragungsfunktion in ihrem Betrag frequenzunabhängig ist, würde keinerlei FM-AM-Konversion auftreten.
Geht man zudem davon aus, dass bei Auftreten einer derart großen Verzerrung des Betrags der Systemübertragungsfunktion grundsätzlich auch eine große Phasenverzerrung vorliegt, so kann davon ausgegangen werden, dass mit zunehmender AM-FM-Konversion auch eine zunehmende Phasenverzerrung einhergeht. Damit kann erfindungsgemäß auch bei einer entsprechend großen FM-AM-Konversion von einer unkorrekten Bestimmung der Entfernung durch eine Auswertung von Phaseninformation geschlossen werden.
Somit kann erfindungsgemäß zur Bestimmung des Zuverlässigkeitsfaktors ein frequenzmoduliertes Analyse-Sendesignal erzeugt werden, dessen Spektrum im Wesentlichen die gesamte Kanalbreite abdeckt. Wird diese Analyse-Sendesignal S_a ohne das Vorhandensein einer Amplitudenmodulation erzeugt, so kann bei Auftreten einer FM-AM-Konversion am Empfangsort auf eine entsprechende Verzerrung des Betrags der Systemübertragungs funktion S(f) des Übertragungskanals geschlossen werden. Hierzu kann die Sende- und Empfangseinheit 5, wie aus 5 ersichtlich, im Wesentlichen die selben Komponenten beinhalten, wie auch die Sende- und Empfangseinheit 5 gemäß 4. Im Fall der Sende- und Empfangseinheit nach 5 ist jedoch zwischen dem Ausgang des Mischers 19 und der Controller-Einheit 23 zumindest eine Amplitudendemodulatoreinheit (AM-Demodulatoreinheit) 25 geschaltet.
Im Fall der Sende- und Empfangseinheit 5 nach 5 erzeugt die lokale Oszillatoreinheit 21 eine Mischfrequenz, die geeignet ist, um am Ausgang des Mischers 19 in üblicher Weise eine einfache weiter zu verarbeitende Zwischenfrequenz zu erzeugen. Dieses auf die Zwischenfrequenz heruntergemischte Empfangssignal wird der Amplitudendemodulatoreinheit 25 zugeführt, welche an ihrem Ausgang das amplitudendemodulierte Signal erzeugt und der Controller-Einheit 23 zuführt.
Der Gesamthub des amplitudendemodulierten Signals AM kann von der Controller-Einheit 23 ausgewertet werden, beispielsweise indem die Differenz zwischen den maximalen Werten und den minimalen Werten ermittelt wird. Diese Differenz kann auch gleichzeitig als Zuverlässigkeitsfaktor dienen. Je größer dieser Zuverlässigkeitsfaktor ist, umso größer ist die Verzerrung des Betrags der Systemübertragungsfunktion S(f) und damit in der Regel auch die Phasenverzerrung des Übertragungskanals.
Wie in 5 dargestellt, kann das auf die Zwischenfrequenz heruntergemischte Ausgangssignal des Mischers 19 auch einer Frequenzdemodulatoreinheit 27 zugeführt werden. Diese Frequenzdemodulatoreinheit 27 ermittelt aus dem Zwischenfrequenzsignal die Komponente FM der Frequenzmodulation.
Dieses Signal wird dann wiederum der Controller-Einheit 23 zugeführt und kann von dieser ausgewertet werden.
Selbstverständlich können die Amplitudendemodulatoreinheit 25 und die Frequenzdemodulatoreinheit 27 auch außerhalb des Analysemodus zu einer Signalübertragung verwendet werden. In gleicher Weise kann die Frequenzdemodulatoreinheit 27 auch zur Bestimmung von Phasenbeziehungen und damit zur Bestimmung der Entfernung zwischen den Sende- und Empfangseinheiten 5, 7 verwendet werden.
Im Analysemodus kann die Controller-Einheit 23 auch die amplitudendemodulierten Signale und die frequenzdemodulierten Signale in Bezug zueinander setzen. Detektiert die Controller-Einheit 23 beispielsweise, wie dies in 3 dargestellt ist, dass die zeitliche Frequenz des amplitudendemodulierten Signals doppelt so groß ist wie die zeitliche Frequenz des frequenzdemodulierten Signals, so kann davon ausgegangen werden, dass sich innerhalb der Bandbreite Δf des Übertragungskanals ein Maximum oder ein Minimum des Betrags der Systemübertragungsfunktion S(f) befindet. Durch die Auswertung der Phasenbeziehung zwischen diesen beiden Signalen können zudem weitere Rückschlüsse auf den Verlauf des Betrags der Systemübertragungsfunktion S(f) gezogen werden.
Selbstverständlich kann der Verlauf des Betrags der Systemübertragungsfunktion S(f) auch dadurch unmittelbar bestimmt werden, dass ein Analyse-Sendesignal verwendet wird, das kontinuierlich oder schrittweise in seiner Trägerfrequenz verändert wird und das am Ort der sendenden Sende- und Empfangsantenne eine konstante Signalstärke aufweist. Die empfangende Sende- und Empfangseinheit kann dann die Signalstärke am Ort der empfangenden Sende- und Empfangsantenne ermitteln. Der so bestimmbare Verlauf des Betrags der Systemübertragungsfunktion S(f) kann dann hinsichtlich seiner Krümmung oder des Auftretens von Maxima und Minima ausgewertet werden, wobei insbesondere das Auftreten von Maxima und Minima für das Vorliegen eines Mehrwegeempfangs typisch sind. Beispielsweise kann auch in diesem Fall eine Differenzierung des frequenzabhängi gen Verlaufs des Betrags der Systemübertragungsfunktion S(f) vorgenommen und der maximale und minimale Wert der differenzierten Kurve innerhalb der Kanalbandbreite Δf bestimmt werden. Dieser Wert kann als Zuverlässigkeitsfaktor verwendet werden.
Die Erfindung ermöglicht somit das Detektieren von unzulässig großen Verzerrungen der Systemübertragungsfunktion des drahtlosen Übertragungswegs und die Bestimmung eines Zuverlässigkeitsfaktors zur Bewertung der Korrektheit des Ergebnisses für eine Entfernungsbestimmung, die unter Verwendung von Phaseninformationen eines übertragenen Signals vorgenommen wird.

Claims

Verfahren zur Messung der Entfernung zwischen einer ersten und einer zweiten Sende- und Empfangseinheit eines drahtlosen Trägerfrequenz-Kommunikationssystems, insbesondere eines Zugangsberechtigungs-Kontrollsystems für ein Kraftfahrzeug, a) bei dem die Entfernung zwischen der ersten (5) und zweiten (7) Sende- und Empfangseinheit durch die erste (5) oder die zweite (7) Sende- und Empfangseinheit durch die Auswertung der Phaseninformationen ermittelt wird, welche in zwischen der ersten (5) und zweiten (7) Sende- und Empfangseinheit übertragenen Signalen oder davon abhängigen internen Signalen enthalten ist, b) wobei in einem Analysemodus durch die erste (5) oder die zweite (7) Sende- und Empfangseinheit ein vorbestimmtes Analyse-Sendesignal (S_a) erzeugt wird, dessen spektrale Breite im Wesentlichen gleich der dem Trägerfrequenz-Kommunikationssystems zugeordneten Kanalbandbreite (Δf) ist, und c) wobei mittels der jeweils andere Sende- und Empfangseinheit (5, 7) im Analysemodus aus dem von ihr empfangenen, mit dem Analyse-Sendesignal korrespondierenden Analyse-Empfangssignal (E_a) ein Zuverlässigkeitsfaktor zur Bewertung der Korrektheit des Ergebnisses für die Entfernungsbestimmung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten oder Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes für den Zuverlässigkeitsfaktor oder bei Unter- oder Überschreiten eines vorgegebenen Wertebereichs für den Zuverlässigkeitsfaktor zumindest zeitnah mit der Bestimmung des Zuverlässigkeitsfaktors bestimmte Werte für die Entfernung zwischen der ersten (5') und zweiten (7') Sende- und Empfangseinheit als ungültig verworfen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen über die gesamte Bandbreite des Kanals (Δf) an diskreten Frequenzpunkten (f₁ bis f₉) oder kontinuierlich die Frequenzabhängigkeit der Phase (Φ) oder der Gruppenlaufzeit (τ_g) und/oder die Frequenzabhängigkeit der Signalstärke des Analyse-Empfangssignals (E_a) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Kanalbreite (Δf) die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Gruppenlaufzeit (τ_g) und/oder die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Signalstärke bestimmt und als Zuverlässigkeitsfaktor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorzugsweise sinusförmig frequenzmoduliertes Analyse-Sendesignal (S_a) mit einer vorzugsweise der Kanalmitte entsprechenden Trägerfrequenz verwendet wird, wobei der Modulationshub vorzugsweise im Wesentlichen gleich der halben Kanalbandbreite (Δf) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Schwankung der Signalstärke des Analyse-Empfangssignals (E_a) zur Bestimmung eines Zuverlässig keitsfaktors ausgewertet wird, wobei vorzugsweise die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Signalstärke als Zuverlässigkeitsfaktor verwendet wird.
Drahtlosen Trägerfrequenz-Kommunikationssystems, insbesondere Zugangskontrollberechtigungssystem für ein Kraftfahrzeug, a) mit einer ersten (5) und einer zweiten (7) Sende- und Empfangseinheit, welche so ausgebildet sind, dass sie zusätzlich zur Übertragung von Daten die Bestimmung der Entfernung voneinander ermöglichen, b) wobei die erste (5) und zweite (7) Sende- und Empfangseinheit die Entfernung durch die Auswertung der Phaseninformationen ermitteln, welche in zwischen ihnen übertragenen Signalen oder davon abhängigen internen Signalen enthalten ist, c) wobei die erste (5) oder die zweite (7) Sende- und Empfangseinheit in einem Analysemodus ein vorbestimmtes Analyse-Sendesignal (S_a) erzeugt, dessen spektrale Breite im Wesentlichen gleich der dem Trägerfrequenz-Kommunikationssystems zugeordneten Kanalbandbreite (Δf) ist, und d) wobei die jeweils andere Sende- und Empfangseinheit (5, 7) im Analysemodus aus dem von ihr empfangenen, mit dem Analyse-Sendesignal korrespondierenden Analyse-Empfangssignal (E_a) einen Zuverlässigkeitsfaktor zur Bewertung der Korrektheit des Ergebnisses für die Entfernungsbestimmung bestimmt.
Trägerfrequenz-Kommunikationssystems nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass erste (5) und die zweite (7) Sende- und Empfangseinheit so ausgebildet sind, dass sie die Verfahrensschritte gemäß den Ansprüchen 2 bis 6 ausführen.
Zugangskontrollberechtigungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die das Analyse-Empfangssignal (E_a) auswertende und vorzugsweise auch die Entfernung zwischen der (5) ersten und zweiten (7) Sende- und Empfangseinheit ermittelnde Sende- und Empfangseinheit (5, 7) zur ortsfesten Montage in einem Kraftfahrzeug (3) ausgebildet ist.