DE102010030603A1

DE102010030603A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Signals zur Entfernungsmessung und Verfahren und System zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger

Info

Publication number: DE102010030603A1
Application number: DE102010030603A
Authority: DE
Inventors: Reiner Retkowski; Andreas Eidloth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2011-12-29
Also published as: EP2585848A1; CN103109203A; JP2013533969A; CN103109203B; AU2011273639B2; JP5588067B2; US20130116971A1; AU2011273639A1; WO2012000932A1

Abstract

Zum Erzeugen eines Signals zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger wird eine Sequenz von Pulsen mit vorgegebenen jeweils unterschiedlichen zeitlichen Abständen zwischen einzelnen Pulsen der Sequenz erzeugt.

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf ein Konzept zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger. Schließlich beziehen sich weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung auf ein Verfahren zur Reduzierung der Signalüberlagerungen durch Reflexionen bei Ultra Wide Band-(Ultra-Breitband)Systemen zur Lokalisierung.
Die technische Literatur sieht verschiedene Verfahren vor, bei denen UWB-(Ultra Wide Band, Ultra-Breitband)Pulse zeitlich verschoben werden, um Informationen in das Signal zu codieren. Eine im Stand der Technik bekannte Vorgehensweise ist PPM (pulse positions modulation, Pulse-Position-Modulation). Dabei wird die Wiederholrate der Pulse so ausgelegt, dass der Kanal bis zum nächsten Puls abgeklungen sein muss, damit es im Empfänger keine Überlagerungen des Pulses mit Reflexionen des vorhergehenden Pulses gibt. In der Nachrichtentechnik wird dies als Intersymbolinterferenz (ISI) bezeichnet.
Ein generelles Problem ist jedoch, dass durch dieses Verfahren der Vorteil der kurzen Impulse kaum genutzt werden kann, da die Länge der Impulsantwort im Kanal entscheidet, wann der nächste Puls gesendet werden kann und dadurch die maximale Pulsrate bestimmt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals zur Entfernungsmessung und/oder ein Konzept zur Lokalisierung bzw. Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger zu schaffen, das es ermöglicht, einen großen Teil der benötigten Information zu übertragen und trotzdem dabei eine zeitlich möglichst kurze Pulsfolge zu erreichen, um zum einen die technische Realisierung zu vereinfachen und zum anderen den Kanal möglichst schnell wieder für andere Sender freizugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 9, ein System nach Anspruch 15 und ein Computerprogramm nach Anspruch 16 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger mit folgendem Schritt:
Erzeugen einer Sequenz von Pulsen mit vorgegebenen jeweils unterschiedlichen zeitlichen Abständen zwischen einzelnen Pulsen der Sequenz.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass die oben genannte Vereinfachung der technischen Realisierung bzw. die schnelle Freigabe des Kanals erreicht werden kann, wenn beim Erzeugen eines Signals zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger eine Sequenz von Pulsen mit vorgegebenen jeweils unterschiedlichen zeitlichen Abständen zwischen einzelnen Pulsen der Sequenz erzeugt wird. Dadurch kann ein großer Teil der Reflexionsüberlagerungen im Empfänger unterdrückt werden, was eine Verkürzung der Sequenzlänge des Signals ermöglicht.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst das Verfahren zum Erzeugen des Signals zur Entfernungsmessung ein Bereitstellen einer Mehrzahl von erzeugten Sequenzen mit jeweils unterschiedlichen Zeitrastern und/oder verschiedener Anzahl von Pulsen, wobei ein Zeitraster angibt, wie die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Pulsen eingestellt sind, und ein Auswählen einer Sequenz aus der Mehrzahl von erzeugten Sequenzen. Somit kann eine Menge mit allen möglichen Sequenzen erzeugt werden, aus dem schließlich eine geeignete Sequenz für das Signal zur Entfernungsmessung ausgewählt werden kann. Dabei kann das Auswählen der Sequenz beispielsweise abhängig von einer Umgebungsbedingung des Senders durchgeführt werden.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger mit folgenden Schritten:
Aussenden eines erfindungsgemäßen Signals mit einem Sender;
Empfangen des ausgesendeten Signals mit einem Empfänger; und
Bestimmen einer Entfernung zwischen einem Sender und einem Empfänger basierend auf dem empfangenen Signal und auf Reflexionen des ausgesendeten Signals, die von dem Empfänger empfangen werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann, falls während einer vorbestimmten Zeitdauer kein gültiges Signal im Empfänger für die Entfernungsmessung erfasst wird, durch ein Rücksenden eines Signals an den Sender dieser veranlasst werden, ein Signal mit einer anderen Sequenz aus der Mehrzahl von erzeugten Sequenzen auszuwählen und auszusenden. Somit kann das Auswählen einer Sequenz dynamisch erfolgen und beispielsweise durch ein lernfähiges System den momentanen Gegebenheiten der Umgebung angepasst werden.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein System zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger mit folgenden Merkmalen:
einem Sender, der ausgebildet ist, um ein erfindungsgemäßes Signal auszusenden;
einem Empfänger, der ausgebildet ist, um das ausgesendete Signal zu empfangen; und
einer Signalverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger basierend auf dem empfangenen Signal und auf Reflexionen des ausgesendeten Signals zu bestimmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren, in denen gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, näher erläutert. Es zeigen:
1 einen beispielhaften Graph eines erfindungsgemäßen Pulses;
2 eine schematische Darstellung eines Systems zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
3 einen beispielhaften Graph eines Pulses und seiner Reflexionen, wie sie im Empfänger detektiert werden, zur Definition der Abklingzeit der Reflexionen;
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Signals zur Entfernungsmessung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
5 einen beispielhaften Graph eines erfindungsgemäßen Signals zur Entfernungsmessung;
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
7 einen beispielhaften Graph eines empfangenen Signals zur Veranschaulichung von Reflexionsüberlagerungen;
8 einen beispielhaften Graph eines nach einer Fensterung des empfangenen Signals erhaltenen Signals;
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Signals zur Entfernungsmessung, das ferner ein Bereitstellen einer Mehrzahl von erzeugten Sequenzen umfasst, gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung;
10 ein Flussdiagramm eines Systems zur Entfernungsmessung mit einem Rückkanal gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung; und
11 einen beispielhaften Graph eines erfindungsgemäßen Signals mit einer gegenüber dem Stand der Technik verkürzten Sequenzlänge.
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen gleiche Elemente oder funktionell gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Eine Beschreibung von Elementen mit gleichen Bezugszeichen ist daher gegenseitig austauschbar und/oder in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aufeinander anwendbar.
1 zeigt einen beispielhaften Graph eines erfindungsgemäßen Pulses 10. Der in der 1 gezeigte Puls 10 kann beispielsweise ein bandbegrenzter UWB-Puls sein. Insbesondere kann bei Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäße Puls 10 ein einzelner Puls in einer Sequenz von Pulsen sein, wobei die Sequenz als burstartiges Signal von einem Sender ausgesendet werden kann. In der 1 ist auf der horizontalen Achse 11 die Zeit aufgetragen, während auf der vertikalen Achse 12 die Amplitude des Signals bzw. des Pulses aufgetragen ist. Wie in der 1 gezeigt, ist die Länge t_Puls durch die Zeit vom Beginn 15 des Pulses bis zu dem Punkt 17, an dem seine Einhüllende 18 auf eine vorgegebene Amplitude A_min abgeklungen ist, definiert. Ferner kann die Differenz 19 zwischen der maximalen Amplitude des Signals A_max und A_min als Dynamik bezeichnet werden. Wie später noch genauer beschrieben, entspricht in einer erfindungsgemäßen Sequenz von Pulsen die zeitliche Länge t_Puls des Pulses 10 im Wesentlichen einer minimalen Verzögerung t_{Delay min} zwischen den einzelnen Pulsen der Sequenz.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 20 zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender 22 und einem Empfänger 24 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Wie in der 2 beispielhaft gezeigt, weist das System 20 außer dem Sender 22 und dem Empfänger 24 noch eine Mehrzahl 26 von Reflexionspunkten (RP₁, RP₂, ..., RP_N) auf. Hierbei wird ein von dem Sender 22 ausgehendes Signal entweder ungehindert von dem Sender 22 auf den Empfänger 24 übertragen (Signal S₀) oder an den jeweiligen Reflexionspunkten 26 RP₁, RP₂, ..., RP_N reflektiert, so dass im Empfänger 24 die reflektierten Signale bzw. Reflexionen R₁, R₂, ..., R_N ankommen. Insbesondere können die Reflexionspunkte 26 diejenigen Stellen von Reflexionsebenen in einer Umgebung des Senders 22 sein, an denen das von dem Sender 22 ausgehende Signal jeweils reflektiert wird. Die Umgebung des Senders 22 zeichnet sich dabei durch verschiedene räumliche Abstände der Reflexionspunkte bzw. Reflexionsebenen von dem Sender 22 aus, wie es in der 2 beispielhaft durch die unterschiedlich langen Pfeile 27, 28, 29 angedeutet ist.
3 zeigt einen beispielhaften Graph eines Pulses und seiner Reflexionen 30 im Empfänger 24 zur Definition der Abklingzeit der Reflexionen. Wird nun ein Szenario entsprechend der 2 angenommen, bei dem es einen Sender 22, einen Empfänger 24 und 1 bis N Reflexionspunkte 26 gibt, so ergibt sich die Abklingzeit der Reflexionen am Empfänger 24 aus der Zeitdifferenz t_A zwischen dem ersten Eintreffzeitpunkt t₀ des Pulses S₀ und dem Zeitpunkt t_n, an dem die Reflexionen R₁, R₂, ..., R_N bis zu A_min abgefallen sind, wie es durch den Verlauf 35 beispielhaft gekennzeichnet ist. Gemäß dem Stand der Technik wird dieser Zeitraum (t_A) bisher freigehalten, bevor der nächste Puls gesendet wird.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Erzeugen eines Signals 115 zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender 22 und einem Empfänger 24 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Wie in der 4 gezeigt, weist das Verfahren 100 ein Erzeugen (Schritt 110) einer Sequenz 115 von Pulsen mit vorgegebenen jeweils unterschiedlichen zeitlichen Abständen 111, 112, 113 zwischen einzelnen Pulsen 101, 102, 103, 104 der Sequenz auf.
5 zeigt einen beispielhaften Graph des in der 4 gezeigten erfindungsgemäßen Signals 115 in einer vergrößerten Darstellung. Hierbei sind die einzelnen Pulse 101, 102, 103, 104 der Sequenz 115 jeweils mit „erster Puls”, „zweiter Puls”, „dritter Puls” und „vierter Puls” bezeichnet, während die unterschiedlichen zeitlichen Abstände 111, 112, 113 jeweils mit „t_Delay1”, „t_Delay2” und „t_Delay3” bezeichnet sind. Insbesondere kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die erzeugte Sequenz 115 eine Sequenz von gleichen Pulsen sein. Das heißt, jeder Puls 101, 102, 103, 104 hat im Wesentlichen den gleichen Verlauf bzw. die gleiche Pulsdauer und Dynamik. Ferner kann bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung jeder Puls 101, 102, 103, 104 der Sequenz 115 im Wesentlichen dem in der 1 gezeigten Puls 10 entsprechen und somit beispielsweise ein bandbegrenzter UWB-Puls sein. Wie in der 5 zu erkennen ist, sind die zeitlichen Abstände 111, 112, 113 zwischen den einzelnen Pulsen 101, 102, 103, 104 jeweils unterschiedlich. Insbesondere ist der Abstand 112 größer als der Abstand 111, während der Abstand 113 kleiner als die Abstände 111 und 112 ist. Die Gesamtheit der zeitlichen Abstände 111, 112, 113 definiert ein Zeitraster 114 der Sequenz 115.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 600 zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere umfasst das Verfahren 600 beispielsweise die folgenden Schritte. Zunächst wird ein erfindungsgemäßes Signal, wie beispielsweise das Signal 115 zur Entfernungsmessung, mit einem Sender ausgesendet (Schritt 610). Dann werden das ausgesendete Signal und seine Reflexionen 605 mit einem Empfänger empfangen (Schritt 620). Schließlich wird eine Entfernung 635 zwischen dem Sender und dem Empfänger basierend auf dem empfangenen Signal und seinen Reflexionen 605 bestimmt (Schritt 630).
Bezug nehmend auf die 5 setzt sich das hier beschriebene Signal nun aus Pulsen 101, 102, 103, 104 zusammen, die in vorher definierten unterschiedlichen Abständen 111, 112, 113 (t_Delay1 bis t_DelayN) eine Sendesequenz Seq_Sender ergeben. In der 5 ist solch eine Sequenz beispielhaft mit vier Pulsen dargestellt. Dabei ist insbesondere anzustreben, dass alle Pulsabstände derart unterschiedlich sind, dass Reflexionen, die von einem durch den Sender angestrahlten Körper ausgehen (Szenario mit Sender und Empfänger aus 2), nur wenige bis keine Überlagerungen mit Pulsen der ursprünglichen bzw. originalen Sequenz bilden.
7 zeigt einen beispielhaften Graph eines empfangenen Signals 700 zur Veranschaulichung von Reflexionsüberlagerungen. Insbesondere ist in der 7 zur Verdeutlichung eine Überlagerung der Sequenz aus der 5 mit den Reflexionen aus der 3 dargestellt. Wie in der 7 gezeigt, weist das empfangene Signal 700 die Pulse 101, 102, 103, 104 mit dem Zeitraster 114 auf. Ferner sind in dem empfangenen Signal 700 diesen Pulsen 101, 102, 103, 104 zugeordnete Reflexionen zu erkennen. Bei Ausführungsbeispielen weisen der erste Pulse 101, der zweite Puls 102, der dritte Puls 103 und der vierte Puls 104 jeweils zugeordnete erste Reflexionen 701-1, 702-1, 703-1, zweite Reflexionen 701-2, 702-2, 703-2, dritte Reflexionen 701-3, 702-3, 703-3 und vierte Reflexionen 701-4, 702-4, 703-4 auf. Dabei sind der zweite Reflex 702-2 des zweiten Pulses 102 und der dritte Puls 103 bzw. der erste Reflex 703-1 des dritten Pulses 103 und der dritte Reflex 702-3 des zweiten Pulses 102 und der vierte Puls 104 teilweise überlagert.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung hat der Empfänger Kenntnis von dem mit dem Sender ausgesendeten Signal, wie beispielsweise dem Signal 115 der 5. Insbesondere weist dabei das Bestimmen (Schritt 630) der Entfernung ein Vergleichen eines von dem empfangenen Signal 700 abgeleiteten Signals 800 mit dem ausgesendeten Signal 115 und, falls das von dem empfangenen Signal abgeleitete Signal 800 mit dem ausgesendeten Signal 115 übereinstimmt, ein Ermitteln der Entfernung 635 zwischen dem Sender und dem Empfänger basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen dem von dem empfangenen Signal abgeleiteten Signal 800 und dem ausgesendeten Signal 115 auf.
Wie in der 8 gezeigt, kann bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung das abgeleitete Signal 800 durch eine Fensterung des empfangenen Signals 700 entsprechend einem Zeitraster 114 des ausgesendeten Signals 115, das die zeitlichen Abstände 111, 112, 113 zwischen den einzelnen Pulsen 101, 102, 103, 104 angibt, erhalten werden.
8 zeigt einen beispielhaften Graph eines nach einer Fensterung des empfangenen Signals 700 erhaltenen Signals 800. Insbesondere sind in der 8 ein erstes Fenster 810, ein zweites Fenster 820, ein drittes Fenster 830 und ein viertes Fenster 840 zu erkennen, wobei die Fenster 810, 820, 830, 840 jeweils die zeitlichen Abstände 111, 112, 113 in dem Zeitraster 114 aufweisen. Ferner erkennt man in der 8 teilweise überlappende Pulse 803 und 804 in dem dritten Fenster 830 bzw. dem vierten Fenster 840.
Schließlich kann bei weiteren Ausführungsbeispielen das Vergleichen des von dem empfangenen Signals 700 abgeleiteten Signals 800 mit dem ausgesendeten Signal 115 mittels einer Korrelation durchgeführt werden.
In anderen Worten, der Empfänger kennt die Sendesequenz und sucht nach ihr, indem er nur die Intervalle in den zeitlichen Abständen t_Delay untersucht, in denen in der Sendesequenz Pulse vorhanden sind. Durch diese Fensterung im Empfänger wird ein feil der Reflexionen ausgeblendet. Es entsteht eine Empfangssequenz Seq_Empfänger, die aus Sendepulsen besteht, welche, wie es in der 8 beispielhaft gezeigt ist, teilweise überlagert sind.
Der Empfänger wertet nun die Sequenz Seq_Empfänger aus, indem er durch ein geeignetes Verfahren, wie z. B. durch Korrelation, eine Übereinstimmung mit der Sendesequenz Seq_Sender sucht. Dabei wird das zur Erzeugung der Sequenz Seq_Empfänger herangezogene Zeitintervall beispielsweise solange verschoben, bis die Auswertung im Empfänger eine weitgehende Übereinstimmung mit der Sendesequenz ergibt. Dabei können die Fenster mit verschiedener Wertigkeit gewichtet werden. Im Signal 800 sollten beispielsweise die Fenster 810 und 820 mit höherer Wertigkeit gewichtet werden als die Fenster 830 und 840.
Wird die Übereinstimmung zwischen Seq_Sender und Seq_Empfänger erkannt, kann schließlich aus der Laufzeit des Signals die Entfernung zwischen Sender und Empfänger errechnet werden.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 900 zum Erzeugen eines Signals 115 zur Entfernungsmessung, das ein Bereitstellen 910 einer Mehrzahl 915 von erzeugten Sequenzen umfasst, gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung. Wie in der 9 gezeigt, wird bei dem Verfahren 900 zunächst eine Mehrzahl 915 von erzeugten Sequenzen mit jeweils unterschiedlichen Zeitrastern und/oder verschiedener Anzahl von Pulsen bereitgestellt (Schritt 910). Hierbei gibt ein Zeitraster, wie beispielsweise das in der 5 gezeigte Zeitraster 114, an, wie die zeitlichen Abstände 111, 112, 113 zwischen den einzelnen Pulsen 101, 102, 103, 104 eingestellt sind. In der 9 ist die Mehrzahl 915 von erzeugten Sequenzen mit {Seq₁, Seq₂, ..., Seq_M} bezeichnet, wobei {...} eine Menge und M die Anzahl der erzeugten Sequenzen bezeichnet. Dann wird eine Sequenz (z. B. Seq₁) aus der Mehrzahl 915 von erzeugten Sequenzen ausgewählt (Schritt 920). Schließlich ergibt sich dadurch das Signal 115 zur Entfernungsmessung.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Auswählen 920 der Sequenz abhängig von einer Umgebungsbedingung eines Senders durchgeführt werden. Insbesondere kann dabei die Umgebungsbedingung durch einen räumlichen Abstand des Senders zu einer Reflexionsebene (siehe 2) gegeben sein.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst das Verfahren 100; 900 ferner ein Anhängen einer Pulsfolge zum Übertragen von Nutzdaten an die erzeugte Sequenz. Die Nutzdaten können dabei nach den üblichen Prinzipien der Nachrichtentechnik codiert sein.
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Systems 1000 zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger mit einem Rückkanal gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung. Das System 1000 weist einen Sender 1010, einen Empfänger 1020 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 1030 auf. Hierbei entspricht der Sender 1010 der 10 im Wesentlichen dem Sender 22 der 2, während der Empfänger 1020 der 10 im Wesentlichen dem Empfänger 24 der 2 entspricht. Der Sender 1010 ist ausgebildet, um ein erfindungsgemäßes Signal 115 auszusenden. Ferner ist der Empfänger 1020 ausgebildet, um das ausgesendete Signal zu empfangen. Schließlich ist die Signalverarbeitungseinrichtung 1030 ausgebildet, um eine Entfernung 635 zwischen dem Sender 1010 und dem Empfänger 1020 basierend auf dem empfangenen Signal und auf Reflexionen des ausgesendeten Signals zu bestimmen. Wie in der 10 gezeigt, hat der Sender 1010 die Möglichkeit, auf die Mehrzahl 915 bzw. die Menge der Sequenzen {Seq₁, Seq₂, ..., Seq_M) zuzugreifen.
Bezug nehmend auf die 10 umfasst das in der 9 gezeigte Verfahren 900 beispielsweise ferner den folgenden Schritt. Falls während einer vorbestimmten Zeitdauer kein gültiges Signal im Empfänger 1020 für die Entfernungsmessung erfasst wird, kann ein Signal 1011 an den Sender 1010 zurückgesendet werden. Das zurückgesendete Signal 1011 kann dabei eine Information über ein Nichterfassen eines für die Entfernungsmessung gültigen Signals und eine Identifikation des ausgesendeten Signals 115 aufweisen. Durch das Rücksendesignal 1011 kann der Sender 1010 veranlasst werden, ein Signal 1015 mit einer anderen Sequenz (z. B. Seq₂) aus der Mehrzahl 915 von erzeugten Sequenzen auszuwählen und auszusenden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung prüft die Signalverarbeitungseinrichtung 1030, die mit dem Empfänger 1020 in Verbindung steht (Doppelpfeil 1025), ob ein gültiges Signal im Empfänger 1020 für die Entfernungsmessung vorliegt. Dies ist im Block 1030 durch die Bezeichnung „gültiges Signal im Empfänger?” angedeutet. Schließlich kann die Signalverarbeitungseinrichtung 1030 ausgebildet sein, um die Entfernung 635 zwischen dem Sender 1010 und dem Empfänger 1020 basierend auf einem gültigen Signal, wie beispielsweise dem Signal 1015 mit der anderen Sequenz (z. B. Seq₂), zu ermitteln.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die andere Sequenz des Signals 1015 ein geeignetes Zeitraster und/oder eine geeignete Anzahl von Pulsen bezüglich empfangener Reflexionsüberlagerungen auf. Eine geeignete Sequenzcharakteristik sollte dabei so sein, dass die Reflexionsüberlagerungen in möglichst wenigen Fenstern des empfangenen Signals vorkommen, wie dies beispielhaft in der 7 gezeigt ist. Die Entfernung 635 kann schließlich, wie im Vorhergehenden beschrieben, aus einer Zeitdifferenz ermittelt werden.
11 zeigt einen beispielhaften Graph eines erfindungsgemäßen Signals 1100 mit einer gegenüber dem Stand der Technik verkürzten Sequenzlänge. Das in der 11 gezeigte Signal 1100 entspricht im Wesentlichen dem Signal 115 der 5, wobei die Signale 1100; 115 jedoch eine unterschiedliche Anzahl von Pulsen aufweisen. Insbesondere besteht das Signal 1100 beispielsweise aus zehn Pulsen, während das Signal 115 beispielsweise nur aus vier Pulsen besteht. In der 11 sind die Pulse 1105 einer Sequenz 1100 als schraffierte Abschnitte dargestellt, die jeweils mit „1.P.” bis „10.P.” bezeichnet sind. Bei Ausführungsbeispielen weist jeder dieser Pulse 1105 eine gleiche Pulslänge τ_P auf, die im Wesentlichen der Länge t_Puls bzw. t_{Delay min} des in der 1 gezeigten Pulses 10 entspricht. Ferner vergrößern sich die zeitlichen Abstände 1115 zwischen den einzelnen Pulsen der Sequenz 1100 jeweils um eine Pulslänge τ_P von 1·τ_P bis 9·τ_P. Bei dem Ausführungsbeispiel der 11 ergibt sich somit eine Gesamtlänge 1110 der Sequenz von τ(Seq) = 55·τ_P. Dies entspricht bei einer beispielsweise minimalen Pulslänge von τ_P = 2,5 ns einer Sequenzlänge 1110 von τ(Seq) = 137,5 ns.
Ein Vorteil des vorliegenden Systems soll im Folgenden Bezug nehmend auf das Ausführungsbeispiel der 11 dargestellt werden. Bei der Realisierung des Systems setzt sich das burstartige Signal eines Senders bzw. einer Sequenz aus bandbegrenzten Pulsen zusammen, die einen zeitlichen Abstand t_Delay zueinander aufweisen, der mindestens so groß ist, wie die zeitliche Länge t_Puls des bandbegrenzten Signals (siehe 1).
Ein möglichst kurzer Abstand zwischen den einzelnen Pulsen der Sequenz ist wichtig, da die thermische Instabilität von benötigten Verzögerungsgliedern in einer Signalverarbeitungseinrichtung mit zunehmender Lauflänge größer wird. Versucht man nun, auf ein entsprechendes Signal im Empfänger zu korrelieren, so wird das Ergebnis wesentlich von der Temperatur des Senders beeinflusst. Als weiterer Punkt ist anzuführen, dass Verzögerungsglieder mit großer Laufzeit bei der für UWB benötigten Bandbreite schwer zu realisieren sind und eine für Miniatursender nicht mehr akzeptable räumliche Ausdehnung annehmen würden.
Ferner ist eine schnelle Freigabe des Kanals wichtig, da in der Lokalisierungstechnik oft viele verschiedene Sender benötigt werden, um eine große Anzahl an Personen oder Gütern zu überwachen. Dabei ergibt sich die Anzahl der zulässigen Sender eines Systems aus der folgenden Beziehung: Anzahl der Sender = 1/(Sequenzlänge [s]·Anzahl der Sequenzen pro Sender pro Sekunde [1/s]).
In der Sequenzlänge ist dabei eine vorab geschätzte Abklingzeit des Kanals bzw. der Impulsantwort des Kanals enthalten.
Wird bei Ausführungsbeispielen ein Rechteckpuls der Länge kleiner 100 ps erzeugt und anschließend bandpassgefiltert, um die Band-Spezifikation einzuhalten, so entsteht eine Wellenform, die typischerweise nach ca. 2,5 ns abgeklungen ist. Dies entspricht in der 1 beispielsweise einer Abklingzeit von t_Puls = 2,5 ns des Pulses 10.
In einem System, in dem der nächste Puls erst nach der Abklingzeit des Kanals gesendet werden darf, würde nun eine Pause von ca. 60 ns folgen. Hierbei entspricht die Abklingzeit des Kanals beispielsweise der Zeitdifferenz t_A = 60 ns des Signals 30 in der 3. Die Sequenz würde sich demnach aus einer Folge von Pulsen im Abstand von 60 ns ergeben. Setzt sich die Sequenz beispielsweise aus nur zehn Pulsen zusammen, um eine ausreichende Anzahl von Sendern unterscheiden zu können, so ergibt sich eine Sequenzlänge von 600 ns. Dazu sind Regelmechanismen nötig, um die thermischen Schwankungen der Pulsabstände auszugleichen.
Im Gegensatz dazu benötigt bei dem hier beschriebenen System (11) eine Sequenz von zehn Pulsen mit unterschiedlichen Abständen im Raster t_Puls (bzw. τ_P) und einem Pulsabstand t_{Delay min} von t_Puls, wie im Vorhergehenden beschrieben, nur 55·t_Puls = 137,5 ns. Die sinnvolle Obergrenze der Abstände ist dann erreicht, wenn der längste Abstand größer ist als die Abklingzeit des Kanals. Es ergibt sich also neben dem Vorteil der kürzeren und damit thermisch stabileren Zeitglieder, bei einer Anzahl von beispielsweise zehn Pulsen, nach obiger Beziehung mindestens eine Vervierfachung der Anzahl der zulässigen Sender des Systems.
Die vorliegende Erfindung ist auch dahin gehend vorteilhaft, dass bei der in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Rasterung von zeitlichen Abständen der Länge t_Puls = 2,5 ns bei einer Fortbewegungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle von ca. 30 cm pro 1 ns Reflexionsebenen im Abstand von m·75 cm mit m = [1, 2, 3, ... n] zum Sender noch im Empfänger aufgelöst und ausgewertet werden können.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, so dass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blue-Ray-Disk, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines Flash-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement, z. B. ein FPGA (feldprogrammierbares Gatterarray), dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterungen der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sein.
Zusammenfassend schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein Konzept, mit dem Signalüberlagerungen durch Reflexionen bei UWB-Systemen zur Lokalisierung reduziert werden können. Somit kann der Nachteil, dass ausgesendete Signale in der Lokalisierungstechnik für die Empfängereinheiten oft unbrauchbar werden, da die Signale an einer Vielzahl von Ebenen reflektiert werden und sich die Reflexionen mit dem ursprünglichen Signal überlagern, vermieden werden. Die hier beschriebene Technik verwendet dazu unterschiedliche zeitliche Abstände der Ultrawideband-Impulse zueinander, um den Anteil der in einer Signalsequenz enthaltenen Verluste durch Reflexionen möglichst gering zu halten, dass eine Decodierung im Empfänger weiterhin noch möglich ist.
Darüber hinaus kann es je nach den Umgebungsbedingungen vorteilhaft sein, das System zu optimieren. Dazu gibt es die Möglichkeit, in einem System die Abstände der Pulse zueinander zu variieren bzw. die Anzahl der Pulse in einer Sequenz zu ändern. Die Veränderung der Pulsabstände kann dabei dynamisch erfolgen und beispielsweise durch ein lernfähiges System den momentanen Gegebenheiten der Umgebung angepasst werden. Dazu ist, wie im Vorhergehenden beschrieben, ein Rückkanal vom Empfänger zum Sender nötig. Durch die Möglichkeit, viele verschiedene Sequenzen in Länge und Pulsabstand zu erzeugen, kann eine erhebliche Anzahl an unterschiedlichen Sender verwendet werden.
Schließlich kann an die Sequenz des Senders eine Pulsfolge zur Übertragung von Nutzdaten angehängt werden, die nach den üblichen Prinzipien der Nachrichtentechnik codiert sein können.

Claims

Ein Verfahren (100) zum Erzeugen eines Signals (115) zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender (22) und einem Empfänger (24), mit folgendem Schritt: Erzeugen (110) einer Sequenz (115) von Pulsen mit vorgegebenen jeweils unterschiedlichen zeitlichen Abständen (111, 112, 113) zwischen einzelnen Pulsen (101, 102, 103, 104) der Sequenz.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Erzeugen der Sequenz folgende Schritte umfasst: Bereitstellen (910) einer Mehrzahl (915) von erzeugten Sequenzen mit jeweils unterschiedlichen Zeitrastern und/oder verschiedener Anzahl von Pulsen, wobei ein Zeitraster (114) angibt, wie die zeitlichen Abstände (111, 112, 113) zwischen den einzelnen Pulsen (101, 102, 103, 104) eingestellt sind; und Auswählen (920) einer Sequenz aus der Mehrzahl (915) von erzeugten Sequenzen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Auswählen (920) der Sequenz abhängig von einer Umgebungsbedingung eines Senders durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Umgebungsbedingung durch einen räumlichen Abstand des Senders zu einer Reflexionsebene gegeben ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit folgendem Schritt: Anhängen einer Pulsfolge zum Übertragen von Nutzdaten an die erzeugte Sequenz.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erzeugte Sequenz eine Sequenz von gleichen Pulsen ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem jeder Puls der erzeugten Sequenz ein bandbegrenzter Puls ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem jeder Puls der erzeugten Sequenz ein UWB-(Ultra Wide Band)Puls ist.
Verfahren (600) zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger, mit folgenden Schritten: Aussenden (610) eines Signals, wie es nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erzeugt wurde, mit einem Sender; Empfangen (620) des ausgesendeten Signals mit einem Empfänger; und Bestimmen (630) einer Entfernung (635) zwischen dem Sender und dem Empfänger basierend auf dem empfangenen Signal und auf Reflexionen (605) des ausgesendeten Signals, die an dem Empfänger empfangen werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der Empfänger Kenntnis von dem mit dem Sender ausgesendeten Signal (115) hat.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Bestimmen (630) der Entfernung (635) ein Vergleichen eines von dem empfangenen Signal (700) abgeleiteten Signals (800) mit dem ausgesendeten Signal (115) und, falls das von dem empfangenen Signal abgeleitete Signal (800) mit dem ausgesendeten Signal (115) übereinstimmt, ein Ermitteln der Entfernung (635) zwischen dem Sender und dem Empfänger basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen dem von dem empfangenen Signal abgeleiteten Signal (800) und dem ausgesendeten Signal (115) aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem das abgeleitete Signal (800) durch eine Fensterung des empfangenen Signals (700) entsprechend einem Zeitraster (114) des ausgesendeten Signals (115), das die zeitlichen Abstände (111, 112, 113) zwischen den einzelnen Pulsen (101, 102, 103, 104) angibt, erhalten wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem das Vergleichen des von dem empfangenen Signal (700) abgeleiteten Signals (800) mit dem ausgesendeten Signal (115) mittels einer Korrelation durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, ferner mit folgendem Schritt: falls während einer vorbestimmten Zeitdauer kein gültiges Signal im Empfänger (1020) für die Entfernungsmessung erfasst wird, Rücksenden eines Signals (1011) an den Sender (1010), das eine Information über ein Nichterfassen eines für die Entfernungsmessung gültigen Signals und eine Identifikation des ausgesendeten Signals (115) aufweist, so dass der Sender (1010) veranlasst wird, ein Signal (1015) mit einer anderen Sequenz aus der Mehrzahl (915) von erzeugten Sequenzen auszuwählen und auszusenden.
System (1000) zur Entfernungsmessung zwischen einem Sender und einem Empfänger mit folgenden Merkmalen: einem Sender (1010), der ausgebildet ist, um ein Signal (115), wie es nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erzeugt wurde, auszusenden; einem Empfänger (1020), der ausgebildet ist, um das ausgesendete Signal zu empfangen; und einer Signalverarbeitungseinrichtung (1030), die ausgebildet ist, um eine Entfernung (635) zwischen dem Sender (1010) und dem Empfänger (1020) basierend auf dem empfangenen Signal und auf Reflexionen des ausgesendeten Signals zu bestimmen.
Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 9, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.