DE102013207464B4

DE102013207464B4 - Messverfahren und Messgerät zur Vermessung von breitbandigen Messsignalen

Info

Publication number: DE102013207464B4
Application number: DE102013207464.6A
Authority: DE
Inventors: Luke Cirillo; Andreas Lagler
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2023-07-13
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: JP6573599B2; KR102169078B1; DE102013207464A1; KR102239645B1; KR20160002660A; JP2016526150A; WO2014173866A1; KR20200085925A; US20160084940A1; USRE49560E1; US10088554B2

Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Abweichung (ε) eines breitbandigen Messsignals (RFin) von einem Referenzsignal (RFref), das einer Auswerteeinheit (4) zur Verfügung gestellt wird oder von der Auswerteeinheit (4) generiert wird, mit den Verfahrenschritten:- Aufteilen (1) des breitbandigen Messsignals (RFin) in zumindest zwei Messsignalfrequenzbänder (RFsub);- Verschieben (2) der zumindest zwei Messsignalfrequenzbänder (RFsub) entsprechend zu den Messsignalfrequenzbändern (RFsub) korrespondierenden Referenzsignalfrequenzbändern (RFref,sub) des Referenzsignals (RFref), wobei der Schritt des Verschiebens (2) mindestens einen Schritt des Abgleichens der Signalausrichtung umfasst, so dass die mindestens zwei Messsignalfrequenzbänder (RFsub) den jeweiligen Referenzsignalfrequenzbändern (RFref,sub) des Referenzsignals (RFref) entsprechen; und- Zusammenfügen (3) der zumindest zwei Messsignalfrequenzbänder (RFsub) zu einem rekonstruierten breitbandigen Messsignal (RFrecon) .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Abweichung eines breitbandigen Messsignals, insbesondere eines Radarmesssignals von einem Referenzsignal sowie ein entsprechendes Messgerät.
Die Verwendung von sich wiederholenden Dauerstrichsignalen, im Folgenden als Messsignal bezeichnet, hat sich in der Radartechnik etabliert. Unter dem Begriff Dauerstrichsignal, englisch continuous waveform (CW), werden elektromagnetische Wellen mit konstanter Amplitude und Frequenz zusammengefasst. In der modernen Automobil-Radartechnik werden frequenzmodulierte Dauerstrichsignale eingesetzt, um beispielsweise Abstandskontrollsysteme, Abstandswarnsysteme oder Einparkhilfen in Automobilen zu realisieren.
Bei diesen Radarsystemen wird ein Dauerstrichsignal ausgesendet und eine mögliche Reflexion des Signals an Objekten im Umfeld des Radarsystems empfangen. Derartige Signale sind linear frequenzmoduliert, wobei die Linearität der Frequenzmodulation unterschiedliche Anstiege aufweist. Beim Vergleich zwischen dem empfangenen Messsignal und einem ausgesendetem Referenzsignal können aufgrund der unterschiedlichen Anstiege Aussagen bezüglich Entfernung und relativer Geschwindigkeit zwischen Sender und einem Objekt getroffen werden. Dabei werden insbesondere die Zeitverzögerung und der Versatz (Doppler) zwischen dem ausgesendeten Referenzsignal und dem empfangene Messsignal ausgewertet.
Die DE 11 2005 001 355 T5 beschreibt eine Breitbandsignal-Analysevorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zum Analysieren eines Breitband-Eingangssignals. Die Breitbandsignal-Analysevorrichtung zum Analysieren eines Eingangssignals enthält ein Frequenzverschiebungsmittel, ein Spektrummessmittel und Spektrumrekonstruktionsmittel. Das Frequenzverschiebungsmittel teilt ein Frequenzband des Eingangssignals in mehrere Frequenzbänder. Jedes der Frequenzbänder kann in ein vorbestimmtes Zwischenband verschoben werden. Die dadurch erzeugten Zwischenfrequenzsignale des Eingangssignals sind somit um jeweils verschiedene Verschiebebeträge in ihrer Frequenz verschoben. Das Spektrummessmittel gibt ein komplexes Spektrum von jedem der Zwischenfrequenzsignale aus. Die komplexen Spektren der Zwischenfrequenzsignale werden anschließend in dem Spektrumrekonstruktionsmittel verbunden. Die Breitbandsignal-Analysevorrichtung enthält weiterhin ein Schätzmittel zum Schätzen einer augenblicklichen Phasenstörung des Eingangssignals auf der Grundlage der von den Spektrumrekonstruktionsmitteln rekonstruierten komplexen Spektren.
Die WO 2004/001998 A1 beschreibt einen Signalempfänger, der zum Digitalisieren eines Signals mit einer großen Bandbreite geeignet ist. Der Signalempfänger enthält eine Filterbank zum Aufteilen eines empfangenen Signals in eine Vielzahl von Frequenzunterbändern. Jedes Frequenzunterband wird durch einen separaten Analog-Digital- Wandler mit einer niedrigen Abtastrate digitalisiert. Jedes digitalisierte Unterbandsignal wird durch eine schnelle Fouriertransformation (FFT) in den Frequenzbereich umgesetzt. Die digitalisierten Unterbandsignale im Frequenzbereich werden in ein Schieberegister eingespeist. Das Schieberegister ist so ausgelegt, dass das Spektrum des empfangenen Signals rekonstruieret wird. Für ein Signal, das zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein Teilband belegt, beispielsweise ein Frequenzsprungsignal oder ein Chirp-Signal, kann auch ein einziger Analog-DigitalWandler verwendet werden, um jedes Teilband der Reihe nach zu digitalisieren, und die Transformation in den Frequenzbereich kann für jedes Teilband der Reihe nach durchgeführt werden.
Die DE 10 2008 037 308 A1 beschreibt ein Verfahren zur Analyse von periodisch modulierten Signalen. In diesem Verfahren werden die diskreten Frequenzen des Spektrums des zu analysierenden periodisch modulierten Signals berechnet. Die diskreten komplexen Spektrallinien der zuvor berechneten Frequenzen im Frequenzraum werden kohärent gemessen. Nun wird das periodisch modulierte Signal durch Transformation in den Zeitraum der gemessenen komplexen Spektrallinien rekonstruiert. Alternativ zur Auswertung der diskreten komplexen Spektrallinien oder Auswertung anhand der Amplituden- und Phasenwerte beschreibt Dokument D3 eine Rekonstruktion der Signale anhand von Ausgangssignalen der Bandpassfilter des Kammfilters im Zeitbereich direkt durch eine additive Überlagerung durch einen Addierer.
In der Publikation „Radar Waveform for Automotive Radar Systems and Applications“, der Autoren Rohling und Möller, veröffentlicht auf der IEEE Radar Conference im Mai 2008 ist ein Automobilradarsystem beschrieben, bei dem geschwindigkeitsauflösende und entfernungsauflösende Signale untersucht werden. Dabei werden linearfrequenzmodulierte Dauerstrichsignale eingesetzt. Diese Signale sind zumindest abschnittsweise linear.
Je größer die Bandbreite des Messsignals, desto größer ist die Tiefenauflösung des Radarsystems. Für Radarsysteme, die in einem Frequenzband von 77 GHz bis 81 GHz arbeiten, ist die Bandbreite eines derartigen Messsignals typsicherweise zwei Gigahertz.
Um die Genauigkeit eines Radarsystems bewerten zu können, wird eine Abweichung der Linearität des Messsignals von der Linearität eines Referenzsignals ermittelt. Alternativ wird der Phasengang eines derartigen Signals untersucht. Eine Abweichung des Messsignals von einem idealen Verlauf, nachfolgend als Referenzsignal bezeichnet, wirkt sich negativ auf die Genauigkeit des Radarsystems aus und mindert entsprechend die Leistungsfähigkeit des Systems. Die Abweichungen des Messsignals vom Referenzsignal aufgrund des Linearitätsfehlers sind im Bereich weniger Kilohertz. Ein derart breitbandiges Messsignal kann mit heutigen Signalanalysatoren nicht bezüglich dieser Fehlererwartung ausgewertet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Messgerät zum Ermitteln einer Abweichung eines breitbandigen Messsignals von einem Referenzsignal bereitzustellen, bei dem die Analysebandbreite eines Messgeräts wesentlich geringer ist als die Bandbreite des Messsignals.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 1 sowie 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten: Aufteilen des breitbandigen Messsignals in zumindest zwei Messsignal-Frequenzbänder; Verschieben der zumindest zwei Messsignal-Frequenzbänder entsprechend den Messsignal-Frequenzbändern korrespondierenden Referenzsignal-Frequenzbändern des Referenzsignals; und Zusammenführen der zumindest zwei Messsignal-Bändern zu einem rekonstruierten breitbandigen Messsignals.
Als ein breitbandiges Signal wird im Folgenden ein Signal verstanden, dessen Bandbreite in Bezug zur Analysebandbreite eines Messgeräts um ein Vielfaches höher ist. Die Bandbreite jedes Frequenzbands ist vorzugsweise kleiner als eine Analysebandbreite des Messgeräts.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafterweise erreicht, dass ein breitbandiges Messsignal in zumindest zwei Frequenzbänder aufgeteilt wird und eine Analyse des Messsignals entsprechend der einzelnen Frequenzbänder erfolgt. Anhand geeigneter Signalverarbeitungsalgorithmen wird anschließend jedes Frequenzbandes entsprechend eines Referenzsignals verschoben, wodurch ein breitbandiges rekonstruiertes Messsignal erhalten werden kann. Dieses rekonstruierte Signal kann anschließend an einer Anzeigeeinrichtung zur Auswertung angezeigt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das breitbandige Messsignal ein periodisches frequenzmoduliertes Signal, wobei eine Periode des Signals zumindest abschnittsweise linear-frequenzmoduliert ist. Durch die Periodizität kann das Messsignal als Radarmesssignal verwendet werden, um beispielsweise für Abstandskontrollen, Abstandswarnungen oder Einparkhilfen in einem Automobil zur Verfügung zu stehen.
Das Ausgestalten als abschnittsweises lineares Messsignal, was auch als Segmentierung des Messsignals bezeichnet wird, wird beispielsweise durch einen ersten linearen Anstieg der Frequenz über einen ersten Zeitraum und durch einen zweiten linearen Anstieg der Frequenz über einen zweiten Zeitraum realisiert. Die linearen Steigungen können dabei auch unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Wird ein vom ersten Anstieg verschiedener zweiter Anstieg in einer Periode des Messsignals untergebracht, können Entfernungs- und Geschwindigkeits-Informationen über ein detektiertes Objekt im Umfeld des Radarsystems sehr genau durch Zeitverzögerung und Versatz von Messsignal zu Referenzsignal erfasst werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt nach dem Schritt des Zusammenfügens ein Schritt des Subtrahierens des Referenzsignals vom rekonstruierten breitbandigen Messsignal. Als Ergebnis ist direkt die Abweichung des Messsignals vom Referenzsignal erhalten. Typischerweise beträgt die Abweichung wenige Kilohertz, wodurch die Aufteilung des Messsignals in mehr als zwei Messsignal-Frequenzbänder erfolgen muss, um eine genügend hohe Auflösung des Messsignals mittels des Signalanalysators zu erhalten.
Alternativ wird nach dem Schritt des Zusammenfügens ein Schritt des Darstellens des rekonstruierten breitbandigen Messsignals mit dem Referenzsignal erfolgen. Damit kann die Abweichung optisch ausgewertet werden.
Insbesondere umfasst der Schritt des Verschiebens zumindest auch den Schritt des Korrelierens jedes Messsignal-Frequenzbandes mit dem Referenzsignal. Auf diese Weise können die entsprechenden Frequenzbänder des Messsignals bezüglich ihrer zeitlichen Verzögerung und der Trägerfrequenz des jeweiligen Frequenzbandes zusammengefügt werden. Durch das erfindungsgemäße Korrelieren werden demnach die einzelnen Frequenzbänder richtig zusammengefügt. Der Schritt des Verschiebens findet somit im Zeit- als auch im Frequenzbereich statt.
Bevorzugt erfolgt der Schritt des Verschiebens unter Verwendung eines externen Trigger-Signals. Dadurch kann der Analysezeitraum zum Erfassen des Messsignals wesentlich kürzer gewählt werden kann, da anhand der Informationen des Trigger-Signals festgestellt wird, wann eine Periode des Messsignals beginnt. Eine zeitliche Verschiebung des jeweiligen Frequenzbandes zur Rekonstruktion des Messsignals ist damit in einfacherer Weise erzielt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, umfasst der Schritt des Zusammenfügens das Addieren aller verschobenen Messsignal-Frequenzbänder. Das so erhaltene breitbandige Messsignal wird mit dem Referenzsignal verglichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt der Schritt des Verschiebens im Frequenzmodulationsraum (kurz FM Domäne, englisch FM-Domain). Dies ermöglicht, den Versatz des Messsignals vom Referenzsignal sowie die FrequenzVerschiebung der einzelnen Frequenzteilbänder zur Rekonstruktion des Messsignals anhand einer einfachen Addition durchführen zu können.
Insbesondere erfolgt vor dem Schritt des Verschiebens bevorzugt ein Demodulationsschritt. Da die Signalanalysatoren die Frequenzteilbänder zumeist das Basisband im Inphase-Quadraturphase-Raum (kurz I/Q Domäne, englisch I/Q-Domain) bereitstellen, wird durch eine Frequenzdemodulation dieser I/Q-Signale das Umsetzen der Frequenzteilbänder in die FM-Domain erwirkt, was zur erwähnten einfacheren Rekonstruktion des Messsignals führt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt auch der Schritt des Verschiebens im I/Q-Raum. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt dann der Schritt des Zusammenfügens durch zeitliches Verschieben jedes Messsignal-Frequenzbandes um einen Zeitversatz entsprechend des Referenzsignals zu erreichen, das Multiplizieren jedes zeitlich verschobenen Frequenzbandes mit einer Frequenzband-Trägerfrequenz, das Addieren aller multiplizierten Messsignal-Frequenzbänder zu einem rekonstruierten breitbandigen Messsignals und das Demodulieren des rekonstruierten Messsignals.
Insbesondere erfolgt vor dem Schritt des Subtrahierens ein Schritt des Messfehler-Korrigierens, insbesondere durch eine Reduktion des Videorauschens und/oder eine Bandbreitenbeschränkung des rekonstruierten Messsignals. Damit wird das Eigenrauschen wesentlich verringert.
Im Erfindungsgrundgedanken ist ebenfalls ein Messgerät zum Analysieren eines breitbandigen Messsignals enthalten. Das Messgerät weist eine Einheit zum Aufteilen des breitbandigen Messsignals in zumindest zwei Messsignalfrequenzbänder auf, wobei jedes Messsignalfrequenzband ein I/Q-Basisbandsignal ist. Das Messgerät weist eine Einheit zum Verschieben der einzelnen Messsignalfrequenzbänder in Bezug auf das korrespondierende Referenzsignalfrequenzbänder eines Referenzsignals auf. Das Messgerät weist weiterhin eine Einheit zum Zusammenfügen der abgeglichenen Messsignalfrequenzbänder zu einem rekonstruierten breitbandigen Messsignal auf. Das Messgerät weist weiter eine Einheit zum Analysieren des rekonstruierten breitbandigen Messsignals in Bezug auf das Referenzsignal auf, wobei eine Abweichung des rekonstruierten breitbandigen Messsignals zum Referenzsignal als Ausgangswert des Messgeräts bereitgestellt ist.
Insbesondere weist das Messgerät eine Einheit zur Reduzierung des Eigenrauschens auf. Diese Einheit ist entweder ein Videofilter und/oder eine Einheit zur Mittelung des rekonstruierten Messsignals. Dieses Mitteln wird auch als Trace-Averaging bezeichnet.
Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung bzw. weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Mitteln einer Messsignal-Abweichung,
2 eine Weiterbildung des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,
3 ein zur 2 alternatives erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
4a ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Aufteileinheit,
4b eine Übertragungskennlinie der in 4a dargestellten Aufteileinheit,
5 einen erfindungsgemäßen Frequenzdemodulator,
6 eine erfindungsgemäße Abgleicheinheit im I/Q-Basisband,
7 eine erfindungsgemäße Abgleicheinheit im FM-Basisband
8 eine erfindungsgemäße Zusammenfügeeinheit im I/Q-Bereich,
9 eine erfindungsgemäße Zusammenfügeeinheit im FM-Bereich,
10 ein erfindungsgemäßes breitbandiges Messsignal mit Referenzsignal,
11a ein erfindungsgemäßes Frequenzband nach der Demodulation,
11b das in 11a dargestellte demodulierte Frequenzband nach einer Filterung,
12a ein erfindungsgemäßes externes Trigger-Signal,
12b eine erfindungsgemäße Aufteilung des Breitband-Messsignals in drei Frequenzbänder, und
12c ein rekonstruiertes breitbandiges Messsignal gemäß der Erfindung.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei wird ein breitbandiges Messsignal RF_in an einen Eingang einer Aufteileinheit 1 angelegt. Am Ausgang der Aufteileinheit 1 sind mehrere Frequenzbänder RF_sub des Messsignals RF_in bereitgestellt. Diese Messsignal-Frequenzbänder RF_sub werden einer Abgleicheinheit 2 zur Verfügung gestellt. Am Ausgang der Abgleicheinheit 2 sind verschobene Messsignal-Frequenzbänder RF_sub,t bereitgestellt. Diese Messsignal-Frequenzbänder RF_sub,t werden einer Zusammenfügeeinheit 3 bereitgestellt. Am Ausgang der Zusammenfügeeinheit 3 ist ein breitbandiges rekonstruiertes Messsignal RF_recon bereitgestellt. Das breitbandige zusammengeführte Messsignal RF_recon ist einer Auswerteeinheit 4 bereitgestellt. Am Ausgang der Auswerteinheit 4, ist ein Abweichsignal ε zwischen Messsignal RF_in und Referenzsignal RF_ref bereitgestellt. Das dazu benötigte Referenzsignal RF_ref wird der Auswerteeinheit 4 zur Verfügung gestellt oder dort generiert.
Durch das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der 1 wird ein breitbandiges Messsignal in eine Mehrzahl von Frequenzteilbändern RF_sub zerlegt. Durch die Zerlegung kann ein Messgerät, insbesondere ein Signalanalysator, mit einer geringeren Auflösebandbreite als der Bandbreite des Messsignals RF_in verwendet werden, um die Abweichung ε zwischen Messsignal RF_in und Referenzsignal RF_ref zu ermitteln. In Bezug auf Radarmesssignale beläuft sich der Abweichfehler ε im Kilohertz-Bereich, währenddessen die Bandbreite des Messsignals RF_in mehrere Gigahertz beträgt.
In 2 ist eine Weiterbildung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Die Darstellung gemäß 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren bzw. Messgerät, welches in einem I/Q-Bereich arbeitet. Derartige In Phase/Quadraturphase-Signale werden in Messgeräten standardisiert verwendet. Um eine Umsetzung von dem I/Q-Bereich in einen Frequenzbereich zu erhalten, wird gemäß 2 ein Demodulator 5, der in 5 näher dargestellt ist, zwischen die Aufteileinheit 1 und die Abgleicheinheit 2 eingebracht. Im Anschluss kann die Abgleicheinheit 2 und die Zusammenfüge-Einheit 3 mit einfachen mathematischen Operationen, insbesondere Addition, das rekonstruierte Messsignal RF_recon ermitteln, um den Abgleichfehler ε bereitzustellen.
In 3 ist eine zur 2 alternative Weiterbildung des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Gegenstands beschrieben. Im Unterschied zu 2 ist die Demodulationseinheit 5 zwischen der Zusammenfügeeinheit 3 und der Auswerteinheit 4 eingebracht. Gemäß Ausführungsbeispiel der 3 stellt die Aufteileinheit 1 das Messsignal RF_in in Messsignal-Frequenzbändern RF_sub im I/Q-Bereich bereit. Gemäß 3 werden die so bereitgestellten I/Q-Daten der Abgleicheinheit 2 und der Zusammenfügeeinheit 3 direkt zur Verfügung gestellt.
In den 1 bis 3 sind somit Ausführungsbeispiele zur Aufteilung eines breitbandigen Messsignals RF_in gezeigt. Dazu wird der Auswerteeinheit 4 einerseits ein zusammengefügtes, breitbandiges Messsignal RF_recon bereitgestellt, welches mit einem Referenzsignal RF_ref verglichen wird. Der Vergleich kann durch eine Subtraktion des Referenzsignals RF_ref von dem zusammengefügten breitbandigen Messsignal RF_recon ermittelt werden, wobei dann direkt der Abweichfehler ε dargestellt wird. Alternativ ist die Auswerteeinheit 4 ein Anzeigeelement eines Messgeräts, welches die Signal RF_recon und RF_ref lediglich darstellt. Mittels geeigneter Auswerte-Algorithmen kann dann auf die Abweichung ε geschlossen werden.
In 4a ist eine erfindungsgemäße Aufteileinheit 1 aus den 1 bis 3 dargestellt. Das am Eingang der Aufteileinheit 1 angelegte Messsignal RF_in wird in drei Frequenzbänder I/Q₁, I/Q₂ und I/Q₃ aufgeteilt. Die Bandbreite jedes Frequenzteilbands I/Q₁, I/Q₂ und I/Q₃ ist dabei kleiner als die Analysebandbreite des Messgeräts.
Gemäß 4a wird das RF_in in einer Mischeinheit 6 mit einer ersten Trägerfrequenz ω₁ gemischt. Anschließend wird über ein Filterelement 7, insbesondere ein Bandpassfilter, der Teil des Spektrums des Messsignals RF_in entfernt, der nicht Teil des Frequenzteilband I/Q₁ sein soll. Anschließend wird das erhaltene Basisbandsignal in einem Analog-/Digital-Wandler 8 digitalisiert und einem I/Q-Modulator 9 zugeführt. Am Ausgang des I/Q-Modulators 9 ist ein Frequenzteilband I/Q₁ erhalten. Das jeweilige Frequenzteilband liegt dann in sogenannten I/Q-Daten vor und wird im Folgenden als I/Q₁-Signal bezeichnet.
Respektive werden die beiden anderen Frequenzbänder I/Q₂, und I/Q₃ durch Mischen des Eingangssignals RF_in mit einer zweiten Trägerfrequenz ω₂ oder einer dritten Trägerfrequenz ω₃ gemischt. Am Ausgang sind somit Frequenzteilbänder in I/Q-Daten erhalten.
Zur Veranschaulichung ist in 4b ein Übertragungsverhalten der in 4a dargestellten Aufteileinheit 1 dargestellt. Dabei ist das breitbandige Signal RF_in als durchgehende Linie gezeichnet. Entsprechend der Trägerfrequenzen ω₁, ω₂, ω₃ wird das Signal RF_in in drei Teilbänder RF_sub1 bis RF_sub3 aufgeteilt, welche jeweils gestrichelt dargestellt sind. Durch die Mischeinheiten 6 werden diese Teilbänder RF_sub als Basisbandsignale weiter verarbeitet. Die dazu notwendige Filterung erfolgt durch das Filterelement 7.
Die Auswahl der Anzahl der Frequenzbänder erfolgt im Messgerät selbst. Dabei sind die Auflösebandbreite des Messgeräts und die Bandbreite B des Messsignals entscheidend. Je breitbandiger das Messsignal RF_in ist, desto mehr Frequenzbänder sind notwendig, um mit einer geeigneten Auflösung, insbesondere im Kilohertzbereich, eine Signalanalyse betreiben zu können.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Demodulationseinheit 5 dargestellt. Diese ist gemäß 2 und 3 notwendig, um Frequenzbänder, die als I/Q-Signal vorliegen, wie beispielsweise in 4a gezeigt, in Frequenzbänder im FM-Bereich umzusetzen. Allgemein gilt dabei für ein phaseninvariantes Signal x(t) mit der Amplitude A $x (t) = A \cdot e^{j φ (t)}$
, dass die Kreis-Frequenz w die zeitliche Ableitung der Phase φ ist: $ω (t) = \frac{\partial}{\partial t} φ (t)$
Für ein zeitdiskretes Signal gilt: $x [n] \cdot x * [n - 1] \to | A^{2} | \cdot e^{j [φ [n] - φ [n - 1]]}$
Bei zeitdiskreten Signalen gilt für die Phase φ: $φ = arctan (\frac{Q}{I})$
, wobei I die Inphase-Komponente und Q die Quadraturphase-Komponente des jeweiligen I/Q-Signals sind.
Daher werden bei den bereitgestellten Signale I/Q₁ bis I/Q₃ der Phasenwert φ durch Phasendifferenzen Δφ und Arkustangens-Berechnung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten des I/Q-Signals in der Phaseneinheit 51 ermittelt. Das Ergebnis der Phaseneinheit 51 wird dann dem Differentiator 52 zugeführt, der die Ableitung der Phase gemäß obigem Zusammenhang ermittelt. Somit wird durch Ableitung der Phaseninformation des jeweiligen I/Q-Signal ein Signal in den Frequenzbereich übertragen. Ein Differentiator 52 wird insbesondere mittels eines idealen Hochpasses oder eines zumindest für den Frequenzbereich des Teilbandes RF_sub notwendigen Teilbereichs linearen Hochpasses erzeugt.
In 6 ist ein erfindungsgemäße Abgleicheinheit 2 dargestellt. Gemäß 6 werden I/Q-Signal gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 3 an den Eingang der Abgleicheinheit 2 angelegt. Das entsprechende I/Q-Signal wird mit einem mit dem jeweiligen Frequenzband korrespondierenden Referenzfrequenzband I/Q_ref mittels eines Korrelators 22 korreliert. Um ein derartiges Referenzfrequenzband I/Q_ref zu erhalten, wird das Referenzsignal RF_ref mittels eines Frequenzmodulators 21 moduliert und mittels Filterelementen 7 bandbreitenbegrenzt.
Durch die Korrelatoren 22 werden die entsprechenden Referenzbänder I/Q_ref mit den jeweiligen I/Q-Signalen verglichen, um die entsprechende Zeitkonstante t und die entsprechende Trägerfrequenz f zu ermitteln. Die Zeitkonstante t und die Trägerfrequenz f sind notwendig, um die I/Q-Signale (Basisbandsignale) in der richtigen Reihenfolge und mit der richtigen zeitlichen Abfolge in der Zusammenfügeeinheit 3 zu dem rekonstruierten Signal RF_recon zusammenzufügen.
Am Ausgang der Abgleicheinheit 2 sind somit die jeweiligen Zeitverschiebungen t₁ bis t₃ als auch die Trägerfrequenzen f₁ bis f₃ abgreifbar. Die Trägerfrequenzen f₁ bis f₃ korrespondieren zu den Trägerkreisfrequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ der Aufteileinheit 1.
In 7 ist eine Zusammenfügeeinheit 3 für das Ausführungsbeispiel gemäß 2 dargestellt. Dabei werden die jedes Frequenzteilband FM₁ bis FM₃ mit einem zu dem Frequenzteilband FM₁ bis FM₃ korrespondierenden Referenzsignalteilband FM_ref1 bis FM_ref3 korreliert. Am Ausgang der Abgleicheinheit 2 sind entsprechend zu 6 die Parameter t₁ bis t₃ sowie die Frequenzen f₁ bis f₃ als Parameter der Zusammenfügeeinheit bereitgestellt. Die Trägerfrequenzen f₁ bis f₃ korrespondieren zu den Trägerkreisfrequenzen ω₁, ω₂ und ω₃ der Aufteileinheit 1.
Zu erkennen ist, dass die Zusammenfügeeinheit 2 gemäß 7 einfacher realisierbar ist als die Zusammenfügeeinheit 2 gemäß 6, da eine Modulation des Referenzsignals RF_ref in den I/Q-Bereich nicht erfolgen muss, was bei Vorliegen des Referenzsignals RF_ref im FM-Bereich zu einer Vereinfachung führt.
In 8 ist eine erfindungsgemäße Zusammenfügeeinheit 3 dargestellt. Dabei werden I/Q-Signale gemäß dem Ausführungsbeispiel aus der 3 an den Eingang der Zusammenfügeeinheit 3 angelegt. Zusätzlich werden die gemäß Abgleicheinheit 2 ermittelten Zeitverzögerungen t und Trägerfrequenzen f für jedes I/Q-Signal der Zusammenfügeeinheit 3 bereitgestellt.
Jedes I/Q-Signal I/Q₁ bis I/Q₃ wird dabei einer Zeitverzögerungseinheit 31 zugeführt, um eine ermittelte Zeitverzögerung des Messsignals RF_in zeitrichtig zu rekonstruieren. Nach der zeitlichen Verschiebung des jeweiligen Signals I/Q₁ bis I/Q₃ wird mittels einer Mischeinheit 6 das jeweilige I/Q-Signal in den entsprechenden Frequenzbereich des Messsignals RF_in verschoben. Abschließend werden alle verschobenen Signale mittels einer Addiereinheit 33 zusammengefügt. Am Ausgang der Zusammenfügeeinheit 3 ist ein breitbandiges rekonstruiertes I/Q-Signal erzeugt.
Alternativ zu 8 ist in 9 eine Zusammenfügeeinheit 3 für das Ausführungsbeispiel gemäß 2 dargestellt. Dabei werden FM-Signale gemäß Ausführungsbeispiel aus der 2 an den Eingang der Zusammenfügeeinheit 3 angelegt. Zusätzlich werden die gemäß Abgleicheinheit 2 ermittelten Zeitverzögerungen t und gemäß Aufteileinheit 1 verwendeten Trägerfrequenzen f für jedes FM-Signal der Zusammenfügeeinheit 3 bereitgestellt.
Die am Eingang der Zusammenfügeeinheit 3 bereitgestellten Frequenzbänder FM₁ bis FM₃ werden über eine Zeitverschiebeeinheit 31 und einer Frequenzaddiereinheit 32 an die entsprechenden Stellen des Messsignal RF_in verschoben. Im Anschluss an die Zeit- und Frequenzverschiebung erfolgt eine Addition aller Frequenzbänder mittels der Addiereinheit 33. Am Ausgang der Zusammenfügeeinheit 3 ist ein breitbandiges, rekonstruiertes Messsignal RF_recon erzeugt.
10 zeigt eine Periode eines erfindungsgemäß verwendeten breitbandigen Messsignal RF_in, wie es beispielsweise in Radarsystemen eingesetzt wird. Dabei ist die Änderung der Frequenz f in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt. Derartige Messsignale RF_in werden auch als abschnittsweise lineare frequenzmodulierte Signale bezeichnet. Sie zeichnen sich durch ihre Parametrisierung aus. Dabei ist die Anzahl der Segmente, in den die Frequenz des Messsignals RF_in konstant oder linear variant ist, ein erster Parameter. Gemäß 10 sind vier Segmente vorgesehen, die jeweils eine charakteristische Segmentdauer T₁ bis T₄ aufweisen.
Ein zweiter Parameter ist die Startzeit t₀, zu der eine Periode des Messsignals RF_in beginnt. Ein Frequenzversatz f₀ ist als dritter Parameter enthalten. Ebenfalls ist die maximale Frequenz f₂ bzw. aufgrund des gezeigten Verlaufs auch Frequenz f₃ als vierter Parameter charakterisierend für ein derartiges Messsignal RF_in.
Das dargestellte Signal kann mathematisch beschrieben werden, durch: $F M (t) = \sum_{n = 1}^{N} ((\frac{f_{n} - f_{n - 1}}{T_{n}}) \cdot (t - t_{n}) + f_{n - 1}) \cdot g (t - t_{n}; T_{n}) f \ddot{u} r t \in [t_{0}, t_{N}]$
Darin bedeuten:

f_n: Endfrequenz eines Segments n
t_N: Zeitversatz pro Segment n
t₀: Zeitversatz vor Segment 1
T_N: Zeitdauer des n-ten Segments
N: Anzahl der Segmente
n: n-tes Segment
G(T;T_N): Fensterfunktion

Ein Signal RF_ref wird nun von einem Sender ausgesendet und ein entsprechendes breitbandiges Messsignal RF_in - in 10 gestrichelt dargestellt - empfangen. Dabei weist das empfangene Messsignal RF_in eine zeitliche Verzögerung d sowie einen Versatz V der Amplitude in Bezug auf das Referenzsignal RF_ref auf. Die zeitliche Verzögerung d entspricht dabei dem Abstand zwischen einem Objekt und dem Sender. Der Amplitudenversatz V entspricht dabei der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Sender und dem Objekt.
Die in 10 gezeigten Messsignale RF_in und RF_ref weisen im Segment T₂ und T₄ einen unterschiedlichen linearen Anstieg der Frequenzen auf. Diese unterschiedlichen Anstiege dienen der verbesserten Auswertung der Entfernung und der Geschwindigkeit des detektierten Objekts.
Um die Güte eines Radarsystems bestimmen zu können, wird in einem Messgerät ein Referenzsignal RF_ref mit dem Messsignal RF_in verglichen. Der in 10 dargestellte vergrößerte Bereich zeigt, dass das empfangene Messsignal RF_in schwach wellenförmig ist und im Vergleich zum ausgesendeten Referenzsignal RF_ref um einen Abweichfaktor ε verschieden ist. Diese Abweichung ε ist der Fehler des Radarsystems und ist zu ermitteln. Die Abweichung ε beträgt üblicherweise einige wenige Kilohertz.
Die Frequenzmodulation des Messsignals variiert zwischen den Frequenzen f₁ und f₂, was einer Bandbreite B des Messsignals entspricht. Typischerweise beträgt die Bandbreite B eines derartigen Messsignals RF_in 2 GHz. Um den geringen Abweichfehler ε detektieren zu können, ist ein entsprechend gut aufgelöstes Messgerät notwendig und die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 11a ist ein Frequenzband dargestellt, welches gemäß 2 nach dem Demodulator 5 erhalten ist. Dabei werden Bereiche, die von dem Frequenzband bei der Aufteilung nicht umfasst werden, dem Signal als Rauschen zugefügt. Derartiges Rauschen ist unerwünscht und wird daher vor dem Abgleichen in der Abgleicheinheit 2 und dem Rekonstruieren in der Zusammenfügeeinheit 3 herausgefiltert. Ein entsprechend gefiltertes Signal ist gemäß 11b gezeigt.
In 12a ist ein externes Triggersignal T_ext gezeigt. Dieses aus Dirac-Impulsen bestehende Triggersignal T_ext zeigt den Beginn einer jeden Periode des Messsignals RF_in an. Dieses Triggersignal T_ext ist insbesondere hilfreich für die Rekonstruktion des abgeglichenen Signals in der Zusammenfügeeinheit 3. Jeder Dirac-Impuls des Triggersignals T_ext zeigt in der Zusammenfügeeinheit 3 den Beginn einer neuen Periode des Messsignals RF_in an. Durch das externe Triggersignal T_ext kann die Messzeitdauer zum Ermitteln der Abweichung ε enorm verkürzt werden, da die einzelnen Frequenzbänder anhand des Triggersignals T_ext einfacher positioniert werden können. Eine aufwändige Korrelation kann in diesem Fall entfallen.
In 12b ist ein aufzuteilendes Messsignal RF_in dargestellt. Die Bandbreite B wird dabei mittels des Messgeräts in drei Frequenzbänder B_sub1 bis B_sub3 unterteilt. Diese Frequenzbänder sind überlappend und weisen in der Summe eine größere Bandbreite auf als die Bandbreite B des Messsignals. Dies ist notwendig, um einerseits den Frequenzversatz V zwischen dem Referenzsignal RF_ref und dem Messsignal RF_in auszugleichen und andererseits den Versatz für das Zusammenfügen der einzelnen Frequenzbänder auszugleichen.
Die so erhaltenen Frequenzbänder werden nach einem zeit- und frequenzgenauem Abgleich mittels Abgleicheinheit 1 zum rekonstruierten Messsignal RF_recon zusammengefügt, wie in 12c dargestellt ist.
In 12c ist ein breitbandiges rekonstruiertes Messsignal RF_recon dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass zwischen den einzelnen Frequenzbändern ein zeitlicher Versatz ausgeglichen werden musste. Mittels der Korrelatoren 22 der Abgleicheinheit 2 wurde die Frequenz jedes entsprechenden Frequenzbandes RF_sub in Bezug auf das Messsignal RF_in ermittelt und korrekt positioniert. Das so zusammengefügte Messsignal RF_recon weist eine Abweichung ε auf, die in Form von Nichtlinearität des Messsignals dargestellt ist. Diese Nichtlinearität stellt den Abweichfaktor ε des Radarsystems dar.
Die in 12c gezeigte Nichtlinearität ist dabei übertrieben dargestellt. Durch Subtraktion des Referenzsignals RF_ref von dem zusammengefügten rekonstruierten Signal RF_recon wird ein Abweichsignal ε erhalten. Das Messsignal RF_in ist periodisch. Aufgrund des digitalen Charakters können alle Perioden des Messsignals RF_in sequentiell der Aufteileinheit 1 bereitgestellt werden. Um ein Eigenrauschen des Messgeräts zu verringern, welches eine zusätzliche Verschlechterung des rekonstruierten Signals RF_recon bedeuten würde, werden Videofilter eingesetzt. Der Videofilter wird nach der Frequenzdemodulation 5 angeordnet.
Alternativ wird zum Reduzieren des Eigenrauschens eine Mittelung der Messungen über eine Mehrzahl von Perioden des Messsignal RF_in durchgeführt, auch als Trace Averaging bezeichnet. Diese mehreren Perioden des Messsignals RF_in werden zu einer Periode gemittelt. Es entsteht ein Mittelwert der Periode des Messsignals RF_in, wodurch große Nichtlinearitäten des Messsignals verkleinert werden. Die Mittelwertbildung erfolgt nach dem Zusammenfügen des Signals RF_recon und vor der Auswertung.
Eine Korrelation ist vorteilhaft, da zum Finden des Frequenzschwellwertes ein Rauschen des Signales herausgerechnet werden muss. Dies ist insbesondere durch Korrelation mit dem Referenzsignal erhalten.
Alternativ zur Analyse der I/Q-Signale gemäß 2 oder der FM-Signale gemäß 3 kann auch ein phasenmoduliertes Signal analysiert werden. Für ein phasenmoduliertes Signal gilt: $φ (t) = \int ω (t) d t$
Aus den abschnittsweise linearen Bereichen des Messsignals RF_in werden Abschnitte mit quadratischen Bereichen. Das Abgleichen von Frequenzbändern als PM-Signalen kann ebenfalls mittel Korrelation erfolgen. Mittels einer Maximal-Wahrscheinlichkeits-Analyse, englisch Maximum-Likelihood, können Versatz und Zeitverzögerung ebenfalls ermittelt werden.
Unerlässlich bei der Zerlegung in Frequenzteilbänder ist die Verwendung von zumindest zwei Perioden des Messsignals, um den Zeitversatz beim Zusammenlegen ausgleichen zu können und eine volle Periode des Messsignals darzustellen. Bei drei Frequenzbändern und sequentieller Verarbeitung ist dabei ein Messsignal RF_in mit sechs Perioden zu analysieren.
Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere ist ein Kombinieren der beiden Ausführungsbeispiele gemäß 2 und 3 nicht ausgeschlossen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Abweichung (ε) eines breitbandigen Messsignals (RF_in) von einem Referenzsignal (RF_ref), das einer Auswerteeinheit (4) zur Verfügung gestellt wird oder von der Auswerteeinheit (4) generiert wird, mit den Verfahrenschritten: - Aufteilen (1) des breitbandigen Messsignals (RF_in) in zumindest zwei Messsignalfrequenzbänder (RF_sub); - Verschieben (2) der zumindest zwei Messsignalfrequenzbänder (RF_sub) entsprechend zu den Messsignalfrequenzbändern (RF_sub) korrespondierenden Referenzsignalfrequenzbändern (RF_ref,sub) des Referenzsignals (RF_ref), wobei der Schritt des Verschiebens (2) mindestens einen Schritt des Abgleichens der Signalausrichtung umfasst, so dass die mindestens zwei Messsignalfrequenzbänder (RF_sub) den jeweiligen Referenzsignalfrequenzbändern (RF_ref,sub) des Referenzsignals (RF_ref) entsprechen; und - Zusammenfügen (3) der zumindest zwei Messsignalfrequenzbänder (RF_sub) zu einem rekonstruierten breitbandigen Messsignal (RF_recon) .
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das breitbandige Messsignal (RF_in) ein periodisches frequenzmoduliertes Signal ist und wobei eine Periode des Signals zumindest abschnittsweise linear frequenzmoduliert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt der Verschiebung (2) unter Verwendung eines linearen Gradienten der Frequenzen in einem Segment des periodischen frequenzmodulierten Signals durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt des Zusammenfügens (3) ein Schritt des Subtrahieren (4) des Referenzsignals (RF_ref) vom rekonstruierten breitbandigen Messsignal (RF_recon) erfolgt und/oder ein Schritt des Darstellens des rekonsturierten breitbandigen Messsignal (RF_recon) mit dem Referenzsignal (RF_ref) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Verschiebens (2) zumindest den Schritt des Korrelierens (22) jedes Messsignalfrequenzbandes (RF_sub) mit dem Referenzsignal (RF_ref) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Verschiebens (2) unter Verwendung eines Triggersignals (T_ext) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Zusammenfügens (3) einen Schritt des Addierens (33) von mindestens zwei der verschobenen Messsignalfrequenzbänder (RF_sub,t) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Verschiebens (2) in einer Frequenzmodulations-Domäne der Messsignalfrequenzbänder (RF_sub) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor dem Schritt des Verschiebens (2) ein Demodulations-Schritt (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schritt des Verschiebens (2) im I/Q-Basisband der Messsignalfrequenzbänder (RF_sub) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Zusammenfügens (3) folgende Verfahrensschritte umfasst: - zeitliches Verschieben (31) jedes Messsignalfrequenzbandes (RF_sub) um einen Zeitversatz (t) entsprechend des Referenzsignals (RF_ref); - Mischen (6) jedes zeitlich verschobenen Messsignalfrequenzbandes (RF_sub,t) mit einem Frequenzbandträger (f) entsprechend des Referenzsignalfrequenzbandes (RF_ref,sub) - Addierens (33) aller gemischten Messsignalfrequenzbänder; und - Demodulieren der gemischten Messsignalfrequenzbänder zu einem rekonstruierten breitbandigen Messsignal (RF_recon)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt des Zusammenfügens (3) ein Schritt der Messfehlerkorrektur erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt umfasst: Verwendung des Referenzsignals (RF_ref) und des rekonstruierten breitbandigen Messsignal (RF_recon) zur Bestimmung der Abweichung (ε).
Messgerät zum Analysieren eines breitbandigen Messsignals (RF_in), aufweisend: - eine Einheit (1) zum Aufteilen eines breitbandigen Messsignals (RF_in) in zumindest zwei Messsignalfrequenzbänder (RF_sub), wobei jedes Messsignalfrequenzband (RF_sub) ein I/Q-Basisbandsignal ist; - eine Einheit (2) zum Verschieben der einzelnen Messsignalfrequenzbänder (RF_sub) in Bezug auf korrespondierende Referenzsignalfrequenzbänder (RF_ref,sub) eines Referenzsignals (RF_ref), das einer Auswerteeinheit (4) zur Verfügung gestellt ist oder von der Auswerteeinheit (4) generiert ist, wobei das Verschieben (2) mindestens einen Schritt des Abgleichens der Signalausrichtung umfasst, so dass die mindestens zwei Messsignalfrequenzbänder (RF_sub) den jeweiligen Referenzsignalfrequenzbändern (RF_ref,sub) des Referenzsignals (RF_ref) entsprechen; - eine Einheit (3) zum Zusammenfügen abgeglichener Messsignalfrequenzbänder (RF_sub,t,f) zu einem rekonstruierten breitbandigen Messsignal (RF_recon); und - eine Einheit (4) zum Analysieren des rekonstruierten breitbandigen Messsignals (RF_recon) in Bezug auf das Referenzsignal (RF_ref) derart, dass eine Abweichung (ε) des rekonstruierten breitbandigen Messsignals (RF_recon) zum Referenzsignal (RF_ref) als Ausgangswert des Messgeräts bereitgestellt ist.
Messgerät nach Anspruch 14, wobei das Messgerät eine Einheit zum Bestimmen der Anzahl der Messsignalfrequenzbänder (RF_sub) in Abhängigkeit der Bandbreite (B) des empfangenen Messsignals (RF_in) aufweist und wobei die Einheit die Anzahl mit zunehmender Bandbreite erhöht.
Messgerät nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei das Messgerät eine Einheit zur Auswahl der Messzeitraumlänge (T) aufweist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Messgerät zur Reduzierung des Eigenrauschens des Messgeräts ein Filterelement (7) und/oder eine Einheit zur Mittelung des rekonstruierten breitbandigen Messsignals aufweist.