DE102020203238B4

DE102020203238B4 - Verfahren und System zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses, Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts und Vorrichtung zur Datenverarbeitung

Info

Publication number: DE102020203238B4
Application number: DE102020203238.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Robens; Christian Grewing; Stefan Van Waasen
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2040-03-14
Also published as: DE102020203238A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals, bei dem unter Nutzung eines empfangenen Bandpass-Signals (1) eine Inphasenkomponente (I) und eine Quadraturkomponente (Q) erzeugt werden, wobei das empfangene Bandpass-Signal (1) ein Produkt einer Multiplikation eines Trägersignals mit einem bipolaren Nutzsignal ist, wobei eine erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) und/oder eine erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) zum Erhalt einer Information über einen Mehrwegeeinfluss des Bandpass-Signals (1) genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals, ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts, ein computerimplementiertes Verfahren, eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung sowie ein Computerprogramm.
Zur Positionsbestimmung von Objekten ist eine Vielzahl an Verfahren bekannt, die zum großen Teil auf funkbasierter Sendung und Empfang elektromagnetischer Wellen basieren. Diese sind häufig für die Bestimmung der Position von Gegenständen oder Personen im Freien geeignet. So sind etwa Verfahren bekannt, die aufgrund einer Laufzeit oder einer Laufzeitdifferenz eines Signals einen Abstand zwischen Sender und Empfänger ermitteln und auf diese Weise bei der Nutzung mehrerer Sender bzw. Empfänger eine Positionsbestimmung ermöglichen.
Bei der Positionsbestimmung im Inneren von Gebäuden treten dagegen in wesentlich größerem Umfang Störsignale auf, die die beschriebenen Verfahren erschweren oder unmöglich machen. Durch Reflexion an Oberflächen und Wechselwirkung mit Gegenständen werden Signale vervielfältigt, in der Phase verschoben, abgeschwächt und verzögert. Statt eines einzigen Signals wird somit eine Vielzahl sich überlagernder Signalanteile empfangen, deren Interpretation schwierig bis unmöglich ist. Dies wird als Mehrwegeeinfluss bezeichnet.
Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, die den Mehrwegeeinfluss von Signalen in Positionierungs-/ Lokalisierungssystemen zu ermitteln und/oder zu unterdrücken versuchen. Bekannt ist beispielsweise, unterschiedliche Trägerfrequenzen oder Empfängerpositionen zu nutzen, um durch Mittelung über die aufgezeichneten Laufzeiten bzw. Laufzeitdifferenzen mehrwegbedingte Zeitverschiebungen auszugleichen. Ein derartiges Verfahren unter Verwendung mehrerer Trägerfrequenzen ist etwa aus der Veröffentlichung „Radio Frequency Time-of-Flight Distance Measurement for Low-Cost Wireless Sensor Localization“, DOI 10.1109/JSEN.2010.2072496, bekannt. Die Nutzung mehrerer versetzt positionierter Empfänger ist aus US2016370453A1 bekannt, wobei der durch Mehrwegeeinflüsse hervorgerufene Zeitversatz durch Mittelung über die jeweiligen Laufzeitdifferenzen der Empfänger reduziert wird.
Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, die Signale mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen nutzen, um das Signal der Sichtverbindung von den Mehrwegekomponenten zu trennen. Die WO02058290A1 nutzt das Frequenzsprungverfahren, um Quadraturkomponenten bei unterschiedlichen Trägerfrequenzen aufzuzeichnen. Mittels inverser Fourier-Transformation werden die Zeitverzögerung und die relative Amplitude der Sichtverbindung und der erhaltenen Echos ermittelt.
Die JP2009216561A beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Mehrträgersignal mit periodisch phasensynchronen Trägern genutzt wird, wobei sich die Träger jeweils um einen konstanten Frequenzversatz unterscheiden. Für die Sichtverbindung ergibt sich ein kreisförmiger Verlauf im I/Q-Diagramm. Der Sichtverbindung lässt sich eine feste Signalverzögerung zuordnen. Da aber ein Mehrträgersignal genutzt wird, dessen Anteile sich durch konstante Frequenzabstände unterscheiden, ergibt sich im I/Q-Diagramm ein Kreisbogen. Der Öffnungswinkel dieses Bogens ist dabei proportional zur Zeitverzögerung. Die Anfangsphase sowie die Amplitude werden als unbekannt angenommen. Die Kreisbögen von Sichtverbindung und Mehrwegesignalen überlagern sich und ergeben einen Kurvenverlauf, der typischerweise nicht mehr kreisförmig ist. Daher wird ein iteratives Fitting-Verfahren mit geeignetem Abbruchkriterium eingesetzt, welches die unbekannten Parameter ermittelt.
Daneben ist bekannt, mittels Abwandlungen des Konzeptes des „Early-Minus-Late“-Korrelators den Einfluss von Mehrwegeausbreitungen auf GPS-Signale zu vermindern. So wird in der US5493588A neben dem Empfangssignal eine Musterfolge des Spreizsignals zur Korrelation genutzt, um Referenzwerte und Auftrittszeiten zur Schätzung der Mehrwegeeinflüsse zu erhalten. In ähnlicher Weise wird in US6252863B1 eine geeignete Auswertung der Korrelatorausgangssignale des Empfangssignals genutzt. In der US2004057505A1 dient das Differenzsignal zweier zusätzlicher Korrelatoren sowie ein künstlicher Offset zur Verringerung des Mehrwegeeinflusses.
Aus der US2009/0141779A1 ist ein Bestimmungsverfahren für Mehrfachpfadsignale bekannt, in dem Quadraturkomponenten des Empfangssignals mit denen eines Replika-Signals über ein gewisses Verzögerungsintervall korreliert und die Ergebnisse im I/Q-Diagramm betrachtet werden. Daraus werden Kriterien für die Erkennung eines Mehrwegeeinflusses ermittelt und die Eignung des Signals zur Positionsbestimmung wird beurteilt.
Die DE102016012101A1 und die US2019/0187237A1 beschreiben ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Messobjekts unter Verwendung von mindestens vier Basisstationen. Mindestens zwei Sender der Basisstationen geben dabei zeitgleich periodische Signale unterschiedlicher, eng benachbarter Trägerfrequenzen mit einem aufgeprägten, periodischen Muster aus. Auf diese Weise kann eine genaue Positionsbestimmung in Gebäuden mit effizienter Ausnutzung der Bandbreite ermöglicht werden und es können gleichzeitig Positionen mehrerer Objekte bestimmt werden.
Die Druckschrift WO 2013 / 020 122 A2 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals. Ein empfangenes Signal weist eine geringe Bandbreite auf und basiert auf einer komplexen Exponentialfunktion mit Skalierungsfaktor β gemäß der Formel β · e^{i·2·π·f·t}. Die Druckschrift US 2009 0 096 674 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abschwächung der Auswirkungen von Mehrwegeausbreitung auf die Azimutgenauigkeit in einem Monopuls-Abfragegerät.
Die beschriebenen Verfahren setzen bestimmte Eigenschaften des Signals bzw. des Übertragungssystems voraus. Einige beschränken sich auf Mehrträgersignale. Ein anderes schreibt die Zuordnung von Sender und Empfänger zu Ortungsgegenstand und Basisstation vor. Manche stützen sich auf die Gegebenheiten beim Korrelationsempfang. Die bisher bekannten Verfahren ermöglichen keine Erkennung oder Unterdrückung von Mehrwegeeinflüssen eines bipolar phasenmodulierten Signals.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, unter Behebung der genannten Nachteile ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses, ein verbessertes System zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses, ein verbessertes Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Datenverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses gemäß dem Hauptanspruch sowie das System zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses, das Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts und die Vorrichtung zur Datenverarbeitung gemäß den Nebenansprüchen. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals, bei dem unter Nutzung eines empfangenen Bandpass-Signals eine Inphasenkomponente und eine Quadraturkomponente erzeugt werden. Es wird eine erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente und/oder eine erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente zum Erhalt einer Information über einen Mehrwegeeinfluss des Bandpass-Signals genutzt.
Das Verfahren kann auch das Empfangen des Signals umfassen. Dies erfolgt typischerweise mittels eines Empfängers. Dieser ist insbesondere ein Funkempfänger. Das Signal wird also über eine Funkverbindung übertragen. Insbesondere wird das Signal im Inneren eines Raums, typischerweise eines geschlossenen Raums, empfangen. Das Verfahren kann auch das Übertragen des Signals umfassen, was üblicherweise ebenfalls zumindest abschnittsweise im Inneren des Raums erfolgt.
Eine Inphasenkomponente sowie eine Quadraturkomponente sind Signale, die beim Demodulieren, auch als Abwärtsmischen oder Heruntermischen bezeichnet, eines hochfrequenten Bandpass-Signals mit dem I&Q-Verfahren, auch „ln-Phase-&-Quadrature-Verfahren“, erzeugt werden. Dies ermöglicht, die Phaseninformation bzw. Phase des Trägersignals bzw. des Bandpass-Signals zu erhalten. Zu diesem Zweck erfolgt bei dem I&Q-Verfahren eine Auftrennung des Signals in zwei Wege. Der eine Weg der Demodulation wird mit der originalen Phasenlage durchgeführt und führt zur Inphasenkomponente. Der andere Weg wird mit einem um 90° phasenverschobenen Signal bei der Referenzfrequenz durchgeführt und ergibt die Quadraturkomponente, sodass bei dieser eine Phasenverschiebung des Signals um 90° vorliegt. Die bipolare Folge wird im Q-Pfad nur verzögert, aber nicht in der Phase verschoben. Die Phasenverschiebung betrifft maßgeblich die trägerfrequenten Anteile. Im Ergebnis äußert sich der gesamte Vorgang (Aufwärtsmischen, Verzögerung, komplexes Abwärtsmischen) in den relativen Amplituden der Signale im I- und Q-Pfad.
Erzeugen meint Ermitteln bzw. Errechnen der jeweiligen Komponenten aus dem Bandpass-Signal. Dies erfolgt mittels einer Erzeugungseinrichtung, die beispielsweise als Mischer, Multiplexer, oder als schalterbasierte Lösung ausgestaltet ist. Im letzteren Fall sind die Frequenzgeneratoren dabei so ausgeführt, dass sie differenzielle Signale ausgeben. Ein differenzielles Signal ist ein Signal, welches sich aus zwei Signalanteilen zusammensetzt, die zueinander einen Phasenunterschied von 180 Grad aufweisen. Die „Multiplikation“ der Rechteckfolge mit dem Trägersignal erfolgt dann in der Weise, dass die beiden um 180 Grad phasenverschobenen Signalanteile mit Hilfe der Schalter bzw. Multiplexer ausgetauscht werden. Typischerweise ist die Erzeugungseinrichtung ein Mischer wie beispielsweise ein Quadraturmischer. Dieser kann vom Empfänger umfasst sein. Beim Heruntermischen werden somit die Quadraturkomponente, englisch „Q component“ oder „quadrature signal“, und die Inphasenkomponente, englisch „I component“ oder „in-phase signal“, erzeugt, die auch als Q und I oder als Basisbandkomponenten im I- bzw. Q-Pfad bezeichnet werden. Das Verfahren kann auch das Erzeugen eines Basisband-Signals unter Nutzung des Bandpass-Signals umfassen, auch als Demodulation oder Heruntermischen bezeichnet.
Ein Mehrwegeeinfluss ist ein Einfluss aufgrund einer Übertragung eines Signals über mehrere Wege. Insbesondere ist damit gemeint, dass ein von einer Sendeeinrichtung gesendetes Signal neben der direkten Sichtverbindung, auch als Sichtlinie bezeichnet, hin zu einer Empfangseinrichtung auch weitere, indirekte Wege nimmt. Dies wird auch als Mehrwegeausbreitung des Signals bezeichnet.
Das empfangene Signal unterliegt typischerweise einem Mehrwegeeinfluss und umfasst einen direkten Signalanteil sowie einen indirekten Signalanteil. Mit anderen Worten ist das empfangene Signal eine Mischung aus bzw. Überlagerung von direkten und indirekten Signalanteilen. Der direkte Signalanteil wurde entlang der Sichtverbindung übertragen und ist somit unbeeinflusst. Der indirekte Signalanteil wurde zumindest abschnittsweise auf einem von der Sichtverbindung abweichenden Pfad übertragen und ist somit von der Umgebung beeinflusst. Mit anderen Worten wurde er zumindest abschnittsweise entlang eines anderen Ausbreitungspfades übertragen. Der indirekte Signalanteil kann eine Vielzahl unterschiedlicher Signale umfassen, die zumindest abschnittsweise entlang unterschiedlicher Pfade übertragen wurden. Er hat eine vom direkten Signalanteil abweichende Amplitude. Diese ist aufgrund des längeren Übertragungspfades typischerweise schwächer. Der indirekte Signalanteil hat darüber hinaus in der Regel eine vom direkten Signalanteil abweichende Phase.
Ein Bandpass-Signal ist ein Signal, das ein Trägersignal und ein zwecks Übertragung auf das Trägersignal aufmoduliertes Nutzsignal aufweist. Es ist insbesondere ein hochfrequentes Signal. Ein Bandpass-Signal liegt nach der Modulation bzw. vor der Demodulation vor. Es liegt damit nicht in der Basisbandlage, in welcher es vor der Modulation und nach der Demodulation vorliegt. Die Modulation erfolgt typischerweise in einer Erzeugungseinrichtung wie einem Mischer, einem Multiplexer oder einer schalterbasierten Lösung. Bei Nutzung eines Mischers wird sie auch als Mischen bezeichnet. Die Demodulation kann ebenfalls in einem Mischer erfolgen und in diesem Fall als Heruntermischen bezeichnet werden.
Das empfangene Bandpass-Signal ist das Produkt einer Multiplikation eines Trägersignals, insbesondere eines hochfrequenten Cosinus-Signals, mit einem Nutzsignal in Form eines bipolaren Signals, insbesondere einem Rechtecksignal. Es wurde gesendet, breitete sich über einen Kanal aus und wurde anschließend empfangen. Das bipolare Signal wird auch als bipolare Folge bezeichnet. Die Multiplikation führt zu einer Phasenmodulation des Trägersignals. Das empfangene Bandpass-Signal wird daher auch als bipolar phasenmoduliertes Signal bezeichnet. Das Bandpass-Signal selbst ist jedoch kein bipolares Signal, da es zumindest abschnittweise einen stetigen Verlauf aufweist und somit mehr als zwei Werte annimmt.
Der bipolare Charakter der Inphasenkomponente und der Quadraturkomponente, auch als Komponenten im Basisband-Signal bezeichnet, ergibt sich daraus, dass diese wiederum Rechtecksignale sind und somit (in idealisierter Betrachtung und bei fester Verzögerung) hinsichtlich ihrer Amplituden lediglich zwei Werte annehmen, wobei insbesondere beide Werte von null abweichen können. Zwischen diesen Werten befinden sich Wechsel von 180 Grad. Die Inphasenkomponente und die Quadraturkomponente sind demnach Signale mit einem klar definierten Wechsel der Amplitude, der auch als Übergang bezeichnet wird. Dieser ist in einer Darstellung der Amplitude gegen die Zeit deutlich zu erkennen. Geringe Abweichungen von der Rechteckform sind selbst verständlich erlaubt, solange der Übergang klar genug definiert ist. Rechtecksignale werden typischerweise durch Fourier-Synthese aus überlagerten Sinus-Signalen und/oder Cosinus-Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden hergestellt. Beispielsweise kann hierzu in der praktischen Implementierung ein Oszillator in Verbindung mit einer begrenzenden Vergleichsschaltung (Komparator) eingesetzt werden. Letztere weist eine sehr hohe Verstärkung auf, bis das (Ausgangs-)Signal in die Begrenzung getrieben wird. Die Begrenzung ist dabei in der Regel durch die Bauteileigenschaften in Verbindung mit den Pegeln der Spannungsversorgung gegeben. Die Harmonischen, welche zur Überführung des Oszillator-Signals in ein Rechtecksignal benötigt werden, werden durch diese Nichtlinearität schaltungsinhärent generiert. Insbesondere wird ein Rechtecksignal mit zu übertragenen Daten (bipolare Folge) vor dem Senden auf ein als Trägersignal genutztes Cosinus-Signal aufmoduliert.
Die erste zeitliche Ableitung meint eine Ableitung nach der Zeit. Sie entspricht der Steigung der Inphasenkomponente bzw. Quadraturkomponente.
Die Information besteht beispielsweise darin, das Vorhandensein eines Mehrwegeeinflusses zu ermitteln. Mit anderen Worten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden, ob ein empfangenes Signal einem Mehrwegeeinfluss unterliegt oder nicht. Die Information kann auch in einer Entscheidung bestehen, ob das empfangene Signal für einen bestimmten Zweck geeignet ist oder bereits zu diesem Zeitpunkt durch den Einfluss eines indirekten Signals verfälscht ist bzw. zu stark verfälscht ist. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung eines Basisband-Signals hinsichtlich eines Vorhandenseins bzw. einer Ausprägung eines Mehrwegeeinflusses genutzt werden. Die Information kann eine Eigenschaft eines vom Mehrwegeeinfluss unbeeinflussten Signalanteils umfassen bzw. aus diesem bestehen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Genauigkeit der Ortsbestimmung eines Objekts mittels Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz ermöglicht bzw. verbessert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich zur Erkennung bzw. Unterdrückung von Mehrwegeeinflüssen bei Verwendung des bipolar phasenmodulierten Signals gemäß DE102016012101A1 bzw. US2019/0187237A1 anwenden.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Senden des Bandpass-Signals zwecks dessen Empfangs. Dabei kann das zu übertragende Rechtecksignal auf ein Cosinus-Signal aufmoduliert werden. Dies erfolgt mittels eines Senders. Das Cosinus-Signal ist ein hochfrequentes Signal, das beispielsweise eine Frequenz zwischen 2 GHz und 10 GHz, insbesondere zwischen 4 GHz und 8 GHz und in einer Ausgestaltung zwischen 5 GHz und 7 GHz, beispielsweise von 5,8 GHz, aufweisen kann. Das Rechtecksignal weist beispielsweise eine Frequenz zwischen 0,4 MHz und 3 MHz, insbesondere zwischen 0,8 MHz und 2 MHz, in einer Ausgestaltung zwischen 1 MHz und 1,5 MHz und beispielsweise 1,25 MHz auf. Insbesondere kann die jeweilige Mittenfrequenz des Sendebandes bei den genannten Frequenzen liegen. Das Aufmodulieren entspricht mathematisch einer Multiplikation der Signale. Diese erfolgt typischerweise mittels einer Erzeugungseinrichtung wie beispielsweise eines Mischers, die Teil des Senders sein kann.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer Eigenschaft eines vom Mehrwegeeinfluss unbeeinflussten Signalanteils ein Quotient aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente gebildet wird.
Mit anderen Worten wird der Quotient aus dQ/dt und dl/dt gebildet. Der Quotient kann zum Erhalt der Information genutzt werden. Die Eigenschaft ist insbesondere eine Phase eines Trägersignals des Bandpass-Signals und/oder eine Eigenschaft eines Signals bzw. Signalanteils aus dem Bandpass-Signal, das keinem Mehrwegeeinfluss unterliegt. Eine Eigenschaft meint insbesondere einen quantitativen Mess- bzw. Rechenwert eines vom Mehrwegeeinfluss unbeeinflussten Signalanteils. Der vom Mehrwegeeinfluss unbeeinflusste Signalanteil kann ein direkter Signalanteil sein. Die Ermittlung einer Eigenschaft eines von Mehrwegeeinfluss unbeeinflussten Signalanteils kann dem Ziel dienen, Mehrwegeeinfluss zu verringern bzw. zu eliminieren.
Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der auf diese Weise erhaltene Wert zu geeigneten Zeitpunkten bzw. Zeitabschnitten der Steigung des unbeeinflussten, also keinen Mehrwegeeinfluss aufweisenden, Signals im I/Q-Diagramm entsprechen kann. Somit kann neben der Information über den Mehrwegeeinfluss eine Aussage über ein unbeeinflusstes Signal bzw. einen unbeeinflussten Signalanteil getroffen werden oder mit anderen Worten eine Eigenschaft eines solchen aus einem überlagerten Signal isoliert werden.
Über die Information hinaus, ob das empfangene Signal einem Mehrwegeeinfluss unterliegt, kann also im Falle eines einem Mehrwegeeinfluss unterliegenden Signals bei Wahl eines geeigneten Zeitpunkts bzw. Zeitabschnitts eine Eigenschaft eines von Mehrwegeeinflüssen unbeeinflussten Signals oder Signalanteils bzw. ein eine solche charakterisierender Wert ermittelt bzw. isoliert werden. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren in dieser Ausgestaltung zum Bestimmen bzw. Herausfiltern einer von Mehrwegeeinflüssen unbeeinflussten Eigenschaft eines Signalanteils genutzt werden. Es kann insbesondere ermittelt werden, inwieweit ein Signal unbeeinflusst ist bzw. welcher Signalanteil unbeeinflusst ist, sodass eine Aussage über den unbeeinflussten Signalanteil möglich ist.
Der beschriebene Quotient entspricht der Steigung im I/Q-Diagramm, also der Steigung einer Linie, die sich im ungestörten Fall durch Verbinden der beiden Konstellationspunkte im I/Q-Diagramm ergibt. Diese Steigung kann Aussagen über die Phase des Signals liefern. Trägt man die Konstellationspunkte in ein I/Q-Diagramm mit der I-Komponente auf der Abszissenachse und der Q-Komponente auf der Ordinatenachse auf, kann die Phase des Signals als Winkel zwischen einer die Konstellationspunkte verbindenden Geraden und der Abszissenachse abgelesen werden.
Da im Falle einer Mehrwegeausbreitung des Signals der indirekte Signalanteil den Empfänger aufgrund seiner längeren Laufzeit mit einer zeitlichen Verzögerung erreicht, wird zunächst ein unbeeinflusster direkter Signalanteil empfangen. Dieser kann nach Erzeugung der Komponenten des Basisband-Signals anhand der Steigung im I/Q-Diagramm dahingehend charakterisiert werden, dass seine Phase ermittelt werden kann. Somit kann die Phase des direkten Signalanteils ermittelt werden. Die Information bzw. die Eigenschaft kann den auf diese Weise ermittelten Wert umfassen oder in diesem bestehen.
Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass eine Aussage bezüglich der Phase des unbeeinflussten Signalanteils ermöglicht wird. Der Mehrwegeeinfluss kann eliminiert werden.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase eines Trägersignals des Bandpass-Signals zwecks Ermittlung einer Laufzeit und/oder Laufzeitdifferenz des Bandpass-Signals ermittelt wird.
Eine Phase eines Trägersignals eines Bandpass-Signals meint insbesondere den Phasenzuwachs über den Kanal, also die Veränderung der Phase aufgrund der Kanalausbreitung. Die Phase des Trägersignals des Bandpass-Signals im Übertragungspfad ändert sich periodisch entsprechend der Kreisfrequenz. Bei einem Verfahren oder System, in welchem die Laufzeit bestimmt wird, sind Sender und Empfänger jedoch synchronisiert, so dass beide stets die gleiche Phase aufweisen und die nach dem Heruntermischen resultierende Phase sowie das daraus abgeleitete Verhältnis der Amplituden im I- und Q-Pfad auf die Ausbreitungszeit über den Kanal zurückzuführen ist. Der Phasenzuwachs stellt sich daher als Phase im I/Q-Diagramm dar. Bei einem Verfahren oder System, in welchem der Laufzeitunterschied bestimmt wird, sind dagegen nur die Sender untereinander synchronisiert. Im Vergleich zu einem System zur Laufzeitmessung ergibt sich daher beim Empfänger ein zusätzlicher Phasenoffset. Da dieser aber für alle Sender gleich ist, entfällt er bei der Bildung der Differenz.
Wie beschrieben setzt sich das empfangene Bandpass-Signal aus einem Trägersignal und einer bipolaren Folge zusammen, die auf das Trägersignal aufmoduliert ist.
Typischerweise wird die Phase als Feininformation zur Ermittlung einer Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz zwecks Ortsbestimmung eines Objekts genutzt. Es kann daneben eine Grobinformation genutzt werden. Die Grobinformation wird beispielsweise mittels einer Nulldurchgangserkennung zumindest einer der Basisbandkomponenten Q und I, also der Quadraturkomponente und/oder der Inphasenkomponente, bestimmt. Sie kann somit beispielsweise auf eine halbe Periode des Trägersignals genau bestimmt werden.
Die Feininformation ist in der Inphasenkomponente und der Quadraturkomponente, nämlich in deren Amplitudenverhältnis, enthalten, da dieses von der Phase des Trägersignals zum Zeitpunkt des Heruntermischens abhängt. Wie zuvor diskutiert, können aus den zeitlichen Ableitungen der Inphasenkomponente und der Quadraturkomponente somit Aussagen über die Phase getroffen werden.
Die Phase kann auch als Phasenwinkel oder Phasenverschiebung bezeichnet werden. Insbesondere wird die Phase als Information ermittelt. Sie kann zur Ermittlung der Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz genutzt werden. Sie ist eine Eigenschaft eines vom Mehrwegeeinfluss unbeeinflussten Signalanteils.
Es kann somit bei geeigneter Auswahl der Daten die Phase der Sichtverbindung ermittelt werden, wenn ausschließlich der Signalanteil berücksichtigt wird, während dessen sich nur das direkt empfangene Signal auf die zeitlichen Ableitungen der Inphasenkomponente und der Quadraturkomponente auswirkt. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, eine Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz mit großer Genauigkeit zu ermitteln.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente und/oder die erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts unmittelbar nach einem Beginn eines Wechsels einer Amplitude der Inphasenkomponente I bzw. der Quadraturkomponente Q gebildet wird. Insbesondere wird zu Beginn des Wechsels der Amplitude ein Trigger-Signal erzeugt, um für eine Datenauswertung zu nutzende Daten zu kennzeichnen.
Der Wechsel der Amplitude meint einen Wechsel im Wert bzw. Betrag der Amplitude. Bei einem normierten Rechtecksignal ist dies beispielsweise der Sprung von -1 zu +1. Bezug nehmend auf das I/Q-Diagramm entspricht der Wechsel dem Übergang von einem Konstellationspunkt zum anderen Konstellationspunkt. Insbesondere ist der erste auftretende Wechsel und/oder der Wechsel mit der größten Amplitudendifferenz gemeint, welcher durch den direkten Signalanteil hervorgerufen wird. Die jeweilige erste zeitliche Ableitung kann zur Ermittlung der Eigenschaft genutzt werden.
Unmittelbar nach einem Beginn des Wechsels der Amplitude meint nicht notwendigerweise, dass alle Daten des Wechsels unmittelbar nach dem Beginn des Wechsels genutzt werden. Es können beispielsweise die ersten 15%, insbesondere die ersten 10%, und in einer Ausgestaltung die ersten 5% der Daten nach dem Beginn des Wechsels ungenutzt bleiben, um Fehler zu verhindern. 100% entsprechen dabei der gesamten Zeitdauer des Wechsels. Der Beginn des Wechsels kann durch den ersten vom zuvor konstanten Wert abweichenden Wert definiert werden.
Ein Trigger-Signal ist ein einen geeigneten Zeitpunkt charakterisierendes Signal, das zur Kenntnisnahme für einen Benutzer und/oder zur Aufzeichnung bestimmt sein kann. Es kann der Auswahl der geeigneten Daten dienen, welche in einer Datenauswertung zu nutzen sind. Die Datenauswertung kann beispielsweise dem Erhalt der Information bzw. der Ermittlung der Eigenschaft dienen. Somit kann in einer Zeitreihe empfangener bzw. erhaltener und ggf. einander überlagernder Signale ein geeigneter Startpunkt für eine Datenauswertung gefunden bzw. gekennzeichnet werden. Bei Anwendung der jeweilig notwendigen Berechnungen auf einen kontinuierlichen Datenstrom, wie sie typischerweise im erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wird, dient das Trigger-Signal der Anzeige bzw. Auswahl konkreter, verwendbarer Ausgangsdaten. Die Berechnungen werden insbesondere durch digitale Hardware, insbesondere Register und verteilte Recheneinheiten, auf einen kontinuierlichen Datenstrom angewandt.
Als alternatives Kriterium zur Bestimmung der ersten zeitlichen Ableitung sowie ggf. des Trigger-Signals kann anstelle des Beginns des Wechsels der Amplitude die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente und/oder der Quadraturkomponente eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts genutzt werden, zu dem ein Betrag zumindest einer der ersten zeitlichen Ableitungen einen vorbestimmten ersten Schwellenwert überschreitet. Da die zeitlichen Ableitungen positiv oder negativ sein können, ist für den Vergleich mit dem ersten Schwellenwert stets der Betrag heranzuziehen. Dies gilt sinngemäß ebenso für die zweiten zeitlichen Ableitungen bzw. für den zweiten Schwellenwert. Alternativ zum festen Schwellenwert kann ein Schwellenwert derart definiert sein, dass er einen bestimmten Anteil des Maximums des Betrags einer zeitlichen Ableitung ausmacht, was auch als „Constant Fraction Discriminator, CFD, mitunter auch als Proportionaldiskriminator bezeichnet wird. Dies gilt für alle Schwellenwerte, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Anwendung finden.
Auch ist es möglich, einen Betrag einer zeitlichen Ableitung eines Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente unterhalb eines zweiten Schwellenwertes zu nutzen. Streng genommen entspricht die zeitliche Ableitung des Quotienten aus erster zeitlicher Ableitung der Quadraturkomponente und erster zeitlicher Ableitung der Inphasenkomponente nicht ganz der zweiten Ableitung des Verlaufs im I/Q Diagramm bzw. der Krümmung. In den Simulationen zeigen die ersten beiden Varianten für kleine Werte ein ausgeprägteres singuläres Verhalten als die dritte. Dennoch können die drei Kenngrößen im Sinne der vorliegenden Erfindung alternativ genutzt werden. Das Trigger-Signal kann zwecks Kenntnisnahme durch einen Benutzer ausgegeben werden.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente und/oder die erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts genutzt wird, zu dem der Quotient aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) im Wesentlichen konstant ist. Für typische Übergänge haben die zeitlichen Ableitungen der Inphasen- und der Quadraturkomponente die typische Pulsform. Der Quotient, d. h. die Steigung im I/Q-Diagramm, ist hingegen bis zum Eintreffen des indirekten Signals konstant. Dies kann zur Ermittlung der Eigenschaft erfolgen. Auf diese Weise kann ein besonders gut geeigneter Zeitpunkt bzw. Zeitabschnitt gewählt werden, der genaue Aussagen, insbesondere über die Phase des direkten Signalanteils, ermöglicht. Im Wesentlichen konstant kann heißen, dass Abweichungen innerhalb des betrachteten Zeitraums weniger als 30%, insbesondere weniger als 20%, in einer Ausgestaltung weniger als 10% und beispielsweise weniger als 5% betragen.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente und/oder die erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts gebildet wird, zu dem ein Betrag zumindest einer der ersten zeitlichen Ableitungen einen vorbestimmten ersten Schwellenwert überschreitet. Dies kann zur Ermittlung der Eigenschaft erfolgen. Insbesondere beträgt der erste Schwellenwert 10 MV/s. Dieser Wert wurde gewählt, um größer als mögliche Rauscheinflüsse zu sein und sicher unterhalb des Maximums des Betrags einer Ableitung zu liegen. Er hängt von der Anstiegszeit der Rechteckfolge, d. h. von deren Bandbreite bzw. der Bandbreite der Filter ab. Er muss auf den Betrag einer Ableitung angewendet werden, da diese positiv oder negativ sein kann.
Mit anderen Worten wird die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente und/oder der Quadraturkomponente zu einem Zeitpunkt genutzt, zu dem ihr Betrag einen vorbestimmten ersten Schwellenwert überschreitet. Der erste Schwellenwert beträgt beispielsweise 1 MV/s, typischerweise 5 MV/s, in einer Ausführungsform 20 MV/s, und beispielsweise 50 MV/s. Wird der Quotient aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente genutzt, wird üblicherweise die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente und der Quadraturkomponente eines Zeitpunkts bzw. Zeitabschnitts genutzt, zu dem beide Beträge der jeweiligen ersten zeitlichen Ableitungen den ersten Schwellenwert überschreiten.
Mit anderen Worten wird in dieser Ausgestaltung das Basisband-Signal zu einem Zeitpunkt bzw. Zeitabschnitt genutzt, zu dem im Rechtecksignal ein Sprung der Amplitude von einem ersten Wert zu einem zweiten Wert erfolgt bzw. zu dem im I/Q-Diagramm ein Übergang von einem ersten Konstellationspunkt zu einem zweiten Konstellationspunkt erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt bzw. Zeitabschnitt ist die erste zeitliche Ableitung verschieden von null, sodass der so errechnete Wert als Information bzw. Eigenschaft genutzt werden kann. Auf diese Weise kann die Aussagekraft der erhaltenen Werte gesteigert werden. Es kann aus kontinuierlich erfassten Signalen mit großer Genauigkeit der Anteil des direkten Signalanteils identifiziert werden.
Eine Verwendung eines Wertes bzw. Betrages der ersten zeitlichen Ableitung, beispielsweise der Steigung, ist besonders vorteilhaft bei Nutzung von den ersten Schwellenwert überschreitenden Werten, da dann Aussagen über einen unbeeinflussten Signalanteil herleitbar sind, beispielsweise eine Aussage über die Phase des unbeeinflussten Signals getroffen werden kann. Der erste Schwellenwert ist demnach wichtig, um sicher zu gehen, dass man sich im Übergang befindet und um eine Division durch Null zu vermeiden. Die frühe Auswertung nach Beginn des Übergangs erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Signal unbeeinflusst ist. Falls die Ermittlung bzw. Aufzeichnung und/oder Verarbeitung der wenigstens einen ersten zeitlichen Ableitung durch die Überschreitung des ersten Schwellenwerts ausgelöst wird, kann Rechenkapazität und somit Energie gespart werden, da keine kontinuierliche Ermittlung notwendig ist.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Ableitung des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente gebildet wird. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm und/oder die Krümmung des Verlaufs im I/Q-Diagramm gebildet werden. Dies kann zur Ermittlung der Eigenschaft erfolgen. Insbesondere wird die zeitliche Ableitung, die zweite Ableitung bzw. die Krümmung eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts genutzt, zu dem ein Wert zumindest einer der ersten zeitlichen Ableitungen einen vorbestimmten ersten Schwellenwert überschreitet. Diese drei Kenngrößen bzw. Werte können im Sinne der Erfindung, wie oben beschrieben, trotz gewisser Abweichungen voneinander alternativ genutzt werden.
Für die zeitliche Ableitung des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente gilt: $\frac{d}{d t} (\frac{d Q (t) / d t}{d I (t) / d t}) = \frac{\ddot{Q} (t) \cdot \dot{I} (t) - \dot{Q} (t) \cdot \ddot{I} (t)}{{(\dot{I} (t))}^{2}} .$
Für die zweite Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm gilt: $\frac{d^{2} Q (t)}{d I {(t)}^{2}} = \frac{d}{d t} (\frac{d Q (t) / d t}{d I (t) / d t}) \cdot \frac{d t}{d x} = \frac{\ddot{Q} (t) \cdot \dot{I} (t) - \dot{Q} (t) \cdot \ddot{I} (t)}{{(\dot{I} (t))}^{3}}$
Für die Krümmung im I/Q-Diagramm gilt: $κ (t) = \frac{\ddot{Q} (t) \cdot \dot{I} (t) - \dot{Q} (t) \cdot \ddot{I} (t)}{{({(\dot{I} (t))}^{2} + {(\dot{Q} (t))}^{2})}^{\frac{3}{2}}} .$
Der jeweilige Wert ist null, wenn die Steigung konstant ist. Die Bereiche konstanter Steigung, die das von Mehrwegeeinfluss unbeeinflusste Signal repräsentieren, können somit besonders einfach identifiziert werden. Im Falle eines ausschließlich aus direktem Signalanteil bestehenden Basisband-Signals ist der jeweilige Wert kontinuierlich null. Insbesondere werden die derart ermittelten Werte zur Ermittlung der Eigenschaft genutzt.
Es ist auch möglich, den jeweiligen Wert eines Zeitpunkts bzw. Zeitabschnitts zu nutzen, zu dem ein Betrag des jeweiligen Werts einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert nicht überschreitet bzw. unterschreitet. Auf diese Weise können Bereiche genutzt werden, zu denen die Krümmung sehr gering bzw. null ist, was wiederum einem Bereich konstanter Steigung entspricht. Insbesondere kann die ein anderer der genannten Werte zur Verifizierung herangezogen werden.
Durch die Bestimmung des jeweiligen Wertes kann auf diese Weise die Genauigkeit der Information über den Mehrwegeeinfluss verbessert werden und/oder der so bestimmte Wert kann eine zusätzliche Aussage über den Mehrwegeeinfluss erlauben. So kann eine Automatisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfacht werden. Falls die Ermittlung des jeweiligen Wertes durch die Überschreitung des ersten Schwellenwerts ausgelöst wird, kann auch hier Rechenkapazität und damit Energie gespart werden, da keine kontinuierliche Ermittlung notwendig ist.
In einer Ausgestaltung kann die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente und/oder der Quadraturphasenkomponente und/oder die zeitliche Ableitung des Quotienten mittels eines Glättungsfilters wie beispielsweise eines Savitzky-Golay-Filters ermittelt, berechnet und/oder geglättet werden. In einer Ausgestaltung werden zur Ermittlung der zweiten Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm und/oder der Krümmung des Verlaufs im I/Q-Diagramm die zweiten zeitlichen Ableitungen der Inphasenkomponente sowie der Quadraturkomponente ermittelt. Diese können mittels eines Glättungsfilters wie beispielsweise eines Savitzky-Golay-Filters ermittelt, berechnet und/oder geglättet werden. Insbesondere wird dazu ein anderer Satz von Filterkoeffizienten genutzt als zur Ermittlung der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente, der Quadraturphasenkomponente, und/oder der zeitlichen Ableitung des Quotienten.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass eine Phase eines Trägersignals des Bandpass-Signals ermittelbar ist, eine erste Mitteilung ausgegeben wird und für den Fall, dass keine Phase des Trägersignals des Bandpass-Signals ermittelbar ist, eine zweite Mitteilung ausgegeben wird. Die erste Mitteilung kann die Phase der Sichtverbindung umfassen. Die erste und/oder zweite Mitteilung kann als akustische und/oder optische Benachrichtigung ausgestaltet sein und/oder zumindest eine ermittelte Information bzw. Eigenschaft umfassen.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Ableitung des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente, die zweite Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm, bzw. die Krümmung des Verlaufs im I/Q-Diagramm eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts genutzt wird, zu dem der Betrag des jeweiligen Wertes einen zweiten Schwellenwert unterschreitet bzw. nicht überschreitet.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein System zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals. Dieses umfasst eine Erzeugungseinrichtung, insbesondere einen Quadraturmischer, zur Erzeugung einer Inphasenkomponente und einer Quadraturkomponente unter Nutzung eines empfangenen Bandpass-Signals sowie eine Informationserhalteeinrichtung zum Erhalt einer Information über einen Mehrwegeeinfluss des Bandpass-Signals unter Nutzung einer ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente und/oder einer ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente.
Insbesondere umfasst das System auch einen Empfänger zum Empfang des Bandpass-Signals. Die Erzeugungseinrichtung und/oder der Informationserhalteeinrichtung kann zumindest teilweise im Kern eines digitalen Signalprozessors als hart verdrahtete Logik implementiert sein. Typischerweise ist die Erzeugungseinrichtung nur zum Teil in einem digitalen Signalprozessor implementiert. Sie kann ganz oder teilweise durch analoge Schaltungen auf dem Chip umgesetzt sein. Eine mögliche Alternative zur hart verdrahteten Logik ist eine (integrierte) Mixed-Signal-Schaltung. Das System kann Analog-Digital-Wandler umfassen. Es kann auf einem Chip implementiert sein, wobei auch die Analog-Digital-Wandler auf dem Chip implementiert sein können. Dieser kann als Transceiver dienen, beispielsweise für ein System gemäß der DE102016012101A1 bzw. US2019/0187237A1 . Ein Transceiver ist eine bauliche Einheit umfassend einen Sender und einen Empfänger.
Das System kann weiterhin einen Sender aufweisen. Der Sender dient dem Senden des modulierten Signals. Er ist insbesondere zum Erzeugen des Rechtecksignals und des Cosinus-Signals eingerichtet. Das System kann weiterhin einen Mischer aufweisen. Dieser dient dem Aufmodulieren des zu sendenden Signals, insbesondere des Rechtecksignals, auf ein Trägersignal, insbesondere ein hochfrequentes Cosinus-Signal. Die Erzeugungseinrichtung kann als Mischer, Multiplexer, oder als schalterbasierte Lösung ausgestaltet sein. In einer Ausführungsform können als Erzeugungseinrichtung zwei Quadraturmischer angeordnet sein, um die Inphasenkomponente und die Quadraturkomponente zu erzeugen bzw. um das empfangene Signal in ein Basisbandsignal zu überführen. Dies kann etwa der Fall sein, wenn der Empfänger nach dem Prinzip der niedrigen Zwischenfrequenz arbeitet.
Eine Ausgestaltung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugungseinrichtung und/oder die Informationserhalteeinrichtung in einem Schaltkreis, insbesondere einem digitalen Signalprozessor oder einem Mixed-Signal-Schaltkreis, realisiert sind. Ein Mixed-Signal-Schaltkreis ist ein Schaltkreis, der zur Verarbeitung analoger sowie digitaler Signale eingerichtet ist.
Insbesondere ist der Schaltkreis dazu eingerichtet, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Falls das System weitere Komponenten aufweist, können diese ebenfalls zum Teil oder in Gänze in dem Schaltkreis bzw. digitalen Signalprozessor oder Mixed-Signal-Schaltkreis realisiert sein.
Eine weitere Ausgestaltung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das System zumindest eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe einer ersten Mitteilung und/oder einer zweiten Mitteilung aufweist. Somit kann in dem Fall, dass eine Phase eines Trägersignals des Bandpass-Signals unmittelbar nach einem Beginn eines Wechsels der Amplitude der Inphasenkomponente I und/oder der Quadraturkomponente Q ermittelbar ist, eine erste Mitteilung ausgegeben werden und/oder es kann für den Fall, dass keine Phase des Trägersignals des Bandpass-Signals unmittelbar nach dem Beginn des Wechsels der Amplitude ermittelbar ist, eine zweite Mitteilung ausgegeben werden.
Die erste Mitteilung und/oder die zweite Mitteilung können für den jeweiligen Zweck vorbestimmte Mitteilungen sein. Die Ausgabeeinrichtung kann Mittel zur Ausgabe der erhaltenen Information bzw. Eigenschaft umfassen. Das System kann eine erste Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe der ersten Mitteilung und eine zweite Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe der zweiten Mitteilung aufweisen.
Insbesondere umfasst das System mindestens vier Sender und einen Empfänger und ist dazu eingerichtet, den Empfänger zu orten. Der oder die Sender können zirkular polarisierte Antennen verwenden bzw. umfassen. Diese weisen den Vorteil auf, dass anhand einer geänderten Drehrichtung eine Reflexion an einer Oberfläche detektierbar ist. Im Falle zirkular polarisierter Antennen weist das direkte Signal bei der Übertragung zwischen Sender und Empfänger dieselbe Drehrichtung bzw. Polarisationsrichtung auf. Mit anderen Worten werden Sender und Empfänger mit derselben Drehrichtung betrieben.
Insbesondere weist das System eine Entscheidungseinrichtung zur Entscheidung darüber auf, ob eine Phase eines Trägersignals des Bandpass-Signals unmittelbar nach einem Beginn eines Wechsels der Amplitude ermittelbar ist. Die Entscheidungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Entscheidung anhand detektierter bzw. übermittelter Werte sowie eines vorgegebenen Kriteriums zu treffen. Der Fall, dass keine Phase des Signals unmittelbar nach dem Beginn des Wechsels der Amplitude ermittelbar ist, kann Fallgestaltungen umfassen, in denen keine nutzbare oder valide Phase ermittelbar ist. Mit anderen Worten ist die Phase in derartigen Fällen nicht für einen vorbestimmten Zweck geeignet. Die Entscheidungseinrichtung kann Teil der Informationserhalteeinrichtung sein.
In einer Ausgestaltung umfasst das System ein Glättungsfilter, insbesondere ein Savitzky-Golay-Filter, zur Ermittlung und/oder Glättung einer ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente und/oder der Quadraturphasenkomponente, einer zeitlichen Ableitung des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente, einer zweiten Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm, einer Krümmung des Verlaufs im I/Q-Diagramm und/oder einer zweiten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente und/oder der Quadraturkomponente. Letztere werden zur Ermittlung der zweiten Ableitung bzw. Krümmung des Verlaufs im I/Q-Diagramm benötigt. Ggf. werden für verschiedene Berechnungen, wie oben ausgeführt, unterschiedliche Sätze von Filterkoeffizienten genutzt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts unter Verwendung einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Information und/oder Eigenschaft eines von Mehrwegeeinfluss unbeeinflussten Signalanteils, insbesondere einer Phase eines Trägersignals des Bandpass-Signals. Ebenso kann die Information und/oder Eigenschaft mittels des erfindungsgemäßen Systems erhalten sein. Wie beschrieben meint eine Phase eines Trägersignals eines Bandpass-Signals insbesondere den Phasenzuwachs über den Kanal, also die Veränderung der Phase aufgrund der Kanalausbreitung.
Ein Objekt im Sinne der Erfindung meint einen Gegenstand, einen Menschen, ein Tier oder ein Teil davon. Positionsbestimmung meint die Bestimmung der Position des Objekts, insbesondere in Bezug auf einen definierten Fixpunkt bzw. ein definiertes Ortungssystem. Dabei ist unerheblich, ob der eigentliche Vorgang der Positionsbestimmung am Ort des Objekts, am Ort eines Fixpunktes oder an anderer Stelle erfolgt.
Insbesondere wird die Information oder die Eigenschaft zur Ermittlung einer Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz zwecks Ortsbestimmung des Objekts verwendet. So kann ein Abstand zwischen einem Sender und einem Empfänger des Bandpass-Signals mit großer Genauigkeit bestimmt werden.
Es können mit dem beschriebenen Verfahren die Phasen eines ersten Senders und eines zweiten Senders ermittelt werden. Aus mindestens drei Differenzen solcher Paare können Rückschlüsse auf die Position des Objekts, insbesondere des Empfängers, gezogen werden. Alle Sender senden insbesondere auf unterschiedlichen Frequenzen. Der Empfänger hat insbesondere für jeden Sender einen eigenen Empfangsbereich, also für die entsprechende Frequenz einen eigenen Empfangszug. Insbesondere werden für alle vier Sender aus den Rechtecksignalen im Basisband die Nulldurchgänge und die Phasen ermittelt, um die Positionsbestimmung zu ermöglichen. Diese ist detaillierter in DE102016012101A1 und US2019/0187237A1 beschrieben, worauf hier verwiesen wird.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren die Detektion einer Bewegung eines Objekts. In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren die Ermittlung einer Laufzeit und/oder einer Laufzeitdifferenz.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein computerimplementiertes Verfahren, umfassend die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung, insbesondere als Teil einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Positionsbestimmung, umfassend einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses ausführt. Insbesondere ist die Vorrichtung zur Datenverarbeitung in einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Positionsbestimmung angeordnet und/oder von dieser umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Der Computer kann dabei Teil einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Positionsbestimmung sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Figuren wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt

1: ein I/Q-Diagramm eines direkten Signals,
2: ein I/Q-Diagramm eines indirekten Signals,
3: ein I/Q-Diagramm einer Überlagerung eines direkten und eines indirekten Signals,
4: das I/Q-Diagramm aus 3 mit einer zusätzlichen Darstellung eines direkten Signals aus 1,
5: eine schematische Darstellung der Übertragung eines Signals,
6: eine schematische Darstellung von Teilen eines erfindungsgemäßen Systems,
7: einen zeitlichen Verlauf der Inphasenkomponente und der Quadraturkomponente,
8: einen zeitlichen Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente sowie der Quadraturkomponente,
9: einen zeitlichen Verlauf der Steigung, und
10: einen zeitlichen Verlauf der Krümmung im Falle eines direkten und eines indirekten Signals.

1 zeigt ein I/Q-Diagramm, auch Konstellationsdiagramm genannt, eines direkten Signals 12. Dies meint ein von der Umgebung unbeeinflusst entlang der direkten Sichtverbindung übertragenes Signal. Die Inphasenkomponente I ist auf der Abszissenachse aufgetragen und die Quadraturkomponente Q ist auf der Ordinatenachse aufgetragen. Die Maßeinheit beider Komponenten ist Volt.
Die Inphasenkomponente I und die Quadraturkomponente Q wurden aus einem empfangenen bipolar phasenmodulierten Bandpass-Signal mittels einer Erzeugungseinrichtung, nämlich eines Quadraturmischers, erzeugt. Dabei tritt die übertragene bipolare Folge des Nutzsignals im I-Pfad und Q-Pfad des Empfängers jeweils mit einer Amplitude auf, die sich aus der Phase des Trägersignals zum Zeitpunkt des Heruntermischens bestimmt. Die Amplituden können somit als Feininformation bei einer Messung der Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz des übertragenen Bandpass-Signals genutzt werden. Die hier dargestellten Signale entsprechen einer Periode der mittels des Systems aus 6 erhaltenen Werte des direkten Signals 12. In den 1-3 wurde jeweils die Quadraturkomponente Q (Basisbandkomponente des Q-Pfades) über die Inphasenkomponente I (Basisbandkomponente des I-Pfades) aufgetragen, um das jeweilige I/Q-Diagramm zu erzeugen.
Im zeitlichen Verlauf über mehrere Perioden betrachtet erfolgt ein Hin- und Herspringen vom unten rechts befindlichen Punkt zum oben links befindlichen Punkt. Die Gerade zwischen den Punkten repräsentiert den Wechsel der Amplitude.
Eine ähnliche Darstellung zeigt 2 für ein indirektes Signal 13. Ein indirektes Signal 13 ist durch Mehrwegeeinfluss beeinflusst. Durch Überwindung einer größeren Lauflänge, Interaktion mit Gegenständen und ggf. Reflexion an Oberflächen ist die Zeitverzögerung und damit die Phase abweichend - die Gerade verläuft in 2 etwa parallel zur Abszissenachse - und die Amplitude deutlich geringer. Die hier dargestellten Signale entsprechen einer Periode der mittels des Systems aus 6 erhaltenen Werte des indirekten Signals 13.
3 zeigt das I/Q-Diagramm, das aus einer Überlagerung des direkten und des indirekten Signals resultiert. Dieses ist als überlagertes Signal 14 dargestellt. Es entspricht einem vom Mehrwegeeinfluss beeinflussten tatsächlich empfangenen Signal, welches aus einem direkten und einem indirekten Signalanteil zusammengesetzt bzw. überlagert ist. Durch die unterschiedliche Phase und die zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgenden Wechsel der Amplitude der jeweiligen Quadraturkomponente und der Inphasenkomponente der beiden Signalanteile, findet hier kein Hin- und Herspringen von einem Punkt zum anderen statt, sondern es ergibt sich eine Kurve. Der bogenförmige Verlauf ist auf ein im Empfänger angeordnetes Anti-Aliasing-Filter zurückzuführen.
Unten rechts beginnend verläuft die Kurve des überlagerten Signals 14 zunächst als Gerade in die obere linke Richtung, bevor sie einen gekrümmten Bereich ausbildet und im oben links befindlichen Punkt ankommt. Im weiteren Verlauf ergibt sich zunächst wieder eine Gerade in die untere rechte Richtung, bevor die Kurve gekrümmt zurück zum Startpunkt verläuft. Die Bereiche der beiden Geraden sind darauf zurückzuführen, dass nach jedem Wechsel der Amplitude aufgrund der unterschiedlichen Zeitverzögerung der direkte Signalanteil zuerst empfangen wird und der Wechsel somit zunächst durch den direkten Signalanteil bestimmt wird. Dies ermöglicht eine Aussage über den zeitlichen Bereich unmittelbar nach dem Beginn des Wechsels der Amplitude. Das hier anhand seiner Basisbandkomponenten I und Q dargestellte Signal entspricht einer Periode der mittels des Systems aus 6 erhaltenen Werte des überlagerten Signals 14 aus dem direkten Signal 12 und dem indirekten Signal 13, welches auch als Mehrwegesignal bezeichnet wird.
In 4 ist zusätzlich zum überlagerten Signal 14 aus 3 das direkte Signal 12 aus 1 eingezeichnet. Es zeigt sich, dass der Bereich der Geraden des überlagerten Signals 14 parallel zu der Geraden des direkten Signals 12 verläuft. Aufgrund dessen erlaubt das I/Q-Diagramm des überlagerten Signals 14 eine Aussage über eine Eigenschaft des von Mehrwegeeinflüssen unbeeinflussten Signalanteils, nämlich über die Phase φ des Trägersignals des von Mehrwegeeinflüssen unbeeinflussten Signalanteils. Wie oben ausgeführt, meint die Phase des Trägersignals des Bandpass-Signals hier typischerweise den Phasenzuwachs über den Kanal, also die Veränderung der Phase aufgrund der Kanalausbreitung. Dazu wird der gerade Bereich betrachtet, bevor die Mehrwegeeinflüsse eine Krümmung im I/Q-Diagramm hervorrufen. In der Steigung des geraden Bereichs liegt somit eine Information über die Phase φ eines unbeeinflussten Signalanteils. Diese ist als eindeutig zugeordneter, zwischen 0 Grad und 180 Grad betragender Winkel wie dargestellt ablesbar. Mit anderen Worten ist die Phase φ im Bereich zwischen 0 Grad und 180 Grad durch den Winkel gegeben, den die Verbindungsgerade der Konstellationspunkte im Fall ausschließlicher Sichtverbindung mit der positiven I-Achse einschließt.
Die beschriebene Ermittlung der Phase ist dann möglich, wenn die anfängliche Steigung durch das indirekte Signal unbeeinflusst ist, also sofern das indirekte Signal eine Zeitverzögerung in Bezug auf das direkte Signal aufweist, welche einen nennenswerten Anteil des Kehrwerts der Bandbreite des Bandpass-Signals ausmacht.
Zusammengefasst wurden aus dem empfangenen Bandpass-Signal eine Inphasenkomponente und eine Quadraturkomponente erzeugt und zwecks Erhalts des I/Q-Diagramms gegeneinander aufgetragen. Es wurden jeweilige zeitliche Ableitungen bestimmt und ein Quotient aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente gebildet. Aus dem Quotienten wurde eine Information ermittelt, nämlich festgestellt, dass das Bandpass-Signal einem Mehrwegeeinfluss unterliegt, wenn dieser nicht konstant ist. Weiter wurde eine Eigenschaft eines von Mehrwegeeinflüssen unbeeinflussten Signalanteils in Form der Phase φ des Trägersignals des Bandpass-Signals ermittelt, und zwar zwecks Ermittlung einer Laufzeit und/oder Laufzeitdifferenz des Bandpass-Signals. Diese kann zur Positionsbestimmung eines Objekts verwendet werden.
5 zeigt schematisch die einem Mehrwegeeinfluss unterliegende Übertragung eines bipolar phasenmodulierten Signals. Das Signal wird vom Sender 6 gesendet und vom Empfänger 8 empfangen. Dazwischen breitet es sich über einen von Mehrwegeeinfluss beeinflussten Kanal 15 aus. Das direkte Signal 12 verläuft entlang der direkten Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger, wogegen das indirekte Signal 13 an einer Oberfläche reflektiert wird und deshalb einen weiteren Weg zurücklegt.
6 zeigt eine Ausgestaltung von Teilen des erfindungsgemäßen Systems. Im Sender 6 wird ein hochfrequentes Cosinus-Signal 10 als Trägersignal erzeugt und mit einem Nutzsignal in Form einer bipolaren Folge, nämlich einem Rechtecksignal 9, multipliziert. Auf diese Weise wird das Bandpass-Signal, ein bipolar phasenmoduliertes Signal, erzeugt. Dieses wird über den Kanal 15 übertragen, wobei zur Vereinfachung lediglich das direkte Signal 12 und das indirekte Signal 13 analog zum in 5 gezeigten berücksichtigt werden. In einer realen Umgebung sind typischerweise eine Vielzahl unterschiedlicher indirekter Signale 13 vorhanden, die das direkte Signal 12 sowie sich gegenseitig überlagern.
Das direkte Signal 12 erfährt auf seinem Pfad entlang der Sichtverbindung eine Zeitverzögerung Δt₁ und eine Verstärkung g₁. Das indirekte Signal 13 erfährt auf seinem indirekten Pfad davon typischerweise abweichende Werte Δt₂ und g₂ für die Zeitverzögerung und die Verstärkung. Die Signale 12, 13 werden überlagert und bilden gemeinsam das Bandpass-Signal 1, das den Empfänger 8 erreicht.
Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel, das nach dem Prinzip der niedrigen Zwischenfrequenz aufgebaut ist (englisch „low intermediate frequency“, abgekürzt als „LowIF“), durchläuft das empfangene Signal zunächst einen ersten Quadraturmischer 17, in dem es auf eine niedrige Zwischenfrequenz heruntergemischt wird, auch bezeichnet als erstes Heruntermischen. Dazu werden für den ersten Quadraturmischer mittels eines mittig dargestellten Frequenzgenerators ein Sinus- und ein Cosinus-Signal erzeugt, also zwei um 90 Grad phasenverschobene Signale, welche jeweils mit dem empfangenen Signal multipliziert werden. Mittels der Filter 16 werden anschließend in jedem der Signalpfade zusätzlich generierte, unerwünschte hohe Signalanteile entfernt. Mit anderen Worten handelt es sich bei den Filtern 16 um Tiefpassfilter. Diese fungieren im hier gezeigten Ausführungsbeispiel auch als Anti-Aliasing-Filter. Es stehen nun an den Ausgängen der Filter 16 im oben dargestellten Pfad eine Inphasenkomponente der niedrigen Zwischenfrequenz I_LowIF und im unten dargestellten Pfad eine Quadraturkomponente der niedrigen Zwischenfrequenz Q_LowIF zur Verfügung.
Jedes der auf diese Weise erhaltenen Signale I_LowIF, Q_LowIF wird mittels des zweiten Quadraturmischers 18 in das Basisband heruntergemischt, auch bezeichnet als zweites Heruntermischen. Analog zum ersten Quadraturmischer 17 stellt auch hier ein Frequenzgenerator zwei um 90 Grad phasenverschobene Signale bereit. Der zweite Quadraturmischer dient als Erzeugungseinrichtung 4 zur Erzeugung einer Inphasenkomponente und einer Quadraturkomponente unter Nutzung eines empfangenen Bandpass-Signals gemäß dem erfindungsgemäßen System.
Die Struktur des zweiten Mischers ist beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel vergleichsweise aufwändig, da hier zwei komplexe Signale multipliziert werden. Als Ausgangsgrößen werden die Basisbandkomponenten, nämlich die Inphasenkomponente I und die Quadraturkomponente Q, ausgegeben. Diese entsprechen im Fall der direkten Sichtverbindung - direktes Signal 12 - einer verzögerten und gefilterten Version der bipolaren Folge, Rechtecksignal 9, wobei die Amplituden von der Abschwächung über den Kanal 15 sowie von der Phase des Trägersignals - Cosinus-Signal 10 - zum Zeitpunkt des ersten Heruntermischens abhängen. Dies gilt sinngemäß auch für ein indirektes Signal 13. Der allgemeine Fall des Mehrwegesignals ergibt sich wie beschrieben durch Überlagerung.
An Stelle des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels mit erstem Quadraturmischer 17 und zweitem Quadraturmischer 18 zum zweiteiligen Heruntermischen gemäß dem Prinzip der niedrigen Zwischenfrequenz ist auch ein einfacher Quadraturmischer möglich, der die Basisbandkomponenten Q und I unmittelbar aus dem empfangenen Bandpass-Signal 1 erzeugt, mit anderen Worten also das empfangene Bandpass-Signal in das Basisband überführt. In diesem Fall wäre dieser Quadraturmischer die erfindungsgemäße Erzeugungseinrichtung. Die Informationserhalteeinrichtung (hier nicht dargestellt) wird mit den Basisbandkomponenten I und Q gespeist. Die Kanaltrennung kann dann beispielsweise durch unterschiedliche Frequenzen der Lokaloszillatorsignale erfolgen.
In einer Implementierung des erfindungsgemäßen Systems weist dieses zusätzlich zum in 6 gezeigten insbesondere einen Ausgangspuffer und/oder einen Leistungsverstärker sowie eine Antenne im Sender 6 auf, damit das Signal über eine Antenne ausgesendet werden kann. Der Empfänger 8 wird ebenfalls eine Antenne aufweisen. Weiter kann er ein Bandselektionsfilter und/oder einen Verstärker, insbesondere einen rauscharmen Verstärker, aufweisen, um das empfangene Signal aufzubereiten, bevor es im Quadraturmischer verarbeitet wird. Auch kann ein Analog-Digital-Wandler direkt nach dem Filter 16 vorhanden sein.
Es muss nicht zwingend mit der hier verwendeten hohen Abtastrate gearbeitet werden, die einer Zeitschrittweite von 48,828125 ps entspricht, um den Nulldurchgang und damit die Grobinformation hinreichend genau zu ermitteln. Es kann das Prinzip der virtuellen Überabtastung genutzt werden, bei dem der Abstand der Abtastzeitpunkte nicht zur Dauer einer Periode, sondern mehrerer Perioden in einem ganzzahligen Verhältnis steht. Hierdurch werden sämtliche Phasen der gewünschten hohen Abtastrate über mehrere Perioden verteilt bei der niedrigen realen Abtastrate aufgezeichnet. Nach einer ggf. notwendigen Permutation der Abtastwerte im Digitalteil steht dann das fein aufgelöste Signal zur Verfügung. Falls die Analog-Digital-Wandlung auf die Filterung folgt, muss das zweite Heruntermischen darüber hinaus durch einen Algorithmus im Digitalteil umgesetzt werden. Hier können unterschiedliche bekannte Verfahren genutzt werden.
Die Basisbandkomponenten I und Q werden für die weitere Verarbeitung abgetastet, in dieser Ausgestaltung bei einer Zeitschrittweite von 48,828125 ps. Die Verzögerung Δt₁ betrug bei den in den 1-3 dargestellten Beispielen im Pfad des direkten Signals 12 jeweils 24 ns und die Verstärkung g₁ betrug 1, 0 und 1. Im Pfad des indirekten Signals 13 betrug die Verzögerung Δt₂ jeweils 30 ns und die Verstärkung g₂ betrug 0, 0,2 und 0,2.
7 zeigt die zugehörigen Zeitverläufe der Basisbandkomponenten, der Inphasenkomponente I und der Quadraturkomponente Q, nach erfolgter Zeitdiskretisierung für den Fall der Mehrwegeausbreitung. Es wird auch von Q-Pfad und I-Pfad bzw. Quadratur-Pfad und Inphase-Pfad gesprochen. Exemplarisch sind einige Wechsel der Amplitude 3 eingezeichnet. Werden Q- und I-Pfad gegeneinander aufgetragen, ergibt sich das Konstellationsdiagramm wie in den 1-3 gezeigt.
8 zeigt die zugehörige erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente dl/dt sowie die erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente dQ/dt für einen konkreten Zeitbereich eines in 7 dargestellten Wechsels der Amplitude 3, nämlich der letzten steigenden Flanke ungefähr bei t = 5,63 µs. Es ist also auch die erste zeitliche Ableitung der jeweiligen Komponenten unmittelbar nach einem Beginn eines Wechsels einer Amplitude 3 der Inphasenkomponente I sowie der Quadraturkomponente Q ersichtlich. Das Verhältnis der Komponenten Q und I geht aus der Phase der Trägersignals hervor. Es ist ersichtlich, dass die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente dl/dt positive Werte annimmt, während die erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente dQ/dt negative Werte annimmt. Beide erste zeitliche Ableitungen sind lediglich im Bereich des Wechsels der Amplitude 3 von null verschieden.
Im Zuge der Auswertung, beispielsweise zwecks Ermittlung einer Phase φ eines Trägersignals des Bandpass-Signals, werden Werte der jeweiligen ersten zeitlichen Ableitungen eines Zeitpunkts bzw. Zeitabschnitts genutzt, deren Beträge einen vorbestimmten ersten Schwellenwert überschreiten. Auf diese Weise können die geeigneten Werte auf einfache und reproduzierbare Weise selektiert werden.
Die zeitliche Differenzierung, also die Berechnung der ersten zeitlichen Ableitungen, erfolgte hier mittels Faltungskoeffizienten eines Savitzky-Golay-Filters dritter Ordnung mit der Fensterbreite sieben.
9 zeigt die errechnete Steigung im I/Q-Diagramm STG eines im Vergleich zu 8 weiter eingeschränkten Zeitabschnitts in Abhängigkeit von der Zeit. Diese wurde als Quotient aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente dQ/dt und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente dl/dt berechnet. Als erster Schwellenwert für die Inphasenkomponente und die Quadraturkomponente wurde 10 MV/s gewählt. Auf diese Weise ist der gezeigte Ausschnitt zustande gekommen. Es ist ersichtlich, dass die Steigung bis ungefähr t = 5,63 µs im Wesentlichen konstant ist und dann steil ansteigt. Dies entspricht der Darstellung in 3, siehe oben, wo auf den erst verzögert eintretenden Effekt der indirekten Signalanteile verwiesen wurde. Somit entspricht der annähernd konstante Bereich der Steigung im I/Q-Diagramm des unbeeinflussten direkten Signals.
Zur Verbesserung der automatisierten Auswertung wird weiterhin die Krümmung im I/Q-Diagramm KRMG berechnet, die in 10 dargestellt ist. Wie beschrieben können alternativ die zeitliche Ableitung des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) oder eine zweite Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm genutzt werden.
Gezeigt ist die Krümmung beim direkten Signal 19 sowie die Krümmung beim überlagerten Signal 20. Im ersten Fall ist ersichtlich, dass nach einer kurzen Anfangsphase geringer positiver Werte die Krümmung konstant bei null liegt. Dies ist konform mit der Beobachtung, dass die Steigung im I/Q-Diagramm beim direkten Signal 12 konstant ist, vergleiche 1. Im Falle des überlagerten Signals 20 beträgt die Krümmung nach der auch hier vorhandenen kurzen Anfangsphase zunächst ebenfalls konstant null, bis sie kurz nach t = 5,63 µs steil bis zu einem Maximum ansteigt und anschließend leicht abfällt. Der Anstieg der Krümmung beim überlagerten Signal 20 ist auf den Mehrwegeeinfluss zurückzuführen, vergleiche auch 3 und den zugehörigen Teil der Beschreibung. Werden Krümmungswerte zu einem Zeitpunkt bzw. Zeitabschnitt genutzt, zu dem diese Werte einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert nicht überschreiten bzw. unterschreiten, kann so auf besonders einfache und effektive Weise der Zeitpunkt bzw. Zeitabschnitt identifiziert werden, in dem ein vom Mehrwegeeinfluss unbeeinflusstes Signal vorliegt.
Wird wie im Verfahren nach DE102016012101A1 und US2019/0187237A1 mit einer Verschachtelung von Kanälen gearbeitet, deren Symbole mehrere Harmonische aufweisen, ist nach dem zweiten Quadraturmischer 18 weiterhin ein Kammfilter zur Selektion des gewünschten Kanals anzuordnen.
Zur Ermittlung der Krümmung wurden erste und zweite zeitliche Ableitungen der Inphasenkomponente I und der Quadraturkomponente Q verwendet. Diese wurden mit unterschiedlichen Sätzen von Faltungskoeffizienten des bereits oben im Zuge der Steigung erwähnten Savitzky-Golay-Filters dritter Ordnung mit Fensterbreite sieben ermittelt.
Bezugszeichenliste

1: Bandpass-Signal
3: Wechsel der Amplitude
4: Erzeugungseinrichtung
6: Sender
8: Empfänger
9: Rechtecksignal
10: Cosinus-Signal
12: Direktes Signal
13: Indirektes Signal
14: Überlagertes Signal
15: Kanal
16: Filter
17: Erster Quadraturmischer
18: Zweiter Quadraturmischer
19: Krümmung beim direkten Signal
20: Krümmung beim überlagerten Signal
φ: Phase
I: Inphasenkomponente
Q: Quadraturkomponente
ILowIF: Inphasenkomponente der niedrigen Zwischenfrequenz
QLowIF: Quadraturkomponente der niedrigen Zwischenfrequenz
dI/dt: Erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente
dQ/dt: Erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente
STG: Steigung im I/Q-Diagramm
KRMG: Krümmung

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals, bei dem unter Nutzung eines empfangenen Bandpass-Signals (1) eine Inphasenkomponente (I) und eine Quadraturkomponente (Q) erzeugt werden, wobei das empfangene Bandpass-Signal (1) ein Produkt einer Multiplikation eines Trägersignals mit einem bipolaren Nutzsignal ist, wobei eine erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) und/oder eine erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) zum Erhalt einer Information über einen Mehrwegeeinfluss des Bandpass-Signals (1) genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer Eigenschaft eines von Mehrwegeeinfluss unbeeinflussten Signalanteils ein Quotient aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phase (φ) eines Trägersignals des Bandpass-Signals (1) zwecks Ermittlung einer Laufzeit und/oder Laufzeitdifferenz des Bandpass-Signals (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) und/oder die erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts unmittelbar nach einem Beginn eines Wechsels einer Amplitude (3) der Inphasenkomponente (I) bzw. der Quadraturkomponente (Q) gebildet wird, wobei zu Beginn des Wechsels der Amplitude (3) insbesondere ein Trigger-Signal erzeugt wird, um für eine Datenauswertung zu nutzende Daten zu kennzeichnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) und/oder die erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts genutzt wird, zu dem der Wert des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zeitliche Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) und/oder die erste zeitliche Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts gebildet wird, zu dem ein Betrag zumindest einer der ersten zeitlichen Ableitungen (dl/dt, dQ/dt) einen vorbestimmten ersten Schwellenwert überschreitet, wobei der erste Schwellenwert insbesondere 10 MV/s beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass - eine zeitliche Ableitung des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt), oder - eine zweite Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm, oder - die Krümmung (KRMG) des Verlaufs im I/Q-Diagramm gebildet wird, wobei insbesondere die zeitliche Ableitung, zweite Ableitung bzw. Krümmung (KRMG) eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts genutzt wird, zu dem ein Betrag zumindest einer der ersten zeitlichen Ableitungen (dl/dt, dQ/dt) einen vorbestimmten ersten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Ableitung des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt), die zweite Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm, bzw. die Krümmung (KRMG) des Verlaufs im I/Q-Diagramm eines Zeitpunkts und/oder Zeitabschnitts genutzt wird, zu dem der Betrag des jeweiligen Wertes einen zweiten Schwellenwert nicht überschreitet.
System zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals, umfassend eine Erzeugungseinrichtung (4), insbesondere einen Quadraturmischer, zur Erzeugung einer Inphasenkomponente (I) und einer Quadraturkomponente (Q) unter Nutzung eines empfangenen Bandpass-Signals (1), wobei das empfangene Bandpass-Signal (1) ein Produkt einer Multiplikation eines Trägersignals mit einem bipolaren Nutzsignal ist, sowie eine Informationserhalteeinrichtung zum Erhalt einer Information über einen Mehrwegeeinfluss des Bandpass-Signals (1) unter Nutzung einer ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt) und/oder einer ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt).
System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugungseinrichtung (4) und/oder die Informationserhalteeinrichtung in einem Schaltkreis, insbesondere einem digitalen Signalprozessor oder einem Mixed-Signal-Schaltkreis, realisiert sind.
System nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zumindest eine Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe einer ersten Mitteilung und/oder einer zweiten Mitteilung aufweist, sodass in dem Fall, dass eine Phase (φ) eines Trägersignals des Bandpass-Signals (1) unmittelbar nach einem Beginn eines Wechsels der Amplitude (3) der Inphasenkomponente (I) und/oder der Quadraturkomponente (Q) ermittelbar ist, eine erste Mitteilung ausgegeben werden kann und/oder für den Fall, dass keine Phase (φ) des Trägersignals des Bandpass-Signals (1) unmittelbar nach dem Beginn des Wechsels der Amplitude (3) ermittelbar ist, eine zweite Mitteilung ausgegeben werden kann.
System nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Glättungsfilter, insbesondere ein Savitzky-Golay-Filter, zur Ermittlung und/oder Glättung einer ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (I) und/oder der Quadraturphasenkomponente (Q), einer zeitlichen Ableitung des Quotienten aus der ersten zeitlichen Ableitung der Quadraturkomponente (dQ/dt) und der ersten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente (dl/dt), einer zweiten Ableitung des Verlaufs im I/Q-Diagramm, einer Krümmung (KRMG) des Verlaufs im I/Q-Diagramm und/oder einer zweiten zeitlichen Ableitung der Inphasenkomponente und/oder der Quadraturkomponente umfasst.
Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts unter Verwendung einer mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8 erhaltenen Information und/oder Eigenschaft eines von Mehrwegeeinfluss unbeeinflussten Signalanteils, insbesondere einer Phase (φ) eines Trägersignals des Bandpass-Signals (1).
Computerimplementiertes Verfahren, umfassend die Schritte des Verfahrens zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals gemäß einem der Ansprüche 1-8.
Vorrichtung zur Datenverarbeitung, insbesondere als Teil einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Positionsbestimmung, umfassend einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er das Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses nach einem der Ansprüche 1-8 ausführt.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, insbesondere als Teil einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Positionsbestimmung, diesen veranlassen, das Verfahren zur Bestimmung eines Mehrwegeeinflusses eines Signals gemäß einem der Ansprüche 1-8 auszuführen.