Beschreibung

Einrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Laufzeiten zwischen einem Sendesignal und einem EmpfangsSignal

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Laufzeiten zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal, das von einem außerhalb der Einrichtung befindlichen Objekt reflektiert wird, insbesondere zur Entfernungsmessung nach Art eines Radars oder Abfrage eines Oberflächenwellen-Bauelements zur Ermittlung einer Kennung oder einer Sensorinformation, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 13.

Einrichtungen und Verfahren zum berührungslosen Auslesen von Oberflächenwellen-Bauelementen sind bekannt. Dabei werden die Oberflächewellen-Bauelemente als passive Funk abfragbare Ident- und Sensormarken eingesetzt. Das berührungslose Auslesen der Ident- oder Sensorinformation erfolgt mittels eines ausgesendeten Hochfrequenzsignals, das von einem oder mehreren Reflektoren des Oberflächenwellen-Bauelements reflektiert und von einem entsprechenden Lesegerät empfangen wird. Das Lesegerät arbeitet dabei in der Regel gleichzeitig als Sender und Empfänger. Die auszulesende Information ist in der zeitlichen Verzögerung eines einzelnen oder mehrerer

Reflektionssignale enthalten. Die Genauigkeit des Auslesens der Information hängt von der Bandbreite des Hochfrequenzsignals ab, weshalb nach Möglichkeit Hochfrequenzsignale mit großer Bandbreite verwendet werden.

Die bekannten Einrichtungen und Verfahren zum Auslesen von Oberflächenwellen-Bauelementen arbeiten oft als

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Pulsverfahren, bei denen zusätzlich eine Pulsexpansion vorgesehen sein kann.

Bei diesen Verfahren wird eine große Bandbreite mit einem hohen technischen Aufwand erzielt.

Bekannt sind weiter sogenannte FMCW-Verfahren (Frequency Modulated Continuous Wave) , die ein kontinuierliches Sendesignal abstrahlen. Um das Sendesignal und das von derselben Antenne empfangene Empfangssignals unterscheiden zu können, wird ein modulierbarer Lokaloszillator eingesetzt, der ein Lokaloszillatorsignal erzeugt, das beispielsweise mit einem sich periodisch wiederholenden zeitlich linearen Rampensignal als Steuersignal Frequenz moduliert ist. Das Lokaloszillatorsignal wird als Sendesignal von der Antenne abgestrahlt. Weiter wird das Empfangssignal mittels eines Mischers mit dem Lokaloszillatorsignal gemischt, wozu der Mischer zwei entsprechende Anschlüsse aufweist. Anhand dieses Mischsignals lässt sich die Laufzeit oder lassen sich die Laufzeiten bestimmen.

Ferner ist bekannt, ein Spread-Spectrum-Signal zur Laufzeitmessung zu verwenden. Dies erfordert allerdings einen hohen technischen Aufwand, wobei mit den heute zur Verfügung stehenden Bauelementen eine vollständige Ausnutzung des theoretisch zur Verfügung stehenden Frequenzbandes nicht möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine technisch einfache, effiziente Einrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, mit dem Laufzeiten zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal bestimmbar sind.

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Die Lösung ist bezogen auf die Einrichtung und das Verfahren durch die in den Ansprüchen 1 und 13 angegebenen Merkmale gegeben. Die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche enthalten jeweils vorteilhafter Ausgestaltungen.

Die Lösung sieht bezogen auf die Einrichtung vor, dass das Ansteuersignal von einem Referenzoszillator abgeleitet und der Lokaloszillator über einen ein digital einstellbares Teilerverhältnis aufweisenden Teiler phasenstarr mit dem Referenzoszillator gekoppelt ist sowie dass der Mischer das Sendesignal durch Einstellung der Trennung zwischen dem LO- Anschluss und dem RF-Anschluss zur Abstrahlung über die Antenne bereitstellt.

Um eine möglichst exakte Wiedergabe des gewünschten Frequenz- Zeitverlaufes zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass der Teiler als fraktionaler Teiler ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung des frequenzmodulierten Lokaloszillatorsignals LO ermöglicht die Nutzung einer großen Bandbreite mit geringem technischen Aufwandinsbesondere durch die Verwendung eines bezüglich der Frequenz linearen Rampensignals erzielt.

Eine einfache Ausführungsform sieht vor, dass der Lokaloszillator als VC-Oszillator (Voltage Controlled Oscillator) ausgebildet ist.

Von Vorteil ist es, wenn die Ableitung des Ansteuersignals mittels einer die Phasen vergleichenden PLL-Schaltung (Phase Locked Loop) erfolgt, die den VC-Oszillator steuert, wobei der PLL-Schaltung ein Schleifenfilter als Tiefpassfilter

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nachgeschaltet ist und die PLL-Schaltung mit dem Schleifenfilter in der Rückkopplungsschleife des Lokaloszillators liegt.

Dabei ist es möglich, das Teilerverhältnis einfach zu programmieren, wenn das Referenzsignal der PLL-Schaltung von einer DDS-Schaltung (Direct Digital Synthesizer) bereitgestellt wird und die DDS-Schaltung vom Referenzoszillator getaktet sowie gleichzeitig von einer digitalen Ansteuerung gesteuert ist.

Alternativ kann das Referenzsignal der PLL-Schaltung vom Referenzoszillator bereitgestellt und gleichzeitig von einer digitalen Ansteuerung das Teilerverhältnis des Teilers vor der PLL gesteuert wird, wobei der Vorteiler im PLL Baustein integriert sein kann.

Optional lässt sich die Frequenz des Frequenz modulierten Lokaloszillatorsignals durch Teilung, Vervielfältigung und/oder durch Mischen mit einem zusätzlichen Trägersignal ändern.

Die erfindungsgemäße Anordnung sieht vor, dass der Mischer mit einer geringen Isolation zwischen dem LO-Anschluss und dem RF-Anschluss ausgebildet ist.

Vorteilhaft wird der Mischer mit einer Phasen verschiebenden Anordnung mittels 90°-Hybrid oder 180°-Hybrid ausgebildet.

Der Hybrid kann dabei als strukturiertes Leitungselement, als keramischer Hybrid, mittels diskreter L und C Elemente oder ähnlichen phasenschiebenden Anordnungen ausgebildet werden.

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Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass das Ansteuersignal von einem Referenzoszillator abgeleitet und der Lokaloszillator über einen ein digital einstellbares Teilerverhältnis aufweisenden Teiler phasenstarr mit dem Referenzoszillator gekoppelt wird, wobei der Mischer das Sendesignal durch Einstellung der Trennung zwischen dem LO- Anschluss und dem RF-Anschluss bereitstellt.

Durch die Einrichtung wird eine Frequenzerzeugung mit bekannten und reproduzierbaren Frequenz-Zeitverlauf ermöglicht . Das Verfahren kombiniert dabei die hohe Bandbreiteneffizienz sowie Leistungseffizienz von FMCW- Verfahren mit einer reproduzierbaren und phasenstarren Signalerzeugung unter Verwendung preiswerter Komponenten.

Vorteilhaft an dieser Art der Frequenzgenerierung ist das Die phasenstarre Kopplung des Lokaloszillatorsignals mit dem Referenzoszillatorsignal sowie die digitale Steuerung der Frequenzmodulation ermöglicht ein kohärentes Antwortsignal, das als weitere Signalverarbeitung eine kohärente Mittelung ermöglicht. Des Weiteren ermöglicht die digitale Bestimmung der Frequenz die Erzeugung eines exakt bekannten Frequenz- Zeitverlaufes für eine optimale Signalauswertung. Die hohe verfügbare Bandbreite erlaubt eine hoch auflösende Bestimmung der Laufzeiten von Oberflächenwellen-Bauelementen, womit sich Oberflächenwellen-Bauelemente mit kleinen Kodierschritten und damit höheren Informationsgehalt auslesen lassen. Alternativ ermöglicht die hohe Bandbreite die Kodierung der gleichen Informationsmenge bei geringer Laufzeit und damit preiswerteren Oberflächenwellen-Bauelementen. Für

Oberflächenwellen-Bauelemente kann ebenfalls entweder die Sensorinformation mit höherer Auflösung und damit höherer Genauigkeit bestimmt werden oder die gleiche Information in

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kürzeren und damit preiswerteren Bauelementen realisiert werden. Die Verwendung eines Mischers mit geringer Isolation zwischen LO- und RF-Anschluss ermöglicht eine Anordnung ohne Trennung zwischen Sende- und Empfangspfad. Damit entfallen teure Bauelemente wie Zirkulatoren oder ähnliche Anordnungen zur Trennung des Empfangssignals RF vom Sendesignal bei monostatischer Anordnung mit gemeinsamer Sende- und Empfangsantenne.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur

Bestimmung von Laufzeiten zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal,

Fig. 2 eine schematische Schaltung eines Lokaloszillators für eine Einrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Ausführung eines Lokaloszillators für eine Einrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 4 einen Mischer mit einem 90°-Hybrid für eine

Schaltung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Bestimmung von Laufzeiten zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal RF, das von einem nicht gezeigten außerhalb der Einrichtung befindlichen Objekt reflektiert wird. Bei dem Objekt kann sich um ein Oberflächenwellen- Bauelement handeln, dessen Kennung oder Sensorinformation mittels der Einrichtung abgefragt wird. Ein anderer Anwendungsfall ist ein Radar zur Entfernungsmessung..

Die Einrichtung umfasst einen Frequenzgenerator 1, der Frequenzgenerator 1 wird von einer digitalen Steuer- und

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Auswerteeinheit 2 angesteuert, welche gleichzeitig der Auswertung des EmpfangsSignals RF dient. Die Steuer- und Auswerteeinheit 2 ist mit einer MCU (micro central unit) und/oder einem digitalen Signalprozessor DSP (digital signal processor) versehen. Der Frequenzgenerator 1 erzeugt ein frequenzmoduliertes Lokaloszillatorsignal LO, das über einen LO-Anschluss 3a eines Mischers 3 zu einer Antenne 4 gelangt. Der Anschluss 3b, an dem das Lokaloszillatorsignal LO zur Verfügung steht, wird auch als RF-Anschluss bezeichnet. Er dient als Ausgang für das Lokaloszillatorsignal LO und gleichzeitig als Eingang für das vom Objekt reflektierte und von derselben Antenne 4 empfangene Empfangssignal RF.

Der Mischer 3 weist eine geringe Isolation zwischen dem LO- Anschluss 3a und dem RF-Anschluss 3b auf. Das LO-Signal des Mischers 3 steht dabei mit geringer Abschwächung am RF- Anschluss des Mischers 3 als Sendesignal zur Verfügung und wird über die Antenne abgestrahlt. Am Auskoppelanschluss 3c steht ein Mischsignal zur Verfügung, das durch Mischung des Empfangssignals RF und des Lokaloszillatorsignals LO gebildet wird. Damit kommt diese Anordnung ohne Trennung zwischen Sende- und Empfangspfad aus.

Das Mischsignal durchläuft anschließend ein Filter 5 und einen Verstärker 6, bevor es mittels eines AD-Wandlers 7 in digitaler Form der Steuer- und Auswerteeinheit 2 zugeführt wird, die die Laufzeit des Empfangssignals RF auf bekannte Art und Weise bestimmt. Bei der Laufzeit kann es sich auch um mehrere Laufzeiten oder Laufzeitunterschiede handeln.

Fig. 2 stellt eine schematische Darstellung des Frequenzgenerators 1 dar, der einen spannungsgesteuerten modulierbaren Lokaloszillator VCO (voltage control

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oscillator) aufweist, wobei die SpannungsSteuerung durch den Pfeil 8 in Fig.2 schematisch dargestellt ist. Diese Ansteuerspannung (das Steuersignal) wird von einem Referenzoszillator 9 abgeleitet, wobei eine phasenstarre Kopplung zwischen dem Referenzoszillator 9 und dem

Lokaloszillator VCO vorhanden ist. Zur Herstellung der Kopplung dient eine Phasen vergleichende PLL-Schaltung (phase locked loop) , in welche das Oszillatorsignal des Referenzoszillators 9 eingespeist wird. Die PLL-Schaltung weist einen zweiten Eingang (Pfeil mit Bezugsziffer 10a) auf, mit dem das Teilerverhältnis digital einstellbar ist, das hier vorteilhafterweise auch fraktional, also nicht ganzzahlig, sein kann. Das digitale Ansteuersignal 10a wird dazu über einen vorgeschalteten Teiler (Vorteiler) 10b bereitgestellt, der von der Steuer- und Auswerteeinheit 2 als digitale Ansteuerung 12 angesteuert wird.

Am Ausgang der PLL-Schaltung stehen Pulse zur Verfügung, die auf ein als Tiefpass wirkendes Schleifenfilter 11 gegeben werden. Die Ausgangsspannung des Schleifenfilters 11 steuert den Lokaloszillator VCO. Dabei ist die PLL-Schaltung und das Schleifenfilter 11 in die Rückkopplungsschleife des Lokaloszillators VCO gelegt. Der Lokaloszillator VCO wird so gesteuert, dass das Frequenz modulierte Lokaloszillatorsignal LO und damit das Sendesignal ein bezüglich der Frequenz sich periodisch wiederholendes, zeitlich lineares Rampensignal ist. Auf diese Weise lässt sich eine lineare Frequenzrampe mit hoher Linearität erzeugen, was zur exakten Laufzeitbestimmung des Signals genutzt wird. Selbstverständlich ist neben der linearen Frequenzrampe auch die Erzeugung anderer Frequenzverläufe möglich.

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Die digitale Ansteuerung bewirkt ein Frequenz moduliertes Signal mit diskreten Frequenzstufen, bei der aufgrund der Fraktionalität sehr kleine Frequenzschritte einstellbar sind. Diese diskreten Frequenzstufen werden von dem Schleifenfilter 11 geglättet. Bei Wahl der Bandbreite des Schleifenfilters kleiner als die Wiederholfrequenz der Frequenzschritte, lässt sich eine quasi stetige Frequenzmodulation ohne Einschwingvorgänge zwischen den Frequenzschritten erzielen. Das so erzeugte Frequenz modulierte Sendesignal kann durch Vervielfachen oder Teilen in seiner Frequenz verändert werden. Weiter ist eine Frequenzverschiebung durch Mischen des Frequenz modulierten Sendesignals mit einem Träger möglich. Dabei können diese Verfahren auch kombiniert werden.

Auch Fig. 3 zeigt eine schematische Schaltung für einen weiteren Frequenzgenerator 1 mit einem Lokaloszillator VCO. Wie in Fig. 2 ist auch hier eine PLL-Schaltung und ein Schleifenfilter 11 in die Rückkopplungsschleife geschaltet. Allerdings wird die PLL-Schaltung hier von einer DDS- Schaltung (direct digital Synthesizer) angesteuert, deren Eingänge mit dem Referenzoszillator 9 und einer digitalen Ansteuerung 12 (hier die Steuer- und Auswerteeinheit 2) verbunden sind, wobei die DDS-Schaltung vom Referenzoszillator 9 getaktet wird. Auch hier ist das fraktionale Teilerverhältnis programmierbar.

Fig. 4 zeigt beispielhaft einen solchen Mischers 3 mit geringer Isolation zwischen den LO- und RF-Anschlüssen mit einem 90°-Hybrid 3d als Phasen verschiebende Anordnung. Der dabei verwendete 90°-Hybrid ist hier als Leitungsstruktur aufgebaut. Am Ausgang dieses Mischers 3 steht das demodulierte Signal NF zur Verfügung.

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Alternativ kann der 90°- oder 180°-Hybrid auch mit diskreten L- und C-Elementen aufgebaut werden oder ein keramischer Hybrid oder ähnlichen Phasen verschiebenden Anordnungen verwendet werden.

Durch Anlegen eines Biasstroms an die Mischerdioden oder die Reihenschaltung mehrerer Dioden kann der Arbeitspunkt des Mischers und damit die Sendeleistung variiert werden.

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Bezugszeichenliste

1 Frequenzgenerator

2 digitale Steuer- und Auswerteinheit

3 Mischer

3a LO-Anschluss

3b RF-Anschluss

3c Auskoppelanschluss

4 Antenne

5 Filter

6 Verstärker

7 AD-Wandler

SpannungsSteuerung

9 Referenzoszillator

10 digitales Ansteuersignal

11 Schleifenfilter

12 digitale Ansteuerung

D Schottkydioden

DSP Signalprozessor

LO Lokaloszillatorsignal

NF demoduliertes Signal

RF Empfangssignal

VCO Lokaloszillator