Verfahren zur Erfassung einer Kanalimpulsantwort in einem, insbesondere zur Kommunikation betriebenen, System,

Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Ka nalimpulsantwort in einem, insbesondere zur Kommunikation be triebenen, System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einer Sendeeinrichtung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 12 und Empfangseinrichtung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 14.

Aus der Nachrichtentechnik ist als eine die Eigenschaften ei nes Übertragungskanals beschreibende Größe die Kanalimpuls antwort bekannt. Diese kann für mathematische Modelle des Ka nals in der Regel als ideale Bedingungen, insbesondere idea len Übertragungskanal, wiedergebende Formel angesehen werden. Das Messen der Kanalimpulsantwort, also der realen Übertra gungsbedingungen, zwischen einem Punkt A und einem Punkt B ist jedoch ein technisches Problem.

Bei funkbasierten Systemen ist es bekannt, dass die Kanalim pulsantwort mit dem idealen Übertragungssignal gemischt wird, um ein Abbild der Realität in die Systembetrachtung mit ein zubeziehen. Die Kanalimpulsantwort verzerrt ein elektromagne tisches Signal bei der Ausbreitung im Raum. Sie ist stark ortsabhängig und spiegelt die Umgebungseinflüsse wieder.

Mit Hilfe der Ortsinformationen in der Kanalimpulsantwort kann diese beispielsweise im Bereich der Funkortung genutzt werden. Es ist daher bekannt diese Funktion in integrierten Schaltungen, ICs, zur Verfügung zu stellen. Diese ICs bieten aber trotz der Auswertung der Ortsinformation keine Messung der Kanalimpulsantwort.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher eine Lösung anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet . Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Erfassung einer Kanalimpulsantwort in einem, insbesondere zur Kommunikation betriebenen, System ausgehend von dem Oberbegriff des An spruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale sowie einer Sendeeinrichtung gemäß der Gattungsbegriff des Anspruchs 12 durch dessen kennzeichnenden Merkmale und der Empfangsein richtung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 14 durch dessen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung einer Ka nalimpulsantwort in einem, insbesondere zur Kommunikation be triebenen, System bei dem von zumindest einem Sender zu min destens einem Empfänger mindestens ein Signal drahtlos, ins besondere per Funk, übermittelt wird werden der Sender und der Empfänger als diskrete, insbesondere zumindest teilweise als integrierte Schaltung ausgeführte, Elemente derart be trieben, dass

a) der Sender zumindest ein Signal, insbesondere einen schmalen Impuls, sendet,

b) ein Empfänger das durch den Übertragungskanal mani pulierte Signal empfängt,

c) das manipulierte Signal derart vorbereitet wird, dass es einem Mischer zugeführt werden kann, d) das manipulierte vorbereitete Signal am Mischer mit einem Referenzsignal derart gemischt wird, dass ein gemischtes Signal vorliegt, welches mit der Kanal impulsantwort zumindest korreliert.

Einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfah rens liegt darin, dass zumindest eine Extraktion der Kanalim pulsantwort, insbesondere die Kanalimpulsantwort unmittelbar, als Nutzsignal bereitstellt, ermöglicht und, insbesondere durch den Betrieb von diskreten und/oder integrierten Schal tungen, dies kommerziell verfügbar macht.

Bei der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung, die als Weiter bildungen als Radar- und/oder Funksendeeinrichtung, insbeson dere, beispielweise als RFID, Tag, ausgestaltet sein kann, sowie der erfindungsgemäßen Empfangseinrichtung, die als Wei terbildung als Radar- und/oder Funkempfangseinrichtung, ins besondere, beispielsweise als RFID, Tag, ausgestaltet sein kann, sind Mittel zur Durchführung des Verfahrens und/oder seiner Weiterbildungen vorgesehen.

Durch diese beiden erfindungsgemäßen Einrichtungen wird je weils die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht und damit die Verwirklichung der Vorteile der Erfin dung und dessen Weiterbildungen ermöglicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren derart weitergebildet, dass zu der Vorbereitung des manipulierten Signals es zumin dest einem ersten Filter, insbesondere Bandpassfilter, zur, insbesondere Bandpass-, Filterung und/oder zumindest einer ersten Verstärkereinrichtung zur Verstärkung zugeführt wird erhält man ein zur Kanalimpulsantwort korrelierendes Signal, dass hinsichtlich der weiteren Verarbeitung optimiert wird, weil die Nutzsignalanteile durch die Filterung und/oder Ver stärkung besser detektiert werden können.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das gemischte Signal einem zweiten, insbesondere als Tief passfilter ausgestalteten, Filter zur, insbesondere Tiefpass filterung zugeführt. Insbesondere die Tiefpassfilterung be freit das Signal von nicht benötigten Frequenzbereichen und senkt somit auch das Rauschniveau des Signals, so dass es für die Detektion weiter optimiert wird.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dabei derart weitergebildet, dass das, insbesondere Tiefpass-, gefilterte Signal einer zweiten Verstärkereinrichtung zur Verstärkung und/oder zumindest einem Analog-Digital-Wandler zur Analog- Digital-Wandlung zugeführt wird. Hierdurch wird das, insbe sondere durch die vorhergehende Weiterbildung erhaltene Zwi- schenfrequenz- , ZF-, Signal in ein digitales und somit der Datenverarbeitung zugängliches Signal umgewandelt, wobei be darfsweise eine vorherige Verstärkung des Signals evtl, die Wandlung verbessern kann.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Referenz signal aus einer Trägerfrequenz im „Ultra-Wide-Band- " , UWB-, Frequenzbereich gebildet. Diese Weiterbildung ermöglicht die breitbandige Erfassung der Kanaleigenschaften auf einfache Art .

Vorzugsweise wird dieser Ansatz dabei durch die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergänzt in dem das korrelie rende Signal mithilfe zumindest einer Methode der Signalver arbeitung derart verarbeitet wird, dass die Kanalimpulsant wort aus dem korrelierenden Signal extrahiert wird.

Als alternative Weiterbildung, die eine breitbandige Erfas sung möglich macht, ist die Weiterbildung des erfindungsgemä ßen Verfahrens anzusehen, bei der das Referenzsignal aus ei nem mit dem gesendeten Signal identisch erzeugten Signal ge bildet wird. Dies ermöglicht, insbesondere wenn das erfin dungsgemäße Verfahren, derart weitergebildet wird, dass der Sender und der Empfänger zumindest für die Dauer der Verfah rensschritte nach einem der vorhergehenden Verfahren synchro nisiert betrieben werden, dass die Kanalimpulsantwort als Nutzsignal bereits ohne weitere Signalverarbeitung entnehmbar wird .

Alternativ oder ergänzend wird das erfindungsgemäße Verfahren derart weitergebildet, dass das, insbesondere Tiefpass-, ge filterte und/oder verstärkte Signal einer Vielzahl von se quenziell angeordneten Analog-Digital-Wandlern zur Analog- Digital-Wandlung zugeführt wird. Dies ermöglicht eine kosten günstigere Implementierung des Verfahrens, da an die einzel nen Analog-Digital-Wandler geringere Anforderungen, insbeson dere bzgl. der Samplerate, bestehen. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren ferner der art weitergebildet, dass das gesendete Signal mit sendeseitig mit einem erstem UWB Chip und/oder das identisch erzeugtes Signal empfangsseitig mit einem zweiten UWB Chip erzeugt wird. Die Verwendung von UWB Chips zeichnet sich unter ande rem dadurch aus, dass sie hochgenaue Synchronisierung ermög lichen .

Besonders geeignet ist auch die erfindungsgemäße Weiterbil dung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der die UWB Signale zumindest teilweise gemäß dem Standard IEEE 02.15 4a gebildet werden. Hierdurch wird unter anderen die gleichzeitige Nut zung des Übertragungskanals für Ortung, Kommunikation und Synchronisierung gewährleistet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen anhand eines in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt die

Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels des Verfahrens sowie Ausführungsbeispiele der das erfindungsgemäße Verfahren durchführenden Anordnungen .

Die Figur zeigt als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen Funktionsweise anhand von Ausführungsbei spielen der erfindungsgemäßen Anordnungen.

Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens geht dabei im Grundsatz davon aus, dass zur Messung einer Kanalim pulsantwort eine Sendeeinheit Tx an einem Punkt A und eine Empfangseinheit Rx an einem hierzu entfernten Punkt B verwen det wird.

Der Sender Tx strahlt dazu in einem ersten Schritt S1 eine bekannte Signalfolge, im Idealfall einen Impuls, aus. Während der Übertragung im Raum wird das Sendesignal durch die Umge bung dauerhaft beeinflusst. Am Empfänger Rx wird ein durch die Kanaleigenschaften ver zerrtes Signal in einem zweiten Schritt S2 empfangen. Das an fangs ideale, beispielsweise als Impuls geformte, Signal kann zum Beispiel auf der Empfangsseite Rx Folgeimpulse beinhal ten, die dann auch Mehrwegeausbreitung im Raum hinweisen, was sich unter anderem die Erfindung zunutze macht.

Gemäß den Überlegungen, die dem erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel der Anordnung zugrunde liegen, können diese Folgeimpulse erfasst werden, in dem sie, wie es die erfin dungsgemäße Anordnung macht, als eine diskret aufgebaute Schaltungsgruppe realisiert wird.

Für die Erfassung dieser Folgeimpulse wird auf einer Sende seite Tx ein schmaler Impuls ausgesendet. Auf der Empfangs seite Rx wird dieses Signal empfangen, bandpassgefiltert, verstärkt, mit einem Mischer in das Basisband konvertiert und einem Analog-Digitalkonverter abgetastet. Mittels digitaler Signalauswertung kann die Kanalimpulsantwort im Zeit- und Frequenzbereich analysiert werden.

Die Erfindung geht nun über derart aufgebauten integrierten Schaltungen (IC) hinaus, da sie im Gegensatz dazu die Mög lichkeit bietet die Kanalimpulsantwort aufzuzeichnen bzw. dem Benutzer zugänglich zu machen. Im Gegensatz zu solchen Schal tungen, nimmt die erfindungsgemäße Lösung Abstand zu der Fo kussierung dieser Schaltungen allein auf die Bereitstellung der Konzentration und auf eine hieraus resultierende Optimie rung der Schaltung auf die Kommunikation. Vielmehr löst sich die Erfindung von diesem Paradigma und kann durch die im Fol genden anhand der Ausführungsbeispiele dargelegten auf weite ren erfinderischen Überlegungen basierenden Details der Er findung vornehmen, um Kanalimpulsantwort dem Benutzer zugäng lich machen bzw. aufzeichnen zu können. Die Erfindung erweitert mit ihren Lösungsmerkmalen den Funk tionsumfang eines kommerziell verfügbaren auf Ultra-Breitband -Integrated Chip ( IC) -basierten Kommunikation bzw. Ortungs systems. Sie ermöglicht parallel zur Ortung/Kommunikation die Kanalimpulsantwort bzw. Kanaleigenschaften zu messen. Ein möglicher Schaltungsaufbau der Erfindung wird als Ausfüh rungsbeispiel eine Anordnung der Erfindung gemeinsam mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise, die sie implementiert und somit bereitstellt, im folgenden Abschnitt verdeutlicht.

Zu erkennen ist eine Sendeeinheit Tx, die aus einem ersten UWB-IC IC1 und einer ersten Antenne Al besteht. Der Chip IC1 ist in der Lage IEEE 802.15.4a konforme UWB-Signale zu gene rieren. Die erste Sendeantenne Al emittiert in einem ersten Schritt S1 des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Sende- und Empfangsseite bekannten Signalfol gen .

Für eine Extraktion der Kanalimpulsantwort aus dem durch die in einem zweiten Schritt S2 von einer zweiten Antenne A2 und einer dritten Antenne A3 empfangenen Signals, sind gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach einer in einem dritten Schritt S3 erfolgenden Bandpassfilterung an einem Bandpass filter BP und Verstärkung an einem ersten Verstärker AMPlzwei Möglichkeiten gegeben, die Kanalimpulsantwort zu erhalten.

Grundsätzlich sieht die Erfindung vor, dass ein Mischer MX an einem Eingang das von der dritten Antenne A3 kommenden Signal bekommt und mischt dieses mit einem in einem vierten Schritt S4 bereitgestellten Referenzsignal in einem fünften Schritt S5. Am Ausgang des Mischers MX erhält man das gewünschte Nutzsignal .

Nach dem Mischer MX wird das Signal in einem sechsten Schritt S6 an einem Tiefpassfilter TP tiefpassgefiltert. Dieser

Schritt S6 beseitigt nicht benötigte Frequenzbereiche, die ansonsten das Rauschniveau des Signals anheben würden. An schließend wird das ZF-Signal in einem siebten Schritt S7 durch einen zweiten Verstärker AMP2 noch einmal verstärkt und im folgenden achten Schritt durch einen Analog-Digital- Wandler A/D von einem analogen Signal in ein digital abgetas tetes Signal umgewandelt. Hierzu wird ein Analog-Digitalkon ^¬ verter (ADC) verwendet.

Möglichkeit 1, die in der Figur der Stellung eines Schalters ST auf 1 entspricht, verwendet als Referenzsignal eine durch den Generator G erzeugte Trägerfrequenz im UWB Frequenzbe reich, mit der anschließend das Empfangssignal des oberen Zweiges in dem fünften Schritt S5 in den rein reellen Zwi schenfrequenzbereich von z.B. 50 Hz bis 550 MHz (bei einer UWB Signalbandbreit von 500 MHz) runter gemischt wird. An ^¬ schließend wird das analoge Zwischenfrequenzsignal digital abgetastet, also die sechsten bis achten Schritte vollzieht, bis sich anschließend die Kanalimpulsantwort mit weiterer Signalverarbeitung extrahieren lässt.

Möglichkeit 2, die in der Figur der Stellung eines Schalters ST auf 1 entspricht, verwendet als Referenzsignal ein zu dem Sendesignal identisches Signal, welches auf der Empfangsseite Rx mit einem zweiten UWB-Chip IC2 in dem vierten Schritt S4 erzeugt wird. Hierzu wird gemäß dem Beispiel im vierten

Schritt S4 eine Synchronisation von Sende- und Empfangsein heit nötig, die von deinem Mikroprozessor mR und einem drit ten integrierten UWB-IC IC3, welche gemeinsam mit dem zweiten Chip IC2 eine Einheit SYNC zur Synchronisation bilden, durch geführt wird. Das resultierende Ausgangssignal am Mischer MX ist durch diese hiermit erreichte zeitliche Abstimmung die gesuchte Kanalimpulsantwort. Die analoge Kanalimpulsantwort muss dann ebenfalls noch dem sechsten bis siebenten Schritt S6...S7, also insbesondere noch abgetastet werden. Im Vergleich zu Möglichkeit 1 ist aber dann keine weitere Verarbeitung nö ^¬ tig .

Die Erfindung ist auf die erläuterten Schritte und Ausgestal ^¬ tungen der Ausführungsbeispiele des Verfahrens und der Anord ^¬ nung nicht beschränkt, vielmehr sind weitere Kombinationen einzelner Merkmale des dargestellten mit alternativen oder ergänzenden Weiterbildungen denkbar. Hierzu sollen in der folgenden Diskussion neben der teilweise detaillierteren Wie dergabe bereits dargelegter Ausführungsformen einige weitere unter den Schutzbereich der Ansprüche fallende Variationen als nicht abschließender Abriss gezeigt bzw. gegenüberge stellt werden. Dies soll strukturiert anhand der Funktionen bzw. Funktionsgruppen, die vom dargestellten Beispiel umfasst sind, geschehen:

Analog/Digital Converter

Die Erfindung kann hierzu unter anderem durch zwei Verfahren zu Konvertierung des analogen Signals in ein digitales Signal weitergebildet werden.

Zum einen kann ein leistungsstarker ADC verwendet werden. Dieser muss über eine Samplerate von mindestens 1,1 GSps ver fügen, damit Signale mit einer Frequenz bis zu 550 MHz abge tastet werden können. Bei UWB Kanälen mit einer Bandbreite von 1 oder 1,5 GHz sind sogar mind. 3 GSps erforderlich.

Eine Alternative hierzu ist die Sequenzielle Abtastung. Dazu werden mehrere ADCs mit einer deutlich geringeren Samplerate (im Vergleich zur ersten Lösung) verwendet. Das Signal am Ausgang des Zwischenfrequenzverstärkers wird mittels Fast Fourier Transformation (FFT) in den Frequenzbereich über führt. Das abzutastende Spektrum wird in kleinere Stücke un terteilt und für jedes Teilstück wird ein ADC verwendet. An schließend werden die digitalen Teilfrequenzbereiche addiert und man erhält das Gesamtspektrum des UWB-Signals. Die Kanal impulsantwort erhält man nach der inversen FFT.

Synchronisation

Die Synchronisation gemäß Ausführungsbeispiel, insbesondere die im vorigen Absatz beschriebene Synchronisation, wird ebenfalls mittels UWB-Signalen realisiert. UWB-Impulse haben durch ihre sehr hohe Signalbandbreite eine hochgenau zeitli che Auflösung im nano bis pico Sekunden Bereich. Dies ermög licht eine präzise zeitliche Synchronisation zwischen Sende- und Empfangseinheiten bzw. mehreren Empfangseinheiten.

Im erweiterten Sinne kann ein solches Synchronisationsverfah ren auch genutzt werden um dedizierte Funksende- und Emp fangseinheiten zeitlich zu synchronisieren und eine kohären ten Sende- und Empfangsfunktion zu ermöglichen.

Kohärente Funkmodule

Das im oberen Abschnitt beschrieben Verfahren zu Synchronisa tion von zwei Funkeinheiten kann auch für Funksysteme mit an deren Funkstandards verwendet werden. Beispielsweise ist der synchrone Betrieb von zwei oder mehr Radarsensoren sowie ins besondere allen anderen Funksendern und Empfängern.

Dabei gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen, kann der lokale Oszillator auf den verschiedenen Funkeinheiten mit Hilfe der UWB-Technologie synchronisiert werden. Zum anderen, kann die softwareseitige Ansteuerung der Sende-/ Empfangseinheit syn chronisiert werden. Ein hochgenaues Referenzsignal ermöglicht dann eine gemeinsame Zeitbasis auf allen Geräten.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist dabei in der Regel, dass das Sendesignal nicht aus einem einzelnen Ultra- Breitband Impuls bestehen muss, sondern auch mit IEEE

802.15.4a Standard konformen UWB-Signalen funktioniert und dies eine gleichzeitige Nutzung des Kanals für Kommunikation, Ortung und Synchronisation ermöglicht.

Hierdurch lassen sich kommerziell verfügbare UWB ICs erstel len, die die Kanalimpulsantwort messen, da die Erfindung es eben ermöglicht gleichzeitig Signal für Ortungsfunktionen zu empfangen und die Kanalimpulsantwort zu messen Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung die dies unterstützt, ist die hochgenaue Synchronisation. In diesem System ermög licht sie, dass das Mischsignal zum Ankunftszeitpunkt taktge nau einzuspeisen. Die Erfindung sieht auch Weiterbildungen als RFID-Reader oder Radarsensoren vor und hier ermöglicht diese präzise Synchronisation kohärente Sende- und Empfangs einheiten zu betreiben.

Die Abtastung des Signals im A/D Block wurde kann neben dem Prozessieren mittels einem Oszilloskop oder einem leitungs starkem Analog-Digital-Konverter prozessiert auch alternativ durch sequenziellen Samplings prozessiert werden, die eine kostengünstige Alternative darstellen.