DE102017118324B4 - Arrangement and method for measuring distance between devices in a radio system - Google Patents

Arrangement and method for measuring distance between devices in a radio system

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Abstract

Anordnung zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem, wobei als Geräte mindestens ein erstes empfängerseitiges FMCW-Gerät (2) und ein zweites senderseitiges FMCW-Gerät (2') im Funksystem angeordnet sind, wobei das erste empfängerseitige FMCW-Gerät (2) einen Ausgang zur Ausgabe eines Basisbandsignals aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus einem schmalbandigen Basisbandsignal eine Hüllkurve extrahierende, die extrahierte Hüllkurve zu bestimmten Zeitpunkten in ihrer Amplitude abtastende und bei jeder Abtastung je einen Signalstärkewert bestimmende, aus den in einem festgelegten Zeitintervall bestimmten Signalstärkewerten einen maximalen Signalstärkewert ermittelnde Anordnung zur Signalstärkebestimmung (1) angeordnet ist, welche mit dem Ausgang zur Ausgabe eines Basisbandsignals des ersten empfängerseitigen FMCW-Geräts (2) verbunden ist, dass die Anordnung zur Signalstärkebestimmung (1) einen Ausgang (16) zur Ausgabe des ermittelten maximalen Signalstärkewerts aufweist, dass dieser Ausgang mit einer nachfolgenden Abstandsbestimmungsanordnung (3) verbunden ist und dass die Abstandsbestimmungsanordnung (3) einen Ausgang (17) zur Ausgabe eines Wertes für die Abstandsmessung aufweist. Arrangement for distance measurement between devices in a radio system, wherein at least a first receiver-side FMCW device (2) and a second transmitter-side FMCW device (2') are arranged in the radio system as devices, wherein the first receiver-side FMCW device (2) has an output for outputting a baseband signal, characterized in that a signal strength determination arrangement (1) is arranged which extracts an envelope from a narrowband baseband signal, samples the extracted envelope at specific times in terms of its amplitude and determines a signal strength value for each sample, and determines a maximum signal strength value from the signal strength values determined in a specified time interval, which is connected to the output for outputting a baseband signal of the first receiver-side FMCW device (2), that the signal strength determination arrangement (1) has an output (16) for outputting the determined maximum signal strength value, that this output is connected to a subsequent distance determination arrangement (3), and that the distance determination arrangement (3) has an output (17) for outputting a value for the distance measurement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem, wobei als Geräte mindestens ein erstes empfängerseitiges FMCW-Gerät und ein zweites senderseitiges FMCW-Gerät im Funksystem angeordnet sind, wobei das erste empfängerseitige FMCW-Gerät einen Ausgang zur Ausgabe eines Basisbandsignals aufweist.The invention relates to an arrangement for measuring distances between devices in a radio system, wherein at least a first receiver-side FMCW device and a second transmitter-side FMCW device are arranged in the radio system, wherein the first receiver-side FMCW device has an output for outputting a baseband signal.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem, wobei ein von einem zweiten senderseitigen FMCW-Gerät erzeugtes breitbandiges FMCW-Signal einer ersten FMCW-Frequenzrampe von einem ersten empfängerseitigen FMCW-Gerät empfangen wird, wobei das empfangene breitbandige FMCW-Signal der ersten FMCW-Frequenzrampe mittels einer im empfängerseitigen FMCW-Gerät erzeugten zweiten FMCW-Frequenzrampe gemischt und ein schmalbandiges Basisbandsignal erzeugt wird.The invention also relates to a method for measuring distances between devices in a radio system, wherein a broadband FMCW signal of a first FMCW frequency ramp generated by a second transmitter-side FMCW device is received by a first receiver-side FMCW device, wherein the received broadband FMCW signal of the first FMCW frequency ramp is mixed by means of a second FMCW frequency ramp generated in the receiver-side FMCW device and a narrowband baseband signal is generated.

In der vorliegenden Beschreibung geht es um eine Abstandsmessung beispielsweise zwischen einem Sender und einem Empfänger in einem Funksystem, allgemein zwischen zwei Geräten innerhalb eines Funksystems, wobei die Abstandsmessung einer vorgegebenen Genauigkeit bei der Messung eines Abstandes genügen muss.The present description concerns a distance measurement, for example between a transmitter and a receiver in a radio system, generally between two devices within a radio system, whereby the distance measurement must satisfy a specified accuracy when measuring a distance.

Hierbei können derartige Geräte, Sender oder Empfänger in den Funksystemen auch mobile Stationen sein und mittels verschiedener aus dem Stand der Technik bekannter Standards wie beispielsweise WLAN (WLAN; engl.: wireless local area network), Bluetooth (Industriestandard gemäß IEEE 802.15.1) oder Zigbee (Erweiterung des IEEE-802.15.4-Standard) arbeiten.Such devices, transmitters or receivers in the radio systems can also be mobile stations and operate using various standards known from the state of the art, such as WLAN (wireless local area network), Bluetooth (industry standard according to IEEE 802.15.1) or Zigbee (extension of the IEEE 802.15.4 standard).

Eine derartige Abstandsmessung oder Abstandsbestimmung mit einer ausreichend großen Genauigkeit, beispielsweise in einem Bereich zwischen ca. 2 bis 5 m, ist beispielsweise notwendig in Systemen, in welchen eine Positionsbestimmung einer mobilen Station oder Person in einer Umgebung mit mehreren Räumen durchgeführt werden soll. Für eine genauere Ortung von Personen innerhalb eines Raumes sind typischerweise Genauigkeiten von ca. 1 bis 2 m erforderlich, während in einem Beispiel einer autonomen Steuerung oder eines autonomen Fahrens eines Gabelstaplers in einer Werkhalle Genauigkeiten von weniger als 50 cm gefordert werden.Such distance measurement or distance determination with sufficiently high accuracy, for example, in a range between approximately 2 and 5 m, is necessary, for example, in systems where the position of a mobile station or person is to be determined in an environment with multiple rooms. For more precise location of people within a room, accuracies of approximately 1 to 2 m are typically required, while in an example of autonomous control or autonomous driving of a forklift in a factory hall, accuracies of less than 50 cm are required.

Nach dem Stand der Technik wird eine derartige Abstandsmessung zur Funkortung häufig mittels eines Verfahrens zur Bestimmung einer Signalstärke (RSSI; engl.: received signal strength indicator) realisiert, wobei insbesondere in Umgebungen mit einer Mehrwegeausbreitung Messfehler auftreten können.According to the state of the art, such a distance measurement for radio location is often carried out using a method for determining a signal strength (RSSI; received signal strength indicator), whereby measurement errors can occur, particularly in environments with multipath propagation.

Das Hauptproblem bei einer derartigen Abstandsmessung ist die Bestimmung des kürzesten Abstandes beispielsweise zwischen einem stationären Sender und einem mobilen Empfänger unter Nutzung einer sogenannten Luftlinie bzw. eines direkten Signalwegs (LOS; engl.: line-of-sight). In einer realen Umgebung werden Funksignale jedoch an Hindernissen reflektiert und damit verzögert und abgeschwächt ebenfalls empfangen. Diese unerwünscht empfangenen reflektierten Signale (NLOS; engl.: non-line-of-sight,), welche in ihrem Signalweg von der idealen Luftlinie also dem direkten Signalweg (LOS) abweichen, überlagern das empfangene Signal und verringern somit die Genauigkeit der Abstandsmessung.The main problem with this type of distance measurement is determining the shortest distance, for example, between a stationary transmitter and a mobile receiver using a so-called line-of-sight (LOS). In a real environment, however, radio signals are reflected by obstacles and thus received in a delayed and attenuated form. These unwanted reflected signals (NLOS), which deviate from the ideal line-of-sight (LOS) signal path, overlay the received signal and thus reduce the accuracy of the distance measurement.

Aus dem Stand der Technik sind Lösungen zur Abstands- und Positionsmessung bekannt, welche entweder auf einer Messung der Signallaufzeit und einer Bestimmung des Abstandes über die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale beruhen oder über die Messung der Signalstärke und Bestimmung des Abstandes über die Abnahme der Signalstärke bei zunehmender Distanz zwischen Sender und Empfänger vorgenommen werden.State-of-the-art solutions for distance and position measurement are known which are either based on measuring the signal propagation time and determining the distance via the propagation speed of the signals or on measuring the signal strength and determining the distance via the decrease in signal strength with increasing distance between transmitter and receiver.

Aus der DE 101 55 251 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Entfernung zwischen einer Basisstation und zumindest einem Transponder bekannt, bei dem von der Basisstation ein Signal eines Basisstations-Oszillators ausgesendet wird. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, ein besonders einfaches Verfahren aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, die Entfernung zu einem Transponder bis in den Nahbereich auf alternative Art und Weise zu bestimmen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist es vorgesehen, dass im Transponder auf Basis des von der Basisstation empfangenen Signals mittels eines oszillierenden Oszillators ein dazu phasenkohärentes Signal erzeugt und ausgesendet wird, dass in der Basisstation anhand des von dem Transponder empfangenen phasenkohärenten Signals die Entfernung bestimmt wird, wobei der Oszillator zum Erzeugen des phasenkohärenten Signals mit dem empfangenen Signal quasiphasenkohärent angeregt wird.From the DE 101 55 251 A1 A method for determining the distance between a base station and at least one transponder is known, in which a signal from a base station oscillator is transmitted from the base station. The problem to be solved is to demonstrate a particularly simple method with which it is possible to determine the distance to a transponder up to the close range in an alternative way. To solve this problem, it is provided that in the transponder, on the basis of the signal received from the base station, a phase-coherent signal is generated and transmitted by means of an oscillating oscillator, that the distance is determined in the base station based on the phase-coherent signal received from the transponder, wherein the oscillator is excited in a quasi-phase-coherent manner with the received signal to generate the phase-coherent signal.

Aus der DE 196 46 228 A1 ist ein Verfahren zur Abstandsbestimmung zweier Objekte bekannt. Bei diesem Verfahren wird von einem Objekt aus ein FMCW-Radarsignal ausgesandt, das vom zweiten Objekt reflektierte Signal aufgenommen und aus beiden Signalen das Differenzsignal gebildet, welches mit der Maximum-Entropie-Methode ausgewertet wird. Zur Lösung wird vorgeschlagen, dass sich das Verfahren durch Anwendung des bekannten FMCW-Prinzips einerseits die Tatsache zunutze macht, dass die gerade bei Objekten im Nahbereich auszuwertenden Zwischenfrequenzen in einem Bereich liegen, der sich gegenüber der Frequenz des ausgesandten Signals deutlich unterscheidet und der im Bereich des Frequenzhubs des ausgesandten Signals liegt. Dieser kann so eingestellt werden, dass einerseits der schaltungstechnische Aufwand zur Auswertung und Erkennung eines oder mehrerer Ziele auch im Nahbereich gering bleibt und andererseits das Auflösungsvermögen ausreichend ist.From the DE 196 46 228 A1 A method for determining the distance between two objects is known. In this method, an FMCW radar signal is emitted from one object, the signal reflected by the second object is recorded, and the difference signal is formed from both signals, which is then evaluated using the maximum entropy method. The solution is proposed that the method, by applying the well-known FMCW principle, utilizes the fact that This ensures that the intermediate frequencies to be evaluated, especially for objects at close range, are in a range that is significantly different from the frequency of the transmitted signal and within the range of the frequency deviation of the transmitted signal. This can be adjusted so that, on the one hand, the circuitry required for evaluating and detecting one or more targets remains low, even at close range, and, on the other hand, the resolution is sufficient.

Die US 2016 / 0 291 130 A1 offenbar ein Radarsystem und beziehen sich insbesondere auf die Detektion von Interferenzen in einem frequenzmodulierten Dauerstrich-FMCW-Radarsystem. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, zu wissen, wann eine Interferenz auftritt, damit Abschwächungs- und/oder Vermeidungstechniken angewendet werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-FMCW-Radarsystem bereitgestellt, das einen Empfänger umfasst, der konfiguriert ist, um ein digitales Zwischenfrequenz-Signal zu erzeugen, und eine Interferenzüberwachungskomponente, die mit dem Empfänger gekoppelt ist, um das digitale Zwischenfrequenz-Signal zu empfangen, wobei die Interferenzüberwachungskomponente konfiguriert ist, um mindestens ein Teilband in dem digitalen Zwischenfrequenz-Signal auf Interferenzen zu überwachen, wobei das mindestens eine Teilband kein Radarsignal umfasst.The US 2016 / 0 291 130 A1 apparently a radar system and relate in particular to the detection of interference in a frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar system. The problem to be solved is to know when interference occurs so that mitigation and/or avoidance techniques can be applied. To solve this problem, a frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar system is provided, comprising a receiver configured to generate a digital intermediate frequency signal, and an interference monitoring component coupled to the receiver to receive the digital intermediate frequency signal, wherein the interference monitoring component is configured to monitor at least one subband in the digital intermediate frequency signal for interference, wherein the at least one subband does not comprise a radar signal.

Bekannt sind sogenannte laufzeitbasierte Systeme, welche impulsbasiert oder frequenzmoduliert ausgeführt sein können. Hierbei können impulsbasierte Systeme beispielsweise eine Ultra-Breitband-Technologie (UWB; engl.: Ultrawideband) und frequenzmodulierte Systeme ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar FMCW (FMCW; engl.: frequency modulated continuous wave) verwenden. Beispiele für derartige frequenz- oder pulsbasierte Systeme sind in A. Strobel, R. Eickhoff, A. Ziroff and F. Ellinger, „Comparison of pulse and FMCW based radiolocation for indoor tracking systems“ 2010 Future Network & Mobile Summit, Florence, 2010, pp. 1-8 gezeigt.So-called time-of-flight systems are known, which can be pulse-based or frequency-modulated. Pulse-based systems can use, for example, ultra-wideband (UWB) technology, and frequency-modulated systems can use frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar. Examples of such frequency- or pulse-based systems are described in A. Strobel, R. Eickhoff, A. Ziroff and F. Ellinger, “Comparison of pulse and FMCW based radiolocation for indoor tracking systems” 2010 Future Network & Mobile Summit, Florence, 2010, pp. 1-8 shown.

Diese Systeme sind besonders aufgebaut und optimiert, um eine möglichst präzise Abstandsmessung zu ermöglichen. Nachteilig an diesen Systemen ist es, dass beide Ansätze jeweils eine komplexe Signalverarbeitung zur Ermittlung der Signallaufzeit sowie Schaltungen zur genauen Synchronisierung aller beteiligten Stationen oder Geräte im Netzwerk benötigen. In Umgebungen mit Mehrwegeausbreitung können diese Systeme bis zu einer theoretischen Auflösungsschwelle unerwünscht ankommende reflektierte Signale (NLOS) vom gewünschten direkten Signal (LOS) unterscheiden.These systems are specially designed and optimized to enable the most precise distance measurement possible. A disadvantage of these systems is that both approaches require complex signal processing to determine the signal propagation time, as well as circuits for the precise synchronization of all participating stations or devices in the network. In multipath environments, these systems can distinguish unwanted incoming reflected signals (NLOS) from the desired direct signal (LOS) up to a theoretical resolution threshold.

Systeme zur Abstandsbestimmung zwischen Geräten in einem Funksystem, welche mittels einer Signalstärkemessung arbeiten, sind in praktisch allen Implementierungen standardisierter, schmalbandiger Kommunikationssysteme wie beispielsweise WLAN, Bluetooth, Zigbee vorhanden.Systems for determining the distance between devices in a radio system, which work by means of signal strength measurement, are present in practically all implementations of standardized, narrowband communication systems such as WLAN, Bluetooth, Zigbee.

Meist wird in derartigen Systemen von einer Signalverarbeitungsanordnung des Gerätes oder Transceivers ein sogenannter Signalstärkewert zur Verfügung gestellt, welcher zur Abstandsbestimmung mitbenutzt wird. Als Stand der Technik zu diesen Verfahren kann die Veröffentlichung W. Xue, W. Qiu, X. Hua and K. Yu, „Improved Wi-Fi RSSI Measurement for Indoor Localization“ in IEEE Sensors Journal, vol. 17, no. 7, pp. 2224-2230, April1, 1 2017 oder J. Neburka et al., „Study of the performance of RSSI based Bluetooth Smart indoor positioning“ in 26th International Conference Radioelektronika (RADIOELEKTRONIKA), Kosice, 2016, pp. 121-125 benannt werden.In such systems, a signal processing device of the device or transceiver usually provides a so-called signal strength value, which is also used to determine the distance. The state of the art for these methods can be seen in the publication W. Xue, W. Qiu, X. Hua and K. Yu, “Improved Wi-Fi RSSI Measurement for Indoor Localization,” in IEEE Sensors Journal, vol. 17, no. 7, pp. 2224-2230, April 1, 1 2017 or J. Neburka et al., “Study of the performance of RSSI based Bluetooth Smart indoor positioning” in 26th International Conference Radioelektronika (RADIOELEKTRONIKA), Kosice, 2016, pp. 121-125 be named.

Dieser Signalstärkewert wird während der Übermittlung von Daten über einen schmalbandigen Kanal in der sogenannten Präambel ermittelt, was beispielsweise in der US 2013 0278416 „Methods for locating individuals in an emergency condition using an ad-hoc network and devices thereof“ beschrieben ist.This signal strength value is determined during the transmission of data over a narrowband channel in the so-called preamble, which is used, for example, in the US 2013 0278416 “Methods for locating individuals in an emergency condition using an ad-hoc network and devices thereof” is described.

Diese Systeme benötigen keine umfangreiche Signalauswertung und sind sehr einfach aufgebaut. In Umgebungen mit Mehrwegeausbreitung ist diese Methode der Abstandsbestimmung jedoch sehr ungenau, da nicht zwischen unerwünschten, reflektierten Signalen (NLOS) und direkt empfangenen Signalen (LOS) bei der Abstandsbestimmung unterschieden werden kann.These systems do not require extensive signal analysis and are very simple in design. However, in multipath environments, this method of distance determination is very inaccurate because it cannot distinguish between unwanted reflected signals (NLOS) and directly received signals (LOS) when determining distance.

Die Nachteile dieses bekannten Standes der Technik liegen somit drin, dass laufzeitbasierte Systeme spezialisierte, aufwendige Systeme sind, welche eine komplexe Signalverarbeitung erfordern und Schaltungen zur Synchronisation aller Stationen benötigen. Infolge dessen verursachen diese Systeme hohe Kosten sowohl bei der Entwicklung als auch bei der Fertigung und haben einen hohen Stromverbrauch. Außerdem sind derartige Systeme wegen ihrer großen Bauform schlecht integrierbar.The disadvantages of this known state-of-the-art technology are that delay-based systems are specialized, complex systems that require complex signal processing and circuitry to synchronize all stations. As a result, these systems incur high costs in both development and manufacturing and consume high power. Furthermore, such systems are difficult to integrate due to their large size.

Aktuelle Systeme, welche eine Signalstärkemessung zur Abstandsmessung nutzen, verwenden marktübliche, schmalbandige Kommunikationssysteme und sind somit kostengünstig. Da die Signalstärke aber nur für Signale in einem kleinen Frequenzband, meist auf dem aktuellen Funkkanal mit einer Bandbreite von einigen 10 MHz, und nur während kurzer Zeiten, beispielsweise in der Präambel eines Datenpaketes, welches für WLAN typischerweise eine Zeitspanne von einigen zehn Mikrosekunden umfasst, bestimmt wird, ist der Informationsgehalt des Signalstärkewertes sehr gering. Somit haben unerwünschte Mehrwegeausbreitungen der Signale einen starken Einfluss auf das Ergebnis der Abstandsmessung.Current systems that use signal strength measurement for distance measurement use commercially available, narrowband communication systems and are therefore cost-effective. However, since signal strength is only relevant for signals in a small frequency band, usually on the current radio channel with a bandwidth of a few tens of MHz, and only for short periods of time, for example, in the preamble of a data packet, which for WLAN typically has a time span of a few tens of microseconds, The information content of the signal strength value is very low. Thus, unwanted multipath propagation of the signals has a strong influence on the result of the distance measurement.

Außerdem unterliegt der Signalstärkewert starken Schwankungen, beispielsweise je nach aktueller Position eines Gerätes in einem Raum, wodurch in Umgebungen mit Mehrwegeausbreitung die Genauigkeit der Abstandsmessung sehr niedrig ist.In addition, the signal strength value is subject to strong fluctuations, for example depending on the current position of a device in a room, which means that the accuracy of the distance measurement is very low in environments with multipath propagation.

Unter dem Link Hhttps://de.wikipedia.org/wiki/Dauerstrichradar ist im Zusammenhang mit einem Dauerstrichradar ein Direktmischempfänger aus dem Stand der Technik offenbart. Mit diesem Direktmischempfänger wird das hochfrequente Empfangssignal nach einer Verstärkung direkt mit einem Teil des Sendesignals in einem Mischer überlagert und so in ein Basisband-Signal transformiert. Der nachfolgende Verstärker arbeitet im Niederfrequenzbereich. A prior art direct conversion receiver is disclosed in the context of a continuous wave radar at https://de.wikipedia.org/wiki/Dauerstrichradar. With this direct conversion receiver, the high-frequency received signal, after being amplified, is directly superimposed with a portion of the transmitted signal in a mixer, thus transforming it into a baseband signal. The downstream amplifier operates in the low-frequency range.

Aus der DE 10 2011 075 824 A1 ist ein Radarsystem für Kraftfahrzeuge sowie ein Verfahren zum Durchführen von Messungen mittels FMCW-Radar bekannt.From the DE 10 2011 075 824 A1 A radar system for motor vehicles and a method for carrying out measurements using FMCW radar are known.

Die durch diese Druckschrift zu lösende Aufgabe wird darin gesehen, ein Verfahren zum Durchführen von Messungen mittels FMCW-Radar zu schaffen, bei dem die Zuordnung eines erfassten relevanten Objektes in die Klasse „Hindernis“ verbessert werden kann.The task to be solved by this publication is to create a method for carrying out measurements using FMCW radar, in which the assignment of a detected relevant object to the class “obstacle” can be improved.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist es vorgesehen, dass das System wenigstens einen Radarsensor und ein Steuergerät umfasst, wobei die Messungen mittels des FMCW-Radars mit wenigstens zwei Frequenzmodulationsrampen durchgeführt werden. Bei jeder der Messungen wird ein gesendetes Signal mit einem empfangenen Signal gemischt und ein Spitzenwert eines Spektrums des gemischten Signals bestimmt. Außerdem wird ein Ausdehnungsindikatorwert in Abhängigkeit von Abweichungen der bestimmten Spitzenwerte der Messungen von einem Mittelwert der bestimmten Spitzenwerte der Messungen bestimmt.To achieve this objective, the system comprises at least one radar sensor and a control unit, wherein the measurements are performed using the FMCW radar with at least two frequency modulation ramps. For each measurement, a transmitted signal is mixed with a received signal, and a peak value of a spectrum of the mixed signal is determined. Furthermore, an expansion indicator value is determined depending on the deviations of the determined peak values of the measurements from a mean value of the determined peak values of the measurements.

Aufgrund der oben erläuterten bekannten Nachteile des Standes der Technik besteht ein Bedarf an einer geeigneten Lösung zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem mit verbesserten Eigenschaften.Due to the known disadvantages of the state of the art explained above, there is a need for a suitable solution for measuring the distance between devices in a radio system with improved characteristics.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem anzugeben, womit bei einer Nutzung des Prinzips der Signalstärkemessung eine genaue und robuste Messung erreicht wird und wobei die Komplexität des Systems und dessen Kosten gering sind.The object of the invention is to provide an arrangement and a method for measuring the distance between devices in a radio system, whereby an accurate and robust measurement is achieved using the principle of signal strength measurement and whereby the complexity of the system and its costs are low.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.The problem is solved by an arrangement having the features according to claim 1 of the independent claims. Further developments are specified in the dependent claims 2 to 4.

Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 6 bis 10 angegeben.The problem is also solved by a method having the features according to claim 5 of the independent patent claims. Further developments are specified in the dependent patent claims 6 to 10.

Das Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die genaue und robuste Abstandsmessung im Rahmen lokaler Positionierungssysteme, beispielsweise zur Ortung von Personen, Gegenständen oder Fahrzeugen in lokal begrenzten Gebieten mit Mehrwegeausbreitung, wie beispielsweise Innenräume oder Industriehallen. Aufgrund der geringen Komplexität und Kosten der vorgeschlagenen Lösung sind auch Verbraucheranwendungen denkbar, wie beispielsweise ein Einsatz im Bereich der sogenannten standort-basierten Spiele (engl.: location-based gaming). Ein weiteres Einsatzgebiet kann in der Führung oder Leitung von Personen, beispielsweise während einer Tour in Museen, zum Auffinden von Produkten im Supermarkt oder dem Leiten von Blinden, gesehen werden.The main application of the present invention is precise and robust distance measurement within local positioning systems, for example, for locating people, objects, or vehicles in locally limited areas with multipath propagation, such as indoor spaces or industrial halls. Due to the low complexity and cost of the proposed solution, consumer applications are also conceivable, such as use in so-called location-based gaming. Another application could be in guiding or directing people, for example, during a tour of museums, locating products in a supermarket, or guiding blind people.

Durch Nutzung des Prinzips der Signalstärkemessung wird die Komplexität eines Abstandsmess- und/oder Positionierungssystems stark verringert, bei gleichzeitig hoher Genauigkeit unter Nutzung der vorgestellten Lösung.By utilizing the principle of signal strength measurement, the complexity of a distance measurement and/or positioning system is greatly reduced while maintaining high accuracy using the presented solution.

Die Erfindung sieht vor, dass ein erstes empfängerseitiges FMCW-Gerät und ein zweites senderseitiges FMCW-Gerät in einem Funksystem angeordnet sind, wobei das erste empfängerseitige FMCW-Gerät einen Ausgang zur Ausgabe eines Basisbandsignals aufweist. Alternativ kann beispielsweise auch ein stationärer FMCW-Sender als zweites senderseitiges FMCW-Gerät und ein mobiles FMCW-Gerät als erstes empfängerseitiges FMCW-Gerät in dem Funksystem angeordnet sein. Eine weitere Alternative besteht in der Verwendung je eines FMCW-Transceivers als erstes empfängerseitiges mobiles und zweites senderseitiges stationäres FMCW-Gerät.The invention provides that a first receiver-side FMCW device and a second transmitter-side FMCW device are arranged in a radio system, wherein the first receiver-side FMCW device has an output for outputting a baseband signal. Alternatively, for example, a stationary FMCW transmitter can be arranged as the second transmitter-side FMCW device and a mobile FMCW device can be arranged as the first receiver-side FMCW device in the radio system. A further alternative consists in using one FMCW transceiver each as the first receiver-side mobile FMCW device and the second transmitter-side stationary FMCW device.

Üblicherweise können derartige FMCW-Geräte Bestandteile oder Teilbaugruppen von stationären oder mobilen übergeordneten Geräten innerhalb eines Funksystems sein, wobei diese Geräte wie beispielsweise Smartphones, Tablets oder Laptops untereinander mit üblichen Standards wie WLAN, Bluetooth oder Zigbee kommunizieren.Typically, such FMCW devices can be components or subassemblies of stationary or mobile higher-level devices within a radio system, whereby these devices can be, for example, smartphones, tablets or laptops. tops communicate with each other using common standards such as WLAN, Bluetooth or Zigbee.

Je nach Anforderung umfasst beispielsweise ein erstes empfängerseitiges FMCW-Gerät eine Empfangsantenne, einen Eingangsverstärker, eine Mischstufe mit einer Frequenzrampenerzeugungsanordnung sowie einen Basisbandverstärker. Optional kann auch ein Bandfilter nach dem Basisbandverstärker angeordnet sein.Depending on the requirements, a first receiver-side FMCW device may, for example, comprise a receiving antenna, an input amplifier, a mixer with a frequency ramp generator, and a baseband amplifier. Optionally, a bandpass filter can also be arranged after the baseband amplifier.

Ein zweites senderseitiges FMCW-Gerät umfasst beispielsweise eine Sendeantenne sowie eine Treiberstufe, welche mit einer Frequenzrampenerzeugungsanordnung verbunden ist.A second transmitter-side FMCW device comprises, for example, a transmitting antenna and a driver stage connected to a frequency ramp generation arrangement.

Alternativ kann beispielsweise ein FMCW-Transceiver alle aufgeführten Baugruppen des senderseitigen FMCW-Geräts und des empfängerseitigen FMCW-Geräts umfassen.Alternatively, for example, an FMCW transceiver may include all listed components of the transmitter-side FMCW device and the receiver-side FMCW device.

Vorgesehen ist es, dass mit dem ersten empfängerseitigen FMCW-Gerät oder einem FMCW-Transceiver auch eine aus einem schmalbandigen Basisbandsignal eine Hüllkurve extrahierende, die extrahierte Hüllkurve zu bestimmten Zeitpunkten in ihrer Amplitude abtastende und bei jeder Abtastung je einen Signalstärkewert bestimmende, aus den in einem festgelegten Zeitintervall bestimmten Signalstärkewerten einen maximalen Signalstärkewert ermittelnde Anordnung zur Signalstärkebestimmung angeordnet wird, deren Eingang mit dem Ausgang des empfängerseitigen FMCW-Geräts zur Ausgabe eines Basisbandsignals verbunden ist.It is provided that with the first receiver-side FMCW device or an FMCW transceiver, an arrangement for determining signal strength is also arranged which extracts an envelope from a narrowband baseband signal, samples the extracted envelope at specific times in terms of its amplitude and determines a signal strength value for each sample, and determines a maximum signal strength value from the signal strength values determined in a specified time interval, the input of which arrangement is connected to the output of the receiver-side FMCW device for outputting a baseband signal.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Anordnung zur Signalstärkebestimmung einen Ausgang zur Ausgabe des ermittelten maximalen Signalstärkewerts aufweist, dass dieser Ausgang mit einer nachfolgenden Abstandsbestimmungsanordnung verbunden ist und dass die Abstandsbestimmungsanordnung einen Ausgang zur Ausgabe eines Wertes für die Abstandsmessung aufweist.According to the invention, it is further provided that the arrangement for determining the signal strength has an output for outputting the determined maximum signal strength value, that this output is connected to a subsequent distance determination arrangement and that the distance determination arrangement has an output for outputting a value for the distance measurement.

Vorgesehen ist es auch, dass die Anordnung zur Signalstärkebestimmung mindestens einen Hüllkurvendetektor, eine Abtastanordnung sowie eine Vergleichsanordnung umfasst. Vorteilhafterweise ist in der Anordnung zur Signalstärkebestimmung auch ein Speicher angeordnet.It is also provided that the arrangement for determining signal strength comprises at least one envelope detector, a sampling arrangement, and a comparison arrangement. Advantageously, a memory is also arranged in the arrangement for determining signal strength.

Vorgesehen ist es, mittels des Hüllkurvendetektors eine Hüllkurve aus dem am Ausgang des empfängerseitigen FMCW-Geräts oder am Ausgang des FMCW-Transceivers ausgebebenen Basisbandsignals zu extrahieren. Diese extrahierte Hüllkurve wird in ihrer Amplitude in der Abtastanordnung abgetastet und der bei dieser Abtastung bestimmte maximale Signalstärkewert in dem Speicher gespeichert und am Ausgang zur Ausgabe eines Signalstärkewerts der Anordnung zur Signalstärkebestimmung ausgegeben.The envelope detector is designed to extract an envelope from the baseband signal output at the output of the receiver-side FMCW device or at the output of the FMCW transceiver. The amplitude of this extracted envelope is sampled in the sampling arrangement, and the maximum signal strength value determined during this sampling is stored in the memory and output at the output of the signal strength determination arrangement to provide a signal strength value.

Vorgesehen ist es auch, eine Abstandsbestimmungsanordnung anzuordnen, welche mit dem Ausgang zur Ausgabe eines Signalstärkewert verbunden ist. Der von der Anordnung zur Signalstärkebestimmung ausgegebene maximale Signalstärkewert korrespondiert am besten mit dem Signal des direkten Signalweges (LOS) und wird daher in der Abstandsbestimmungsanordnung in einen Wert für den zu bestimmenden Abstand bei der Abstandsmessung gewandelt und am Ausgang zur Ausgabe eines Abstandswerts der Abstandsbestimmungsanordnung ausgegeben. Zu diesem Zweck werden in der Abstandsbestimmungsanordnung bekannte Algorithmen zur Umsetzung des maximalen Signalstärkewert in einen zu bestimmenden Abstand eingesetzt. It is also planned to arrange a distance determination device, which is connected to the output for outputting a signal strength value. The maximum signal strength value output by the signal strength determination device corresponds best to the signal of the direct signal path (LOS) and is therefore converted in the distance determination device into a value for the distance to be determined during the distance measurement and output at the output for outputting a distance value of the distance determination device. For this purpose, known algorithms are used in the distance determination device to convert the maximum signal strength value into a distance to be determined.

Verfahrensseitig ist es vorgesehen, nach einer üblichen Wandlung eines breitbandigen FMCW-Signals in einer Mischstufe unter Nutzung eines lokal erzeugten FMCW-Frequenzrampensignals in ein schmalbandiges Basisbandsignal aus diesem Signal eine Hüllkurve zu extrahieren. Da die maximale Amplitude dieser Hüllkurve am besten mit dem Signal des direkten Signalwegs (LOS) übereinstimmt, wird die Hüllkurve in regelmäßigen Zeitintervallen abgetastet und derart zu jedem Zeitpunkt einer Abtastung je ein Signalstärkewert ermittelt. Von diesen ermittelten Signalstärkewerten wird das Maximum bestimmt und der maximale Signalstärkewert zur weiteren Verarbeitung ausgegeben. Diese weitere Verarbeitung erfolgt wie bereits beschrieben mittels eines bekannten Algorithmus zur Umsetzung des maximalen Signalstärkewerts in einen zu bestimmenden Abstand. Hierfür können beispielsweise Algorithmen wie ein Pfadverlustmodell, ein Fingerprinting, ein Kalmanfilter oder ein Partikelfilter verwendet werden.The method involves extracting an envelope from a broadband FMCW signal in a mixer stage using a locally generated FMCW frequency ramp signal into a narrowband baseband signal. Since the maximum amplitude of this envelope best matches the signal from the direct signal path (LOS), the envelope is sampled at regular time intervals, and a signal strength value is determined for each sampling point. The maximum of these determined signal strength values is determined, and the maximum signal strength value is output for further processing. This further processing is carried out, as already described, using a known algorithm for converting the maximum signal strength value into a distance to be determined. Algorithms such as a path loss model, fingerprinting, a Kalman filter, or a particle filter can be used for this purpose.

Vorgesehen ist es weiterhin, die für das FMCW-Signal benötigte Frequenzrampe in der Form einer linear ansteigenden Rampe zu erzeugen. Alternativ kann das FMCW-Signal in der Form einer linear abfallenden Rampe erzeugt werden. In einer weiteren Alternative kann das FMCW-Signal aus einem zuerst ansteigenden Teil und einem nachfolgend abfallenden Teil oder einem abfallenden Teil und einem nachfolgend ansteigenden Teil einer Frequenzrampe erzeugt werden.It is further proposed to generate the frequency ramp required for the FMCW signal in the form of a linearly rising ramp. Alternatively, the FMCW signal can be generated in the form of a linearly falling ramp. In a further alternative, the FMCW signal can be generated from an initially rising part followed by a subsequently falling part, or from a falling part followed by a subsequently rising part of a frequency ramp.

In einer weiteren Ausführung ist es vorgesehen, dass das Basisbandsignal des ersten empfängerseitigen FMCW-Geräts oder des FMCW-Transceivers vor der Ausgabe mittels eines Bandfilters gefiltert wird, um derart Störanteile des Signals zu eliminieren.In a further embodiment, it is provided that the baseband signal of the first receiver-side FMCW device or of the FMCW transceiver is filtered by means of a band filter before output in order to eliminate interference components of the signal.

Vorgesehen ist es auch, dass eine Abtastung der Hüllkurve gesteuert durch einen Takt- oder Zeitgeber in gleichen zeitlichen Abständen erfolgt.It is also intended that the envelope curve is sampled at regular intervals, controlled by a clock or timer.

Weiterhin ist es auch vorgesehen, dass eine Abtastung der Hüllkurve über eine Zeitdauer erfolgt, welche mindestens der Zeitdauer eines FMCW-Frequenzrampensignals entspricht, also so lange erfolgt, bis eine FMCW-Frequenzrampe vollständig beendet ist.Furthermore, it is also provided that the envelope is sampled over a period of time which corresponds at least to the period of time of an FMCW frequency ramp signal, i.e. until an FMCW frequency ramp is completely finished.

Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:

  • 1: eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem,
  • 2a - 2d: eine Darstellung mehrerer Diagramme verschiedener Signale an verschiedenen Punkten in der Anordnung nach 1 und
  • 3: ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der erzielbaren Genauigkeiten bei einer Abstandsmessung nach dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Lösung zur Abstandsmessung zwischen zwei Geräten in einem Funksystem.
The above-explained features and advantages of this invention will be better understood and appreciated after careful study of the following detailed description of the preferred, non-limiting exemplary embodiments of the invention with the accompanying drawings, which show:
  • 1 : a schematic representation of an arrangement according to the invention for measuring distances between devices in a radio system,
  • 2a - 2d : a representation of several diagrams of different signals at different points in the arrangement according to 1 and
  • 3 : a diagram comparing the achievable accuracies for a distance measurement according to the prior art and the inventive solution for measuring the distance between two devices in a radio system.

Die Grundidee für das Verfahren beruht darauf, dass verschiedene Hindernisse wie beispielsweise Wände oder Fenster Funkwellen auf unterschiedliche Art und Weise bei verschiedenen Frequenzen reflektieren, womit sich das Verhalten des Funkkanals und damit Art und Anzahl der Reflexionen über die Frequenz bzw. den Frequenzbereich ändern.The basic idea behind the method is that different obstacles such as walls or windows reflect radio waves in different ways at different frequencies, which changes the behavior of the radio channel and thus the type and number of reflections across the frequency or frequency range.

Derartige Effekte sind beispielsweise in P. Ali-Rantala, L. Ukkonen, L. Sydanheimo, M. Keskilammi, and M. Kivikoski, „Different kinds of walls and their effect on the attenuation of radiowaves indoors“ in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 3, June 2003, pp. 1020 - 1023 beschrieben.Such effects can be seen, for example, in P. Ali-Rantala, L. Ukkonen, L. Sydanheimo, M. Keskilammi, and M. Kivikoski, “Different kinds of walls and their effect on the attenuation of radiowaves indoors,” in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 3, June 2003, pp. 1020 - 1023 described.

Gemäß der Erfindung werden in einem großen Frequenzband kontinuierlich Signalstärkemessungen ausgeführt und Messwerte erzeugt. Von diesen Messwerten wird derjenige Messwert ausgewählt, welcher der höchsten gemessenen Signalstärke also dem Maximum der Signalstärke entspricht. Diese höchste gemessene Signalstärke entspricht dem gewünschten direkten Signal (LOS). Mittels dieser höchsten gemessenen Signalstärke wird nachfolgend, unter Nutzung eines Algorithmus zur Umsetzung eines Signalstärkewerts in einen Abstand, der Abstand bestimmt und als Wert für die Abstandsmessung ausgegeben.According to the invention, signal strength measurements are continuously performed across a wide frequency band, and measured values are generated. From these measured values, the measured value corresponding to the highest measured signal strength, i.e., the maximum signal strength, is selected. This highest measured signal strength corresponds to the desired direct signal (LOS). Using this highest measured signal strength, the distance is then determined using an algorithm for converting a signal strength value into a distance, and output as the value for the distance measurement.

Vorgesehen ist es, dass eine erfindungsgemäße Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem mittels einer Anordnung zur Signalstärkebestimmung 1, einem vorgeschalteten FMCW-Transceiver 2 sowie einer nachgeschalteten Stufe zur Umsetzung eines Algorithmus zur Abstandsbestimmung, nachfolgend als Abstandsbestimmungsanordnung 3 bezeichnet, erfolgt, wie sie in der 1 in einer möglichen Ausführung dargestellt ist.It is intended that a distance measurement according to the invention between devices in a radio system is carried out by means of an arrangement for determining the signal strength 1, an upstream FMCW transceiver 2 and a downstream stage for implementing an algorithm for determining the distance, hereinafter referred to as distance determination arrangement 3, as described in the 1 shown in a possible version.

Ein derartiger FMCW-Transceiver 2, 2', welcher hochfrequente, breitbandige FMCW-Signale senden oder empfangen kann, verfügt über eine Frequenzrampenerzeugungsanordnung 4, 4', mittels welcher eine, wie beispielsweise in der 2a dargestellt, im zeitlichen Verlauf ansteigende Frequenzrampe für das FMCW-Signal erzeugt wird. Weiterhin ist eine Treiberstufe 5, 5' und eine Sendeantenne 6, 6' vorgesehen, über welche das erzeugte FMCW-Signal abgestrahlt werden kann. Der Frequenzbereich, in welchem ein derartiger FMCW-Transceiver 2, 2' üblicherweise betrieben wird, liegt beispielsweise zwischen 2 GHz und 80 GHz.Such an FMCW transceiver 2, 2', which can transmit or receive high-frequency, broadband FMCW signals, has a frequency ramp generation arrangement 4, 4', by means of which a frequency ramp, as described for example in the 2a As shown, a frequency ramp for the FMCW signal is generated that increases over time. Furthermore, a driver stage 5, 5' and a transmitting antenna 6, 6' are provided, via which the generated FMCW signal can be radiated. The frequency range in which such an FMCW transceiver 2, 2' is typically operated is, for example, between 2 GHz and 80 GHz.

Der FMCW-Transceiver 2, 2' sendet ein FMCW-Signal einer breitbandigen, beispielsweise linear ansteigenden ersten Frequenzrampe im Bandpassbereich, also ein auf eine Trägerfrequenz aufmoduliertes Signal, über die Sendeantenne 6, 6' aus, wobei eine Bandbreite dieses FMCW-Signals größer als 100 MHz gewählt wird. Alternativ kann eine derartige Frequenzrampe in der Frequenzrampenerzeugungsanordnung 4, 4' auch linear abfallend erzeugt werden oder eine Abfolge einer linear ansteigenden und nachfolgend einer linear abfallenden Rampe oder umgekehrt sein. Die genaue Form der Frequenzrampe ist durch die Erfindung nicht limitiert und kann von einem Fachmann entsprechend gewählt werden.The FMCW transceiver 2, 2' transmits an FMCW signal of a broadband, for example, linearly increasing first frequency ramp in the bandpass range, i.e., a signal modulated onto a carrier frequency, via the transmitting antenna 6, 6'. A bandwidth of this FMCW signal greater than 100 MHz is selected. Alternatively, such a frequency ramp can also be generated in the frequency ramp generation arrangement 4, 4' with a linearly decreasing frequency or can be a sequence of a linearly increasing ramp followed by a linearly decreasing ramp, or vice versa. The exact form of the frequency ramp is not limited by the invention and can be selected accordingly by a person skilled in the art.

Im Beispiel der 1 soll ein derartiges FMCW-Signal im FMCW-Transceiver 2' mittels der Frequenzrampenerzeugungsanordnung 4' und der Treiberstufe 5' erzeugt und über die Sendeantenne 6' abgestrahlt werden.In the example of 1 Such an FMCW signal is to be generated in the FMCW transceiver 2' by means of the frequency ramp generation arrangement 4' and the driver stage 5' and radiated via the transmitting antenna 6'.

Das derart erzeugte und über die Sendeantenne 6' abgestrahlte FMCW-Signal wird von einem baugleichen FMCW-Transceiver 2 mittels seiner Empfangsantenne 7 empfangen. Das empfangene FMCW-Signal gelangt von der Empfangsantenne 7 über eine Eingangsverstärkerstufe 8, in welcher eine Verstärkung des FMCW-Signals erfolgt, zu einer Mischstufe 9.The FMCW signal thus generated and radiated via the transmitting antenna 6' is received by an identically constructed FMCW transceiver 2 via its receiving antenna 7. The received FMCW signal passes from the receiving antenna 7 via an input amplifier stage 8, in which the FMCW signal is amplified, to a mixer stage 9.

Vorgesehen ist es, dass die FMCW-Transceiver 2 und 2' zeitlich zumindest grob miteinander synchronisiert sind, so dass in der Mischstufe 9 des FMCW-Transceiver 2 eine Mischung einer Frequenzrampe des FMCW-Empfangssignals mit einer Frequenzrampe eines lokal erzeugte FMCW-Signals erfolgen kann. Mittels der groben zeitlichen Synchronisation wird es sichergestellt, dass sich die erste FMCW-Frequenzrampe des FMCW-Empfangssignals und eine lokal erzeugte zweite FMCW-Frequenzrampe zumindest in einem großen zeitlichen Bereich überlagern, wie es beispielhaft in der 2a dargestellt ist. In der 2a ist in einer Darstellung einer Frequenz (Ordinate) über einer Zeitachse (Abszisse) mit einer schwarzen, durchgehenden Linie die erste gesendete FMCW-Frequenzrampe dargestellt, während die Punkt-Punkt-Linie die zweite lokal erzeugte FMCW-Frequenzrampe zeigt.It is intended that the FMCW transceivers 2 and 2' are at least roughly synchronized with each other in time, so that a mixing of a frequency ramp of the FMCW received signal with a frequency ramp of a locally generated FMCW signal can take place in the mixer stage 9 of the FMCW transceiver 2. By means of the coarse temporal synchronization, it is ensured that the first FMCW frequency ramp of the FMCW received signal and a locally generated second FMCW frequency ramp overlap at least in a large temporal range, as is exemplified in the 2a is shown. In the 2a In a representation of a frequency (ordinate) over a time axis (abscissa), a black, continuous line shows the first transmitted FMCW frequency ramp, while the dot-dot line shows the second locally generated FMCW frequency ramp.

Durch den Laufzeitunterschied der ersten und der zweiten Frequenzrampe ergibt sich am Ausgang der Mischstufe 9 ein Signal mit einer konstanten Frequenz, wie dies beispielsweise in N. Joram, B. Al-Qudsi, J. Wagner, A. Strobel and F. Ellinger, „Design of a multi-band FMCW radar module“ in 2013 10th Workshop on Positioning, Navigation and Communication (WPNC), Dresden, 2013, pp. 1-6 beschrieben ist.Due to the time difference between the first and the second frequency ramp, a signal with a constant frequency is produced at the output of the mixer stage 9, as is the case, for example, in N. Joram, B. Al-Qudsi, J. Wagner, A. Strobel and F. Ellinger, “Design of a multi-band FMCW radar module” in 2013 10th Workshop on Positioning, Navigation and Communication (WPNC), Dresden, 2013, pp. 1-6 described.

Dieses Ausgangssignal der Mischstufe 9 wird durch einen Basisbandverstärker 10 verarbeitet, so dass das Signal mit der konstanten Frequenz am Ausgang des Basisbandverstärkers 10 ausgegeben wird. Durch den Mischvorgang in der Mischstufe 9 wird ein breitbandiges Hochfrequenzsignal am Ausgang der Eingangsverstärkerstufe in ein schmalbandiges Basisbandsignal am Ausgang des Basisbandverstärkers 10 umgesetzt. Dieses Signal kann optional mittels eines Filters 11 in seiner Bandbreite begrenzt werden.This output signal from mixer stage 9 is processed by a baseband amplifier 10, so that the signal with the constant frequency is output at the output of baseband amplifier 10. The mixing process in mixer stage 9 converts a broadband high-frequency signal at the output of the input amplifier stage into a narrowband baseband signal at the output of baseband amplifier 10. This signal can optionally be limited in its bandwidth by means of a filter 11.

In einer Umgebung mit Mehrwegeausbreitung werden neben der ersten Frequenzrampe des direkten Signalwegs (LOS) auch Frequenzrampen von reflektierten Signalen empfangen, welche in ihren Amplituden kleiner sind und längere Laufzeiten aufweisen. Diese unerwünschten Signale überlagern sich im Zeitbereich mit dem Signal des direkten Signalwegs, wobei Schwebungen im Basisband und damit eine Hüllkurve entstehen, welche in ihrer Amplitude nicht konstant ist, also über die Zeit variiert, wie es in der 2b mit einem Verlauf der Amplitude (Ordinate) über einer Zeitachse (Abszisse) gezeigt ist. Hierbei entspricht jeder Zeitpunkt des Basisbandsignals einer anderen Frequenz im Bandpassbereich. Der Grund für die Variation der Amplitude der Hüllkurve über der Zeit liegt darin, dass es aufgrund von Mehrwegeausbreitungen zu Abschattungen und damit Signalauslöschungen kommen kann.In a multipath environment, in addition to the first frequency ramp of the direct signal path (LOS), frequency ramps of reflected signals are also received, which are smaller in amplitude and have longer propagation times. These unwanted signals overlap with the signal of the direct signal path in the time domain, creating beats in the baseband and thus an envelope whose amplitude is not constant, i.e., varies over time, as described in the 2b with a curve of the amplitude (ordinate) plotted against a time axis (abscissa). Here, each point in time of the baseband signal corresponds to a different frequency in the bandpass range. The reason for the variation in the amplitude of the envelope over time is that multipath propagation can lead to shadowing and thus signal cancellation.

Mit einem in der Anordnung zur Signalstärkebestimmung 1 angeordneten Hüllkurvendetektor 12 wird die Hüllkurve dieses Basisbandsignals extrahiert, wobei sich beispielsweise ein in der 2c dargestellter Verlauf der Amplitude (Ordinate) über der Zeit (Abszisse) am Ausgang des Hüllkurvendetektors 12 ergibt.The envelope of this baseband signal is extracted by an envelope detector 12 arranged in the arrangement for signal strength determination 1, for example a 2c shown course of the amplitude (ordinate) over time (abscissa) at the output of the envelope detector 12.

Diese Hüllkurvendetektion kann digital, durch die Verarbeitung von Abtastwerten, oder analog, beispielsweise mit einem Diodendetektor oder einem AGC-Verstärker (AGC; engl.: automatic gain control), an dessen Kontrolleingang direkt die Hüllkurve anliegt, erfolgen.This envelope detection can be carried out digitally, by processing sample values, or analogically, for example with a diode detector or an AGC amplifier (AGC; English: automatic gain control), to whose control input the envelope is directly applied.

Vorgesehen ist es, dass die Hüllkurve periodisch abgetastet wird, was mit den in der 2d gezeigten Punkten auf der extrahierten Hüllkurve dargestellt ist. Die 2c beschreibt den Verlauf der Amplitude (Ordinate) der extrahierten Hüllkurve in ihrem zeitlichen Verlauf (Abszisse). Der maximale zu ermittelnde Signalstärkewert ist mit dem Pfeil gezeigt. Zu festgelegten Zeitpunkten oder periodisch werden Werte der aktuellen Signalstärke also Signalstärkewerte mittels der Abtastanordnung 13 ermittelt.It is intended that the envelope is sampled periodically, which is consistent with the 2d shown points on the extracted envelope. The 2c Describes the amplitude (ordinate) of the extracted envelope curve over time (abscissa). The maximum signal strength value to be determined is indicated by the arrow. At specified times or periodically, values of the current signal strength, i.e., signal strength values, are determined using sampling arrangement 13.

Der erste derart abgetastete Signalstärkewert wird im Speicher 14 der Anordnung zur Signalstärkebestimmung 1 abgespeichert. Alle nachfolgend durch die Abtastanordnung 13 abgetastete Signalstärkewert werden in der Vergleichsanordnung 15 mit dem zuletzt im Speicher 14 gespeicherten Signalstärkewert verglichen. Für den Fall, dass bei einem Vergleich in der Vergleichsanordnung festgestellt wird, dass der aktuell von der Abtastanordnung 13 ausgegebene Signalstärkewert größer ist als der im Speicher 14 aktuell gespeicherte Signalstärkewert, so wird dieser größere Signalstärkewert im Speicher 14 abgespeichert. Der zuvor im Speicher 14 gespeicherte Signalstärkewert wird beispielsweise mit dem neuen Signalstärkewert überschrieben. In dieser Weise wird das Maximum der Signalstärkewerte über ein festgelegtes Zeitintervall ermittelt. Dieses Zeitintervall wird vorteilhaft derart gewählt, dass es der Zeitdauer der Überlagerung beider Frequenzrampen entspricht. Diese Operation der Bestimmung des maximalen Signalstärkewerts kann mit einem analog oder einem digital abgetasteten Signalstärkewert der Hüllkurve vorgenommen werden.The first signal strength value sampled in this way is stored in memory 14 of the signal strength determination device 1. All signal strength values subsequently sampled by the sampling device 13 are compared in the comparison device 15 with the signal strength value last stored in memory 14. If a comparison in the comparison device determines that the signal strength value currently output by the sampling device 13 is greater than the signal strength value currently stored in memory 14, this greater signal strength value is stored in memory 14. The signal strength value previously stored in memory 14 is, for example, overwritten with the new signal strength value. In this way, the maximum of the signal strength values is determined over a specified time interval. This time interval is advantageously selected such that it corresponds to the duration of the superposition of the two frequency ramps. This operation of determining the maximum signal strength value can be performed using an analog or digitally sampled signal strength value of the envelope.

Nach dem Ablauf des Zeitintervalls bzw. dem Ende der Rampe des FMCW-Signals wird der ermittelte maximale Signalstärkewert aus dem Speicher 14 ausgelesen und am Signalstärkewertausgang 16 ausgegeben.After the time interval has elapsed or the ramp of the FMCW signal has ended, the determined maximum signal strength value is read from the memory 14 and output at the signal strength value output 16.

Dieser maximale Signalstärkewert wird in der der Anordnung zur Signalstärkebestimmung 1 nachgeschalteten Abstandsbestimmungsanordnung 3 weiterverarbeitet.This maximum signal strength value is determined in the arrangement for signal strength determination 1 according to switched distance determination arrangement 3 is further processed.

Die Umsetzung des maximalen Signalstärkewerts in einen erfindungsgemäß zu bestimmenden Wert für einen Abstand zwischen den Geräten kann mittels bekannter Algorithmen erfolgen.The conversion of the maximum signal strength value into a value to be determined according to the invention for a distance between the devices can be carried out using known algorithms.

Ein erster Algorithmus, welcher zum Einsatz kommen kann, ist das sogenannte Pfadverlustmodell, welches beispielsweise in Atreyi Bose and Chuan Heng Foh, „A practical path loss model for indoor WiFi positioning enhancement,“ 2007 6th International Conference on Information, Communications & Signal Processing, Singapore, 2007, pp. 1-5 beschrieben ist. Bei diesem Pfadverlustmodell werden die Dämpfung eines Funksignals und damit die Signalstärke am Empfänger in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Sender und Empfänger in der Form einer Gleichung beschrieben.A first algorithm that can be used is the so-called path loss model, which is used, for example, in Atreyi Bose and Chuan Heng Foh, “A practical path loss model for indoor WiFi positioning enhancement,” 2007 6th International Conference on Information, Communications & Signal Processing, Singapore, 2007, pp. 1-5 In this path loss model, the attenuation of a radio signal and thus the signal strength at the receiver are described in the form of an equation as a function of the distance between transmitter and receiver.

Ein zweiter Algorithmus, welcher zum Einsatz kommen kann, ist das sogenannte Fingerprinting, welches in D. Wang, Y. Zhou, Y. Wei and T. Pei, „Distributed multi-object localisation by consensus on compressive sampling received signal strength fingerprints,“ in IET Communications, vol. 9, no. 14, pp. 1738-1745, 2015 beschrieben ist. Bei einem Fingerprinting erfolgt eine Aufzeichnung der Signalstärkewerte aller vorhandenen Sender, wobei deren Position fest und bekannt sind, beispielsweise in der Form eines Rasters an vielen verschiedenen Orten des Messszenarios sowie eine Speicherung der derart ermittelten Signalstärkewerte in einer Datenbank. Zur Abstandsmessung erfolgt später eine Zuordnung eines aktuellen Signalstärkewertes zu einer Position im Raum über die gespeicherten Werte in der Datenbank, den sogenannten Fingerabdrücken.A second algorithm that can be used is the so-called fingerprinting, which is used in D. Wang, Y. Zhou, Y. Wei and T. Pei, "Distributed multi-object localization by consensus on compressive sampling received signal strength fingerprints," in IET Communications, vol. 9, no. 14, pp. 1738-1745, 2015 Fingerprinting involves recording the signal strength values of all existing transmitters, whose positions are fixed and known, for example, in the form of a grid at many different locations in the measurement scenario, and storing the signal strength values thus determined in a database. For distance measurement, a current signal strength value is later assigned to a position in the room using the values stored in the database, the so-called fingerprints.

Zur Anwendung kommen kann auch ein Algorithmus wie ein Kalmanfilter oder ein Partikelfilter. Eine Beschreibung zu einem Verfahren mit einem Kalmanfilter findet sich in W. Li, D. Gong, M. Liu, J. Chen and D. Duan, „Adaptive robust Kalman filter for relative navigation using global position system,“ in IET Radar, Sonar & Navigation, vol. 7, no. 5, pp. 471-479, June 2013 . Eine Beschreibung zu einem Verfahren mit einem Partikelfilter wird in P. Yang and W. Wu, „Efficient Particle Filter Localization Algorithm in Dense Passive RFID Tag Environment,“ in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 10, pp. 5641-5651, Oct. 2014 gezeigt.An algorithm such as a Kalman filter or a particle filter can also be used. A description of a method using a Kalman filter can be found in W. Li, D. Gong, M. Liu, J. Chen and D. Duan, "Adaptive robust Kalman filter for relative navigation using global position system," in IET Radar, Sonar & Navigation, vol. 7, no. 5, pp. 471-479, June 2013 A description of a process using a particle filter is given in P. Yang and W. Wu, "Efficient Particle Filter Localization Algorithm in Dense Passive RFID Tag Environment," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 10, pp. 5641-5651, Oct. 2014 shown.

Bei derartigen Verfahren erfolgt eine Aufnahme sehr vieler Messwerte für die Signalstärke pro Abstand oder Position und eine Auswahl der Werte mit der geringsten Fehlerwahrscheinlichkeit. Beim Kalmanfilter erfolgt diese Auswahl auf Basis eines vorher erstellten Zustandsraummodells. Bei einem Partikelfilter basiert die Auswahl typischerweise auf Messwerten eines gleichzeitig verwendeten andersartigen Messsystems zur Bewegungsvorhersage, wie beispielsweise einem lnertialmesssystem (Trägheitsnavigationssystem).Such methods involve recording a large number of signal strength measurements per distance or position, and selecting the values with the lowest error probability. With a Kalman filter, this selection is based on a previously created state-space model. With a particle filter, the selection is typically based on measurements from a different measurement system used simultaneously for motion prediction, such as an inertial measurement system (inertial navigation system).

Nach der Verarbeitung des maximalen Signalstärkewerts durch die Abstandsbestimmungsanordnung 3, beispielsweise mittels eines der oben genannten Verfahren, wird an deren Abstandswertausgang 17 ein Wert für den durch die Anordnung zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem ermittelten Abstand ausgegeben.After the maximum signal strength value has been processed by the distance determination arrangement 3, for example by means of one of the methods mentioned above, a value for the distance determined by the arrangement for measuring the distance between devices in a radio system is output at its distance value output 17.

Die 3 zeigt ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung der erzielbaren Genauigkeiten bei einer Abstandsmessung nach dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Lösung zur Abstandsmessung zwischen zwei Geräten in einem Funksystem.The 3 shows a diagram comparing the achievable accuracies for a distance measurement according to the prior art and the inventive solution for distance measurement between two devices in a radio system.

Dargestellt ist jeweils die Genauigkeit der Abstandsmessung in Meter zu verschiedenen Messzeitpunkten bzw. Positionen eines FMCW-Gerätes 2. Hierbei ist die Genauigkeit der Messungen mit der erfindungsgemäßen Lösung mittels einer durchgehenden, schwarzen Linie dargestellt, während die Genauigkeit der Messungen nach dem Stand der Technik mit einer Strich-Strich-Linie gezeigt wird. Auf der Abszisse des Koordinatensystems ist ein Messindex mit dem Zahlen von 1 bis 15 dargestellt, welcher 15 verschiedene Messungen zu 15 verschiedenen Zeiten an unterschiedlichen Positionen des FMCW-Gerätes 2 innerhalb der Messumgebung darstellt. Auf der Ordinate ist die ermittelte Messabweichung in Metern dargestellt.The accuracy of the distance measurement in meters at different measurement times or positions of an FMCW device 2 is shown. The accuracy of the measurements using the inventive solution is represented by a solid black line, while the accuracy of the measurements according to the prior art is shown by a dashed line. A measurement index with numbers from 1 to 15 is shown on the abscissa of the coordinate system, representing 15 different measurements at 15 different times at different positions of the FMCW device 2 within the measurement environment. The determined measurement deviation in meters is shown on the ordinate.

Die Messung nach dem Stand der Technik entspricht einer üblichen Abstandsmessung zwischen zwei Funkknoten oder Geräten mittels einer Signalstärkemessung in einem schmalbandigen System.The state-of-the-art measurement corresponds to a conventional distance measurement between two radio nodes or devices using a signal strength measurement in a narrowband system.

Für die Messung wurde ein erster FMCW-Transceiver 2' als Sender an einem festen Standort installiert und ein zweiter FMCW-Transceiver 2 als eine Empfangsstation in einem Innenraum mit moderater Mehrwegeausbreitung langsam von einem FMCW-Sender 2' weg- und wieder zu ihm hinbewegt. In diesem Beispiel erfolgte die Messung in einem Büroraum mit einem angrenzenden Foyer.For the measurement, a first FMCW transceiver 2' was installed as a transmitter at a fixed location, and a second FMCW transceiver 2 was installed as a receiving station in an interior space with moderate multipath propagation. In this example, the measurement was performed in an office space with an adjacent foyer.

Das schmalbandige System aus dem Stand der Technik zeigt hierbei starke Schwankungen der Genauigkeit des gemessenen Abstandes für verschiedene Positionen der FMCW-Empfangsstation 2, welche in einer höheren Messabweichung resultieren, während das erfindungsgemäße System mit dem vorgestellten Verfahren deutlich stabilere Messwerte liefert.The narrowband system of the prior art shows strong fluctuations in the accuracy of the measured distance for different positions of the FMCW receiving station 2, which result in a higher measurement deviation, while the system according to the invention with the presented method provides significantly more stable measured values.

Die Wiederholgenauigkeit für dieses Messszenario liegt für das schmalbandige System bei 4,9 m und für die vorgestellte Anordnung bei 2,7 m und zeigt somit, dass mittels der vorgeschlagenen Erfindung eine genaue und robuste Abstandsmessung erreicht wird.The repeatability for this measurement scenario is 4.9 m for the narrowband system and 2.7 m for the presented arrangement, thus demonstrating that an accurate and robust distance measurement is achieved by means of the proposed invention.

Nachfolgend wird ein Anwendungsbeispiel für die vorliegende Erfindung beschrieben.An application example for the present invention is described below.

In einer Industriehalle sollen die Positionen von Elektrowerkzeugen, wie beispielsweise einem Akkuschrauber, bestimmt werden. Zu diesem Zweck werden an bekannten Positionen innerhalb der Industriehalle FMCW-Sendestationen 2' angebracht, welche ein erstes rampenförmiges FMCW-Signal erzeugen und abstrahlen. Jedes zu ortende Werkzeug bekommt einen FMCW-Empfänger 2 angeheftet. Somit entspricht die Anordnung der Darstellung in der 1. Alternativ kann jedem zu ortenden Werkzeug auch ein FMCW-Transceiver 2 angeheftet werden.In an industrial hall, the positions of power tools, such as a cordless screwdriver, are to be determined. For this purpose, FMCW transmitter stations 2' are installed at known positions within the industrial hall. These stations generate and transmit a first ramp-shaped FMCW signal. Each tool to be located is attached to an FMCW receiver 2. The arrangement thus corresponds to the illustration in the 1 Alternatively, an FMCW transceiver 2 can be attached to each tool to be located.

Aufgrund der Tatsache, dass derartige Werkzeuge typischerweise batteriebetrieben sind und eine eher geringe Größe haben, eignet sich die vorgestellte Anordnung zur Abstandsmessung mittels einer FMCW-Signalstärkebestimmung sehr gut, da keine komplexe Signalverarbeitung notwendig ist und die Empfangseinheit 2 damit klein und stromsparend ausgeführt werden kann.Due to the fact that such tools are typically battery-operated and have a rather small size, the presented arrangement is very well suited for distance measurement by means of FMCW signal strength determination, since no complex signal processing is necessary and the receiving unit 2 can thus be designed small and power-saving.

Über eine beliebige Kommunikationsschnittstelle, z.B. WLAN, werden Datenpakete zwischen Sende- und Empfangsstationen 2' und 2 ausgetauscht und damit die benötigte grobe Zeitsynchronisation hergestellt. So kann sichergestellt werden, dass in der FMCW-Empfangsstation 2 immer bekannt ist, wann eine Messung zur Abstandsmessung beginnt und welche FMCW-Sendestation 2' aktuell sendet.Data packets are exchanged between transmitting and receiving stations 2' and 2' via any communication interface, e.g., Wi-Fi, thus establishing the required rough time synchronization. This ensures that the FMCW receiving station 2 always knows when a distance measurement begins and which FMCW transmitting station 2' is currently transmitting.

Im Beispiel sollen 3 FMCW-Sendestationen 2' installiert sein, von denen jede nacheinander ein FMCW-Signal sendet. Diese FMCW-Signale werden von der FMCW-Empfangsstation 2 am Elektrowerkzeug empfangen und gemäß dem beschriebenem Verfahren in 3 Signalstärkewerte umgesetzt. Da die Positionen der FMCW-Sendestationen 2' bekannt sind, können beispielsweise über das Pfadverlustmodell aus den 3 Signalstärkewerten 3 Abstände errechnet werden.In the example, three FMCW transmitting stations 2' are installed, each transmitting an FMCW signal in sequence. These FMCW signals are received by the FMCW receiving station 2 on the power tool and converted into three signal strength values according to the described method. Since the positions of the FMCW transmitting stations 2' are known, three distances can be calculated from the three signal strength values, for example, using the path loss model.

Über ein Verfahren der Triangulation (geometrisch gesehen der Schnittpunkt von drei Kreisen mit Radien der bestimmten Abstände) können jetzt die 3 bestimmten Abstände in eine Koordinate und damit eine Position des zu ortenden Werkzeuges in der Industriehalle überführt werden. Die bestimmte Werkzeugposition kann nun über eine beliebige Kommunikationsschnittstelle, z.B. WLAN, vom Werkzeug an eine zentrale Infrastruktureinheit übertragen und dort ausgewertet werden.Using a triangulation method (geometrically speaking, the intersection of three circles with radii of the specified distances), the three determined distances can now be converted into a coordinate and thus a position of the tool to be located in the industrial hall. The determined tool position can then be transmitted from the tool to a central infrastructure unit via any communication interface, e.g., Wi-Fi, and evaluated there.

Zusammengefasst kann der Kern der vorliegenden Erfindung in einer Anordnung und einem Verfahren zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem gesehen werden, wobei eine Bestimmung einer Signalstärke unter Ausnutzung eines breitbandigen Hochfrequenzsignals von einem FMCW-Transceiver erfolgt und derart eine Immunität gegenüber Mehrwegeausbreitung und Störern im Funkkanal erreicht wird. Dabei werden die sich ändernden Eigenschaften des Funkkanals bei verschiedenen Frequenzen ausgenutzt und eine maximale Signalstärke bestimmt, welche dem direkten Signalpfad (LOS) zwischen Sende- und Empfangsstation und damit dem gewünschten kürzesten Abstand entspricht.In summary, the core of the present invention can be seen in an arrangement and a method for measuring distances between devices in a radio system, wherein a signal strength is determined using a broadband radio-frequency signal from an FMCW transceiver, thus achieving immunity to multipath propagation and interference in the radio channel. The changing properties of the radio channel at different frequencies are exploited, and a maximum signal strength is determined, which corresponds to the direct signal path (LOS) between the transmitting and receiving stations and thus the desired shortest distance.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere darin, dass das Verfahren zur Abstandsmessung die Vorteile des FMCW-Prinzips mit dem Signalstärkeprinzip zur Abstands- und Positionsbestimmung vereinigt. Somit wird eine höhere Genauigkeit und Robustheit in Umgebungen mit Mehrwegeausbreitung gegenüber einer herkömmlichen Signalstärkemessung erreicht, wobei die dafür benötigte Anordnung eine geringe Systemkomplexität aufweist.The advantages of the present invention lie in particular in the fact that the distance measurement method combines the advantages of the FMCW principle with the signal strength principle for distance and position determination. This achieves greater accuracy and robustness in multipath environments compared to conventional signal strength measurement, while the required setup exhibits low system complexity.

Im Gegensatz zu schmalbandigen Kommunikationssystemen wird der mit dem Verfahren ermittelte Signalstärkewert von schmalbandigen Störsignalen sehr wenig beeinflusst. Schmalbandige Störsignale werden in einem FMCW-System nach dem Mischen mit einer Rampe wieder zu einer Rampe, welche zum größten Teil durch den Filter im Basisband entfernt wird.In contrast to narrowband communication systems, the signal strength value determined using this method is very little affected by narrowband interference. In an FMCW system, narrowband interference signals are converted back into a ramp after being mixed with a ramp, which is largely removed by the baseband filter.

Die vorliegende Erfindung eignet sich für verschiedene Anwendungsfälle, wie beispielsweise Systeme mit sehr hoher Genauigkeit der Abstandsmessung und mit hohem Stromverbrauch. Alternativ kann der Einsatz der Erfindung in Systemen mit einer geringeren Genauigkeit bei der Abstandsmessung in stromsparenden Lösungen erfolgen.The present invention is suitable for various applications, such as systems with very high distance measurement accuracy and high power consumption. Alternatively, the invention can be used in systems with lower distance measurement accuracy in power-saving solutions.

Vorhandene Baugruppen eines FMCW-Transceivers können durch die Erfindung mit genutzt werden. Außerdem kann die erfindungsgemäße Signalverarbeitung für die Laufzeitmessung je nach Anforderung zu- oder abgeschaltet werden. Gleiches gilt auch für die Abstandsbestimmungseinheit. Existing components of an FMCW transceiver can be utilized with the invention. Furthermore, the signal processing for the time-of-flight measurement can be switched on or off as required. The same applies to the distance determination unit.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, alle bekannten gängigen Methoden zur Umsetzung des Signalstärkewertes in Abstände und Positionen in der Anordnung zu verwenden, wie beispielsweise ein Pfadverlustmodell, ein Fingerprinting, ein Kalmanfilter oder ein Partikelfilter.The present invention makes it possible to use all known common methods for converting the signal strength value into distances and positions in the arrangement, such as a path loss model, fingerprinting, a Kalman filter or a particle filter.

LISTE DER BEZUGSZEICHENLIST OF REFERENCE SYMBOLS

11
Anordnung zur SignalstärkebestimmungArrangement for determining signal strength
2, 2'2, 2'
FMCW-Gerät (Transceiver/Sender/Empfänger)FMCW device (transceiver/transmitter/receiver)
33
AbstandsbestimmungsanordnungDistance determination order
4, 4'4, 4'
FrequenzrampenerzeugungsanordnungFrequency ramp generation arrangement
5, 5'5.5'
TreiberstufeDriver stage
6, 6'6, 6'
Sendeantennetransmitting antenna
7, 7'7, 7'
EmpfangsantenneReceiving antenna
8, 8'8, 8'
EingangsverstärkerstufeInput amplifier stage
9, 9'9, 9'
MischstufeMixing stage
1010
BasisbandverstärkerBaseband amplifier
1111
Filterfilter
1212
HüllkurvendetektorEnvelope detector
1313
AbtastanordnungScanning arrangement
1414
Speichermemory
1515
VergleichsanordnungSettlement order
1616
SignalstärkewertausgangSignal strength value output
1717
AbstandswertausgangDistance value output

Claims (10)

Anordnung zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem, wobei als Geräte mindestens ein erstes empfängerseitiges FMCW-Gerät (2) und ein zweites senderseitiges FMCW-Gerät (2') im Funksystem angeordnet sind, wobei das erste empfängerseitige FMCW-Gerät (2) einen Ausgang zur Ausgabe eines Basisbandsignals aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus einem schmalbandigen Basisbandsignal eine Hüllkurve extrahierende, die extrahierte Hüllkurve zu bestimmten Zeitpunkten in ihrer Amplitude abtastende und bei jeder Abtastung je einen Signalstärkewert bestimmende, aus den in einem festgelegten Zeitintervall bestimmten Signalstärkewerten einen maximalen Signalstärkewert ermittelnde Anordnung zur Signalstärkebestimmung (1) angeordnet ist, welche mit dem Ausgang zur Ausgabe eines Basisbandsignals des ersten empfängerseitigen FMCW-Geräts (2) verbunden ist, dass die Anordnung zur Signalstärkebestimmung (1) einen Ausgang (16) zur Ausgabe des ermittelten maximalen Signalstärkewerts aufweist, dass dieser Ausgang mit einer nachfolgenden Abstandsbestimmungsanordnung (3) verbunden ist und dass die Abstandsbestimmungsanordnung (3) einen Ausgang (17) zur Ausgabe eines Wertes für die Abstandsmessung aufweist.Arrangement for distance measurement between devices in a radio system, wherein at least a first receiver-side FMCW device (2) and a second transmitter-side FMCW device (2') are arranged in the radio system as devices, wherein the first receiver-side FMCW device (2) has an output for outputting a baseband signal, characterized in that a signal strength determination arrangement (1) is arranged which extracts an envelope from a narrowband baseband signal, samples the extracted envelope at specific times in terms of its amplitude and determines a signal strength value for each sample, and determines a maximum signal strength value from the signal strength values determined in a specified time interval, which is connected to the output for outputting a baseband signal of the first receiver-side FMCW device (2), that the signal strength determination arrangement (1) has an output (16) for outputting the determined maximum signal strength value, that this output is connected to a subsequent distance determination arrangement (3), and that the distance determination arrangement (3) has an output (17) for outputting a value for the distance measurement. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Signalstärkebestimmung (1) einen Hüllkurvendetektor (12), eine Abtastanordnung (13) und eine Vergleichsanordnung (15) aufweist.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the arrangement for determining the signal strength (1) has an envelope detector (12), a scanning arrangement (13) and a comparison arrangement (15). Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Signalstärkebestimmung (1) einen Speicher (14) aufweist und dass der Speicher (14) mit der Vergleichsanordnung (15) und dem Ausgang (16) zur Ausgabe eines Signalstärkewerts verbunden ist.Arrangement according to Claim 1 or 2 , characterized in that the arrangement for determining the signal strength (1) has a memory (14) and that the memory (14) is connected to the comparison arrangement (15) and the output (16) for outputting a signal strength value. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste empfängerseitige FMCW-Gerät (2) und/oder das zweite senderseitige FMCW-Gerät (2') ein FMCW-Transceiver (2') ist.Arrangement according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the first receiver-side FMCW device (2) and/or the second transmitter-side FMCW device (2') is an FMCW transceiver (2'). Verfahren zur Abstandsmessung zwischen Geräten in einem Funksystem, wobei ein von einem zweiten senderseitigen FMCW-Gerät (2') erzeugtes breitbandiges Signal einer ersten FMCW-Frequenzrampe von einem ersten empfängerseitigen FMCW-Gerät (2) empfangen wird, wobei das empfangene breitbandige Signal der ersten FMCW-Frequenzrampe mittels einer im empfängerseitigen FMCW-Gerät (2) erzeugten zweiten FMCW-Frequenzrampe gemischt und ein schmalbandiges Basisbandsignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem schmalbandigen Basisbandsignal eine Hüllkurve extrahiert wird, dass die extrahierte Hüllkurve zu bestimmten Zeitpunkten in ihrer Amplitude abgetastet wird, wobei bei jeder Abtastung je ein Signalstärkewert bestimmt wird, dass aus den in einem festgelegten Zeitintervall derart bestimmten Signalstärkewerten ein maximaler Signalstärkewert ermittelt wird und dass mittels diesem maximalen Signalstärkewert unter Nutzung eines Algorithmus zur Umsetzung dieses Signalstärkewerts in einen Abstand ein Wert für die Abstandsmessung erzeugt und ausgegeben wird.Method for measuring the distance between devices in a radio system, wherein a broadband signal of a first FMCW frequency ramp generated by a second transmitter-side FMCW device (2') is received by a first receiver-side FMCW device (2), wherein the received broadband signal of the first FMCW frequency ramp is mixed by means of a second FMCW frequency ramp generated in the receiver-side FMCW device (2), and a narrowband baseband signal is generated, characterized in that an envelope is extracted from the narrowband baseband signal, that the amplitude of the extracted envelope is sampled at specific times, wherein a signal strength value is determined for each sample, that a maximum signal strength value is determined from the signal strength values thus determined in a defined time interval, and that a value for the distance measurement is generated and output by means of this maximum signal strength value using an algorithm for converting this signal strength value into a distance. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste FMCW-Frequenzrampe und die zweite FMCW-Frequenzrampe linear ansteigend oder linear absteigend oder in einer Abfolge einer linear ansteigenden und nachfolgend linear abfallenden Frequenzrampe oder umgekehrt erzeugt wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the first FMCW frequency ramp and the second FMCW frequency ramp are generated linearly increasing or linearly decreasing or in a sequence of a linearly increasing and subsequently linearly decreasing frequency ramp or vice versa. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das schmalbandige Basisbandsignal vor dem Extrahieren der Hüllkurve zur Begrenzung seiner Bandbreite gefiltert wird.Procedure according to Claim 5 or 6 , characterized in that the narrowband baseband signal is filtered to limit its bandwidth before extracting the envelope. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung in festgelegten voneinander gleich beabstandeten Zeitpunkten erfolgt.Method according to one of the Claims 5 until 7 , characterized in that the sampling takes place at fixed, equally spaced times. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das festgelegte Zeitintervall der Dauer einer FMCW-Frequenzrampe entspricht.Method according to one of the Claims 5 until 8 , characterized in that the specified time interval corresponds to the duration of an FMCW frequency ramp. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte maximale Signalstärkewert in einem Speicher (14) gespeichert wird.Method according to one of the Claims 5 until 9 , characterized in that the determined maximum signal strength value is stored in a memory (14).
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