生成用于距离测量的信号的方法以及用于发射机与接收机之间的距离测量的方法和系统 |
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| 申请号 | CN201180032128.0 | 申请日 | 2011-06-27 | 公开(公告)号 | CN103109203A | 公开(公告)日 | 2013-05-15 |
| 申请人 | 弗朗霍夫应用科学研究促进协会; | 发明人 | 赖纳·雷特科瓦斯基; 安德烈·艾德洛特; | ||||
| 摘要 | 为了生成用于发射机与接收机之间的距离测量的 信号 ，生成单个脉冲之间具有预定的分别不同的时间间隔的脉冲序列。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种生成用于发射机(22)与接收机(24)之间的距离测量的信号(115)的方法(100)，包括： |
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| 说明书全文 | 生成用于距离测量的信号的方法以及用于发射机与接收机之间的距离测量的方法和系统 技术领域[0001] 本发明的实施例涉及生成用于发射机与接收机之间的距离测量的信号的方法。本发明的进一步实施例涉及用于发射机与接收机之间的距离测量的思想。最后，本发明的进一步实施例涉及减少用于定位的超宽带系统中的反射带来的信号叠加的方法。 背景技术[0002] 技术文献提供对UWB(超宽带)脉冲进行时移以将信息编码到信号中的不同的方法。现有技术中已知的过程是PPM(脉冲位置调制)。因此，脉冲的重复率被实施为使得信道必须被下一个脉冲衰减以便在接收机中不发生之前的脉冲的反射与脉冲的叠加。在通信工程中，这称作码间干扰。 [0003] 但是，这个方法的基本问题是可能很难使用短脉冲的优点，因为信道中的脉冲响应的长度决定可以发射下一个脉冲的时间并由此确定最大脉冲率。 发明内容[0004] 由此，本发明的目的在于提供一种生成用于距离测量的信号的方法和/或用于发射机与接收机之间的定位或距离测量的思想，其允许发射大部分的所需的信息以及获得时间上尽可能短的脉冲序列，由此一方面简化技术实现，另一方面尽可能快地为其他发射机释放信道。 [0006] 本发明的实施例提供一种生成用于发射机与接收机之间的距离测量的信号的方法，包括： [0007] 生成脉冲序列，所述脉冲序列的单个脉冲之间具有预定的分别不同的时间间隔。 [0008] 本发明的核心想法是当在生成用于发射机与接收机之间的距离测量的信号的期间生成单个脉冲之间具有预定的分别不同的时间间隔的脉冲序列时，可以获得上述的技术实现的简化或信道的快速释放。因此，可以抑制接收机中的大部分的反射叠加，允许信号的序列长度的减小。 [0009] 在本发明的进一步实施例中，所述生成用于距离测量的所述信号的方法包括：提供具有分别不同的时间模式和/或不同的脉冲数量的多个生成的序列，其中时间模式指定如何设置所述单个脉冲之间的所述时间间隔，以及从所述多个生成的序列中选择序列。由此，可以生成所有可能的序列的集，最后从中可以选择适当的序列作为用于距离测量的信号。此处，例如可以根据发射机的周围条件执行选择所述序列。 [0010] 本发明的进一步实施例提供一种用于发射机与接收机之间的距离测量的方法，包括： [0011] 通过发射机发射本发明的信号； [0012] 通过接收机接收发射的信号；以及 [0013] 基于接收的信号和在所述接收机接收到的所述发射的信号的反射确定发射机与接收机之间的距离。 [0014] 在本发明的进一步实施例中，如果在预定的时间周期的期间，在所述接收机中没有检测到用于所述距离测量的有效信号，通过向发射机返回信号，所述发射机可被用于从所述多个生成的序列中选择具有不同的序列的信号并发射所述具有不同的序列的信号。由此，可以动态地执行选择序列，并且可以例如通过自适应系统使其适用于当前周围条件。 [0015] 本发明的进一步实施例提供一种用于发射机与接收机之间的距离测量的系统，包括： [0016] 发射机，被实施用于发射本发明的信号； [0017] 接收机，被实施用于接收发射的信号； [0019] 下面结合附图详细讨论本发明的实施例，其中相同的或等同的元件具有相同的附图标记，其中： [0020] 图1为本发明的脉冲的示例图； [0021] 图2为根据本发明实施例的用于发射机与接收机之间的距离测量的系统的示意图； [0022] 图3为用于定义反射的衰减时间的在接收机中检测到的脉冲及其反射的示例图； [0023] 图4为根据本发明实施例的生成用于距离测量的信号的方法的流程图； [0024] 图5为本发明的用于距离测量的信号的示例图； [0025] 图6为根据本发明实施例的用于发射机与接收机之间的距离测量的方法的流程图； [0026] 图7为用于说明反射叠加的接收的信号的示例图； [0027] 图8为对接收的信号加窗之后的接收的信号的示例图； [0028] 图9为根据本发明的进一步实施例的进一步包括提供多个生成的序列的生成用于距离测量的信号的方法的流程图； [0029] 图10为根据本发明的进一步实施例的用于具有返回信道的距离测量的系统的流程图；以及 [0030] 图11为具有与现有技术相比被减小的序列长度的本发明的信号的示例图。 具体实施方式[0031] 在关于附图详细讨论本发明之前，应注意的是，在下面的实施例中，相同的元件或功能等同的元件具有相同的附图标记。由此，具有相同的附图标记的元件的描述可在不同的实施例中相互地交换和/或应用。 [0032] 图1示出本发明的脉冲10的示例图。图1中示出的脉冲10可以是例如带宽受限的UWB脉冲。特别地，在实施例中，本发明的脉冲10可以是脉冲序列中的单个脉冲，其中序列可从发射机作为突发状信号发射。在图1中，时间标注在横轴11上，信号或脉冲的幅度标注在纵轴12上。如图1所示，通过从脉冲的开始15至点17的时间定义长度t脉冲，它的包络18在点17已经衰减到预定幅度A最小。进一步地，信号的最大幅度 与A最小之间的差值19可以被称作动态。如下面将详细描述的，在本发明的脉冲序列中，脉冲10的持续时间t脉冲基本与序列的单个脉冲之间的最小延时t最小延时相对应。 [0033] 图2示出根据本发明的实施例的用于发射机22与接收机24之间的距离测量的系统20的示意图。如图2中示例性地示出，除了发射机22与接收机24之外，系统20包括多个反射点26(RP1、RP2……RPN)。此处，产生于发射机22的信号或者以畅通无阻的方式从发射机22发射到接收机24(信号S0)，或者在分别的反射点26(RP1、RP2……RPN)反射，以便反射的信号或反射R1、R2……RN到达接收机24。特别地，反射点26可以是产生于发射机22的信号被分别地反射的发射机22的环境中的反射平面的那些部分。此处，发射机22的环境的特征是反射点或反射平面与发射机22的不同空间间隔(如图2中通过箭头27、28、29所示例性地指示的)具有不同的长度。 [0034] 图3示出用于定义反射的衰减时间的接收机24中的脉冲及其反射30的示例图。如果假设根据图2的具有发射机22、接收机24以及1至N反射点26的场景，在接收机24的反射的衰减时间将由脉冲S0的第一到达时间t0与时间tn之间的时间差tA导致，反射R1、R2……RN在时间tn已经衰减到A最小，如通过过程35所示例性地示出。根据目前为止的现有技术，在发射下一个脉冲之前，这个周期(tA)保持空闲。 [0035] 图4示出根据本发明实施例的生成用于发射机22与接收机24之间的距离测量的信号115的方法100的流程图。如图4所示，方法100包括生成脉冲序列115(步骤110)，序列的单个脉冲101、102、103、104之间具有预定的分别不同的时间间隔111、112、113。 [0036] 图5示出图4中示出的本发明的信号115的放大示例图。此处，序列115的单个脉冲101、102、103、104各自被称作“第一脉冲”、“第二脉冲”、“第三脉冲”和“第四脉冲”，不同的时间间隔111、112、113各自被称作“t延时1”、“t延时2”和“t延时3”。特别地，在本发明的实施例中，生成的序列115可以是等脉冲序列。这意味着，每个脉冲101、102、103、104具有基本相同的过程或相同的脉冲周期和动态。进一步地，在本发明的进一步实施例中，序列115的每个脉冲101、102、103、104可基本与图1中示出的脉冲10相对应，由此可以为例如带宽受限的UWB脉冲。如图5中可见，单个脉冲101、102、103、104之间的时间间隔111、112、113是各自不同的。特别地，间隔112比间隔111大，间隔113比间隔111和112小。所有时间间隔111、112、113的整体定义序列115的时间模式114。 [0037] 图6示出根据本发明实施例的用于发射机与接收机之间的距离测量的方法600的流程图。特别地，方法600包括例如以下的步骤。首先，通过发射机发射本发明的信号，例如用于距离测量的信号115(步骤610)。然后，通过接收机接收发射的信号及其反射605(步骤620)。最后，基于接收的信号及其反射605确定发射机与接收机之间的距离635(步骤630)。 [0038] 参考图5，本文描述的信号由引起之前定义的不同间隔111、112、113(t延时1至t延时N)中的发射序列Seq发射机的脉冲101、102、103、104组成。在图5中，这种序列被示例性地示为具有四个脉冲。此处，特别地，所有的脉冲间隔是不同的以便产生于被发射机辐射的主体的反射(图2中具有发射机和接收机的场景)与初始序列的脉冲形成仅仅很小的叠加或不形成叠加。 [0039] 图7示出用于说明反射叠加的接收的信号700的示例图。特别地，为了说明的目的，图7示出图5的序列与图3的反射的叠加。如图7所示，接收的信号700包括具有时间模式114的脉冲101、102、103、104。进一步地，在接收的信号700中，可以检测到分配给这些脉冲101、102、103、104的反射。在实施例中，第一脉冲101、第二脉冲102、第三脉冲103和第四脉冲104各自包括分配的第一反射701-1、702-1、703-1、第二反射701-2、702-2、 703-2、第三反射701-3、702-3、703-3和第四反射701-4、702-4、703-4。此处，第二脉冲102的第二反射702-2与第三脉冲103或第三脉冲的第一反射703-1以及第二脉冲102的第三反射702-3与第四脉冲104部分地叠加。 [0040] 在本发明的进一步实施例中，接收机知道通过发射机发射的信号，例如图5的信号115。特别地，确定距离(步骤630)包括将从接收的信号700得到的信号800与发射的信号115相比较，以及如果从接收的信号得到的信号800与发射的信号115相对应，基于从接收的信号得到的信号800与发射的信号115之间的时间差确定发射机与接收机之间的距离635。 [0041] 如图8所示，在本发明的进一步实施例中，可通过根据指定单个脉冲101、102、103、104之间的时间间隔111、112、113的发射的信号115的时间模式114对接收的信号700加窗来获得得到的信号800。 [0042] 图8示出对接收的信号700加窗之后获得的信号800的示例图。特别地，图8示出第一窗口810、第二窗口820、第三窗口830和第四窗口840，其中窗口810、820、830、840各自包括时间模式114中的时间间隔111、112、113。进一步地，图8示出在第三窗口830或第四窗口840中部分重叠的脉冲803和804。 [0043] 最后，在进一步的实施例中，可以通过相关的方式执行从接收的信号(700)得到的信号(800)与发射的信号(115)的比较。 [0044] 换句话说，接收机知道发射序列并通过仅仅检查时间间隔t延时中存在发射序列脉冲的那些间隔而查找发射序列。通过这个接收机中的加窗，部分的反射被衰减。产生由部分叠加的发射脉冲组成的接收序列Seq接收机，如图8中示例性地所示。 [0045] 现在，通过适当的方法例如相关来搜寻序列Seq接收机与发射序列Seq发射机的对应性来评价序列Seq接收机。因此，用于生成序列的时间间隔被移位，例如直至接收机中的评价导致与发射序列的大量的对应。因此，窗口可被以不同的重要性加权。例如，在信号800中，窗口810和820比窗口830和840被以更高的重要性加权。 [0046] 如果检测到Seq接收机与Seq发射机之间的对应性，最后，可从信号的运行时间计算发射机与接收机之间的距离。 [0047] 图9示出根据本发明的进一步实施例的包括提供910多个生成的序列915的生成用于距离测量的信号115的方法900的流程图。如图9所示，在方法900中，首先，提供具有分别不同的时间模式和/或不同的脉冲数量的多个生成的序列915(步骤910)。此处，时间模式例如图5中示出的时间模式114指定如何设置单个脉冲101、102、103、104之间的时间间隔111、112、113。在图9中，通过{Seq1，Seq2，…SeqM}表示多个生成的序列915，其中{}表示集，M表示生成的序列的数量。然后，从多个生成的序列915中选择序列(例如，Seq1)(步骤920)。最后，这产生用于距离测量的信号115。 [0048] 在本发明的进一步实施例中，可以根据发射机的周围条件执行序列的选择920。特别地，可以通过发射机与反射平面的空间距离给定周围条件(参见图2)。 [0049] 在本发明的进一步实施例中，方法100、900进一步包括将脉冲序列附加到生成的序列用于发射有效载荷数据。此处，可以根据通信工程的普通原理编码有效载荷数据。 [0050] 图10示出根据本发明的进一步实施例的用于发射机与接收机之间的具有返回信道的距离测量的系统1000的流程图。系统1000包括发射机1010、接收机1020和信号处理装置1030。此处，图10的发射机1010基本与图2的发射机22相对应，图10的接收机1020基本与图2的接收机24相对应。发射机1010被实施用于发射本发明的信号115。进一步地，接收机1020被实施用于接收发射的信号。最后，信号处理装置1030被实施用于基于接收的信号和发射的信号的反射确定发射机1010与接收机1020之间的距离。如图10所示，发射机1010可选择访问多个序列915或序列集{Seq1，Seq2，…SeqM}。 [0051] 参考图10，图9中示出的方法900包括例如以下的步骤。如果在预定的时间周期的期间，在接收机1020中没有检测到用于距离测量的有效信号，可以向发射机1010返回信号1011。此处，返回的信号1011可以包括关于没有检测到用于距离测量的有效信号的信息以及发射的信号115的标识。通过返回的信号1011，发射机1010可被用于从多个生成的序列915中选择具有不同的序列(例如，Seq2)的信号1015并发射信号1015。在本发明的实施例中，与接收机1020相连(双箭头1025)的信号处理装置1030检查在接收机1020中是否存在用于距离测量的有效信号。这在块1030中通过“接收机中的有效信号？”表示。最后，信号处理装置1030可被实施用于基于有效信号(例如具有其他序列(例如，Seq2)的信号1015)确定发射机1010与接收机1020之间的距离635。 [0052] 在本发明的进一步实施例中，信号1015的其他序列包括关于接收到的反射叠加的适当的时间模式和/或适当的脉冲数量。此处，适当的序列特征可以是使得反射叠加在接收的信号的尽可能小的窗口中发生，如图7中示例性地示出。如上所述，最后可从时间差中确定距离635。 [0053] 图11示出具有与现有技术相比被减小的序列长度的本发明的信号1100的示例图。图11中的信号1100基本与图5的信号115相对应，但是其中信号1100、115包括不同数量的脉冲。特别地，例如信号1100由10个脉冲组成，而信号115仅由例如4个脉冲组成。在图11中，序列1100的脉冲1105被示为阴影部分，各自通过“1.P.”至“10.P.”表示。在实施例中，这些脉冲1105的每个具有相同的脉冲长度τP，脉冲长度τP基本与图1中示出的脉冲10的长度t脉冲或t最小延时相对应。进一步地，序列1100的单个脉冲之间的时间间隔的每个增加脉冲长度τP(从1τP至9τP)。由此，在图11的实施例中，生成τ(Seq)＝55*τP的序列1100的整体长度。这将例如τP＝2.5ns的最小脉冲长度与τ(Seq)＝137.5ns的序列长度1100相对应。 [0054] 下面参考图11的实施例说明本系统的优点。当实现本系统时，发射机的突发状信号或序列由彼此具有时间间隔t延时的带宽受限脉冲组成，其中t延时至少与带宽受限信号的时间周期t脉冲(参见图1)一样大。 [0055] 序列的单个脉冲之间的距离尽可能地小是重要的，因为随着行程的增加，信号处理装置中所需的延时元件的热不稳定性变强。如果试图将接收机中的分别的信号相关，结果将被发射机的温度极大地影响。进一步地，必须说明的是，具有长运行时间的延时元件很难在UWB所需的带宽实现，并将导致微型发射机的空间扩展不再是可接受的。 [0056] 进一步地，信道的快速释放是重要的，因为在定位技术中，经常需要很多不同的发射机来监控大量的人或货物。此处，可被允许的系统的发射机的数量从下面的关系式中得出： [0057] 发射机的数量＝1/(序列长度[s]*每个发射机每秒发射的序列的数量[1/s])。 [0058] 此处，序列长度包括信道的衰减时间或预先估计的信道的脉冲响应。 [0059] 如果在实施例中，产生长度小于100ps的方波脉冲并随后被带通滤波以满足带宽规定，产生在大约2.5ns后已经典型地衰减的波形。在图1中这与例如脉冲10的衰减时间tpulse＝2.5ns相对应。 [0060] 在信道的衰减时间之后才可以发射下一个脉冲的系统中，此时将跟随大约60ns的中断。此处，信道的衰减时间例如与图3中的信号30的时间差tA＝60ns相对应。由此，序列将从60ns的间隔的脉冲序列中产生。如果序列由例如仅仅10个脉冲组成，为了能够区分足够数量的发射机，产生600ns的序列长度。因此，需要调控机制来补偿脉冲间隔的热变化。 [0061] 与此相反，在本文描述的系统(图11)中，如上所述的具有光栅t脉冲(或τP)中的不同间隔和t脉冲的脉冲间隔t最小延时的10个脉冲的序列仅仅需要55*t脉冲＝137.5ns。当最长的间隔比信道的衰减时间长时，获得间隔的有用的上限。由此，根据上述关系，通过例如10个脉冲，除了更短及因此更热稳定的时间元件的优点之外，至少使得系统的可被允许的发射机的数量增大四倍。 [0062] 本发明的优点还在于在用于具有长度t脉冲＝2.5ns的时间间隔的实施例中的光栅中，在大约30cm/1ns的电磁波的运动速度的期间，仍然可以在接收机中分辨并评价在与发射机的距离为m*75cm(其中m＝[1，2，3…n])处的反射平面。 [0063] 尽管在装置的情况下描述了一些方面，明显地，这些方面也表示各自的方法的描述，从而装置的块或设备也可被认为是各自的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的情况中描述的或作为方法步骤的方面也表示各自的装置的各个块或细节或特征的描述。 [0064] 根据特定实施需求，本发明的实施例可以在硬件或软件中实施。可以通过使用数字存储介质，例如软盘、DVD、蓝光光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存、硬盘驱动或者其上存储有可与可编程计算机系统协作或者彼此协作从而执行各个方法的电可读控制信号的任何其他磁性或光学存储器。 [0065] 一般地，本发明的方法可被实施为具有程序代码的计算机程序产品，其中当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码用于执行方法中的一个。程序代码也可以例如存储在机器可读载体上。 [0066] 其他实施例包括用于执行本文描述的方法的一个的计算机程序，其中计算机程序存储在机器可读载体上。 [0067] 换句话说，本发明的方法的实施例是具有程序代码的计算机程序，当计算机程序在计算机上运行时，程序代码用于执行方法中的一个。本发明的方法的另一个实施例是其上存储有用于执行本文的方法中的一个的计算机程序的数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)。 [0068] 由此，本发明的方法的另一个实施例是表示用于执行本文描述的方法的一个的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可被配置以便通过数据通信连接传输，例如通过互联网传输。 [0069] 进一步的实施例包括处理装置，例如计算机或被配置为用于或者适用于操作本文描述的方法的一个的可编程逻辑装置。 [0070] 进一步的实施例包括在其上安装用于执行本文描述的方法的一个的计算机程序的计算机。 [0071] 在一些实施例中，可编程逻辑装置(例如现场可编程门阵列，FPGA)可用于执行本文描述的方法的一些或所有功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可与微处理器合作以执行本文描述的方法的一个。一般地，在一些实施例中，方法可通过任何硬件装置执行。硬件装置可以是通常可用的硬件例如计算机处理器(CPU)，或者方法特定的硬件例如ASIC。 [0072] 上面描述的实施例仅仅表示本发明的原理的说明。本文描述的细节和布置的修改和变化对于本领域的其他技术人员是明显的。因此，本发明仅由所附的权利要求的范围限制，而不被基于实施例的描述和讨论示出的特定细节限制。 [0073] 总之，本发明的实施例提供可以减小用于定位的UWB系统中的反射带来的信号叠加的思想。由此，可以避免由于信号在多个平面被反射且反射与初始信号叠加而导致的定位技术中的发射信号对接收机单元变得无用的缺点。为此，本文描述的技术采用彼此具有不同的时间间隔的超宽带脉冲以保持信号序列中包含的反射的损失比例尽可能的小，以便在接收机中的解码仍是可行的。 [0074] 在此，根据周围条件，可以有利地优化系统。为此，可以选择变化系统中的脉冲的间隔或者改变序列中的脉冲数量。脉冲间隔的改变可以动态地执行且可适用于当前周围条件，例如通过自适应系统。为此，如上所述，需要从接收机到发射机的返回信道。由于生成关于长度和脉冲间隔的很多不同序列的选择，可以使用大量的不同的发射机。最后，可以将用于发射有效载荷数据的脉冲序列附加到发射机的序列，其中可以根据通信工程的传统原理编码用于发射有效载荷数据的脉冲序列。 |
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