专利名称：产生振荡器信号的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的装置和根据权利要求15的前序部分的方法。
在高频技术领域内，有利而广泛地不直接分析高频微波信号，而是对比较信号或者基准信号的关系进行分析。这涉及某些数据传输系统，其中，在下文称为基站的发射机发射基本信号，而这种基本信号在接收站中与接收机中发生的比较信号进行比较或者进一步处理。常常使用混频器或者解调器，利用它们把接收到的信号通过比较信号向下变频成为大部分较低的频带。因为高频的基本信号一般只是起载波的作用，在其上加以低频调制或者说加以信息，所以可例如通过所述的变频来压低载波，从而较简单地检出调制中所含的信息。
在所谓的转发器系统、收发机系统、背散射系统或者还有雷达系统中，由基站向转发器或者反射体发射基本信号，所述的基本信号在此情况下也称为状态查询信号，并且，有时加以改变地，从转发器或者反射体作为应答信号返回向基站传输，并且在基站处再加以接收。这时在基站进行的分析大多数把所发射出的基本信号本身用作比较信号，用来分析应答信号，用以如此地检出例如在转发器中加载的信息或者传感器信号，例如检出信号的传输时间，从而得出传输路径的长度。
通常在这样的系统中，还在转发器中把接收的基本信号用比较信号加以处理，然后再发射回应答信号，或者在某些情况下把比较信号也加载特征性的信号，发射回基站。这种具有本身的发射回应答的源的转发器，在下文中称为主动转发器或者说主动背散射器，相反没有本身源的系统，也就是只在某些情况下修改或者放大基本信号，然后发射回去的系统，称为被动的系统。
在所有的情况下，如果比较信号相对基本信号或者其载波在频率和相位方面具有准确的关系都是有利的。这种频率和相位关系越是准确，就可以越是简单地和/或者越是抗干扰地检出基本信号或者应答信号中所含的信息。如果基本信号由基站发射出并且在空间上相距遥远的接收站用所述的技术和方式接收然后进一步处理，就不能毫无困难地给出这种所希望的频率和相位关系，因为两个信号，也就是基站中发生的基本信号和接收站中发生的比较信号是由不同的源发出的。
由于所述的原因，把比较信号以某种方式与基本信号耦合受到的普遍的关注。为此流行有各种方法和装置。可以实现简单的频率基准，其中在发射机和接收机中使用高度频率稳定性的振荡器。然而由于例如温度漂移或者老化漂移，总是要出现未知的剩余频率偏移。因此两个源的相位不可能处于固定的关系。昂贵的设备具有适用于确定剩余频率偏移和/或剩余相位偏移的装置。根据确定的偏移大小就可以控制或者调节基本信号源或者比较信号源了。为此，采用不同的频率和相位回路。同样地可以由静态信号附加地构成询问信号或者询问信号量，导致进一步的信号处理。在通信技术领域中通常使用各种各样的方法进行载波恢复。同样地现有技术中振荡器的同步借助于所谓的“注入锁定”，例如参见M.Wollizer，J.Buechler和E.Bibbl的“SupramonicLocking Slot Osicillators”，Electronics Letters，1993，Vol.29，No.22第1958页至1959页。在此多数把要控制的振荡器锁定到强大的、稳定的振荡器上。所述连接通常在CW运转(连续波运转)中进行，其中还可以利用高次谐波振荡模式。如果接收站不只是作为纯接收机工作，而是作为转发器、收发机或者就作为主动背散射器把状态查询信号，有时以设有附加信号的方式，发射回去作为应答信号，一般地会使基于状态查询信号的基准源的调节易于受到干扰，或者复杂化。在此情况下通过所谓的复用法去达到不把总是在幅度上显著地高于状态查询信号的应答信号过度耦合到接收支路上和/或调节回路上。普遍地例如是时分复用法、频分复用法或者极化复用法。在时分复用中，对于状态查询信号首先用时间偏移进行应答。时间偏移越大和/或微波频率越高，保持基站的源与转发器的源之间相位相干就越复杂。即使源的极小的相对频率偏移，在很高频率的信号下也在相对地较短的时间内导致源的不确定的相位关系，而由于漂移效应、相位噪音及调节精度的原因不可避免地会有频率偏移。在频分复用的情况下在转发器中把状态查询信号转换成另外的频率，然后再向回发射。为此需要分频器、倍频器或者附加的信号源及混频器，并且有时还需要确定在相应频率上的多个天线。倍频及分频的原理在实践中往往在技术上行不通，因为空闲频带中频率通常没有处于可以整除的数。
如果要按照多普勒雷达或者调频雷达的原理测定基站与转发器之间的距离或者距离的变化，对于发射的状态查询信号与发射回的应答信号之间的相位关系还有很高的要求。在此情况下由转发器发射回的应答信号的相位必须准确地与转发器中接收的信号相位相对应，在有的情况下可有恒定的偏差，从而使由基站发射出的状态查询信号和在转发器发射回后基站接收到的应答信号的具有与基站和转发器之间的距离成比例的相位差，此外，此相位差不在时间上改变。
因为这两个高频源的相位相干性在实践中实现的难度很大，所以当前多使用没有自身信号源被动背散射器-转发器，所述被动背散射器-转发器只是反射状态查询信号，尽管有时加以放大。这样的系统例如说明在Klaus Finkenzeller所著的“RFID-Handbuch”2.Auflage，Carl Hanser Verlag，Muenchen，1999中。这种被动背散射系统的缺点是发射的信号必须把从基台到转发器的路径用为状态查询信号发出和应答信号的返回的路径，并且从而降低了正比于距离4次幂的整个传输路段的信号噪音比。由于随着频率急剧止升的自由埸衰减作用，特别是在吉兆赫兹的甚高频中很少实现有满意的信号噪音比的被动背散射器-转发器。因此这是特别令人不满意的，因为在原理上吉兆赫兹系统由于高的可利用带宽不论对于测距还是对于高速数据传输本来都应当有很高使用优势。
此外还有一些系统并且不是简单地反射并且有时还放大基本信号，而是基于基本信号例如通过主动振荡器主动地构成应答信号。对于主动结构，从基本信号中抽出相关参数，并且基于抽出的参数自主地产生振荡信号。因为与所希望的参数相符合，它代表基本信号的重建。除了单纯的重建之外，所述的振荡器信号上还可以加以其它的信号成分，例如用于传输附加的信息。
如果在转发器中以这样的方式用主动振荡器作为基于接收的信号的自身的源产生新的信号，那么一个源的信号就分别只走行一次从基站到转发器的路程。在这种情况下，信号噪音比就仅与距离的二次幂成反比。此外，在传输路径上的其余衰减和损耗仅对信号起一次作用而不是第二次作用。因此，特别是在较大的距离和/或较高的频率下，信号噪音比高于被动的背散射系统较大的数量级，在被动的背散射系统中信号必须往返地克服从基站到转发器的路径。
在德国专利申请19946168.6中说明了一种转发器-背散射器用自身的源工作的较复杂的转发器系统。所述系统用时分复用工作并且通过适当地选择调制和控制避开了一些所述的缺点。然而，它相对地成本较高。类似地是在GPS(全球定位系统)中采用的方法。其它的系统例如说明于US5,453,748中或者C.Luxey，J.-M.Laheurte的“ARetrodirective Transponder with Polarization Duplexing for Dedicatedshort-range Communications”，IEEE Transactions on MicrowavesTheory and Technics，Vol.47，No.9，1910至1915页，或者M.M Kaleja等人的“Imaging RFID System at 24 Gigahertz for ObjectLocalization，1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium，Anna Hein，USA，Vol.4，1497至1500页。
本发明的任务是，指出一种特别简单的方法，用所述方法可以把高频范围中的信号源以准相位相干方式接入到比较信号中。在此，准相位相干指的是在基本信号与所产生的比较信号之间的相位差小，小的概念是相对所考虑的通信或者测量任务而言的。相位偏差小的界限例如常常用π/10，也就是约20度。这种只有小的相位偏移的信号在下文中称为准相位相干，并且把这种相干中出现的时间间隔称为相干时长。
所述的任务通过具有权利要求1的特征的装置并且通过具有权利要求15的特征的方法解决。
这里重要的是，不仅主动振荡器的振荡与基本信号准相位相干，而且激励主动振荡器就已经发生了准相位相干。在根据现有技术的装置和方法中主动振荡器的激励是通过热噪音达到的，并且其振荡在较晚的时间才通过复杂的控制过程和锁相进行准相位相干，而在本申请的情况下，振荡器通过基本信号就已经准相位相干地激励，也就是说它已经准相位相干地振荡了，并且因此似乎自动地产生相位相干性。从而可以准相位相干地发起振荡器的振荡，或者说准相位相干地发起振荡器的振荡。
本发明的基本构思在于，振荡器在基本状态下处于不稳定的平衡中，并且在振荡器接通时形成的外部能量输入受到激励时才能起振。只有这种初始的冲击后才能激发维持振荡的反馈。例如普遍地地把热噪音用于起振。这就是说，振荡器用随机的相位和幅度起振并且从而按其由其谐振电路确定的频率进行振荡。如果在振荡器中在接通时注入其频率在谐振电路的频带内并且其额定功率在噪音功率之上的外部激励信号，那么振荡器就不再随机地振荡，而是与激励的基本信号在相位上同步了。视的基本信号与振荡器信号之间的频率差的不同而不同，并且取决于两个振荡器的相位噪音，这种准相位相干至少持续一定的时长。
本发明与公知的被动装置和方法的区别在于采用了主动振荡器。从而，不是简单地反射基本信号，而是用自身的准相干源近于无噪音地主动地构成振荡器信号，然后再向回发射。根据本发明的系统在此具有在其它方面类似的功能的同时比根据现有技术的被动系统大得多的作用半径。
主动振荡器的振荡器信号可以起应答信号或者比较信号的作用，视其是单向还是双向的信号传输而定。
此外用根据本发明的装置可以省去恢复载波时用的控制电路。转发器装置中的特别优点在于，根本不需要时分复用、频分复用或者极化复用，因为基本信号与振荡信号本身互不影响，或者只在起振过程中以所要求的技术方式进行影响，而在此后相互独立地准相位相干。
如果所述的装置有开关装置用于切换主动振荡器的准相位相干激励是有利的。所述开关装置的作用是，把主动振荡器投入到所述主动振荡器可以从中通过基本信号激励对基本信号准相位相干地起振的状态。
切换激励时不一定把振荡器完全地接入或者断开。如果假定主动振荡器可以用不同的模式振荡，可以在第一个模式继续振荡时接入第二模式。即使只有一个模式也不必完全地关闭振荡，而是一般地用一定的衰减就足以让基本信号激励下一个准相位相干。
如果在相干时长后重新接入主动振荡器的激励，就在较长的时间中持续准相位相干。
如果扩展中重复主动振荡器的准相位相干激励，那么准相位相干也持续较长的时间。这可以通过把所述的开关装置设计成用预定的序列切换主动振荡器达到。所述序列可以是本身就是信息载波的复杂序列，也可以是节拍频率形式的周期性重复。
优选地相继的激励切换之间的时间大约相应于相干时长。还可以有较快速的切换，而不失掉基本信号和振荡器信号之间的准相干性。在另一方面，如果只在一定的时间段上需要准相位相干，二个相继的激励切换之间的时间还可以选择得长于相干时长。在时钟形式的周期序列中所述的周期相应地与相干时长匹配。
如果重复主动振荡器的切换并且重复地把主动振荡器对基本信号准相位相干地起振，那么由主动振荡器产生的振荡器信号就可以看成基本信号的扫描复制。遵照扫描原理信号完全地由其扫描值表述。有意义的是主动振荡器中断的时间长度不明显地长于接入时间长度，也就是不明显地长于相干时长。因此，由于相干条件，固有地遵守扫描原理。按照扫描原理两个扫描之间的相位差必须小于180度。这个条件没有准相干的条件严格。结果从信息技术的角度上看，尽管有切换过程，切换的振荡器的信号也可以看成为比较信号的表示，或者说承载其全部信息。
主动振荡器的激励可以相对简单地切换，其中振荡器自动地切换。相应地所述装置可以具有接入和中断主动振荡器的装置。那些起给出振荡器振荡条件及不再给出振荡器振荡条件作用的装置都适用于切换振荡器。例如可以在振荡电路中中止放大，改变衰减或者运行时间(相位)或者断开反馈支路。
除了其基本模式之外，主动振荡器还可以准相位相干地激励在其高次谐波振荡模式上。在此可以用基本模式或者基本信号的高次谐波模式起激励作用。
如果所述装置用于ID标签的标识或者用于通信，可以例如通过切换振荡器激励的序列进行编码，特别是其中开关装置具有相应于所希望的编码的节拍频率。变通地，所述装置具有附加的调制单元，利用所述调制单元把准相位相干信号调制后再发射回去。
如前所述，相干时长取决于基本信号与振荡器信号之间的频率差。频率符合得越准确，信号相位接近相同的时间就越长。为了能够扩大相干时长，并且还由此能够降低开关装置的节拍频率，设置适用于把振荡器频率与基本信号频率适配的装置可能是有利的。
选择主动振荡器时要注意起振时间应当小于相干时长。在此振荡器的品质不应当选择得太大。然而品质也不应当选择得过小，因为品质较小的振荡器一般地有较高的相位噪音。
在一种具有产生振荡器信号的装置并且具有产生基本信号并且从其向所述装置发射的基站的安排中，可以从所述的装置把振荡器信号作为对基本信号的应答向基站发射回去。
在一种所述装置通过基本信号和振荡器信号作为状态查询信号和应答信号与基站进行通信的安排中，优选地基站具有带通滤波器和/或装置，所述带通滤波器和/或装置的中点频率与所述开关装置的节拍频率大致相应，以消除节拍频率的影响。这样的装置可以附加地是混频器或者是整流器加低通滤波器。
其它的优点和根据本发明的特征可以从参照附图对本发明实施例的说明得出。附图中
图1是具有振荡器和开关装置的装置，图2是具有基站和转发器的安排，图3是具有移相器用作ID标签的装置，图4是具有其频率可以改变的振荡器的装置，而图5是具有放大器和谐振器的装置。
图1示出所述装置的基本元件。基本信号A的或多或少的部分经输入1耦连到振荡器2。对于图示的实施例基于电的基本信号和振荡器信号。但是本发明还可以光的、声的或者其它信号的方式实现。基本信号A激励振荡器2准相位相干地起振，由此产生信号B。把信号B从振荡器接出然后经输出3引出。基本信号A的输入1和振荡器B的输出4可以完全地或者部分地相同。它们也可以完全彼此分开地实现。
所述振荡器2用开关装置4周期性地接入和中断节拍控制。通过所述接入和中断也接通其准相位相干的激励。
所述的振荡器2构成得使之一方面不通过热噪音激励起振，而另一方面在其上耦连进的基本信号A足以激励对基本信号A准相位相干的振荡。
图2示出转发器/背散射器系统的安排。基站6的基本信号A由基站振荡器7产生，并且经基站6的天线8发射出。用天线5把基站6的基本信号A作为状态查询信号接收。用上述的技术和方式激励和振荡对基本信号A的准相干，以产生振荡器信号B。把振荡器信号B作为应答信号经转发器9的天线5向基站6的天线8发射回去。
在此通过定向耦合器10把振荡器信号B与基本信号A分开，并且用基站振荡器7的信号的一部分在混频器11中混频。用滤波器12把不需要的混频成分抑制掉。优选地把这种滤波器实施成带通滤波器，其中，中心频率对应于开关装置4的节拍频率。所示的安排既可以用于通信也可以用作测定基站6与转发器9距离或者距离改变的标识。
如果把所述系统用于测距，基站6优选地含有其它元件，例如附加的混频器或者整流器和低通滤波器，用来消除节拍频率的影响。然而也可以用合适的频谱仪直接分析混频信号，其中考虑节拍频率的影响。
如果把基站振荡器7实施为频率改变的振荡器，例如VCO(压控振荡器)对于测距是大有好处的，从而基本信号A可以容纳不止一个频率值。在原理上所有的实施都可以设想为如通常的背散射器的，也可以如德国专利申请19946161.9中实施的，此申请全文引用作为参照。本发明与公知的方法的差别在于转发器的技术，即，不是简单地被反射回去，由于从基站到转发器的传输已经明显地在信号电平上衰减了基本信号，而是用自身的准相位相干源近于无噪音地主动构成地产生，由源的满电平发射回去。本发明的系统在其余方面相似的功能下与现有技术的系统相比具有明显大的作用半径以及明显高的信号噪音比。
如果把转发器9作为ID标签用于标识或者用作通信，可以例如通过开关装置4的节拍频率进行编码和/或通过附加调制单元，用所述调制单元把准相位相干信号调制后再发射回去。这种调制技术可以与前面已经指出的一般的现有技术相对应。通过双方载波信号，也就是基本信号A和振荡器信号B的准相位相干，简单而抗干扰地实现基站6中的解调。附加地还对于背散射器-ID-系统有上述的作用半径大的优点。
采用所述的安排可以把ID标签的编码转变成为相位调制。图3中示出可能的实施方式。所示的系统对于上述的转发器电路只扩充了调制器/移相器13。视代码值C的不同，准相位相干的振荡信号以确定的相位被延迟。对于二进制的编码例如是对于代码1是90度或180度，而对于代码0是0度。在此也可以设想调幅编码或者调频编码。在这样的技术中调制也在基地站中的解调方面具有优点。
相干时长取决于基本信号A与振荡器信号B之间的频率差，也就是说取决于振荡器2与基站振荡器7之间的频率差。频率符合得越准确，振荡器的相位接近于相同的时间就越长。为了能够扩大相干时长，并且还由此能够降低开关装置4的节拍频率，设置有适用于把振荡器2的振荡频率与基本信号A的频率适配的装置可能是有利的。为此可能的实施形式示于图4。与图1所示的基本电路不同，所述装置没有固定频率振荡器而是设有可变频率的振荡器14。借助于混频器15把振荡器信号B的一部分在其可变频率振荡器14中与基本信号A混频。借助于滤波器16，优选地借助于低通滤波器，提取出差频。然后把作为双方振荡器频率偏差的尺度的差频信号的频率接入到信号预处理器17中作为调节量输入到调节器或者控制器18中。所述的调节器或者控制器18把振荡器14调节得使双方振荡器14之间的频率偏差尽可能地小。信号预处理器17的主要任务在于测定频率。频率测定在原则上可以用根据现有技术的任意电路或者信号处理器实施。同样地调节器或者控制器18可以按现有技术实施。这里需要突出地指出只需要控制或者调节频率，相位相干通过根据本发明的装置结构达到。由此可以省略相位调节电路。因为一般地没有必要把开关装置4的节拍频率选择成特别低的频率，也不必要把振荡器14的调节器或者控制器18做得特别准确。如果频率偏差小于开关装置的的节拍频率的10分之一，用开始部分所述的π/10的小的相位偏差的界限就可以达到。
用数字例子来说如果用24GHz实现无线电段，并且用100MHx切换转发器9的振荡器2、14，那么24GHz的基站振荡器7与24GHz的振荡器2、14之间可以允许达10MHz的相互频率偏移。在每次接通之后，振荡器2、14用5ns的相干时间经120个周期对基本信号A的准相位相干振荡，就是说最大的偏差是π/10。中断后重新接入再次得到120个准相位相干的振荡，依此类推。从信息技术观点来看，基本信号A与振荡器信号B由此在较长的时间为准相位相干。
选择振荡器2、14时要注意起振时长应当小于相干时长。因此振荡器2、14的的品质不应当选择得太大。对于上述的数字例，例如这意味着对于24GHz的振荡器品质为10，在约400ps内起振，这远短于相干时长5ns。然而品质也不应当选择得过小，因为品质较小的振荡器一般地有较高的相位噪音。但是较高的相位噪音可以如前所述地不必要地缩短相干时长。在选择振荡器2、14时要进行这种意义上的折衷。
在微波范围，一般把振荡器实施为谐振电路。如图5所示，这样的谐振电路由放大用的高频晶体管19和谐振器20及带通滤波器组成。谐振器20例如是LC振荡电路或者是介电结构的。电路例如可以用微条技术或者同时用共面技术构成。如果把振荡器与天线5连接，对所述的原理是特别合适的。振荡器例如通过用开关装置4接入和中断放大器19来接通振荡器。
本发明特别地适用于工作频率在10GHz以上的微波系统，因为按照现有技术直接控制载波相位的可能性有限，复杂且成本高昂。
要注意到，仅仅由振荡器2、14和基站振荡器7的相位噪音限制了基本信号与振荡器信号之间的总体相干。如果双方振荡器的频率有差别，在接入过程之后还保持信号之间的相位关联，直至相位噪音确定的程度。在原则上，本发明所述的全部实施也可以用较慢的开关节拍传输，也就是用只通过相位噪音确定的相干时长传输。在这种情况下在方法上只需要致力于由于双方振荡器的频率差得出的时间相位改变在分析中加以注意或者进行补偿。这可以例如在硬件方面通过附加的混频器/解调器或者在软件方面通过适当的频率和相位分析达到。如前所述，可以通过足够快速的接入和中断要耦合进的振荡器有利地避免附加的成本。
权利要求
1.用于产生基于基本信号(A)的振荡器信号(B)的装置，具有-振荡器(2、14)，用于通过振荡主动构成振荡器信号(B)，-输入(1)，用于基本信号(A)和-输出(3)，用于所产生的振荡器信号(B)，其特征在于，所述的振荡器(2)通过基本信号(A)激励产生出对基本信号(A)的准相位相干的振荡器信号(B)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置具有开关装置(4)，用于切换振荡器(2)的准相位相干激励。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，把开关装置(4)构成得可以用预定的序列切换振荡器(2)
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，在相继的准相位相干地切换振荡器(2)的激励之间的时间小于或者等于相干时长。
5.如以上权利要求至少之一所述的装置，其特征在于，所述装置具有装置(4)用于切换振荡器(2)。
6.如以上权利要求至少之一所述的装置，其特征在于，所述装置具有装置(5)用于发射出振荡器信号(B)。
7.如以上权利要求至少之一所述的装置，其特征在于，所述装置具有装置(4、13)用于编码振荡器信号(B)。
8.如以上权利要求至少之一所述的装置，其特征在于，所述开关装置被构成为装置(4)用于编码。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置(13)是用于编码的附加调制单元。
10.如以上权利要求至少之一所述的装置，其特征在于，具有补偿装置(15、16、17、18)，用于把振荡器(2)的频率与基本信号(A)频率适配。
11.如以上权利要求至少之一所述的装置，其特征在于，振荡器(2)的起振时间比相干时长短。
12.如以上权利要求至少之一所述的装置，其特征在于，振荡器(2)可以通过基本模式和/或基本信号(A)的高次谐波模式激励。
13.具有至少根据权利要求3的装置并且具有基站(6)的安排，用于接收振荡器信号(B)，其特征在于，所述基站(6)具有带通滤波器(12)，其中心频率约相当于所述节拍频率。
14.具有至少根据权利要求3的装置并且具有基站(6)的安排，用于接收振荡器信号(B)，其特征在于，所述的基站(6)具有装置，用于消除节拍频率的影响。
15.用于产生基于基本信号(A)的振荡器信号(B)的方法，其中-通过基本信号(A)对基本信号(A)以准相位相干方式激励振荡器(2)，-所述的振荡器(2)通过激励起振，并且-所述的振荡器(2)通过振荡主动地构成振荡器信号(B)。
全文摘要
用于产生基于基本信号振荡器信号(B)的装置和方法，其中所述的振荡器通过振荡主动地构成振荡器信号。所述的振荡器能够通过基本信号以准相位相干方式激励。
文档编号G01S13/84GK1440510SQ01812388
公开日2003年9月3日 申请日期2001年6月26日 优先权日2000年7月6日
发明者P·海德, M·纳莱青斯基, R·罗斯科施, M·沃西克 申请人:西门子公司