专利名称：用于测量无线电网络的两个节点之间的距离的电路和方法
技术领域：
本发明涉及用于测量无线电网络的两个节点之间的距离的系统、电路和方法。
背景技术：
在无线电网络中，希望可以定位无线电网络的节点或者至少确定节点之间的距离。由此，例如可以容易地找出故障节点。也可以跟踪节点的缓慢运动——例如跟踪工厂中运输工具的运动。如果由飞机掷下的节点可被定位并且可以传输升高的温度，则节点的定位可被有利地应用于消防。
WO 02/01247 A2公开了一种借助电磁波测量两个目标物之间的距离的方法。以不同的载波频率两次发送基站的询问信号和便携式编码器的应答信号。这些载波频率在此是相关的，也就是说，它们相互依赖。这些载波频率相互逼近，从而可以测量这些信号之间的相移。由所述相移计算出编码器到基站的距离。可以以不同的载波频率或者以相同的载波频率发送询问信号和应答信号。对于新的询问/应答对话改变载波频率。
如果根据工业标准IEEE 802.15.4的传感器网络的节点的收发机被设置用于半双工系统而不是全双工系统，则所述收发机不能同时发送和接收。如果所述收发机作为有源反射器用于相位测量，则节点必须通过锁相环存储所接收的信号的相位并且在从接收转换到发送之后将存储的相位用于发送。例如在接收时通过附加的锁相环如此调节作为有源反射器工作的节点的收发机的石英振荡器，使得本地振荡器的LO信号(LOLocal Oscillator本地振荡器)的频率和相位与接收信号一致。在转换到发送时，附加的锁相环必须被断开并且它现在在频率同步的石英振荡器中继续自由振荡。由此，作为有源反射器工作的收发机以与它事先所接收的载波信号相同或者成比例的相位以及相同的频率进行发送。在此，对自由振荡的振荡器在频率常数和相位常数方面提出很高的要求。必须避免例如集成电路上可能由相位变化引起的信号串扰的干扰。
US 5,220,332公开了一种具有询问装置和应答器的测距系统，所述测距系统实现了两个目标物之间的非同时的测量。以具有可变调制频率的(低频)调制信号对载波进行调制，以便借助相位测量或者替代地借助传输时间测量由调制信号的变化确定距离。
US 6,731,908 B2公开了一种用于确定两个目标物之间的距离的蓝牙技术方法。在此，通过频率跳变改变频率，以便测量多个不同频率的相位偏移。目标物具有锁相环(PLL-Phase Locked Loop)中的电压控制的石英振荡器，其中在接收期间关闭锁相环而在发送期间打开锁相环，使得接收信号和发送信号具有相同的频率。在此，电压控制的石英振荡器的本地振荡器信号的相位借助锁相环通过同步与所接收的信号相干
发明内容
本发明的任务在于，尽可能改进用于无线电网络中的距离测量的方法。
所述任务通过具有独立权利要求1的特征的方法解决。有利的进一步构型是从属权利要求的主题并且包含在说明书中。
因此，提出了一种用于测量无线电网络的第一节点与第二节点之间的距离的方法。所述无线电网络例如根据工业标准IEEE 802.15.1或者优选地根据工业标准IEEE 802.15.4构造。
在所述方法中，具有第一频率的第一信号由第一节点发送并且由第二节点通过下混频到第一中间频率接收。优选地，第一信号由第一节点的本地振荡器以作为发送频率的第一频率产生。有利地，第一信号是第一未经调制的载波信号。未经调制的载波信号例如是高频正弦振荡信号。优选地，在多个第一频率值之间改变用于距离测量的第一频率。
对于第一频率的第一频率值，由第二节点由所接收的第一信号确定第一相位的第一值。优选地，第二节点根据第二节点的参考信号确定第一相位的第一值。优选地，存储第二节点中所确定的第一相位的值。
具有第二频率的第二信号由第二节点发送并且由第一节点通过借助本地振荡器信号下混频到第二中间频率接收。优选地，第二信号由第二节点的本地振荡器以作为发送频率的第二频率产生。优选地，第二信号是第二未经调制的载波信号。
对于第二频率的第一频率值，由第一节点由所接收的第二信号测量第二相位的第一值。优选地，第一节点根据第一节点的参考信号确定第二相位的值。在此优选地，这些测量在中间频率层上进行。
改变第一频率和第二频率。为了所述改变，第一频率的第二频率值与第一频率的第一频率值具有一个频率差。另外，第二频率的第二频率值与第二频率的第一频率值同样具有所述频率差。在此所述频率差足够大，以便实施基于所述频率差的相位差测量。优选地，频率差由无线电网络的信道的频率间距定义。
对于第一频率的第二频率值，由第二节点测量第一相位的第二值。对于第二频率的第二频率值，由第一节点测量第二相位的第二值。
第一中间频率和第二中间频率的量值是相等的。然而，这两个中间频率可以具有不同的符号。
第一信号的第一频率与第二信号的第二频率彼此间隔第一和第二中间频率的量值。为了进行距离测量，第一节点在第一频率上发送并且在第二频率上接收。为了进行距离测量，第二节点在第二频率上发送并且在第一频率上接收。
由第一相位的第一值和第二值、由第二相位的第一值和第二值以及由所述频率差计算出第一节点与第二节点之间的距离。
优选地，为了所述计算，对于多个频率值确定第一相位的多个值以及第二相位的多个值。有利地，为了计算距离，通过无线电网络的通信服务向第一节点传输作为测量数据的第一相位的和/或第二相位的所确定的值。
此外，本发明的任务还在于，说明一种无线电网络的节点的尽可能改进的电路。
所述任务通过具有独立权利要求9的特征的电路解决。有利的进一步构型是从属权利要求的主题并且包含在说明书中。
因此，提出了一种无线电网络的节点的电路。所述无线电网络例如根据工业标准IEEE 802.15.1或者优选地根据工业标准IEEE 802.15.4构造。
所述电路具有收发机，所述收发机用于通过下混频到中间频率来接收具有第一频率的第一信号。
所述电路具有相位测量电路，所述相位测量电路被设置用于对于第一频率的第一频率值测量第一相位的第一值。
所述电路的收发机被设置用于为了确定第二相位的第一值而发送具有第二频率的第一频率值的第二信号。在此，所述确定可以通过另一节点的为此设置的电路进行。
控制电路被设置用于改变第一频率和第二频率。在此，(改变之后的)第一频率的第二频率值与(改变之前的)第一频率的第一频率值具有一个频率差。(在频率改变之后)第二频率的第二频率值相对于(频率改变之前的)第二频率的第一频率值具有一个频率差。第一信号的第一频率与第二信号的第二频率彼此间隔一个中间频率的量值。
相位测量电路被设置用于在频率改变之后对于第一频率的第二频率值测量第一相位的第二值。
所述电路的收发机被构造用于为了确定第二相位的第二值而发送具有第二频率的第二频率值的第二信号。第二值的确定又可以通过另一节点的为此设置的电路进行。
所述电路被设置用于借助收发机发送第一相位的值和/或接收第二相位的值。如果接收到第二相位的值，则可以通过所述电路计算距离。
本发明的另一方面在于无线电网络的节点的电路，所述电路例如具有以上所述的功能。所述电路具有——例如计算单元形式，如微控制器形式的——控制电路，所述控制电路被设置用于控制用于距离测量的模式。
所述电路具有用于调节用于距离测量的发送频率的本地振荡器。优选地，所述本地振荡器具有锁相环、振荡器以及分频器，其中所述分频器具有可调节的分频因子。
所述电路具有用于距离测量的接收信号的滤波的边带滤波器。优选地，所述电路此外还具有用于下混频接收信号的混频器。所述混频器优选地与本地振荡器相连接。优选地，边带滤波器被构造为复数边带滤波器和/或差分边带滤波器。在一个实施方式中，所述边带滤波器也可被称作单边带滤波器(SSBF-Single Side Band Filter)。
所述电路具有开关装置，所述开关装置与控制电路连接以便控制开关位置。有利地，所述开关装置具有多个开关晶体管，这些开关晶体管的控制端子与控制电路相连接。
边带滤波器与开关装置相连接，以便在上边带和下边带之间转换所述滤波。这实现了所述电路以用于距离测量的不同中间频率位置工作。上边带和下边带之间的滤波转换可以例如通过混频器与边带滤波器的相位关系的改变实现。
控制电路被设置用于根据用于距离测量的模式来控制滤波的转换。例如，控制电路启动用于距离测量的模式并且将开关装置控制到用于距离测量的预先确定的开关位置中。替换地，节点接收用于启动距离测量模式的命令并且根据所接收到的命令将开关装置控制到预先确定的开关位置中。
本发明的另一方面是一种具有第一节点和第二节点的系统，所述第一节点优选具有以上所述的电路并且所述第二节点优选具有以上所述的电路。由无线电网络的两个节点组成的系统被设置用于实施以上所述的方法。
以下所述的进一步构型不仅涉及所述方法，而且涉及所述电路和所述系统。在此，电路的功能特征由相应设置的方法步骤得出。方法步骤可以由电路的功能导出。
在一个有利的进一步构型中，电路被设置用于例如借助计算单元——如微控制器——由第一相位的第一值和第二值、由第二相位的第一值和第二值以及由频率差计算出到另一节点的距离。
根据一个有利的进一步构型方案，第二信号由第一节点接收。所接收到的第二信号在下边带中在第一本地振荡器的第一频率以下通过第一节点的第一边带滤波器。优选地，第一信号由第二节点接收。所接收到的第一信号在上边带中在第二本地振荡器的第二频率以上通过第二节点的第二边带滤波器。相应地，其他边带分别通过优选复数边带滤波器滤除。
根据一个构型，以一时间间隔时间错开地发送所述第一信号和所述第二信号。为此，这些节点例如被构造为半双工系统。
在另一个进一步构型中提出，由第一相位的多个所确定的值以及由第二相位的多个所确定的值计算出距离。优选地，所述计算通过计算平均值或者分析幅值的情况下的快速傅立叶逆变换进行。优选地，为了多次确定第一相位的值和第二相位的值改变第一频率的频率值和第二频率的频率值。在此，优选在同一方向上、特别优选以相同的频率偏移量改变第一节点和第二节点的发送频率的频率值。在此优选地，第一节点和第二节点的发送频率的频率值的间距不发生变化。这些节点的发送频率的频率值的间距优选是恒定的。
根据一个优选的进一步构型，对于第一频率和第二频率的频率值的每次改变，以相同的时间间隔时间错开地发送第一信号和第二信号。
在第一构型方案中有利地提出，对于第一频率和第二频率的已改变的频率值，在两个节点中在时间上彼此等距地进行第一相位和第二相位的值的多次确定。
在一个有利的进一步构型中，实施值的测量的时间同步。在此如此实施所述时间同步，使得值的测量的测量时刻，即第一值、第二值、第三值和第四值的测量的测量时刻彼此具有预先确定的时间关系。
特别优选地，第一时间间隔与第二时间间隔是相同的。优选地，第一时间间隔定义成第一相位的第一值的第一测量时刻与第一相位的第二值的第二测量时刻之间的时间间隔。优选地，第二时间间隔定义成第二相位的第三值的第三测量时刻与第二相位的第四值的第四测量时刻之间的时间间隔。所述时间关系导致第一测量时刻与第三测量时刻之间的第三时间间隔与第二测量时刻与第四测量时刻之间的第四时间间隔也是相同的。
优选地，这些时间间隔是预先确定的。即这些时间间隔并不是由正在进行的测量确定的。优选地，这些时间间隔是固定地预先给定的，例如被实现为参数组。替换地，对于距离测量，还可以在节点之间对这些时间间隔进行协商。为此相应地设置这些节点。有利地，这些节点的各个电路被设置用于以所述时间间隔通过存储相位的、在测量时刻的当前值来测量相位的值，其中相位的值被连续地确定。替换地，这些节点被设置用于仅仅在测量时刻测量相位的值并且存储所测得的值。
在一个优选的进一步构型中，为了确定距离而由第一相位的第一值和第二值以及由第二相位的第三值和第四值计算出相位差。优选地，所述计算根据以下公式进行
在此，所述公式还包括它的项的所有代数变形。在所述中，
是第一相位的第一值而
是第一相位的第二值。
是第二相位的第三值而
是第二相位的第四值。
以上所述的这些进一步构型方案不仅单独地是有利的而且其组合也是特别有利的。在此情况下，所有的进一步构型方案可不同地组合。在结合附图对实施例的描述中对一些可能的组合进行说明。但那里所述的进一步构型方案的组合的可能性并未穷尽。
以下根据附图通过实施例来进一步描述本发明。
附图示出 图1a无线电网络的两个节点的示意性框图， 图1b第一示意图， 图2第二示意图， 图3a和3b第三示意图， 图4a和4b接收机的一部分的示意性框图， 图5具有无线电网络的两个节点的相位测量的第四示意图， 图6具有无线电网络的两个节点的相位测量的第五示意图。
具体实施例方式 具有多个节点的无线电网络中的距离测量可基于相位测量。在此，相继地发送具有频率fa的、优选未经调制的载波信号以及具有频率fb的、未经调制的载波信号。这些频率仅仅相差一个小的频率差Δf。在接收机中，对所接收的波的相位进行分析并且将其存储为测量值
和
由此可以计算出各站之间的距离d
在此，c是光速。
图1中示出了第一节点A和第二节点B的两个电路，其中节点A、B都不作为纯有源反射器工作。第一节点A的电路具有可与或已与天线10连接的发射机/接收机电路130(TRX)，借助作为参考时钟发生器(XOSC1)的石英振荡器110以及锁相环120(PLL-Phase Locked Loop)向所述发射机/接收机电路提供第一本地振荡器信号LO1。由所述发射机/接收机电路130、所述锁相环120和所述参考时钟发生器110组成的装置也可被称为无线电台100。
此外，第一节点A的电路还具有分频器150，所述分频器150在图1的实施例中通过分频因子DF——例如8——对参考时钟发生器110的第一参考信号XOSC1的第一参考频率f(XOSC1)进行分频，用于提供具有频率f(SV1)的第一比较信号SV1，所述频率f(SV1)与中间频率ZF2相同并且例如约为2MHz。第一节点A的电路的相位测量电路140(PMU-PhaseMeasurement Unit相量测量单元)的输入端与分频器150和发射机/接收机电路130相连接。发射机/接收机电路130被构造用于将从第二节点B接收的载波信号RF2下混频到中间频率信号ZF2。所述中间频率信号ZF2在图1的实施例中具有约为2MHz的中间频率f(ZF2)。
借助相位测量电路140测量所接收到的信号RF2的相位
所述相位测量电路140也可被称为鉴相器。所述测量在中间频率层上进行，因为在发射机/接收机电路130的混频器中的频率转换时，由第二节点B所发送的载波信号RF2的相位保持不变。相位测量电路140被构造用于测量中间频率信号ZF2与作为比较信号SV1的经分频的参考频率之间的相位差。相位
的测量值优选被存储。
在图1的实施例中，第二节点B的电路的结构与第一节点A的电路的结构相同。第二节点B的电路同样具有发射机/接收机电路230，所述发射机/接收机电路可与或已与天线20连接。借助作为参考时钟发生器(XOSC2)的石英振荡器210以及锁相环220向发射机/接收机电路230提供第二本地振荡器信号LO2。由发射机/接收机电路230、锁相环220和参考时钟发生器210组成的装置也可被称为无线电台200。
第二节点B的电路同样具有分频器250，所述分频器250用于在相位测量电路240的输入端上提供第二比较信号SV2。分频器250与第二节点的电路的参考时钟发生器210连接，以便以因子DF——例如8——对参考时钟发生器210的第二参考信号XOSC2的参考频率f(XOSC2)进行分频。借助相位测量电路240测量所接收到的信号RF1的相位
为此，相位测量电路240的输入端与发射机/接收机电路230的输出端相连接。相位测量电路240被构造用于测量中间频率信号ZF1与比较信号SV2之间的相位差。相位
的测量值优选被存储。
参考时钟发生器110和210被构造成石英振荡器并且彼此去耦。由于制造波动或不同温度，第一节点A的参考时钟发生器110的第一频率f(XOSC1)与第二节点B的参考时钟发生器210的频率f(XOSC2)可以彼此不同。如果第一节点A的参考时钟发生器110的频率f(XOSC1)与第二节点B的参考时钟发生器210的频率f(XOSC2)是不同步的，则为了考虑取决于第一参考时钟发生器与第二参考时钟发生器之间的频率偏移量的相位误差，第一节点A中的相位测量与第二节点B中的相位测量的时间同步是必需的。
图1b中示出了频率示意图。在图1a中示出的两个节点A、B使用例如为2MHz的、相同的(低的)中间频率fZF。在此，在图1a和1b中仅仅示出了中间频率的量值。这些中间频率fZF的区别在于符号(未示出)。节点A、B的两个发射机/接收机电路(收发机)工作在不同的中间频率位置上。通过相应边带的滤波将这些发射机/接收机电路中的一个发射机/接收机电路转换到另一节点A/B的、相反的中间频率位置上。
例如，第一节点A在振荡器频率fLOA1＝2404MHz上进行发送并且在接收频率fEA1＝2402MHz上进行接收。那么，第二节点B在振荡器频率fLOB1＝2402MHz上进行发送并且在接收频率fEB1＝2404MHz上进行接收。为了进行测量距离，使振荡器频率fLOA1和fLOB1改变同一频率步长Δf，所述频率步长Δf可以是正的或者负的。如果频率步长Δf＝+10MHz，则第一节点A在振荡器频率fLOA2＝2414MHz上进行发送并且在接收频率fEA2＝2412MHz上进行接收，其中第二节点B在振荡器频率fLOB2＝2412MHz进行发送并且在接收频率fEB2＝2414MHz上进行接收。发送频率fLOA1、fLOA2、fLOB1、fLOB2以及接收频率fEA1，fEA2，fEB1，fEB2分别相差相同的中间频率fZF。
因此，第一节点A的接收频率高于用于产生第一节点A中的本地振荡器信号LO1的锁相环(PLL)120的频率并且第二节点B的接收频率低于用于产生第二节点B中的本地振荡器信号LO2的锁相环(PLL)220的频率。在此特别有利的是，不必为了节点A、B之间的两个方向上的两次测量转换锁相环120、220的频率，从而不必进行锁相环120、220的暂态振荡过程。从而获得了更好的相位稳定性(Phasenkonstanz)，并且因此获得更高的测量精度。两个锁相环120、220仅须在频率步长Δf之后短暂地暂态振荡。
第一节点A的发射机/接收机电路130具有差分复数混频器310、310’以及差分复数滤波器320、320’。第二节点B的发射机/接收机电路230同样具有差分复数混频器310、310’以及差分复数滤波器320、320’，如示例性地在图4a和4b中示意性示出的那样。
例如，第一节点A中所接收到的信号RF借助复数混频器310、310’下混频至中间频率信号ZF并且借助第一节点A的第一复数边带滤波器320、320’在振荡器信号LO的第一振荡器频率fLOA1、fLOA2以下滤波。第二节点B中所接收到的信号RF借助复数混频器310、310’下混频至中间频率信号ZF并且借助第二节点B的第二复数边带滤波器320、320’在第二频率fLOB1、fLOB2以上滤波。在此，可以替换地使用图4a和4b的两个实施例。
在图4a和4b的实施例中，在混频器310、310’和边带滤波器320、320’上施加作为差分信号的同相分量I——实数部分和正交相分量——虚数部分。通过借助开关装置330、330’的转换调节上边带或下边带的滤波。开关装置330、330’在图4a和4b的实施例中被构造为交叉开关，所述交叉开关在图4a的实施例中导致正交相Q的180°的相位翻转并且在图4b的实施例中导致同相I的180°的相位翻转，以便调节待滤波的边带。通过控制电路160或260来控制开关装置330、330’，所述控制电路160或260例如可以是节点A、B的微控制器。
除控制开关装置330或330’外，第一节点A的控制电路160被设置用于在至少两个预先确定的时刻t2、t4触发相位
的测量。为了控制在至少两个预先确定的时刻t2、t4的相位测量，控制电路160例如与相位测量电路140的控制输入端en连接。例如，在至少两个预先确定的时刻t2和t4计算相位
的值或者在至少两个预先确定的时刻t2和t4存储连续计算出的相位
的当前值。同样地，第二节点B的控制电路260被设置用于在至少两个预先确定的时刻t1、t3触发相位
的测量。为了控制在至少两个预先确定的时刻t1、t3的相位测量，控制电路260例如与相位测量电路240的控制输入端en连接。
在此，第一节点A中的控制电路160的至少两个预先确定的时刻t2、t4之间的时间间隔与第二节点B中的控制电路260的至少两个预先确定的时刻t1、t3之间的时间间隔是相同的。因此，第一频率的相位测量之间的时间间隔与第二频率的相位测量之间的时间间隔在频率步长Δf之后同样是相同的。如果应在其他的(载波)频率情况下测量其他的相位，则也可以通过控制电路160、260以相同的时间间隔控制这些相位测量。
此外，第一节点A的控制电路160被设置用于控制锁相环120中的第一乘数因子。第二节点B的控制电路260被设置用于控制第二节点B的锁相环220中的第二乘数因子。通过这些乘数因子来控制第一节点A和第二节点B的振荡器信号LO1、LO2的、相差所述中间频率的频率。例如，逐级地改变振荡器信号LO1、LO2的频率。
图5中示意性地示出了用于相位测量的测量过程的图。在用于测量第一节点A与第二节点B之间的距离的方法中，具有载波频率f3的第一未经调制的载波信号由第一节点A发送并且由第二节点B接收。具有载波频率f1的第二未经调制的载波信号由第二节点B发送并且由第一节点A接收。所述载波频率f1与所述载波频率f3相差一个中间频率fZF的量值。在图5的实施例中，这两个节点中的中间频率fZF是相同的。
第一节点A在第一测量时刻t2测量第一相位的第一值
第二节点B在第三测量时刻t1测量第二相位的第三值
在此之后，使载波频率f3提高一个频率差Δf至更高的载波频率f4。同时，使载波频率f1提高相同的频率差Δf至更高的载波频率f2。以更高的载波频率f4，第一未经调制的载波信号由第一节点A发送并且由第二节点B接收。以更高的载波频率f2，第二未经调制的载波信号由第二节点B发送并且由第一节点A接收。更高的载波频率f4与更高的载波频率f2同样相差一个中间频率fZF的量值。在图5的实施例中，两个节点中的中间频率fZF也是相同的。
在提高载波频率f2、f4之后，第一节点A在第二测量时刻t4测量第一相位的第二值
第二节点B在第四测量时刻t3测量第二相位的第四值
在图5和6中以阴影标记的各个中间阶段中，第一节点A和第二节点B在发送TX和接收RX之间进行转换。在此获得如下技术效果不必为了节点A、B之间的两个方向上的两次测量转换锁相环120、220的频率，从而不进行锁相环120、220的暂态振荡过程。
在图5的理论上的情形中，在用于向第一节点A的锁相环120提供时钟的第一参考时钟发生器110与用于向第二节点B的锁相环220提供时钟的第二参考时钟发生器210的频率f(XOSC1，XOSC2)之间不存在频率偏移量。首先，图5示出了理论上的情形，即这些参考时钟发生器的频率f(XOSC1，XOSC2)精确相同。即所测得的相位
在时间t上是恒定的。
在图5的实施例中，锁相环120、220需要例如50μs或更少时间进行暂态振荡。此后，在时刻t3和t4对于频率f4和f2重复两个相位测量M2，其中在第一节点A中确定第一相位的第二相位值
并且在第二节点B中确定第二相位的第四相位值
因此，第一相位的第一值
对应于载波频率f1并且第二相位的第三值
对应于载波频率f3。第一相位的第二值
对应于更高的载波频率f4。第二相位的第四值
对应于更高的载波频率f2。
由相位值
和
计算出相位差
通过变形得到
因此可以计算出距离d
与图5的理论上的示图不同，在实际中节点A、B具有参考时钟发生器110、210，所述参考时钟发生器110、210的频率f(XOSC1)、f(XOSC2)例如由于制造公差或者不同的温度而具有频率偏移量。由此，各个接收节点中的相位
发生变化，如示意性地通过图6中的相位变化曲线的斜坡所示的那样。
测量时刻t1与t2之间的测量M1的相位变化对所确定的相位
造成一个相位误差
如果相位测量M1、M2之间的时间间隔足够小，则在测量M2中在测量时刻t3和t4产生相同的相位误差
如果时间间隔t2-t1和t4-t3或者时间间隔t3-t1和t4-t2大小相同，则相位误差
大小也相同并且在计算相位差
时(参见公式(2a/2b))消除。如果两个节点A、B的参考时钟发生器110、210如图1a的实施例中那样是不同步的，则由此也可以根据相位测量应用距离测量。
为了解决多径传播的问题，有利地在全部可供使用的频带上实施相位测量。图2中示出了测量M1、M2、M3等等的示意图。执行N+1次测量，其中由相邻的频率计算出N个相位差
为此所必需的是，将各个所测量出的相位
等等共同输入到节点A、B的计算单元中。例如，相位
通过无线电网络中的标准通信由第二节点B传输到第一节点A。
对于两个相位差的计算有
以及
或者对于任意数目的相位差普遍有
每个相位差都可借助公式
换算到距离dN。由于多径传播，这些距离值dN明显不同。
在用于分析N个距离测量的第一实施例中，计算这些距离值dN的平均值。仿真已经表明如果多径传播适度，那么所述方法导致相对准确的结果。即信道冲激响应的最短连接(Line-of-Sight视距)的分量占主导地位。
在用于分析N个距离测量的第二实施例中，附加地在节点A、B中测量接收信号的幅值并且对于每个频率存储所述幅值。对于每个频率，由幅值和相位计算出复数的频谱分量
通过快速傅立叶逆变换(IFFT)，由N个频谱值计算出信道冲激响应。通过寻找算法(Suchalgorithmus)可以找到第一脉冲(最短连接的分量)并且因此找到其传输时间。所述方法比平均值计算代价大得多，但在强的多径传播的情况下也提供可靠的结果。
在图3a和3b中以示意图的形式示出了测量方法的过程。第一节点A初始化距离测量并且在步骤1中向第二节点B发送一个帧，以便借助命令执行距离测量。在此，发送频率fTX调节到信道频率fch上，以便在无线电网络中进行通信。借助所述帧向第二节点B传输用于边带滤波的调节。替换地，也可以固定地预先给定节点A、B中的哪一个节点滤出上边带或者下边带。此外，向第二节点B传输测量频率序列或者频率步长。替换地，也可以固定地预先给定用于相位测量的测量频率序列。
在图3a的方法的步骤2中，第二节点B向第一节点A发送用于距离测量的其他方法过程的时间同步的帧Fsync。用于时间同步的帧Fsync例如是标准帧，所述标准帧根据标准(例如工业标准IEEE 802.15.4)构造并且可以具有例如前导、数据头以及待传输的数据。在此，为了进行同步不需要传输数据，从而可以传输一个空帧。在此，用于时间同步的帧Fsync的传输所需的时间是已知的，即通过第二节点B的发送以及通过第一节点A的接收所需的时间是已知的。第二节点从所发送的帧Fsync的结束时刻TXE起启动具有长度tAS的定时器，所述定时器在距离测量开始时结束。第一节点A同样启动具有长度tBS的定时器，所述定时器同样在距离测量开始时结束。通过所接收的、用于时间同步的帧Fsync中的时刻SFD(SFD在工业标准IEEE802.15.4中对应于帧中的前导的结束的指示符)的确定来启动第一节点的A的定时器。
从第二节点B的定时器的到期起，确定用于测量相位的测量时刻t1、t3、t5等等。从第一节点的定时器的到期起，确定用于测量相位的测量时刻t2、t4、t6等等。在此，对于距离的确定所必需的是，第二节点B中的测量时刻t1、t3、t5等等之间的时间间隔与第一节点中的测量时刻t2、t4、t6等等之间的时间间隔是相同的并且是恒定的。所述时间间隔是预先确定的。可以固定地实现所预先确定的时间间隔。替换地，为了预先确定而在节点A、B之间对时间间隔进行协商。除图3a中所示的测量时刻外，对于N次测量，具有相同时间间隔的其他测量时刻是必需的，这些测量时刻未在图3a的简化示图中示出。
在步骤3中将发送频率fTX从之前的通信频率fch转换至最低的频率。在此，本地振荡器的本地频率大约相差中间频率信号ZF的中间频率。在直到定时器到期的时间tAS和tBS内，节点A、B的锁相环160、260暂态振荡。对于节点A，在图3中示意性地示出ISM频带中的最低频率到例如值2404MHz的调节。首先，节点A在发送模式TX中进行发送。在此期间，第二节点B在接收模式RX中进行接收并且在时刻t1测量相位并且存储相位值。随后第二节点B在不改变它的本地振荡器的频率的情况下进行发送，而在第一节点A中在测量时刻t2测量并且存储相位值。
此后，每个节点中的发送频率fTX被提高一个频率步长Δf，并且锁相环再次重新暂态振荡，其中节点A、B的本地振荡器之间的频率偏移量与中间频率信号ZF的中间频率相同。此后，在测量时刻t3和t4测量并且存储新的相位值。所述过程一直重复直至频带中的最高频率2480MHz。在图2b中示意性地示出所述提高。因此，在步骤3中以不同的发送频率fTX实施N次测量。
在步骤4中，两个节点A、B转换回网络频率fch。第二节点B借助无线电网络中的标准通信向第一节点A发回已测量并且已存储的相位值。在步骤5中，节点A由这些相位信息和自己的相位测量计算出节点A、B之间的距离d。
本发明并不限于图1a至6所示的构型方案。例如，还可以设置另一个用于相位测量的频率序列——例如从最高的发送频率fTX到最低的发送频率fTX。
附图标记 100、200 无线电台、收发机 110、210 参考时钟发生器、石英振荡器 120、220 锁相环 130、230 发射机/接收机电路 140、240 相位测量电路、鉴相器 150、250 分频器 160、260 控制电路 310、310’复数混频器 320、320’复数滤波器 330、330’开关装置、交叉开关 340、340’控制电路 A、B 节点 I 同相信号 Q 正交相信号 RF、RF1、RF2 无线电信号 ZF、ZF1、ZF2 中间频率信号 TX发送模式 RX接收模式 fEA1、fEA2、fEB1、fEB2接收频率 fLOA1、fLOA2、fLOB1、fLOB2振荡器频率 Δf 频率步长 f1、f2、f3、f4、fTX 发送频率 DF分频因子 fch 网络频率、通信信道 M1、M2、M3测量
相位
所确定的相位
相位误差
相位差 tAS、tBS 定时器长度 TXE、SFD 定时器启动时刻 t 时间 t1、t2、t3、t4、t5、t6测量时刻 Fsync 用于时间同步的帧 N 测量次数 S 信号 TX发送 RX接收
权利要求
1.用于测量一无线电网络的一第一节点(A)与一第二节点(B)之间的距离的方法，
其中，具有一第一频率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)的一第一信号(RF1)由所述第一节点(A)发送并且由所述第二节点(B)通过下混频到一第一中间频率(fZF)接收，
其中，对于所述第一频率的一第一频率值(f3，fLOA1)，由所述第二节点(B)确定一第一相位的一第一值
其中，具有一第二频率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)的一第二信号(RF2)由所述第二节点(B)发送并且由所述第一节点(A)通过下混频到一第二中间频率(fZF)接收，
其中，对于所述第二频率的一第一频率值(f1，fLOB1)，由所述第一节点(A)测量一第二相位的一第一值
其中，改变所述第一频率和所述第二频率，其方式是，所述第一频率的一第二频率值(f4，fLOA2)与所述第一频率的所述第一频率值(f3，fLOA1)具有一频率差(Δf)，并且所述第二频率的一第二频率值(f2，fLOB2)与所述第二频率的所述第一频率值(f1，fLOB1)具有所述频率差(Δf)，
其中，对于所述第一频率的所述第二频率值(f4，fLOA2)，由所述第二节点(B)确定所述第一相位的一第二值
其中，对于所述第二频率的所述第二频率值(f2，fLOB2)，由所述第一节点(A)确定所述第二相位的一第二值
其中，所述第一和第二中间频率(fZF)的量值相等，
其中，所述第一信号(RF1)的所述第一频率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)与所述第二信号(RF2)的所述第二频率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)彼此间隔所述第一和第二中间频率(fZF)的量值，
其中，由所述第一相位的所述第一值
和所述第二值
由所述第二相位的所述第一值
和所述第二值
以及由所述频率差(Δf)计算出所述第一节点(A)与所述第二节点(B)之间的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述第二信号(RF2)由所述第一节点(A)接收并且在下边带中在所述第一频率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)以下通过所述第一节点(A)的的一第一边带滤波器(320、320’)，以及
其中，所述第一信号(RF1)由所述第二节点(B)接收并且在上边带中在所述第二频率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)以上通过所述第二节点(B)的一第二边带滤波器(320、320’)。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，以一时间间隔时间错开地发送所述第一信号(RF1)和所述第二信号(RF2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其中，由所述第一相位的多个所确定的值
以及所述第二相位的多个所确定的值
计算所述距离，
其中，为了多次确定，改变、尤其是逐步地改变所述第一频率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)以及所述第二频率(f1，f2、fLOB1，fLOB2)的频率值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对于所述第一频率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)以及所述第二频率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)的频率值的每次改变，以相同的时间间隔时间错开地发送所述第一信号和所述第二信号。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，对于所述频率的已改变的频率值(f1，f2，f3，f4，fLOA1，fLOA2，fLOB1，fLOB2)，在所述两个节点(A，B)中在时间上彼此等距地进行所述相位的值
的所述多次确定。
7.一无线电网络的一节点(B)的电路，
所述电路具有一收发机(200)，所述收发机(200)用于通过下混频至一中间频率(fZF)来接收具有一第一频率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)的一第一信号(RF1)，
所述电路具有一相位测量电路(240)，所述相位测量电路(240)被设置用于对于所述第一频率的一第一频率值(f3，fLOA1)测量一第一相位的一第一值
其中，所述收发机被设置用于为了确定一第二相位的一第一值
而发送具有一第二频率的一第一频率值(f1，fLOB1)的一第二信号(RF2)，
其中，控制电路(260)被设置用于改变所述第一频率和所述第二频率，其方式是，所述第一频率的一第二频率值(f4，fLOA2)与所述第一频率的所述第一频率值(f3，fLOA1)具有一频率差(Δf)并且所述第二频率的一第二频率值(f2，fLOB2)与所述第二频率的所述第一频率值(f1，fLOB1)具有所述频率差(Δf)，
其中，所述相位测量电路(240)被设置用于对于所述第一频率的所述第二频率值(f4，fLOA2)测量所述第一相位的一第二值
其中，所述收发机被构造用于为了确定所述第二相位的一第二值
而发送具有所述第二频率的一第二频率值(f2，fLOB2)的所述第二信号(RF2)，
其中，所述第一信号(RF1)的所述第一频率(f3，f4，fLOA1，fLOA2)与所述第二信号(RF2)的所述第二频率(f1，f2，fLOB1，fLOB2)彼此间隔所述中间频率(fZF)的量值，
其中，所述电路被设置用于借助所述收发机(200)发送所述第一相位的值
和/或接收所述第二相位的值
8.根据权利要求7所述的电路，所述电路被设置用于由所述第一相位的所述第一值
和所述第二值
由所述第二相位的所述第一值
和所述第二值
以及由所述频率差(Δf)计算出至一个另外的节点的距离。
9.一无线电网络的一节点(B)的电路，尤其是根据权利要求7或8所述的电路，
所述电路具有一控制电路(160，260)，所述控制电路(160，260)被设置用于控制一用于距离测量的模式，
所述电路具有一本地振荡器(210，220)，所述本地振荡器(210，220)用于所述距离测量的一发送频率和/或一接收频率(f1，f2，f3，f4，fLOA1，fLOA2，fLOB1，fLOB2)的调节，
所述电路具有一边带滤波器(320，320’)，用于对所述距离测量的接收信号的滤波，
所述电路具有一开关装置(330，330’)，所述开关装置(330，330’)与所述控制电路(260)连接用于对一开关位置的控制，
其中，所述边带滤波器(320，320’)与所述开关装置(330，330’)连接用于所述滤波在上边带与下边带之间的转换，以及
其中，所述控制电路(260’)被设置用于根据所述用于距离测量的模式控制所述滤波的转换。
10.具有一无线电网络的一第一节点(A)与一第二节点(B)的系统，所述系统被设置用于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
全文摘要
本发明涉及无线电网络的节点的电路以及用于距离测量的方法，其中所述电路具有用于通过下混频至中间频率来接收具有第一频率的第一信号的收发机以及被设置用于对于第一频率的第一频率值测量第一相位的第一值的相位测量电路；收发机被设置用于为了确定第二相位的第一值发送具有第二频率的第一频率值的第二信号；控制电路被设置用于改变第一频率和第二频率，其方式是，第一频率的第二频率值与第一频率的第一频率值具有一频率差并且第二频率的第二频率值与第二频率的第一频率值具有所述频率差；相位测量电路被设置用于对于第一频率的第二频率值测量第一相位的第二值；第一信号的第一频率与第二信号的第二频率彼此间隔中间频率的量值。
文档编号G01S13/26GK101825706SQ200910263720
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者W·克卢格, E·萨克塞 申请人:爱特梅尔汽车股份有限公司