用于借助于补偿振幅测量和Delta-Sigma方法测量传输路径的方法以及用于执行该方法 ...的制作方法
【专利摘要】用于测量第一发送器(4)和接收器(8)之间的第一传输路径(6)的传输特性的方法。第一发送器(4)将第一信号(7)发送到第一传输路径(6)之中。在通过至少一部分第一传输路径(6)之后，由接收器(8)检测第一信号(7)。第二发送器(5)将第二信号(19)发送到第二传输路径(20)之中，所述第二传输路径在特性方面基本上已知或者可以预先确定。在接收器(8)中接收第二信号(19)，并且以相加方式将其与第一信号(7)叠加。在第一发送器(4)和第二发送器(5)之间以短时可调的方式分配发送信号(2)，优选根据时间或者根据相位在它们之间转换发送信号。由发送器(8)收到的接收信号(27)包括分配给第一发送器(4)的第一信号分量(27a)和分配给第二发送器(5)的第二信号分量(27b)，其中在预定义的时间范围内的平均第一信号分量(27a)基本上与平均第二信号分量(27b)同样大，并且将平均信号分量(27a，27b)的偏差至少短时作为用于在第一发送器(4)和第二发送器(5)之间进行分配并且尤其进行可调转换的调节信号。
【专利说明】用于借助于补偿振幅测量和Delta-Sigma方法测量传输路径的方法以及用于执行该方法的装置
[0001]本发明涉及用于测量从发送器经由传输路径直至传感器的信号传输通道的方法和装置以及传感器，。
[0002]在很多应用领域中，必须确定从发送器至传感器的传输通道。例如可能需要确定参考目标到其他目标的距离。在这种情况下，例如可以将由距离以Ι/r4引起的光信号振幅衰减用来测量距离。
[0003]在这方面已知很多补偿方法，其中将本来的传输信号与补偿信号在传感器上进行叠加，使得传感器总计收到几乎不变的信号。现举例如下:
[0004]DE10001955A1
[0005]DE10024156A1
[0006]DE19839730C1
[0007]DE930983U1
[0008]DE10001943C1
[0009]DE10346741B3
[0010]DE102004025345B3
[0011]DE102005013325A1
[0012]DE102005010745B3
[0013]DE102007005187B4
[0014]所有这些方法均有以下共同特征:
[0015]-补偿信号和/或者发送信号是振幅可调的模拟信号；
[0016]-发送信号具有恒定的占空比，并且/或者基本上是单频的。
[0017]模拟补偿信号是所有这些方法的主要缺点。它需要有可调节的放大器，或者换句话说需要模拟乘法器，其通常在温度稳定的条件下没有显著成本无法生产。这种系统难以制造。它尤其需要非常复杂的模拟生产测试。
[0018]以该现有技术为出发点，本发明的任务在于，实现以纯数字方式操控发送器和/或者补偿发送器，从而减轻所述的问题。
[0019]通过具有权利要求1所述特征的方法、权利要求12所述的传感器以及权利要求18所述的装置，来解决该任务。
[0020]本发明的用于对于至少一个第一传输路径测量传输特性的方法包括至少一个第一发送器，所述第一发送器至少将信号发送到所述的第一传输路径之中。在通过至少一部分所述的第一传输路径之后，在至少一个第一接收器中检测该信号。在所述的接收器中将其与来自至少一个基本上已知其特性或者预先确定其特性或者可以预先确定其特性的传输路径的、第二发送器的至少一个第二信号基本上以相加方式叠加。该方法的特征在于，在至少所述的第一发送器和所述的第二发送器之间至少短时以可调的方式分配发送信号。这种切换允许在第一发送器和优选是补偿发送器的第二发送器之间分配发送信号。可以在0%和100%之间连续分配发送信号。也就是可以进行任意分配。该切换优选是一种(可调的)转换，可在该转换时进行分配，使得用于第一发送器的发送信号调节到100%，而用于第二发送器的发送信号则变为0%，反之亦然。优选至少短时根据时间或者根据相位以可调的方式在两个发送器之间转换发送信号。优选进行该调节，使得参考由该接收器所接收的信号这里在某一预定义时间范围内分配给第一发送器的平均第一信号分量与这里在该预定义时间范围内分配给所述的第二发送器的平均第二信号分量基本上同样大。
[0021]按照该方法-参考由该接收器所接收的信号(称作接收器信号或者接收器输出信号)_将预定义时间范围内的平均第一信号分量与所述的预定义时间范围内的平均第二信号分量的偏差至少短时用作在至少第一发送器和第二发送器之间分配发送信号的调节信号、尤其用于可调地转换发送信号的调节信号。
[0022]第一发送器和第二发送器的发送信号可以是非调制信号或者调制信号。如果使用调制信号，例如频率调制信号或振幅调制信号，则在传感器的电路中设置可选的滤波器或者解调器，所述滤波器或者解调器优选直接将接收器输出信号解调，或者在借助于放大器进行放大之后将接收器输出信号解调。可选地，也能够以后在接收器信号的处理链中进行该解调。
[0023]在本发明的框架内已认识到需要改变系统的总体结构和调制，以便对一个或多个发送器进行纯数字操控。
[0024]根据本发明，在用于测量传输路径的传输特性的传感器或者装置中使用该方法。按照本发明，传感器包括调节电路。调节电路包括信号发生器、第一和第二乘法器、积分器和比较器。可以优选将该调节电路设计成数字逻辑或者有限状态机或者运算系统，其中，所述运算系统包括至少一个存储器和中央处理单元(中央处理器，CPU)。如果对调节电路数字化，还将第一和第二发送器的驱动器设计成数模特换器。优选使用一位数模转换器(DAC)。备选且同样优选的是使用多位DAC。按照本发明的传感器的接收放大器是模数转换器(ADC, Analog-Digital-Converter),其可将接收器的接收信号转变为数字化信号,然后在数字调节电路中对所述数字化信号继续进行处理。
[0025]因此，在馈送给发送器之前首先将数字信号转变为模拟信号。直接在接收器后面将接收器的模拟接收信号数字化，例如当发送器是LED的时候，则接收器可以是光电二极管。以数字方式进行该处理。
[0026]对补偿发送器进行纯数字操控的优点在于:一方面能以简单得多的方式对其进行测试-例如借助"扫描路径(Scan-Paths)"-另一方面通常可以使用比根据现有技术相当的模拟解决方案更小的芯片面积予以实现。
[0027]第一传输路径是待观察的传输路径，例如机动车前方的空间。如果定位在发送器和接收器之间的传输路线之中的目标也属于的传输路径的传输特性已知，则所识别目标的位置也是已知的。这样就可以识别目标。可以至少检测发送器或接收器至目标的距离。有可能必须使用多个第一发送器，以便识别目标的空间位置、运动和/或者速度。备选地，也可以使用多个接收器。
[0028]称作第二发送器的发送器是比较发送器或者补偿发送器，以使得所述装置和方法在任何情况下尽可能独立于干扰因素。第二发送器将信号经由不同于第一传输路径的第二传输路径直接发送到接收器。第二传输路径在其特性方面是已知的、预先确定的或者可以预先确定的。
[0029]按照本发明，以利用调节信号可调的方式来操控第一和第二发送器。在此，优选借助于开关在两个发送器之间实现时发送信号的可调转换。
[0030]按照本发明，在用于测量传输路径的传输特性的装置中可以使用以上所述的传感器，优选将其尽可能设计成数字的。该传感器具有传感器输出端，在该传感器输出端上将用来在第一和第二发送器之间转换发送信号的转换信号转发给处理单元。例如在机动车中可以将这种装置用来检测机动车附近的目标。该装置可以是例如泊车辅助系统或者距离测定
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[0031]当然，本发明并非局限于以LED为发送器且以光电二极管为接收器的光信号。发送器也可以是线圈、电容器、电容器板、天线或者其它控制装置，以便能够发送相应流体(包括射流性物质流)。然后相应地设计接收器，即，例如将其设计成光电二极管、线圈、天
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[0032]除了处理可见或不可见的光信号(例如红外辐射)之外，也可以使用声信号，也就是可听见范围或者不可听见范围内的声波，例如优选是超声波。然后相应地匹配传感器的电路。例如将发送器换成扬声器，将接收器换成麦克风。尤其当使用声波的时候，但也可以在使用光信号的时候，则可以使用调制载频。如果处理调制信号，则还要在传感器中布置可选的解调器，以便在继续处理之前将信号解调。
[0033]如果将传感器用在车辆之中，则使用光信号或者超声波信号尤其有利。这里也测量传输路径的传输特性。可以检测车辆附近的目标。例如可以使用该方法作为以光辐射为信号的测距雷达(雷达辐射)，或者，如果使用超声波(声信号)或者红外辐射，则可作为泊车辅助系统。优选将传感器的转换信号馈送给车辆中的处理单元。
[0034]以下说明仅为用于体现本发明的一个示例。因此，在详细描述本发明之前，应注意本发明并非局限于电路的相应器件或者相应的方法步骤，因为这些器件和方法可能有所变化。尤其可以如以下所述，备选地，用软件实现该方法的主要部分，或者将其设计成数字逻辑。规定这里所使用的概念仅仅用来描述特殊的实施方式，并且没有限制。此外，如果在说明书以及权利要求中使用单数或者不定冠词，只要总体上下文没有明确另作指示，那么这也涉及到复数个所述元素。
[0035]以下将参考附图描述本发明的实施例。附图示出:
[0036]图1用于执行本方法的一种装置的示意框图；
[0037]图2图1中信号的示例性时序；
[0038]图3利用声信号来执行本方法的装置(传感器)的示意框图；
[0039]图4使用调制载频信号时图1中的信号的按照图2的示例性时序；
[0040]图5实现为微处理器系统时的示意框图；以及
[0041]图6同时进行振幅调节和PWM调节时的示意框图。
[0042]首先根据图1 (示意框图)和图2 (信号图)解释本发明:
[0043]按照本发明的传感器100包括信号发生器1，该信号发生器产生信号2，通常是时钟信号。视开关3的位置而定，经由设计成驱动模块的放大器24将该信号2作为发送器馈送信号26转向发送器4，或者经由设计成驱动模块的放大器23将其作为补偿馈送信号25转向补偿发送器5。在该示例性情况下，涉及发送LED4和补偿发送LED5。以下将继续讨论基于LED和光电二极管的光学系统,也可以代之设想其它系统，例如
[0044].基于感应式传输信号的系统，并且其中发送器和接收器为线圈；
[0045].基于电容式信号的系统，并且其中使用电容器板作为发送器和接收器，或者
[0046].基于感应式传输信号、以线圈作为发送器并且以霍尔片作为接收器的系统，或者
[0047].基于电磁波的系统，并且使用天线作为发送器和接收器；或者
[0048].基于声波、以扬声器作为发送器并且以麦克风作为接收器的系统；或者
[0049].基于可变物质流的系统，例如管道中流动的液体或者气体或者其它流体，其中，发送器例如是反应物的注射器，而接收器例如是传感器，尤其是颜色测量传感器或者颜色测定仪；或者
[0050].基于其它可变或者可调制能流和/或者脉冲电流并且具有相应发送器和接收器的系统。
[0051]所有这些系统均运用这里所述的相同基本原理。
[0052]发送器4现在将信号7发射到传输路径6之中，该信号在通过传输路径6之后由接收器8收到。这时可以通过传输路径6改变信号7。这可以例如通过目标9来发生，例如信号7在到达接收器8之前在该目标上反射。
[0053]接收器8的信号27基于所接收的信号7。在放大器10中放大信号27，必要时对其进行阻抗改变。
[0054]在乘法器12中将放大器10的输出信号11与信号发生器I的信号发生器信号2相乘，得到新的信号13。
[0055]根据数字符号信号14将该信号13乘以-1或+1得到信号15，其中在符号发生器22中根据转换信号28产生数字符号信号14。这样就会在后续的积分器或者抽取滤波器16中将信号13向上积分或向下积分。通过比较器18将其模拟输出信号17转变为数字符号信号21。通过延时电路29将该数字符号信号21延时信号2的一个时钟周期而成为转换信号28。根据转换信号28确定是否将发送器4与信号发生器I和信号2相连，也就是是否发送，或者决定是否将补偿发送器5与信号发生器I和信号2相连。
[0056]因此，符号信号21决定开关3在信号2的下一个时钟周期时的位置。该方法基本上相当于信号2的叠加脉宽调制(PWM调制)，其中，进行PWM调制以产生用于第一发送器4的信号26，反过来进行PMW调制以产生用于补偿发送器5的信号25。
[0057]补偿发送器5本身将信号19发射到另一个同样终止于接收器8的传输路径20之中。第一传输路径6和第二传输路径20的信号7、19在这里相加。在接收器8的输出端由两个信号7、19构成信号27。
[0058]与按照例如在DE 10 2007 005 187中描述的Hal1s方法而对所谓的“光桥”进行已知的分析(其中，在接收器中将两个传输路径6、20的和信号27(交变分量)调节为零))相反，在此，两个信号分量27a、27b(通过传输路径6、20)的时间平均值在接收器8上调整为零。信号分量27a归因于第一发送器4的信号7,信号分量27b归因于第二发送器5的信号19。
[0059]如果存在相比信号发生器I的时钟频率慢的干扰-例如如果在使用LED的情况下出现外部光线变化，那么这就不是值得一提的缺点。通过使用Delta-Sigma方法，可省去已知电路中所需的可调电流源，例如在使用LED的情况下用于操控发送LED4、5的可调电流源。输出端21上的(数字)位流与符号信号14基本上一致。其仅仅提前一个时钟周期并且反转。它表示两个信号传输路径6、20的不平衡，也就是信号分量27a、27b相互之间的偏差。视应用而定，通过相应的抽取滤波器16来保证分辨率。
[0060]图3不出本发明传感器100的一种特殊实施方式。对于该传感器100,使用声信号
7、19，因此将发送器4和补偿发送器5设计成扬声器，接收器8是麦克风。信号7、19是由传感器100处理的声波或者超声波。应分别匹配发送器4、5和接收器8，使之适应于所使用的声波。若为超声波，则可以使用例如电动式和静电式扬声器，或者，尤其可使用压电式扬声器，或者例如压电式石英或陶瓷振荡器。
[0061]如果使用声波，则扬声器4、5也可以发射调制载频。为了在传感器100中继续处理这些信号，必须在接收器8后面设置滤波器或者解调器30。优选将可选的解调器30布置在放大器10和乘法器环节12之间。图4中示出对解调信号的使用。这里可看出信号25、26和27是调制信号。由于使用了滤波器30，该处理中的其它信号与图2中所示的信号相比保持不变。
[0062]如前所述，也能以软件实现该方法(例如在利用微型计算机平台、尤其是数字信号处理器平台(DSP平台)的情况下)。将根据图5对此进行简要且对于本领域技术人员而言充分的解释。
[0063]通过模数转换器(ADC) 30将接收器8的信号27转变为纯数字信号31，所述纯数字信号31输送给数字处理单元32。在此重要的是，ADC30也可以是一位或者多位ADC。如果在数字处理单元32的上下文中讨论，则因此意味着其功能基本上基于布尔函数。根据用途，本领域技术人员通常将该数字处理单元32例如实现为DSP平台、微型计算机平台或者数字逻辑电路等等。通常合理的做法是该数字处理单元32具有至少两个输出信号35、36 (数字的或者模拟的)，利用这些信号操控发送器4、5的驱动模块(放大器)24、23。视立场而定，当然可以将驱动器24、23当成数字处理单元32的一部分(如果这些驱动器同样提供数字输出信号26、25)。然而，所述驱动器24、23在功能上也可以是数模转换器24、23 (D/A转换器)，这些转换器不仅能够连接或切断信号26、25，而且也在其振幅方面相应地输出规定的、于是是数字的信号35、36(图5)。
[0064]此外合理的做法是，数字处理单元32能够经由接口 33(视用途而定，其可以设置为数字的或模拟的，或者按照比较复杂的标准或者协议设置)与上级系统进行通信，并且以合适的形式、尤其以数字或者模拟方式交换所确定的数据。图5所示的电路可以是例如机动车的接近传感器，而上级系统则是承担对信号的操控、分析和显示和/或对其进行继续处理的机动车电子系统的一部分。
[0065]在某些情况下，如根据图1和2所描述的一样，该系统所需的分辨率高于利用对信号26和25的上述互补PWM调制可以达到的分辨率。因此根据图6的扩展电路可能是合理的，在该电路中，模数转换器(ADC) 42将积分器信号17转变为数字值43。重新在延时单元29使其延时一个时钟周期，然后在进行相应匹配39、44、45之后调节各个可调节放大器38、41，使得不仅转换信号2，而且也进行振幅调节。由此，在振幅方面调节用于补偿发送器5的信号37以及用于发送器4的信号40。尽管将会因此而丧失能够尽可能以数字技术实现的优点，但是与现有技术相比仍然可提高总体分辨率。
【权利要求】
1.一种用于测量第一发送器(4)和接收器(8)之间的第一传输路径(6)的传输特性的方法，其中 -第一发送器(4)将第一信号(7)发送到第一传输路径(6)之中，在通过至少一部分第一传输路径(6)之后，由接收器(8)检测所述第一信号， -第二发送器(5)将第二信号(19)发送到第二传输路径(20)之中，所述第二传输路径在其特性方面是已知的、预先确定的或者可以预先确定的， -在接收器(8)中接收通过第二传输路径(20)之后的第二信号(19)，并且将其与第一信号(7)叠加， 其特征在于， -在第一发送器(4)和第二发送器(5)之间至少短时以可调方式分配发送信号(2); -由接收器(8)收到的接收信号(27)包括分配给第一发送器(4)的第一信号分量(27a)和分配给第二发送器(5)的第二信号分量(27b)，其中，预定义时间范围(T)内的平均第一信号分量(27)与所述时间范围(T)内的平均第二信号分量同样大，并且 -参考由接收器(8)收到的接收信号(27)，使用预定义时间范围(T)内的平均第一信号分量(27a)与所述预定义时间范围(T)内的平均第二信号分量(27b)的偏差至少短时作为用来在第一发送器(4)和第二发送器(5)之间分配发送信号(2)的调节信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少短时根据时间或者根据相位以可调方式在第一发送器(4)和第二发送器(5)之间进行转换，并且/或者以可调方式在第一发送器(4)和第二发送器(5)之间转换发送信号(2)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少短时在所述的第一发送器(4)和所述的第二发送器(5)之间以振幅可调的方式分配所述的发送信号(2)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将用来在第一发送器(4)和第二发送器(5)之间进行转换的转换信号(28)在乘以常量之后与经过放大或者未经放大、并且/或者与经过调制或者未经调制的接收信号(11，13)相乘。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将用来操控第一发送器(4)和第二发送器(5)的至少一个发送信号(2)与经过放大或者未经放大、并且/或者与经过调制或者未经调制的接收信号(11，13，15)相乘。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在乘以符号正确的转换信号(14)和发送信号(2)之后，对接收器(8)的接收信号(11，13，27)进行滤波，尤其是进行积分。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将接收信号在滤波和/或者至少一次相乘之后提供给比较器，所述比较器将所述信号转变为数字信号。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由比较器(18)所产生的位流是从至少第一发送器(4)至至少接收器(8)的传输路径￠)的特性的度量，并且/或者是与所述传输路径(6)存在作用关系或者是其一部分的目标(9)的特性的度量。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，产生发送信号(2)，优选产生数字发送信号(2)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，这些发送器(4，5)发出声信号，尤其是可听见或者不可听见的声信号或者超声波信号，并且接收器(8)接收通过这些传输路径(6,20)之后的声信号。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少一对发送器(4，5)发出磁通或者静电场或者电动力场或者光通，或者调制所属物质或物质流、尤其是液体或流体的特性，然后由接收器(8)对其进行接收和/或分析。
12.用于测量第一传输路径的传输特性的传感器，所述传感器包括 -第一发送器(4),所述第一发送器将第一信号(7)馈入到第一传输路径(6)中，-第二发送器(5)，所述第二发送器将第二信号(19)馈入到预先确定的或者可以预先确定的第二传输路径(20)中， -接收器(8)，用于接收第一信号(7)和第二信号(19)， -接收放大器(10)，用于处理接收器(8)的接收器信号(27)， -第一驱动器(24)，用于操控第一发送器(4)， -第二驱动器(23)，所述第二驱动器优选是放大器，用于操控第二发送器(5)，其中，所述第一驱动器(24)和第二驱动器(23)可以是一个器件， -调节电路，具有 -信号发生器(I)、开关(3)，以便将由信号发生器(I)所产生的发送信号(2)开关地转向第一发送器(4)或者第二 发送器(5)， -第一乘法器(12)，利用所述第一乘法器将放大后的接收信号与发送信号(2)相乘， -第二乘法器，用于将处理后的接收信号与带符号的转换信号(14)相乘， -积分器(16)，以及 -比较器(18)，用于将处理后的积分接收信号数字化，其中，所述比较器(18)的输出信号在借助于延时电路(29)延时之后确定所述开关(3)的位置。
13.根据权利要求12所述的传感器，其特征在于 -所述驱动器(24)和/或者所述驱动器(23)包括数模转换器(DAC)，所述数模转换器(DAC)优选设计成一位DAC或者多位DAC， -接收放大器(10)是模数转换器(ADC)，所述模数转换器将接收信号(27)转变为数字化信号(31), -其中，所述调节电路被设计成数字逻辑或者有限状态机(FSM)，或者被设计成具有至少一个存储器和中央处理器的数字运算系统(32)。
14.根据权利要求12或者13所述的传感器，其特征在于 -第一传输路径(6)是未预先确定的，并且/或者 -第一驱动器(24)是放大器，并且/或者 -第二驱动器(23)是放大器，其中，所述第一驱动器(24)和第二驱动器(23)优选是一个器件。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器(100)被设计以及设立用于执行上述权利要求1至9中任一项所述的方法。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的传感器，其特征在于，第一发送器(4)和第二发送器(5)各是LED或者灯或者各是线圈或者各是天线或者各是电容器板，并且接收器经过相应设计，尤其是光电二极管、线圈、天线、电容器板。
17.根据权利要求12至15中任一项所述的传感器，其特征在于，第一发送器(4)和第二发送器(5)各是扬声器，并且接收器经过相应设计，尤其是麦克风。
18.用于测量第一传输路径(6)的传输特性的装置，包括权利要求11至16中任一项所述的传感器(100)，其中将传感器(100)的转换信号(21)转发给处理单元。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，在机动车中将所述装置用来检测机动车附近的目标，其中， 所述装置优选是机动车的泊车辅助装置。
【文档编号】G01S7/486GK104204842SQ201280060530
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年11月8日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】E·施皮格尔 申请人:艾尔默斯半导体股份公司