CN107889051B - 用于确定可佩带物体与基站之间的距离的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定可佩带物体与基站之间的距离的过程和系统。对于用于确定距离的过程，提供在基站(2)与可佩带物体(3)之间发送的一系列高频编码信号。在激活所述可佩带物体之后接收第一同步信号时，在所述可佩带物体中进行响应信号的准备。针对所述站进行来自所述可佩带物体的高频连续编码信号的发送，其中最后响应信号通过在高传输速率下从所述站接收的最后信号的数据的调制被加扰。在从所述可佩带物体接收所述信号之后，在所述基站的处理单元(25)中进行分析，以便准确地确定所述基站与所识别的可佩带物体相隔的距离。

Description

用于确定可佩带物体与基站之间的距离的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于确定至少一个个性化可佩带物体与至少一个基站之间的距离的过程。

本发明涉及一种用于确定距离以便实现用于确定距离的过程的系统。

背景技术

通常在体育领域中，例如借助于可佩带物体定义参赛者在赛道上的时间，该可佩带物体可以是被永久激活或者由与基站关联的激活信号唤醒的应答器模块。但是，始终难以准确地确定由参赛者佩带的所述应答器模块与基站相隔的距离，以便在结束之前知道他/她在赛道上的位置。

在这点上，可以引用专利申请WO 2015/152809A1，其描述了一种位置检测过程和系统。该位置检测系统包括至少一个应答器模块和基站。基站发送用于应答器模块的伪随机码信号。该伪随机码信号在应答器模块中被延迟多个时钟脉冲，应答器模块在考虑产生的延迟的情况下重新发送伪随机码信号，以便使基站能够确定伪随机码信号在两个实体之间的飞行时间。但是，未提供从基站向应答器模块连续发送多个编码信号以便准确地确定应答器模块与基站之间的距离，也不可能容易识别被询问的应答器模块，这构成一个缺点。

发明内容

因此，本发明的一个目的是建议一种用于确定至少一个个性化可佩带物体与至少一个基站之间的距离的过程，以便弥补上述现有技术的缺点，而在发送可佩带物体的响应信号期间在可佩带物体中没有复杂计算。

为此，本发明涉及一种用于确定至少一个个性化可佩带物体与至少一个基站之间的距离的过程，所述过程包括在独立权利要求1中提及的特征。

在从属权利要求2至17中提及所述过程的特定步骤。

所述过程的一个优点在于以下事实：即，通过在所述基站与所述个性化可佩带物体之间发送的信号确定通信时间或飞行时间。此外，提供至少从所述可佩带物体向所述基站发送加扰编码响应信号。这因此使能正确地定义直接从所述可佩带物体发送的响应，以便将其与附近确定区域中的其它可佩带物体区分开。使用该确定系统，能够准确地测量所述可佩带物体与所述基站相隔的距离。所述可佩带物体可以以用于射频信号的无线通信的应答器模块的形式被配置。

所述过程的一个优点在于以下事实：即，在所述基站与所述可佩带物体之间的距离信息与由所述可佩带物体发送的所述扰码响应之间存在合并。这相当于空间加密。信息合并还可以使所述可佩带物体能够被标识。

有利的是，所述用于确定距离的过程的第一变型是使用全双工通信，所述全双工通信使用两个频率以便在所述基站与所述可佩带物体之间发送和接收信号。

有利的是，所述用于确定距离的过程的第二变型是在半双工方案中使用单个发送和接收频率，所述半双工方案在所述基站与所述可佩带物体之间通过信号序列的发送与接收之间的交替而操作。

有利的是，所述用于确定距离的过程的两个变型允许以不太精确的频率基准(通常为±40ppm)操作，前提是两个振荡器之间的相对频率误差对进行的距离估计仅具有非常轻微的不利影响。

在所述基站中的数字信号处理单元中进行用于确定与所述可佩带物体的距离的所有控制工作。这大大简化所述可佩带物体的电路，从而降低其成本并且还降低其功耗，因为它由小尺寸电池供电。此外，因为使用的通信链路是两个通信频率或单个通信频率上的窄带，这也简化使用的射频组件。

所述用于确定距离的系统使用相对窄带射频技术，该技术简单且ISM频带具有良好的灵敏度。所述系统具有相对窄带天线，其具有比UWB系统的天线更高的增益，这使得本发明的实现所述用于确定距离的过程的系统比UWB技术更简单和经济。此外，使用ISM通信频带的所述系统允许在全世界大多数国家以高功率(10至20dBm)发送信号，这增大距离确定系统的范围。

为此，本发明还涉及一种用于确定距离以便实现所述用于确定距离的过程的系统，所述系统包括在独立权利要求18中提及的特性。

在从属权利要求19至25中限定所述用于确定距离的系统的特定形式。

附图说明

通过附图，用于确定个性化可佩带物体与基站之间的距离的过程和系统的目的、优点和特征将在以下描述中变得更加清楚，这些附图是：

图1示出根据本发明的用于确定距离以便实现用于确定距离的过程的系统的第一实际示例；

图2示出由根据本发明的图1的用于确定距离以便实现用于确定距离的过程的系统的基站和可佩带物体发送和接收的不同信号；

图3示出根据本发明的用于确定距离以便实现用于确定距离的过程的系统的第二实际示例；

图4示出由根据本发明的图3的用于确定距离以便实现用于确定距离的过程的系统的基站和可佩带物体发送和接收的不同信号；

图5示出信号的发送和接收序列，其在根据本发明的图3的用于确定距离以便实现用于确定距离的过程的系统的基站与可佩带物体之间在时间上交替；以及

图6示出在特定调制情况下，在应答器模块的响应阶段期间并且取决于根据本发明的用于确定距离的过程的可佩带物体与基站之间的距离，在从基站到可佩带物体以及从可佩带物体到基站的发送和重新发送的编码信号的时间上的频率。

具体实施方式

在以下描述中，仅以简化方式描述用于确定距离以便实现用于确定距离的过程的系统的对本领域技术人员公知的所有组件。优选地参考体育领域中的距离确定，以便准确地确定活动区域上佩带可佩带物体的人员(例如运动员)相对于基站位置的距离。

图1示出用于确定可佩带物体与基站之间的距离1以便实现用于确定距离的过程的系统的第一实际示例。在用于确定距离1的系统的该第一实际示例中，基站2在活动区域上用于具体借助于射频信号与由设备佩带的可佩带物体3进行无线通信，该设备例如能够是人、动物或其它可移动物体。可佩带物体3优选地是应答器模块，其能够被佩带在运动活动区域上的人员的身体的一部分上，例如如果该人员是参赛者，则应答器模块在运动员号码中。基站能够被布置在活动区域的基准位置处，以便确定相对于体育比赛跑道的中间位置或终点位置的距离。

根据所述用于确定距离的过程，必须足够准确地检测可佩带物体(例如应答器模块3)与基站2相隔的距离。从应答器模块3的激活起，从基站2向应答器模块3进行可以被编码的射频命令或数据信号的连续发送和接收，反之亦然。执行发送到基站2的应答器模块3的编码响应信号中的距离信息的合并。信号的数字处理主要在基站2中执行，以便简化应答器模块3的工作。因此，在基站中准确地确定信号在基站与应答器模块之间以及在应答器模块与基站之间的飞行时间，并且因此准确地确定它们相隔的距离。

根据下面参考图2详细描述的所述用于确定距离的过程，必须至少从基站2向应答器模块3发送用于伪随机遭噪声序列的滚动码或调制的基本信号。应答器模块解调该信号，并且以所接收信号的相同载波频率或不同载波频率重新发送该信号。基站2然后连续发送另一个伪随机噪声调制信号，以使得应答器模块3重新发送该信号且向该信号添加附加调制。这允许将信息从应答器模块3发送到基站2。因此可以在基站2处准确地测量其与应答器模块3相隔的距离，并且接收特定于该应答器模块3的数据。

基站2具体包括发送器21、接收器22和用于信号的至少一个数字处理单元25，其连接到发送器21和接收器22。处理单元可以包括微处理器，其由本地振荡器23计时。该本地振荡器23优选地是具有石英晶体24的振荡器，其例如可以以大约26MHz的频率提供振荡基准信号。

在应答器模块3的激活命令之后，发送器21能够通过第一天线26将第一载波频率的射频命令或数据信号发送到应答器模块3的第一接收器天线36，这将在下面详细解释。在该第一实际示例中，第一高载波频率例如可以是2.4GHz的ISM频率。接收器22能够通过第二接收器天线27接收来自被询问的应答器模块3的第二载波频率的射频信号。该第二高载波频率例如可以是5.8GHz的ISM频率。

在基站2中执行激活命令之后的初始阶段中，可以首先通过发送器21的第一天线26发送低频LF激活信号，以便在活动区域中唤醒应答器模块3。但是，还可以设想以高频(例如2.4GHz)或者通过其它超声波信号或其它信号来唤醒应答器模块3。还可以以根据能够嵌入在应答器模块3和基站2中的时基定义的间隔，以定时方式进行应答器模块3的唤醒。将在下面更详细地解释在该初始阶段之后的过程的不同步骤。还可以通过所述应答器模块3的佩带者的动作来唤醒或激活所述应答器模块。

基站2的发送器21包括从本地振荡器23接收基准信号的第一频率合成器113。频率合成器113能够向第一混频器114和第二混频器115提供第一频率的振荡信号。从数字处理单元25，第一混频器114接收至少一个同相中间信号IF_I，中间信号IF_I在低通滤波器116中被滤波以便通过频率合成器的第一振荡信号对该中间信号进行频率上转换。从数字处理单元25，第二混频器115接收至少一个正交中间信号IF_Q，中间信号IF_Q在低通滤波器117中被滤波以便通过频率合成器113的第二振荡信号对该中间信号进行频率上转换。第一混频器114的第一频率的输出信号和第二混频器115的第一频率的输出信号在发送器21的加法器112中进行相加。输出放大器111连接在加法器112的输出端处，以便放大要通过第一天线26发送的射频输出信号。

应该注意，由发送器21的第一频率合成器113提供的第一振荡信号是同相振荡信号，而第二振荡信号是正交振荡信号。这提供与滤波后的同相中间信号IF_I和滤波后的正交中间信号IF_Q的相应混合。

如下面具体参考图2解释的，每个中间信号IF_I和IF_Q能够包括要通过第一天线26发送的同步码的调制。这可以是该代码的FSK或GFSK频率调制或其它类型。但是，还可以设想通过由数字处理单元25发送的调制信号Sm，调制由第一合成器113提供的每个振荡信号的频率。还可以设想PSK或BPSK相位调制。

应该注意，可以在基站2中提供伪随机噪声发生器，如在专利EP 2 796988B1中参考图2和第33至37段所述。该发生器可以由振荡器23计时，以便产生与处理单元25有关的伪随机噪声码。

基站2的接收器22包括第二频率合成器122，以便从本地振荡器23接收基准信号。提供第二接收器天线27，以便接收来自基站2询问的应答器模块3的至少一个射频信号。该第二接收器天线27连接到接收器22的低输入噪声放大器121，以便对接收的一个或多个信号进行放大和滤波。接收器22的第一混频器123用于通过第二频率合成器122的同相振荡信号对放大和滤波后的射频信号进行频率转换，以便提供由低通滤波器125滤波的同相中间信号IF_I。接收器22的第二混频器124用于通过第二频率合成器122的正交振荡信号对放大和滤波后的射频信号进行频率转换，以便提供由另一个低通滤波器126滤波的正交中间信号IF_Q。

数字处理单元25接收由接收器22提供的同相IF_I和正交IF_Q中间信号。在数字处理单元中，首先具有ADC模数转换器(未示出)，以便将中间信号转换成要在处理单元25中处理的中间数字信号。处理单元25还可以包括(全部未示出)中间数字信号的包络检测器、诸如多寄存器非易失性存储器之类的至少一个存储单元、以及用于转换要发送的数字信号的数模转换器。处理单元25由本地振荡器23提供的定时信号计时，该定时信号可以在大约为26MHz的频率下，或者在由二分频器组件进行分频的频率下。

应答器模块3包括与针对基站2描述的组件类似的组件(除了数字处理单元之外)。具体地说，应答器模块3包括：接收器32，其用于通过第一天线36接收第一频率的射频信号；发送器31，其用于通过第二天线37将第二频率的射频信号发送到基站2；以及至少一个逻辑单元35。应答器模块还包括本地振荡器33，其也可以是具有石英晶体34的振荡器，并且以与基站2的振荡器相同的方式运行。提供该本地振荡器33以便对应答器模块3中的所有操作进行计时。

应该注意，在应答器模块3中不提供信号的数字处理，特别是用于准确地确定距离的数字处理。另一方面，对在逻辑单元35中拾取的同步信号进行简单解码。该同步码使应答器模块3能够确定响应阶段的开始，在此期间根据重新发送的信号对特定于应答器模块3的数据进行过调制。

应答器模块3的接收器32因此包括从本地振荡器33接收基准信号的第一频率合成器132。提供第一接收器天线36，以便接收例如来自基站2并且已进行频率调制的至少一个射频信号。该第一接收器天线36连接到接收器32的低输入噪声放大器131，以便对接收的一个或多个信号进行放大和滤波。接收器32的第一混频器133用于通过第一频率合成器132的同相振荡信号对放大和滤波后的射频信号进行频率转换，以便提供由低通滤波器135滤波的同相中间信号IF_I。接收器32的第二混频器134用于通过第一频率合成器132的正交振荡信号对放大和滤波后的射频信号进行频率转换，以便提供由另一个低通滤波器136滤波的正交中间信号IF_Q。

逻辑单元35接收由接收器32提供的同相IF_I和正交IF_Q中间信号，逻辑单元35包括处理器或有限状态机。逻辑单元还能够包括(未示出)用于将中间信号转换成中间数字信号的ADC模数转换器、中间数字信号的包络检测器、时间延迟元件、信号频率调制发生器以及诸如非易失性存储器之类的至少一个存储单元。逻辑单元35还包括数模转换器，以便转换要发送到基站2的数字信号。逻辑单元35由本地振荡器33的石英晶体34提供的定时信号计时。振荡器33的频率可以大约为26MHz，或者在由二分频器组件进行分频的频率下。

在应答器模块中简化数字处理，因为用于确定信号的飞行时间的所有数字处理主要在基站2的处理单元25中进行。应答器模块3仅执行信号的简化处理，以便使其能够借助过调制同步响应阶段。

应答器模块3的发送器31包括第二频率合成器143，以便首先从本地振荡器33接收基准信号。第二频率合成器143能够向第一混频器145和第二混频器146提供第二频率的振荡信号。从逻辑单元35，第一混频器145接收至少一个同相中间信号IF_I，中间信号IF_I在低通滤波器147中被滤波以便通过第二频率合成器143的第一同相振荡信号对该中间信号进行频率上转换。第二混频器146从逻辑单元35接收至少一个正交中间信号IF_Q，中间信号IF_Q在低通滤波器148中被滤波以便通过第二频率合成器143的第二正交振荡信号对该中间信号进行频率上转换。第一混频器145的第二频率的输出信号和第二混频器146的第二频率的输出信号在发送器31的加法器142中被相加。输出放大器141连接在加法器142的输出端处，以便放大要通过应答器模块3的第二天线37发送的射频输出信号。

应该注意，在单元35中使用模数转换、随后使用数字滤波操作、然后使用数模转换将防止任何可能干扰的带外重新发送。实际上，存在于图1和3的方框32的输出信号IF_I、IF_Q上的任何过高频率将在重新发送之前被自动折叠成滤波后的频带。

首先应该注意，基站2的石英晶体24本地振荡器23类似于应答器模块3的石英晶体34本地振荡器33。因此，振荡频率基本上类似于±40ppm。这能够允许基站2和应答器模块3中的良好处理同步。根据第一变型，能够提供该过程的一个阶段以便相对于另一个振荡器调整一个振荡器，如下面参考图2解释的那样。

应该注意，对于用于距离确定的系统的每个变型，还可想到数个换向天线，因此允许系统在不同天线上的数个相继操作阶段的过程中，使用所属技术领域的技术人员公知的不同天线拓扑。

还应该注意，可以提供单个频率合成器以便以两个载波频率产生用于发送和接收信号的振荡信号。此外，数据或命令的调制可以是但不限于FSK、GFSK、PSK、QPSK或OQPSK调制以便使能执行距离测量。

为了在用于确定与应答器模块的距离的过程结束时发送响应码，可以从逻辑单元35向频率合成器143发送加扰调制命令Sr。但是，还可以直接针对提供给发送器31的第二频率合成器143的两个混频器145、146的中间信号IF_I和IF_Q设想调制。

现在将参考图2描述用于确定基站2与个性化应答器模块3之间的距离的过程。根据上述用于确定距离的系统的第一实际示例，在激活应答器模块之后，必须至少进行从基站2向应答器模块3发送同步信号。激活后的应答器模块3从基站2接收该第一同步信号，以便解调所述信号并且同步其响应阶段。在与应答器模块交换不同信号之后，基站2的处理单元能够准确地确定信号在两个实体之间的飞行时间，并且因此确定它们相隔的实际距离。

应该注意，在从基站2接收第一同步信号之后，应答器模块3的发送器可以被设置为处于操作状态。但是，还可想到，发送器的激活可以通过应答器模块3的佩带者的动作进行、在能够被编程的所确定的动作之后进行、或者在运动检测之后进行。

主要地，根据用于确定距离以便实现用于确定距离的过程的系统的第一实际示例，应答器模块能够直接通过按钮的动作或触摸应答码模块被激活。应答器模块例如通过50千位/秒的数据传输速率以第二频率向基站发送具有调制(例如FSK或PSK)的询问信号，以便开始用于确定距离的过程。该第二频率能够被选择为5.8GHz。但是，如图2中所示，能够通过在该过程的第一步骤或阶段中从基站2发送低频LF唤醒信号1，进行应答器模块3的激活。但是，还可以通过对模块按钮的手动动作或者通过与基站的时间同步，进行应答器模块的唤醒。在唤醒应答器模块之后并且在所确定的时间间隔之后，基站在该过程的第二步骤或阶段中以第一高频从应答器模块的发送器向接收器发送第一同步信号2。发送器的第一高频能够被选择为2.4GHz。

由基站针对应答器模块发送的第一同步信号2是编码后的基本调制信号，例如FSK或GFSK。应答器模块接收该同步信号，以便解调它并且同步其响应阶段。从该时刻起，应答器模块将其发送器设置为处于操作状态以便以大约5.8GHz的第二高频发送信号。

在该过程的第三步骤或阶段中，基站的发送器例如通过第一天线发送2.4GHz的第一频率的单个载波频率信号TX 3。该载波频率信号TX 3由应答器模块的接收器接收，应答器模块用作传输设备和接收的载波频率信号RX 3的频率变化(作为“变换器(transverter)”)。在接收该载波频率信号RX 3时，直接在应答器模块中执行到第二频率的转换，以便从应答器模块发送例如5.8GHz的第二频率的载波频率信号TX 3。第二载波频率的该接收信号RX 3在基站中被转换，以便存储在非易失性存储器的第一寄存器中。

在基站和应答器模块中并行和连续进行信号的发送和接收。该过程的该第三步骤用于校正基站和应答器模块的石英晶体振荡器的频率差。

在直接在第三步骤的载波频率信号之后的该过程的第四步骤或阶段中，基站的发送器发送编码调制信号，例如PSK或FSK，其是伪随机噪声信号PN 4。该信号PN 4在高速率(例如125兆位/秒)下传输，并且被滤波以便符合所使用的频带的标准。应答器模块以2.4GHz的第一高频接收该信号PN 4，以便针对基站重新发送转换为5.8GHz的第二高频的该信号PN 4。可以在从应答器模块发送编码信号期间添加时移。

在基站和应答器模块中并行进行信号PN 4的发送和接收。一旦接收来自应答器模块的信号PN 4，基站就转换该信号的频率并将其存储在非易失性存储器的第二寄存器中。

在该过程的第五步骤或阶段中，基站的发送器直接并且再次发送在第四步骤中发送的信号PN，其是编码调制信号(如PSK或FSK)，例如伪随机噪声信号PN 5。该信号PN 5也处于高速率(例如125兆位/秒)，并且被滤波以便符合所使用的频带的标准。应答器模块以2.4GHz的第一高频接收该信号PN5，以便以大约5.8GHz重新发送它，并且通过本地振荡器或者在重新发送期间或者通过任何其它调制参数来对其进行进一步附加调制(在50千位/秒下)。应答器模块因此产生响应信号(所述响应信号考虑该信号PN 5和特定于应答器模块的数据)，并且例如在50千位/秒下以5.8GHz的第二频率发送具有调制的该加扰响应信号。在发送应答器模块的加扰编码响应信号期间能够添加时移。响应信号还可以包含所述应答器模块的标识码或者由传感器测量的不同参数，例如温度、大气压、佩带所述应答器模块的人员的速度或加速度。

在基站和应答器模块中并行进行信号PN 5和响应码5的发送和接收。基站因此以5.8GHz的频率从应答器模块接收编码响应信号并且进行频率转换，以便将该信息存储在处理单元的非易失性存储器的第三寄存器中。

在该过程的第五步骤或阶段结束时，应答器模块进入静止或待机模式。从该时刻起，在该过程的第六步骤或阶段中进行在先前阶段内获得并且存储在存储器的不同寄存器中的信息的数字处理。在基站的数字处理单元中进行捕获的信息的所有处理。

首先，基站的数字处理单元分析存储在存储器的第一寄存器中的信息，并且借助于快速傅里叶变换FFT确定基站与应答器模块的两个石英晶体振荡器之间的频率误差。但是，还能够直接在应答器模块中执行应答器模块的时基与基站的时基之间的频率对准。

数字处理单元随后分析存储在存储器的第二寄存器中的信息，将其与在分析存储器的第一寄存器期间围绕振荡器的校正频率的已知PN码相关联。该关联的结果直接给出基站与应答器模块之间以及应答器模块与基站之间的飞行时间。两个部件的电子组件中的调制器、接收器、滤波和其它操作的不同过渡时间也被考虑在内。但是，这些过渡时间通常在制造基站和应答器模块的电子电路之后被校准并被补偿。

应该注意，还基于飞行时间的知识确定应答器模块与基站相隔的距离。

最后，基站的数字处理单元通过去除存储在存储器的第三寄存器中的信息与已知PN码的关联来分析该信息，其从在分析存储在存储器的第二寄存器中的信息期间获得的关联时间被移位。该最后操作使能使用在该过程的第五步骤期间由应答器模块发送的编码响应信号来恢复调频载波。过调制信号(例如通过FSK、ASK、PSK或任何其它类型的调制)的解调则允许取回由应答器模块发送的响应码。应答器模块因此被完全识别，这也允许从可能在相同时间被询问的数个其它应答器模块知晓佩带该应答器模块的人员。

还应该注意，该过程在不同信号的发送和接收期间的每个阶段的时间可以大约为1毫秒(ms)或者甚至更短。该持续时间限定解调带宽，并且因此限定系统的灵敏度，即最大有效范围。从应答器模块的激活到存储在基站中的信息的完整处理的总持续时间T₀可以大约为10毫秒。

图3示出用于确定距离1以实现用于确定距离的过程的系统的第二实际示例。尽管基站2与应答器模块3之间的信号发送和接收以单个载波频率发生并具有信号发送和接收的交替，但是基站2和应答器模块3的不同组件类似于参考图1描述的组件。因此，为了简化，将不再描述参考图1描述的相同组件，并且将仅描述用于确定图3的距离的该系统的不同部分。

在用于确定距离1以便实现用于确定距离的过程的系统的该第二实际示例的情况下，通过同一天线并且以单个载波频率进行发送和接收两者，该载波频率例如可以被选择为5.8GHz。在基站2和应答器模块3中执行发送与接收之间的交替。

在基站2中仅具有一个频率合成器113，以便针对混频器以接近5.8GHz的频率产生同相和正交振荡信号。在发送器21中，频率合成器113向第一混频器114提供同相振荡信号，以便提高要发送的同相中间信号IF_I的频率。频率合成器113向第二混频器115提供正交振荡信号，以便提高要发送的正交中间信号IF_Q的频率。两个混频器的输出信号在由放大器111放大之前在加法器112中被相加，放大器111的输出端连接到开关元件120(其连接到单个天线26)以便发送和接收信号。根据用于具体由处理单元25将发送切换到开关元件120的命令，在发送模式下通过天线26发送由发送器提供的信号。该开关元件120优选地是具有两个输入端和一个输出端的多路复用器，其具有来自处理单元25的切换命令，处理单元25由来自本地振荡器23的定时信号计时。

频率合成器113还针对接收器22的第一混频器123提供同相振荡信号LO_I，并且针对接收器22的第二混频器124提供正交振荡信号LO_Q。根据用于将接收切换到开关元件120的命令，在接收模式下由天线26拾取的信号被低噪声放大器121放大，然后被提供给接收器的第一和第二混频器，以便降低接收的信号的频率，并且向处理单元25提供滤波和发送的同相IF_I和正交IF_Q中间信号。

在应答器模块3中，也仅具有一个频率合成器143，以便针对混频器以接近5.8GHz的频率产生同相和正交振荡信号。在发送器31中，频率合成器143向第一混频器145提供同相振荡信号，以便提高要发送的同相中间信号IF_I的频率。频率合成器143向第二混频器146提供正交振荡信号，以便提高要发送的正交中间信号IF_Q的频率。两个混频器的输出信号在由放大器141放大之前在加法器142中被相加，放大器141的输出端连接到开关元件150(其连接到单个天线36)以便发送和接收信号。根据用于具体由逻辑单元35将发送切换到开关元件150的命令，在发送模式下通过天线36发送由发送器31提供的信号。该开关元件150优选地是具有两个输入端和一个输出端的多路复用器，其具有来自逻辑单元35的切换命令，逻辑单元35由来自本地振荡器33的定时信号计时。

频率合成器143还针对接收器32的第一混频器133提供同相振荡信号LO_I，并且针对接收器32的第二混频器134提供正交振荡信号LO_Q。根据用于将接收切换到开关元件150的命令，在接收模式下由天线36拾取的信号由低噪声放大器131放大，然后被提供给接收器32的第一和第二混频器，以便降低接收的信号的频率，并且向逻辑单元35提供滤波和发送的同相IF_I和正交IF_Q中间信号。

还应该注意，还可以分别针对每个实体的发送器和接收器提供两个频率合成器，尽管产生的振荡信号针对信号的发送和接收在相同载波频率下。此外，数据或命令的调制例如可以是但不限于FSK、GFSK、PSK、QPSK、OQPSK或其它调制以便使能执行距离测量。

现在将参考图4描述用于确定基站2与个性化应答器模块3之间的距离的过程。根据上述用于确定距离的系统的第二实际示例，用于确定距离的过程仅比上面针对图1的用于确定距离的系统的第一实际示例描述的过程少一个步骤或阶段。针对用于确定距离的系统的第二实际示例中的该用于确定距离的过程，重复上述第一、第二、第四、第五和第六步骤或阶段。相比之下，省略第三步骤或阶段，即用于确定两个振荡器之间的频率误差的载波频率信号的发送。在以单个载波频率(例如以5.8GHz)进行发送和接收的这种情况下，频率误差变得无关紧要。

基站和应答器模块中的单个天线用于以5.8GHz的单个通信频率发送和接收编码信号。在这些条件下，在应答器模块和基站中必须具有编码信号的发送与和接收之间的交替。用于发送和接收的时间窗口或时间间隔随时间交替，这意味着来自基站或应答器模块的信号的接收可以在每个接收窗口的一部分上发生。具体在基站中，发送与接收之间的交替在高速(例如，每500纳秒(ns))下发生，如可以在图5中通过符号所示。

可以提供时间间隔以便在应答器模块中相对于基站发送和接收不同持续时间的编码信号，如图5中所示。但是，在基站和应答器模块中定义发送持续时间等于接收持续时间。因此，相对于基站，在应答器模块中的发送与接收之间具有时移。

如图5中通过符号所示，三角形被示为表示信号序列随时间的发送和接收。可以看到，因为发送和接收时间窗口在基站与应答器模块之间移位，所以基站的一部分发送可以由应答器模块接收，并且同样应答器模块的一部分发送可以由基站接收。例如对于基站，每个窗口的持续时间可以大约为500纳秒，而对于应答器模块，每个窗口的持续时间可以大约为350纳秒。相比之下，在应答器模块与基站之间确定的飞行时间为几纳秒。

还应该注意，为了获得在发送序列与接收序列之间充分重叠的长序列，应答器模块必须提供已定义和公知的内部信号延迟。还必须注意，应答器模块和基站的发送和接收序列必须同步，或者必须具有不同频率以便防止寄生去同步。基站和应答器模块同时处于发送和接收模式，如图5中所示。

尽管例如基站仅接收一部分信号以便分析，但是关联将很容易识别例如飞行时间。由发送/接收间隔的重叠导致的一部分信号损失仅影响灵敏度(即系统的范围)，信号损失70％将使灵敏度降低10dB。

在针对也进行频率调制的PN信号的频率过调制的情况下，在图6中示出应答器模块为了发送它自己的消息而进行的过调制操作。基于由基站以时间差T_OF(其为应答器模块与基站之间的飞行时间)接收的PN码，由应答器模块发送的加扰编码信号的频率变化在此是明显的。相对于时间的频率图顶部的第一个信号示出应答器模块的编码响应信号。在该示例中，该响应信号将接收的PN编码信号(在13兆位/秒下并且转换为5.8GHz)与本地振荡器上的FSK调制(在1兆位/秒下)相组合，以便给出加扰编码响应信号。在该第一个信号上明显的是应答器模块的响应信号的频率变化，以便在转换后的PN信号上定义1兆位/秒下处于状态“1”的位、随后是处于状态“0”的位、再随后是处于状态“1”的位。下面的第二个信号仅示出1兆位/秒下的数据位的变化，而第三个信号是由基站接收并且在持续时间T_OF内移位的信号。对于本地振荡器上1兆位/秒的传输速率，每个位的持续时间T_Key大约为1微秒(μs)，而13兆位/秒下的PN码的变化的持续时间T_PN大约为80纳秒。

如上面解释的，在应答器模块的加扰码的响应与计算的距离信息之间存在合并。此类编码响应可以被智能地解耦。该第二动作简单地经由要从应答器模块重新发送的中央载波的调制而在该第二步骤期间(该第二步骤紧随距离估计)进行，如图6中所示。调制可以以任何方式进行(频率、相位、振幅、重新发送周期)。就基站而言，DSP数字处理使用在第二步骤中确定的精确PN相位，以便根据所述第一变型或者根据第二变型的反射响应波，对横向响应波进行去卷积。当先前检测到的距离等于已计算应答器模块的响应的应答器模块本身的距离时，调制后的PN码用作仅导致正确解扰的扰码。

基于上述描述，本领域的技术人员能够设想用于确定基站与可佩带物体之间的距离的过程和系统的数个变型而不偏离由权利要求限定的本发明的框架。

Claims (25)

1.一种用于通过无线信号通信确定至少一个个性化可佩带物体与至少一个基站之间的距离的方法，其中所述基站包括高频射频信号的发送器、高频射频信号的接收器、数字处理单元以及用于对所述基站的操作计时的本地振荡器，并且所述可佩带物体包括高频射频信号的发送器、高频射频信号的接收器、逻辑单元以及用于对所述可佩带物体的操作计时的本地振荡器，

其中所述方法的特征在于它包括以下步骤：

-根据第一步骤，激活所述可佩带物体，

-根据第二步骤，从所述基站发送第一同步信号，并且在所述可佩带物体中接收来自所述基站的所述第一同步信号，以便在后续响应信号中同步特定于所述可佩带物体的数据的附加调制，其中，所述附加调制是由所述可佩带物体进行的，与所述基站不同的调制；

-根据第三步骤，从所述基站发送第二编码信号，在所述可佩带物体中接收来自所述基站的所述第二编码信号并将所接收的第二编码信号重新发送到所述基站，以及在所述基站中接收来自所述可佩带物体的重新发送的第二编码信号，以便转换所述重新发送的第二编码信号并将其存储在所述数字处理单元的第一存储寄存器中，

-根据第四步骤，从所述基站发送第三编码信号，在所述可佩带物体中接收所述第三编码信号并重新发送加扰响应信号，所述加扰响应信号基于接收的所述第三编码信号并具有特定于所述可佩带物体的数据的附加调制，以及在所述基站中接收来自所述可佩带物体的所述加扰响应信号，以便转换所述加扰响应信号并将其存储在所述数字处理单元的第二存储寄存器中，

-然后分析存储在所述第一存储寄存器中的信息，方式为：将所述信息与所述数字处理单元中的已知PN码相关联以便确定信号在所述基站与所述可佩带物体之间的飞行时间，以及从所述飞行时间推断所述可佩带物体与所述基站相隔的距离，以及

-分析存储在所述第二存储寄存器中的信息，方式为：去除所述信息与所述已知PN码的关联，以便在响应码对应于所述个性化可佩带物体的情况下，确定在加扰编码响应信号中发送的响应。

2.根据权利要求1所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述可佩带物体在所述加扰编码响应信号的发送结束时被停用。

3.根据权利要求1所述的用于确定距离的方法，其特征在于，

在从所述基站接收所述第一同步信号之后，所述可佩带物体的所述发送器被设置为处于操作状态；或者，

在所述可佩带物体的佩带者的动作之后，所述可佩带物体的所述发送器被设置为处于操作状态；或者

在所确定的动作之后，所述可佩带物体的所述发送器被设置为处于操作状态；或者，

根据在作为应答器模块的所述可佩带物体与所述基站之间定期建立和同步的时间同步，所述可佩带物体的所述发送器被设置为处于操作状态。

4.根据权利要求1所述的用于确定距离的方法，其特征在于，在所述可佩带物体的激活之后，所述基站以确定的时间间隔发送所述第一同步信号，其中由所述可佩带物体接收的所述第一同步信号允许准备所述响应信号并允许将所述可佩带物体的所述发送器设置为处于操作状态。

5.根据权利要求1所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述基站相继发送：所述第二编码信号和所述第三编码信号，它们是第二伪随机噪声码信号和第三伪随机噪声码信号。

6.根据权利要求1所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述基站的所述发送器在所述可佩带物体的激活之后的所确定的时间间隔相继发送：所述第一同步信号、随后是无码载波频率信号、随后是作为伪随机噪声码信号的所述第二编码信号、随后是作为相同伪随机噪声码信号的所述第三编码信号，并且其特征在于，所述可佩带物体的所述接收器相继接收：所述第一同步信号、所述载波频率信号以及所述伪随机噪声码信号，以便将在所述逻辑单元中处理的这些信号重新发送到所述基站。

7.根据权利要求6所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述可佩带物体的所述发送器向所述基站重新发送由所述可佩带物体的所述接收器从所述基站接收的所述载波频率信号，以便转换所述载波频率信号并将其存储在所述数字处理单元的第三存储寄存器中。

8.根据权利要求7所述的用于确定距离的方法，其中所述基站的所述本地振荡器是具有石英晶体的振荡器，并且其中所述可佩带物体的所述本地振荡器是具有石英晶体的振荡器，该振荡器类似于所述基站的具有所述石英晶体的所述振荡器，其特征在于，分析存储在所述数字处理单元的所述第三存储寄存器中的信息，以便确定两个所述振荡器之间的频率误差，所述频率误差在确定所述信号在所述基站与所述可佩带物体之间的飞行时间中被加以考虑。

9.根据权利要求6所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述基站的所述发送器在高传输速率下以第一高频发送所述信号，并且其特征在于，所述可佩带物体的所述发送器以不同于所述第一高频的第二高频发送所述信号。

10.根据权利要求9所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述第一高频的值为2.4GHz，其特征在于，所述基站的所述信号的所述高传输速率为125兆位/秒，其特征在于，所述第二高频的值为5.8GHz，其特征在于，所述编码响应信号中的所述附加调制的速率为50千位/秒。

11.根据权利要求1所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述基站的所述发送器在所述可佩带物体的激活之后的所确定的时间间隔相继发送：所述第一同步信号、随后是作为伪随机噪声码信号的所述第二编码信号、随后是作为相同伪随机噪声码信号的所述第三编码信号，并且其特征在于，所述可佩带物体的所述接收器相继接收：所述第一同步信号、以及所述伪随机噪声码信号，以便将在所述逻辑单元中处理的这些信号重新发送到所述基站。

12.根据权利要求11所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述基站的所述发送器和所述接收器以及所述可佩带物体的所述发送器和所述接收器通过所述基站的天线和所述可佩带物体的天线以单个高频发送和接收所述信号。

13.根据权利要求12所述的用于确定距离的方法，其特征在于，所述高频的值为5.8GHz，其特征在于，来自所述基站的所述信号的高传输速率为125兆位/秒，并且其特征在于，所述编码响应信号中的所述附加调制的速率为50千位/秒。

14.根据权利要求12所述的用于确定距离的方法，其特征在于，进行通过所述基站的所述天线和所述可佩带物体的所述天线的信号发送和接收的切换，以便在所述基站与所述可佩带物体之间发送和接收的信号序列的发送与接收之间具有交替。

15.根据权利要求14所述的用于确定距离的方法，其特征在于，来自所述基站的信号的发送持续时间和信号的接收持续时间相等，并且其特征在于，来自所述可佩带物体的信号的发送持续时间和信号的接收持续时间相等。

16.根据权利要求15所述的用于确定距离的方法，其特征在于，来自所述基站的信号的发送和接收持续时间大于来自所述可佩带物体的信号的发送和接收持续时间，但小于所述第一同步信号、所述第二编码信号和所述第三编码信号的每个发送或接收阶段的持续时间。

17.根据权利要求6所述的用于确定距离的方法，其特征在于，连续地相继进行所述编码信号在所述基站和所述可佩带物体中的发送和接收，其特征在于，信号的每个发送和接收阶段的持续时间在所述基站和所述可佩带物体中相等。

18.一种用于确定距离以便实现根据权利要求1所述的用于确定距离的方法的系统，其中所述系统包括基站和用于与所述基站进行无线信号通信的个性化可佩带物体，其中所述基站包括高频射频信号的发送器、高频射频信号的接收器、数字处理单元以及用于对所述基站的操作计时的本地振荡器，并且所述可佩带物体包括高频射频信号的发送器、高频射频信号的接收器、逻辑单元以及用于对所述可佩带物体的操作计时的本地振荡器。

19.根据权利要求18所述的用于确定距离的系统，其特征在于，所述基站的所述本地振荡器是具有石英晶体的振荡器，并且其中所述可佩带物体的所述本地振荡器是具有石英晶体的振荡器，该振荡器类似于所述基站的具有所述石英晶体的所述振荡器。

20.根据权利要求18所述的用于确定距离的系统，其特征在于，所述基站的所述发送器连接到第一天线以便以第一高频发送信号，其特征在于，所述基站的所述接收器连接到第二天线以便以第二高频接收信号，其特征在于，所述可佩带物体的所述接收器连接到第一天线以便以第一高频接收信号，并且其特征在于，所述可佩带物体的所述发送器连接到第二天线以便以所述第二高频发送信号。

21.根据权利要求20所述的用于确定距离的系统，其特征在于，所述第一高频为2.4GHz，并且其特征在于，所述第二高频为5.8GHz。

22.根据权利要求18所述的用于确定距离的系统，其特征在于，所述基站的所述发送器和所述接收器借助形式为多路复用器的开关元件(120)与单个天线连接以便以高频发送和接收信号，并且其特征在于，所述可佩带物体的所述发送器和所述接收器借助形式为多路复用器的开关元件(150)与单个天线连接以便以相同高频发送和接收信号。

23.根据权利要求22所述的用于确定距离的系统，其特征在于，所述高频为5.8GHz。

24.根据权利要求18所述的用于确定距离的系统，其特征在于，所述基站被布置在活动区域上，并且其特征在于，所述可佩带物体是能够由所述活动区域中的人员佩带的应答器模块，其中所述应答器模块能够通过手动操作按钮或触摸所述模块被激活，或者通过由所述基站发送的低频唤醒信号被激活，或者还能够基于所述基站与所述应答器模块之间的已定义和同步的间隔被定期激活。

25.根据权利要求18所述的用于确定距离的系统，包括以中间频率的信号处理、继续到第一模数转换、随后是数字滤波操作、然后是第二数模转换，以便防止重新发送带外干扰信号。

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