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Die Erfindung betrifft Verfahren
zur kontinuierlichen Echtzeitvertolgung der Position von wenigstens
einem mobilen Objekt in einem definierten mehrdimensionalen Raum
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie zugehörige Sender
und Empfänger zur
Verwendung in diesem Verfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 19 bzw.
21.
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Seit geraumer Zeit besteht bei unterschiedlichen
Interessengruppen das Anliegen, bewegte Objekte bzw. Personen in
Ihrem Bewegungsablauf studieren bzw. diesen nachvollziehen zu können, was die
exakte Angabe der Position des Objekts örtlich und zeitlich voraussetzt.
Von besonderem Interesse sind hierbei unter anderem Spielbälle insbesondere in
kommerzialisierten Sportarten, wie z.B. die im dreidimensionalen
Raum hoch beschleunigten Fußbälle ebenso
wie Tennis- oder Golfbälle.
Die Fragestellung, wer das bespielte Objekt zuletzt berührt hat,
wie es getroffen wurde und in welche Richtung es weiterbeschleunigt
wurde, kann dabei abhängig
von der Spielart für
den Ausgang des Spiels entscheidend sein. Spielgeräte, die
im Hochleistungssport eingesetzt werden wie z.B. Tennisbälle, Golfbälle, Fußbälle und
dergleichen, lassen sich dabei inzwischen auf extrem hohe Geschwindigkeiten
beschleunigen, so dass die Erfassung des Objekts während der
Bewegung eine sehr differenzierte Technologie erfordert. Die bislang
eingesetzten technischen Mittel – vonnriegend Kameras – genügen den
oben dargestellten Erfordernissen nicht oder nur ungenügend; auch
die bislang bekannten Verfahren zur Positionsbestimmung mittels
unterschiedlicher Sender- und
Empfängerkombinationen
lassen noch einen großen
Spielraum bezüglich
der räumlichen
Auflösung
der Positionsangaben, bezüglich
der Handhabbarkeit der benötigten
Sender/Empfängerkomponenten
und vor allem bezüglich
der Auswertung der mittels Sender/Empfängersystem erhaltenen Daten,
so dass eine schnellstmögliche
Bewertung der aus diesen Daten erhaltenen Ergebnisse noch nicht
möglich
ist.
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Als Navigations- oder Ortungssysteme
sind bisher nachstehend genannte Technologien bekannt, die jedoch
für die
genannten Anwendungsbereiche nicht geeignet sind, da sie sich entweder
für eine
reflexions- und dämpfungsbehaftete
Umgebung nicht eignen oder die Angabe der Position abhängig von den
Empfangsbedingungen nicht genau genug für die genannten Anwendungen
angegeben werden kann.
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Es gehören hierzu:
- – GPS ähnliche
Systeme: Ein mobiler Empfänger empfängt gleichzeitig
die Signale von mindestens 3 Sendern; aus den Differenzen der "Time-of-Arrival" (TOA) kann der Empfänger seine
Position bestimmen. Für
den o.g. genannten Anwendungsfall müsste jeder Empfänger mit
einem Transmitter ausgerüstet
werden, der fortlaufend die Position an einen Zentralrechner überträgt. Dazu
wird die vollständige
Navigationsberechnung in den mobilen Transceiver Modulen durchgeführt, was
einer komplexen Signalverarbeitung mit hoher Rechenleistung und
größtem Speicherbedarf
entspricht. Ein solches System ist in US-A 5,438,518 offenbart. Um eine erhöhte Positionsgenauigkeit
zu gewährleisten
werden dazu Signalmerkmale über das
zu betrachtende Feld digital zentral gespeichert und die Signalcharakteristik
der empfangenen Signals mit den gespeicherten Informationen korreliert.
Nachteilig ist hier die erhebliche und wohl kaum durchführbare Miniaturisierbarkeit
des Systems. (s.a. DE
100 53 959 A1 , WO 02/037134 A)
- – Radarsysteme:
Laufzeitmessung mit (aktiven) Transpondern bzw. Tags. Ein Sender
am Rand des Spielfeldes sendet einen Impuls aus, der vom bewegten
Objekt empfangen wird und der nach einer bestimmten Zeit ein Echo
zurückwirft.
Aus der Gesamtlaufzeit des Signals kann dann der Abstand zwischen
Sender und bewegtem Objekt bestimmt werden. Siehe hierzu US-A 4,660,039 . Die
gleichzeitige Verfolgung mit hoher Zeitauflösung von vielen Objekten ist
mit dieser Technologie sehr schwierig.
- – Richtantennen:
Die bewegten Objekte werden über
Antennen mit sehr hohen Richtwirkungen verfolgt, wobei sie Signale
aussenden, die auf die Empfangsantennen ausgerichtet sind. Wenn
mindestens zwei Antennen verwendet werden, kann über die Winkel der Antennenausrichtung
die Position bestimmt werden. Dieses Prinzip ist in US-A 5,513,854 für die Ortung
von Athleten auf einem Spielfeld beschrieben. Das US-A 5,583,517 beschreibt
ein auf dem selben Prinzip basierendes System, wobei der mobile
Transmitter das Signal auf viele unterschiedliche Träger spreizt,
die resultierenden Signale werden im Empfänger rekombiniert, um resistent
gegenüber
Mehrwegausbreitung zu sein. Nachteilig ist, dass eine geeignete
Auflösung
nur dann erzielt wird, wenn extrem hohe Frequenzen (→ Licht)
verwendet werden.
- – Optische
Systeme: Die Objekte werden über mehrere
Kameras verfolgt. Die Verfolgung selber kann automatisch über Bildverarbeitung
(Mustererkennung) oder über
elektromagnetische Technologie (Magnetische Sensoren) erfolgen. Über die
Bildauswertung kann die Position errechnet werden. Problem: Optische
Systeme können
nur die Position bestimmen, wenn die Objekte nicht durch Hindernisse
verdeckt sind. Die Ortung kann derzeit auch nicht automatisch und
online ausgewertet werden.
- – Feldstärke-Messungen
anhand von Barken o.a.: Auf dem Spielfeld sind sehr viele Empfänger (oder Sender)
verteilt ("Barken"). Die Feldstärke des
Signals entspricht dem Abstand zwischen den Barken und dem bewegten
Objekt. Aus den Feldstärken
kann dann die Position berechnet werden. Nachteilig ist, dass für eine hohe
Auflösung
sehr viele Barken installiert werden müssen.
- – Aus
der DE 100 54 282
A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen
der Position, Orientierung und/oder Verformung eines Objektes bekannt,
bei dem ein oder mehrere Signalgeber am Objekt angeordnet sind,
die elektromagnetische Signale aussenden. Die Ansteuerung der Signalgeber
ist derart gestaltet, dass die einzelnen Signale voneinander unterscheidbar
sind. Sie werden auf wenigstens einen zweidimensional auflösenden Lagedetektor
(PSD) projiziert, dort in zweidimensionale Lagekoordinaten umgewandelt
und dann in Informationen zu Position, Orientierung und/oder Verformung
des Objekts überführt. Das
System ist recht aufwändig
und arbeitet im Wesentlichen dennoch nur zweidimensional.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen Echtzeitverfolgung der
Position von wenigstens einem mobilen Objekt in einem definierten
dreidimensionalen Raum mit sehr hoher Ortsauflösung und einer zeitlichen Auflösung von
wenigen Millisekunden zu einer kontinuierlichen Verfolgung der Position
eines oder mehrerer mobiler Objekte und/oder Personen zu jeder Zeit
und an jedem Ort zu schaffen. Ferner sollen zugehörige Sender
und Empfänger
zur Verfügung
gestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
zur kontinuierlichen Echtzeitverfolgung mit den Merkmalen des Anspruches
1 sowie zugehörige
Sender und Empfänger
mit den Merkmalen der Ansprüche
19 bzw. 21 gelöst.
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Die Nutzung des Frequenzbandes als
einziger Kanal ermöglicht
eine höhere Übertragungsrate und
damit Abtastrate zur Erhöhung
der Ortsauflösung
und zeitlichen Auflösung,
die erforderlich ist, um auch Objekte mit Geschwindigkeiten von
z.B. bis zu 150 km/h zu erfassen. Dennoch sollen die Komponenten
des in der Endung enthaltenen Systems robust, kompakt und geschickt
handhabbar, von möglichst
geringer Größe und außerdem widerstandsfähig gegen
mechanische z.B. Stöße oder
chemische Belastung wie z.B. auch Körperschweiß sein. Ein Ziel ist auch,
diese Komponente in einem Ball zu integrieren. Um dies zu erreichen,
erfolgt die Kommunikation zwischen Sendern und Empfängern (E1,...,En) auf dem
Prinzip des pseudo-zufälligem
Zeitmultiplex mit Sendebursts (B) von niedriger Kreuzkonelation
mit nicht synchronisierten Pseudozufallsmustern. Insbesondere die
nicht synchronisierte Kommunikation erlaubt einen robusteren Aufbau
insbesondere der am stärksten
belasteten Sender. Das zufällige
Zeitmultiplex und die Zufallsmuster erhöhen in ihrer Kombination deutlich
die Ortungsgenauigkeit zur Vermeidung der Mehrwegübertragung.
Werden aber mehrere Sender, z.B. bei einem Fußballspiel etwa 100 Sender erforderlich,
um Spieler und Ball zu erfassen, lassen sich die dann anfallenden
Datenmengen nur auf diesem Wege mit der entsprechenden Genauigkeit
erfassen und übertragen.
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Es handelt sich damit um ein drahtloses funkbasiertes
System, das aus mobilen Sender-Modulen
besteht, die an den mobilen Objekten des zu analysierenden Systems
angebracht werden und deren Signale von einem festen Empfänger- und
Signalverarbeitungsnetzwerk empfangen und zentral verarbeitet werden.
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Von besonderer Bedeutung ist hierbei,
dass die Kommunikation zwischen Sendern und Empfängern über den Mechanismus des pseudo-zufälligen Zeitmultiplex
mit Sendebursts niedriger Kreuzkorrelation mit nicht synchronisierten
Pseudozufallsmustern realisiert wird, die z.B. als eine Kombination
der Zugriffsmechanismen Zeitmultiplex und Codemultiplex verstanden
werden kann (Anspruch 10). Beim Zeitmultiplex (TDMA) (s.a.
US-A 6,204,813 )
senden die Sender der bewegten Objekte im Zeitmultiplex, so dass
jeder Sender auch einen Empfänger
enthalten muss, der dem Sender einen Synchronisationsimpuls zur
Verfügung
stellt, von dem dann der Zeitpunkt des Sendebursts abgeleitet wird.
Beim Codemultiplex (CDMA) werden für die Sender orthogonale Spreizsequenzen
verwendet, so dass die Sender nicht synchronisiert werden müssen. Bei
unterschiedlich entfernten Sendern wird jedoch das Signal des weiter
entfernten Senders durch das des näheren überdeckt.
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Die Anwendung nicht synchronisierter
Pseudozufallsmuster vereinfacht die Gestaltung der Sender, da ein
Empfänger
für das
Aufnehmen eines Synchronimpuls nicht benötigt wird. Allerdings ergibt
sich durch das Unterlassen der Synchronisierung eine Verschiebung
der Zufallsmuster gegeneinander, was das Einhalten der Bedingung
erschwert, dass möglichst
wenige Sender zeitgleich aktiv sein sollen; d. h. das Auffinden
geeigneter Zufallsfolgen wird erschwert. Dieses Problem wird jedoch
gelöst
durch die Verwendung von Sequenzen mit niedriger Kreuzkorrelation,
welche die Trennung der Signale durch die Erkennungssequenz des
Senders ermöglichen,
die einem gewissen Teil des Sendebursts entspricht, falls es tatsächlich vorkommt,
dass mindestens zwei Sender gleichzeitig ein Signal absetzen. Durch
die hohe Impulsrate kann das System ohne weiteres auf einzelne Werte
verzichten, wenn diese nicht detektiert werden können..
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Die Genauigkeit kann weiter erhöht werden, wenn
eine Synchronisation der Pseudozufallsmuster über ein Empfangsmodul im Sender
nach Anspruch 14 integriert wird, um bei vielen Sendern die Wahrscheinlichkeit
der Überlagerung
zu reduzieren.
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Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch
15 werden sämtliche
Senderempfangsdaten erfasst und gespeichert. Aufgrund der gespeicherten
Daten ist damit bedarfsweise auch eine Nachbearbeitung möglich, um
gegebenenfalls genauere Algorithmen entsprechend auf bestimmte z.B.
entscheidungserhebliche Situationen anzuwenden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus
dem Unteransprüchen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
der beigefügten
Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf ein Spielfeld mit Empfängern und
Sendern,
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2 den
Suchbereich für
die Abtastung eines Sendebursts,
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3 ein
Empfängernetzwerk,
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4 eine
Sendereihenfolge verschiedener Sender,
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5 eine
Darstellung der Anordnung der Empfänger,
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6 die
die Sender und Empfänger
verknüpfenden
Netzwerke,
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7 eine
schematische Darstellung der Sendebursterzeugung,
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8 eine
schematische Darstellung eines Empfängers.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
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In den Figuren wird ein Verfahren
zur kontinuierlichen Echtzeitverfolgung der Position von wenigstens
einem mobilen Objekt in einem definierten mehrdimensionalen, hier
dreidimensionalen Raum erläutert.
Als mobiles Objekt sind in 1 ein
Spielobjekt, hier ein Fußball,
gekennzeichnet durch seinen Sender Sb, sowie ein Spieler, gekennzeichnet durch
seinen Sender Sp, dargestellt. Wenngleich im Folgenden das Verfahren
anhand eines Fußballs
und der Spieler eines Fußballspiels
als mobile Objekte erläutert
wird, so ist darauf hinzuweisen, dass gleichwohl auch andere Anwendungsgebiete
denkbar sind, in denen es um die Erfassung sich bewegender Objekte
mit hoher Ortungsgenauigkeit und zeitlicher Auflösung, also um die Erfassung
hoch dynamische Bewegungsabläufe
geht. Eine Beschränkung
auf den Einsatzbereich im Sport erfolgt durch die folgende Erläuterung
nicht.
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Das wenigstens eine mobile Objekt
kann zunächst
einmal der Sender Sb im Fußball
sein, wenn es allein darum geht, die Bewegung des Fußballs zu erfassen.
Zur Auswertung von Spielabläufen
oder zu Studien der Spielerbewegung ist es jedoch auch sinnvoll,
wenn ergänzend
die Spieler selbst zu mobilen Objekten werden, bei denen z.B. in
den Schienbeinschonern Sender Sp angeordnet sind, um die Bewegung
und Bewegungsrichtung der Spieler erfassen zu können. Damit liegen unmittelbar
statistisch auswertbare Daten z.B. über Laufwege der Spieler oder
Geschwindigkeit von Spieler und Ball vor. Es lässt sich z.B. berechnen, wie
dicht der Ball das Tor verfehlt hat. Auf der Basis dieser Daten
lassen sich sogar neue Videospielformen entwickeln. Ferner ergeben
sich Hilfestellungen zur Optimierung von Spieltaktiken und Trainingskonzepten.
Da die Daten auch spielerspezifisch vorliegen können objektive Leistungsdatenbanken
oder ein persönliches Trainingskonzept
erstellt werden. Aber auch das Spielgerät kann bezüglich seiner Eigenschaften
näher betrachtet
und optimiert werden.
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Dies hat zur Konsequenz, dass ein
umfangreiches Netzwerk erforderlich ist, dass z.B. aus 8 Empfängern E,
E1–En besteht und die Laufzeitdaten von bis zu
100 Sendern S, Sb, Sp, S1- S6
umfasst. Ferner sind Referenzsender R1 bis
Rn erforderlich, um z.B. die Infrastruktur
zu kalibrieren. Da sich das mobile Objekt, hier z.B. der Fußball, mit
Geschwindigkeiten bis zu 150 km/h bewegen kann, ist zumindest für den Ballsender
eine hohe Wiederholrate eines Sendeburst von 0,5 ms erforderlich,
was bei einer Bewegung des Falls mit 150 km/h einer Ortsauflösung von
2 cm entspricht. Dieser Sendeburst enthält sämtliche für die Identifikation und Ortung
des Senders erforderlichen Daten, worauf noch eingegangen wird.
Das System wird damit bei hoher Genauigkeit echtzeitfähig, so
dass eine kontinuierliche, zeitnahe Datenlieferung z.B. zur Unterstützung des Schiedsrichters
und für
Fernsehbilder erst möglich wird.
Die endgültige
Entscheidung bleibt aber dem Schiedsrichter überlassen.
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Vorzugsweise erfolgt die Übertragung
der Daten im Frequenzbandbereich von 2,4 GHz, wobei vorzugsweise
die Bandbreite von 80 MHz als einziger Kanal zur Maximierung der
Ortungsgenauigkeit genutzt wird. Hierzu wird an dem mobilen Objekt
ein mobiles Sendermodul angebracht, dessen Signale von einem stationären Empfänger- und
Signalverarbeitungsnetzwerk empfangen und zentral verarbeitet werden.
Die von dem Sendemodul emittierten Signale sind elektromagnetische,
im Zeitmultiplexverfahren ausgesandte Wellen. Zur Erhöhung der Übertragungsmöglichkeiten
und der Ortungsgenauigkeit erfolgt die Kommunikation zwischen Sendern
S, Sp, Sb und Empfängern
E1–En auf dem Prinzip des pseudo-zufälligen Zeitmultiplex
mit Sendebursts B von niedriger Kreuzkorrelation mit nichtsynchronisierten Pseudozufallsmustern.
Die Ortungsgenauigkeit kann auch dadurch verbessert werden, dass
die relevanten Rohdaten gespeichert werden und angepasst in Navigationsalgorithmen
eingesetzt werden. Durch die Speicherung ist es z.B. möglich, iterativ
die Genauigkeit zu verbessern oder die Daten von besonderem Interesse,
z.B. einem Torschuss mit aufwendigeren Algorithmen zu analysieren.
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Um eine hohe Ortsauflösung entsprechend einer
hohen Genauigkeit der Laufzeitmessung zu erhalten, wird ein Signal
mit möglichst
hoher Bandbreite verwendet. Da die verfügbare Bandbreite aber begrenzt
ist, müssen
sich die Sender das verfügbare Spektrum
nach dem Codemultiplex- und Zeitmultiplex-Prinzip teilen. Da die
Empfangszeit vorzugsweise nicht synchronisiert ist, senden die Sender
zu zufälligen
Zeitpunkten. Zufällige Überlagerungen
werden in Kauf genommen, wie dies insbesondere 4 verdeutlicht. Gemäß Detail X senden die Sender
S2, S3 gleichzeitig, während
sie gemäß Detail
Y zeitversetzt senden. Derartige Überlagerungen können mehrfach vorkommen,
sind jedoch auf Grund der entsprechenden Abtastrate zugunsten der
erhöhten
Robustheit der Sender als auch ihres kompakten Aufbaus akzeptabel.
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Jeder Sender sendet zu einem Sendezeitpunkt
nur einen kurzen Sendeburst B, der von den Empfängern E1–En erfasst wird. Ortsfeste Referenzsender
R1 bis Rn dienen
als Positionsreferenzen zur Fehlerminimierung und zur Kalibrierung
des Systems. Diese senden ebenso wie der wenigstens eine mobile
Sender des beweglichen Objekts einen Identifizierungscode und Signale
aus, die zur Ermittlung ihrer Laufzeit von Empfänger detektiert werden. Die Referenzsignale
werden über
eine Signalfrequenz SF2 von im Ausführungsbeispiel 250 MHz synchronisiert.
Ferner sind die Empfänger
gemäß 6 ebenfalls über eine
Signalfrequenz SF1 von im Ausführungsbeispiel
25 MHz gemäß 6 miteinander synchronisiert.
Die Empfänger,
die damit gemäß 3 in einem Empfängernetzwerk 12 angeordnet
sind, erhalten damit über
die Taktleitung 13 eine erste Information, über die
Leitung 14 eine Zeitmarke und über die Leitung 15 ihre
Energieversorgung. Die auf Grund dieser Informationen erfassten
Daten werden mit den detektierten Signalen über die Datenleitung 17 an den
Datenport 16 einer Zentralrecheneinheit CPU übermittelt,
so dass sich aus den ermittelten Signalen die Position des mobilen
Objekts bestimmen lässt.
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Es werden wenigstens vier Empfänger benötigt, um
in einem dreidimensionalen Raum ein Objekt zu orten. Laufzeitdifferenzen
werden an den jeweiligen Empfängern
erfasst. Die geometrische Lösung der
Positionsbestimmung lässt
sich über
die Lösung eines
hyperbolischen Gleichungssystems bestimmen.
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Die Referenzsignale werden über Kabel,
vorzugsweise Glasfaserkabel verteilt. Die mobilen Sendermodule der
Sender S, Sp, Sb emittieren zeitbegrenzte Sendesignale als Sendebursts
B. Die Sendeburst B werden unter Anwendung nicht synchronisierter
Pseudozufallsmuster gesendet, die eine Kombination der Zugriffsmechanismen
Zeitmultiplex und Codemultiplex sind, um dadurch die vorhandene Bandbreite
möglichst
voll umfänglich
zu nutzen. Zur Verringerung von Überlagerungen
werden Pseudozufallsmuster verwendet, die vorzugsweise Primzahlenfolgen
sind. Die kleineren Primzahlen werden dabei den sich schneller bewegenden
Sendern, also im Ausführungsbeispiel
dem Sender Sb im Ball zugeordnet, während die höheren Primzahlen den sich langsamer
bewegenden Sendern Sp zugeordnet sind.
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Die Trennung zweier zufällig gleichzeitig
ankommender Signale erfolgt durch den Empfänger, der hierzu nicht erfasste
Einzelwerte toleriert. Dies ist auf Grund der hohen Impulsrate möglich. Die
nicht synchronisierten Sendebursts können ergänzend durch ein Empfangsmodul
im den Sendern synchronisiert werden. Die am HF-Frontend empfangenen analogen
Empfangssignale werden in einer Auswerteeinheit digitalisiert und
die Empfangszeitpunkte der Signale vom jeweiligen Sender zur Referenzzeit
bestimmt. Für
die Aufarbeitung der empfangenen Signale, die Auftrennung des empfangenen
Signals in mehrere Signalquellen (Unterscheidung der Sender) und
die Charakterisierung für
jedes Sendesignal des momentanen Bewegungsablaufs wird eine Software mit
einer bestimmten Methodik verwendet, die über mehrere Algorithmen mit
variablen Parametern verfügt.
Diese werden interaktiv je nach Situation angepasst und kombiniert.
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Zur Gewährung der Echtzeitübertragung
verfügt
der Sender und Empfänger über eine
Hardware, mit der der Triggerzeitpunkt zur Datenaufzeichnung exakt
erfasst werden kann. Ferner ist eine Auswerteeinheit mit einer digitalen
Hardware zur Aufbereitung eines Synchronisationssignals vorgesehen,
das über entsprechende
Schnittstellen eingespeist wird.
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Bevor das System in seinen normalen
Betriebsmodus übergeht,
werden wichtige Daten in der Konfigurationsphase gewonnen. Dies
ist zur Kalibrierung des Systems nötig, um z.B. die Laufzeit im
Glasfasernetzwerk zu berücksichtigen.
Hierbei wird auch ein Systemcheck durchgeführt, um evtl. Probleme in Teilen
wie den Empfängern
zu erkennen. Nach dieser Phase erfolgt die Synchronisation mittels
der Korrelationsfunktion auf die Sender. Grundsätzlich senden die Sender zeitlich äquidistante
Datenpakete, so dass eine Zuordnung möglich ist. Die Synchronisationsroutine
muss für
den jeweiligen Sender also einmal ein Datenpaket „gefunden" haben und kann dann den
nächsten
Sendezeitpunkt mit einer bestimmten Genauigkeit vorhersagen, da
das Sendemuster ja bekannt ist. Dementsprechend wird die Triggerlogik angesteuert,
um die digitalisierten Daten im Speicher wieder finden zu können. Anhand
der Position im Speicher und der in der Korrelationsroutine ermittelten
Abweichung vom Sollzeitpunkt ermittelt die Routine unter Laufzeitberechnung
die Entfernungsdaten gemäß 2 ausgehend vom erwarteten
Sendezeitpunkt t0. Es ergibt sich damit
ein Suchbereich s, innerhalb dem das nächste Signal auftauchen muss.
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Algebraische Verfahren zur Lösung der
Navigationsgleichungen weisen den Nachteil auf, dass sie abhängig von
Infrastruktur, Geometrie und Qualität der einzelnen Messungen an
den Empfängern sehr
wechselhafte und in vielen Fällen
unzureichende Positionsgenauigkeiten liefern. Deshalb werden algebraische
Algorithmen nur zur Initialisierung und zur Überwachung anderer Algorithmen
eingesetzt. Durch Verwendung mittelnder Verfahren kann in Anhängigkeit
der Häufigkeit
der Positionsberechnungen eine erhebliche Verbesserung erzielt werden.
Des weiteren kann durch die Berücksichtigung
von Qualitätsinformationen
der stochastisch charakteristischen Messung eine zusätzliche
Optimierung der Positionsgenauigkeit erreicht werden. Im konkreten Ausführungsbeispiel
kommt der KALMAN-Filter zum Einsatz, der die beiden aufgezeigten
Verbesserungen kombiniert und durch geeignete Prädiktionsmodelle der Bewegung
zusätzlich
die Berücksichtigung der
aktuellen Situation erlaubt (situation awareness).
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In Sonderfällen hochdynamischer Situationen
des zu trackenden Objektes, z.B. wenn der Ball vom Tor abprallt,
entstehen gesondert zu lösende Problemstellungen.
Zur Lösung
dieser Problemstellung ist es notwendig, zusätzliche Algorithmen zur Erfassung
hochdynamischer Fälle
einzuführen.
Hierfür wird
ein Vergleich der Bewegungssituation vor und nach einer zu überprüfenden Position
durchgeführt. Durch
Ermittlung der Unterschiede in beiden Bewegungsphasen (vorher, nachher)
kann auf die Dynamik der Situation geschlossen werden. Ein entsprechende
Nachverarbeitung dieser Situation in der umgedrehten Zeitachse kann
hiermit durchgeführt
werden.
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Zur weiteren Verbesserung der Positionsgenauigkeiten
werden Verfahren zur Kurvenglättung der
einzelnen Raumkoordinaten eingesetzt. Zum einen werden Algorithmen
verwendet, die unter Tolerierung einer bestimmten zeitlichen Verzögerung noch
in den Echtzeitrahmen des Systems passen. Hier wird eine bereichsweise
Kurvenglättung
durchgeführt.
Im Falle eines vorher detektierten dynamischen Falls wird das Verfahren
situationsbedingt adaptiert. Eine Kurvenglättung wird in diesem Fall nicht über diesen
dynamischen Zeitpunkt hinweg durchgeführt, sondern durch beidseitiges
Annähern
an diesen Zeitpunkt. Die noch fehlenden, nicht geglätteten Bereiche
können
durch geeignete Interpolationsalgorithmen logischer oder mathematischer
Natur gefüllt werden.
Eine wesentliche Verbesserung der Positionsgenauigkeit im dynamischen
Fall ist die Folge.
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Soweit zur Optimierung dieser Algorithmen erforderlich,
wird eine Kombination zwischen den zu glättenden Raumkoordinaten eingeführt, welche
die Erhöhung
der Detektionssicherheit von dynamischen Fällen nach sich zieht.
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Bedarfsweise können Verfahren zur Nachbearbeitung
zum Einsatz kommen, die keine zeitliche Rechenzeiteinschränkung unterliegen
und auch ausgelagert angewendet werden können. Diese liefern im Vergleich
zu den echtzeittähigen
Algorithmen eine zusätzlich
erhöhte
Positionsgenauigkeit, da größere Bereiche
zur Kurvenglättung
herangezogen werden können.
Auch in diesen Fällen
wird sichergestellt, dass die detektierten dynamischen Fälle geeignet berücksichtigt
werden.
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Im Empfänger werden die Daten damit
wie folgt verarbeitet:
Während
der Akquisitionsphase wird die Sendezeitpunktfolge synchronisiert.
Dazu werden Algorithmen mit reduzierter Zeitauflösung eingesetzt. Ziel ist lediglich,
die Zeitpunkte der zukünftigen
Sendezeitpunkte zu schätzen.
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Im Tracking-Modus werden die Sendebursts fortlaufend
mit höherer
Genauigkeit erfasst und die momentane Position berechnet. Es werden
nur im geschätzten
bzw. vorher berechneten Sende- bzw. Eingangszeitpunkt die eingehenden
Signale ausgewertet. Außerdem
wird die Schätzung
des nächsten Sendezeitpunktes
nachgeführt.
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Optional können im Zoom-Modus gespeicherte
Daten noch mit zusätzlichen
Algorithmen verarbeitet werden. Im Zoom-Modus können z.B. auch Daten in umgekehrter
zeitlicher Reihenfolge verarbeitet werden, um sich z.B. von beiden
Seiten an eine Diskontinuität
(z.B. Ball prallt an Torpfosten ab) heranzutasten.
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Der Empfänger erfasst daher die Daten
mit hoher Abtastfrequenz und speichert sie zwischen. Entsprechend
den geschätzten
Sendezeitpunkten werden nun die relevanten Daten weiter verarbeitet und
optional auch weiterhin gespeichert, um sie z.B. in Algorithmen
des Zoom-Modus zur Verfügung
zu stellen.
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Die Genauigkeit kann durch Datennachbearbeitung
und die Einbindung von externen Sensoren wie z.B. Beschleunigungssensoren
im Ball oder von Bilddaten gesteigert werden. Das System liefert
z.B. im Sekundentakt die Positionsdaten aller sich im Betrieb befindlichen
Sender.
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Beispielhaft wurde als Übertragungsbereich das
2,4 GHz-Band vorgeschlagen, grundsätzlich können jedoch auch andere Bänder in
niedrigeren Bandbereichen eingesetzt werden, um den Stromverbrauch
niedrig zu halten. Denkbar ist aber auch der Einsatz im höheren Frequenzbereich
z.B. 5,8 GHz, 9,4 GHz, 24 GHz bei niedrigeren Reichweiten und höherer Entfernungsauflösung. Da
die Empfänger
die von den Sendern ausgesandten Signale detektieren und deren Laufzeitdifferenz
ermitteln, müssen
sie sehr genau untereinander synchronisiert sein, was mit einem
hochstabilen Referenzsignal über
die Taktleitung 13 und im Ausführungsbeispiel Glasfaserkabel
erreicht werden kann. Die empfangenen Daten liefern die Empfänger E1–En über
ein Datennetzwerk an eine Zentralrecheneinheit CPU, die daraus die
Position der einzelnen Sender errechnet. Diese Daten bestehen aus
der Laufzeit sowie der Qualitätsbewertung
der empfangenen Signale. Ein Rückkanal
zwischen mobilen Sendern S, Sp, Sb und stationären Empfängern E1–En ist für
die Lokalisierung selbst nicht unbedingt nötig, erlaubt jedoch eine Verbesserung
der Positionsbestimmung, würde
aber andererseits eine Erhöhung
der Systemkomplexität und
somit der Kosten bedingen.
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Durch die Übertragung auf dem Prinzip
der pseudo-zufälligen
Zeitmultiplex mit orthogonalen Sendeburst und nicht synchronisiertem
Pseudozufallsmuster wird es möglich,
dass der Empfänger
die Signale deutlich trennen kann. Senden tatsächlich zwei Sender gleichzeitig
ein Signal ab, so erscheint der „ungewünschte Sender" als Rauschen. Zumindest
ergeben sich Störabstände, die
eine Detektion des Signals noch problemlos möglich machen.
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Dieses Konzept hat den Vorteil, dass
die Sender nur für
kurze Zeit aktiv sind, so dass nur geringe Stromverbräuche anfallen.
Die Sender müssen nicht
synchronisiert sein, so dass ein senderseitiges Empfangsmodul entfallen
kann, wodurch der Sender wesentlich vereinfacht und robuster wird.
Durch die Pseudozufallsfolgen in Form der Primzahlen überlagern
sich während
einer Sendeperiode nicht immer die gleichen Sender, so dass die
ungünstige
Situation, dass sich ein weit entfernter Sender ständig mit einem
nahen Sender überlagert,
grundsätzlich
vermeiden lässt.
Damit kann das „near-far"-Problem statistisch
eliminiert werden. Die Kollisionswahrscheinlichkeit der Sendebursts
B wird verringert.
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Das Sendesignal kann mit der Formel s(t) = g(t) ej(2πf·t) beschrieben
werden, wobei g(t) das Basisbandsignal beschreibt und f die Trägerfrequenz.
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Das Empfangssignal für die verschiedenen Empfänger kann
mit eν(t) = h(t)·(g(t – τ) ej2πf·(t – τ)))beschrieben
werden, wobei h(t) die Verzerrungen durch den Übertragungskanal (Dämpfung,
Frequenzgang,...) und τ die
Laufzeit zwischen Sender und Empfänger beschreibt.
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Für
die Bestimmung der Laufzeit τ können folgende
Methoden betrachtet werden:
- – Es wird
nur das Basisbandsignal g(t) verwendet.
- – Die
Trägerphase
wird mit ausgewertet.
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Wenn die Trägerphase mit ausgewertet werden
soll, ergibt sich folgende Situation: Für das betrachtete ISM Band
ist die Trägerfrequenz
ca. 2,4GHz. Damit ergibt sich eine Periodendauer von 0,4ns. Eine
Trägerphasenauswertung
würde also eine
Mehrdeutigkeit von 0,4ns besitzen. Eine Trägerphasenauswertung kann also
nur dann zur Steigerung der Genauigkeit einbezogen werden, wenn über andere
Methoden eine Genauigkeit von besser als 0,4ns erzielt wird.
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Das Basisbandsignal im Empfänger kann
mit der Gleichung eν(t)=
h(t)·(g(t – τ) ej(2πΔf·t + φν)) beschrieben
werden. Δf
beschreibt hierbei den Frequenzoffset, wenn nichtsynchronisierte
Oszillatoren in den Sendern verwendet werden. φν ist
der Phasenoffset zwischen den Oszillatoren.
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Die Laufzeit τ kann über Korrelation eν(t)
mit dem bekannten Sendesignal g(t) bestimmt werden. Die Genauigkeit
dieser Korrelation ist ein Schlüsselparameter
für die
Positionsgenauigkeit. Die Genauigkeit der Korrelation wird bestimmt
durch die Eigenschaften der Autokorrelierten des Signals, den Methoden,
die für
die Berechnung der Korrelation verwendet werden und den Störeinflüssen.
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Ein grundsätzlich die Genauigkeit störendes Problem
könnte
die Mehrwegeausbreitung und/oder die Körperdämpfung sein, die sich durch
Signale ergeben kann, die nicht unmittel bar oder nach Reflektion
an deren Gegenständen
dem Empfänger
zugeleitet werden. Daher muss in den Empfängern E1–En steht das frühest ein eintreffende Signale
für die
Enffernungsberechnung verwendet werden, auch wenn es evtl. nicht
das stärkste
ist. Dies wird im konkreten Ausführungsbeispiel
dadurch erleichtert, dass in den Empfängern die zeitlichen Sendeburst-Abstände aller
Sender bekannt sind und somit auch in etwa der Zeitpunkt bekannt
ist, zu dem die Sendesignale im Empfänger „erwartet" werden.
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Ein Sendeburst B dauert 25 μs, wobei
5 μs als
Guardperiod für
das Ein- und das Ausschalten der Sendeendstufe eingeplant sind.
Die Sender-ID-Sequenz dauert 15 μs
und beinhaltet 750 Bit. Die restlichen 5 μs tragen 250 Bit Informationen
als Daten. Somit ergibt sich eine Datenrate von 50 Megabit pro Sekunde.
Bei der beispielhaft zur Verfügung
stehenden Gesamtbandbreite von 80 MHz im ISM-Band bei 2,4 GHz ergibt
sich somit für
die HF-Übertragung
der Bitsequenzen ein roll-off Faktor von a = 0,6 in der Basisbandfilterung.
Für den
Ball ist eine Burstwiederholfrequenz von 0,5 ms geplant, während die
Spielersender eine Wiederholfrequenz von 4 ms aufweisen. Daraus
ergibt sich eine Zeitausnutzung von 67,5 %. Dies ermöglicht neben
einer asynchronen, durch Zufallsfolgen betriebenen Sendersteuerung
ggf. auch eine durch einen HF-Rückkanal
synchronisierte Sendersteuerung mit den angesprochenen Nachteilen. Im
Ergebnis ergibt sich eine resultierende minimale Ortsauflösung pro
Sendeburst bei einem Ball von bis zu 20 mm und beim Spielersender
bis zu 44 mm.
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7 zeigt
ein Blockschaltbild des Sendermoduls. Das Modul besteht aus einer
Ablaufsteuerung 80, einer Sendedatenerzeugung 81 und
einer Sendebursterzeugung 82. Die Ablaufsteuerung 80 kontrolliert
die zeitlichen Abläufe
in der Schaltung. Sie bekommt den Sys temtakt von der Sendebursterzeugung 82 geliefert
und triggert ihrerseits sowohl die Sendedatenerzeugung 81 als
auch die Sendebursterzeugung 82. Die Sendedaten werden
in der Sendedatenerzeugung 81 generiert, wobei auch Sensordaten
mit verarbeitet werden können.
Die Daten werden dann in der Sendebursterzeugung 82 auf
einen Hochfrequenzträger
aufmoduliert. Hierauf erfolgt die Abstrahlung des Sendeburst über die
Antenne 83.
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Die Sendedatenerzeugung 81 besteht
aus der Datenburstformung 81a, dem Sender-ID-Block 81b und
der Sensordatenaufbereitung 81c. Die Datenburstformung 81a verarbeitet
die von der Sensordatenaufbereitung 81c gelieferten Sensordaten
mit der Sendeerkennung aus dem Sender-ID-Block 81b, welche
eine für
jeden Sender spezifische Bitfolge darstellt. Es entsteht der Datenburst,
welcher an die Sendebursterzeugung 82 weitergeleitet wird.
Die Sensordaten stammen im Falle des Ballsenders von einem Beschleunigungssensor
und können
beim Spielersender z.B. medizinische Daten beinhalten. Die Sendebursterzeugung 82 beinhaltet
den Referenzoszillator 82a, die Hochfrequenzerzeugung,
den Modulator 82b sowie die Endstufe 82c. Die
Sendedaten werden zunächst über Datenfilter 82d gefiltert, um
die Bandbreite zu verringern, um sie daraufhin auf den Hochfrequenzträger aufmodulieren
zu können.
Nach der BPSK-Modulation wird das Signal verstärkt und anschließend im
Bandpassfilter 82e gefiltert, um Nebenaussendungen zu unterdrücken. Über die
Antenne 83 wird der Sendeburst schließlich abgestrahlt. Die Ablaufsteuerung 80 kontrolliert
die zeitliche Generierung der Datenburst und die Einschaltung der
Endstufe 82c entsprechend des Zeitmultiplexverfahrens.
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8 zeigt
die funktionalen Blöcke
eines Empfängers. Über die
Antenne 90 empfangene Hochfrequenzsignale werden auf eine
Zwischenfrequenz umgesetzt und dort mit Hilfe eines A/D-Umsetzers
digitalisiert. Die digitale Verarbeitung gewinnt daraus die zeitlichen
Abstände
der empfangenen Sendesignale der einzelnen Sender in Bezug auf die Synchronimpulse,
die vom Empfangsblock 91 an alle Komponenten im Empfänger verteilt
werden. Außerdem
werden die so generierten "rohen
Laufzeitdaten" noch
mit einem Qualitätsmerkmal
versehen, dass die Empfangsfeldstärke bzw. Gültigkeit des entsprechenden
Messwertes beinhaltet, bevor sie an den Zentralrechner weitergeleitet
werden. Die empfangenen Radiosignale werden mit einem rauscharmen Verstärker verstärkt, bevor
sie bandpassgefiltert werden. Nach abermaliger Verstärkung und
Filterung erfolgt die Mischung in den Zwischenfrequenzbereich. Da
die Digitalisierung durch Unterabtastung erfolgt, muss hier nochmals
eine Filterung durchgeführt
werden, bevor eine variable Verstärkung für einen konstanten Pegel am
A/D-Umsetzer sorgt.
Die beiden Synchronisationssignale werden dann an die digitale Signalver arbeitung
als Takte weitergeleitet, wobei der 20 MHz-Takt SF2 auch als Abtastfrequenz
an den A/D-Umsetzer 92 geliefert wird.
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Angesichts der hohen Bandbreite wird
mit einer Abtastrate von etwa 200 MHz gearbeitet. Im Baseband-Teil 92 der
jeweiligen Empfänger
werden die gelieferten Abtastwerte zuerst in einem Speicher mit
Ringpufferstruktur gespeichert. Um sich auf die Sendesignale zu
synchronisieren, werden zuerst die bekannten Sendeperioden im Empfangssignal
gesucht und dann die Korrelation mit dem Sendemuster an prädizierten
Stellen im Speicher durchgeführt. Dies
führt zu
einer genauen Bestimmung des Empfangszeitpunktes. Für Ball und
Spieler sind die für
die Korrelation notwendigen Recheneinheiten mehrmals parallel vorhanden.
Diese bekommen vom Zentralrechner die zu suchenden Sendemuster mitgeteilt. Es
ist dabei sicherzustellen, dass auch bei ungünstigster Konstellation noch
alle Signale ausgewertet werden können. Aus den Korrelationseinheiten
entsteht für
die jeweiligen ausgewerteten Sendersignale der Empfangszeitpunkt
mit einer Qualitätsmarke – zur Bewertung
der Qualität
des Messwertes –,
die über
den Steuer PC und über
die Datennetzwerkinfrastruktur an der Zentralrechner CPU übertragen wird.
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Im Hauptrechner CPU laufen alle Messwerte der
Empfänger
(Sender-Empfangszeitpunkt-Qualitätsmarke)
zusammen. Sie werden mit Hilfe der Senderidentifikationsnummem sortiert
und gruppiert, um dann für
jeden Sender die Berechnung der Position mit den entsprechenden
Algorithmen durchzuführen. Die
ermittelten Koordinaten sind dann über eine definierte Schnittstelle
abrufbar und können
dann weiter ausgewertet werden.
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Da die Positionsbestimmung aus einer
sehr genauen Laufzeitdifferenzmessung der Sendesignale zu den Empfängern vorgenommen
wird, sind zwei Referenzsignale erforderlich, die zentral an einer Stelle
am System, z.B. beim Zentralrechner CPU erzeugt werden und an alle
Empfänger
sowie an den Zentralrechner verteilt werden. Die Frequenzen der beiden
benötigten
Frequenzsignale können
z.B. m Bereich von 15 – 25
MHz sowie 150 – 250
MHz liegen. Die Signale werden als Rechtecksignale ausgeführt, um
eindeutige Zeitmarken zu erhalten, und über die Leitung 14 den
Empfängern
zugeführt.
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Die Referenzsender R1–Rn arbeiten mit Trigger- und Taktsignalen,
die vom Signalnetzwerk eingespeist werden. Die Empfänger sind
vorzugsweise Geradeausempfänger,
die mit dem Synchronisationsfrequenzen arbeiten. Der Empfänger kann
aber auch als Einfach-Superhet-Empfänger ausgebildet sein.
Dabei wird eine Zwischenfrequenz benutzt, die dann in einer zweiten
Mischerstufe auf die Ausgangsfrequenz gemischt und nur noch tiefpassgefiltert
wer den muss. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist die völlig freie
Wahl der Ausgangsfrequenz. Bei vorgegebener Bandbreite von 80 MHz
bedingt dies eine theoretische Abtastrate von 160 MHz. Effektiv
wird die Bandbreite aber durch den analogen Vorfilter mit charakteristischer Übertragungsfunktion
bestimmt.
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- B
- Sendeburst
- E1– En
- Empfänger (Kalibrierung;
Dekodierung, Synchronisation)
- s
- Suchbereich
- S,
S1–S6
- Sender
- Sb
- Sender
in mobilem Zielobjekt; z. B. Ball
- Sp
- Sender
in mobilen Objekten; z. B. Spieler
- SF1,
SF2
- Synchronfrequenz
- R1–Rn
- Referenzsender
- 10
- Spielfeld
- 11
- 16m-Raum
- 12
- Empfängernetzwerk
- 13
- Taktleitung
- 14
- Zeitmarke
- 15
- Power
- 16
- Daten-Port
- 17
- Datenleitung
- 80
- Ablaufsteuerung
- 81
- Sendedatenerzeugung
- 81a
- Datenburstformung
- 81b
- Sender-ID-Block
- 81c
- Sensordatenaufbereitung
- 82
- Sendebursterzeugung
- 82a
- Oszillator
- 82b
- Modulator
- 82c
- Endstufe
- 82d
- Datenfilter
- 82e
- Filter
- 83
- Antenne
- 90
- Antenne
- 91
- Frequenzempfänger in
E
- 92
- A/D-Umsetzer