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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Kanalimpulsantwort in einem, insbesondere zur Kommunikation betriebenen, System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einer Sendeeinrichtung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 12 und Empfangseinrichtung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 14.
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Aus der Nachrichtentechnik ist als eine die Eigenschaften eines Übertragungskanals beschreibende Größe die Kanalimpulsantwort bekannt. Diese kann für mathematische Modelle des Kanals in der Regel als ideale Bedingungen, insbesondere idealen Übertragungskanal, wiedergebende Formel angesehen werden. Das Messen der Kanalimpulsantwort, also der realen Übertragungsbedingungen, zwischen einem Punkt A und einem Punkt B ist jedoch ein technisches Problem.
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Bei funkbasierten Systemen ist es bekannt, dass die Kanalimpulsantwort mit dem idealen Übertragungssignal gemischt wird, um ein Abbild der Realität in die Systembetrachtung mit einzubeziehen. Die Kanalimpulsantwort verzerrt ein elektromagnetisches Signal bei der Ausbreitung im Raum. Sie ist stark ortsabhängig und spiegelt die Umgebungseinflüsse wieder.
Mit Hilfe der Ortsinformationen in der Kanalimpulsantwort kann diese beispielsweise im Bereich der Funkortung genutzt werden. Es ist daher bekannt diese Funktion in integrierten Schaltungen, ICs, zur Verfügung zu stellen. Diese ICs bieten aber trotz der Auswertung der Ortsinformation keine Messung der Kanalimpulsantwort.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher eine Lösung anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Erfassung einer Kanalimpulsantwort in einem, insbesondere zur Kommunikation betriebenen, System ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale sowie einer Sendeeinrichtung gemäß der Gattungsbegriff des Anspruchs 12 durch dessen kennzeichnenden Merkmale und der Empfangseinrichtung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 14 durch dessen kennzeichnenden Merkmale gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung einer Kanalimpulsantwort in einem, insbesondere zur Kommunikation betriebenen, System bei dem von zumindest einem Sender zu mindestens einem Empfänger mindestens ein Signal drahtlos, insbesondere per Funk, übermittelt wird werden der Sender und der Empfänger als diskrete, insbesondere zumindest teilweise als integrierte Schaltung ausgeführte, Elemente derart betrieben, dass
- a) der Sender zumindest ein Signal, insbesondere einen schmalen Impuls, sendet,
- b) ein Empfänger das durch den Übertragungskanal manipulierte Signal empfängt,
- c) das manipulierte Signal derart vorbereitet wird, dass es einem Mischer zugeführt werden kann,
- d) das manipulierte vorbereitete Signal am Mischer mit einem Referenzsignal derart gemischt wird, dass ein gemischtes Signal vorliegt, welches mit der Kanalimpulsantwort zumindest korreliert.
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Einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass zumindest eine Extraktion der Kanalimpulsantwort, insbesondere die Kanalimpulsantwort unmittelbar, als Nutzsignal bereitstellt, ermöglicht und, insbesondere durch den Betrieb von diskreten und/oder integrierten Schaltungen, dies kommerziell verfügbar macht.
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Bei der erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung, die als Weiterbildungen als Radar- und/oder Funksendeeinrichtung, insbesondere, beispielweise als RFID, Tag, ausgestaltet sein kann, sowie der erfindungsgemäßen Empfangseinrichtung, die als Weiterbildung als Radar- und/oder Funkempfangseinrichtung, insbesondere, beispielsweise als RFID, Tag, ausgestaltet sein kann, sind Mittel zur Durchführung des Verfahrens und/oder seiner Weiterbildungen vorgesehen.
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Durch diese beiden erfindungsgemäßen Einrichtungen wird jeweils die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht und damit die Verwirklichung der Vorteile der Erfindung und dessen Weiterbildungen ermöglicht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
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Wird das erfindungsgemäße Verfahren derart weitergebildet, dass zu der Vorbereitung des manipulierten Signals es zumindest einem ersten Filter, insbesondere Bandpassfilter, zur, insbesondere Bandpass-, Filterung und/oder zumindest einer ersten Verstärkereinrichtung zur Verstärkung zugeführt wird erhält man ein zur Kanalimpulsantwort korrelierendes Signal, dass hinsichtlich der weiteren Verarbeitung optimiert wird, weil die Nutzsignalanteile durch die Filterung und/oder Verstärkung besser detektiert werden können.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das gemischte Signal einem zweiten, insbesondere als Tiefpassfilter ausgestalteten, Filter zur, insbesondere Tiefpassfilterung zugeführt. Insbesondere die Tiefpassfilterung befreit das Signal von nicht benötigten Frequenzbereichen und senkt somit auch das Rauschniveau des Signals, so dass es für die Detektion weiter optimiert wird.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dabei derart weitergebildet, dass das, insbesondere Tiefpass-, gefilterte Signal einer zweiten Verstärkereinrichtung zur Verstärkung und/oder zumindest einem Analog-Digital-Wandler zur Analog-Digital-Wandlung zugeführt wird. Hierdurch wird das, insbesondere durch die vorhergehende Weiterbildung erhaltene Zwischenfrequenz-, ZF-, Signal in ein digitales und somit der Datenverarbeitung zugängliches Signal umgewandelt, wobei bedarfsweise eine vorherige Verstärkung des Signals evtl. die Wandlung verbessern kann.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Referenzsignal aus einer Trägerfrequenz im „Ultra-Wide-Band-“, UWB-, Frequenzbereich gebildet. Diese Weiterbildung ermöglicht die breitbandige Erfassung der Kanaleigenschaften auf einfache Art.
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Vorzugsweise wird dieser Ansatz dabei durch die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergänzt in dem das korrelierende Signal mithilfe zumindest einer Methode der Signalverarbeitung derart verarbeitet wird, dass die Kanalimpulsantwort aus dem korrelierenden Signal extrahiert wird.
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Als alternative Weiterbildung, die eine breitbandige Erfassung möglich macht, ist die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen, bei der das Referenzsignal aus einem mit dem gesendeten Signal identisch erzeugten Signal gebildet wird. Dies ermöglicht, insbesondere wenn das erfindungsgemäße Verfahren, derart weitergebildet wird, dass der Sender und der Empfänger zumindest für die Dauer der Verfahrensschritte nach einem der vorhergehenden Verfahren synchronisiert betrieben werden, dass die Kanalimpulsantwort als Nutzsignal bereits ohne weitere Signalverarbeitung entnehmbar wird.
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Alternativ oder ergänzend wird das erfindungsgemäße Verfahren derart weitergebildet, dass das, insbesondere Tiefpass-, gefilterte und/oder verstärkte Signal einer Vielzahl von sequenziell angeordneten Analog-Digital-Wandlern zur Analog-Digital-Wandlung zugeführt wird. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Implementierung des Verfahrens, da an die einzelnen Analog-Digital-Wandler geringere Anforderungen, insbesondere bzgl. der Samplerate, bestehen.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren ferner derart weitergebildet, dass das gesendete Signal mit sendeseitig mit einem erstem UWB Chip und/oder das identisch erzeugtes Signal empfangsseitig mit einem zweiten UWB Chip erzeugt wird. Die Verwendung von UWB Chips zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sie hochgenaue Synchronisierung ermöglichen.
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Besonders geeignet ist auch die erfindungsgemäße Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der die UWB Signale zumindest teilweise gemäß dem Standard IEEE 02.15 4a gebildet werden. Hierdurch wird unter anderen die gleichzeitige Nutzung des Übertragungskanals für Ortung, Kommunikation und Synchronisierung gewährleistet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen anhand eines in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt die
- Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens sowie Ausführungsbeispiele der das erfindungsgemäße Verfahren durchführenden Anordnungen.
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Die Figur zeigt als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen Funktionsweise anhand von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Anordnungen.
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Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens geht dabei im Grundsatz davon aus, dass zur Messung einer Kanalimpulsantwort eine Sendeeinheit Tx an einem Punkt A und eine Empfangseinheit Rx an einem hierzu entfernten Punkt B verwendet wird.
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Der Sender Tx strahlt dazu in einem ersten Schritt S1 eine bekannte Signalfolge, im Idealfall einen Impuls, aus. Während der Übertragung im Raum wird das Sendesignal durch die Umgebung dauerhaft beeinflusst.
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Am Empfänger Rx wird ein durch die Kanaleigenschaften verzerrtes Signal in einem zweiten Schritt S2 empfangen. Das anfangs ideale, beispielsweise als Impuls geformte, Signal kann zum Beispiel auf der Empfangsseite Rx Folgeimpulse beinhalten, die dann auch Mehrwegeausbreitung im Raum hinweisen, was sich unter anderem die Erfindung zunutze macht.
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Gemäß den Überlegungen, die dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Anordnung zugrunde liegen, können diese Folgeimpulse erfasst werden, in dem sie, wie es die erfindungsgemäße Anordnung macht, als eine diskret aufgebaute Schaltungsgruppe realisiert wird.
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Für die Erfassung dieser Folgeimpulse wird auf einer Sendeseite Tx ein schmaler Impuls ausgesendet. Auf der Empfangsseite Rx wird dieses Signal empfangen, bandpassgefiltert, verstärkt, mit einem Mischer in das Basisband konvertiert und einem Analog-Digitalkonverter abgetastet. Mittels digitaler Signalauswertung kann die Kanalimpulsantwort im Zeit- und Frequenzbereich analysiert werden.
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Die Erfindung geht nun über derart aufgebauten integrierten Schaltungen (IC) hinaus, da sie im Gegensatz dazu die Möglichkeit bietet die Kanalimpulsantwort aufzuzeichnen bzw. dem Benutzer zugänglich zu machen. Im Gegensatz zu solchen Schaltungen, nimmt die erfindungsgemäße Lösung Abstand zu der Fokussierung dieser Schaltungen allein auf die Bereitstellung der Konzentration und auf eine hieraus resultierende Optimierung der Schaltung auf die Kommunikation. Vielmehr löst sich die Erfindung von diesem Paradigma und kann durch die im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele dargelegten auf weiteren erfinderischen Überlegungen basierenden Details der Erfindung vornehmen, um Kanalimpulsantwort dem Benutzer zugänglich machen bzw. aufzeichnen zu können.
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Die Erfindung erweitert mit ihren Lösungsmerkmalen den Funktionsumfang eines kommerziell verfügbaren auf Ultra-Breitband -Integrated Chip (IC)-basierten Kommunikation bzw. Ortungssystems. Sie ermöglicht parallel zur Ortung/Kommunikation die Kanalimpulsantwort bzw. Kanaleigenschaften zu messen. Ein möglicher Schaltungsaufbau der Erfindung wird als Ausführungsbeispiel eine Anordnung der Erfindung gemeinsam mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise, die sie implementiert und somit bereitstellt, im folgenden Abschnitt verdeutlicht.
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Zu erkennen ist eine Sendeeinheit Tx, die aus einem ersten UWB-IC IC1 und einer ersten Antenne A1 besteht. Der Chip IC1 ist in der Lage IEEE 802.15.4a konforme UWB-Signale zu generieren. Die erste Sendeantenne A1 emittiert in einem ersten Schritt S1 des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Sende- und Empfangsseite bekannten Signalfolgen.
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Für eine Extraktion der Kanalimpulsantwort aus dem durch die in einem zweiten Schritt S2 von einer zweiten Antenne A2 und einer dritten Antenne A3 empfangenen Signals, sind gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach einer in einem dritten Schritt S3 erfolgenden Bandpassfilterung an einem Bandpassfilter BP und Verstärkung an einem ersten Verstärker AMP1zwei Möglichkeiten gegeben, die Kanalimpulsantwort zu erhalten.
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Grundsätzlich sieht die Erfindung vor, dass ein Mischer MX an einem Eingang das von der dritten Antenne A3 kommenden Signal bekommt und mischt dieses mit einem in einem vierten Schritt S4 bereitgestellten Referenzsignal in einem fünften Schritt S5. Am Ausgang des Mischers MX erhält man das gewünschte Nutzsignal.
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Nach dem Mischer MX wird das Signal in einem sechsten Schritt S6 an einem Tiefpassfilter TP tiefpassgefiltert. Dieser Schritt S6 beseitigt nicht benötigte Frequenzbereiche, die ansonsten das Rauschniveau des Signals anheben würden. Anschließend wird das ZF-Signal in einem siebten Schritt S7 durch einen zweiten Verstärker AMP2 noch einmal verstärkt und im folgenden achten Schritt durch einen Analog-Digital-Wandler A/D von einem analogen Signal in ein digital abgetastetes Signal umgewandelt. Hierzu wird ein Analog-Digitalkonverter (ADC) verwendet.
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Möglichkeit 1, die in der Figur der Stellung eines Schalters ST auf 1 entspricht, verwendet als Referenzsignal eine durch den Generator G erzeugte Trägerfrequenz im UWB Frequenzbereich, mit der anschließend das Empfangssignal des oberen Zweiges in dem fünften Schritt S5 in den rein reellen Zwischenfrequenzbereich von z.B. 50 Hz bis 550 MHz (bei einer UWB Signalbandbreit von 500 MHz) runter gemischt wird. Anschließend wird das analoge Zwischenfrequenzsignal digital abgetastet, also die sechsten bis achten Schritte vollzieht, bis sich anschließend die Kanalimpulsantwort mit weiterer Signalverarbeitung extrahieren lässt.
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Möglichkeit 2, die in der Figur der Stellung eines Schalters ST auf 1 entspricht, verwendet als Referenzsignal ein zu dem Sendesignal identisches Signal, welches auf der Empfangsseite Rx mit einem zweiten UWB-Chip IC2 in dem vierten Schritt S4 erzeugt wird. Hierzu wird gemäß dem Beispiel im vierten Schritt S4 eine Synchronisation von Sende- und Empfangseinheit nötig, die von deinem Mikroprozessor µP und einem dritten integrierten UWB-IC IC3, welche gemeinsam mit dem zweiten Chip IC2 eine Einheit SYNC zur Synchronisation bilden, durchgeführt wird. Das resultierende Ausgangssignal am Mischer MX ist durch diese hiermit erreichte zeitliche Abstimmung die gesuchte Kanalimpulsantwort. Die analoge Kanalimpulsantwort muss dann ebenfalls noch dem sechsten bis siebenten Schritt S6...S7, also insbesondere noch abgetastet werden. Im Vergleich zu Möglichkeit 1 ist aber dann keine weitere Verarbeitung nötig.
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Die Erfindung ist auf die erläuterten Schritte und Ausgestaltungen der Ausführungsbeispiele des Verfahrens und der Anordnung nicht beschränkt, vielmehr sind weitere Kombinationen einzelner Merkmale des dargestellten mit alternativen oder ergänzenden Weiterbildungen denkbar. Hierzu sollen in der folgenden Diskussion neben der teilweise detaillierteren Wiedergabe bereits dargelegter Ausführungsformen einige weitere unter den Schutzbereich der Ansprüche fallende Variationen als nicht abschließender Abriss gezeigt bzw. gegenübergestellt werden. Dies soll strukturiert anhand der Funktionen bzw. Funktionsgruppen, die vom dargestellten Beispiel umfasst sind, geschehen:
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Analog/Digital Converter
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Die Erfindung kann hierzu unter anderem durch zwei Verfahren zu Konvertierung des analogen Signals in ein digitales Signal weitergebildet werden.
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Zum einen kann ein leistungsstarker ADC verwendet werden. Dieser muss über eine Samplerate von mindestens 1,1 GSps verfügen, damit Signale mit einer Frequenz bis zu 550 MHz abgetastet werden können. Bei UWB Kanälen mit einer Bandbreite von 1 oder 1,5 GHz sind sogar mind. 3 GSps erforderlich.
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Eine Alternative hierzu ist die Sequenzielle Abtastung. Dazu werden mehrere ADCs mit einer deutlich geringeren Samplerate (im Vergleich zur ersten Lösung) verwendet. Das Signal am Ausgang des Zwischenfrequenzverstärkers wird mittels Fast Fourier Transformation (FFT) in den Frequenzbereich überführt. Das abzutastende Spektrum wird in kleinere Stücke unterteilt und für jedes Teilstück wird ein ADC verwendet. Anschließend werden die digitalen Teilfrequenzbereiche addiert und man erhält das Gesamtspektrum des UWB-Signals. Die Kanalimpulsantwort erhält man nach der inversen FFT.
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Synchronisation
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Die Synchronisation gemäß Ausführungsbeispiel, insbesondere die im vorigen Absatz beschriebene Synchronisation, wird ebenfalls mittels UWB-Signalen realisiert. UWB-Impulse haben durch ihre sehr hohe Signalbandbreite eine hochgenau zeitliche Auflösung im nano bis pico Sekunden Bereich. Dies ermöglicht eine präzise zeitliche Synchronisation zwischen Sende- und Empfangseinheiten bzw. mehreren Empfangseinheiten.
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Im erweiterten Sinne kann ein solches Synchronisationsverfahren auch genutzt werden um dedizierte Funksende- und Empfangseinheiten zeitlich zu synchronisieren und eine kohärenten Sende- und Empfangsfunktion zu ermöglichen.
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Kohärente Funkmodule
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Das im oberen Abschnitt beschrieben Verfahren zu Synchronisation von zwei Funkeinheiten kann auch für Funksysteme mit anderen Funkstandards verwendet werden. Beispielsweise ist der synchrone Betrieb von zwei oder mehr Radarsensoren sowie insbesondere allen anderen Funksendern und Empfängern.
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Dabei gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen, kann der lokale Oszillator auf den verschiedenen Funkeinheiten mit Hilfe der UWB-Technologie synchronisiert werden. Zum anderen, kann die softwareseitige Ansteuerung der Sende-/ Empfangseinheit synchronisiert werden. Ein hochgenaues Referenzsignal ermöglicht dann eine gemeinsame Zeitbasis auf allen Geräten.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist dabei in der Regel, dass das Sendesignal nicht aus einem einzelnen Ultra-Breitband Impuls bestehen muss, sondern auch mit IEEE 802.15.4a Standard konformen UWB-Signalen funktioniert und dies eine gleichzeitige Nutzung des Kanals für Kommunikation, Ortung und Synchronisation ermöglicht.
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Hierdurch lassen sich kommerziell verfügbare UWB ICs erstellen, die die Kanalimpulsantwort messen, da die Erfindung es eben ermöglicht gleichzeitig Signal für Ortungsfunktionen zu empfangen und die Kanalimpulsantwort zu messen
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung die dies unterstützt, ist die hochgenaue Synchronisation. In diesem System ermöglicht sie, dass das Mischsignal zum Ankunftszeitpunkt taktgenau einzuspeisen. Die Erfindung sieht auch Weiterbildungen als RFID-Reader oder Radarsensoren vor und hier ermöglicht diese präzise Synchronisation kohärente Sende- und Empfangseinheiten zu betreiben.
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Die Abtastung des Signals im A/D Block wurde kann neben dem Prozessieren mittels einem Oszilloskop oder einem leitungsstarkem Analog-Digital-Konverter prozessiert auch alternativ durch sequenziellen Samplings prozessiert werden, die eine kostengünstige Alternative darstellen.