Afstandsmeting

Beste allen,

Ik wil met behulp van een RF signaal een afstandsmeting doen. De bedoeling is van twee sinus signalen het fase verschil te meten. Het fase verschil is een maat voor het weglengte verschil van de twee signalen.

Het zou bv. met Analog Devices 8302 mogelijk moeten zijn om het fase verschil te meten. Echter dit IC is relatief duur. Daarnaast neemt de meetfout vooral bij kleine fase verschillen enorm toe. Ik heb op het forum gelezen dat het met een kwadratuur (de)modulator mogelijk moet zijn het fase verschil nauwkeurig te bepalen voor elk fase verschil. Op internet kan ik hier weinig over vinden. Hoe zou dit in z'n werk gaan?

Volgens mij werkt die AD8302 ook met een mixer.

Een quadratuur-mixer mixt met 2 signalen; een cosinus, en een sinus. Maar dan moet je dus wel in staat zijn om een sinus en een cosinus te maken; waar de fase-verhouding lekker klopt. Lukt prima op 30MHz; maar ik vrees dat je op veel hogere frequenties wil werken.

Heb je trouwens al uitgerekend hoe zwak de signalen zijn die terugkomen? Zijn ze uberhaupt meetbaar?

Als er maar een miniem beetje signaal van de zender terugkomt in de ontvanger, of als er wat reflecteerd, dan zit je al met een fasefout.


Kom eens met wat meer specificaties hoe je dit in gedachte had. Welke frequentie, wat voor antennes, wat voor afstanden enz enz.

Een kwadratuurdemodulator is een bepaalde vorm van fm detectie, waarbij het signaal met een 90 graden (=kwadratuur; een rechte hoek) verschoven versie van zichzelf wordt vermenigvuldigd. Door de FM modulatie wordt die 90 graden ook variabel, en daardoor het uitgangssignaal ook; dat is de demodulatie. Het is dat ding met bijv. een TBA120 of een CA3089 en een extra afstemkringetje.

Algemeen: als je twee sinusvormige signalen van dezelfde frequentie met elkaar vermenigvuldigt (in een mixer bijv), krijg je dus een uitgangssignaal dat afhangt van de sinus van het faseverschil.
Je kunt nu de fase van je referentiesignaal schuiven tot het uitgangssignaal precies nul is. Je ingestelde fase is dan het meetresultaat (als je er 180 graden naast zit is de uitgang ook nul, maar ga je van - naar + inplaats van van + naar -; daaraan kun je zien dat je de verkeerde hebt.

Zo'n 3089 zou je hiervoor inderdaad kunnen gebruiken.
Je kunt er ook twee maken, één met de sinus en één met de cosinus; die twee spanningen geven dan samen het faseverschil aan: je zou ze bijv. op elkaar kunnen delen, om dan rechtstreeks de tangens van de gezochte hoek te krijgen, zonder van de amplitude afhankelijk te zijn.

Je kunt ook de signalen eerst naar een veel lagere frequentie mixen en dan bijv. een EXOR poortje gebruiken.
Zit je eenmaal zo laag, dan kun je ook een teller starten met je referentie, en stoppen door het te meten siganaal. Dat geeft je rechtstreeks je meetwaarde in tijd, niet in graden - voor jou nog beter dus.

Enfin, te veel om op te noemen.
Verder sluit ik me bij (Z) aan: hoe zie de rest van de schakeling voor je?

Ik heb weinig ervaring met RF schakelingen. Het onderstaande is dan ook vooral theoretisch. Graag hoor ik of bepaalde aannames doe die in de praktijk niet zullen werken.

De bedoeling is afstand te meten tussen 0 en 3 meter met een resolutie van 1 cm. Uiteindelijk moet dit op 433 Mhz gaan werken. Eerst zou ik graag een 'proof of concept' willen uitvoeren op bv. 1-8 Mhz zodat ik beter kan meten met goedkope meetapparatuur.

Ik maak niet gebruik van reflecties. Er zijn twee apparaten die actief samenwerken. Ik zat te denken aan het volgende:

1. Apparaat A zendt een draaggolf.
2. Apparaat B ontvangt de draaggolf en en gebruikt een PLL om te synchronizeren op deze draaggolf.
3. B stopt met luisteren, maar laat zijn local oscillator doorlopen.
4. A stopt met zenden maar laat zijn lokale oscillator doorlopen
5. A gaat luisteren
6. B zendt een draaggolf aan de hand van zijn locale osccillator
7. A ontvangt de draaggolf en meet het fase verschil met zijn lokale oscilltor.

Dit fase verschil zou dan een maat zijn voor tweemaal de weglengte van het signaal. Ik heb gelezen dat een XOR poort met daaraan een low pass filter een fase verschil kan meten.

Zou het volgende kunnen werken?

7. A ontvangt de draaggolf
7.1 A meet het fase verschil van het ontvangen signaal met zijn lokale oscillator door de twee signalen te XOrren en dit te filteren. Het uitgansvoltage van het filter is een maat voor het faseverschil.
7.2 A meet tevens het fase verschil van het ontvangen signaal met een 90 graden in fase verschoven versie van zijn lokale oscillator.
7.3 Klein faseverschillen zijn onnauwkeurig te meten. Dus wordt de grootste gemeten filter waarde uit 7.1. of 7.2 als nauwkeurigste fase verschil meting genomen.

Bedankt voor de reacties

quote:

Op 17 mei 2008 17:57:51 schreef ComputerTikker:
De bedoeling is afstand te meten tussen 0 en 3 meter met een resolutie van 1 cm.

Ultrasoon gaan werken omdat radiogolven zich 300.000m/s voortplanten en geluid 340m/s.

Ultrasoon heeft helaas zijn eigen problemen. o.a. transducers die erg richtingsgevoelig zijn, behuizingen die problemen geven en obstakels tussen de twee apparaten

[Bericht gewijzigd door ComputerTikker op 17 mei 2008 18:16:11]

Maar hoe ga jij met HF bepalen of iets 1cm verder weg staat dan een ander objekt? Ga maar eens na hoe weinig tijdsverschil dat is.

Inderdaad, het meten van de 'time of flight' is niet haalbaar. Het is echter wel mogelijk twee signalen te vergelijken qua fase. Bij 433 Mhz is de golflengte 0.70 m. Is er een fase verschil van 180 graden tussen de twee signalen dan weet je dat de objecten 0.35 cm. van elkaar zijn verwijderd. (Dit klopt niet helemaal de objecten zijn 0.35+x*0.7 m van elkaar verwijderd, met x een willekeurig geheel getal >=0).

Met reflecties van lasers wordt dit gedaan. Daar wordt gekeken naar het faseverschil van de verzonden puls met de reflectie. De vraag is nu of dit gedaan kan worden met RF componenten middels het eerder beschreven idee.

Het kan door een extreem korte puls: UWB
Zie je mail.

quote:

Op 17 mei 2008 18:43:57 schreef ComputerTikker:
Inderdaad, het meten van de 'time of flight' is niet haalbaar. ...

Met reflecties van lasers wordt dit gedaan. Daar wordt gekeken naar het faseverschil van de verzonden puls met de reflectie. De vraag is nu of dit gedaan kan worden met RF componenten middels het eerder beschreven idee.

Time of flight word toch toegepast, ook voor korte afstanden en erg nauwkeurig. Voor de hobbiebob is het waarschijnlijk niet haalbaar.

--edit--
ow, de resolutie haal je wel maar de reproduceerbaarheid en de nauwkeurigheid zijn een stuk lager.
[Bericht gewijzigd door GJ_ op 17 mei 2008 19:11:51]

Ik zie het voor me: de PLL van B hapt op het signaal van A. Daarna worden de rollen omgedraaid, en B zendt in dezelfde fase als die hij van A ontvangen heeft.
A vergelijkt het signaal van B met zijn eigen fase.

Op zich is het niet ondenkbaar dat je zoiets aan de gang krijgt.
De maximale rondweg is ongeveer 8,6 golflengte. Een nauwkeurigheid van 1cm komt dus overeen met 1/860 van de frequentie. Dat is geen probleem.

Voor de fasemeting komt het neer op 5 graden. Dat is dus het totaal van de meting bij B, het verloop van de PLL bij B, de meting bij A, en het verloop van de PLL bij A.
De metingen is een kwestie van zo goed mogelijk maken, dan gaat dat wel lukken. De PLL's is een ander verhaal.

Wat je wilt, is dat ze wèl heel snel inlocken, maar daarna niet meer verlopen. Daar zul je moeten gaan schakelen met de loopfilterconstanten. Dat moet heel behoedzaam, want anders schop je de frequentie toch nog in de war - de PLL loopt op dat moment immers ongelocked.

Een alternatief zou zijn, A en B beide continu te laten zenden. Dat kan door verschillende frequenties te kiezen, en in B dan te vermenigvuldigen (of delen) naar zijn zendfrequentie.
Gelukkig liggen veel ISM frequenties in een harmonisch verband (16 x 27.12 = 433.92, x 2 = 867.84, etc.)
De PLL's blijven dan gelocked.

2 frequenties gebruiken klinkt een stuk beter. Met dat steeds aan en uitschakelen zit je natuurlijk ook nog met al die aan en uitschakelvertragingen.

Maar in windstille omgevingen is sonar te prefereren. Het is simpeler; maar vreselijk nauwkeurig, in vergelijking met het systeem dat je beschrijft.

In ideale omstandigheden is een fase-verschil van 5 graden goed meetbaar. Maar ik betwijfel sterk of dat nog goed meetbaar is indien er weerkaatsingen zijn. Een weerkaatsing van 10% van de sterkte die toevallig 90 graden gedraaid is, zal voor 5 graden fasefout zorgen.
Wegens de korte golflengtes met sonar heb je er daar geen last van.

Weerkaatsingen zijn natuurlijk schadelijk. En bij de voorgestelde fasemeting heb je nog het probleem dat je in eerste instantie niet altijd weet in wèlke sinus je de fase zit te meten. Je krijgt meer oplossingen die steeds een golflengte uit elkaar liggen.
Dit (de "Grobortung", zoals onze buren zeggen) is wel op te lossen door de signalen te moduleren.

Bij sonar zou je dit probleem ook hebben, als dat een fasemeting was. Maar daar meet je met pulsen en hun aankomsttijd, en kijk je lekker alleen naar de éérste, zelfs als dat niet de sterkste is - de andere zijn reflecties, die je mag negeren.
Bij radio zijn pulsen moeilijk te meten op zulke korte afstanden, dus dat gaat daar niet.

Nouja, je kan ook prima alleen met fase werken. Dan moet je op een gegeven moment het ding eiken, en kan je daarna gewoon afstand meten.
Je hoeft met sonar natuurlijk ook niet per se bursts uit te zenden; je kunt daar ook prima een losse golf nemen. Werkt prima voor nauwkeurige plaatsbepaling; Je zit dan met golflengtes van een paar cm; en als je dan met de fase aan de slag gaat haal je een nauwkeurigheid van een milimeter. (heb er wel eens mee geexperimenteerd)

Bedankt voor jullie reacties.

Stel dat ik een standaard RF transceiver neem. De analogdevices ADF4110 bv. Deze chip gebruikt meet intern het faseverschil en stuurt daarmee een chargepump aan die uiteindelijk via een loop filter het VCO bijstuurt. Hoe zou ik met een dergelijke chip het faseverschil kunnen meten?

Omdat ik altijd op dezelfde frequentie zend en ontvang zou ik de tijd die kost om te locken als maat kunnen nemen voor het fase verschil? Of zouden er losse componenten gebruikt moeten worden?