Doppler-Effekte in UWB-basierten Rotortelemetrie-Systemen

Telemetrie steht für Fern-Messtechnik und bezeichnet die Übertragung von Messwerten physikalischer Parameter eines am Messort befindlichen Sensors zu einer räumlich getrennten Einheit. Eine spezielle Variante der Telemetrie, die oft in der Industrie Einsatz findet, ist die Rotortelemetrie. Dabei sind die Sensoren und Sender an einem rotierenden Objekt wie drehende Achsen, Wellen, Räder, Flügel oder Propeller befestigt. Das Sendesignal wird über eine spezielle am Umfang des Rotors befestigte Antenne abgestrahlt. Die Sendeantenne dreht sich in der Regel mit dem Rotor. Die statische Empfangsantenne befindet sich in einem Abstand von wenigen Millimetern oder Zentimetern von dem Rotor entfernt, so dass meist die Übertragung zwischen den Antennen auf einer Nahfeld-Kopplung beruht. Die Datenübertragung von dem rotierenden Sender an den statischen Empfänger sowie die Energieversorgung des Rotors erfolgen zunehmend drahtlos. Auf Grund des knappen Einbauraums und der beschränkten Energie am Rotor stellt die Datenübertragung in die Rotortelemetrie eine Herausforderung dar. Darüber hinaus steigt die Anforderung an Übertragungssysteme der Rotortelemetrie hinsichtlich höherer Flexibilität der Systemkonfiguration, wachsender Anzahl gleichzeitig übertragbarer Messsignale und hoher Datenraten. Die IR-UWB-Technik (IR-UWB, Impuls-Radio Ultra-Wideband) wurde in dieser Arbeit als geeignetes Übertragungsverfahren für zukünftige Rotortelemetrie-Systeme auf Grund des geringen Energie-Verbrauchs und der einfachen Struktur auf der Senderseite sowie der erreichbaren hohen Datenraten über kurze Entfernungen angesehen. In der Literatur findet die UWB-Technik in statischen oder langsam veränderlichen Umgebungen Einsatz. Die neue Anwendung der Rotortelemetrie unterscheidet sich von den bisherigen Szenarien in der rotatorischen Bewegung und hohen Drehgeschwindigkeit. Der damit verbundene Doppler-Effekt ist in der vorliegenden Arbeit untersucht worden. Hierfür ist eine Messung des unbekannten Rotortelemetrie-Kanals im UWB-Bereich notwendig. In Schmalband-Systemen wird die Dopplerverschiebung als gleichmäßig für alle Frequenzanteile des Signals angenommen. Mit Hilfe der Messdaten konnte gezeigt werden, dass diese Annahme für die IR-UWB-Signale auf Grund der hohen Bandbreite nicht gültig ist. Sinus-Signale sind hierfür mit Frequenzen von 1 MHz bis 8 GHz auf Basis einer Simulation über den gemessenen Rotortelemetrie-Kanal übertragen worden. Anhand der empfangenen Spektren konnte die Frequenzabhängigkeit der Dopplerverschiebung gezeigt werden. Darüber hinaus konnte anhand dieser Spektren die relative Permittivität des Dielektrikums der Empfangsantenne in Abhängigkeit von der Frequenz ermittelt werden, welche für die theoretische Berechnung der Dopplerverschiebung erforderlich ist. Die Aktualisierung der Kanalschätzung außerhalb der Kohärenzzeit des Kanals führt zu einer starken Verschlechterung der Systemleistungsfähigkeit. Eine Dopplerkompensation ist dann erforderlich. Die Grenzen zum Bedarf einer Dopplerkompensation bei IR- Rotortelemetrie-Systemen wurden in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit und der zugelassenen Redundanz untersucht. Es wurde mathematisch bewiesen, dass die frequenzabhängige Dopplerverschiebung einer Zeitskalierung des IR-Empfangssignals entspricht. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurden drei Verfahren zur Dopplerschätzung präsentiert. Das neu vorgestellte KKF-Verfahren liefert den besten Kompromiss aus Robustheit, Rechenaufwand und Redundanz. Ein Verfahren zur Kompensation der frequenzabhängigen Dopplerverschiebung - basierend auf der Abtastratenänderung im Empfangssignal - wurde vorgeschlagen und überprüft. Das Verfahren setzt Interpolationsfilter als Lösung voraus. Implementierungsmöglichkeiten dieser Filter wurden vorgestellt.