測量設備間的距離的製作方法
2023-07-03 15:38:31
專利名稱：測量設備間的距離的製作方法
測量設備間的距離
本發明涉及獲得在第一和第二設備間傳遞的信號的傳播距離量 度的方法，每個設備具有各自的時鐘，這些時鐘可能具有不同的時鐘
速率，具體而言(雖然不是排它的)，涉及使用在汽車和密鑰卡(key fob)之間傳遞的信號的傳播距離來判定是否發生中繼攻擊(relay attack)的方法。本發明也涉及包括第一和第二設備的系統，所述設 備具有各自的可能具有不同時鐘速率的時鐘。
眾所周知，汽車或其它車輛的安全系統由密鑰卡操作，密鑰卡是 當汽車主人從遠方走近汽車時，使其能啟動汽車的設備。按照常規， 當主人非常接近汽車時，啟動密鑰卡的開關，將汽車開鎖。現在，通 過無需車主啟動的PKE(無源無鑰門控)系統操作的密鑰卡是可用的。 在車主拉門把手時開始的驗證過程之後，車輛開鎖。這裡，在車主開 始拉車把手之後，安全系統必須在非常短的時間內將汽車開鎖，從而 可以在一次動作下開啟門。或者，當密鑰卡進入汽車的一定範圍時， 不需車主操作開關而開始驗證過程。
雖然這給車主提供打開汽車的便利方法，但該系統可能受到中繼 攻擊。當一個或多個收發機截取汽車和密鑰卡之間的信號，並在比原 計劃更長的距離上發射所述信號時，發生中繼攻擊。這樣，當主人不 在汽車附近並且因此沒有意識到汽車正被開鎖時，可以使用安全系統 來對汽車開鎖。
圖1示出當帶有密鑰卡4的車主2在汽車6的安全系統正常範圍 之外時，中繼攻擊的示意圖。第一攻擊者8位於非常接近該汽車處。 第二攻擊者10位於第一攻擊者8和車主2之間。第一攻擊者8可觸 發開始確認過程的必要功能，例如拉門把手。汽車6的安全系統發射 第一信號12a，該信號被第一攻擊者8攜帶的收發機16截取。收發 機16複製該信號，並發射從第一信號12獲得的第二信號12b到第二攻擊者10攜帶的收發機18。收發機18接收第二信號12b並隨後發
射從第二信號12b獲得的第三信號12c到主人2攜帶的密鑰卡4。發 機16、 18設置成使得第一信號12和第三信號12c是實質相同的。
密鑰卡4接收第三信號12c並以正確的響應信號14a響應。第二 攻擊者10用收發機20截取響應信號14a，並且收發機20發射第二 響應信號14b到第一攻擊者8攜帶的收發機22。收發機22接收第二 響應信號14b，隨後發射第三響應信號14c到汽車6的安全系統以開 啟汽車。收發機20、 22設置成使第一信號12和第三信號12c實質相 同。因為第三信號12c大致和第一信號12a相同，並且第三響應信號 14c基本上和響應信號14a相同，該攻擊將破解大多數加密系統。
擊敗中繼攻擊的一個方法是確定信號在汽車和密鑰卡之間傳播 的距離。如果該距離太大，則可以推斷主人不在附近，安全系統將不 會對汽車開鎖。
獲得汽車和密鑰卡之間的距離的一個方法是，如圖2所示，測量 在tta從汽車發射信號12到密鑰卡、和在時間TAa接收皮答14之 前的時間。信號將在密鑰卡處經歷轉向時間TAT，轉向時間TAT是 在TAb從汽牢接收信號和在TTb發射應答之間的時間。轉向時間TAT 的量度由密鑰卡確定並發射到汽車。通過從TTa和TAA之差減去轉 向時間，可以確定信號12、 14的傳播時間。如果安全系統中的時鐘 頻率和密鑰卡中的相應時鐘頻率不同，則在密鑰卡處測量的轉向時間 TAT可能產生誤差。因為轉向時間通常比傳播時間長得多，由於時鐘 不同帶來的誤差可能導致非常不準確的距離測量。本發明涉及降低距 離測量中的誤差，該誤差來自收發機之間的時鐘頻率誤差。
WO 2004/048997描述了獲得每個都具有本地時鐘的兩個設備之 間的距離，其中這兩個時鐘可具有不同的時鐘速率。這包括在兩個設 備間發送三個信號，並且使用來自前兩個信號的定時信息得到第一設 備的時鐘速率和第二設備的時鐘速率之間的比率。然後使用第一和第 三信號獲得傳輸(flight)時間，其和兩個設備間的距離直接相關。 該系統的劣勢是，用來交換三個消息的時間可能過度長，當驗證過程 必須快速進行時，例如當汽車主人拉門把手時，這可能是有問題的。WO 01/25060描述了判定密鑰卡和汽車之間中繼攻擊的存在。不
是測量直接傳輸時間，而是改變發射頻率。延遲根據來自詢問信號的 頻率改變和應答信號頻率改變確定。
EP1，445,473獲得網絡上發射和接收設備間的發射時間，並且同 步兩個設備上的時鐘。然而，時鐘同步不取決於發射機和接收機的載 波頻率。相反，改變接收時鐘頻率，直到最小發射時間(在連續的時 間間隔中計算)保持不變。發射時間同兩個設備間的距離不相關。
還有已知的修正系統中設備間頻率偏移的方法(其和時鐘偏移相 關)，儘管這些方法不涉及確定是否發生中繼攻擊。US 2004/0067741 使用關於頻率偏移的信息來改變基站的載頻，使其同行動電話的頻率 相匹配。偏移信息不用來計算行動電話和基站之間的傳輸時間。US 5,613,193描述測量衛星移動通信系統中的頻率偏移。頻率偏移存在 於移動地球站的本振中，或是由於衛星移動引起信號都卜勒偏移。在 陸地地球站中測量頻率偏移，並將其發送到移動地球站，移動地球站 通過調整其本振的振蕩頻率補償該頻率偏移。沒有得到或補償兩個設 備間的運輸時間。
根據本發明的第一方面，提供了得到第一設備和第二設備間的距 離量度的方法，所述兩個設備分別具有時鐘，所述兩個時鐘可能具有 不同的時鐘速率，所述方法包括
從所述第一設備發射第一信號到所述第二設備，所述第一信號具 有從所述第一設備的時鐘得到的頻率；
響應於在所述第二設備處接收到所述第一信號，從所述第二設備 發射第二信號到所述第一設備，所述第二信號具有從所述第二設備的 時鐘得到的頻率；
在所述第二設備，計算所述第二設備處相對於所述第二設備的時 鐘的轉向時間量度，所述轉向時間是接收所述第一信號和發射所述第 二信號間的時間；
計算所述第一設備和第二設備相對於彼此的時鐘的頻率的量度；
使用所述量度來重新計算相對於所述第一設備的時鐘的所述轉向時間；以及
在所述第一設備，使用所述重新計算的轉向時間來獲得所述第一 設備和第二設備間的距離的量度。
根據本發明的第二方面，提供包括具有可能有不同時鐘速率的各 個時鐘的第一設備和第二設備的系統
所述第一設備用於發射第一信號到所述第二設備，所述第一信號 具有從所述第一設備的所述時鐘獲得的頻率；
所述第二設備用於響應於接收所述第一信號，發射第二信號到所 述第一設備，所述第二信號具有從所述第二設備的時鐘獲得的頻率；
所述第二設備計算所述第二設備處相對所述第二設備的所述時 鐘的轉向時間的量度，所述轉向時間是接收所述第一信號和發射所述 第二信號之間的時間；
所述第一設備或第二設備用於計算所述第一設備和第二設備相 對於彼此的時鐘的頻率的量度；
所述第一設備和第二設備用於使用所述量度來重新計算相對於 所述第一設備的時鐘的轉向時間；以及
所述第一設備用於使用所述重新計算的轉向時間來獲得所述第 一設備和第二設備間的距離的量度。
現在參考附圖以舉例的方式描述本發明的具體實施例，其中
圖1示意性說明對汽車安全系統的中繼攻擊；
圖2說明兩個設備間信號的傳播；
圖3是用來說明本發明的發射機電路圖4是同圖3發射機一起用來說明本發明的接收機的電路圖； 圖5是顯示圖3和4設備的時鐘誤差的圖6是根據本發明的具體實施例可運行來匹配本振頻率和接收 的信號頻率的接收機電路圖7是根據本發明的具體實施例用來計算本振頻率和接收信號 的頻率間差別的接收機的電路圖8示出根據本發明的具體實施例怎樣使用I和Q信道上的數據來產生時間相位圖9a是當在每個兀間隔中有一些數據點時，從圖8的數據得到 的相對時間的相位圖；以及
圖9b是當在每個;r間隔中幾乎沒有數據點時，從圖8的數據得 到的相對時間的相位圖。
在附圖中，相似的組件重複使用相同的參考標記。
首先參考圖3和4，直接序列擴頻(DSSS)系統包括第一和第 二設備24、 26。這裡，第一設備是發射設備24並且第二設備是接收 設備26。
發射設備24包括電路，該電路包含頻率源28，例如，工作在頻 率fsl的晶振。將頻率源28連接到本地時鐘30，該時鐘從頻率源28 得到時間。將頻率源28連接到NCO 32(數字控制振蕩器)的輸入。將 NCO 32的輸出連接到編碼發生器34的輸入。將編碼發生器34的輸 出連接到混頻器36的第一輸入。同時將頻率源28連接到分頻比例為 Nt的第一分頻器38。將第一分頻器38的輸出連接到相位檢測器40 的第一輸入。將相位檢測器40的輸出連接到VC0 42 (壓控振蕩器) 的輸入。將VCO 42的一個輸出連接到分頻比例為M,的第二分頻器 44的輸入。將第二分頻器44的輸出連接到相位檢測器40的第二輸 入以形成鎖相環(PLL) 46。將VC0 42的第二輸出連接到混頻器36 的第二輸入。將混頻器36的輸出連接到天線48。
接收設備26包括包含工作於頻率fs2的頻率源50 (例如晶振)的 電路。將頻率源50連接到所述設備的本地時鐘52，該時鐘從頻率源 得到時間。將本地時鐘52的輸出連接到微處理器53。將頻率源50 連接到NC0 54 (數字控制振蕩器)的輸入。將NC0 54的輸出連接 到編碼發生器56的第一輸入。將編碼發生器56的輸出連接到相關器 58的第一輸入。將相關器58的輸出連接到微處理器53的第二輸入。 將微處理器53的一個輸出連接到編碼發生器56的第二輸入以形成反 饋迴路。同時將頻率源52連接到第一分頻器60，其分頻比例為N2。 將第一分頻器60的輸出連接到相位檢測器62的輸入。將相位檢測器62的輸出連接到VCO 64 (壓控振蕩器)的輸入。將VCO 64的第一 輸出連接到分頻比例為M2的第二分頻器66的輸入。將分頻器66的 輸出連接到相位檢測器62的第二輸入以形成鎖相環(PLL) 68。將 VCO 64'的第二輸出連接到混頻器70的輸入。將天線連接到混頻器 70的第二輸入。將混頻器70的輸出連接到帶通濾波器74的輸入。 將濾波器的輸出連接到相關器58的第二輸入。
在發射設備24，本地時鐘30依照工作在頻率fsl的頻率源28計 算時間。通過頻率源28運行NCO 32，並且NCO 32下分頻率到碼片 速率&。編碼發生器34產生每秒fj馬片速率的DSSS碼以形成基帶 信號，該基帶信號包括數據和PRN。接收機26己知PRN。基帶信號 可以包括某種形式的加密信息，從而僅有正確的密鑰卡4才能開鎖汽 車6。使用分頻器38和PLL46來產生RF載波信號。分頻器38使用 頻率源28來產生頻率為f;,/Ni的信號。將該信號輸入到PLL 46，其 產生頻率是(M,/N0xf^的RF載波信號。將RP載波信號和基帶信號 都輸入到混頻器38，在其中將這兩個信號混頻以產生調製信號，優 選地為BPSK (二相相移鍵控)調製信號。隨後將該信號通過天線48 發射到接收設備26。
天線72接收發射的信號並將該信號輸入到混頻器70。分頻器60 和PLL 68產生本振信號。分頻器60使用頻率源50產生頻率是fs2/N2 的信號。將該信號輸入到PLL68，其產生頻率為(M2/N2)xfs2的本振信 號。本振信號應該具有和發射的RF載波信號的頻率相同或幾乎相同 的頻率。當接收的BPSK信號同本振信號在混頻器70中混頻時，如 果RF載波信號本振信號是同頻率的，在基帶找到發射設備的基帶信 號。濾波器74濾除混頻器70產生的高頻信號和任何直流分量，從而 僅將基帶信號輸入到相關器。通過頻率源50運行NCO54，並且下分 頻率fa到碼片速率fe。編碼發生器56產生每秒fe碼片速率的DSSS 碼，以產生和在發射設備24中使用的PRN碼相同的複製信號。相關 器58將複製PRN碼同接收信號相關聯。微處理器53檢測它的輸出， 相關器58的輸出幅度表示信號間的相關量。微處理器53調整編碼發 生器56產生的複製PRN碼的相位以從相關器58產生最大信號。一旦找到複製碼的正確相位，可以確定接收信號中給定點的到達時間。
密鑰卡4和汽車6的安全系統都包含發射設備24和接收設備26。 汽車6的發射設備24和接收設備26使用頻率為fsA的相同的頻率源 28、 50以運行相同的時鐘30、 52。汽車6上的發射設備24和接收設 備26對第一分頻器38、 64使用相同分頻比例Na，且對第二分頻器 44、 60使用相同分頻比例Ma。密鑰卡4上的發射設備24和接收設 備26使用頻為率fsB的相同頻率源28、 50，來運行相同的時鐘30、 52。密鑰卡4上的發射設備24和接收設備26對第一分頻器38、 64 使用相同的分頻比例Nb;且對第二分頻器44、 60使用相同的分頻比 例MB。
再次參考圖2，現將描述設備的工作。汽車6的安全系統使用其 發射設備24發射包括參考點在時間TTA的第一信號12。汽車6的安 全系統存儲該時間TTA的記錄。密鑰卡4接收第一信號12，並使用 其相關器58將接收的信號同複製碼相關聯，以找到參考點到達時間 TAB。在轉向時間TAT之後，密鑰卡4使用其發射設備24發送具有 參考點時間TTb的第二信號14回汽車6的安全系統。第二信號14 的基帶信號包含識別第一信號到達密鑰卡4的時間TAB和從密鑰卡4 發射第二信號的時間TTB或者轉向時間TAT的數據。汽車接收第二 信號14，並且將接收信號同複製碼相關聯以獲得到達時間TAA。在 汽車6的安全系統中計算傳輸時間(ToF)並給出如下
formula see original document page 13 等式(O
這裡假定任一設備的本地時鐘30、 52沒有誤差，所以根據絕對
時間測量這些時間。
圖5是由單元A (例如汽車6的安全系統)或單元B (例如密鑰 卡4)在y-軸上記錄的時間相對x-軸的絕對時間的曲線圖。線76示 出由汽車6的安全系統記錄的相對絕對時間的時間。線76在y-軸上 的截距78給出時鐘偏移TA(0)。線76的斜率給出汽車6的安全系統 的時鐘速率fk，即汽車6的本地時鐘30、 52在一秒的絕對時間內記 錄了多少秒。第二線80示出由密鑰卡4記錄的相對絕對時間的時間。線80在y-軸上的截距82給出時鐘偏移TB(0)。線80的斜率給出密鑰 卡4的時鐘速率fB，即密鑰卡4的本地時鐘30、 52在一秒的絕對時 間內記錄了多少秒。如果密鑰卡4和汽車6的安全系統的本地時鐘 30、 52中沒有時鐘誤差，WlJfA=fB=l以及Ta(0一Tb(0^0，並且等式 (1)中傳輸時間ToF的表達式是由汽車6的安全系統測量的。
如果在本地時鐘30、 52中存在時鐘誤差，則由汽車6的安全系 統計算的傳輸時間(ToF)不再正確。如果不針對本地時鐘30、 52 做出修正，則由汽車計算的傳輸時間ToF是
2 寺式C2J
每個本地時鐘30、 52的時鐘偏移相互抵銷。
數學上不能獨立得到&和fe的值。因此，不能計算傳輸時間ToF 的準確量度。然而，發明人發現可以獲得密鑰卡4的時鐘速率除以汽 車6的時鐘速率fB/fA的量度。
優選地在汽車6的安全系統中執行大部分計算。這是因為汽車6 具有大電池和防護溫度變化的優點，並且因為通常具有比密鑰卡4更 大的可用容量。然而，可以在密鑰卡4中執行一些計算。如果將密鑰 卡中的電子電路保持到最小量，密鑰卡可以很小並能將其放在主人錢 包中而不會過分突出。
可以使用兩個另外的方法來獲得fs/fA的量度。這些方法中的每 一個包括在汽車6或密鑰卡4的安全系統中修改接收設備26電路。
圖6示出用來在汽車6的安全系統中計算fB/fA的接收設備84的 電路。這基於接收設備26。將微處理器86另外的輸出連接到第一分 頻器60和第二分頻器66的控制輸入，從而產生反饋迴路。
製造汽車6和密鑰卡4的安全系統，從而使兩個設備的載波頻率 幾乎相同。然而，頻率源28、 50的頻率和設備的本地時鐘30、 52可 能隨時間偏移，從而兩個設備6、 4的載波頻率不再相等。如果接收 設備84中產生的本振信號和到來信號的RF載波信號不同頻，當在 混頻器70中將這兩個信號混頻時，基帶信號將不會以零赫茲為中心。 這樣，相關器58不會產生和載波匹配時一樣大的輸出。當RF載波
14信號具有和本振信號相同的頻率並且PRN碼相位匹配時，產生最大
相關。 一旦如上所述建立了複製PRN碼的正確相位，微處理器53改 變分頻器比例Mb和Nb以使相關器的輸出信號最大。
在某一之前的時間，在時鐘偏移之前，本振的頻率和RF載波的
頻率是相等的。這給出表達式
4乾
=/載波=
4J^iV。
;式(3)
射負
這一步驟通常發生在製造汽車和密鑰卡時，儘管其可以發生在發 ;一信號之前的任何時間。當該結果正確時，汽車保存分頻比例
NA、 MB和NB和載波頻率的記錄。 在某一在後的時間，當時鐘已偏移至值fSA'、 fsB'時，這兩個頻 率可能不再匹配。汽車6的安全系統的接收設備84將分頻比例MA 和na調整為新的值Ma'和Na'以匹配汽牢6的安全系統中本振頻率 和密鑰卡4發射的RF載波頻率。沒有改變密鑰卡4的分頻比例MB、 NB。新載波頻率給出如下 /》、—，'.一 — fl
=/戰波
從
;式(4)
;式4除以等式3產生結果:
=/載波=
;式(5)
時鐘速率&和fB由厶=4//&和/3=4/^給出。因而終得出
WfA的結果
人
電
等式(6)
也就是說，因為當將兩個頻率最初匹配時使用的分頻比例是已知
的，所以通過匹配兩個設備的信號頻率計算密鑰卡4的時鐘速率除以 汽車6的安全系統的時鐘速率。
這樣，當從汽車6的安全信號發送第一信號12到密鑰卡4時， 不會對任何分頻比例MA、 NA、 Mb和Nb做改変。在轉向時間TAT 之後，密鑰卡4發射第二信號14到汽車6。這包括TAb和TTb的單個值或複合值(TTb—TAb)。當汽車6的安全系統接收第二信號14 時，接收設備84調整分頻比例MA和NA，並且使用這些調整的分頻
比例來計算fB/fA。
一旦得到fe/fA並為汽車6的安全系統所知，將其用來補償密鑰 卡4測量的轉向時間TAT。改善的傳輸時間ToF的估計是
7bF = — {厶(ro4， - 7br) - ^~~^-^}
1 等式(7)
一《{(r"2 - r《)- (7br2 - ■,)}
2
該計算總是在汽車的安全系統中執行。如果汽車6的時鐘速率 不等於一，則在該測量中存在誤差。然而，因為汽車6中的物理環境 可能更穩定，所以很可能是汽車6的安全系統的本地時鐘30、 52的 誤差比密鑰卡本地時鐘30、 52的誤差更小。通過將傳輸時間ToF乘 以光速可以得到汽車6和密鑰卡4間的距離。
在另一個具體實施例中，在密鑰卡4中執行更多的計算。在這個 具體實施例中，在密鑰卡4中使用修改的接收設備84，並且在汽車6 的安全系統中使用原來的接收設備26。當在密鑰卡4中從汽車6的 安全系統接收第一信號12時，接受設備84調整分頻比例Mb和Nb， 並且用這些調整的分頻比例計算fB/fA。在轉向時間TAT之後，密鑰 卡4發射第二信號14到汽車。該信號包括單個值TAB、 TAb和fB/fA 或者補償轉向時間的複合值TAT、 (TTB—TAB) / (fB/fA)。當在汽車 6的安全系統中接收第二信號14時，在那裡不會對任何分頻比例MA、 NA、 MB和NB做改變。在汽車6使用等式7計算傳輸時間ToF。
圖7示出用來在計算汽車6的安全系統計算fB/fA的另一接收設
備86的電路。這基於接收設備26。將接收的信號分成兩個信道，I 信號88和Q信道90。每個信道88、 90連接到混頻器70a、 70b的相 應輸入。將VCO 64的第二輸出分成兩個信道，其中用移相器91將 一個信道移相兀/2。另一個信道連接到I信道88的上混頻器70a。具 有丌/2相移的信道連接到Q信道90的上混頻器70b。每個混頻器70a、 70b的輸出連接到雙信道濾波器74的相應輸入。I信道88上的濾波器74的輸出連接到相關器58a的輸入。Q信道90上的濾波器74的 輸出連接到相關器58b的輸入。編碼發生器56具有兩個輸出，其中 一個輸出連接到相應相關器58a、 58b的輸入。每個相關器58a、 58b 的輸出連接到微處理器53。微處理器53的另一輸出連接到存儲器模 塊92的輸入。存儲器模塊92的輸出連接到微處理器53的另一輸入。
在混頻器70a、 70b中，來自VCO 64的本振信號同到來的信號 混頻，以將到來的信號下變頻到基帶。如果本振信號同I信道88上 的RF載波信號完全同相，則在I信道上的混頻器70a輸出所有數據。 如果本振信號同Q信道90上的RF載波信號完全同相，則在I信道 上的混頻器70b輸出所有數據。如果本振信號同I信道88或Q信道 90上的RF載波信號不嚴格同相，在I信道88或Q信道90上分割能 量。然而，如果本振信號和RF載波信號不同頻，本振信號同I信道 88或Q信道90將不具有恆定相位關係，並且每個信道上的能量總量 隨時間變化。因為使用BPSK調製，兩個信道都包含相同的信息。
在圖8中示出該效果。圖形94示出從混頻器70a輸出經由濾波 器74的I信道88上的數據。圖形96示出從混頻器70b輸出經由濾 波器74的Q信道90上的數據。效果是每個信道94、 96中的數據包 含在正弦形包絡內，I信道88的包絡同Q信道90的包絡有兀/2相位 差。如圖所示，每個信道88、 90上有相同的BPSK數據。包絡函數 的頻率是偏移頻率f偏移，其中f偏移是發射的RF載波信號和本地產生 的本振信號間的頻率差。
頻率偏移的值由包絡函數的頻率確定。這樣做的一個方法是簡單 的獲得一系列點的arctan(I/Q)。這給出相位時間函數圖，並且產生的 直線的斜率給出f偏移。實踐中，更準確的是，首先使用相關器58a將 I信道90的數據同編碼發生器56產生的複製碼相關聯，並且使用相 關器58b將Q信道88中的數據同編碼發生器56中產生的複製碼相 關聯。這防止調製數據影響該結果並減小噪聲對輸出的影響。如前所 述，首先在反饋迴路中使用相關器58a、 58b和微處理器53來產生具 有正確碼相位的複製碼，其也產生TAA的值。
將I信道數據94、 Q信道數據96和正確碼相位98的複製碼分成小持續時間部分100a、 100b等等。相關器58a、 58b約去I和Q信道 94、 96上的數據調製以提取I信道94和Q信道96的包絡信號上的 點。然後，微處理器53執行arctan(I/Q)函數來計算相位。將相位值 存儲在存儲器模塊92中，並重複相關。然後存儲器模塊92將所有數 據值發送到微處理器53。微處理器53使用這些數據值來產生相位一 時間圖，其中斜率等於f偏移。相關周期應該比頻率偏移的倒數小，以 防止相關性幹擾結果。
將頻率偏移與密鑰卡4的時鐘速率fB和汽車安全系統的時鐘速 率fA的比率相關。頻率偏移給出如下
/偏移二/'本振一/載波
偏移
等式(8)
Ws
其中當本地時鐘30、52分別偏移到頻率屍^和時，/tt波，和/'柳 是RF載頻和本振頻率。汽車4上的分頻比例A/U、 na和密鑰卡6上 的分頻比例Mb、 nb保持它們原來的值。使用等式3，可以將上式重
寫為formula see original document page 18式(9)
如果假定汽車中的時鐘沒有偏 的時鐘速率fA同密鑰卡的時鐘速率fB的比例
等式formula see original document page 18可以得出汽車
偏移
微處理器53利用f載波的結果、，此前(例如當製造系統元件時)己知的當本地時鐘30、 52都具有相同時鐘速率時RF的載頻執行上
面計算。
這樣，當將第一信號12從汽車6的安全信號發送到密鑰卡4時， 沒有對偏移頻率進行測量。在轉向時間TAT之後，密鑰卡4向汽車 發射第二信號14，其中信號包括單個值TAb和TTB或複合值(TTB 一TAb)。當汽車6的安全系統接收到第二信號時，接收設備84測量 偏移頻率並使用偏移頻率來計算fB/fA。在汽車6使用等式7計算傳輸 時間ToF。
或者，可以在密鑰卡4處執行更多的計算。這裡，接收設備86 位於密鑰卡4，並且原來的接收設備26位於汽車6的安全系統中。 當將第一信號12從汽車6的安全系統發送到密鑰卡4時，接收設備 84測量偏移頻率，並使用其來計算fB/fA。在轉向時間TAT之後，密 鑰卡4向汽車發射第二信號14，其包括單個值TAB、 TTb和fe/fA或 補償轉向時間的複合值TAT、 (TTB—TAB)/(fB/fA)。當在汽車6的安全 系統處接收到第二信號時，沒有進行偏移頻率的測量。在汽車6中使 用等式7來計算傳輸時間ToF。
反正切函數僅產生相位區間-兀/2<^<71/2中的結果，使在偏移頻率 的每半個波長處發生不連續點，如圖9a和9b所示。測量不連續點處 的斜率引起誤差。在圖9a中，在每個相位區間-兀/2<^<兀/2中執行許 多相關(如曲線104所示)。接收機86識別該例子中的不連續點相對 簡單。如曲線106所示，通過向上移動每個連續7i區間內的相位而產 生相對時間的累積相位圖。可以使用相對時間的累積相位曲線106來 得到真正的斜率。然而，在給定的時間間隔內產生這麼多相位測量可 能需要大量的處理資源。圖9b示出在每個時間間隔內執行較少相位 測量的曲線。對於接收設備86而言，識別該例中的不連續點更困難， 並且不能計算相對時間的累積相位曲線110，除非系統已知頻率偏移。
如果使用兩個方法的結合來得到fB/fA，可以解決這個問題。首先，
調整na和Ma以減小頻率偏移。因為在不連續點間的區間尺寸(如 曲線104、 106、 108和110所示)與頻率偏移的倒數相關，這增加不 連續點間的區間尺寸。因此，在每個相位區間-兀/2〈x〈7i/2中有更多相關，從而很容易產生相對時間的累積相位的曲線。
本發明不限於汽車安全系統，而是具有更廣的應用。在本發明的 另一具體實施例中(未示出)，使用該系統來製造定位系統。例如使 用這個來追蹤醫院中的設備、病人和醫生。有基站的基礎設施，該設 施包括和汽車6中電路的類似的電路。設備、病人和醫生每個帶有標 籤，該標籤包含同密鑰卡4的電路類似的電路。基站獨立於它們自己 時鐘運行，從而在它們之間不需要電纜(如先前的系統)。每次需要 定位標籤時，在標籤和至少三個基站間存在雙向通信。基站補償標籤 處的轉向時間以得到標籤距每個基站的距離的準確量度，並因此能夠 計算標籤的位置。
雖然針對上面具體實施例描述本發明，對本領域技術人員而言， 應該很清楚可以在不離開本發明的範圍的情況下作改變。
權利要求
1、得到第一設備(6)和第二設備(4)間的距離量度的方法，所述兩個設備分別具有時鐘(30、52)，所述兩個時鐘可能具有不同的時鐘速率，所述方法包括從所述第一設備(6)發射第一信號(12)到所述第二設備(4)，所述第一信號(12)具有從所述第一設備(6)的時鐘(30、52)得到的頻率；響應於在所述第二設備(4)處接收到所述第一信號(12)，從所述第二設備(4)發射第二信號(14)到所述第一設備(6)，所述第二信號(14)具有從所述第二設備(4)的時鐘(30、52)得到的頻率；在所述第二設備(4)，計算所述第二設備(4)處相對於所述第二設備(4)的時鐘(30、52)的轉向時間量度，所述轉向時間是接收所述第一信號(12)和發射所述第二信號(14)間的時間；計算所述第一設備(6)和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、52)的頻率的量度；使用所述量度來重新計算相對於所述第一設備(6)的時鐘(30、52)的所述轉向時間；以及在所述第一設備(6)處，使用所述重新計算的轉向時間來獲得所述第一設備(6)和第二設備(4)間的距離的量度。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中所述計算所述第一設備(6) 和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率的量度的步驟 在所述第二設備(4)執行，所述方法進一步包括將所述量度傳輸到 所述第一設備(4)。
3、 根據權利要求1所述的方法，其中所述計算所述第一設備(6) 和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率的量度的步驟 在所述第一設備(6)執行。
4、 根據前述任意一項權利要求所述的方法，其中所述第一設備(6)和第二設備(4)的一個或兩個都具有至少一個分頻器(60、 66)， 所述分頻器(60、 66)用來從該設備的時鐘(30、 52)獲得本振信號， 所述方法包括在發射所述第一信號(12)之前，確定使所述第一設備 (6)和第二設備(4)產生基本上相等頻率的本振信號的每個分頻器 (60、 66)的分頻比例，並且存儲每個分頻器(38、 44、 60、 66)的 分頻比例到所述第一設備(6)或者第二設備(4)。
5、 根據權利要求4所述的方法，其中所述計算所述第一設備(6) 和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率量度的步驟包 括改變至少一個分頻器(60、 66)的比例，直到其提供與所述第一 信號(12)或者第二信號(14)的載波基本上相等的本振信號，所述 第一信號(12)或者第二信號(14)是在改變所述分頻器(60、 66) 比例的所述設備接收的，以及根據改變前的所述分頻器(60、 66)比例以及改變後的所述分頻 器(60、 66)比例計算所述量度。
6、 根據前述任意一項權利要求所述的方法，其中所述第一設備 (6)和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52)頻率的所述量度是所述時鐘頻率的比例的量度。
7、 根據權利要求1到4中的任意一項所述的方法，其中所述計 算所述第一設備(6)和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52) 頻率的量度的步驟包括混頻在所述設備接收的所述第一信號(6) 或第二信號(4)和所述設備的本振信號，並且確定所得的混頻信號(94、 96)的包絡的頻率。
8、 根據權利要求7所述的方法，包括，在混頻和確定所述得到的混頻信號包絡的頻率的步驟之前，通過調整接收所述信號的所述第一設備(6)或第二設備(4)中的至少一個分頻器(60、 66)的所述 分頻比例來減小頻率偏移。
9、 根據權利要求7或8所述的方法，其中計算所述第一設備(6) 和第二設備(4)中時鐘(30、 52)的頻率的量度的步驟包括以隔 開的間隔連續計算在同相混頻信號(94)與正交混頻信號(96)的比 例的反正切，並且確定由連續反正切計算的結果提供的線(102)的 斜率。
10、 包括具有可能有不同時鐘速率的各個時鐘(30、 52)的第一設 備(6)和第二設備(4)的系統所述第一設備(6)用於發射第一信號(12)到所述第二設備(4)， 所述第一信號(12)具有從所述第一設備(6)的所述時鐘(30、 52) 獲得的頻率；所述第二設備(4)用於響應於接收所述第一信號(12)，發射第 二信號(14)到所述第一設備(6)，所述第二信號(14)具有從所述第 二設備(4)的時鐘(30、 52)獲得的頻率；所述第二設備(4)計算所述第二設備(4)處相對所述第二設備 (4)的所述時鐘(30、 52)的轉向時間的量度，所述轉向時間是接 收所述第一信號(12)和發射所述第二信號(14)之間的時間；所述第一設備(6)或第二設備(4)用於計算所述第一設備(6) 和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率的量度；所述第一設備(6)和第二設備(4)用於使用所述量度來重新計 算相對於所述第一設備(6)的時鐘(30、 52)的轉向時間；以及所述第一設備(6)用於使用所述重新計算的轉向時間來獲得所 述第一設備(6)和第二設備(4)間的距離的量度。
11、 根據權利要求10所述的系統，其中所述第二設備(4)用於 計算所述第一設備(6)和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率的量度，並且傳送所述量度到所述第一設備(6)。
12、 根據權利要求10所述的系統，其中所述第一設備(6)用於計算所述第一設備(6)和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52) 的頻率的量度。
13、 根據權利要求10到12中的任意一項所述的系統，其中所述 第一設備(6)和第二設備(4)中的一個或兩個都具有至少一個分頻 器(60、 66)，所述分頻器(60、 66)用來從該設備的時鐘(30、 52) 獲得本振信號，所述系統用於在發射所述第一信號(12)之前，確定 使所述第一設備(6)和第二設備(4)產生基本上相等頻率的本振信 號的每個分頻器(60、 66)的分頻比例，而且至少一個所述第一設備(6)和第二設備(4)用於存儲所述分頻器(60、 66)比例。
14、 根據權利要求13所述的系統，其中用於計算所述第一設備 (6)和第二設備(4)的相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率的量度的所述第一設備(6)或第二設備(4)之一用於改變至少一個分頻器(60、 66)的比例，直到其提供與所述設備 正接收的所述第一信號(12)或者第二信號(14)的載波基本上相等 的本振信號，以及根據改變前的所述分頻器(60、 66)比例以及改變後的所述分頻 器(60、 66)比例來計算所述量度。
15、 根據權利要求10到14中的任意一項所述的系統，其中所述 第一設備(6)和第二設備(4)相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率 的所述量度是所述時鐘頻率的比例的量度。
16、 根據權利要求10到15中的任意一項所述的系統，其中用於 計算所述第一設備(6)和第二設備(4)的相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率的量度的所述第一設備(6)或第二設備(4)之一用於混頻在所述設備接收的所述第一信號(12)或第二信號(14)和所述設備的本振信號，並且確定所得的混頻信號(94、 96)的包絡的頻率。
17、 根據權利要求16所述的系統，其中所述第一設備(6)或第 二設備(4)之一被用於在確定所述得到的混頻信號(94、 96)的包絡 的頻率之前，通過調整所述設備中至少一個分頻器(60、 66)的分頻 比例來減小所述頻率偏移。
18、 根據權利要求16或17所述的系統，其中用於計算所述第一 設備(6)和第二設備(4)的相對於彼此的時鐘(30、 52)的頻率的 量度的所述第一設備(6)或第二設備(4)之一用於以隔開的間隔 連續計算同相混頻信號(94)與正交混頻信號(96)的比例的反正切， 並且確定由連續反正切計算的結果提供的線(102)的斜率。
19、 根據權利要求10到18中的任意一項所述的系統，其中所述 第一設備(6)形成汽車安全系統的一部分，並且所述第二設備(4) 形成汽車進入收發機的部分。
20、 根據權利要求10到18中的任意一項所述的系統，是包括多 個各構成一基站的第一設備和至少一個是行動裝置的第二設備的定 位系統。
全文摘要
第一和第二設備具有可能有不同時鐘速率的時鐘。獲得在設備間傳遞的信號的傳播距離的度量包括，從第一設備發射第一信號12到第二設備。在轉向時間TAT之後，將第二信號14從第二設備發射到第一設備。時鐘的任何誤差可能導致測量轉向時間TAT的誤差。一個設備包括通過調整分頻器比例直到得到LO頻率匹配，或者通過判定混頻信號包絡的偏移頻率，計算第一和第二設備的時鐘速率比例的電路。時鐘速率的比例用於補償轉向時間TAT以減輕誤差。可以將準確的距離量度用於判定在汽車安全系統中是否發生中繼攻擊。
文檔編號G01S11/08GK101438186SQ200580041294
公開日2009年5月20日 申請日期2005年11月30日 優先權日2004年12月2日
發明者A·S·利奇, M·S·威爾科克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司