DE102004048204A1 - Method for reconstructing a non-equidistant sampled analog signal - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren mit den folgenden Schritten zur Rekonstruktion eines nicht-äquidistant abgetasteten, analogen Signals bereit, welches nur zu begrenzten, periodisch wiederkehrenden Zeiten beobachtbar ist: DOLLAR A a.) Bereitstellen einer Approximationsmatrix mit einer Dimension MxN, welche eine endliche Anzahl N an vorbestimmbaren Approximationsfunktionen für jeweils einen Abtastzeitpunkt einer endlichen Anzahl M an vorbestimmbaren Abtastzeitpunkten aufweist; DOLLAR A b.) Bereitstellen eines Funktionsansatzes, welcher durch eine Multiplikation der Approximationsmatrix mit einem zu bestimmenden Gewichtungsvektor ausgebildet wird; DOLLAR A c.) nicht-äquidistantes Abtasten des Signals an den vorbestimmten Abtastzeitpunkten zur Ausbildung eines Abtastvektors; DOLLAR A d.) Durchführen eines Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahrens zur Minimierung einer Abweichung des Funktionsansatzes von dem Abtastwertvektor, so dass der Gewichtungsvektor, welcher zu einer minimalen Abweichung führt, bestimmt wird; DOLLAR A e.) Einsetzen von vorbestimmbaren Rekonstruktionszeitpunkten in die Approximationsmatrix zur Ausbildung einer Rekonstruktionsmatrix und DOLLAR A f.) Multiplizieren der Rekonstruktionsmatrix mit dem bestimmten Gewichtungsvektor zur Ausbildung des Rekonstruktionsvektors, welcher zu jedem vorbestimmten Rekonstruktionszeitpunkt einen Rekonstruktionswert aufweist.The present invention provides a method with the following steps for reconstructing a non-equidistantly sampled analog signal that is observable only at limited, periodically recurring times: DOLLAR A a.) Provide an approximation matrix of dimension MxN which is a finite number N has predeterminable approximation functions for each one sampling instant of a finite number M of predeterminable sampling instants; DOLLAR A b.) Providing a function approach, which is formed by a multiplication of the approximation matrix with a weighting vector to be determined; DOLLAR A c.) Non-equidistant sampling of the signal at the predetermined sampling instants to form a sample vector; DOLLAR A d.) Performing a least-squares method to minimize a deviation of the function approach from the sample vector such that the weighting vector resulting in a minimum deviation is determined; DOLLAR A e.) Substituting predeterminable reconstruction instants into the approximation matrix to form a reconstruction matrix and DOLLAR A f.) Multiplying the reconstruction matrix with the determined weighting vector to form the reconstruction vector having a reconstruction value at each predetermined reconstruction time.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion eines nichtäquidistant abgetasteten, analogen Signals.The The present invention relates to a method of reconstruction a non-equidistant sampled, analog signal.
In der Nachrichtentechnik wird die Abtastung von analogen Signalen in der Regel zu äquidistanten Abtastzeitpunkten mit einer konstanten Abtastrate bzw. Abtastfrequenz durchgeführt. Dabei gilt das Abtasttheorem, auch erste Nyquist-Bedingung genannt, welches den (im Sinne von Information) verlustfreien Übergang von wert- und zeitkontinuierlichen Signalen zu wertkontinuierlichen zeitdiskreten Signalen gewährleistet. Das Abtasttheorem besagt, dass Signale genau dann exakt rekonstruiert werden können, wenn die im Signal enthaltenen Frequenzen maximal halb so groß wie die verwendete Abtastrate bzw. Abtastfrequenz sind. Wird die Abtastbedingung verletzt, d.h. das Signal weist Anteile mit größeren Frequenzen als die halbe Abtastrate auf, so entstehen Störungen, so genannte Überlappungsfehler (Aliasing). Dabei werden hohe Frequenzanteile zu tiefen Frequenzen hin verschoben und verfälschen so das rekonstruierte Signal. Eine exakte Rekonstruktion des übertragenen Signals ist daher nicht mehr möglich.In the telecommunications industry is the sampling of analog signals usually to equidistant Sampling times with a constant sampling rate or sampling frequency carried out. The sampling theorem, also called the first Nyquist condition, which the (in the sense of information) lossless transition from value- and time-continuous signals to continuous value ensures discrete-time signals. The sampling theorem states that exactly then signals are reconstructed exactly can be if the frequencies contained in the signal are at most half as large as the used sampling rate or sampling frequency are. Will the sampling condition injured, i. the signal has shares with greater frequencies than half Sampling rate, this causes interference, so-called overlap error (Aliasing). In the process, high frequency components become low frequencies postponed and distorted so the reconstructed signal. An exact reconstruction of the transmitted Signal is therefore no longer possible.
Zum
Beispiel in Multiplexsystemen, insbesondere in Zeitmultiplexsystemen,
d.h. in Systemen, bei denen zwei oder mehrere Signale abwechselnd übertragen
bzw. empfangen werden, treten Signale auf, die nur zu zeitlich begrenzten
und periodisch wiederkehrenden Zeitschlitzen beobachtbar sind. Ein
einzelnes dieser Signale ist beispielhaft in
Aus
der Theorie ist bekannt, dass ein nicht-äquidistant abgetastetes Signal
theoretisch unter Verwendung von speziellen Rekonstruktionsfunktionen
ebenso vollständig
wiederhergestellt werden kann wie bei einer Abtastung, bei der die
Abtastbedingung eingehalten worden ist.
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF INVENTION
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Rekonstruktion eines nicht-äquidistant abgetasteten, analogen Signals mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass das nur zu begrenzten, periodisch wiederkehrenden Zeiten beobachtbare analoge Signal robust rekonstruierbar ist, wobei das analoge Signal Frequenzen aufweisen kann, die höher als die halbe Multiplexrate sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren numerisch stabil ist, da die großen Amplituden, welche bei der Verwendung bekannter Rekonstruktionsfunktionen auftreten können, vermieden werden. Des Weiteren lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mittels einer digitalen Signalverarbeitung umsetzen, so dass das übertragene, analoge Signal in Echtzeit verarbeitbar ist.The inventive method for the reconstruction of a non-equidistant sampled, analog signal having the features of claim 1 points opposite the known approaches to the Advantage on that the only too limited, periodically recurring Times observable analog signal is robustly reconstructable, taking the analog signal may have frequencies higher than are half the multiplexing rate. Another advantage is that that inventive method numerically stable, since the large amplitudes, which at the use of known reconstruction functions can occur avoided become. Furthermore, lets the process of the invention using digital signal processing so that the transmitted, analog signal can be processed in real time.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im Wesentlichen darin, ein Verfahren mit den folgenden Schritten zur Rekonstruktion eines nicht-äquidistant abgetasteten, analogen Signals bereitzustellen:
- a.) Bereitstellen einer Approximationsmatrix mit einer Dimension MxN, welche eine endliche Anzahl N an vorbestimmbaren Approximationsfunktionen für jeweils einen Abtastzeitpunkt einer endlichen Anzahl M an vorbestimmbaren Abtastzeitpunkten aufweist;
- b.) Bereitstellen eines Funktionsansatzes, welcher durch eine Multiplikation der Approximationsmatrix mit einem zu bestimmenden Gewichtungsvektor ausgebildet wird;
- c.) nicht-äquidistantes Abtasten des Signals an den vorbestimmten Abtastzeitpunkten zur Ausbildung eines Abtastvektors;
- d.) Durchführen eines Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahrens zur Minimierung einer Abweichung des Funktionsansatzes von dem Abtastwertvektor, so dass der Gewichtungsvektor, welcher zu einer minimalen Abweichung führt, bestimmt wird;
- e.) Einsetzen von vorbestimmbaren Rekonstruktionszeitpunkten in die Approximationsmatrix zur Ausbildung einer Rekonstruktionsmatrix; und
- f.) Multiplizieren der Rekonstruktionsmatrix mit dem bestimmten Gewichtungsvektor zur Ausbildung des Rekonstruktionsvektors, welcher zu jedem vorbestimmten Rekonstruktionszeitpunkt einen Rekonstruktionswert aufweist.
- a.) providing an approximation matrix having a dimension MxN which has a finite number N of predeterminable approximation functions for each one sampling instant of a finite number M of predeterminable sampling instants;
- b.) providing a functional approach, which is formed by a multiplication of the approximation matrix with a weighting vector to be determined;
- c.) non-equidistant sampling of the signal at the predetermined sampling instants to form a sample vector;
- d.) performing a least-squares method to minimize a deviation of the functional approach from the sample vector such that the weighting vector resulting in a minimum deviation is determined;
- e.) inserting predeterminable reconstruction instants into the approximation matrix to form a reconstruction matrix; and
- f.) multiplying the reconstruction matrix with the determined weighting vector to form the reconstruction vector having a reconstruction value at each predetermined reconstruction time.
Vorteilhafterweise kann das Signal aufgrund der nicht-äquidistanten Abtastung Frequenzen aufweisen, die höher als die halbe Multiplexrate sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist numerisch stabil, da die Approximationsfunktionen derart wählbar sind, dass die entstehenden Amplituden bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Außerdem sind die Approximationsfunktionen derart wählbar, dass sie zeitlich endlich ausgedehnt sind, so dass die Verarbeitung des Signals in Echtzeit möglich wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch deshalb in Echtzeit möglich, da die Approximationsmatrix und der Funktionsansatz bereits vor dem nicht-äquidistanten Abtasten bereitgestellt werden, so dass nach der Abtastung beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens nur noch Additions-, Subtraktions- und Multiplikationsschritte mit festen Koeffizienten zur Rekonstruktion des Signals notwendig sind.advantageously, The signal may be due to non-equidistant sampling frequencies have higher than half the multiplexing rate. The inventive method is numerically stable, since the approximation functions are selectable that the resulting amplitudes do not exceed certain limits. Furthermore the approximation functions are selectable such that they are finite in time are extended, allowing the processing of the signal in real time possible becomes. The inventive method is also possible in real time, since the approximation matrix and the functional approach already exist the non-equidistant Be provided so that after sampling at Carry out the method according to the invention only addition, subtraction and multiplication steps with fixed coefficients are necessary for the reconstruction of the signal.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass folgende Funktionen bzw. Parameter je nach dem vorliegenden konkreten Problem frei wählbar sind:
- – Abtastzeitpunkte für das Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahren,
- – Rekonstruktionszeitpunkte für den Rekonstruktionsvektor,
- – Approximationsstützstellen für die Approximationsfunktion.
- Sampling times for the least squares method,
- Reconstruction times for the reconstruction vector,
- - Approximation support points for the approximation function.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Rekonstruktion eines nicht-äquidistant abgetasteten, analogen Signals.In the dependent claims find advantageous developments and refinements of in claim 1 specified method for reconstructing a non-equidistant sampled, analog signal.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird das nicht-äquidistante Abtasten des Signals zur Ausbildung des Abtastwertvektors derart durchgeführt, dass in einer jeden Multiplexperiode bzw. in einem jeden Beobachtungszeitraum, welcher für das analoge Signal vorgesehen wird, wenigstens zwei Abtastwerte abgetastet werden. Vorteilhafterweise ist dadurch die zulässige Bandbreite des zu übertragenden, analogen Signals bei Multiplexsystemen nicht auf die halbe Multiplexrate bzw. Abtastrate begrenzt. Vorteilhafterweise wird auch dann der Aliasing-Fehler vermieden.According to one preferred embodiment is the non-equidistant scanning of the signal for forming the sample vector such that in each multiplex period or in each observation period, which for the analog signal is provided, at least two samples be scanned. Advantageously, this is the permissible bandwidth of the to be transferred, analog signal in multiplex systems not to half the multiplexing rate or sampling rate limited. Advantageously, then the Aliasing errors avoided.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird für jede Approximationsfunktion genau eine vorbestimmbare Approximationsstützstelle vorgesehen. Vorteilhafterweise können die Approximationsstützstellen unabhängig von den Abtastzeitpunkten gewählt werden. Diese Unabhängigkeit trägt entscheidend zur Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens bei. Weiter ist die jeweilige Approximationsstützstelle je nach dem vorliegenden Problem bzw. dem zu empfangenden Signal vom Entwickler frei bestimmbar.According to one Another preferred embodiment is for each approximation function provided exactly a predeterminable approximation support point. advantageously, can the approximation support points independently chosen from the sampling times become. This independence contributes decisively for flexibility the method according to the invention at. Furthermore, the respective approximation support point is dependent on the present one Problem or the signal to be received by the developer freely determinable.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zur Bestimmung des Gewichtungsvektors mittels des Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahrens eine Pseudoinverse zu der Approximationsmatrix berechnet und die berechnete Pseudoinverse wird mit dem Abtastwertvektor multipliziert. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren durch den Einsatz des Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahrens (Least-Squares-Approximation) unempfindlich gegenüber Rauschen.According to one Another preferred embodiment is to determine the weighting vector using the least-squares method, a pseudoinverse to the approximation matrix and the calculated pseudoinverse is multiplied by the sample vector. advantageously, is the inventive method insensitive by using the least-squares approximation across from Noise.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Approximationsfunktion als B-Splines, als eine Hermitesche Funktion oder als eine von einer Si-Funktion abgeleiteten Funktion ausgebildet.According to one Another preferred development is the approximation function as B-splines, as a Hermitean function or as one of one Si function derived function is formed.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Rekonstruktionszeitpunkte mit einer Rekonstruktionsperiode vorgesehen, so dass die Rekonstruktionsperiode kleiner als die Multiplexperiode ist. Vorteilhafterweise weist damit der Rekonstruktionsvektor Rekonstruktionswerte zu Zeitpunkten auf, die außerhalb des Beobachtungszeitraums liegen.According to a further preferred development, the reconstruction times are provided with a reconstruction period, so that the reconstruction period is shorter than the multiplexing period. In front It is thus advantageous for the reconstruction vector to have reconstruction values at times which are outside the observation period.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Abtastzeitpunkte innerhalb eines Beobachtungszeitraums äquidistant gewählt. Vorteilhafterweise wird dadurch der Rechenaufwand zur Rekonstruktion des analogen Signals minimiert.According to one Another preferred embodiment, the sampling times are within of an observation period equidistant selected. Advantageously, thereby the computational effort for reconstruction of the analog signal is minimized.
ZEICHNUNGENDRAWINGS
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description closer explained.
Es zeigen:It demonstrate:
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION THE EMBODIMENTS
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.In the same reference numerals designate the same or functionally identical Ingredients.
Verfahrensschritt a:Process step a:
Bereitstellen einer Approximationsmatrix Θ mit einer Dimension NxM, welche eine endliche Anzahl N an vorbestimmbaren Approximationsfunktionen ϕn(t) für jeweils einen Abtastzeitpunkt tAm einer endlichen Anzahl M an vorbestimmbaren Abtastzeitpunkten tAm aufweist. Für jede Approximationsfunktion ϕn(t) wird vorzugsweise genau eine vorbestimmbare Approximationsstützstelle tSn vorgesehen. Vorteilhafterweise können die Approximationsstützstellen tSn unabhängig von den Abtastzeitpunkten tAm gewählt werden. Diese Unabhängigkeit trägt entscheidend zur Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens bei. Vorzugsweise werden die Abtastzeitpunkte tAm innerhalb eines Beobachtungszeitraumes TB äquidistant gewählt. Eine Approximationsfunktion ϕn(t) wird beispielsweise als B-Splines, als eine Hermitesche Funktion oder als eine von einer Si-Funktion abgeleiteten Funktion ausgebildet.Providing an approximation matrix Θ with a dimension NxM which has a finite number N of predeterminable approximation functions φ n (t) for one sampling time tA m of a finite number M of predeterminable sampling times tA m . For each approximation function φ n (t), it is preferable to provide exactly one predeterminable approximation support point tS n . Advantageously, the approximation support points tS n can be selected independently of the sampling times tA m . This independence contributes significantly to the flexibility of the method according to the invention. Preferably, the sampling times tA m are chosen to be equidistant within an observation period T B. An approximation function φ n (t) is formed for example as B-splines, as a Hermitian function or as a function derived from an Si function.
Verfahrensschritt b:Process step b:
Bereitstellen
eines Funktionsansatzes (Z), welcher durch eine Multiplikation der
Approximationsmatrix Θ mit
einem zu bestimmenden Gewichtungsvektor
Verfahrensschritt c:Process step c:
Nicht-äquidistantes
Abtasten des Signals s(t) an den vorbestimmten Abtastzeitpunkten
tAm zur Ausbildung eines Abtastwertvektors
Verfahrensschritt d:Process step d:
Durchführen eines
Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahrens (Least-Squares-Approximation)
zur Minimierung einer Abweichung des Funktionsansatzes Z von dem
Abtastvektor
Verfahrensschritt e:Process step e:
Einsetzen von vorbestimmbaren Rekonstruktionszeitpunkten tRk in die Approximationsmatrix Θ zur Ausbildung einer Rekonstruktionsmatrix Θ ~. Vorzugsweise werden die Rekonstruktionszeitpunkte tRk mit einer Rekonstruktionsperiode TR vorgesehen, so dass die Rekonstruktionsperiode TR kleiner als die Multiplexperiode TM ist.Insertion of predeterminable reconstruction times tR k into the approximation matrix Θ for forming a reconstruction matrix Θ ~. Preferably, the reconstruction times tR k are provided with a reconstruction period T R , so that the reconstruction period T R is smaller than the multiplexing period T M.
Verfahrensschritt f:Process step f:
Multiplizieren
der Rekonstruktionsmatrix Θ ~ mit dem bestimmten Gewichtungsvektor
Des
Weiteren wird ein Funktionsansatz Z (siehe Gleichung (3)) bereitgestellt,
welcher durch eine Multiplikation der Approximationsmatrix Θ mit einem
zu bestimmenden Gewichtungsvektor
Im
Empfänger
wird das empfangene, analoge Signal s(t) einer Abtastvorrichtung
1 zugeführt,
welche das Signal s(t) an den vorbestimmten Abtastzeitpunkten tAm zur Ausbildung eines Abtastvektors
Der
Abtastwertvektor
Zur
Minimierung der Abweichung des Funktionsansatzes Z von dem Abtastvektor
Bei
dem Kleinste-Fehlerquadrate-Verfahren wird das Fehlerquadrat
Der
Kleinste-Fehlerquadrate-Ansatz wird dadurch gelöst, dass der noch verbleibende
Fehlervektor
Der
Gewichtungsvektor
- [1] Haykin, Simon S., Adaptive Filter Theory, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1986.
- [2] Freeman, H., Discrete-Time Systems, John Wiley & Sons, New York, 1965.
- [1] Haykin, Simon S., Adaptive Filter Theory, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1986.
- [2] Freeman, H., Discrete-Time Systems, John Wiley & Sons, New York, 1965.
Die
Pseudoinverse P hängt
lediglich von den Approximationsfunktionen ϕn(t)
und den Abtastzeitpunkten tAm ab, jedoch
nicht von den abgetasteten Werten sm bzw.
dem Abtastwertvektor
Der
bestimmte Gewichtungsvektor
Zur
Bestimmung des Rekonstruktionsvektors
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. So ist im Besonderen die Auswahl der Approximationsfunktionen vom Entwickler hinsichtlich der vorliegenden Problemstellung wählbar. Ebenso wird in obiger Beschreibung an verschiedenen Stellen auf ein Multiplexsystem Bezug genommen, in dem analoge Signale s(t) nur zu begrenzten, periodisch wiederkehrenden Zeiten beobachtbar sind. Diese analogen Signale treten jedoch auch in anderen Systemen auf. Hierbei stehen die Begriffe „Multiplexrate" und "Multiplexperiode" synonym für die Rate der Wiederkehr bzw. die Periode der periodisch wiederkehrenden Beobachtungszeiträume TB.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in many ways. Thus, in particular, the selection of the approximation functions by the developer with regard to the present problem can be selected. Likewise, reference is made in the above description to various points to a multiplex system in which analog signals s (t) are observable only at limited, periodically recurring times. However, these analog signals also occur in other systems. Here, the terms "multiplex rate" and "multiplex period" are synonymous with the rate of recurrence or the period of the periodically recurring observation periods T B.
Claims (7)
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Legal Events
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |