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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung durch Bestimmen von Lichtlaufzeiten mit wenigstens einem Sender zur Aussendung, insbesondere gepulster elektromagnetischer Strahlung, wenigstens einem Empfänger zum Nachweis von an Objekten reflektierter Strahlung, wobei mittels zumindest des Empfängers ein Eingangssignal für die Signalabtastung bereitgestellt wird, und einer Einrichtung zur Signalabtastung mit einer Verzögerungseinrichtung, die für wenigstens ein abzutastendes Eingangssignal eine Mehrzahl von unterschiedliche Signallaufzeiten bedingenden Signalwegen bereitstellt und mit der aus dem Eingangssignal eine Schar von unterschiedlich verzögerten Einzelsignalen erzeugbar ist, einer mit einem Grundtakt getakteten Abtasteinrichtung zur gleichzeitigen Abtastung der unterschiedlich verzögerten Einzelsignale und einer Verarbeitungseinrichtung zur parallelen Weiterverarbeitung der von der Abtasteinrichtung erzeugten Abtastsignale. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der
US 6 433 715 B2 beschrieben.
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Insbesondere bei Verfahren und Vorrichtungen zur Entfernungsmessung durch Bestimmen der Lichtlaufzeit, wie sie beispielsweise in Verbindung mit Lasermesssystemen, z. B. Laserscannern, bekannt sind und bei denen mit wenigstens einem Sender insbesondere gepulste elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird und an Objekten reflektierte Strahlung mit wenigstens einem Empfänger nachgewiesen werden, werden in der Praxis sowohl an die Messempfindlichkeit, die Messgenauigkeit als auch die Messgeschwindigkeit immer höhere Anforderungen gestellt. Gleichzeitig sollen die Systeme kostengünstig herstellbar sein, um z. B. als zusätzliche Komponenten in für die unterschiedlichsten Anwendungen dienenden seriengefertigten Einheiten die Gesamtkosten in vertretbaren Grenzen zu halten.
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Gerade bei Lasermesssystemen wird mit einem enormen Aufwand versucht, eine möglichst hohe Messgenauigkeit oder Messauflösung zu erzielen, da aufgrund der Lichtgeschwindigkeit sehr kurze Zeitintervalle gemessen werden müssen. Ein Entfernungsunterschied von 1 cm entspricht einer Laufzeitdifferenz von etwa 66 ps. Um derartige Anforderungen an die Zeitmessung erfüllen zu können, wurden bislang spezielle ASIC-Bausteine entwickelt, was die resultierenden Messsysteme aufgrund der hohen Entwicklungskosten vergleichsweise teuer macht.
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Beispielsweise bei den erwähnten Lasermessgeräten wird von dem Empfänger die Intensität der nachgewiesenen reflektierten Strahlung kontinuierlich in eine elektrische Spannung umgewandelt. Der zeitliche Verlauf dieser Empfangsspannung stellt ein analoges Empfangssignal dar. Zur Signalauswertung kann dieses analoge Empfangssignal direkt z. B. mittels eines getakteten Analog/Digital-Wandlers abgetastet werden. Alternativ wird in der Praxis meist das analoge Empfangssignal des Empfängers über eine Schwellenschaltung geführt, die insbesondere einen Komparator umfasst und mit der aus dem die interessierenden Signalpulse enthaltenden analogen Empfangssignal ein logische Signale oder Pulse enthaltendes logisches oder digitales Empfangssignal erzeugt wird. Die Auswertung erfolgt dann durch Abtasten dieses digitalen Empfangssignals.
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Um die gewünschte Ortsauflösung bei der Entfernungsmessung von größenordnungsmäßig 1 cm zu erzielen, müssen die analogen oder digitalen Empfangssignale mit Abtastraten oder Systemtakten im GHz-Bereich abgetastet werden, d. h. es sind sehr hohe Sampling-Frequenzen erforderlich. Bekannte Verfahren und Systeme für eine solche Hochgeschwindigkeitsabtastung von elektrischen Signalen benötigen entweder Silizium-Hochgeschwindigkeitsprozesse (Bipolar, SiGe, GaAs) oder aufwendige analoge Auswertungssysteme. Nachteilig sind hieran die hohen Kosten, ein hoher Kalibrationsaufwand, die begrenzte Modularität und insbesondere der Aufwand für die Realisierung spezifischer Lösungen, da für die Erstellung fest verdrahteter ASICs sehr hohe Einmalkosten anfallen. Ferner fehlt es an einer gewünschten Portabilität zu alternativen Herstellern, was so genannte ”Second-Source”-Lösungen praktisch unmöglich macht.
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In der aus der
US 6 433 715 B2 bekannten Vorrichtung ist eine Mehrzahl von unterschiedliche Signallaufzeiten bedingenden optischen Pfaden vorgesehen, deren Enden mit optischen Blenden versehen sind, die mit einem gleichen Grundtakt beaufschlagbar sind. Mit der entsprechend höheren Digitalisierungsgeschwindigkeit soll insbesondere eine bessere räumliche Auflösung im Zusammenhang mit LIDAR-Systemen erreicht werden.
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Aus der
US 6 665 621 B2 ist eine mit Verzögerungsleitungen versehene Datenreduzierschaltung bekannt, in der bereits eine FPGA eingesetzt ist. Diese FPGA ist hier also lediglich für eine der Datenreduzierung dienende Schaltung vorgesehen.
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Aus der
DE 102 44 640 A1 ist bereits eine modular aufgebaute optoelektronische Erfassungseinrichtung bekannt, die in ein Ablenkmodul und ein Sensormodul unterteilt ist, in dem der komplette Sender und Empfänger integriert sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit möglichst geringem schaltungstechnischem Aufwand und geringen Kosten realisierbar und zur Abtastung von analogen und digitalen Signalen insbesondere mit Abtastraten im GHz-Bereich und insbesondere für Entfernungsmessungen durch Bestimmen von Lichtlaufzeiten mit Messgenauigkeiten im ps- bzw. cm-Bereich geeignet ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs l und insbesondere dadurch, dass die Einrichtung zur Signalabtastung modular aufgebaut ist, wobei zumindest ein die Verzögerungseinrichtung umfassendes Verzögerungsmodul vorgesehen ist, an das ein die Abtasteinrichtung umfassendes Abtastmodul angeschlossen ist, das Abtastmodul als kombiniertes Abtast- und Verarbeitungsmodul ausgebildet ist, mit dem die Einzelsignale der Signalschar gleichzeitig abtastbar und die Abtastsignale parallel weiterverarbeitbar sind, und zur Abtastung der unterschiedlich verzögerten Einzelsignale eine integrierte programmierbare Logikschaltung in Form eines FPGA vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß wird das jeweilige Eingangssignal vor der eigentlichen Abtastung zunächst vervielfältigt, und zwar derart, dass die Einzelsignale unterschiedlich lange Laufzeiten bis zur Abtastung benötigen, wobei die Abtastung für alle Einzelsignale gleichzeitig und streng synchron mit dem Grundtakt erfolgt, woraufhin die abgetasteten Einzelsignale parallel weiterverarbeitet werden.
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Die gleichzeitige Abtastung von unterschiedlich lange verzögerten, dem gleichen Eingangssignal entstammenden Einzelsignalen mit einem festen Grund- oder Systemtakt ist im Ergebnis gleichwertig zu einer Abtastung des Eingangssignals mit einer effektiven Abtastrate oder Samplingfrequenz, die höher ist als der Grundtakt, und zwar um einen der Anzahl der verzögerten Einzelsignale entsprechenden Faktor.
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Bei einer Aufteilung des Eingangssignals auf beispielsweise 16 Signalwege kann folglich auf der Basis eines Systemtaktes von 900 MHz eine effektive Samplingfrequenz von 14,4 GHz erzielt werden, was einer Zeitauflösung von etwa 70 ps entspricht und damit eine Ortsauflösung bei nach dem Pulslaufzeitprinzip arbeitenden Entfernungsmessungen von etwa 1 cm bedeutet. Aus der gewünschten Ortsauflösung und dem vorgegebenen Systemtakt kann folglich die Anzahl der erforderlichen Signalwege bestimmt werden, auf welche das Eingangssignal aufzuteilen ist. Durch die gewünschte Ortsauflösung ist außerdem die Laufzeitdifferenz zwischen jeweils zwei in zeitlicher Hinsicht ”benachbarten” Signalwegen festgelegt, wenn eine äquidistante ”Feinauflösung” innerhalb der durch den Systemtakt vorgegebenen ”Grobauflösung” angestrebt wird, wenn also die Signallaufzeit von Signalweg zu Signalweg mit einem konstanten Zeitinkrement zunehmen soll. Eine derartige äquidistante Auslegung der Delay-Anordnung ist erfindungsgemäß zwar nicht zwingend, stellt jedoch eine bevorzugte Ausgestaltung dar.
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Die Erfindung zeichnet sich folglich dadurch aus, dass mit einem vergleichsweise niedrigen Systemtakt enorm hohe effektive Abtastraten realisiert werden können. Der entscheidende Vorteil besteht darin, dass solche relativ niedrigen Systemtakte mit extrem hoher Genauigkeit von handelsüblichen, sehr kostengünstig in großen Stückzahlen erhältlichen Bausteinen bereitgestellt werden, d. h. die Erfindung lässt sich auf denkbar einfache und kostengünstige Weise in die Praxis umsetzen.
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Ferner besteht eine Besonderheit der Erfindung gegenüber herkömmlichen Systemen darin, dass sie eine kontinuierliche Signalabtastung und zur Entfernungsmessung durch Bestimmen von Lichtlaufzeiten eine kontinuierliche Messung über den gesamten Strahlungs- oder Lichtweg ermöglicht. Es kann der zeitliche Verlauf der während der gesamten Messzeit vom Empfänger nachgewiesenen Intensität der reflektierten Strahlung, d. h. die gesamte so genannte Rückstreukurve, kontinuierlich aufgezeichnet werden. Mit der Erfindung können folglich beliebig viele interessierende Signalpulse ausgewertet werden.
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Für die parallele Weiterverarbeitung der abgetasteten unterschiedlich verzögerten Einzelsignale kann eine integrierte Schaltung, insbesondere eine programmierbare Logikschaltung, bevorzugt ein FPGA, verwendet werden.
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Die Erzeugung der unterschiedlich verzögerten Einzelsignale aus dem Eingangssignal wird erfindungsgemäß bevorzugt einfach dadurch realisiert, dass auf einer Leiterplatte oder Platine (PCB, Printed Circuit Board) eine Mehrzahl unterschiedlich langer Leiterbahnen oder -streifen vorgesehen wird, d. h. das abzutastende Eingangssignal wird lediglich über eine Mehrzahl unterschiedlich langer Leitungsabschnitte geführt.
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Eine solche Anordnung so genannter Delay-Lines kann auf denkbar einfache und kostengünstige Weise z. B. in Form von entsprechend längenangepassten Kupferbahnen auf einem PCB realisiert werden.
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Die vorstehend genannten Ausgestaltungen stellen lediglich bevorzugte Möglichkeiten zur praktischen Umsetzung der Erfindung dar. Grundsätzlich können die Erzeugung der unterschiedlich verzögerten Einzelsignale, deren gleichzeitige Abtastung sowie die parallele Weiterverarbeitung auf beliebige Art und Weise erfolgen. Die erwähnten bevorzugten Maßnahmen zeichnen sich allerdings durch eine besondere Einfachheit und einen enorm niedrigen Kostenaufwand aus.
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Erfindungsgemäß können sowohl analoge Eingangssignale als auch digitale oder logische Eingangssignale abgetastet werden.
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Im Fall eines analogen Eingangssignals können die daraus erzeugten, unterschiedlich verzögerten analogen Einzelsignale jeweils einem mit dem Grundtakt getakteten Konverter, insbesondere einem Analog/Digital-Wandler, zugeführt werden.
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Wie bereits eingangs erwähnt, kann im Fall eines digitalen Eingangssignals dieses insbesondere mittels eines Komparators aus einem analogen Signal erzeugt werden, das beispielsweise von dem Empfänger einer Lasermesseinrichtung bereitgestellt wird.
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Die Abtastvorrichtung ist erfindungsgemäß modular aufgebaut. Hierzu sind zumindest ein die Verzögerungseinrichtung umfassendes Verzögerungsmodul sowie ein die Abtasteinrichtung umfassendes Abtastmodul vorgesehen, wobei das Abtastmodul als kombiniertes Abtast- und Verarbeitungsmodul ausgebildet ist, mit dem die Einzelsignale gleichzeitig abtastbar und die Abtastsignale parallel weiterverarbeitbar sind. Mit den vorstehend bereits erwähnten FPGAs sind solche kombinierten Abtast- und Verarbeitungsmodule auf einfachste und optimale Weise praktisch realisierbar.
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Um die den Abtastsignalen innewohnende Datenrate an die Arbeitsgeschwindigkeit einer gegebenenfalls nachgeordneten Speichereinrichtung und/oder anderen Verarbeitungsstufe anzupassen, kann für die Abtastsignale ein Seriell/Parallel-Wandler vorgesehen sein. Dieser bildet bevorzugt einen Bestandteil eines die Abtasteinrichtung umfassenden Abtastmoduls bzw. eines kombinierten Abtast- und Verarbeitungsmoduls. Insbesondere ist die Seriell-/Parallel-Wandlung in einen auch die Speichereinrichtung umfassenden FPGA integriert.
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Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Lasermessgerät wie z. B. einen Laserscanner.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist also die Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip. Allgemein spricht man hier von Messungen der Lichtlaufzeit. Hierunter fällt zum Beispiel die Messung von Pulslaufzeiten, wobei aber auch andere Laufzeitbestimmungsverfahren existieren, z. B. die so genannten CW-Methoden. Allgemein geht es also um den Nachweis und die Analyse von aus einem bestimmten räumlichen Bereich reflektierter oder rückgestreuter elektromagnetischer Strahlung, deren Quelle grundsätzlich beliebig ausgestaltet und betrieben werden kann.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur schematisch den Prinzipaufbau einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung zeigt.
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Die Figur zeigt schematisch eine modular aufgebaute erfindungsgemäße Abtastvorrichtung, wie sie im Rahmen eines Systems bzw. Verfahrens zur Entfernungsmessung durch Bestimmen von Pulslaufzeiten insbesondere in Lasermessgeräten wie z. B. Laserscannern zum Einsatz kommen kann.
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Die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung umfasst ein Verzögerungsmodul 25 in Form einer Leiterplatte oder Platine (PCB), auf der eine Mehrzahl von unterschiedlich langen Leiterbahnen 15 vorgesehen ist. Die unterschiedlich langen Leiterbahnen 15 können von einem gemeinsamen Startknotenpunkt ausgehen. Alternativ ist auch eine kaskadenartige Anordnung möglich, bei der die Leiterbahnen 15 an hintereinander liegenden Abzweigungen einer gemeinsamen Startleitung beginnen.
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Dem Verzögerungsmodul 25 nachgeordnet ist ein als kombiniertes Abtast- und Verarbeitungsmodul dienender FPGA 21, der mit dem Verzögerungsmodul 25 über eine Schnittstelle 29 kommuniziert und auf den nachstehend näher eingegangen wird.
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Dem Verzögerungsmodul 25 können erfindungsgemäß sowohl analoge Eingangssignale 11 als auch digitale oder logische Eingangssignale 13 zugeführt werden. Im Fall eines digitalen Eingangssignals 13 gelangen die über die unterschiedlich langen Signalwege 15 laufenden digitalen Einzelsignale direkt über die Schnittstelle 29 in den FPGA 21. Im Fall eines analogen Eingangssignals 11 umfasst das Verzögerungsmodul 25 ausgangsseitig für jeden Signalweg 15 einen in der Figur lediglich durch das Bezugszeichen 19 angedeuteten Analog-/Digital-Wandler, der prinzipiell auch in den nachgeordneten FPGA integriert werden könnte, um auf diese Weise eine analoge Schnittstelle bereitzustellen.
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Das erfindungsgemäße Prinzip zur Realisierung einer die gewünschte hohe Auflösung erzielenden effektiven Samplingfrequenz ist grundsätzlich unabhängig davon, ob analoge Eingangssignale 11 oder digitale Eingangssignale 13 verarbeitet werden.
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Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit lediglich einem Empfangskanal. Grundsätzlich ist auch eine Mehrkanalvartante möglich, in der mehrere, insbesondere von jeweils einem Empfänger z. B. eines Laserentfernungsmessgerätes stammende Eingangssignale 11, 13 parallel in der erfindungsgemäßen Weise jeweils verzögert, abgetastet und weiterverarbeitet werden.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Verzögerungsmoduls 25 wird das jeweilige Eingangssignal 11, 13 zeitlich äquidistant auf m Signalleitungen oder Delay-Lines 15 verteilt. Von Delay-Line 15 zu Delay-Live 15 ist jeweils ein zusätzliches Delayinkrement vorgesehen, das der gewünschten zeitlichen Auflösung entspricht und in der Figur einer Signallaufzeitdifferenz von n ps entspricht. Bezogen auf einen Startzeitpunkt ts ist folglich das ”langsamste” Einzelsignal (Zweig 0) gegenüber dem ”schnellsten” Eingangssignal (Zweig m) um ein Zeitintervall td m bzw. te m = m·n ps verzögert.
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Die unterschiedlich lange verzögerten Einzelsignale werden mit dem einen Systemtakt 17 von beispielsweise 900 MHz aufweisenden FPGA 21 abgetastet. Wie bereits vorstehend erwähnt, werden im Fall eines analogen Eingangssignals 11 die analogen Einzelsignale jeweils zunächst über einen Analog/Digital-Wandler 19 geführt und anschließend synchron dem FPGA 21 zugeführt, d. h. alle Analog/Digital-Wandler 19 wandeln gleichzeitig mit dem Systemtakt und werden dann gleichzeitig mit dem Systemtakt ausgelesen.
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Im Anschluss an die Abtastung der unterschiedlich verzögerten Einzelsignale mittels des Systemtakts 17 stehen die hierdurch erzeugten Abtastsignale prinzipiell einer beliebig ausgestalteten Weiterverarbeitung und Auswertung zur Verfügung. In Fällen, in denen der Systemtakt 17 für die nachgeordneten Verarbeitungsstufen zu hoch ist, kann beispielsweise durch eine Seriell/Parallel-Wandlung der Abtastsignale eine Anpassung an die Arbeitsgeschwindigkeit der nachgeordneten Systemblöcke erfolgen.
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In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist für jeden Abtastzweig 0 bis m ein Seriell/Parallel-Wandler vorgesehen, mit dem die Daten der mit dem Systemtakt 17 einlaufenden Abtastsignale in jeweils x Bit umfassende Pakete gepackt werden, so dass die anschließende, weiterhin parallel für alle Zweige 0 bis m erfolgende Verarbeitung mit einem effektiv reduzierten Arbeitstakt von 900 MHz/x erfolgt. Bei einer Paketgröße von z. B. jeweils 8 Bit kann folglich ein Arbeitstakt für die weitere Verarbeitung von ungefähr 110 MHz realisiert werden, der insbesondere für nachgeordnete RAM-Blöcke 27 problemlos geeignet ist.
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Anschaulich gesprochen wird erfindungsgemäß also mit einer auf dem Systemtakt 17 basierenden Grobauflösung sowie einer Feinauflösung über eine Mehrzahl von Stufen gearbeitet, die der Anzahl von unterschiedliche Signallaufzeiten bedingenden Signalwegen 15 entspricht.
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Mit einem vergleichsweise niedrigen Systemtakt im MHz-Bereich können so erfindungsgemäß effektive Samplingfrequenzen im GHz-Bereich realisiert werden, also effektive Taktraten, die Laufzeitmessungen mit einer Zeitauflösung im ps-Bereich und damit Entfernungsmessungen mit Ortsauflösungen im cm-Bereich erlauben. Aufgrund der Nutzung preiswerter Standardbausteine bzw. der Anwendung einfacher schaltungstechnischer Maßnahmen, die zur praktischen Umsetzung der Erfindung vollauf genügen, können die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bei denkbar geringem Kostenaufwand erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- analoges Eingangssignal
- 13
- digitales oder logisches Eingangssignal
- 15
- Signalweg, Delay-Line, Leiterbahn oder -streifen
- 17
- Grundtakt, Systemtakt, Samplingfrequenz
- 19
- Konvertereinrichtung, Konverter, Analog/Digital-Wandler
- 21
- Abtast- und Verarbeitungsmodul, FPGA
- 23
- Seriell/Parallel-Wandler
- 25
- Verzögerungsmodul, Leiterplatte, Platine
- 27
- Speichereinrichtung, RAM
- 29
- Schnittstelle
