DE102023123560A1

DE102023123560A1 - System und verfahren zur erfassung eines signals

Info

Publication number: DE102023123560A1
Application number: DE102023123560.5A
Authority: DE
Inventors: Julius Seeger
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2022-10-07
Filing date: 2023-09-01
Publication date: 2024-04-18
Also published as: US20240121010A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System zum Erfassen eines Signals. Das System umfasst eine Abtasteinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das Signal abtastet und dabei eine Anzahl von Abtastpunkten aufzeichnet; einen Referenzoszillator, der so konfiguriert ist, dass er ein Referenzsignal bereitstellt; eine Ausrichtungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Abtastpunkte mit dem Referenzsignal ausrichtet und dabei jeden Abtastpunkt mit einem Phasenwert des Referenzsignals zur jeweiligen Abtastzeit des Abtastpunkts korreliert; und eine Verarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Darstellung des Signals auf der Grundlage der Korrelation zwischen den Abtastpunkten und den Phasenwerten erzeugt.

Description

Technischer Bereich
Die Offenbarung bezieht sich auf ein System, insbesondere ein Quantensensorsystem, und auf ein Verfahren zur Erfassung eines Signals.
Stand der Technik
Die Quantensensorik ist ein schnell wachsendes Gebiet, das immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Ein Quantensensor nutzt die quantenmechanischen Eigenschaften von z. B. Atomen, um Messungen mit hoher Empfindlichkeit und Präzision durchzuführen.
Bei sehr empfindlichen Anwendungen können jedoch die Vorbereitung des Quantensensors vor jeder Messung und das Auslesen der Quantenzustände des Sensors mehr Zeit in Anspruch nehmen als die Messung selbst. Dies behindert eine schnelle (oder quasi-kontinuierliche) Abtastung der Signale. So kann die maximale Abtastfrequenz eines Quantensensors in der Größenordnung von einigen Millihertz (mHz) liegen, was für praktische Zwecke oft zu niedrig ist.
Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es möglich, mehrere Quantensensorsysteme zu kombinieren, z. B. mehrere Kopien desselben Systems, und ihre Messergebnisse zu verschachteln. Dieser Ansatz ist jedoch kostspielig und führt zu einem wesentlich komplexeren Messaufbau.
Zusammenfassung
Es besteht daher die Notwendigkeit, ein verbessertes System und ein verbessertes Verfahren zur Erfassung eines Signals bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet.
Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird durch die in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind ferner in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein System zum Erfassen eines Signals, das Folgendes umfasst: eine Abtasteinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das Signal abtastet, wodurch eine Anzahl von Abtastpunkten aufgezeichnet wird; einen Referenzoszillator, der so konfiguriert ist, dass er ein Referenzsignal bereitstellt; eine Ausrichtungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Abtastpunkte mit dem Referenzsignal ausrichtet, wodurch jeder Abtastpunkt mit einem Phasenwert des Referenzsignals zur jeweiligen Abtastzeit des Abtastpunkts korreliert wird; und eine Verarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Darstellung des Signals auf der Grundlage der Korrelation zwischen den Abtastpunkten und den Phasenwerten erzeugt.
Dies hat den Vorteil, dass das System das Signal auch dann erfassen kann, wenn die Abtastrate im Vergleich zur Frequenz des Signals oder der Frequenz einer interessierenden Signalkomponente niedrig ist.
Das Signal kann ein periodisches Signal mit einer festen Frequenz sein. Das Signal kann auch eine Vielzahl von Signalkomponenten umfassen, von denen zumindest einige eine feste Frequenz haben. So kann das Signal mehrere Signalkomponenten mit unterschiedlichen Frequenzen umfassen, die sich überlagern können. Das Signal kann ein äußeres Feld darstellen, insbesondere ein magnetisches, elektrisches oder elektromagnetisches Feld, das von dem System untersucht wird.
Die erzeugte Darstellung des Signals kann eine Phasendarstellung sein, d. h. eine Darstellung des Signals als Funktion der Phase.
Die Abtasteinheit kann einen Quantensensor bilden oder aus einem Quantensensor bestehen, insbesondere einen Quantensensor mit einer langen Vorbereitungszeit und daher einer relativ niedrigen Abtastrate. Alternativ kann die Abtasteinheit auch ein langsamer Analog-DigitalWandler (ADC) sein.
Jeder Abtastpunkt kann einen Messwert, insbesondere die Amplitude, des Signals zum jeweiligen Abtastzeitpunkt umfassen. Jeder Abtastpunkt kann ferner einen Zeitwert umfassen, der die Abtastzeit des jeweiligen Abtastpunkts darstellt.
Der Phasenwert kann ein Maß für die Phase des Referenzsignals zum jeweiligen Abtastzeitpunkt sein. Insbesondere ist der Phasenwert eine Phasenverschiebung oder Phasenverzögerung des Referenzsignals zum Abtastzeitpunkt, z. B. eine Phasenverschiebung oder - verzögerung zum nächsten oder übernächsten Nulldurchgang des Referenzsignals.
Das Referenzsignal kann ein periodisches Signal mit einer Referenzfrequenz sein. Die Referenzfrequenz ist vorzugsweise höher als die Frequenz des zu erfassenden Signals (oder einer Signalkomponente des Signals).
In einer Ausführungsform ist die Abtasteinheit so konfiguriert, dass sie das Signal mit einer Abtastrate abtastet, die niedriger ist als das Doppelte der Frequenz der höchsten Frequenzkomponente im Signal. Die Komponente mit der höchsten Frequenz kann sich auf eine Komponente mit der höchsten Frequenz von Interesse beziehen.
So kann die maximal verfügbare Abtastrate der Abtasteinheit niedriger sein als die Abtastrate, die zur Rekonstruktion des Signals nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem erforderlich ist. Dies hat den Vorteil, dass nur ein Sensor, insbesondere ein Quantensensor, benötigt wird, um das Signal abzutasten, selbst wenn die vom Quantensensor gelieferte Abtastrate relativ niedrig ist (d. h. die Abtastpunkte liegen relativ zur interessierenden Frequenz weit auseinander). Dadurch wird die Komplexität des Messsystems drastisch reduziert.
In einer Ausführungsform umfasst das System eine Triggereinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Aufzeichnung von Abtastpunkten bei einem oder mehreren bestimmten Phasenwerten des Referenzsignals auslöst.
In einer Ausführungsform umfasst jeder Abtastpunkt einen Messwert, und die Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, die Messwerte der Abtastpunkte auf die jeweiligen Phasenwerte abzubilden. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass eine Phasendarstellung des Signals erzeugt werden kann.
In einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit so konfiguriert, dass sie über die aufgezeichneten Messwerte bei jedem Phasenwert oder innerhalb eines bestimmten Phasenintervalls mittelt, um ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern. Insbesondere kann auf diese Weise das SNR der abgebildeten Messwerte und damit die Darstellung des Signals verbessert werden.
In einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit so konfiguriert, dass sie zwischen den abgebildeten Messwerten interpoliert, um die Darstellung des Signals zu erzeugen. Die so erzeugte Darstellung des Signals kann eine Phasendarstellung des Signals sein.
In einer Ausführungsform umfasst das System eine Anzeigeeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Darstellung des Signals anzeigt. Zusätzlich oder alternativ kann die Anzeigeeinheit so konfiguriert sein, dass sie die einzelnen Messwerte der Abtastpunkte mit den jeweiligen Phasenwerten anzeigt.
In einer Ausführungsform ist die Anzeigeeinheit so konfiguriert, dass die gemittelten und nicht gemittelten Messwerte angezeigt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die Offenbarung auf ein Quantensensorsystem, das Folgendes umfasst: das System gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung; wobei die Abtasteinheit durch einen Quantensensor des Quantensensorsystems gebildet wird.
In einer Ausführungsform umfasst der Quantensensor Rydberg-Atome, gefangene Ionen, kalte Atome/Moleküle, ultrakalte Atome/Moleküle, ein degeneriertes Fermi-Gas oder ein Bose-Einstein-Kondensat. Die (ultra)kalten Atome/Moleküle können ein (n) (ultra)kaltes Quantengas bilden.
Der Quantensensor kann so konfiguriert werden, dass er elektrische und/oder magnetische Felder mit hoher Präzision analysiert.
In einer Ausführungsform ist das Quantensensorsystem so konfiguriert, dass es elektrische, magnetische oder elektromagnetische Wellen oder Gravitationsanomalien analysiert, um z. B. Wasser- und/oder Ölvorkommen zu erkennen.
Gemäß einem dritten Aspekt bezieht sich die Offenbarung auf ein Verfahren zum Erfassen eines Signals, das die folgenden Schritte umfasst: Abtasten des Signals, wodurch eine Anzahl von Abtastpunkten aufgezeichnet wird; Bereitstellen eines Referenzsignals; Ausrichten der Abtastpunkte mit dem Referenzsignal, wodurch jeder Abtastpunkt mit einem Phasenwert des Referenzsignals zur jeweiligen Abtastzeit des Abtastpunkts korreliert wird; und Erzeugen einer Darstellung des Signals auf der Grundlage der Korrelation zwischen den Abtastpunkten und den Phasenwerten.
In einer Ausführungsform umfasst jeder Abtastpunkt einen Messwert, und das Verfahren umfasst den weiteren Schritt: Zuordnen der Messwerte der Abtastpunkte zu den jeweiligen Phasenwerten.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt: Mittelwertbildung über die aufgezeichneten Messwerte bei jedem Phasenwert oder innerhalb eines bestimmten Phasenintervalls, um das Signal-Rausch-Verhältnis, SNR, der Signaldarstellung zu verbessern. Zum Beispiel kann das SNR der Signaldarstellung auf diese Weise verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt: Interpolation zwischen den abgebildeten Messwerten, um eine Darstellung des Signals zu erzeugen.
Die obige Beschreibung in Bezug auf das System gemäß dem ersten Aspekt der Offenbarung und das Quantensensorsystem gemäß dem zweiten Aspekt der Offenbarung gilt entsprechend für das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Offenbarung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden in der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:

zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Erfassung eines Signals gemäß einer Ausführungsform;
zeigt eine schematische Darstellung eines Quantensensorsystems gemäß einer Ausführungsform;
Die zeigen die Abtastung eines Signals gemäß einer Ausführungsform;
zeigt eine Darstellung eines Signals gemäß einer Ausführungsform; und
zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Signals gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibungen der Ausführungsformen
zeigt ein System 10 zum Erfassen eines Signals gemäß einer Ausführungsform.
Das System 10 umfasst eine Abtasteinheit 11, die so konfiguriert ist, dass sie das Signal abtastet und dabei eine Anzahl von Abtastpunkten aufzeichnet, und einen Referenzoszillator 12, der so konfiguriert ist, dass er ein Referenzsignal bereitstellt. Das System 10 umfasst ferner eine Ausrichtungseinheit 13, die so konfiguriert ist, dass sie die Abtastpunkte mit dem Referenzsignal ausrichtet, wodurch jeder Abtastpunkt mit einem Phasenwert des Referenzsignals zur jeweiligen Abtastzeit des Abtastpunkts korreliert wird; und eine Verarbeitungseinheit 14, die so konfiguriert ist, dass sie eine Darstellung des Signals auf der Grundlage der Korrelation zwischen den Abtastpunkten und den Phasenwerten erzeugt.
Das zu erfassende Signal kann ein periodisches Signal mit einer festen Frequenz sein. Das Signal kann auch eine Vielzahl von Signalkomponenten umfassen, wobei mindestens eine der Signalkomponenten eine feste Frequenz hat. So kann das Signal aus mehreren Signalkomponenten bestehen, die überlagert werden können. Das Signal kann ein externes Feld darstellen, insbesondere ein magnetisches, elektrisches oder elektromagnetisches Feld, das von dem System 10 erfasst wird. Beispielsweise repräsentiert das Signal ein Magnetfeld, das durch Magnetfeldschwankungen gestört wird. Das System 10 kann so konfiguriert werden, dass es diese Schwankungen kompensiert.
Der Referenzoszillator 12 kann ein lokaler Oszillator sein. Das Referenzsignal kann ein periodisches Signal oder ein CW-Signal sein. Insbesondere ist die Frequenz des Referenzsignals gleich oder höher als die Frequenz des zu erfassenden Signals oder der interessierenden Frequenzkomponenten des zu erfassenden Signals.
Jeder von der Abtasteinheit erzeugte Abtastpunkt kann einen Messwert, insbesondere die Amplitude, des Signals zum jeweiligen Abtastzeitpunkt und einen Zeitwert, der die Abtastzeit repräsentiert, umfassen.
Die Ausrichteinheit 13 kann so konfiguriert werden, dass sie den Messwert eines Abtastpunkts mit dem Phasenwert des Referenzsignals zum Abtastzeitpunkt des Abtastpunkts korreliert.
Der Phasenwert kann ein Phasenoffset oder eine Phasenverzögerung des Referenzsignals zum jeweiligen Abtastzeitpunkt sein. Z. B. ein Offset zum nächsten oder übernächsten Nulldurchgang des Referenzsignals.
Bei der Abtasteinheit 11 kann es sich um einen Quantensensor handeln, der vor jeder Messung eine lange Vorbereitungszeit benötigt und daher eine relativ niedrige Abtastrate aufweist. Dies kann auf die relativ lange Zeit zurückzuführen sein, die für die Initialisierung und das Auslesen des Quantensensors erforderlich ist.
Insbesondere ist die Abtasteinheit 11 so konfiguriert, dass sie das Signal mit einer Abtastrate abtastet, die niedriger ist als das Doppelte der Frequenz der höchsten Frequenzkomponente des Signals oder die niedriger ist als das Doppelte der höchsten Frequenz der interessierenden Signalkomponente. Somit kann die Abtastrate niedriger sein als eine Abtastrate, die erforderlich ist, um das Signal (oder die interessierende Signalkomponente) gemäß dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem vollständig aufzulösen.
Das System 10 kann diese durch das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem auferlegte Beschränkung überwinden, indem es die Referenzfrequenz mit dem Referenzoszillator 12 bereitstellt und die Abgleicheinheit 13 verwendet, um sicherzustellen, dass die verschiedenen Abtastpunkte, die zeitlich relativ weit voneinander entfernt sind, eine feste Phasenbeziehung zur Referenzfrequenz haben.
Die Verarbeitungseinheit 14 kann so konfiguriert werden, dass sie die Messwerte der Abtastpunkte den jeweiligen Phasenwerten auf der Grundlage der Phasenbeziehung zuordnet. Die Verarbeitungseinheit 14 kann ferner so konfiguriert sein, dass sie zwischen den abgebildeten Messwerten interpoliert, um die Darstellung des Signals zu erzeugen. Die Darstellung des Signals kann somit eine Phasendarstellung des Signals sein, d. h. das Signal über die Phase statt über die Zeit.
Die Verarbeitungseinheit 14 kann ferner so konfiguriert werden, dass sie über die aufgezeichneten Messwerte bei jedem Phasenwert oder innerhalb eines bestimmten Phasenintervalls mittelt, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern. Durch diese Mittelwertbildung kann ein genauer Amplituden- oder Gleichstromwert für jede Phase oder jedes Phasenintervall bestimmt werden. Die Mittelwertbildung kann in einem Nachbearbeitungsschritt durchgeführt werden.
Die Verarbeitungseinheit 14 kann so konfiguriert werden, dass sie die Phasendarstellung des Signals in eine Zeitdarstellung für bestimmte interessierende Frequenzen umwandelt, insbesondere während der genannten Nachbearbeitung.
Optional kann das System 10 auch eine Triggereinheit 16 umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie die Aufnahme von Abtastpunkten bei bestimmten Phasenwerten des Referenzsignals auslöst. Dadurch wird der zusätzliche Vorteil erreicht, dass die Mittelwertbildung weniger Messpunkte erfordert.
Die Triggereinheit 16 kann so konfiguriert werden, dass sie die Aufzeichnung der Abtastpunkte bei selektiven Phasenwerten, z.B. mit festem Abstand zueinander, auslöst, so dass die Phasendarstellung des Signals eine feste effektive Abtastrate (in Phase) haben kann.
Das System kann eine optionale Anzeigeeinheit 15 umfassen. Die Anzeigeeinheit 15 kann so konfiguriert sein, dass sie die Darstellung des Signals, das von der Verarbeitungseinheit 14 erzeugt wurde, anzeigt. Die Anzeigeeinheit 15 kann auch die einzelnen Messwerte der Abtastpunkte mit den jeweiligen Phasenwerten anzeigen. Die Anzeigeeinheit 15 kann ferner so konfiguriert sein, dass sie die gemittelten Messwerte zusammen mit den nicht gemittelten Messwerten anzeigt.
Die Verarbeitungseinheit 14 besteht zum Beispiel aus einem Mikroprozessor. Bei der Verarbeitungseinheit 14 kann es sich um ein Rechengerät handeln. Bei der Anzeigeeinheit 15 kann es sich um ein Display der Rechnereinrichtung handeln.
Das System 10 kann eine Schnittstelle (in 1 nicht dargestellt) zum Empfang des Signals und zur Weiterleitung des Signals an die Abtasteinheit 11 umfassen.
zeigt eine schematische Darstellung eines Quantensensorsystems 20 gemäß einer Ausführungsform.
Das Quantensensorsystem 20 umfasst das System von 1 und einen Quantensensor 21. Der Quantensensor 21 kann die Abtasteinheit 11 des Systems 10 bilden oder umfassen. Die Abtasteinheit 11 kann auch in dem Quantensensor 20 enthalten sein.
Der Quantensensor 21 kann Rydberg-Atome, gefangene Ionen, kalte Atome/Moleküle, ultrakalte Atome/Moleküle, ein degeneriertes Fermi-Gas oder ein Bose-Einstein-Kondensat verwenden. Der Quantensensor 21 kann beispielsweise so konfiguriert werden, dass er Messungen durchführt, die auf induzierten Änderungen der Quanteneigenschaften der kalten oder ultrakalten Atome oder Moleküle oder der Bose-Einstein-Quantenzustände basieren.
Der Quantensensor 21 kann z. B. eine magneto-optische Falle mit Atomen enthalten, die z. B. durch einen erzwungenen rf-Verdampfungsprozess auf ultrakalte Temperaturen abgekühlt werden. In einem weiteren Verdampfungsschritt kann dann ein Bose-Einstein-Kondensat oder ein entartetes Fermi-Gas erzeugt werden. Dieses entartete Gas kann zum Beispiel in ein optisches Gitter des Quantensensors 21 geladen werden, um die Messungen durchzuführen.
Im Allgemeinen kann das Quantensensorsystem 20 dazu verwendet werden, elektrische und/oder magnetische Felder mit hoher Präzision zu analysieren. Das Quantensensorsystem 20 kann zum Beispiel zur Analyse von elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Wellen und/oder Gravitationsanomalien verwendet werden, z. B. zur Erkennung von Wasser- und/oder Ölvorkommen.
zeigen eine Abtastung des Signals 41 gemäß einer Ausführungsform.
3A zeigt die Abtastung des Signals 41 mit den beiden Abtastpunkten, die zu den Zeiten t₁ und t₂ aufgezeichnet wurden. Das Zeitintervall (t -t₂₁) zwischen diesen Abtastpunkten kann aufgrund von Einschränkungen der Abtasteinheit 11 relativ groß sein. Diese relativ niedrige Abtastrate kann zum Beispiel durch die notwendigen Vorbereitungsschritte der Abtasteinheit 11 verursacht werden, z. B. Vorbereitungs- und Ausleseschritte, wie in 3A gezeigt.
Bei Verwendung des Quantensensors 21 als Abtasteinheit 11 kann die erforderliche Vorbereitungszeit des Sensors 21 bis zu 40s betragen und die Abtastrate im Millihertz-Bereich liegen. Der Quantensensor 21 enthält zum Beispiel kalte oder ultrakalte Atome oder ein Bose-Einstein-Kondensat als Sensorelemente. Diese Sensorelemente sind hochempfindlich, müssen aber in der Regel vor jeder Messung vorbereitet werden, was einige Zeit in Anspruch nehmen und die niedrige Abtastrate verursachen kann.
Das Nyquist-Shannon-Theorem besagt, dass ein Signal mit einer Rate abgetastet werden muss, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Frequenz der höchsten Frequenzkomponente des Signals. Mit anderen Worten, die maximale Frequenzauflösung nach dem Nyquist-Shannon-Theorem ist: $\frac{1}{2} \frac{1}{t_{2} - t_{1}}$
Daher könnte das von der Abtasteinheit 11 bereitgestellte Zeitintervall (t₂ - t₁) zu lang sein (d. h. die Abtastrate ist zu niedrig), um das Signal 41 (oder alle interessierenden Signalkomponenten des Signals 41) gemäß dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem aufzulösen. Um diese Einschränkung zu überwinden, verwendet das System 10 das vom Referenzoszillator 12 gelieferte Referenzsignal 42 und richtet die Abtastpunkte an diesem Referenzsignal 42 aus, wie in 3B gezeigt. Mit diesem Trigger- und/oder Ausrichtungsschritt kann jeder Abtastpunkt mit einer Phasenverschiebung (oder Phasenverzögerung) Δφ des Referenzoszillators korreliert werden.
Die durch den Trigger 16 und/oder die Ausrichtungseinheit 13 verursachte Phasenverschiebung/Verzögerung variiert für die verschiedenen Abtastpunkte. Die abgetasteten Messwerte können daher in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung des Triggers 16 und/oder der Ausrichtungseinheit 13 und nicht von der Zeit zwischen den Abtastpunkten bewertet werden.
Die Abtastpunkte, insbesondere ihr Messwert, können auf die jeweilige Phasenverschiebung Δφ abgebildet werden, um eine Phasendarstellung des Signals zu erzeugen, z. B. durch einen zusätzlichen Interpolationsschritt.
4 zeigt eine solche (Phasen-)Darstellung 43 des Signals gemäß einer Ausführungsform. In dieser Darstellung 43 des Signals ist die zeitliche Auflösung stattdessen durch das Phaseninkrement gegeben, das willkürlich gewählt werden kann und nicht von den Vorbereitungs- und Auslesezeiten der Abtasteinheit 11 abhängt.
Das Phaseninkrement der Darstellung 43 kann z.B. in der Triggereinheit 16 gewählt oder durch die Ausrichteinheit 13 bestimmt werden und ist somit nicht durch den zeitlichen Abstand (t - t₂₁) zwischen benachbarten Abtastpunkten bestimmt. Insbesondere kann durch die Triggereinheit 16 und/oder die Ausrichteinheit 13 sichergestellt werden, dass die verschiedenen, zeitlich weit auseinander liegenden Abtastpunkte eine feste Phasenbeziehung zum Referenzoszillator haben.
Auf diese Weise kann die Auflösung des Signals um mehrere Größenordnungen verbessert werden. Zusätzlich kann die Empfindlichkeit bei interessanten Frequenzen durch die Wahl einer geeigneten Referenzoszillatorfrequenz erhöht werden. Das Breitbandrauschen kann bis zu einem gewissen Grad ausgemittelt werden, was die Empfindlichkeit weiter erhöht.
Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit des Systems 10 bei den Frequenzen des Referenzoszillators stark erhöht, insbesondere für alle Frequenzkomponenten, die eine starke Korrelation zur Referenzfrequenz aufweisen.
Das System 10 kann die Triggereinheit 16 verwenden, um die Messung auf eine bestimmte Phase des Referenzoszillators 12 zu triggern. Auf diese Weise können alle Frequenzen, die mit dem Referenzoszillator korreliert sind, abgetastet werden, z. B. alle Signalkomponenten, die eine gemeinsame Phaseninformation haben, wie Harmonische, Subharmonische, dritte Harmonische usw. So kann das Rauschen weiter reduziert werden.
Die Messung kann zum Beispiel zehnmal für einen Phasenschritt wiederholt werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und das Rauschen zu verringern. Frequenzkomponenten, die nicht mit der Referenzfrequenz übereinstimmen, variieren in der Phase, d. h. sie haben eine andere Phasenverzögerung und werden gemittelt.
Das System 10 ist besonders geeignet, um periodische Signalkomponenten im interessierenden Signal zu erfassen, die während der gesamten Abtastzeit vorhanden sind. Die Kenntnis der interessierenden Frequenz, insbesondere einer interessierenden Schmalbandfrequenz, kann die Genauigkeit der Messung erheblich verbessern, da eine geeignete Referenzfrequenz gewählt werden kann.
Der obige Ansatz ermöglicht es, das Nyquist-Shannon-Theorem zu überwinden, ohne mehrere Systeme parallel zu implementieren, was recht teuer wäre und zusätzliche Hardware erfordern würde. Darüber hinaus liefert der obige Ansatz direkte und präzisere Messergebnisse im Vergleich zu anderen Messmethoden, wie z. B. dem Vergleich eines aufgezeichneten Signals mit Beispielen von abgetasteten Signalen in einer Bibliothek, Abtast- und Halteschemata (SHA), prädiktive Abtastung, Pegelübergangs-Trigger oder analoge Abwärtswandlung. Der obige Ansatz kann jedoch mit jeder dieser Messmethoden kombiniert werden.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 50 zum Erfassen eines Signals gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 50 kann zum Beispiel zur Erfassung des in 3A gezeigten Signals 41 verwendet werden.
Das Verfahren 50 zum Erfassen des Signals umfasst die folgenden Schritte: Abtasten 51 des Signals, wodurch eine Anzahl von Abtastpunkten aufgezeichnet wird; Bereitstellen des Referenzsignals 52; Ausrichten 53 der Abtastpunkte mit dem Referenzsignal, wodurch jeder Abtastpunkt mit dem Phasenwert des Referenzsignals zum jeweiligen Abtastzeitpunkt des Abtastpunkts korreliert wird; und Erzeugen 54 der Darstellung 43 des Signals auf der Grundlage der Korrelation zwischen den Abtastpunkten und den Phasenwerten.
Darüber hinaus kann das Verfahren 50 die folgenden optionalen Schritte umfassen: Zuordnen 55 der Messwerte der Abtastpunkte zu den jeweiligen Phasenwerten.
Das Verfahren 50 kann ferner die folgenden optionalen Schritte umfassen: Mittelwertbildung 56 über die aufgezeichneten und/oder abgebildeten Messwerte bei jedem Phasenwert oder innerhalb eines bestimmten Phasenintervalls, um das SNR der Darstellung des Signals zu verbessern; und/oder Interpolation 57 zwischen den abgebildeten, z. B. gemittelten, Messwerten, um eine Darstellung 43 des Signals zu erzeugen.
Das in 5 gezeigte Verfahren 50 kann mit jedem der in den 1 und 2 dargestellten Systeme 10, 20 durchgeführt werden.
Alle oben beschriebenen oder in den Figuren dargestellten Merkmale können im Rahmen der Offenbarung in jeder vorteilhaften Weise miteinander kombiniert werden.

Claims

System zum Erfassen eines Signals, das Folgendes umfasst: eine Abtasteinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das Signal abtastet und dabei eine Anzahl von Abtastpunkten aufzeichnet; einen Referenzoszillator, der so konfiguriert ist, dass er ein Referenzsignal liefert; eine Ausrichtungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Abtastpunkte mit dem Referenzsignal ausrichtet, wodurch jeder Abtastpunkt mit einem Phasenwert des Referenzsignals zur jeweiligen Abtastzeit des Abtastpunkts korreliert wird; und eine Verarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Darstellung des Signals auf der Grundlage der Korrelation zwischen den Abtastpunkten und den Phasenwerten erzeugt.
System nach Anspruch 1, wobei die Abtasteinheit so konfiguriert ist, dass sie das Signal mit einer Abtastrate abtastet, die niedriger als das Doppelte der Frequenz der höchsten Frequenzkomponente im Signal ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das System eine Triggereinheit umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die Aufzeichnung von Abtastpunkten bei einem oder mehreren bestimmten Phasenwerten des Referenzsignals auslöst.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeder Probenahmepunkt einen Messwert umfasst; wobei die Verarbeitungseinheit so konfiguriert ist, dass sie die Messwerte der Abtastpunkte auf die jeweiligen Phasenwerte abbildet.
System nach Anspruch 4, wobei die Verarbeitungseinheit so konfiguriert ist, dass sie über die aufgezeichneten Messwerte bei jedem Phasenwert oder innerhalb eines bestimmten Phasenintervalls mittelt, um ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern.
System nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Verarbeitungseinheit so konfiguriert ist, dass sie zwischen den abgebildeten Messwerten interpoliert, um die Darstellung des Signals zu erzeugen.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das System ferner eine Anzeigeeinheit umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die Darstellung des Signals anzeigt.
System nach Anspruch 5 und 7, wobei die Anzeigeeinheit so konfiguriert ist, dass sie die gemittelten und nicht gemittelten Messwerte anzeigt.
Quantensensorsystem, das das System nach Anspruch 1 aufweist, wobei die Abtasteinheit durch einen Quantensensor des Quantensensorsystems gebildet wird.
Quantensensorsystem nach Anspruch 9, wobei der Quantensensor Rydberg-Atome, gefangene Ionen, kalte Atome/Moleküle, ultrakalte Atome/Moleküle, ein entartetes Fermi-Gas oder ein Bose-Einstein-Kondensat umfasst.
Quantensensorsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Quantensensorsystem so konfiguriert ist, dass es elektrische, magnetische oder elektromagnetische Wellen oder Gravitationsanomalien analysiert, z. B. um Wasser- und/oder Ölvorkommen zu erkennen.
Verfahren zum Erfassen eines Signals, das die folgenden Schritte umfasst: Abtastung des Signals, wodurch eine Anzahl von Abtastpunkten aufgezeichnet wird; Bereitstellung eines Referenzsignals; Ausrichten der Abtastpunkte mit dem Referenzsignal, wodurch jeder Abtastpunkt mit einem Phasenwert des Referenzsignals zur jeweiligen Abtastzeit des Abtastpunkts korreliert wird; und Erzeugung einer Darstellung des Signals auf der Grundlage der Korrelation zwischen den Abtastpunkten und den Phasenwerten.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder Probenahmepunkt einen Messwert umfasst; und wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: Zuordnung der Messwerte der Probenahmestellen zu den jeweiligen Phasenwerten.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner aufweisend den folgenden Schritt: Mittelwertbildung über die aufgezeichneten Messwerte bei jedem Phasenwert oder innerhalb eines bestimmten Phasenintervalls, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Signaldarstellung zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, das weiterhin den folgenden Schritt aufweist: Interpolation zwischen den abgebildeten Messwerten, um eine Darstellung des Signals zu erzeugen.