DE1900289B1

DE1900289B1 - Verfahren und Anordnung zum numerischen Analysieren von Signalen

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Publication number: DE1900289B1
Application number: DE19691900289
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Felix; Claude Fernandes; Guilloux Herveline Jeudon Geb
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1969-01-03
Filing date: 1969-01-03
Publication date: 1970-08-20

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum numerischen Analysieren eines wiederholten, aus zeitlich markierbaren Impulsen bestehenden Signals zwecks Extraktion dieses Signals aus einem Grundrauschen, bei dem von einem ersten Impuls zu durch vorgegebene Zeitintervalle τ voneinander getrennten Zeitpunkten Proben entnommen werden, sowie auf Anordnungen zum Durchführen solcher Verfahren.

Das erfindungsgemäße Analysierverfahren läßt sich sowohl auf solche Signale anwenden, die sich periodisch wiederholen, als auch auf solche Signale, die zeitlich gegenüber einem Synchronisierimpuls markiert sind, der im allgemeinen mit der physikalischen Ursache gekoppelt ist, die das zu untersuchende Phänomen auftreten läßt, von dem das zu untersuchende Signal eine Übersetzung darstellt. Dabei ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, solche Signale aus einem Grundrauschen zu extrahieren, das keine Phasenbeziehung dazu aufweist und gegebenenfalls eine wesentlich größere Amplitude als die Nutzsignale aufweisen kann.

Der klareren Darstellung halber soll im folgenden davon ausgegangen werden, daß das wiederholte Signal aus einzelnen zeitlich festlegbaren Impulsen besteht. Dabei ist der Ausdruck »Impuls« gewählt worden, weil in der übergroßen Mehrzahl der Zelle das Zeitintervall, das zwei aufeinanderfolgende Impulse voneinander trennt, weit größer ist als die Dauer eines Impulses oder zumindest als die Dauer des zu analysierenden Teiles eines solchen Impulses. Jedoch bedeutet die Verwendung dieses Wortes selbstverständlich keinerlei Einschränkung für die Tragweite der Erfindung auf eine bestimmte Signaltype.

Für das Verständnis der Erfindung empfiehlt es sich, zunächst einmal das Prinzip für die Extraktion eines Nutzsignals S(t) aus einem Grundrauschen B(t) ins Gedächtnis zurückzurufen, welches das Nutzsignal bei der Probenentnahme aus einem zu analysierenden Signal

/(O = S(O + B(t)

zu aufeinanderfolgenden Impulsen entsprechenden Zeitpunkten begleitet. Nimmt man an, daß jede der Proben JV-mal entnommen wird und diese N Probenentnahmen in einem Speicherkanal zusammengefaßt werden, so wird das endgültige Nutzsignal S(t) iV-mal so groß wie das bei jeder Entnahme gewonnene Nutzsignal, während das resultierende Grundrauschen, das aus dem mittleren Quadrat des Grundrauschens besteht, nur mit j-'Tv zunimmt. Außerdem muß man bekanntlich 2N₁ Proben entnehmen, damit JV₁ Harmonische eines Signals durchgelassen werden.

Der Umsetzung dieses Grundprinzips in die Tat dienen bisher zwei Arten von Verfahren bzw. Anordnungen, wie sie beispielsweise in den deutschen Auslegeschriften 1 260 528, 1 279 731 und 1 288 133 beschrieben sind:

Zum einen arbeitet man dabei mit digitalen Vielkanalanalysatoren. Nun ist jedoch bei diesen Geräten unglücklicherweise das zwischen zwei aufeinanderfolgenden Probenentnahmen für ein und denselben Impuls mindestens erforderliche Zeitintervall relativ lang (größer als 40 y.s), was die Untersuchung rasch veränderlicher Phänomene unmöglich macht. Außerdem haben die handelsüblichen Analysatoren nur Wortspeicher von relativ geringer Länge zur Verfügung, deren Speichervermögen nicht für eine gute Signalextraktion aus dem Grundrauschen ausreicht, wenn dieses erhebliche Werte aufweist und das Nutzsignal in größerem Ausmaß variiert. Dieser Mangel läßt sich außerdem nur schwer unterdrücken, da diese Analysatoren Speicher mit Ferritkernen besitzen, die sich nur schwer modifizieren lassen.

Zum anderen hat man auch schon Vielkanalanalysatoren mit analogen Speichern eingesetzt, die den Vorteil bieten, daß sie eine Signalanalyse mit einer höheren Folgefrequenz für die Probenentnahme ermöglichen. Dies gilt jedoch nur unter der Voraussetzung, daß die Wiederholungsrate für diese Signale höher liegt und beispielsweise mindestens einen Impuls je Millisekunde für die Entnahme von 100 Proben mit einem Abstand von 1 \j.s beträgt. Auch weisen diese Analysatoren darüber hinaus noch verschiedene weitere Nachteile auf. So ist die mit ihnen erzielbare Genauigkeit relativ bescheiden, und außerdem bedarf es eines umständlichen und langwierigen Abgleichs jedes einzelnen Kanals.

Dieser Kanalabgleich wird erforderlich durch Drifterscheinungen im Nullpegel jedes einzelnen Kanals, d. h. in dem Gleichstromsignal, das sich dem wahren, zu analysierenden Signal überlagern kann. Ein solches Gleichstromsignal hat verschiedene Ursachen. Insbesondere Drifterscheinungen in der Verstärkung der einzelnen Verstärkerkanäle und vor allem die Restspannungen bei der Umschaltung. Der fragliche Abgleich besteht in der Einführung von Kapazitäten in jeden Kanal, die dazu dienen, die verschiedenen NuIlpegel einander gleichzumachen.

Ein weiterer Nachteil sowohl der einen als auch der anderen obenerwähnten Verfahren und Anordnungen besteht darin, daß sie nicht auf eine Subtraktion des Nullpegels eingerichtet sind. Es wäre sogar unmöglich, eine solche Subtraktion in zuverlässiger Weise in einem analogen Analysator durchzuführen, da sich die Kenngrößen eines analogen Subtrahierwerkes mit der Zeit ändern.
Ausgehend von diesem Stande der Technik, liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Extrahieren von Nutzsignalen anzugeben, bei dem die Subtraktion des Grundrauschens in digitaler Form und mit verringertem Gesamtfehler erfolgt. Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die entnommenen Proben, gegebenenfalls nach Hinzufügung eines zur Unterdrückung negativer Eingangssignale für einen Analog-Digital-Wandler ausreichenden Gleichspannungspegels, digital kodiert werden, daß das Ergebnis in einen mittels eines digitalen Addier- und Subtrahierwerkes adressierbaren digitalen Speicherkanal eingeschrieben und von dem Inhalt jedes der Speicherkanäle ein durch Probenentnahme mittels derselben Probenentnahmekette zu einem in bezug auf das Auftreten des Impulses gewählten Augenblick bestimmter Nullpegel und gegebenenfalls der Gleichspannungspegel abgezogen wird und daß diese Vorgänge an einer großen Anzahl dem ersten Impuls folgender Impulse durchgeführt und die in den digitalen Speicherkanälen gesammelten Proben mittels des Addier- und Subtrahierwerks auf summiert werden, dem gleichzeitig das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers und abwechselnd der Inhalt eines der digitalen Speicherkanäle zugeführt werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich ist also, daß die Subtraktion des Nullpegels in digitaler Weise erfolgt, d. h. mit einem Fehler, der nicht über dem durch die Kodierung bedingten Fehler liegen

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kann. Will man dagegen eine solche Subtraktion in deren Anzahl der Anzahl der jedem Impuls zu enteinem vollkommen analog arbeitenden System vor- nehmenden Proben entspricht. Diese Kanäle sind von nehmen, so ist dieser Vorgang von einem Fehler be- identischem Aufbau: So weist beispielsweise der gleitet, der infolge der Instabilitäten der analogen Kanal 12 a ein lineares Tor 14 a für die Probenent-Systeme zeitlich variiert. 5 nähme, einen Kondensator 16a für die Speicherung Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung der Probe in analoger Form und ein lineares Auslesespeichert man die aufeinanderfolgenden Proben für tor 18a auf. Die linearen Tore sind dabei in Fig. 1 ein und denselben Impuls alternativ in einem von einer lediglich der Vereinfachung der Darstellung halber als Mehrzahl von Verlängerungskanälen, von denen jeder Schalter angedeutet und werden durch einen weiter einen als analoger Speicher wirkenden Kondensator io unten ausführlicher beschriebenen Synchronisierkreis 20 enthält, und kodiert den Inhalt jedes dieser Speicher- gesteuert. Für die linearen Tore für die Probenentnahme kanäle nacheinander mit einer die Folgefrequenz für kann man mit Vorteil schnelle Torschaltungen mit die Probenentnahme unterschreitenden Frequenz, wobei Dioden und für die Auslesetore Torschaltungen mit die Speicherung entsprechender zwei aufeinanderfol- Feldeffekttransistoren verwenden, genden ImpulsenentnommenerProbeninverschiedenen 15 Die Ausgänge aller Verlängerungskanäle 12a, 12b analogen Kanälen vorgenommen wird, die vorteil- ... 12 η sind mit einem Verstärker 22 verbunden, der hafterweise voneinander durch zirkuläre Permutation dazu dient, den Pegel der von den Kanälen abgegebenen der Gesamtheit der Verlängerungskanäle abgeleitet logischen Signale auf ein Niveau zu bringen, das zur werden. Speisung eines Analog-Digital-Wandlers 24 ausreicht.

In diesem Falle muß offensichtlich der abzuziehende 20 Zwischen die Verlängerungskanäle 12a bis 12« und den Nullpegel für jeden digitalen Speicherkanal in dem- Verstärker 22 ist eine Torschaltung 26 eingefügt, die selben Verlängerungskanal wie die zugehörigen Proben es dann, wenn sie gleichzeitig mit einem der linearen erscheinen, um eine möglicherweise fehlende Identität Auslesetore 18 a bis 18« geöffnet ist, ermöglicht, den der Verlängerungskanäle zu berücksichtigen. Man entsprechenden Kondensator 16« bis 16« auf Masse kommt daher zu einer Wiederholung der Folgen für 25 zu legen, also kurzzuschließen und damit zu entladen, die Entnahme und die Kodierung, der eine Subtraktion Die Aufgabe der Verlängerungskanäle 12a, 12b ... folgt, ausgehend von einem Zeitpunkt, der eine vor- 12« besteht offensichtlich darin, dem Analog-Digitalgegebene Verzögerung gegenüber dem Ende der Ein- Wandler 24 jede Probe während einer Zeitdauer zur Schreibung der Proben in den digitalen Speicher auf- Verfügung zu stellen, die sich mit seiner korrekten weist. 30 Arbeitsweise verträgt, d. h. mit anderen Worten, die

Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders Zeit für die Entnahme einer Probe unabhängig von der dann von Vorteil, wenn es erforderlich ist, die Proben Zeit für deren Kodierung zu machen, mit hoher Frequenz zu entnehmen. Diese Frequenz An den Analog-Digital-Wandler 24 ist ein digitales wird dann nämlich praktisch nur durch die Arbeits- Addier- und Subtrahierwerk 28 mit zwei Informationsgeschwindigkeit des analogen Speichers und die der 35 eingängen angeschlossen. Nach Empfang eines Synlinearen Tore begrenzt. Die Auslesung kann mit einer chronisiersignals wird der Inhalt des Addier- und Subwesentlich langsameren Folgefrequenz erfolgen, die trahierwerkes 28 in einen der Kanäle eines digitalen sich mit der Arbeitsgeschwindigkeit eines Analog- Speichers 30 übertragen, der mit einem Adressenre-Digital-Wandlers verträgt, dessen Wortlänge zur Er- gister 32 für die Auswahl des jeweiligen Speicherkanals zielung einer guten Genauigkeit ausreicht. 40 für die Aufnahme des Inhalts des Addier- und Subtra-

Die vorläufige Speicherung der Proben und des hierwerkes28 gekoppelt ist. Jeder Kanal des Spei-Nullpegels in analoger Form kann sich nicht in einem chers 30 muß eine große Anzahl von Binärstellen aufmerklichen Fehler auswirken, da diese Speicherung sehr weisen, um eine große Anzahl von Proben ansammeln kurz ist und sich außerdem für jede Probe und den von zu können. Als Beispiel sei angegeben, daß man eine dieser schließlich abzuziehenden Nullpegel in ein und 45 Zählkapazität von 9 · 10* Impulsen vorsehen muß, demselben Kanal vollzieht. Auch die Notwendigkeit wenn man das Signal-Rausch-Verhältnis um einen einer Kodierung des Nullpegels und der Vornahme Faktor 300 verbessern will, und wenn man eine Genaueiner Subtraktion für jeden Verlängerungskanal stellt igkeit von 1 % bei einem Signal, dessen Amplitude im allgemeinen keinen Nachteil dar, da das Zeitinter- zwischen 1 und 100 variiert, erzielen will, bedarf es vall, das zwei aufeinanderfolgende Impulse vonein- 50 eines Speichers mit 30 Binärstellen je Kanal, während ander trennt, im allgemeinen überreichlich groß ist. die heute üblichen Speicher mit Ferritkernen im all-

Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen gemeinen nur 8 bis 16 Binärstellen aufweisen. Dsm-

nunmehr einige Ausführungsformen für die Erfindung entsprechend muß man Speicher mit integrierten

näher beschrieben werden, die jedoch lediglich deren Schaltkreisen verwenden.

Erläuterung dienen und keine Einschränkung für ihre 55 Es liegt auf der Hand, daß man daran interessiert

Tragweite bedeuten. Dabei wird in der Beschreibung ist, einen Eingangskodierer zu verwenden, der so

auf die Zeichnung Bezug genommen, in der schnell wie möglich arbeitet und die erforderliche

F i g. 1 und 2 Blockschaltbilder für Analysieran- Anzahl von Binärstellen zur Verfügung stellt. Beispielsordnungen entsprechend zweier Ausführungsformen weise gibt es heute Kodierer mit neun Binärstellen, der Erfindung und 60 die bei 2 Mikrosekunden arbeiten, und Kodierer mit

F i g. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung 15 Binärstellen, die bei 5,2 Mikrosekunden arbeiten,

der Verschachtelung von aufeinanderfolgenden Impul- Dam Synchronisierkreis 20 kann man sich aus einem

sen entnommenen Proben sind. Netzwerk 33 für die anfängliche Kanalverteilung für

Die in F ig. 1 veranschaulichte Analysieranordnung die Kanäle 12 a bis 12«, einem Taktgeber 34 für die

erhält an ihrem Eingang 10 ein Signal zugeführt, das 65 Probenentnahme und einem Taktgeber 36 für die

aus aufeinanderfolgenden Impulsen besteht. Der Ein- Auslesung aufgebaut denken, der bei erheblich gerin-

gang 10 der Anordnung ist mit einer Mehrzahl von gerer Frequenz arbeitet als der Taktgeber 34 für die

Verlängerungskanälen 12a, 12b ... 12« verbunden, Probenentnahme. Die Frequenz des Taktgebers 34 für

die Probenentnahme legt das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Probenentnahmen fest, und man ist daher daran interessiert, einen Taktgeber mit einer möglichst hohen Arbeitsgeschwindigkeit einzusetzen, was bei den heutigen Verhältnissen einen Taktgeber mit einer Arbeitsfrequenz von 100 MHz bedeutet. Die Arbeitsfrequenz für den Taktgeber für die Auslesung wird durch die Arbeitsgeschwindigkeit desAnalog-Digital-Wandlers 24 bestimmt. Man kommt so im allgemeinen Falle zur Benutzung eines Taktgebers mit einer Frequenz von etwa 250 kHz.

Das Netzwerk 33 für die anfängliche Kanalverteilung muß eine zirkuläre Permutation der Verlängerungskanäle 12a, 12b ... 12« ermöglichen, die den entsprechenden Proben aus zwei aufeinanderfolgenden Impulsen zugeordnet sind. Für die Erfüllung dieser Aufgabe gibt es verschiedene Schaltungstypen, die mit einem oder mit zwei Schieberegistern arbeiten. Insbesondere kann man ein Schieberegister mit JV Binärstellen verwenden, das die Tore über die Taktgeber und einen Zähler mit JV-1 Binärstellen steuert, der dazu dient, die zirkuläre Permutation der den jeweiligen Proben der beiden aufeinanderfolgenden Impulse zugeordneten Kanäle zu gewährleisten.

Der Taktgeber 36 für die Auslesung steuert offensichtlich gleichzeitig zu den seiner Frequenz entsprechenden Zeitintervallen einerseits eines der Auslesetore und andererseits das Adressenregister und schaltet dieses um eine Stelle weiter.

Der Ablauf der Betriebsfolge des Synchronisierkreises 20 wird mit dem Empfang einer Spannungsspitze ausgelöst, die diesem Kreis entweder an seinem Eingang für die Probenentnahme oder an einem Eingang für den Nullpegel zugeführt wird. Im ersten Falle handelt es sich um eine Spannungsspitze, die, ausgehend von einer einzigen Synchronisierspannungsspitze, mit einer Verzögerung Δ t von einer regelbaren Verzögerungsleitung 38 aufgebracht wird, im anderen Falle um eine Spannungsspitze, die, ausgehend von der gleichen einzigen Synchronisierspannungsspitze über eine Verzögerungsleitung 39 mit einer Verzögerung St geliefert wird.

Dem digitalen Speicher 30 sind offensichtlich Ausgangsorgane zugeordnet, wie ein Digital-Analog-Wandler 40 zur Anzeige der Ergebnisse, ein digitaler Ausgang 42 usw. Die Steuerung der Ausgänge löst gleichzeitig den Durchgang des Eingangssignals des Auslesetaktgebers 36 für das Adressenregister 32 zu einem ausgangsseitigen Taktgeber 44 über eine ODER-Schaltung 45 aus.

Der Arbeitsablauf der oben beschriebenen Anordnung ergibt sich einerseits aus der vorstehenden Definition des Verfahrens und andererseits aus der nachstehenden und dementsprechend nur kurzgehaltenen Beschreibung.

Der Betriebsbeginn bei Eintreffen eines Impulses wird durch eine Synchronisierspitze ausgelöst, die zum Zeitpunkt t₀ an den Verzögerungsleitungen 38 und 39 anliegt, wo sie die Verzögerungen Δ t und δ t erfährt, die so ausgewählt sind, daß sich die Probenentnahme während des interessierenden Teiles des Impulses und die Abnahme des Nullpegels während eines passenden Zeitabschnitts vollziehen. Im Zeitpunkt t₀ + Δ t öffnet die Verzögerungsleitung 38 für den Synchronisierkreis 20. Nimmt man nun an, daß der zu analysierende Impuls der erste des Signals ist, so wird der Taktgeber 34 für die Probenentnahme in dem Synchronisierkreis 20, ausgehend von dem Zeitpunkt t₀ + Δ t und in Zeitintervallen τ, nacheinander die Tore 14a, 14b ... 14η öffnen, wobei man beispielsweise 16 Tore 14 a bis 14« vorsehen kann, die 16 Verlängerungskanälen 12 a bis 12« entsprechen und mit einer Frequenz von 100 MHz öffnen.

Ist die Probenentnahme einmal beendet, so steuert der Synchronisierkreis 20 die Auslesung mit einer Verzögerung, die ihrerseits einstellbar ist. Diese Auslesung vollzieht sich kanalweise mit einer festen Folgefrequenz, die durch den Taktgeber 36 für die Auslesung vorgegeben ist. Dieser Taktgeber 36 steuert zunächst das Öffnen des Tores 18 a für die Übertragung des Inhalts des Verlängerungskanals 12 a zu dem Analog-Digital-Wandler 24 und den Betrieb des digitalen Addier- und Subtrahierwerkes 28, das im übrigen in diesem Falle keinen Speicherinhalt zugeführt erhält, so daß allein das Ergebnis der Kodierung unmittelbar in einen durch das Adressenregister 32 festgelegten Kanal des digitalen Speichers 30 eingeschrieben wird.

Anschließend veranlaßt der Synchronisierkreis 20 das Öffnen des Tores 18b. Gleichzeitig gibt er an das Adressenregister 32 ein Signal ab, das dieses um eine Stelle weiterschaltet und dem Addier- und Subtrahierwerk 28 einen weiteren Kanal des digitalen Speichers 30 zuordnet. Sodann wird der Inhalt des Verlängerungskanals 12 b verstärkt, kodiert und in diesem neuen Kanal des Speichers 30 gespeichert. In gleicher Weise wird anschließend der Inhalt aller weiteren Verlängerungskanäle 12 a bis 12« in digitaler Form in den Speicher 30 überführt.

Ist die Probenentnahme für den Impuls einmal beendet, so muß der Nullpegel der Reihe nach für jeden Verlängerungskanal 12 a bis 12« übertragen und digital von dem Inhalt der zugehörigen Kanäle in dem digitalen Speicher 30 abgezogen werden. Nach Verstreichen eines Zeitintervalls δ t von dem Zeitpunkt t₀ an betreibt die Verzögerungsleitung 39 den Synchronisierkreis 20, woraufhin dieser die gleiche Arbeitsfolge durchläuft wie bei der oben beschriebenen Probenentnahme. Die Auslesung, die Kodierung und die Steuerung des Adressenregisters 32 sind ebenfalls identisch. Lediglich das Addier- und Subtrahierwerk 28 wird so gesteuert, daß es von dem Inhalt jedes Kanals des Speichers 30 den Nullpegel abzieht und das Ergebnis in den Speicher eingibt.

Anzumerken ist, daß jeder Kanal des digitalen Speichers 30 zuvor auf einen Pegel gebracht werden kann, der ausreicht, um zu verhindern, daß die Subtraktion zu einem negativen Inhalt in dem Speicher 30 führt. Dieser Pegel kann beispielsweise das Vierfache der Varianz des Rauschens ausmachen.

Sobald ein zweiter Impuls mit einer vorhergehenden Synchronisierspitze im Zeitpunkt ^₁ eintrifft, steuert der Synchronisierkreis 22 die Tore für die Probenentnahme in den Verlängerungskanälen 12 a bis 12«, wobei er mit dem zweiten Kanal 12 b beginnt, usf. Sind die Proben einmal entnommen und vorläufig in analoger Form in den Kondensatoren 16b.. .16«, 16 a gespeichert, so veranlaßt der Synchronisierkreis 20 ihre Übertragung in den digitalen Speicher 30 mit einer durch den Auslesetaktgeber 36 festgelegten Folgefrequenz. Gleichzeitig führt der Synchronisierkreis 20 dem Adressenregister 32 Fortschaltimpulse zu, die bei jedem Eintreffen des kodierten Inhalts eines Verlängerungskanals in dem Addier- und Subtrahierwerk 28 die Übertragung des Inhalts des betreffenden Kanals in dem digitalen Speicher 30 veranlassen. Anschließend wird die Subtraktion des Nullpegels

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vorgenommen wie für den ersten Impuls. Auf diese verbunden ist, der aus einem analogen Speicher mit Weise werden in den Kanälen des digitalen Speichers 30 einer den Verlängerungskanälen der Anordnung von Proben angesammelt, die von aufeinanderfolgenden F i g. 1 analogen Kapazität bestehen kann. Das AusImpulsen des von dem Rauschen zu befreienden Signals gangssignal des Haltekreises 16' wird einem Analogherrühren. 5 Digital-Wandler 24' zugeführt, der seinerseits ein digi-

Wie man sieht, erfolgt durch die Erfindung die tales Addier- und Subtrahierwerk 28' speist.

Übertragung aller Proben auf ein und demselben Ver- Der Wandler 24' ist weiterhin dazu vorgesehen, um

stärkungs- und Kodierungsweg und werden mögliche einmal für jeden Impuls die Kodierung des Nullpegels

Differenzen zwischen den einzelnen Verlängerungs- für dessen Einspeisung in den angeschlossenen Speicher

kanälen durch deren zyklische Permutation sowohl io in digitaler Form vorzunehmen. Dieser Nullpegel wird

für die Proben als auch für die Nullpegel kompensiert, an dem Eingang 10' mit einer durch die Verzögerungs-

wodurch sich deren Fehler wegheben. Die vorläufige leitung 39' festgelegten Verzögerung δ t entnommen

Speicherung der Signale in analoger Form stellt inso- und dem Wandler 24' zugeführt. Die Verzögerung δ t

fern keinen Nachteil dar, als sie ebenso wie das Zeit- hat eine feste Größe und wird auf Grund von Erfah-

intervall, das die Speicherung einer Probe von der 15 rungswerten festgelegt. Der einmal kodierte Nullpegel

Speicherung des zugehörigen Nullpegels trennt, nur wird in einem angeschlossenen digitalen Speicher 58

eine extrem kurze Dauer aufweist. gespeichert.

Der in F i g. 2 veranschaulichte Anwendungsfall für Die Aufgabe des Haltekreises 16' besteht darin, dem

die Erfindung unterscheidet sich von dem in F i g. 1 Wandler 24' jedes ihm zugeführte Signal während

veranschaulichten im wesentlichen durch das Fehlen 20 einer für seinen Betrieb ausreichenden Zeitdauer zur

einer vorläufigen Zwischenspeicherung für alle Proben Verfügung zu stellen. So ist beispielsweise eine Anord-

in analoger Form vor der aufeinanderfolgenden Aus- nung praktisch gebaut worden, bei der der Haltekreis

lesung aller dieser Proben. Auch in F i g. 2 findet man jedes Signals während 7 Mikrosekunden zugeführt

einen Speicherteil, der dem oben beschriebenen Spei- erhielt und seinerseits dem Wandler dieses Signals

cherteil ähnlich ist. Jedoch unterscheiden sich der 25 während 18,5 Mikrosekunden zur Verfügung stellte,

analoge Teil und der Teil für die Probenentnahme von Dieses dem Wandler 24' zugeführte Signal kann sein:

den entsprechenden Teilen in F i g. 1, und diesen Tei- entweder die Summe aus der aus dem festen von dem

len ist daher die nachstehende Beschreibung im wesent- Generator 50 (der zur Verhinderung der Zuführung

liehen reserviert. negativer Signale an den Wandler bestimmt ist) gelie-

Der klareren Darstellung halber sind in F i g. 2 30 ferten Pegel bestehenden Polarisationsgleichspannung folgende Verabredungen getroffen: Die Übertragung und der Probe oder die Summe aus dem Pegel δ und dem von Information wird durch ausgezogene Linien ange- Nullpegel (einmal vor jedem Impuls) oder schließlich deutet, während die logischen Steuerkommandos in der Pegel δ für die Einführung des Vierfachen davon strichpunktierten Linien veranschaulicht sind. Bauteile, zu den Inhalt jedes Kanals in dem digitalen Speicher 30' die denen der Anordnung von F i g. 1 entsprechen, 35 (einmal vor der Analyse eines Signals),
sind wieder mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet, Der Betrieb des Wandlers 24', des Adressenregiwobei lediglich ein Strich als Index beigefügt ist. Die sters 32' und des Tores 14' wird durch einen Takt-Teile der Schaltung, die der Verschachtelung der geber 66 für die Probenentnahme und für die Auslesung Proben entsprechen, sind in gestrichelten Linien dar- gesteuert, der mit dem Betrieb des Wandlers im Eingestellt, da man sich von ihnen frei machen kann, wenn 40 klang steht. Je nach der Art des Wandlers können die eine Probenentnahme in Zeitintervallen als zulässig Impulse des Taktgebers voneinander durch ein Zeitanzusehen ist, die gleich oder größer sind als die Be- interval! getrennt sein, das zwischen 0,5 und 5 Mikrotriebsdauer des Wandlers. Sekunden liegt.

Die Schalter 60 und 62 sind in dem Schaltbild gleich- Der Betrieb der in F i g. 2 dargestellten Anordnung

falls in der Stellung veranschaulicht, in der sie die 45 gestaltet sich ohne eine Verschachtelung der Proben in

Bauteile abschalten, die zur Erzeugung der Verschach- der folgenden Weise: Ausgangspunkt ist der Zeit-

telung der einzelnen Proben bestimmt sind. punkt t₀, in dem ein Synchronisierimpuls am Eingang

Die in F i g. 2 veranschaulichte Anordnung weist angelegt wird, nachdem die Verzögerungsleitungen 38'

einen Signaleingang 10' und einen Steuereingang auf, bzw. 39' zuvor eingestellt worden sind, um einerseits

der einstellbaren Verzögerungsleitungen 38' und 39' 5° den Beginn der Probenentnahme in bezug auf das

Synchronisierspitzen zuführt. Weiter besitzt die An- Eintreffen des Synchronisierimpulses und andererseits

Ordnung einen Generator 50 für einen einstellbaren die Verzögerung für die Speicherung des Nullpegels in

Gleichspannungspegel δ. Dieser Pegel wird so gewählt, bezug auf denselben Zeitpunkt t₀ festzulegen,

daß er der Varianz des Rauschens entspricht, und ist Die dem ersten Impuls entsprechende Synchroni-

experimentell zu bestimmen. Dieser Pegel dient dazu, 55 sierspitze wird einem Anzeigekreis 68 für die Speiche-

das Auftreten von negativen Eingangssignalen an dem rung des Pegels 4<5 zugeführt, der die Kodierung dieses

Wandler zu verhindern, welche die Verwendung eines Dauerpegels und seine Einspeisung in jeden der Kanäle

Wandlers mit doppelter Polarität erfordern würden, des digitalen Speichers über den Schalter 52 und den

und ebenso dazu, die Gefahr eines negativen Inhalts in Haltekreis 16' veranlaßt. Die drei folgenden Synchroni-

dem digitalen Speicher auszuschalten, wodurch sich 60 sierspitzen bewirken den gleichen Übergang, so daß die

die Notwendigkeit zur Einführung eines Vorzeichens Einspeicherung des Pegels 4<5 in digitaler Form ver-

in diesem Speicher ergeben würde. Die Übertragung anlaßt wird, was dann weiterhin die Gefahr einer NuIl-

des Pegels δ wird durch einen Anzeigekreis 68 gesteuert, stellung des Speichers durch Anhäufung von negativen

der weiter unten beschrieben wird. Signalen aus dem Rauschen ausschließt. Der Verlust

Die am Eingang 10' ankommenden Signale durch- 65 der vier ersten Impulse des Signals für die Probenentlaufen ein und denselben analogen Weg. Dieser Weg nähme stellt keinen Nachteil dar, wenn man die große enthält ein lineares Tor 14' für die Probenentnahme, Anzahl von Impulsen in Betracht zieht, an denen eine das über einen Schalter 52 mit einem Haltekreis 16' Probenentnahme erfolgt. Die Arbeit des Anzeigekrei-

ses 58 für den Pegel 4<5 ist sodann bis zum Ende der Analyse des jeweiligen Signals beendet.

Mit dem Eintreffen der fünften Synchronisierspitze im Zeitpunkt i₅ wird die Betriebsweise eine andere, und es kommt nacheinander zur Speicherung des Nullpegels, zur Probenentnahme und zur Subtraktion des Nullpegels.

Es versteht sich von selbst, daß je nach der Lage des Falles die Entnahme des Nullpegels der Probenentnahme vorangehen oder ihr folgen kann.

Im Zeitpunktes + δί erhält der Wandler24' über den Schalter 52 und den Haltekreis 16' die Summe aus dem Pegel δ und dem Nullpegel zugeführt und speist diese in den an seinem Ausgang 70 angeschlossenen Speicher 58 ein.

Sodann veranlaßt im Zeitpunktt₅ + At der Taktgeber 66 in Zeitintervallen reine erste Probenentnahme. Der Wandler 24' speist in jedem Falle die Summe aus dem Pegel δ und der entnommenen Probe in einen Kanal des digitalen Speichers 30' ein.

Sind einmal alle Proben entnommen, so tritt der schnelle Taktgeber 72 an die Stelle des Taktgebers 66 und veranlaßt die Subtraktion des Inhalts des angeschlossenen Speichers 58 ohne dessen Löschung. Diese Subtraktion vollzieht sich in dem Addier- und Subtrahierwerk 28', dem der Inhalt des angeschlossenen Speichers 58 bei 74 und der Inhalt jedes Kanals des Speichers 30' über das Ausgangsregister 76 und den Eingang 78 zugeführt werden. Diese Subtraktionen vollziehen sich digital und laufen daher wesentlich rascher ab als die bisherigen Subtraktionen, und dementsprechend kann man einen Taktgeber mit einer Frequenz von einigen MHz einsetzen, dessen Arbeitsgeschwindigkeit nur durch die Arbeitsgeschwindigkeit des Addier- und Subtrahierwerkes 28' und den Zyklus für die Gewinnung der gespeicherten digitalen Daten und die Wiedereinschreibung dieser Daten begrenzt wird.

Die oben beschriebene Anordnung bietet im Vergleich zu der Anordnung von F i g. 1 den Vorteil, daß sie keine Zwischenspeicher in einer der Anzahl der Proben entsprechenden Anzahl von Verlängerungskanälen benötigt und daß sie die Analyse zeitlich näher beieinander liegender Impulse ermöglicht. Auf der anderen Seite ist jedoch die Geschwindigkeit der Probenentnahme durch die Arbeitsgeschwindigkeit des Wandlers 24' begrenzt.

Bei einer Ausführungsvariante der in F i g. 2 veranschaulichten Anordnung wird diese Begrenzung dadurch aufgehoben, daß ein Verschachtelungssystem vorgesehen ist, das es ermöglicht, den Abstand zwischen den Proben zu verringern. Das Prinzip der Verschachtelung ist in F i g. 3 schematisch angedeutet. Dieses Prinzip besteht darin, daß man die Proben in η aufeinanderfolgenden Impulsen nicht mehr in entsprechenden Zeitpunkten, sondern zu jeweils um den Wert τ/η versetzten Zeitpunkten entnimmt. So genügt es, um die Proben beispielsweise viermal schneller als die Zeitdauer τ für die Kodierung entnehmen zu können, einen Taktgeber für die Fortschaltung des Adressenregisters des Speichers zu verwenden, dessen Schrittweite gleich τ/4 ist. In dem in F i g. 3 veranschaulichten Falle öffnet das lineare Tor 14' für die erste, die fünfte, die neunte usw. Spitze des Taktgebers, und die Einspeicherung in den Speicher erfolgt in den Zeitpunkten 5, 9,13 usw. Beim zweiten Impuls öffnet das lineare Tor 14' zu den Zeiten 2, 6, 10 usw., und die Einschreibung erfolgt zu den Zeiten 6, 10, 14 usw. in Kanäle des digitalen Speichers, die von den ersten Kanälen verschieden sind. Um eine gleiche Anzahl von Proben von vorgegebener Größenordnung zu erhalten, muß man in diesem Falle offensichtlich die Ansammlung der Proben über eine viermal so große Anzahl von Impulsen und dementsprechend über eine viermal solange Zeitdauer erstrecken.

Für den Betrieb mit Verschachtelung weist die Vorrichtung von F i g. 2 zusätzlich die in gestrichelten

ίο Linien veranschaulichten Bauelemente auf, und außerdem sind zur Inbetriebnahme des Verschachtelungssystems 80 die Schalter 60 und 62 in eine Lage zu bringen, die der in F i g. 2 veranschaulichten Lage entgegengesetzt ist.

Die Arbeitsweise der Anordnung ist dann die gleiche wie oben, soweit die digitale Einspeicherung des Pegels 4<5 und die Einspeicherung des Nullpegels und des Pegels δ in dem angeschlossenen Speicher 58 zu betrachten ist, jedoch gestaltet sich die Probenentnahme in unterschiedlicher Weise. Wie oben angegeben, veranlaßt das Verschachtelungssystem 80 unter Steuerung über den Ausgang 82 eine Probenentnahme nur für jede vierte Fortschaltung des Adressenregisters 32' am Ende der Analyse eines Impulses, die Subtraktion des Nullpegels unter Steuerung durch den Ausgang 84 vollzieht sich in denselben Kanälen des digitalen Speichers 30'. Die Proben werden bei dem folgenden Impuls zu gegenüber dem vorhergehenden Impuls um τ/4 verschobenen Zeitpunkten entnommen und in andere Kanäle des Speichers 30' eingespeist uswf.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum numerischen Analysieren eines wiederholten, aus zeitlich markierbaren Impulsen bestehenden Signals zwecks Extraktion dieses Signals aus einem Grundrauschen, bei dem von einem ersten Impuls zu durch vorgegebene Zeitintervalle voneinander getrennten Zeitpunkten Proben entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die entnommenen Proben, gegebenenfalls nach Hinzufügung eines zur Unterdrückung negativer Eingangssignale für einen Analog-Digital-Wandler ausreichenden Gleichspannungspegels, digital kodiert werden, daß das Ergebnis in einen mittels eines digitalen Addier- und Subtrahierwerkes adressierbaren digitalen Speicherkanal eingeschrieben und von dem Inhalt jedes der Speicherkanäle ein durch Probenentnahme mittels derselben Probenentnahmekette zu einem in bezug auf das Auftreten des Impulses gewählten Augenblick bestimmter Nullpegel und gegebenenfalls der Gleichspannungspegel abgezogen wird und daß diese Vorgänge an einer großen Anzahl dem ersten Impuls folgender Impulse durchgeführt und die in den digitalen Speicherkanälen gesammelten Proben mittels des Addier- und Subtrahierwerks aufsummiert werden, dem gleichzeitig das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers und abwechselnd der Inhalt eines der digitalen Speicherkanäle zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Proben für ein und denselben Impuls alternativ in einem von einer Mehrzahl von Verlängerungskanälen, von denen jeder einen als analoger Speicher wirkenden Kondensator enthält, gespeichert werden und der

Inhalt jedes dieser Speicherkanäle nacheinander mit einer die Folgefrequenz für die Probenentnahme unterschreitenden Frequenz kodiert wird, wobei die Speicherung entsprechender, zwei aufeinanderfolgenden Impulsen entnommener Proben in verschiedenen analogen Kanälen vorgenommen wird, die vorteilhafterweise voneinander durch zirkuläre Permutation der Gesamtheit der Verlängerungskanäle abgeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von einem Impuls zum nächstfolgenden Impuls die Zeitpunkte für die Probenentnahme für jeden folgenden Impuls um ein Zeitintervall der Größe τ/η verschoben und die Kodierung dieser Proben mit Zeitintervallen der Größe r vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Analysieren eines von einem Grundrauschen mit den Signalpegel überschreitender Varianz begleiteten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ao zuvor in jeden Kanal des digitalen Speichers ein vorgegebener Inhalt eingeschrieben wird, dessen Größe die Varianz des Grundrauschens überschreitet, und dadurch das Auftreten eines negativen Inhalts in dem digitalen Speicher verhindert wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Verlängerungskanäle, durch Schaltelemente zum Anlegen aufeinanderfolgender Probenfür einund denselben Impuls an den oder die Verlängerungskanäle, durch einen von den Verlängerungskanälen gespeisten Analog-Digital-Wandler, durch einen digitalen Speicher mit einer der Anzahl der Proben mindestens gleichen Anzahl von Speicherkanälen, durch ein von dem digitalen Speicher und dem Analog-Digital-Wandler gespeistes Addier- und Subtrahierwerk, durch eine Verbindung des digitalen Speichers mit dem Addier- und Subtrahierwerk in der Weise, daß eine neu zu Digitalwerten kodierte Probe sich zu dem in dem entsprechenden Kanal des digitalen Speichers gespeicherten Inhalt addiert bzw. davon abzieht, und durch einen Synchronisierkreis, der den digitalen Speicher auf einen oberhalb der Varianz des Grundrauschens liegenden Pegel bringt, den Nullpegel gewinnt und speichert, die entsprechenden Proben eines Impulses zu dem Inhalt jedes Kanals des digitalen Speichers hinzuaddiert und davon den gespeicherten Nullpegel abzieht

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie nur einen einzigen Verlängerungskanal und einen von dem Analog-Digital-Wandler gespeisten Zwischenspeicher für die Speicherung des Nullpegels und dessen Anlage an den Eingang des Addier- und Subtrahierwerkes aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von Verlängerungskanälen aufweist, von denen jeder ein mit einem Zeitgeber von vorgegebener Frequenz gekoppeltes lineares Tor für die Entnahme von Proben an einem Impuls und an dem bzw. den Nullpegeln und für deren Speicherung in aufeinanderfolgenden Verlängerungskanälen sowie ein ebenfalls mit einem Zeitgeber gekoppeltes zweites lineares Tor für die aufeinanderfolgende Verbindung jedes Verlängerungskanals mit dem digitalen Addier- und Subtrahierwerk für die Summierung der Probe und des Inhalts des entsprechenden Kanals des adressierbaren digitalen Speichers oder für die Subtraktion des Nullpegels von diesem Speicherinhalt enthält.

8. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronisierkreis eine Einrichtung zur Verschiebung der Zeitpunkte für die Probenentnahme enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen