DE19619572A1 - Verfahren zur Detektion von Unstetigkeiten in Meßsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Unstetigkeiten in Meßsignalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unstetigkeiten in insbesondere analogen Meßsignalen sind schwer zu ermitteln und zu interpretieren, insbesondere wenn diese Unstetigkeiten im Vergleich zu den Meßsignalen sehr klein sind. Dazu müssen die Meßsignale in geeigneter Weise umgeformt werden.

Einen bekannten Ansatzpunkt zur Umformung unter Bildung eines komplexen Zeitsignales stellt die Hilberttransformation dar, die beispielsweise in der modernen Nachrichtentechnik zur Bildung des sogenannten analytischen Signales modellhaft eingesetzt wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, kleine, insbesondere in Signalverläufen s(t) vorhandene Unstetigkeiten zu erkennen und auszuwerten.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach der Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Basis des Verfahrens ist die Bildung eines "Imaginärteiles" (k _* T_A) zu einem abgetasteten, zu untersuchenden Signalverlauf s(k _* T_A). Dieser neue Signalanteil (k _* T_A) wird orthogonal zu s(k _* T_A) berechnet. Dabei entsteht das komplexe Zeitsignal z(k _* T_A) = s(k _* T_A) + j(k _* T_A). Dies bedeutet mit anderen Worten, daß das neu berechnete Signal als Imaginärteil interpretiert wird.

Zur Berechnung eines neuen Signalanteiles kann beispielsweise eingesetzt werden:

• - die Hilberttransformation von s(k _* T_A)
• - die Differentiation von s(k _* T_A)
• - die Integration von s(k _* T_A)
• - die gleitende Mittelung von s(k _* T_A), d. h. als näherungsweise offsetunempfindliche Integration.

Die Interpretation des komplexen Zeitsignales z(k _* T_A) als
Betrag

(geometrisches Mittel)
und
Phase

erlaubt weiterhin die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit (k _* T_A) durch einmalige Differentiation von ϕ(k _* T_A) und der Winkelbeschleu­ nigung (k _* T_A) durch zweimalige Differentiation von ϕ(k _* T_A).

Das gebildete Signal (k _* T_A) kann nun weiteren Bearbeitungsschritten unterworfen werden, um die sogenannte Radiusgeschwindigkeit (k _* T_A) durch einmalige Differentiation von (k _* T_A) und die Radiusbeschleu­ nigung (k _* T_A)) durch zweimalige Differentiation von (k _* T_A) zu bilden.

Alle beschriebenen und abgeleiteten Größen stellen Funktionen der Zeit dar.

Je nach Komplexität der Aufgabe, d. h. Bestimmung kleiner Unstetigkeiten in Signalsegmenten s(k _* T_A) reichen die eben beschriebenen Größen aus, um die Analyseaufgabe zu lösen, bzw. es müssen weitere verknüpfte Größen wie

gebildet werden. Welche Umformung bei welchem Anwendungsfall Verwendung finden soll, läßt sich für einen Fachmann in einfacher Weise experimentell ermitteln.

Beispielhafte Möglichkeiten zur Auslegung und Auswertung von Unstetigkeiten bei technischen Signalverläufen, sind unter anderem:

• - Erkennen des Anziehens eines Ankers bei Gleich- oder Wechselspannungsrelais aus dem Stromverlauf
• - Ermittlung der ausgeführten Schaltschritte eines Schrittmotors aus dem Stromverlauf
• - Unstetigkeiten bei Lage- und Wegmeßsystemen aus dem Sensorsignal
• - Ermittlung der Momentanfrequenz bei FSK-modulierten Signalen für die schnelle Datenübertragung
• - Bestimmung von Unregelmäßigkeiten bei rotatorischen Vorgängen.

Weitere Einsatzmöglichkeiten finden sich in der Medizin, z. B. bei Unregelmäßigkeiten der Herzklappentätigkeit, dargestellt im sogenannten Phonokardiogramm und bei der Signaldarstellung und Analyse von "Spätpotentialen", das sind mehrdimensionale EKG-Signale, die bei Patienten nach einem Herzinfarkt auf Folgeschäden hindeuten.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Blockschaltbildes (Fig. 1) und lediglich beispielhafter Anwendungen näher erläutert.

Ein mit einer oder mehreren Unstetigkeiten versehener Signalabschnitt s(t) oder eine (periodische) Folge s_p(t) solcher Signalabschnitte wird nach geeigneter analoger Vorfilterung in eine diskrete Zahlenfolge mittels eines Analog-Digitalumsetzers (ADC) gewandelt. Durch eine in der Regel orthogonale Signaltransformation wird im diskreten Bereich zu dem reellen Abtastsignal s(k _* T_A) eine Komponente (k _* T_A) erzeugt, die als "Imaginärteil" von s(k _* T_A) angesehen werden kann. Durch geeignete weitere Signaltransformationen wie Betragsbildung, Differentiation, Integration, Arcus-Tangens-Bildung und Kombinationen solcher Operationen, angewandt auf das gebildete Signal z(k _* T_A) = s(k _* T_A) + j(k _* T_A), lassen sich kleine Unstetigkeiten im Signalverlauf s(k _* T_A) vorteilhaft extrahieren und bestimmen, wann, ob und wie oft solche Merkmale aufgetreten sind.

Je nach Echtzeitanforderung der Verarbeitung sind die erforderlichen Signaltransformationen und Verknüpfungen durch spezielle Hard- und Software auf Universalrechnern auszuführen.

Beispiel 1

In einem Sinussignal mit 4 Perioden der Amplitude 1 ist in der zweiten Halbperiode ein höherfrequenter Sinus mit 5% der Amplitude addiert, (Fig. 2a). Im Summensignal (Fig. 2b) ist diese "Unstetigkeit" nicht mehr zu erkennen.

Zwei Möglichkeiten der Bearbeitung lassen erkennen, wann und wie lange diese "Unstetigkeit" aufgetreten ist.

In Fig. 2c ist oben

in der unteren Spur wird

dargestellt. Bei diesem Signaltyp ist die gewünschte Information sowohl in der Radiusgeschwindigkeit, als auch in der Winkelgeschwindigkeit des gebildeten komplexen Signales enthalten.

Beispiel 2

In einem Dreiecksignal sind im ansteigenden Teil kleine Unregelmäßigkeiten durch eine einprozentige Sinusstörung addiert (Fig. 3a, Summensignal).

Nach Bearbeitung, in oberer Spur und in unterer Spur der Fig. 3b werden die Unstetigkeiten offenbar.

In Fig. 3c ist in der oberen Spur das Produkt s(k _* T_A) _* H{s(k _* T_A)}, in der unteren Spur aufgetragen.

Weiterhin zeigt Fig. 3d in der oberen Spur , in der unteren Spur , wobei hier der Imaginärteil des Signales nicht durch Hilberttransformation, sondern durch Differentiation gewonnen wurde.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wird die Demodulation eines 3-Ton-FSK-Signales dargestellt, wobei der relative Frequenzabstand genau so groß ist, wie die Datenrate (hier 4,8), d. h. es liegt eine Bandbreiteneffizienz von

vor.

Zur Ermittlung der Momentanfrequenz wird auf das Quadrat der Einhüllenden normiert, d. h. wird nach folgender Vorschrift gebildet:

In Fig. 4 ist in der oberen Spur das FSK-Signal, in der unteren Spur _N dargestellt. Dabei ist _N direkt der Momentanfrequenz proportional. Wie leicht zu erkennen ist, könnte bei gleichen Frequenzabständen die Datenrate weiter erhöht werden. Allerdings ist das vorgeschlagene Demodulationsverfahren relativ rauschempfindlich, so daß weitere Signalverarbeitung erforderlich ist. Der erfindungsgemäße Vorteil dieses Demodulationsverfahrens besteht darin, daß in Ergänzung zu modernen frequenzselektiven Verfahren zusätzlich ein Zeitselektionskriterium vorliegt, mit dem das sogenannte dreidimensionale Kurzzeitspektrum genauer und sicherer ermittelt werden kann.

Eine frequenzselektive Trennung des beispielhaften Signales ist bei einer Datenrate gleich dem Frequenzabstand nicht mehr durchführbar.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wurde der Stromverlauf eines Wechsel­ spannungsschützes beim Einschalten nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag meßtechnisch erfaßt und ausgewertet. Fig. 5a zeigt den Stromverlauf, Fig. 4b den auf das Quadrat der Einhüllenden normierten Signalverlauf von -. Es ist leicht zu erkennen, daß und wann der Anker angezogen hat, und daß dabei noch ein leichtes Prellen vorliegt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Erkennen von Unstetigkeiten in technischen Signal­ verläufen durch mathematische Transformation des Signalverlaufs, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Signalverarbeitung, vorzugsweise im diskreten Bereich, ein zum reellen Signal orthogonaler Imaginärteil ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ermittlung des Imaginärteils eine weitere Signal­ verarbeitung des so gebildeten Signales erfolgt und/oder Verk­ nüpfungen von zu berechnenden Untermengen wie Radius- und/oder Winkelgeschwindigkeit und -Winkelbeschleunigung, Produkt und/oder Summen gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Signalverarbeitung für Online-Betrieb auf die erforderlichen Algorithmen angepaßte Hardwarestrukturen wie Finite-Impulse- Response-Filter eingesetzt werden, die vorzugsweise als ASICs ausgebildet sein können.

4. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche in der Medizintechnik insbesondere zur Ermittlung von Online- Phonokardiogrammen, Spätpotentialen und EEG-Signalen.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Demodulieren von FSK-Signalen, um neben den frequenzselek­ tiven Verfahren zusätzlich ein Kriterium im Zeitbereich für das Auftreten von gesendeten Frequenzen zu erhalten.