DE2300924A1 - Vereinfachte verfahren zur messung von leistungsdichtespektren - Google Patents

Vereinfachte verfahren zur messung von leistungsdichtespektren

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DE2300924A1 DE19732300924 DE2300924A DE2300924A1 DE 2300924 A1 DE2300924 A1 DE 2300924A1 DE 19732300924 DE19732300924 DE 19732300924 DE 2300924 A DE2300924 A DE 2300924A DE 2300924 A1 DE2300924 A1 DE 2300924A1
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06GANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities
    • G06G7/12Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers
    • G06G7/19Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for forming integrals of products, e.g. Fourier integrals, Laplace integrals, correlation integrals; for analysis or synthesis of functions using orthogonal functions
    • G06G7/1921Arrangements for performing computing operations, e.g. operational amplifiers for forming integrals of products, e.g. Fourier integrals, Laplace integrals, correlation integrals; for analysis or synthesis of functions using orthogonal functions for forming Fourier integrals, harmonic analysis and synthesis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra

Description

  • VEREINFACHTE VERFAHREN ZUR MESSUNG VON LEISTUNGS-DICHTESPEKTREN Die Erfindung betrifft Verfahren zur Messung der Leistungsdichtespektren von Größen, die in Form von elektrischen Signalen vorliegen.
  • Hierzu sind bereits Verfahren bekannt, die eine Realisierung der zwei fundamentalen theoretischen Zusammenhänge des Meßsignals mit dem Leistungsdichtespektrum darstellen: 1. Messung nach dem Wiener-Khintchineschen Theorem 2. Direkte Messung über die Amplitudendichtespektren (Beschreibung der Formel zeichen am Ende der Schrift) Zur ersten der beschriebenen Methoden sind verschiedene Verfahren angegeben worden. Es bedarf jedoch eines hohen Aufwandes, die Verschiebung des Meßsignals zum Bilden der Korrelationsfunktionen durchzuführen.
  • Bei der zweiten Methode werden die Meßsirnale 9 einer Bank von Bandpaßfiltern mit gegeneinander versetzter Mittenfrequenz zugeführt. Statt dessen kann man auch nach dem Grützmacherschen Suchtonverfahren /1/ die Meßsignale zuerst mit der zu analysierenden Frequenz modulieren und dann mit fest eingestellten Tiefpaßfiltern verarbeiten. In letzter Zeit wurden außerdem Geräte entwickelt, die einen digitalen Algorithmus(FFT=Fast Fourier Transformation) in Hardware realisieren. Bei ihnen muß zur Bildung der Leistungsdichtespektren gemäß G1. (2) eine Multiplikation und Mittelwertbildung mit den gefilterten Signalen durchgeführt werden.
  • Hierbei muß, vor allem für die Multiplikation, einiger Schaltaufwand getrieben werden.
  • Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, durch eine neue Betrachtungsweise eine einfachere Methode zur Bestimmung der Leistungsdichte anzugeben.
  • Dazu wird von Bild 1 ausgegangen, das eine Anordnung wiedergibt, die in bekannter Weise die Messung der Autoleistungsdichtespektren der beiden Eingangssignale x (t) und y (t) und des Real- und Imaginärteils des Kreuzleistungsdichtespektrums gestattet. Dabei wird in Bild 1 das Suchtonverfahren angewandt. Es läßt sich zeigen, daß die weiteren Operationen, die mit den tiefpaßgefilterten Signalen vorgenommen werden, um das Leistungsdichtespektrum zu bilden, der Berechnung einer Korrelationsfunktion für die ZeitverschiebungT=0 entsprechen. Dieses Ergebnis erhalt man auch durch unmittelbares Anwenden des Parsevalschen Theorems /2/> wenn es auf Schätzwerte für einen Spektralbereich angewandt wird (vergl. auch /9/).
  • oder für Ts S(f,) = tvw( (4) 2B Dieser Zusarmenhang ist vorerst nur theoretisch interessant. Nun wurde aber nachgewiesen /3/, /4/, /5/, daß sich Korrelationsfunktionen selbst mit den einfachsten Mitteln noch bestimmen lassen. Demnach ist es sogar ausreichend, nur die Vorzeichen der Signale zu betrachten und die sogenannte Pòlaritätskorrelationsfunktion zu berechnen. Jedoch müssen dabei auch die statistischen Eigenschaften der Meßsignale berücksichtigt und die Methodik entsprechend angepaßt werden.
  • Vor allem für Meßsignale, die eine Gaußsche Verteilung der Amplituden und Mittelwert null haben, erqeben sich sehr einfache Beziehungen zwischen der Polaritäts- und der gewöhnlichen Korrelationsfunktion. In diesem Fall unterscheiden sich die beiden Werte nur durch eine Proportionalitätskons tante.
  • Verwendet man die Polaritätskorrelationsfunktion, so kann im vorliegenden Fall mit Zeitverschiebung null, natürlich nur die Kreuzpolaritätskorrelation und damit können auch nur die Anteile des Kreuzleistungsdichtespektrums auf diese Weise bestimmt werden. Der formale Zusammenhang wird beschrieben durch Gel. (5) Die Skalierungsfaktoren K1 und K2 können erhalten werden, wenn die Autoleistungsdichtespektren in Bild 1 nach der konventionellen Methode berechnet werden. FUr den angegebenen allgemeinen Fall ist der Aufwand jedoch verhältnismäßig hoch, so daß sich dieses Verfahren nur zur Gewinnung relativer Kreuzleistungsdichtespektren empfehlen läßt oder bei Verarbeitung mit Hilfe eines Prozeßrechners. Während nämlich die sign-Funktionen fortlaufend aebildet werden, braucht die Multiplikation mit den Skalierungsfaktoren und die Berechnung der sin-Funktion nur einmal am Ende der Messung erfolgen.
  • Eine Verwirklichung des Produktes der sign-Funktionen ist mit rein digitalen Mitteln möglich, indem man z.B. die gesamte Anzahl der Impulse eines schnellen Pulses und die Anzahl der Impulse, die in Zeiten fallen, in denen die beiden Signale unterschiedliches Vorzeichen'haben, zählt und in zwei Registern speichert. Auch diese Register könnten in einem Prozeßrechner per Software oder Hardware aufgebaut werden.
  • Eine weitere, umfassendere Möglichkeit ergibt sich, wenn die Quantisierung nicht so weit getrieben wird.
  • Eine Polaritätskorrelationsbeziehung läßt sich auch angeben, wenn nur jeweils das Vorzeichen eines der Signale betrachtet, während das andere Signal vollständiq verarbeitet wird.
  • In diesem Fall gilt: Dieses Vorgehen ist in zweifacher Hinsicht besser: - Es können auch Autoleistunasdichtespektren mit dieser Methode bestimmt werden und - die Beziehungsgleichung läuft nicht über die trigonometrische Funktion.
  • Eine Schaltung, die nach dieser Methode den Realteil des Kreuzleistunosdichtespektrums berechnet, ist in Bild 2 wiedergegeben. Der formale Zusammenhang wird beschrieben durch: Sollen Signale verarbeitet werden, deren Amplituden nicht einer Gaußschen Amplitudenverteilung genügen, so ist dies dann möglich, wenn zu ihnen ein Hilfssignal hinzuaddiert wird, dessen Amplituden einer Gleichverteilung gehorchen und statistisch von den Meßsignalen und, bei Verwenden mehrerer Hilfssignale, diese voneinander unabhängig sind. Eine Gleichverteilung läßt sich in einfacher Weise z.B. durch eine Dreieck-oder Sägezahnschwingung erzeugen /5/.
  • Es ist nun die Frage, an welcher Stelle des Analysators dieses Hilfssignal zugefügt werden soll. Am einfachsten geschähe dies gleich am Eingang des Analysators, die aufgestellten Forderungen gelten aber für die Amplitudendichtespektren, d.h. nach der Filterung.
  • Nun verändert aber eine lineare Operation wie die Filterung die Amplitudenverteilung nicht /6/. Auch die Multiplikation mit einer Sinus- bzw. Kosinusfunktion ändert diese Eigenschaft nicht, weil sie nur eine Verschiebung auf der Frequenzachse bedeutet. Somit ist es also möglich an jeder beliebigen Zwischenstelle des Analysators, bevor die Polaritatsfunktion gebildet wird, das Hilfssignal zuzufügen, also auch am Eingang.
  • Die- Erfindung hat den Vorteil, daß sich bisher analoge Bausteine durch einfachere, billigere und zuverlässigere digitale Bausteine ersetzen lassen.
  • Außer der Berechnung der Leistungsdichte läßt sich das angegebene Verfahren auch zur kurvenformunabhängigen Bestimmung von Effektivwerten und Leistungen und zur Ermittlung von Streuungen einsetzen.
  • Eine Verbesserung der Ergebnisse in bezug auf die Frequenzauflösung läßt sich erreichen, wenn bei dem angewendeten Suchtonverfahren in Bild 1 nicht mit einer Kosinus- bzw. Sinusfunktion multipliziert wird, sondern mit einer in geeigneter Weise verzerrten Schwingung h (t).
  • Diese Forderung erhebt- sich aus dem Formalismus, nach dem sich, bei Berücksichtigung der in allen realen Fäl-,len endlichen Auswertezeit, die Ergebnisse der Messung der Leistungsdichtespektren darstellen lassen.
  • Es gilt nach /7/: H(f,f = /IIi(ffo)/2* /(;off)/2 (9) Um ein verbessertes H. (f, fO) zu gewinnen, bedient man sich am besten eines qeeirneten Kriterium das ein Maß dafür darstellt, wieviel der Energie des Amplitudendichtespektrums der "verzerrten Schwingung" möglichst nahe um f0 konzentriert ist. Als Maß dafür kann folgendes Kriterium herangezogen werden: Danach erhält man besonders günstige Werte, wenn für gewählt wird.
  • Unter Berücksichtigung einer guten Aussteuerung aller Bauteile ist am besten A = 0.54, B = 0,23 (nach Hamming /8/) und -a = 0.8 zu setzen, wie eingehende Untersuchunuen mit Hilfe des Digitalrechners ergaben. Eine Schaltung zur Erzeugung der geeigneten verzerrten Schwinqung ist in Bild 3 angegeben. Die gesamte Trägerschwingung erhält man, wenn der Ausgang dieser Schaltung mit einem Kosinus - bzw. Sinusoszillator multipliziert wird.
  • Dieser Teil der Erfindung hat den Vorteil, daß mit.geringem Aufwand, der relativ um. so kleiner wird, je mehr Kanäle gleichzeitig verarbeitet werden, eine bessere Auflösung der bestimmten Leistungsdichtewerte erreicht wird.

Claims (7)

  1. Patentansprüche
    , 9 Verfahren zur Messung (Berechnung) von Leistuncsdichtespektren aus Amplitudendichtespektren, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Zeitsignalen fortlaufend gebildeten Schätzwerte für das Amplitudendichtespektrum um eine Frequenz f0 nach einer Polaritätskorrelationsfunktion mit Zeitverschiebung null weiterverarbeitet werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1.,dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Kreuzleistungsdichtespektren von den hierzu notwendigen Signalpaaren (Amplitudendichtespektren) nur die Vorzeichen verarbeitet werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1.,dadurch gekennzeichnet, daß von den jeweils zwei zu verknüpfenden Amplitudendichtespektralwerten zur Bestimmung des Auto-und/oder Kreuzleistungsdichtespektrums von einem nur das Vorzeichen vom anderen jedoch der anfallende Wert kontinuierlich verarbeitet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1., 2. und 3. zur Verarbeitung von Signalen mit beliebiqer Amplitudenverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß dem Signal, von dem nur das Vorzeichen betrachtet wird, ein Hilfssignal mit Gleichverteilung für die Amplituden zuaddiert wird und diese Summation an einer beliebigen Stelle zwischen dem vorliegenden Schätzwert für die Amplitudendichtespektren und dem Zeitsignal, von dem es abgeleitet wird, geschehen kann.
  5. 5. Verfahren zur Verbesserung des Spektralauflösungsvermögens bei der Messung von Amplituden- und Leistungsdichtespektren bei der Bestimmung einer das Suchtonverfahren dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitsignal nicht mit einer harmonischen Schwingung, sondern mit anderen Zeitsignalen multipliziert wird, die eine bessere Frequenzauflösung ermöglichen.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5.,dadurch-gekennzeichnet, daß eine Träqerschwingung nach G1. 1) verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1., 2.,. 3., 4., 5. oder 6.
    dadurch gekennzeichnet, daß diese zur kurvenformunabhängigen Bestimmung von Effektivwerten, Leistungen oder Streuungen eingesetzt werden.
DE19732300924 1973-01-09 1973-01-09 Verfahren zur Messung von Leistungsdichtespektren Expired DE2300924C3 (de)

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DE2300924A1 true DE2300924A1 (de) 1974-07-11
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