DE2752062C2 - Programmierbarer Binärkorrelator - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmiereinheit (23) vorhanden ist, welche in Abhängigkeit vom jeweiligen Korrelalionsergebnis zeitliche Veränderungen der Korrclationsparametcr berechnet, daß ein durch die Prgrammiereinhcit steuerbarer Taktgcneraior (12) vorhanden ist. dessen Taktfrequenz variabel einstellbar ist, und daß zur Fensterung um beliebige Zeitverschiebungen mit beliebigen Fensteröffnungen die Adreßzähler(7, 8, 9,10) gesteuert von der Programmiereinheit (23) auf berechnete Anfangs- und Endadressen eingestellt werden.

2. Programmierbarer Binärkorrelator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Zählern (8, 9) Verschiebungsparameter abgreifbar sind.

3. Programmierbarer Binärkorrelator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmiereinheit (13) ein Mikroprozessor isi.

4. Analoger Korrelator tinier Verwendung von programmierbaren Binärkorrelatoren nach einem der Ansprüche I bis J. dadurch gekennzeichnet, daß

beliebig viele Binärkorrelaioren (A A₁). welche

eingangsseilig mit unterschiedlichen Schwellen aufweisenden Komparaioren (1.1, 1.2.... n.\. n.2) ausgestattet sind, paralleigeschallet sind, wobei ausgangsscilig cm die Ausgangssignale aller Binärkorrelatoren aufsummierender Addierer (20) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft einen programmierbaren, mit einstelligen digitalen Tastungen arbeitenden Binärkorrelator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Korrclatoren. welche mit einstelligen, digitalen Ta- · ^r> stungcn arbeiten, sind bekannt. Ihre Verwendung hat besonders in der Nachrichten- und Meßtechnik Bedeutung erlangt und ganz allgemein dort, wo im weitesten Sinne zwei Signalfolgen miteinander verglichen werden sollen. So kann beispielsweise die Signalfolge eines aus-K) gesendeten Schallsignals mit der des eintreffenden Echos korrcliert werden, wobei aus der Verschiebezeit der beiden Signalfolgen auf die von den Schallwellen zurückgelegte Entfernung bis zu deren Reflektion geschlossen werden kann. Weitere Anwendungsgebiete π sind beispielsweise angepaßte Filter, Signalwiedererkennung oder Mustererkennung.

Ein Binärkorrelator der eingangs genannten Art ist aus der GB-PS 11 69 923 bekannt. Dort werden zwei eintreffende analoge Signalfolgen mit Hilfe je eines jo Analog-Digital-Wandlers mit relativ niedriger Abtastfrequenz digitalisiert. Die digitalisierten Signalfolgen werden jeweils nachgeschalteten Speichern zugeführt. Mit den Dalcnausgängen der Speicher ist ein Koinzidenzprüfer in Form eines Komparator verbunden, der 2^r> einen Vergleich zwischen den von den Speichern ausgegebenen Datenfolgen durchführt. Dem Speicher nachgeschultel isl ein Filter, welches einen zeitlichen Mittelwert der Ausgangsdaten des Komparators bildet, wobei immer dann ein Beitrag zu diesem Mittelwert geliefert jo wird, wenn der Komparator Übereinstimmung zwischen den von den Speichern ausgegebenen Daten festsiclll. Zur Durchführung der Verglcichsläufe wird der Korrelator so gesteuert, daß die Speicherinhalte der beiden Speicher in zeitlicher Aufeinanderfolge jeweils r> schrillweise um einen Speicherplatz gegeneinander versetzt werden. Dabei isl die Datcnfolge des einen Speichers zunächst gegenüber der des anderen Speichers um eine gewisse Anzahl von Speicherplätzen verzögert, diese Verzögerung nimmt jedoch nach einer entsprechenden Anzahl von Vergleichsläufen auf Null ab. so daß diese .Signalfolge schließlich der anderen nacheilt. Am Ausgang des Filters steht nach einer entsprechenden Anzahl von Verglcichsläufcn eine punktweise gebildete Korrclationsfunktion zur Verfügung.

Der bekannte Korrelator ist hinsichtlich der Schnelligkcii und Effektivität in bezug auf die Erzielung eines optimalen Korrelationsergcbnisscs noch verbesserungsbedürftig. Die Durchführung der Korrelation erfolgt auf relativ starre Weise, und eine Optimierung der Korrclationsfunktion durch zweckmäßige Variierung der Parameter zum Zwecke der Anpassung an unterschiedliche Voraussetzungen bezüglich der zu vergleichenden Signalfolgen isl nicht möglich.

In dieser Hinsicht kann auch die US-PS 35 32 8o7 keinen Beitrag liefern. Dort ist ein Verzögerupgskorrelator beschrieben, bei dem ebenfalls zwei zu vergleichende analoge Signale in digitalisierter Form zwei Speicherkanälen zugeführt werden. Es sind Verzögeiiingseinriehtungcu vorgesehen, um die Signalfolgen zeilverschoben gegeneinander auslesen und miteinander vergleichen zu können. Dies geschieht in einem Komparator, der ein dem Korrdalionsgrad der beiden verglichenen Signale entsprechendes Ausgangssignal abgibt. Zwar weist dieser bekannte Korrelator einstellbare Zähler zum Zwecke der Adreßcinstcllung für einen oiler mehrere gespeicherte Signalfolgen auf. jedoch ist auch mil ihm keine effektive Optimierung der Korrelationsfunkiion im obigen Sinne möglich.

Weiterhin ist aus IBM Technical Disclosure Bulletin. Band 19, Nr. 12,1977. Seite 4632 bis 4634. ein mikroprogrammierbares digitales Filter bekannt, welches als spezialisierter Mikroprozessor ausgeführt ist. Auch dieses kann jedoch keinen Beitrag zur vorliegenden Problemstellung leisten.

Aus der DE-AS 26 49 081 ist eine Entfernungsmeßeinrichtung bekannt, in welcher auszuwertende Echosignale unter Anwendung der Korrelationstechnik verarbeitet werden. Dert dort verwendete Korrelator entspricht dem in der US-PS 37 86 405 beschriebenen und besteht im wesentlichen aus auch in der DE-AS 22 04 028 beschriebenen Bauteilen. Bei diesem Korrelator ist eines von zwei Schieberegistern um ein Bit kürzer als das andere, so daß beim Vergleich der gespeicherten Signalfolgen letztere pro Umlauf relativ um ein Bit zueinander verschoben werden. Auch hier sind Register mit fester Länge vorhanden, und es können nicht lediglich bestimmte Bereiche aus den Registern selektiert und korreliert werden, da immer nur der gesamte Inhalt ausgewertet werden kann. Auch die Verschiebezeit durch die Register ist fest vorgewählt, so daß sich eine relativ niedrige Einsatzflexibilität einstellt. Mehrdimensionale Korrelation ist mit den bekannten Korrelatoren wirtschaftlich sinnvoll nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Binärkorrelator der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem es möglich ist. die wesentlichen inneren Parameter, wie etwa genutzte Registerlänge, Verschiebezeit. Abtastfrequenz der eintreffenden analogen Signalfolgen, im Sinne einer einfachen Optimierung der Korrelationsfunktion frei wählbar zu machen. Weiterhin soll eine Erweiterung auf mehrdimensionale Korrelation möglich sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Programmiereinheit vorhanden ist, welche in Abhängigkeit vom jeweiligen Korrelationsergebnis zeitliche Veränderungen der Korrelationsparameter berechnet, daß ein durch die Programmiereinheil steuerbarer Taktgenerator vorhanden ist. dessen Taktfrequenz variabel einstellbar ist. und daß zur Fenstcrung um beliebige Zeitverschiebungen mit beliebigen Fensteröffnungen die Adreßzähler gesteuert von der Programmiereinheit auf berechnete Anfangs- und Endadressen eingestellt werden.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Um auch die der in der Aufgabenstellung genannten Verschiebezeit entsprechenden Verschiebungsparameter registrieren zu können, ist vorgesehen, daß /wischen dem dem ersten Speicher zugeordneten Zähler und einem weiteren Zähler diese Parameter abgreifbar sind.

Zweidimensionale Korrelation mit dem Korrelator wird auf einfache Weise dadurch möglich, daß zwcidimensionale Signale durch Aneinanderfügen der Zeilen oder Spalten in eindimensionale Signale zurückgeführt werden.

Wegen der größeren Komplexität der Aufgabe lohnt sich der Einsatz eines Mikroprozessors als Programmiereinheit.

Weiterhin wird es durch die Anwendung des erfindungsgemsßen Binärkorrclators auch möglich, analoge Signale zu korrelieren. Hierzu ist vorgesehen, erfindungsgemäß Binärkorrelatoren parallel zu schallen sowie eingangsseitig Komparalorcn mit unterschiedlichen Schwellen zu verwenden und ausgungsscitig einen die Ausgangssignale der ein/einen Binärkorrclatorcn aufsummierenden Addierer einzusetzen.

Der Vorteil des durch die Erfindung gegebenen Binärkorrelators liegt vor allem darin, daß es möglich ist. die wesentlichen Parameter von Fall zu Fall. d. h. in Abhängigkeit von den konkreten Gegebenheiten und » dem daraus folgenden Korrclaiionsergebnis. frei wählen zu können, mithin eine einfache Optimierung vornehmen zu können. Daraus folgt eine maximale Einsatzflcxibilitäl. verbunden mit der Fähigkeit, zeitlich veränderlichen Vorgängen sich in kürzester Frist selbsttätig ίο anpassen zu können. In dieser Richtung wirkt vor allem die Möglichkeit, durch programmierte Einstellung der Anfangs- und Endadressen der Adreßzähler durch die Programniiereinhcit eine Fensterung um das jeweils festgestellte Maximum der Korrelationsfunktion vorzunehmen. Dadurch wird jeder unnötige Aufwand vermieden, der durch die Korrelierung in nicht interessierenden Bereichen der Korrelationsfunktion entstehen würde. Diese Fensierung muß nicht um den Nullpunkt der Korrelationsfunktion herum erfolgen, sondern kann >o auch im positiven oder negativen Bereich liegen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Fs zeigt in schematischcr Weise

Fig. I einen programmierbaren Binärkorrelator.
>■> F i g. 2 Zählerstände vor dem Hinschreiben in die Speicher.

Fig. i unterschiedlich gegeneinander verschobene Speicherinhalt.

F i g. 4 Zählerstände beim Auslesen der Speicher,
ω F i g. 5 einen Analog-Korrelator.

F i g. b unterschiedliche Schwellen der den Korrelatoren gemäß F i g. 5 zugeordneten Komparatoren.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Korrelator A im wesentlichen aus Komparatoren 1, 2. Speichern 5, 6. programj·) mierbaren Zählern 7,8,9,10, welche auch die Adressenanstcuerung wahrnehmen, einer Programmiereinheit 23, Taktgenerator 12, Sieucrteil 11. einem Koinzidenzprüfer 3 und einem Zähler 4.

Im Zusammenhang mit den F i g. 2. 3. 4 soll nun die Funktionsweise näher erläutert werden.

Durch den Startbefehl werden die Zähler auf den gewählten Zählerstand der Programmier-Einheit 23 gesetzt:

•r. Zähler 8 auf 0(NuII)

Zähler 7 auf η & Regisierliinge

Zähler 10 auf rf ä Max. Verschiebung

Zahler 9 auf 2 rf

Zähler 4 auf 0

Es folgt der Hinsehreibzyklus. Die Analogsignale :>(t) bzw. b(l) werden in den Komparatoren 1, 2 mit ein Bit digitalisiert und als Binärfolge den Speichern 6 bzw. 5 zugeführt. Der Steuerteil 11 taktet die Zähler 10 und 8

y> mit der gewählten Taktfrequenz. Der Zähler 8 ermöglicht das Einschreiben des digitalisierten Signals a(t) in den Speicher 6 von Adresse 0 bis 2 d + n. Der Zähler 10 zählt von c/bis θ und gibt bei seinem Nulldurchgang den Takt auf den Zähler 7.

bii Der Zähler 7 ermöglicht dann das Einschreiben des Signals b(i)\n Speicher 5 von Speicherplatz π bis 0. Beim Nulldurchgang des Zählers 7 wird sein Takt wieder auf den Zähler 10 gelegt, der dann wieder von d bis 0 zählt. Bei seinem Nulldurchgang wird der F.inschreibvorgang

K) beendet. Zu diesem Zeitpunkt (siehe F i g. J) stehen im Speicher 5 η Bit mit der Vorzeicheninformation aus dem Signal /iff/¹ und im Speicherb n + 2 rf Hit mit der Vorzeicheninlbrmation aus dem Signal :tlt). Mil Hon /nsiit/li-

ehen 2 d Bit kann eine mögliche relative Zeilverschiebiing rder beiden Informationen aufgefangen werden.

Um das Maß der Ähnlichkeit in Abhängigkeit von der Verschiebung r festzustellen, beginnt jetzt der Rechenzyklus, der mit größtmöglicher Taktfrequenz durchgc- ^r> führt werden kann. Zu Beginn des Rechen/yklus werden die Zähler wie folgt gesetzt:

Zähler 7 auf η

Zähler 8 auf 2 d tu

Zähler 9 auf 2 d

Zähler 10 auf 0

Zähler 4 auf 0

Der Steuerteil taktet die Zähler 8 und 7. Die Zähler- r> ausgänge aktivieren die entsprechenden Speicherplätze in Speicher 5 und 6. Die beiden aufgerufenen Bits werden dann in dem Vergleichet- 3. beispielsweise einem Ex-NOR-Gatter. verglichen. Bei Übereinstimmung wird der Zähler 4 um 1 erhöht. Nach η Takten ist der Zähler 7 >o auf Null gelaufen. Es sind dann η Vergleiche erfolgt und es steht im Zähler 4 der erste Korrclalionswert für — Jr max.

Durch den Nulldurchgang von Zähler 7 werden Zähler 9 um 1 erniedrigt, sowie Zähler 8 auf den Zählerstand >^r> von Zähler 9 (2 d — 1). Zähler 7 wieder auf »und Zähler 4 wieder auf Null gesetzt.

Anschließend beginnt die nächste Berechnung des Korrelationswertcs für — Jr ma>; + 1 usw.

Die Information in Speicher 5 (n-B\\) wird somit bit- to weise mit der Information in Speicher 6 verglichen und nach η Vergleichen um ein Bit relativ verschoben und dies 2 d-mal (siehe F i g. 3a, 3b. 3c).

Dadurch erhält man die gesamte Korrelaiionsfunktion der beiden Binärfolgen sgn (;i(tj) und sgn (b(l)) von r> —Jr/Ha.* bis +Jr HJ.-J.v(|Jr| nuix = d).

Nach dem Rechen/yklus kann wieder ein neuer IZinschreibzyklus beginnen.

Anhand der F i g. 5. 6 soll nun die Korrelation analoger Signale mittels paralielgeschalteler Binärkorrela- 4ii tion erläutert werden.

Die Amplitudeninformation der normierten Signale wird erhalten, indem man die F.ingangssignale nach Sch well wert vergleich mehreren parallelgcschalteten gleichartigen Binärkorrelatoren zuführt. Dabei sind die 4"> Schwellen der Komparatoren 1.1,... n.2 unterschiedlich (siehe Fi g. b). so daß für jede Ampliiuilensuife eine binäre Korrelation durchgeführt wird. Das heißt für b-Amplitudenstufen weiden fe-Binärkorrelatorcn benutzt. Die Ausgangssignale der einzelnen Korrelatoren wer- w den dann alle iiiifsummieri. um das GcsamtmaU für die Güte der Übereinstimmung der beiden Signale zu erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Programmierbarer, mit einstelligen digitalen Tastungen arbeitender Binärkorrelator.

— mit A.nalog-Digiial-Wandlern, welche die eintreffenden Signalfolgen digitalisieren.

— mit Speichern, welche den Wandlern nachgeschaltet sind und in welchen die digitalisierten Signalfolgen an aufeinanderfolgenden Speicherplätzen gespeichert werden.

— mit AdreÜzählern. welche sowohl beim Einschreiben als auch beim Auslesen der Spcichcrinhaltc die erforderlichen Speicheradressen generieren.

— mit einem Koinzidcnzprül'or, welcher mit den Dalcnausgängen der Speicher verbunden isl und einen Vergleich der von den Adreßzählern adressierten Daten durchführt.

— mit einem Koinzidenzähler, welcher mit dem Koinzidenzprüfer verbunden ist und bei Übereinstimmung der Speicherinhalte um einen diskreten, konstanten Wert erhöhl wird,

— mit einer Steuerlogik, welche die Adreß/ählerinhalte, beginnend von bestimmten Anfangsadressen, schrittweise verändert und über die im Koinzidcnzzähler regisiriertc Vergleichsanzahl die Berechnung eines ersten Wertes der Korrelationsfunktion liefert, wobei mittels derselben Steucrlogik anschließende ähnliche Vcrgleichsläufe mit relativ verschobenen Folgen von Speicherdaien durchgeführt werden, welches glcichbedeuiend ist mit einer jeweils unterschiedlichen relativen zeitlichen Verschiebung der digitalisierten Signalfolgen, um weitere Werte der Korrclationsfunktion zu berechnen,