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Beschreibung
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zum Patentgesuch "Schaltungsanordnung zur Frequenzspektrumanalyse"
Zur Analyse von Frequenz spektren sind zwei verschiedene Methoden bekannt. Bei der
sequentiellen Analyse werden durch einen frequenzvariablen überlagerungsoszillator
die zu untersuchenden Komponenten des Frequenzspektrums in den Durchlaßbereich eines
Bandfilters transportiert.
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Bei der simultanen Frequenzanalyse sind für jedes zu untersuchende
Teil-Frequenzband Filter vorgesehen, die im Eingang gemeinsam gespeist werden. Im
Ausgang jedes Filters ist ein Gleichrichter zur Messung der Signalamplitude der
in die Filterbandbreite fallenden Frequenzkomponenten vorgesehen.
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Die sequentielle Methode ist nur für Frequenz spektren geeignet,
deren Verteilung zeitlich genügend lange konstant bleibt, so daß sie während der
Variation des Überlagerungsoszillators, die meist einen sägezahn- oder dreieckförmigen
Frequenz-Zeitverlauf hat, keine Veränderung erfährt; andernfalls ist keine vollständige
Information über den zeitlichen Ablauf der spektralen Verteilung zu gewinnen.
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Diese Einschränkung besteht bei einer Anordnung zur simultanen Frequenzanalyse
nicht. Hier sind die Ein- und Ausschwingzeiten der zur Analyse verwendeten Filter
allein maßgeblich für die Begrenzung der Ansprechgeschwindigkeit auf Änderungen
der Spektralverteilung.
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Diese höhere Reaktionsgeschwindigkeit wird jedoch durch einen wesentlich
höheren Aufwand an Schaltelementen erkauft, so daß diese Methode der Frequenzanalyse
in den meisten Anwendungsfällen aus ökonomischen Gründen ausscheidet.
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Die bekannten Verfahren der schnellen Fouriertransformation können
bei geringeren Kosten der Schaltelemente nahezu dieselbe Arbeitsgeschwindigkeit
wie ein Frequenzanalysator mit Siinultanfiltern erzielen; der für viele Anwendungen
erfordrliche Dynamikbereich (Pegelunterschied zwischen übersteuerungsgrenze und
Rauschen) von mindestens 80 dB ist dabei jedoch mit vergleichbarem Aufwand oder
prinzipiell überhaupt nicht erreichbar.
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Man ist deshalb bestrebt, die Arbeitsgeschwindigkeit der sequentiellen
Frequenzanalyse soweit als möglich zu erhöhen.
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Die physikalisch gegebene Grenze der Suchgeschwindigkeit ist zuerst
durch das Einschwingverhalten des Filters gegeben, das die gesuchten Komponenten
herausfiltern soll. Durch die Variation des Überlagerungsoszillators wird die gesuchte
Frequenzkomponente in den Durchlaßbereich des Filters geschoben und muß dort solange
verweilen, bis das Filter auf den neuen Amplitudenwert eingeschwungen ist.
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Ebnenso muß auf dem anschließend erreichten Frequenzintervall das
Aus schwingen des Filters abgewartet werden, bis das neu aufgetretene Signal ohne
Störung durch den Ausschwingvorgang ausgewertet werden kann.
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Liegt das neue Signal nur wenig über dem Rauschpegel, so muß der
Ausschwingvorgang des vorhergehenden Signals eine Amplitude unterhalb des Rauschpegels
erreicht haben.
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Bei einem Ausgangspegel des vorhergehenden Signals von z.B.
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80 dB über dem Rauschen muß die Singnalamplitude auf ( 10 abgeklungen
sein, wenn die Messung des neuen, gegebenenfalls schwachen Signals nicht gestört
werden soll.
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Beim Einschwingvorgang ist ein solch geringer asymptotischer Restfehler
nicht unbedingt erforderlich, denn wenn der Endzustand mit 1 % Genauigkeit erreicht
wird, sind die meisten praktischen Systemforderungen an die Me£genauigkeit erfüllbar.
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Die Suchgeschwindigkeit wird also wesentlich durch das asymptotische
Ausschwingverhalten auf den Rauschpegel des Systems und nicht durch das Einschwingen
auf die Toleranzgrenze der Meßgenauigkeit begrenzt.
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Zur Verminderung der Gesamtverzögerung des Suchvorgangs sind deshalb
schon Anordnungeqvorgeschlagenworden, die eine Steuerung der Suchgeschwindigkeit
abhängig von der jeweiligen Signalamplitude ermöglichen, um eine mehr oder weniger
gute Anpassung der Suchgeschwindigkeit an die Spektralverteilung zu erzielen.
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Trotzdem ist diese Verbesserung in vielen Fällen noch unzureichend.
Es ist erwünscht, die notwendige Meßverzögerung auf das zum Einschwingen des Filters
auf die Toleranzgrenze der Systemgenauigkeit physikalisch unvermeidbare Zeitintervall
zu begrenzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit den im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen zu schaffen, bei der das Ausschwingverhalten
der
der Filteranordnung auch bei großem Dynamikbereich den jeweils
in der Sequenz folgenden Meßvorgang nicht beeinträchtigen kann, wobei jedoch der
zusätzliche Schaltungsaufwand wesentlich geringer sein soll, als es bei einer simultanen
Frequenzanalyse nötig wäre.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Es werden demgemäß, ähnlich wie bei der simultanen Frequenzanalyse,
mehrere Einzelfilter verwendet, die jedoch alle auf das gleiche Durchlaßband abgestimmt
sind und nicht simultan, sondern sequentiell angesteuert werden. Das Ausschwingen
des jeweils zuletzt benutzten Filters stört mithin nicht den neu anlaufenden Meßvong,
und die Umschaltung erfolgt synchron - wenn auch nicht unbedingt phasengleich -
mit der Frequenzumschaltung des vorzugsweise als programmgesteuertes Frequenz synthesegerät
ausgebildeten Überlagerungsoszillators.
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Die Zahl der Einzelfilter ergibt sich aus den Ein- und Ausschwingzeiten
der Einzelfilter und den geforderten Restfehlern. Ist dieses Verhältnis TA/TE =
10(z.B. Einschwingzeit auf 1 dB asymptotischer Restfehler TE = 1 msec, Ausschwingzeit
auf -80 dB asymptotischer Restfehler TA = 10 msec), so sind 10 Filter nötig, die
nacheinander an den Mischer geschaltet werden, wenn die Oszillatorfrequenz einen
Schritt weitergeschaltet wird.
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Dabei ist gegenüber der analogen kontinuierlichen Steuerung der Suchfrequenz
der Vorteil gegeben, daß von der überlagerungsfrequenz beliebige Sprünge gemacht
werden können, ohne daß das Prinzip der Zuschaltung eines neuen Filters verlassen
werden muß.
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der ERfindung wird nachstehend
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Blockbild einer Schaltungsanordnung gemäB der Erfindung,
und Fig. 2 stellt den zeitlichen Signalverlauf an den mit A, B, C bzw. D markierten
Punkten des Blockbilds nach Fig. 1 dar.
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Der Überlagerungsoszillator 1 ist ein digital gesteuertes Frequenzsynthesegerät,
das vom Steuergerät (Prozeßrechner) 2 in seiner Frequenz auf die vom jeweiligen
Meßproblembestimmten Suchfrequenzen eingestellt wird.
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Die Mischstufe 3 überlagert das an der Eingangsklemme 4 anliegende
zu analysierende Frequenz gemisch der Oszillatorfrequenz und bildet im Ausgang die
Zwischenfrequenz 5, auf welche Die Einzelfilter 6.1 bis 6.N abgestimmt sind. Mit
dem Umschalter oder Kommutator 7, der z.B. als Diodenschalter aufgebaut ist, werden
zyklisch die Filter an den Ausgang des Mischers 3 geschaltet, wobei die Fortschaltung
über eine vom Steuergerät 2 geschaltete Hilfsschaltung (Interface) 8 erfolgt, die
jeweils bei einem Weiterschalten der Frequenz von 1 das nächste Filter 6.1 bis 6.N
anschaltet und gleichzeitig den Anzeigeverstärker 9 mittels des parallel gesteuerten
Kommutators 10 an das jeweils in Betrieb befindliche Filter anschließt. Der Anzeigeverstärker
9 bzw. dessen Ausgangsschaltung 11 wird über eine weitere Interfaceschaltung 12
derart gesteuert, daß eine Messung der Filteramplitude mit einer Verzögerung gegenüber
dem Umschaltzeitpunkt der Kommutatoren 7 und 10 erfolgt, die dem Einschwingverhalten
der verwendeten Filter und der geforderten Meßgenauigkeit entspricht.
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Um die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung zu steigern,
sind einige Ergänzungen der Schaltung vorteilhaft.
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Es ist bekannt, daß die meisten als überlagerungsoszillator 1 verwendeten
Frequenzsynthesegeräte beim Umschalten zwischen den herstellbaren Frequenzwerten
Einschwingvorgänge ausführen, die je nach Ausführung der Syntheseschaltung sogar
länger als die Einschwingzeit der Filter 6 dauern können. Damit wird aber grundsätzlich
eine weitere Störung des Einschwingvorganges des Filters verursacht, die abgewartet
werden muß, und die somit eine weitere Verzögerung in der störungsfreien Messung
der eingeschwungenen Signalamplitude am Filterausgang verursacht.
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Bei der eLndungsgemäßen Anordnung kann diese Störung vom jeweils
neu zugeschalteten Filter ferngehalten werden, wenn in einer weiteren Ausgestaltung
derselben die Umschaltung des Kommutators 7 gegenüber der Fortschaltung der Frequenz
des Generators 1 um die Einschwingzeit der Frequenzumschaltung von 1 verzögert durchgeführt
wird.
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Damit wird das neue Filter der Filteranordnung 6 erst zugeschaltet,
wenn die endgültige Zwischenfrequenz erzeugt wird. Der Kor.Erutator 10 im Ausgang
der Filter kann synchron mit der Umschaltung der Frequenz des Generators 1 auf den
Ausgang des neuen Filters 6 geschaltet werden, da die Messung der Ausgangsamplitude
in jedem Fall mit einer der Einschwingzeit des Filters entsprechenden Verzögerung
erfolgt. Es ist aus der Filtertechnik bekannt, daß für jede Filterschaltung eine
Impulsform des zeitlichen Signalverlaufs existiert, die das Filter optimal verarbeitet
(sog. matched filter).
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird demgemäß dem Kommutator
7 gegebenenfalls durch Vorschalten eines mit bekannten Mitteln ausgeführten Amplitudenmodulators
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ein durch das Netzwerk 14 definierter Zeitverlauf der Umschaltfunktion
gegeben, der dem Einschwingverhalten des Filters optimal angepaßt ist. Die beim
Einschalten des neuen Filters auftretende Zeit-Amplitudenfunktion wird mittels des
Netzwerkes 14 mit bekannten Mitteln aus dem von der Hilfsschaltung 8 gelieferten
Umschalt-Steuerimpuls abgeleitet und dem Amplitudenmodulator 13 zugeführt, der den
Zeitverlauf des Amplitudenanstiegs des Zwischenfrequenzsignals 5 dem optimalen Zeit-Amplitudenverlauf
der Filter 6 entsprechend umformt.
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Wenn die Dämpfungsfunktion des Kommutators in einem genügend großen
Dämpfungsbereich (z.B. zwischen Durchlaß und -60 dB) stetig mit der Steuerspannung
verläuft, kann auf den zusätzlichen Amplitudenmodulator verzichtet werden, wenn
die Steuerspannung den passenden Zeitverlauf bekommt.
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Fig. 2 zeigt den Zeitablauf der Steuer- und Einschwingfunktion bei
einem Meßvorgang in gleichen Frequenz schritten, dargestellt für vier umschaltbare
Zwischenfrequenzfilter.
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Kurve A ist der Zeitverlauf der Frequenz des Überlagerungsoszillators
mit den angedeuteten überschwingungen der Frequenzumschaltung des Synthesegerätes.
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Kurve B ist der Zeitverlauf der Dämpfung der Signalwege N = 1 bis
N = 4 des Kommutators 7.
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Es ist dabei ersichtlich, daß der Umschaltvorgang des Kommutators
erst nach der Beendigung der Umschaltstörung des überlagerungsoszillators beginnt.
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Kurve C zeigt den Dämpfungs-Zeitverlauf des Kommutators 10 im Filgerausgang.
Die Umschaltung erfolgt frühestens nach
Beendigung des Einscnwingvorgangs
des jeweils zugeschalteten Filters, um den Meßgleichrichternur mit dem eingeschwungenen
Signal zu beaufschlagen.
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Die Kurve D zeigt den Verlauf des Abtastirlpulses, der den Beobachtungszeitpunkt
des Meßwertes am Ausgang des Meßgleichrichters definiert.
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Der spätestmögliche Zeitpunkt ist derjenige, bei welchem der durch
das Umschalten des überlagerungsoszillators verursachte Störimpuls den Filterausgang
bzw. den Gleichrichterausgang noch nicht erreicht hat.
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