DE3003556C2

DE3003556C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Nutzsignals aus einem mit Störsignalen überlagerten bandbegrenzten Signal

Info

Publication number: DE3003556C2
Application number: DE3003556A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dr.-Ing. 7759 Immenstaad Bangen; Hans-Peter Dipl.-Ing. 7777 Salem Licht
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1980-02-01
Filing date: 1980-02-01
Publication date: 1984-12-06
Also published as: IT8069022A0; FR2475323B1; GB2069297A; GB2069297B; DE3003556A1; IT1165730B; FR2475323A1

Description

a) das mit einem Störsignal überlagerte bandbegrenzte Meßsignal (mitJ) zeitlich gesteuert digitalisiert wird,

b) das im Meßsignal (ti /J) neben dem Nutzsignal (ii O) enthaltene Störsignal (Sr_n)) durch wenige definierte Ansatzfunktionen (ψ/( /J) mit langsam veränderlichen Kenngrößen (<MO) nachgebildet wird,

c) das modellmäßig nachgebildete Störsignal (& O) durch das im Meßsignal (m( O) enthaltene Störsignal (Sit,)) durch Vorhersage des Störsignals ($0) verzögerungsfrei kompensiert und das Nutzsignal (Hi₁)) verzügerungsfrei zur Verfügung gestellt wird und

d) daß zur Bildung der Ansalzfunktionen (vXO) und deren Kenngrölten (a,) der zeitliche Verlauf ^s des Störsignals (SO) benutzt wird, wobei zu dessen Kompensation die Kenngrößen («,) zeitlich langsam variiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekenn- -tu zeichnet, daß der relative zeitliche Abstand der Erfassung der Meßdaten über eine Zeilsteuerschaltung (4) so gesteuert wird, daß die Ansatzfunktionen (φμ,)) invariant bleiben und die Kenngrößen (α,) weiterhin langsam veränderlich sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch ständigen Vergleich von Meßwert und einem durch die Ansatzfunktionen (ψ,( O) beschriebenen Schätzwert (S) der Störung die Kenngrößen (α,) korrigiert werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend einen aus einem Meßwertaufnehmer, einem digitalen Mikroprozessor mit Speicher, einer Zeitsteuerschaltung, einem Analog-/ Digital-Wandler und einen diese Komponenten miteinander verbindenden elektrischen Leiter (z. B. elektrisches Kabel) bestehenden programmierbaren Rechner, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerschaltung (4) den Datenerfaßzeitpunkl im Analog-/Digital-Wandler (2) über den Mikroprozes- 6U sor (3) bestimmt, wobei der Mikroprozessor (3) die An&Btzfunktionen (ψ,(ι,)) generiert und die lungsamen veränderlichen Kenngrößen (ei,) bestimmt und die Kompensation durchführt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansatzfunktionen ( ^,UJ)Je nach Einzelfall vorprogrammiert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5. dadurch

gekennzeichnet, daß für jede Ansatzfunktion (ψ£ / j) zur Generierung der langsam veränderlichen Kenngrößen (α,) eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die einen Demodulator (6) mit Tiefpaß (7) und einen Modulator (8) enthält

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Nutzsignals aus einem mit Störsignalen überlagerten bandbegrenzten Signal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bis 4.

Aus der Praxis bekannte Verfahren und Vorrichtungen verwenden zur Bestimmung bzw. Detektion von Nutzsignalen, denen Störsignale überlagert sind, die schnelle Fouriertransformation oder analoge bzw. digitale Modellfilter.

Zum Beispiel ist aus der DE-OS 28 38 185 ein Verfahren und eine Einrichtung zur syntaktischen Trennung von entwicklungsfähigen Signalen vom Rauschen in Echtzeit bekannt. Hierbei wird das zu verarbeitende Signal in eine Folge von Elementarsignalen zerlegt und die einzelnen Vergleichsmerkmale dieser Signale entsprechend dem Eingang gespeichert. Die ermittelten Ahnlichkeitsindizes werden in einem Merkmalspeicher erzeugt. Ein anderes Verfahren zur Störbefreiung von Signalen ist au? der DE-AS 27 17 530 bekannt, bei dem die Störsignale nach einem Kriterium erkannt und in ihrem Amplitudenverlauf nach Mitteilung in einem Speicher festgehalten und von gleichartigen Störsignalen im Signalgemisch subtrahiert werden. Dabei wird für einen »on-line«-Betrieb nur ein etwa eine Signalperiode umfassender Mittelwert gespeichert, der in seinem Amplitudenverlauf fortwährend an die aktuelle Signalform des Störsignals angepaßt wird. Schließlich ist aus der US-PS 35 04 164 eine Vorrichtung zum Trennen eines in einer Störung ertränkten Signals in Echtzeit beschrieben, die digitale Rechenverfahren zur Ermittlung des Korrelationsverhältnisses zwischen der empfangenen, sortierten Welle und den digital gespeicherten Bezugswcllen verwendet. Dabei erfolgt die Berechnung des Korrelalionsverhältnisses nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate.

Alle derartigen Verfahren haben den Nachteil, daß die aus dem resultierenden Signal ausgefilterten Nutzsignale verzögert und verzerrt sind. Daher kann bei großen Störsignalen keine verzögerungsfreie Analyse der Signalform des gefilterten Nutzsignals durchgeführt werden. Verfahren, bei denen das vollständige Signalspektrum bzw. Meßsignal einer schnellen Fouriertransformation unterworfen ist und bei denen für die so transformierte Meßgröße eine Mustererkennung durchgeführt wird, führen zu Schwierigkeiten, wenn Nutz- und Störsignale von nicht reproduzierbaren Vorgängen stammen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schallen, bei dem bzw. der die Eigenschaften eines Mikroprozessors so genutzt werden, daß die Zeitpunkte zur Erfassung und die Gesetze zur Verarbeitung eines von einem Meßwertaufnehmer erfaßten analogen Signals dem bandbegrenzten Störsignal angepaßt werden und dadurch eine weitgehend verzugslose Aufspaltung von Stör- und Nutzsignal erreicht wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch I bzw. 4 vorgesehen. Vorteilhafte Aufgestaltungen des Gegenstands des Anspruchs I bzw. 4 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß sich damit schnelle und/oder einmalig in einem Störsignal auftretende Nutzsignale innerhalb eines gewissen Bereichs detektieren lassen. Da dergrö'Jte Teil von zu kompensierenden Störsignalen invariante Signalformen enthält, werden deren invariante Eigenschaften dazu benutzt, um ein schnell veränderliches beliebiges Störsignal durch wenige langsam veränderliche Kenngrößen und invariante Signalfunktioncn zu beschreiben. Unter Anwendung dieser Eigenschaft ist eine verzugslose Störgrößenkompensation durchführbar. Ferner ist von Vorteil, daß sich durch die Steuerung der Meßwert-Erfassungszeitpunkte in Abhängigkeit von der Signalform der Rechenaufwand reduziert und ^; die Parameteradaptionen entfallen. Damit ist es möglich, zur Erfassung und Verarbeitung schneller Signale, handelsübliche Daten- bzw. Mikroprozessoren einzu- ^! setzen.

Ein mit einem Meßwertaufnehmer verbundener Mikroprozessor wird von einer ihm vorgeschalteten Zeitsteuerschaltung (Relativuhr, z. B. Stoppuhr oder Echtzeituhr, z. B. Normaluhr) gesteuert, die ihrerseits einen Analog-Digital-Wandler startet. Dabei wird entsprechend den von der Zeitsteuerschaltung vorgegebenen Zeiten E_n der vom Analog-Digital-Wandler gewandelte Meßwert verarbeitet. Im Mikroprozessor sind eine Anzahl von Signalgeneratoren mit festen Mittenfrequenzen realisiert, die aus den Ansatzfunktionen mit langsam veränderlichen Kennwerten bestehen. Die Summe der Signalgeneratorenausgängc wird mit dem gewandelten Meßwert verglichen und die sich ergebende Differenz so ausgewertet, daß die Kennwerte und die momentane Abtastzeit A T_n langsam korrigiert werden.

Da das bandbegrenzte Störsignal auf wenige sehr langsam veränderliche Größen zurückgeführt wird, haben einmalige Signale (Nutzsignale) kurzer Dauer keinen Einfluß auf die langsam veränderlichen Größen. • Durch die Differenzbildung werden Signale, denen bandbegrenzte Störsignale überlagert sind, von letzteren verzugslos getrennt.

Folgend ist ein Ausfuhrungsbeispiel beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitung,

Fig. 2 den Ablauf der Signalverarbeitung in einem digitalen Mikroprozessor gemäß Fig. I.

Aus Fig. I ist ein Blockschaltbild ersichtlich, aus dem die Signalverarbeitung zur Bestimmung eines Nutzsignals aus einem störsignalüberlagerten Siganal ersichtlich ist. Ein solches durch einen Meßwertaufnehmer (Sensor) I generiertes Signal wird als Meßsignal bzw. Meßwert m(i) an einen Analog-/Digital-(A/D)-Wandler 2 geleitet, der mit einem einen Speicher beinhaltenden digitalen Mikroprozessor 3 und über diesen mit einer Zeitsteuerschaltung 4 (Relativuhr, z. B. Stoppuhr oder Echtzeituhr, z. B. Normaluhr) in Verbindung steht. Der Mikroprozessor 3 steuert entsprechend seiner Programmvorgabe oder -auslegung über die Zeitsteuerschaltung 4, die ihrerseits den A/D-Wandler 2 in Funktion setzt, die Erfassungszeitpunkte des Meßsignals m(t„). Entsprechend dem von der Zeitsteuerschaltung 4 vorgegebenen Zeitlichen Zuwachs durch die Zeitinkrcmente A T₁, wird der Meßwert als m[i„) im Zeitpunkl t„ = i„ -ι + A T„(wobei \/A T„d\e momentane Abtastfrequenz bedeutet) erfaßt und als Folge der einzelnen Werte m[t„), m[i„ ι), mit,, >) .. . im Mikroprozessor 3 Aus Fig. 2 ist der Ablauf der Signal verteilung in einem digitalen Mikroprozessor 3 (gemäß Fig. 1) ersichtlich. Ein vom Meßwertaufnehmer bzw. Sensor 1 (Fig. 1) registriertes und zu verarbeitendes Meßsignal mU_n) setzt sich aus einem Störsignal S(I_n) und einem Nutzsignal n(i„) zusammen. Um das Störsignal S(I_n) vom Nutzsignal n(i„) zu trennen, wird mit Hilfe der Komponente 5 eine Signalaufspaltursg und iur jeden Signalantcil über einen Demodulator 6, Tiefpaß 7 und

ίο Modulator 8 eine Störgrößenkompensation vorgenommen. Dabei wird das Störsignal SU_n) in einem Approximationsintervall T_irduTc\\ Ansatzfunktionen $>,(/„) und Kenngrößen a, beliebig genau beschrieben:

SO_n) - V_e, ·„,,(,„); für ,-T_AP<T<t.

Durch geeignete Wahl der Ansatzfunktionen Ip₁U_n) ergibt sich ein beliebig genauer Schätzwert S(t„) der realen Störung

v . _Ui. _Ψι(Ιιι)

wobei die Koeffizienten a, durch eine von der Ansatzfunktion abhängige Operation (Demodulation) bestimmt werden:

.v> Bei derdigitalcn Realisierung sind Kenngrößen β, und Ansatzfunktionen y>,(r„) Funktionen der Abtastzeitpunkte /„ ,. Das Approximationsintcrvall r_4Pist umgekehrt proportional der Bandbreite des zu kompensierenden Störsignals. Die Zahl der zu verarbeitenden

.15 Werte ist abhängig von der Art der Ansatzfunktionen 1/IiU_n) und der geforderten Approximationsgüle.

Bei einer der Störsignalform angepaßten Wahl der Ansatzfunktionen ψ,U_n) sind die Approximationskoeffizienten O₁U_n) langsam veränderliche Funktionen der Zeit. Die beste Approximation liegt dann vor, wenn die zeitliche Änderung der Approximationskoeffizienten ein Minimum hat:

{a,U„)Y ♦ min.

Da die Ansatzfunktionen φ,(ι_Η) auf ein Approximationsintcrvall T_ir bezogen sind, wird das Minimum dadurch gefunden, daß bei gleichen Ansatzfunktionen durch Veränderung des Zeitpunktes der Meßsignalerfassung /„ - /„ , + Λ T_n über die Abtastzeit Δ T_n das reale Approximationsintcrvall T_4n gedehnt oder gestrafft wird. Auf diese Weise müssen die Ansatzfunktionen nicht verändert werden und die Approximationskocffizicntcn bleiben stetige Funktionen. Weil abweichungen von einer angenommenen Störsignalform unterschiedlich schnelle Veränderungen in den Approximationskoeffizienten hervorrufen, werden diese über einen geeigneten Tiefpaß 7 eliminiert. Dabei werden die gemittelten Approximationskoeffizienten ö, in einem regelnden Verfahren bestimmt, !n Abhängigkeit von den Ansatzfunktionen erfolgt eine Aufspaltung des Störsignals S[i„) in Anteile S,[r„). Aus der Differenz zwischen 5,(i„) und einem Schätzwert S₁U_n), bezogen auf die Ansatzfunktionen y;,(r„), wird die Änderung im

&5 zugehörigen Approximationskocffmentcn bestimmt

Aa₁[I₁₁) - < (S,[i„) - S,[t..)\wAi..) >.

Der ermittelte ApproximatiomkoefTizienl wird dann solange aufintegriert, bis der Zuwachs verschwindet

ä,Un) = O₁U₁, ,) + (C₁IAa₁UJ)-

Aus dem gemittelten ApproximationskoetTizienten A O₁(I₁₁) und der Ansatzfunktion φ,(ι_η ) wird der entsprechende Störschätzwert bestimmt

S₁U_n) = ä_t ■ V(I₁₁). ίο

Da der resultierende Störschätzwert S für jeden Zeitpunkt innerhalb des Approximationsintervalls T_AH angegeben werden kann, ist ein Vergleich mit dem vom Meßwertaufnahmer bzw. Sensor 1 (F i g. 1) registrierten Meßsignal bzw. Meßwert m(t„) möglich, so daß eine verzugslose Störgrößenkompensation bzw. Bestimmung eines Nutzsignals erfolgt.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

.10

40

45

50

55

60

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung eines Nutzsignals aus einem mit Störsignalen überlagerten bandbe- s grenzten Signal, bei dem das Nutzsignal in Elementarsignale aufgelöst und Ähnlichkeitsindizes erzeugt werden und bei dem die Störsignale nach einem Kriterium erkannt, in ihrem Amplitudenverlauf nach Mittelung festgehalten und von gleichartigen Störsignalen im Signalgemisch subtrahiert werden, wobei zur Ermittlung des Korrelationsverhältnisses zwischen empfangenen sortierten Wellen und digital gespeicherten Bezugswellen digitale Rechenverfahren verwendet werden und die Berechnung is des Korrelationsverhältnisses nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß