DE3441290C2

DE3441290C2 -

Info

Publication number: DE3441290C2
Application number: DE3441290A
Authority: DE
Inventors: Hidenobu Amagasaki Hyogo Jp Sakamoto; Masahiko Higashi-Osaka Osaka Jp Shimoda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-11-11
Filing date: 1984-11-12
Publication date: 1988-10-20
Also published as: GB2149518B; GB8428336D0; JPS60105979A; US4719581A; GB2149518A; DE3441290A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzspektrumanalysator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher gehört zum betriebsinternen Stand der Technik der Anmelderin.

Zum Analysieren eines Frequenzspektrums einer magnetischen Kernresonanz ohne irgendeine Fehler abgleichsfunktion sollten Einstellungen wie bei folgender Anlage gemacht werden. Hierbei werden zwei Bezugs signale mit einem gegenseitigen Phasenunterschied von 90° jeweils in zwei Phasendetektoren eingegeben, denen das gleiche Eingangssignal zugeführt ist, um synchrone Erfassung zu gewährleisten, um Kosinus komponenten und Sinus- bzw. Streukomponenten auszugeben. In diesem Fall treten u. U. Signalausfälle auf, weil Verstärker ihnen eigene, unempfindliche Zeitabschnitte aufweisen. Es ist deshalb notwendig, synchrone Erfassung durch Erzeugung eines Echosignals auszuführen, um den Ausfall von Signalen zu verhindern. Das Frequenzspektrum wird dadurch ermittelt, daß die Ausgangssignale erfaßt und in einem Computer einer Analyse unterzogen werden. Wenn die erfaßten Signale in dem Computer in digitale Form umgewandelt werden, sollten die Mitten jeweils der Kosinuskomponenten und der Sinuskomponenten des Echosignals in digitaler Form vorliegen. In diesem Fall muß eine Steuerung der Meßgeräte und Vorrichtungen vorgenommen werden, damit keine Änderungen des Echosignals aufgrund des Alterns der Verstärker und der Phasendetektoren entstehen, so daß ein Signal aus der ersten Hälfte oder aus der zweiten Hälfte in Bezug auf die Mitte des Echosignals für die Spektralanalyse benutzt wird. Es ist jedoch schwierig, den Phasenabgleich der Bezugssignale durchzuführen, um die Kosinuskomponenten und die Sinuskomponenten eines Ausgangssignals des Phasendetektors zu liefern und durch Altern hervorgerufene Änderungen der Eigenschaften von Meßgeräten und Vorrichtungen zu eliminieren. Weiterhin ist es auch schwierig, es so einzurichten, daß die Mitte des Echosignals einen digitalen Wert hat, weshalb es schwierig ist, eine Hälfte des Signals in Bezug auf die Mitte des Echosignals zu verwenden, um die Spektralanalyse durchzuführen. Das Ergebnis ist ein Fehler des Frequenzspektrums, und es ist deshalb notwendig, den Fehler abzugleichen.

Der Fehlerabgleich beim herkömmlichen Frequenzanalysator wird mit Bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau des herkömmlichen Geräts zeigt.

Der herkömmliche Frequenzspektrumanalysator umfaßt einen Verstärker 2 zur Verstärkung eines Signals, das von einem Empfänger 1 empfangen wird, einen ersten Verteiler 3 zum Aufteilen des vom Verstärker 2 abgegebenen Signals in zwei Zweige, einen zweiten Verteiler 6 zur Verzweigung eines Signals eines Phasenschiebers 5, welcher die Phase eines von einem Oszillator 4 zugeführten Bezugssignals verschiebt, einen ersten hochempfindlichen Phasendetektor 8 zum synchronen Phasenvergleich des Ausgangssignals des ersten Verteilers 3 mit einem Ausgangssignal des zweiten Verteilers 6, und einen zweiten empfindlichen Phasendetektor 9, welcher synchron das Ausgangssignal des ersten Verteilers 3 mit dem Ausgangssignal eines 90°-Phasenschiebers 7 in der Phase vergleicht, welcher Phasenschieber 7 eine 90°-Phasenverschiebung eines Ausgangssignals des zweiten Verteilers 6 bezüglich des in den ersten Phasendetektor 8 eingegebenen Bezugssignals verursacht.

Ein erster A/D-Wandler 10 und ein zweiter A/D-Wandler 11 gewährleisten das Umsetzen der jeweiligen Ausgangssignale des ersten und zweiten Phasendetektors 8, 9 in digitale Form. Die Ausgangssignale des ersten und zweiten A/D-Wandlers 10, 11 werden durch eine Eingangsschaltung 15 in eine CPU 13 eingegeben, um in einem Speicher 14 gespeichert zu werden; die letztgenannten Baugruppen bilden eine Datenverarbeitungsvorrichtung 12. Die CPU 13 gibt die in dem Speicher 14 gespeicherten Daten durch eine Ausgabeschaltung 16 weiter an eine Kathodenstrahlröhre (CRT) 17, welche das Frequenzspektrum sichtbar zur Anzeige bringt.

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, welches Schritte zum Darstellen eines Frequenzspektrums zeigt, das in dem Speicher 14 gespeichert ist.

Als erstes wird ein Echosignal in den ersten und zweiten A/D-Wandler 10, 11 eingegeben, wo es in digitale Form umgewandelt wird. Die digitalen Signale werden in die Eingangsschaltung 15 eingegeben, um den Signalein gabeschritt 21 auszulösen. Nach Erhalt der Signale von der Eingangsschaltung 15 werden die zu verarbeitenden Daten S _c (t) und S _s (t) im Datenaufbereitungsschritt 22 aufbereitet.

S _c (t) = {Ausgangssignal des ersten A/D-Wandlers (10)} mit 0 ≦ t ≦ tf S _s (t) = {Ausgangssignal des zweiten A/D-Wandlers (11)} mit 0 ≦ t ≦ tf

Dabei ist t = 0 der Startzeitpunkt der A/D-Wandlung des Echosignals; t = tf ist der Endzeitpunkt der A/D-Wandlung des Echosignals, wobei angenommen wird, daß zur Zeit t = 0 die Umgebung der Mitte des Echosignals einer A/D-Wandlung unterworfen wird, und daß das Echosignal zu klein ist, einer A/D-Wandlung zur Zeit t = tf unterzogen zu werden.

Die Signale S _c (t) und S _s (t) können wie unten beschrieben ausgedrückt werden, wenn eine 90°-Phasenverschiebung zwischen den Bezugssignalen des ersten und des zweiten Phasendetektors 8 und 9 stattgefunden hat und wenn die Eigenschaften der Detektoren gleich sind.

Hierbei ist A die Amplitude der Ausgangssignale des ersten und zweiten hochempfindlichen Phasendetektors 8 und 9; f ( Ω ) ist das Spektrum einer gesuchten Winkelfrequenz Ω; t₀ ist die Zeitabweichung von der Mitte des Echosignals bis zum ersten Zeitpunkt, zu dem dieses tatsächlich einer A/D-Wandlung unterzogen worden ist, und t′ Ω + R ist ein Fehler durch andere Ursachen.

Es wird angenommen, daß

ohne jeden Fehler ist. Dann ist t₀ = 0 und t′ Ω + R = 0. Unter dieser Voraussetzung gilt:

f( Ω ) und S(t) können durch eine inverse Fourier-Transformation erhalten werden. Reelle und imaginäre Teile von S _c (t) und S _s (t) werden für die inverse Fourier- Transformation in einen Datenwandlungsschritt 23 eingegeben, um h( Ω ) wie folgt zu erhalten,

Unter Verwendung eines reellen Teils von h( Ω ) bleibt f( Ω ) übrig, welches ausgedrückt wird durch:

f( Ω ) = reeller Teil von {h( Ω )}

Bei dem herkömmlichen Verfahren wird das Frequenzspektrum durch Anwenden der zugehörigen Gleichung ermittelt.

Wenn ein Fehler vorliegt, dann ergibt sich für S _c (t) + iS _s (t):

Entsprechend kann man f( Ω ) und S(t) durch die inverse Fourier-Transformation erhalten. Reelle und imaginäre Teile von S _c (t) und S _s (t) werden einer inversen Fourier-Transformation im Datenwandlungsschritt 23 unterzogen, um g( Ω ) zu erhalten.

Wenn gesetzt wird:

dann ergeben sich folgende Gleichungen:

Da die im Datenwandlungsschritt 23 erhaltene Funktion g( Ω ) einen Fehler in den Gleichungen einschließt, sollte der in g( Ω ) enthaltene Koeffizient

eliminiert werden. Im Daten verarbeitungsschritt 24 wird das Produkt von g( Ω ) und

unter Annahme des Wertes von R + Ω (t₀ + t′) angegeben. Dadurch erhält man die Formel

Da das Ergebnis des Datenverarbeitungsschritts 24 nicht als Frequenzpektrum ausgegeben wird, wird das Ausgangsergebnis des Datenverarbeitungsschritts 24 in einen Abgleichschritt 26 durch einen Diskriminierungs- oder Auswahlschritt 25 eingegeben; dort wird der Abgleich durchgeführt, um den Term

Null zu machen. Der Abgleich im Abgleichschritt 26 wird nicht aufgrund einer Analyse durchgeführt, sondern durch eine empirische Funktion, die durch Erfahrung gewonnen wurde. Im Abgleichschritt 26 wird ein Frequenzspektrum gewonnen, und der reelle Teil von h( Ω ) wird während des Ablaufs vom Diskriminierungsschritt 25 bis zu einem Spektrumsausgabeschritt 27 gewonnen; so erhält man ein Spektrum f( Ω ). Das Spektrum, das im Spektrumsausgabeschritt 27 erhalten wird, gelangt über die Ausgangsschaltung 16 zur CRT 17 zum Zwecke einer Spektrumsdarstellung im Schritt 28.

Bei dem herkömmlichen Verfahren des Fehlerabgleichs, wie oben erwähnt, werden beide Werte R und t₀ + t′ angenommen, und ein am Ende verbleibender Fehler wird empirisch aufgrund von Erfahrung abgeglichen. Entsprechend gab es Nachteile wie den, daß eine Funktion zum Fehlerabgleichen künstlich vorgegeben werden mußte, und daß das Echosignal nur für einen halben Anteil benutzt werden konnte, wenn eine Signalverarbeitungs anlage zu gestalten war.

Aus der DE-OS 25 28 591 ist ein Gerät zum Entwickeln eines Signals, das die Leistung bei einer vorgewählten Frequenz eines vorbestimmten Zeitsegments eines delta modulierten Eingangssignals repräsentiert, bekannt, enthaltend eine erste Multipliziereinrichtung zum Multiplizieren des deltamodulierten Signals mit einem Kosinussignal, dessen Argument von der vorgewählten Frequenz abhängt, eine zweite Multipliziereinrichtung zum Multiplizieren des deltamodulierten Signals mit einem Sinussignal, dessen Argument identisch dem des Kosinussignals ist, Akkumulatoreinrichtungen zum Ansammeln jeweils der Ausgänge der Multipliziereinrichtungen, Quadriereinrichtungen, die mit den Ausgängen der Akkumulatoreinrichtungen verbunden sind, und eine Addiereinrichtung, der die Ausgänge der Quadriereinrichtungen zugeführt sind. Das Ausgangssignal der Addiereinrichtung wird in einer weiteren Multiplizier einrichtung mit einem von der vorbestimmten Frequenz abhängigen konstanten Signal multipliziert.

Ziel des bekannten Geräts ist es, eine Spektrumanalyse eines zugeführten Signals bei einer speziellen Frequenz auszuführen, die ggf. verändert werden kann. Dazu ist es erforderlich, das zugeführte Signal zu digitalisieren, es in eine Sinus- und Kosinus-Komponente aufzuteilen und die Komponenten einer Fourier-Transformation zu unterziehen, um das Leistungsspektrum der angegebenen Frequenz zu ermitteln. Wenn man mit dem bekannten Gerät das Leistungsspektrum über einen breiten Frequenzbereich ermitteln will, benötigt man erhebliche Zeit.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Frequenzspektrumanalysator der eingangs genannten Art zu schaffen, der es unnötig macht, eine Erfahrungsfunktion für den Fehlerabgleich zu verwenden, und der einen einfachen Aufbau hat.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In dem erfindungsgemäßen Analysator wird das Frequenzspektrum mittels einer Datenaufbereitungsstufe, einer Datenwandlungsstufe und einer Spektrumsaufbereitungsstufe ermittelt, indem ein Echosignal genügend lange gemessen wird, ohne daß Parameter für den Fehlerabgleich aufgrund von Annahmen gesetzt werden müssen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert: Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Konstruktion eines herkömmlichen Frequenzspektrumanalysators;

Fig. 2 ein Flußdiagramm, welches die Schritte zur Ermittlung eines Frequenzspektrums zeigt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild, welches eine Ausführung eines Frequenzspektrumanalysators gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm, das die mit der Ausführung nach Fig. 3 vorzunehmenden Schritte darstellt.

Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Frequenzspektrumanalysators gemäß der Erfindung. In Fig. 3 sind die Baugruppen mit den Bezugszeichen 1 bis 11 dieselben wie die in Fig. 1. Der Analysator nach der Erfindung umfaßt zusätzlich zu den Baugruppen 1 bis 11 in der Datenverarbeitungs vorrichtung 12 eine Datenaufbereitungsvorrichtung 31 zur Aufbereitung der Daten, die von den Ausgängen der ersten und zweiten A/D-Wandler 10 und 11 herkommen, eine Datenwandlungsvorrichtung 32 zum Wandeln der Daten, die durch die Datenaufbereitungsvorrichtung 31 erzeugt worden sind, eine Spektrumermittlungsvorrichtung 33 zum Ermitteln eines Frequenzspektrums aus den in der Datenwandlungsvorrichtung 32 gewandelten Daten, und eine CRT 17 zum Abbilden des Frequenzspektrums, das durch die Vorrichtung 33 ermittelt wurde. In dem Analysator gemäß Fig. 3 sind der erste und der zweite Phasendetektor 8 und 9 gleich wie bei dem Gerät nach Fig. 1.

Die Arbeitsweise des Analysators wird mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das ein in der Datenverarbeitungsvorrichtung 12 eingespeichertes Programm zum Bilden eines Frequenzspektrums darstellt.

Ein Signaleingabeschritt 41 wird begonnen, wenn Anteile eines Echosignals, die durch die ersten und zweiten A/D-Wandler 10, 11 digitalisiert worden sind, in die Eingangsschaltung 15 eingegeben werden. Auf Empfang der Signale werden die Daten S _c (t) und S _s (t) in einem Datenaufbereitungsschritt 42 aufbereitet. S _c (t) und S _s (t), die beide einen Fehler enthalten, werden wie folgt ausgedrückt:

Dabei gilt: t = 0 ist der Startzeitpunkt der A/D-Wandlung des Echosignals; t = tf ist der Endzeitpunkt der A/D-Wandlung des Echosignals, wobei zu den Zeitpunkten t = 0 und t = tf das Echosignal zu klein ist, um einer A/D-Wandlung unterzogen zu werden und das Echosignal zwischen den Zeitpunkten t = 0 und t = tf mit ausreichender Größe vorhanden ist.

Da zwischen den Bezugssignalen des ersten und des zweiten Phasendetektors 8 und 9 eine Phasenverschiebung von 90° besteht, können S _c (t) und S _s (t) wie folgt ausgedrückt werden:

Darin ist A die Amplitude der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Phasendetektors 8 und 9; t₀ ist der Zeitpunkt, welcher der Mitte des Echosignals, welches der A/D-Wandlung unterzogen wurde, zuzuordnen ist, und f( Ω ) bzw. t′ Ω + R sind das Frequenzspektrum bzw. ein Fehler wie oben bei dem herkömmlichen Verfahren beschrieben.

Wenn man von einer Gleichung

ausgeht, dann ergeben sich folgende Gleichungen

f( Ω ) und S(t) werden durch eine inverse Fourier- Transformation erhalten. Die inverse Fourier-Transformation wird jeweils auf die reellen und die imaginären Teile von S _c (t) und S _s (t) angewendet, um k( Ω ) wie folgt zu erhalten:

Unter Verwendung von k( Ω ), das im Daten wandlungsschritt 43 erhalten wurde, wird ein Frequenzspektrum f( Ω ) = |k( Ω )| in einem Spektrum ermittlungsschritt 44 ermittelt. Da das Spektrum f( Ω ) den Absolutwert des Ausgangssignals des Datenwandlungsschritts 43 für den Spektrumermittlungsschritt 44 haben soll, wird das Spektrum f( Ω ) über die Ausgabe schaltung 16 an die CRT 17 mittels eines Spektrum ausgabeschritts 45, gefolgt von einem Spektrumanzeigeschritt 46, ausgegeben, worauf das Frequenzspektrum auf der CRT 17 angezeigt wird.

In dieser Ausführung der Anlage wird ein Computer benutzt, um das Frequenzspektrum zu ermitteln. Es ist jedoch möglich, auch eine andere Rechenvorrichtung zu verwenden.

Claims

1. Frequenzspektrumanalysator, enthaltend einen Signalempfänger, einen mit dessen Ausgang verbundenen Verstärker, einen ersten Verteiler, der das Verstärkerausgangssignal auf zwei Signalübertragungszweige verteilt, je einen Phasendetektor in jedem der Signalübertragungszweige, je einen A/D-Wandler jeweils am Ausgang der Phasendetektoren, einen Bezugsfrequenzoszillator für den Phasenvergleich, dessen Ausgang über einen zweiten Verteiler mit den Bezugssignaleingängen der Phasendetektoren verbunden ist, wobei in der Verbindung zwischen dem einen Ausgang des zweiten Verteilers und dem Bezugs signaleingang des einen Phasendetektors ein 90°-Phasenschieber angeordnet ist, und eine Datenverarbeitungsvorrichtung, die mit den Ausgängen der beiden A/D-Wandler verbunden ist und u. a. die von diesen ausgegebenen Daten einer inversen Fourier-Transformation unterwirft, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungs vorrichtung (12) eine Spektrumermittlungsvorrichtung (33) enthält, die den Absolutwert |k( Ω )| des durch die inverse Fourier-Transformation erhaltenen, das Frequenzspektrum ausdrückenden Signals f( Ω ) ermittelt.

2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgang des Bezugsfrequenzoszillators (4) vor dem zweiten Verteiler (6) ein Phasenschieber (5) angeordnet ist.

3. Analysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der Spektrumermittlungsvorrichtung (33) eine Kathodenstrahlröhre (17) als Anzeigeeinrichtung verbunden ist.