DE3631587A1 - Method for calibrating multi-channel direction finders - Google Patents

Method for calibrating multi-channel direction finders

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Abstract

In order to calibrate a multi-channel direction finder having in each case one analog input section and one subsequent digital signal path in each channel, an analog calibration signal is passed to all the channels in a calibration phase. The digital calibration signals occurring in consequence in the digital signal path are frequency-analysed separately for each channel, by means of Fourier transformation. The errors in the transfer functions are determined by forming the difference between the spectra of all the channels and a channel which is selected as the reference channel. In direction-finding operation, the digital signals in all the channels are subjected to Fourier transformation and, with the exception of the reference channel, are subsequently corrected in correction elements whose parameters are formed by the differences formed in the calibration phase. In the reference channel, the signals are delayed by a time which is equal to the delay time in the correction elements. The signals in all the channels are subsequently transformed back into the time domain by means of inverse Fourier transformation, and are passed on for direction-finding evaluation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eichung von mehrkanaligen Peilern nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.The invention relates to a method for the calibration of multi-channel direction finders according to the generic term of the patent claim 1.

Auch ein mit digitaler Signalverarbeitung arbeitender Empfänger kann auf analoge Bauelemente (insbesondere Anti-Aliasing-Filter, Sample and Hold) nicht verzichten. Diese Bauelemente unterliegen Toleranzen (wie z.B. Tempe­ raturschwankungen), so daß auch bei einem mit Digital­ filtern arbeitenden Mehrkanalpeiler nicht auf einen Ab­ gleich der Peilkanäle auf einen Referenzkanal, der natür­ lich auch selbst Peilkanal sein kann, verzichtet werden sollte. Also one working with digital signal processing Receiver can rely on analog components (in particular Anti-aliasing filter, sample and hold). These components are subject to tolerances (such as tempe fluctuations in temperature), so that even with digital do not filter working multichannel direction finder on a down equal to the DF channels on a reference channel, the natural Lich can also be DF channel itself, are dispensed with should.  

Aufgrund der Möglichkeiten, die durch die digitale Signal­ verarbeitung geboten werden, ist in Peilern mit digitaler Signalverarbeitung im Vergleich mit analogen Geräten der Kanalabgleich wesentlich exakter durchführbar. Hierzu wird allen Kanälen ein gleiches analoges Eichsignal einge­ speist. Die entsprechenden im digitalen Teil des Signal­ wegs auftretenden Digitalsignale werden für alle Kanäle, außer einem als Referenz dienenden Kanal, jeweils mit diesem Referenzkanal verglichen. Aus den sich dabei erge­ benden Abweichungen werden digitale Einstellwerte für on-line Korrektureinrichtungen im digitalen Signalwert abgeleitet. Die Korrektureinrichtungen beeinflussen dann die im Peilbetrieb durchlaufenden Signale so, daß die durch Toleranzen in den analogen Bauteilen entstandenen Ungleichheiten der Kanalübertragungsfunktionen kompensiert und alle Kanäle an den Referenzkanal angeglichen werden. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der DE-OS 33 26 254 oder der DE-OS 34 32 145 bekannt.Because of the opportunities provided by the digital signal processing is offered in direction finders with digital Signal processing in comparison with analog devices from Channel adjustment can be carried out much more precisely. This will all channels have the same analog calibration signal feeds. The corresponding ones in the digital part of the signal occurring digital signals for all channels, except for a channel serving as a reference, each with compared to this reference channel. From which emerged Deviations become digital setting values for on-line correction devices in the digital signal value derived. The correction devices then influence the signals passing through the direction finder so that the caused by tolerances in the analog components Inequalities in the channel transmission functions are compensated and all channels are adjusted to the reference channel. Such methods are for example from DE-OS 33 26 254 or DE-OS 34 32 145 known.

Digitale Filter werden in Mehrkanalpeilern hauptsächlich eingesetzt, weil sie exakt reproduzierbar sind, d.h., sie garantieren vollständigen Gleichlauf. Zum Abgleich der in den Peilkanälen verbleibenden analogen Module reicht es, wenn dieser Vorteil der Digitalfilter voll ausgenutzt werden soll, nicht aus, nur einen Kanalabgleich auf die Bandmitte durchzuführen. Bei großen Hauptselektionsband­ breiten wirken sich Unterschiede in den Übertragungs­ funktionen der analogen Bauelemente in den verschiedenen Peilkanälen voll aus und der angestrebte Kanalgleichlauf geht trotz des Einsatzes von Digitalfiltern verloren.Digital filters are mainly used in multi-channel direction finders used because they are exactly reproducible, i.e., they guarantee complete synchronization. To compare the in the remaining analog modules are sufficient if this advantage of the digital filter is fully exploited should not be just a channel adjustment on the To carry out the middle of the belt. With large main selection band Broad differences in the transmission affect functions of the analog components in the different DF channels fully and the desired channel synchronization is lost despite the use of digital filters.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 be­ schriebenen Art anzugeben, das eine weitere Verbesserung des Gleichlaufs der Kanäle eines Mehrkanalpeilers er­ möglicht.The present invention is based on the object Method of be in the preamble of claim 1 Specify the written type, which is a further improvement the synchronism of the channels of a multi-channel direction finder possible.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungs­ formen der Erfindung.The achievement of this task is by characteristic features of claim 1 given. The sub-claims contain advantageous execution form the invention.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei Peilern, bei denen zur Unterdrückung von Inband-Störungen gleichfalls eine Fourier-Analyse-Synthese durchgeführt wird, wie dies bereits in der Patentanmeldung P 35 23 537 vorgeschlagen ist.The invention can be used particularly advantageously in Direction finders in which to suppress in-band interference also carried out a Fourier analysis synthesis is, as already in the patent application P 35 23 537 is proposed.

Die Erfindung ist nachfolgend am Beispiel eines Dreikanal­ peilers mit einem Ost-West-, einem Nord-Süd- und einem Rundumkanal, der hier als Referenzkanal angesehen wird, unter Bezugnahme auf die Abbildung eingehend erläutert.The invention is based on the example of a three-channel peilers with one east-west, one north-south and one All-round channel, which is considered the reference channel here, explained in detail with reference to the figure.

Im Peilbetrieb ergibt sich folgender Signalfluß: Das von der Antennenanordnung kommende Signal durchläuft parallel die Analogteile A, die u.a. die notwendigen Anti-Aliasing-Filter enthalten, der drei Kanäle. Danach wird das Signal unter Beachtung des Abtasttheorems für Bandpaßsignale digitalisiert (A/D). In der digitalen Signalverarbeitungseinheit wird das Signal dann durch komplexe Mischung M ins Basisband umgesetzt und anschlie­ ßend findet die Hauptselektion durch Digitalfilter F statt.The following signal flow results in DF operation: The signal coming from the antenna arrangement passes in parallel through the analog parts A , which contain, among other things, the necessary anti-aliasing filter of the three channels. The signal is then digitized (A / D), taking into account the sampling theorem for bandpass signals. In the digital signal processing unit, the signal is then converted into the baseband by complex mixing M and then the main selection by digital filter F takes place.

Erfindungsgemäß ist in den Signalfluß der Peilkanäle (hier Ost-West- und Nord-Süd-Kanal) ein Echtzeit-Fourier-Ana­ lyse/-Synthese-Modul eingefügt, in dem zwischen Analyse (FFT)- und Syntheseteil (IFFT) ein Korrekturglied Korr zum Kanalabgleich eingefügt wird. Das Korrekturglied ap­ proximiert die Differenz zwischen den Übertragungsfunk­ tionen von Referenzkanal und zu korrigierendem Peilkanal. Die Parameter des Korrekturglieds werden in einer off- line-Eichprozedur im Eichprozessor EP ermittelt.According to the invention, a real-time Fourier analysis / synthesis module is inserted into the signal flow of the direction-finding channels (here east-west and north-south channel), in which a correction element corr is inserted for channel adjustment. The correction element ap approximates the difference between the transmission functions of the reference channel and the DF channel to be corrected. The parameters of the correction element are determined in an offline calibration procedure in the calibration processor EP .

Der Eichvorgang wird im Peilempfänger im off-line-Betrieb durchgeführt und geht folgendermaßen vor sich: An den Empfängereingang wird von einem Eichsignalgenerator EG gleichzeitig auf alle Kanäle des Peilempfängers ein Eichsignal gegeben. Dieses kann z.B. ein spektral gleich­ verteiltes Rauschen oder ein Kamm äquidistanter Frequenzen sein. Das Eichsignal durchläuft alle Kanäle des Peil­ empfängers z.B. bis zum Ausgang der Hauptselektionsfilter F. Die Ausgangswerte der Filter werden in der Eichphase dem Eichprozessor EP übergeben.The calibration process is carried out in the DF receiver in off-line operation and proceeds as follows: At the receiver input, a calibration signal generator EG sends a calibration signal to all channels of the DF receiver at the same time. This can be, for example, a spectrally equally distributed noise or a comb of equidistant frequencies. The calibration signal runs through all channels of the DF receiver, for example up to the output of the main selection filter F. The output values of the filters are transferred to the calibration processor EP in the calibration phase.

Der Eichprozessor hat die AufgabenThe calibration processor has the tasks

  • - für das Eichsignal die Ausgänge der FFTs in den Peilkanälen mit dem FFT-Ausgang des Referenzkanals zu vergleichen,- For the calibration signal, the outputs of the FFTs in the DF channels with the FFT output of the reference channel to compare,
  • - aus diesem Vergleich die Parameter P für die Kanal­ korrekturglieder Korr zu berechnen und die Korrek­ turglieder entsprechend einzustellen.- to calculate for the channel correction terms Korr from this comparison, the parameters P and turglieder adjust the corrective accordingly.

Eichsignalanalyse und Kanalabgleich können an jeder Stelle innerhalb der digitalen Signalverarbeitungseinheiten der Peilkanäle durchgeführt werden. Z.B. kann dafür der Aus­ gang der Hauptselektionsfilter gewählt werden. In diesem Fall müssen zwei mögliche Vorgehensweisen in Betracht gezogen werden:Calibration signal analysis and channel adjustment can be done at any point within the digital signal processing units of the DF channels are carried out. E.g. can the end the main selection filter can be selected. In this Case must consider two possible approaches to be pulled:

  • - Die Datenrate wird am Ausgang der Hauptselektions­ filter an die gewählte Filterbandbreite angepaßt. In diesem Fall ist mit dieser Anpassung auch während des Peilbetriebs zu rechnen. Der Vorteil dieses Vorgehens ist, daß die Rechengeschwindigkeit für alle durch­ zuführenden Operationen (z.B. die FFT) an die tat­ sächliche Breite des Informationskanals angepaßt ist. Ein Nachteil besteht u.U. darin, daß sich im Peil­ betrieb hinter den Hauptselektionsfiltern je nach gewählter Durchlaßbandbreite verschiedene Datenraten ergeben.- The data rate is at the exit of the main selection filter adapted to the selected filter bandwidth. In this case is also with this adjustment during the Direction finder. The advantage of this approach is that the computing speed goes through for everyone operations (e.g. the FFT) to the deed physical width of the information channel is adjusted. There may be a disadvantage in that in the bearing operation behind the main selection filters depending on selected pass bandwidth different data rates surrender.
  • - Die Datenrate am Ausgang der Hauptselektionsfilter bleibt für jede Wahl der Filterbandbreite gleich, d.h. mindestens so groß, daß für die größtmögliche Filterbandbreite keine Überfaltungseffekte auftreten. In diesem Fall muß der Signalprozessor (z.B. wegen der spektralen Zerlegung durch die FFT) u.U. mehr Leistung als unbedingt nötig erbringen. Der Vorteil liegt in diesem Fall darin, daß die weiteren Ver­ arbeitungsschritte, also insbesondere der Kanalab­ gleich mit einer Datenrate durchgeführt werden können, die von der Durchlaßbandbreite der Haupt­ selektionsfilter unabhängig ist.- The data rate at the output of the main selection filter remains the same for every choice of filter bandwidth, i.e. at least so large that for the largest possible Filter bandwidth no convolving effects occur. In this case the signal processor (e.g. because of spectral decomposition by the FFT) more Provide performance as absolutely necessary. The advantage in this case lies in the fact that the further Ver  work steps, in particular the sewer be carried out at a data rate can by the pass bandwidth of the main selection filter is independent.

In der Eichphase werden die Ausgänge der Hauptselektions­ filter sowohl in den Peilkanälen als auch im Referenzkanal spektral analysiert. Dazu ist der FFT-Algorithmus mit einer geeigneten Fensterfunktion zu verwenden. Ist das Eich­ signal ein Frequenzkamm, sind die einzelnen Frequenzen so zu wählen, daß sie nach dem Durchlaufen der Kanäle bis zum Ausgang der Hauptselektion auf die Analysepunkte der FFT fallen.The outputs of the main selection are in the calibration phase filter both in the DF channels and in the reference channel spectrally analyzed. For this, the FFT algorithm with a suitable window function. Is that gauge signal a frequency comb, the individual frequencies are like this to choose that after passing through the channels up to Exit of the main selection to the analysis points of the FFT fall.

Der FFT-Ausgang liefert für jeden der betrachteten Kanäle eine Approximation an seine Übertragungsfunktion. Im Fall dreier Kanäle erhält man alsoThe FFT output provides for each of the channels under consideration an approximation to its transfer function. In the case you get three channels

H OW (k), H NS (k), H R (k);  k = 0,1, . . ., N-1 H OW (k) , H NS (k) , H R (k) ; k = 0.1. . ., N -1

für den Ost-West-, den Nord-Süd- bzw. den Referenzkanal. Dabei kann auch mit der Mittelung über mehrere Ausgangs­ blöcke der FFT gearbeitet werden.for the east-west, north-south and the reference channel. This can also be done by averaging over several outputs blocks of the FFT.

Bildet man punktweise die Differenz der FFT-Ausgänge zweier Kanäle, erhält man die Abweichung der Übertragungs­ funktion des einen Kanals zu der des anderen an den (Frequenz-)Analaysepunkten k = 0,1,..., N-1. Auf diese Weise werden nun Ost-West- und Nord-Süd-Kanal mit dem Referenzkanal verglichen. Daraus ergeben sich die DifferenzenIf the difference between the FFT outputs of two channels is formed point by point, the deviation of the transfer function of one channel to that of the other is obtained at the (frequency) analysis points k = 0.1, ..., N -1. In this way, the east-west and north-south channels are compared with the reference channel. The differences result from this

KA OW (k) = H R (k)-H OW (k)
 k = 0,1, . . ., N-1 KA NS (k) = H R (k)-H NS (k) KA OW (k) = H R (k) - H OW (k)
k = 0.1. . ., N -1 KA NS (k) = H R (k) - H NS (k)

KA OW und KA NS sind Approximationen an die Übertragungsfunktionen der Filter, die in die Peilkanäle eingefügt werden müssen, um den Kanalabgleich zu bewerkstelligen. KA OW (k) und KA NS (k) sind also die Parameter P der in die Peilkanäle eingefügten Korrekturglieder. KA OW and KA NS are approximations to the transfer functions of the filters, which have to be inserted into the DF channels in order to accomplish the channel adjustment. KA OW (k) and KA NS (k) are therefore the parameters P of the correction elements inserted in the DF channels.

Der Kanalabgleich wird im Peilbetrieb on-line folgender­ maßen durchgeführt: Alle Kanäle des Peilers werden mittels Echtzeit-FFT spektral analysiert. Dieser Vorgang kann auch als Umsetzung eines Signalzeitblocks der Länge N in den Spektralbereich interpretiert werden.The channel adjustment is carried out on-line in the direction finder mode as follows: All channels of the direction finder are spectrally analyzed using real-time FFT. This process can also be interpreted as the conversion of a signal time block of length N into the spectral range.

Mit den Korrekturparametern KA OW (k) und KA NS (k); k = 0,1, . . ., N-1 liegen die Abweichungen der Übertragungs­ funktionen von Peilkanälen und Referenzkanal vor. Durch komponentenweise Multiplikation der Signalspektralblöcke der Länge N in den Peilkanälen mit den zugehörigen Kanal­ korrekturgrößen, werden die Differenzen zwischen den Peilkanälen und dem Referenzkanal ausgeglichen. Die Rück­ transformation in den Zeitbereich leistet eine inverse FFT (IFFT).With the correction parameters KA OW (k) and KA NS (k) ; k = 0.1. . ., N -1 are the deviations of the transfer functions of DF channels and reference channel. By component-by-component multiplication of the signal spectral blocks of length N in the direction finding channels with the associated channel correction quantities, the differences between the direction finding channels and the reference channel are compensated. The inverse transformation into the time domain is performed by an inverse FFT (IFFT).

Sowohl die Anlayse-FFT als auch die Synthese-IFFT sind vorteilhafterweise so ausgelegt, daß durch diese beiden Operationen zusammen möglichst wenig Einfluß auf das Signal selbst genommen wird. Die Möglichkeiten hierfür sind an sich bekannt und beispielsweise in Signal Pro­ cessing, Vol. 10 (1986), pp. 219-244, beschrieben. FFT und IFFT sowie das Zeitverzögerungsglied im Referenzkanal werden benötigt, um den exakten Gleichlauf aller Kanäle aufrechtzuerhalten.Both the analysis FFT and the synthesis IFFT are advantageously designed so that by these two  Operations together have as little impact on the Signal itself is taken. The possibilities for this are known per se and for example in Signal Pro cessing, vol. 10 (1986), pp. 219-244. FFT and IFFT and the time delay element in the reference channel are required to ensure the exact synchronization of all channels maintain.

Bei der Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens ist darauf zu achten, daß wenn KA DW (k) oder KA NS (k) für alle k = 0,1, . . ., N-1 verschwinden, die Übertragungsfunktion des zugehörigen Peilkanals bereits so exakt der Übertragungs­ funktion des Referenzkanals entspricht, daß ein Abgleich nicht nötig ist. In diesem Fall tritt an die Stelle der Kanalkorrektur ein Zeitverzögerungsglied, das dem ent­ sprechenden Bauteil im Referenzkanal gleich ist.When using the method described here, care must be taken that if KA DW (k) or KA NS (k) for all k = 0.1,. . ., N -1 disappear, the transfer function of the associated DF channel already corresponds to the transfer function of the reference channel so precisely that an adjustment is not necessary. In this case, the channel correction is replaced by a time delay element which is the same as the corresponding component in the reference channel.

Bei den Korrekturgrößen KA OW (k) und KA NS (k) handelt es sich i.a. um komplexe Zahlen.The correction variables KA OW (k) and KA NS (k) are generally complex numbers.

Claims (4)

1. Verfahren zum Eichen von mehrkanaligen Peilern mit analoger und digitaler Signalverarbeitung durch gleich­ zeitiges Einspeisen eines analogen Eichsignals in alle Kanäle, Vergleich der digitalen Eichsignale in den ver­ schiedenen Kanälen, Ableitung von Korrektursignalen zur Angleichung aller Kanäle an einen Referenzkanal und Ein­ stellen digitaler Korrekturglieder zur Echtzeit-Korrektur der Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Kanäle die digitalen Eichsignale einer Fourier-Transfor­ mation unterzogen werden, daß die Differenzen der ver­ schiedenen, durch die Fourier-Transformation gewonnenen Spektren gegenüber dem Spektrum des Referenzkanals ge­ bildet werden, daß im Peilbetrieb die Signale in allen Kanälen einer Echtzeit-Fourier-Transformation unterzogen werden, daß nach der Fourier-Transformation in allen Kanälen außer dem Referenzkanal die digitalen Signale mittels Korrekturgliedern, deren Parameter nach den aus den Eichsignalen ermittelten Differenzen eingestellt werden, korrigiert werden, während das Signal im Refe­ renzkanal um eine der Signallaufzeit in den Korrektur­ gliedern gleiche Zeit verzögert wird, und daß danach die Signale in allen Kanälen durch eine inverse Fourier-Trans­ formation in den Zeitbereich rücktransformiert und der Peilauswertung zugeführt werden.1.Procedure for calibrating multi-channel direction finders with analog and digital signal processing by simultaneously feeding an analog calibration signal into all channels, comparing the digital calibration signals in the different channels, deriving correction signals to match all channels to a reference channel, and setting digital correction elements Real-time correction of the received signals, characterized in that the digital calibration signals are subjected to a Fourier transformation for all channels, that the differences of the various spectra obtained by the Fourier transformation are formed compared to the spectrum of the reference channel, that in the DF operation the signals in all channels are subjected to a real-time Fourier transformation, that after the Fourier transformation in all channels except the reference channel, the digital signals by means of correction elements, the parameters of which are set according to the differences determined from the calibration signals n, are corrected while the signal in the reference channel is delayed by one of the signal propagation times in the correction, and that the signals in all channels are then transformed back into the time domain by an inverse Fourier transformation and fed to the direction finder. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fourier-Transformation und die Ermittlung der Diffe­ renzen in Nicht-Echtzeit erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the Fourier transformation and the determination of the differences limits in non-real time. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Eichsignal ein Rauschsignal erzeugt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that a noise signal is generated as a calibration signal becomes. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Eichsignal ein Signal mit mehreren äquidistanten Frequenzen, die mit den Frequenz-Analyse­ punkten der FFT zusammenfallen, erzeugt wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized records that as a calibration signal a signal with several equidistant frequencies using the frequency analysis points of the FFT coincide, is generated.
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