DE4000090A1

DE4000090A1 - Increasing signal=to=noise ratio of noisy input signals - using signal generator driven by external signal in conjunction with filters and multiplied to select desired signal

Info

Publication number: DE4000090A1
Application number: DE19904000090
Authority: DE
Inventors: Dan Dipl Ing Nistor
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-01-03
Filing date: 1990-01-03
Publication date: 1991-07-11

Abstract

A sine/cosinewave generator (2) supplies multipliers (M1, M2, M3, M4) followed by filters (F1, F2) and an adder (A1). The noisy input signal si split into two channels; in one channel, the input is multiplied by a sine wave, pass filtered, and multiplied again by a sine wave, and the other channel, the input is multiplied by a cosine wave, pass filtered, and multiplied again by a cosine wave. The two channel signals are then added. The cosine and sine wave signals are of the same frequency. Filtering may be low pass or band pass. ADVANTAGE - Simplicity, high selectively. Wide range of applications.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine selektive Schaltung zur Erhöhung des Signal/Rausch-Abstandes verrauschter Eingangssignale sowie Anwendungen hiervon.The invention relates to a method and a selective Circuit for increasing the signal-to-noise ratio noisier Input signals and applications thereof.

Ein ständiges Problem bei der Übertragung digitaler und analoger Signale ist, daß diese im Verlauf der Übertragungsstrecke u. U. sehr stark verrauscht werden und an der Empfangsseite von den Rauschanteilen befreit werden müssen. Klassische Maßnahmen, um dies durchführen zu können, sind die Verwendung von Filtern und selektiven Verstärkern, die jedoch nachteilig in ihrem Schaltungsaufbau stets an den besonderen Anwendungsfall angepaßt werden müssen. Je größer die Rauschanteile sind, also je niedriger der Signal/Rausch-Abstand ist, umsomehr Aufwand muß getrieben werden, um die Rauschanteile zu beseitigen. Je mehr schaltungstechnischer Aufwand getrieben werden muß, umso weniger ist die entwickelte Schaltung für mehrere Anwendungsfälle geeignet, die klassischen Lösungen sind daher nicht nur aufwendig, sondern auch unflexibel.A constant problem in the transmission of digital and analog signals is that these in the course of Transmission link u. U. be very noisy and on the receiving side must be freed from the noise components. Classic measures to do this are Use of filters and selective amplifiers, however disadvantageous in their circuit design always the special Use case must be adapted. The bigger the Noise components are, the lower the signal / noise ratio is, the more effort has to be driven to Eliminate noise components. The more circuitry Effort must be driven, the less developed Circuit suitable for several applications, the classic Solutions are therefore not only complex, but also inflexible.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine selektive Schaltung der genannten Art anzugeben, bei denen mit einfachem Aufwand hohe Selektivität erreichbar ist.It is therefore an object of the invention to provide a method and a method specify selective circuit of the type mentioned, in which with simple effort high selectivity is achievable.

Insbesondere soll hohe Flexibilität bei der Anwendung möglich sein.In particular, high flexibility in use should be possible be.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren dadurch gelöst, daß die verrauschten Eingangssignale auf zwei Kanäle aufgeteilt werden, daß in dem einen Kanal die verrauschten Eingangssignale mit einem Sinuswellensignal multipliziert werden, paßgefiltert werden und dann nochmals mit dem gleichen Sinuswellensignal multipliziert werden, daß in dem anderen Kanal die verrauschten Eingangssignale mit einem Cosinuswellensignal multipliziert werden, paßgefiltert werden und dann nochmals mit dem gleichen Cosinuswellensignal multipliziert werden, daß Sinuswellensignal und Cosinuswellensignal gleiche Frequenz besitzen und daß die Ausgangssignale beider Kanäle addiert werden.The object is achieved in a method in that the noisy input signals can be divided into two channels, that in one channel the noisy input signals with be multiplied by a sine wave signal, pass-filtered and then again with the same sine wave signal multiplied so that the noisy in the other channel Input signals multiplied by a cosine wave signal be pass-filtered and then again with the same Cosine wave signal are multiplied by that sine wave signal and cosine wave signal have the same frequency and that the Output signals of both channels can be added.

Die Aufgabe wird bei einer selektiven Schaltung dadurch gelöst, daß ein Sinus-Cosinus-Generator ein Sinuswellensignal und ein Cosinuswellensignal gleicher Frequenz f₀ abgibt, daß in einem ersten Kanal ein erster Multiplizierer das verrauschte Eingangssignal und das Sinuswellensignal multipliziert, ein erstes Filter das Ausgangssignal des ersten Multiplizierers paßfiltert und ein Multiplizierer das paßgefilterte Signal des ersten Filters mit dem Sinuswellensignal multipliziert, daß in einem zweiten Kanal ein dritter Multiplizierer das verrauschte Eingangssignal und das Cosinuswellensignal multipliziert, ein zweites Filter im wesentlichen gleicher Bandbreite wie das erste Filter das Ausgangssignal des dritten Multiplizierers paßfiltert und ein vierter Multiplizierer das paßgefilterte Signal des zweiten Filters mit dem Cosinuswellensignal multipliziert, und daß ein Addierer die Ausgangssignale von zweitem und viertem Multiplizierer addiert.The object is achieved in a selective circuit in that a sine-cosine generator outputs a sine wave signal and a cosine wave signal of the same frequency f ₀ , that in a first channel a first multiplier multiplies the noisy input signal and the sine wave signal, a first filter the output signal of the the first multiplier and a multiplier multiplies the pass-filtered signal of the first filter by the sine wave signal, that in a second channel a third multiplier multiplies the noisy input signal and the cosine wave signal, a second filter having essentially the same bandwidth as the first filter passes the output signal of the third multiplier and a fourth multiplier multiplies the pass-filtered signal of the second filter by the cosine wave signal, and an adder adds the output signals of the second and fourth multipliers.

Die Erfindung wird durch die Unteransprüche weitergebildet, besondere Anwendungen sind in den Ansprüchen 17 bis 21 dargestellt.The invention is further developed by the subclaims, special applications are in claims 17 to 21 shown.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß herkömmliche handelsübliche Bauelemente verwendbar sind und lediglich die Durchlaßbandbreite b der Filter und die Schwingungsfrequenz f₀ des Sinus-Cosinus-Generators bestimmt werden müssen. Diese beiden Größen sind unabhängig voneinander einstellbar und beeinflussen einander nicht. Somit kann der Sinus-Cosinus-Generator mit einstellbarer Frequenz f₀ ausgestattet sein. Ferner kann als Filter ein Tiefpaßfilter oder ein Bandpaßfilter je nach Anwendungsfall gewählt werden. The main advantage of the invention is that conventional commercial components can be used and only the pass bandwidth b of the filter and the oscillation frequency f _{0 of} the sine-cosine generator must be determined. These two variables can be set independently of one another and do not influence one another. The sine-cosine generator can thus be equipped with an adjustable frequency f ₀ . Furthermore, a low-pass filter or a band-pass filter can be selected depending on the application.

Je schmalbandiger die Durchlaßbandbreite b der Filter ist, umso selektiver arbeitet die Schaltung.The narrower the pass bandwidth b of the filter, the more the circuit works more selectively.

Die theoretische Bestätigung der vorgenannten Eigenschaften ergibt sich aus folgender Betrachtung.The theoretical confirmation of the above properties results from the following consideration.

Die Güte Q als dritter Parameter der Schaltung ergibt sich aus den beiden genannten anwendungsspezifischen Parametern Durchlaßbandbreite b und Frequenz f₀ zuThe quality Q as the third parameter of the circuit results from the two application-specific parameters pass bandwidth b and frequency f ₀

Q = f₀/b.Q = f₀ / b.

Der Parameter f₀, der bei niederfrequenten oder Gleich- Eingangssignalen der Mittenfrequenz der Filter entspricht, wird ausschließlich durch die Frequenz des Sinus-Cosinus-Generators bestimmt, die Bandbreite b entspricht der der beiden identischen Filter. Wird einer der beiden letztgenannten Parameter verstellt, so hat dies auf den anderen keinen Einfluß. Lediglich die Güte wird hierdurch bestimmt.The parameter f ₀ , which corresponds to the center frequency of the filter in the case of low-frequency or DC input signals, is determined exclusively by the frequency of the sine-cosine generator; the bandwidth b corresponds to that of the two identical filters. If one of the latter two parameters is adjusted, this has no influence on the other. Only the quality is determined by this.

Dies läßt sich durch ein Rechenbeispiel, wie folgt, beweisen. Der Parameter b habe den Wert b₀, beliebig klein, als Durchlaßbandbreite eines Tiefpaßfilters. Der Sinus-Cosinus-Generator schwinge auf der bestimmten Frequenz f₀ (als Kreisfrequenz x). Das verrauschte Eingangssignal sei irgend ein Komplexsignal s(yt), das darstellbar ist gemäßThis can be demonstrated by a calculation example as follows. The parameter b has the value b ₀ , arbitrarily small, as the pass bandwidth of a low-pass filter. The sine-cosine generator oscillates at the determined frequency f ₀ (as angular frequency x). The noisy input signal is any complex signal s (yt) that can be represented according to

Der Erfindung folgend, ergibt sich für die beiden KanäleThe invention follows for the two channels

abgesehen von multiplizierenden Konstanten, die ohne Einfluß sind.aside from multiplying constants that have no influence are.

Das Tiefpaßfilter läßt nur die Komponente (x-yi) für i=i₀ durch, die die Bedingung |x-y_i0|<b/2 erfüllt. Nach den Tiefpaßfiltern sind daher nur die SignaleThe low-pass filter only lets through the component (x-yi) for i = i ₀ , which fulfills the condition | xy _i0 | <b / 2. After the low pass filters are therefore only the signals

s₁ = cos (x-y_i0)t und
s₂ = -sin (x-y_i0)ts₁ = cos (xy _i0 ) t and
s₂ = -sin (xy _i 0) t

vorhanden.available.

Die zweite Multiplikation ergibt dann für die beiden KanäleThe second multiplication then results for the two channels

sf₁ = s₁ * sin (xt) = cos (x-y_i0)t * sin (xt) = sin (x-y_i0 + x)t - sin (x-y_i0-x)t;
sf₁ = sin (y_i0)t + sin (2x-y_i0)t bzw.
sf₂ = s₂ * cos (xt) = -sin (x-y_i0)t * cos (xt) = -sin (x-y_i0 + x)t - sin (x-y_i0-x)t;
sf₂ = sin (2x-y_i0)t + sin (y_i0)t.sf₁ = s₁ * sin (xt) = cos (xy _i0 ) t * sin (xt) = sin (xy _i0 + x) t - sin (xy _i0 -x) t;
sf₁ = sin (y _i0 ) t + sin (2x-y _i0 ) t or
sf₂ = s₂ * cos (xt) = -sin (xy _i0 ) t * cos (xt) = -sin (xy _i0 + x) t - sin (xy _i0 -x) t;
sf₂ = sin (2x-y _i0 ) t + sin (y _i0 ) t.

Der Addierer erreicht somit als AusgangssignalThe adder thus reaches as an output signal

s₀ = sf₁ + sf₂,s₀ = sf₁ + sf₂,

das sich ergibt gemäßthat results according to

s₀ = sin (y_i0)t + sin (2x-y_i0)t - sin (2x-y_i0)t + sin (y_i0)t
s₀ = 2 * sin (y_i0)t.s₀ = sin (y _i0 ) t + sin (2x-y _i0 ) t - sin (2x-y _i0 ) t + sin (y _i0 ) t
s₀ = 2 * sin (y _i0 ) t.

Die Schaltung läßt also nur das Signal durch, das eine Frequenz mit dem Abstand b/2 gegenüber der Frequenz f₀ des Sinus-Cosinus-Generators hat.The circuit thus only lets through the signal that has a frequency at a distance b / 2 from the frequency f _{0 of} the sine-cosine generator.

Für stark verrauschte Signale ist diese Schaltung von besonderer Bedeutung. Breitbandige Rauschanteile werden nach der ersten Multiplikation gefiltert und haben dadurch keinen Einfluß mehr auf das Ausgangssignal.For very noisy signals, this circuit is from special meaning. Broadband noise components are reduced the first multiplication and therefore have none Influence more on the output signal.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing Embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer selektiven Schaltung gemäß der Erfindung, Fig. 1 shows the basic structure of a selective circuit according to the invention,

Fig. 2A eine bekannte Schaltungsanordnung zur Berücksichtigung stark verrauschter Kleinsignale bei der Signalverarbeitung in der Meßtechnik, Fig. 2A is a known circuit arrangement for taking into account highly noisy small signals in the signal processing in the measurement technique,

Fig. 2B die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung bei der Auswertung verrauschter Kleinsignale in der Meßtechnik, FIG. 2B, the application of the circuit according to the invention, in the evaluation of noisy small signals in measurement technology

Fig. 3A die Anwendung bei einer üblichen Hochfrequenz- Empfangsstufe, Fig. 3A, the use in a conventional radio frequency receiver stage,

Fig. 3B die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung zur Trennung von Signal- und Träger-Anteilen in einem empfangenen Hochfrequenz-Signal. Fig. 3B, the application of the circuit according to the invention for the separation of signal and carrier portions in a received high-frequency signal.

Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau ein selektiven Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 shows the basic structure of a selective circuit according to the present invention.

Die in Fig. 1 dargestellte selektive Schaltung 1 ist zweikana lig aufgebaut und enthält ferner einen Sinus-Cosinus-Generator 2, der abhängig von einem vorgegebenen Frequenzsignal f₀ sowohl ein Sinuswellensignal als auch Cosinuswellensignal gleicher darauf abgestimmter Kreisfrequenz x erzeugt. Der erste Kanal enthält einen ersten Multiplizierer M1, der das verrauschte Eingangssignal s(yt) sowie das Sinuswellensignal sin (x) empfängt. Das Ausgangssignal des ersten Multiplizierers M1 wird in einem ersten Filter F1 gefiltert, bei dem es sich um ein Tiefpaß- oder Bandpaßfilter mit, bei niederfrequenten und Gleich-Eingangssignalen, der Mittenfrequenz f₀ handelt. Das gefilterte Ausgangssignal s₁ wird einem zweiten Multiplizierer M2 zugeführt, der ferner ebenfalls das Sinuswellensignal sin (x) empfängt. Das Ausgangssignal sf₁ des zweiten Multipli zierers M2 wird einem Addierer A1 zugeführt.The illustrated in Fig. 1 selective circuit 1 is constructed zweikana lig and further includes a sine-cosine generator 2 which depends on a predetermined frequency signal f _0, both a sine wave signal and cosine wave signal of the same coordinated thereon angular frequency x generated. The first channel contains a first multiplier M 1 , which receives the noisy input signal s (yt) and the sine wave signal sin (x). The output signal of the first multiplier M 1 is filtered in a first filter F 1 , which is a low-pass or band-pass filter with, in the case of low-frequency and DC input signals, the center frequency f ₀ . The filtered output signal s ₁ is fed to a second multiplier M 2 , which also receives the sine wave signal sin (x). The output signal sf _{1 of} the second multiplier M 2 is fed to an adder A 1 .

Im zweiten Kanal wird in ähnlicher Weise das verrauschte Eingangssignal s(yt) einem dritten Multiplizierer M3 zugeführt, der dieses Signal mit dem Cosinuswellensignal cos (x) vom Sinus-Cosinus-Generator 2 multipliziert. Das Ausgangssignal vom dritten Multiplizierer M3 wird in einem zweiten Filter F2, das zum ersten Filter F1 identisch ist, gefiltert, wobei das Ausgangssignal s₂ des zweiten Filters F₂ einem vierten Multiplizierer M4 zugeführt wird, der es ferner ebenfalls mit dem Cosinuswellensignal cos (x) multipliziert. Das Ausgangssignal sf₂ des vierten Multiplizierers M4 wird ebenfalls dem Addierer A1 zugeführt. Das Ausgangssignal s₀ des Addierers A1 ist das Ausgangssignal der selektiven Schaltung 1 und entspricht dem von Rauschanteilen befreiten Eingangssignal s(yt) und kann in beliebiger Weise weiterverarbeitet werden.In the second channel, the noisy input signal s (yt) is fed to a third multiplier M 3 , which multiplies this signal by the cosine wave signal cos (x) from the sine-cosine generator 2 . The output signal from the third multiplier M 3 is filtered in a second filter F 2 , which is identical to the first filter F 1 , the output signal s _{2 of} the second filter F _{2 being} fed to a fourth multiplier M 4 , which is also also used with the Multiplied cosine wave signal cos (x). The output signal sf _{2 of} the fourth multiplier M 4 is also fed to the adder A 1 . The output signal s _{0 of} the adder A 1 is the output signal of the selective circuit 1 and corresponds to the input signal s (yt) freed from noise components and can be further processed in any manner.

Als Bauteile der selektiven Schaltung 1 können handelsübliche Bauteile verwendet werden, beispielsweise die Typen CA3028 und CA3049 der Fa. RCA oder der Typ AD632 der Fa. Analog Devices. Die Bandbreite der Filter richtet sich dabei nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Commercially available components can be used as components of the selective circuit 1 , for example the types CA3028 and CA3049 from the company RCA or the type AD632 from the company Analog Devices. The bandwidth of the filters depends on the respective application.

Wenn mehrere gleichgeartete jedoch auf unterschiedliche Para meter eingestellte selektive Schaltungen 1 parallelgeschaltet sind, kann ein verrauschtes Eingangssignal hinsichtlich jeweils bestimmter Eingangssignalkomponenten ausgewertet werden.If a plurality of selective circuits 1 of the same type but set to different parameters are connected in parallel, a noisy input signal can be evaluated with respect to particular input signal components.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Vorgehensweise wird weiter unten anhand Fig. 3B erläutert werden.An advantageous development of this procedure will be explained below with reference to FIG. 3B.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zwei besonderer Anwendungen näher erläutert.The invention will be explained in the following based on two particular ones Applications explained in more detail.

Fig. 2A zeigt eine herkömmliche Schaltungsanordnung bei der Signalverarbeitung verrauschter Kleinsignale in der Meßtechnik. Bei der Schaltung gemäß Fig. 2 wird ein sogenannter lock-in-Verstärker 11 verwendet, der eine Frequenz- und eine Phasenreferenz zum Eingangssignal voraussetzt, um stark verrauschte Kleinsignale auswerten und verstärken zu können (vgl. Analog Device′s Linear Products Databook, 1988, S. 9-16). Fig. 2A shows a conventional circuit arrangement in the signal processing noisy small signals in the measuring technique. In the circuit of Fig. 2 11 is used a so-called in amplifier lock-, which requires a frequency and a phase reference to the input signal to analyze very noisy low level signals and to be able to enhance (see FIG. Analog Device's Linear Products Data Book 1988 , Pp. 9-16).

Bei der Schaltung gemäß Fig. 2A wird das wiederzugewinnende Meßsignal in einem Signalgenerator 12 erzeugt und über eine Dämpfungsstufe 13 dem lock-in-Verstärker 11 zugeführt. Ferner muß eine Phasenreferenz bzw. ein Trägersignal von dem Signalgenerator 12 direkt dem lock-in-Verstärker 11 zugeführt werden, weshalb der Generator auch ein Modulatorschaltungsteil enthalten muß. Das Ausgangssignal des lock-in-Verstärkers 11 wird dann mittels eines Tiefpaßfilters von unerwünschten hochfrequenten Anteilen befreit und kann weiterverarbeitet werden.In the circuit of Fig. 2A is generated, the measuring signal to be recovered in a signal generator 12 and supplied via an attenuator stage 13 to the lock-in amplifier 11. Furthermore, a phase reference or a carrier signal from the signal generator 12 must be fed directly to the lock-in amplifier 11 , which is why the generator must also contain a modulator circuit part. The output signal of the lock-in amplifier 11 is then freed from undesirable high-frequency components by means of a low-pass filter and can be processed further.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen selektiven Schaltung 1 beim gleichen Anwendungsfall ist in Fig. 2B dargestellt. Eine Phasenreferenz bzw. ein Trägersignal, das von dem Signalgenerator 12 zugeführt werden müßte, ist nicht mehr erforderlich, weshalb auch ein Modulatorschaltungsteil nicht mehr notwendig ist. Auch ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter ist nicht mehr erforderlich, vielmehr liegt am Ausgang der selektiven Schaltung 1 das nicht mehr verrauschte Kleinsignal alleine vor und kann ausgewertet werden. Es ist lediglich erforderlich, die Mittenfrequenz der Filter der selektiven Schaltung 1, d. h. die Schwingungsfrequenz deren Sinus-Cosinus-Generators 2, also die Frequenz f₀ zutreffend einzustellen. Ist nämlich die Bedingung s(yt)=s(xt)-k erfüllt, so ist das Ausgangssignal der selektiven Schaltung 1 identisch mit dem ursprünglichen nicht verrauschten Kleinsignal. Diese Konstante k stellt jedoch die Mittenfrequenz der Filter F1 und F2 der selektiven Schaltung 1 dar. Die selektive Schaltung 1 kann auch hier mittels handelsüblicher Bauelemente aufgebaut sein, z. B. mit Multiplizierern vom Typ AD 632 der Fa. Analog Devices für Eingangssignale 1 MHz. Empfehlenswert sind als Filter Piezo-Bandpaßfilter.The application of the selective circuit 1 according to the invention in the same application is shown in FIG. 2B. A phase reference or a carrier signal, which would have to be supplied by the signal generator 12 , is no longer required, which is why a modulator circuit part is no longer necessary. A downstream low-pass filter is also no longer required; rather, the small signal that is no longer noisy is alone at the output of the selective circuit 1 and can be evaluated. It is only necessary to appropriately set the center frequency of the filters of the selective circuit 1 , ie the oscillation frequency of their sine-cosine generator 2 , that is to say the frequency f ₀ . If the condition s (yt) = s (xt) -k is met, the output signal of the selective circuit 1 is identical to the original noiseless small signal. However, this constant k represents the center frequency of the filters F 1 and F 2 of the selective circuit 1. The selective circuit 1 can also be constructed here by means of commercially available components, for. B. with multipliers of the type AD 632 from Analog Devices for input signals 1 MHz. Piezo bandpass filters are recommended.

Ein ähnlicher Schaltungsaufbau ergibt sich bei anderen Anwendungen für die Verarbeitung von Kleinsignalen, wie beispielsweise bei der Signalanalyse. Beispielsweise können herkömmliche komplizierte Schaltungen für die Fast-Fourier-Transformation (FFT) durch Schaltungsanordnungen ersetzt werden, die die erfindungsgemäße selektive Schaltung 1 verwenden. Die FFT-Analyse besteht im wesentlichen darin, daß die Fourier-Koeffizienten aus dem digitalisierten Eingangssignal mit einer bestimmten Auflösung berechnet und dadurch zur Fourier-Darstellung des Signals verwendet werden. Diese Fourier-Darstellung zeigt dann, welche Frequenzkomponenten im Signal enthalten sind (sowie weitere Informationen, die hier nicht von Bedeutung sind). Wenn das Eingangssignal in digitalisierter Form (als Reihe von Zahlen) zur Verfügung steht, können die einzelnen Blöcke aus Fig. 1 als Rechenblöcke oder Algorithmus-Schritte betrachtet werden, wobei man die Sinuswellen- und Cosinuswellensignale der Frequenz f₀ numerisch erzeugt, die Filter durch Digitalfilter n-ter Ordnung der Durchlaßbandbreite b ersetzt und ganz normale Zahlenmultiplikationen und eine Addition nach dem vorgegebenen Prinzip durchführt. Das Ausgangssignal wird dann als Zahlenreihe gewonnen, wie das Eingangssignal, und kann weiterverarbeitet werden. Unter Beibehaltung des Parameters b wird dann f₀ in einem vorgegebenen Bereich verstellt, d. h. die Sinuswellen- und Cosinuswellensignale werden dementsprechend berechnet, und der Rechenvorgang wird wiederholt. Das führt dazu, daß die verschiedenen Frequenzkomponenten, die im Eingangssignal enthalten sind, voneinander getrennt und als Ausgangssignale geliefert werden. Das ist aber eine Signalanalyse, daß gezielt unerwünschte niederfrequente und/oder hochfrequente Anteile sicher beseitigt werden können.A similar circuit structure results in other applications for processing small signals, such as in signal analysis. For example, conventional complicated circuits for the Fast Fourier Transform (FFT) can be replaced by circuit arrangements which use the selective circuit 1 according to the invention. The FFT analysis essentially consists in the fact that the Fourier coefficients are calculated from the digitized input signal with a certain resolution and are thus used for the Fourier representation of the signal. This Fourier representation then shows which frequency components are included in the signal (as well as other information that is not important here). If the input signal is available in digitized form (as a series of numbers), the individual blocks from FIG. 1 can be considered as arithmetic blocks or algorithm steps, whereby the sine wave and cosine wave signals of frequency f _{0 are} generated numerically, the filters by Digital filter of the nth order of the pass band width b is replaced and normal number multiplications and additions are carried out according to the specified principle. The output signal is then obtained as a series of numbers, like the input signal, and can be processed further. While maintaining parameter b, f ₀ is then adjusted in a predetermined range, ie the sine wave and cosine wave signals are calculated accordingly, and the calculation process is repeated. As a result, the various frequency components contained in the input signal are separated from one another and supplied as output signals. But this is a signal analysis that specifically undesired low-frequency and / or high-frequency components can be safely eliminated.

Ein weiterer nicht im Detail dargestellter Anwendungsfall besteht in der Ausnutzung der guten Eigenschaften mechanischer Resonatoren, die Quarze und Piezo- oder Keramik-Filter verwenden. Deren Eigenschaften und Frequenzbereiche sind zwar konstruktionsbedingt vorgegeben, jedoch kann mit der erfindungsgemäßen selektiven Schaltung 1 der ausgangsseitig erwünschte Frequenzbereich selektiv herausgefiltert bzw. gewählt werden.Another application, not shown in detail, is the exploitation of the good properties of mechanical resonators that use quartz and piezo or ceramic filters. Although their properties and frequency ranges are predetermined by design, the frequency range desired on the output side can be selectively filtered out or selected using the selective circuit 1 according to the invention.

Die erfindungsgemäße selektive Schaltung 1 ist auch bei hochfrequenztechnischen bzw. nachrichtentechnischen Anwendungen anwendbar. Sie eignet sich insbesondere als Trenn- oder Empfangsfilter bei Kommunikationssystemen aller Art. Dies beruht darauf, daß sowohl die erwünschte Frequenz als auch die erwünschte Bandbreite außerordentlich genau eingestellt und damit vorgegeben werden können.The selective circuit 1 according to the invention can also be used in high-frequency or communications applications. It is particularly suitable as a separating or receiving filter in communication systems of all kinds. This is based on the fact that both the desired frequency and the desired bandwidth can be set extremely precisely and can thus be predetermined.

Dies sei anhand Fig. 3A erläutert. This will be explained with reference to FIG. 3A.

Ein Hochfrequenzsignal wird über eine Antenne 15 empfangen und einem RF-Verstärker mit Mischstufe 16 zugeführt, der ein geeignetes Frequenzsignal von einem Oszillator 17 empfängt. Das Ausgangssignal des RF-Verstärkers 16 wird über einen Bandpaß 18 geführt und in einer Zwischenfrequenzstufe 19 verarbeitet. Ein derartiger Schaltungsaufbau ist für alle Modulationsverfahren geeignet. Die Zwischenfrequenzstufe 19 dient im wesentlichen einer selektiven Verstärkung des gemischten Signals. Die zu verwendende Zwischenfrequenz hat je nach Anwendungsfall einen festen Wert. Sie bestimmt die Qualität des Empfangs aufgrund der selektiven Eigenschaften unter der Voraussetzung, daß der Oszillator 17 stabil ist.A high-frequency signal is received via an antenna 15 and fed to an RF amplifier with a mixing stage 16 , which receives a suitable frequency signal from an oscillator 17 . The output signal of the RF amplifier 16 is passed over a bandpass filter 18 and processed in an intermediate frequency stage 19 . Such a circuit structure is suitable for all modulation methods. The intermediate frequency stage 19 essentially serves for selective amplification of the mixed signal. The intermediate frequency to be used has a fixed value depending on the application. It determines the quality of reception based on the selective properties, provided that the oscillator 17 is stable.

Als Zwischenfrequenzstufe 19 eignet sich insbesondere die erfindungsgemäße selektive Schaltung 1, da sie sehr selektiv arbeitet, wobei darüber hinaus die Zwischenfrequenz der Freqenz f₀ des Sinus-Cosinus-Generators 2 entspricht und sehr genau fixierbar ist.Selective circuit 1 according to the invention is particularly suitable as intermediate frequency stage 19 , since it operates very selectively, the intermediate frequency also corresponding to frequency f ₀ of sine-cosine generator 2 and being able to be fixed very precisely.

Eine weitere Möglichkeit ist, die ganze Schaltung der Fig. 3A durch die Schaltung gemäß Fig. 1 zu ersetzen. Mit der einmaligen Einstellung des Parameters b auf z. B. 20 kHz werden die Trägerfrequenz und das Signalspektrum wie bei Fig. 3A empfangen und weitergeleitet. Der Unterschied besteht nur darin, daß bei der Verwendung der Schaltung aus Fig. 1 eine Zwischenstufe kaum mehr notwendig ist. Durch die hohen selektiven Eigenschaften ist das empfangene Signal dem Demodulator bereits direkt zuführbar.Another possibility is to replace the entire circuit of FIG. 3A with the circuit of FIG. 1. With the one-time setting of parameter b to z. B. 20 kHz, the carrier frequency and the signal spectrum are received and forwarded as in FIG. 3A. The only difference is that when using the circuit from FIG. 1, an intermediate stage is hardly necessary. Due to the high selective properties, the received signal can already be fed directly to the demodulator.

Fig. 3B zeigt die Anwendung als Zweiwege-Direktempfangsstufe (insbesondere für Hochfrequenzsignale). Fig. 3B shows the application of a two-way direct reception level (in particular for high frequency signals).

Die Schaltung gemäß Fig. 3B geht aus von einer Parallelschaltung mehrerer selektiver Schaltungen 1 gemäß Fig. 1, zieht jedoch darüber hinaus Nutzen daraus, daß das verrauschte Eingangssignal in allen Kanälen zunächst mit dem Sinus- bzw. dem Cosinuswellensignal zu multiplizieren ist. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3B bildet daher parallele Unterkanäle im jeweiligen Kanal nach dem ersten bzw. dem dritten Multiplizierer M1 bzw. M3. Hierdurch können Bauelemente eingespart werden.The circuit according to FIG. 3B is based on a parallel connection of a plurality of selective circuits 1 according to FIG. 1, but also takes advantage of the fact that the noisy input signal in all channels must first be multiplied by the sine or cosine wave signal. Therefore, the circuit arrangement of FIG. 3B forms parallel sub-channels in the respective channel after the first and the third multiplier M 1 and M 3. Components can be saved in this way.

Im ersten Kanal (mit dem ersten Multiplizierer M1) erfolgt dann die Aufteilung auf mehrere parallele Unterkanäle mit Filtern F11, F12 ... und zweiten Multiplizierer M21, M22 ... In gleicher Weise ist der zweite Kanal nach dem dritten Multiplizierer M3 aufgeteilt auf mehrere parallele Unterkanäle mit Filtern F21, F22 ... bzw. vierten Multiplizierern M41, M42 ..., wobei die Ausgangssignale der paarweise zueinander gehörigen Unterkanäle von erstem und zweitem Kanal, das sind die Unterkanäle, deren Filter auf die gleiche Durchlaßbandbreite abgestimmt sind, einem jeweiligen Addierer A11, A12 ... zugeführt sind.The first channel (with the first multiplier M 1 ) is then divided into several parallel subchannels with filters F 11 , F 12 ... and second multipliers M 21 , M 22 ... In the same way, the second channel is after the third Multiplier M 3 divided into several parallel subchannels with filters F 21 , F 22 ... and fourth multipliers M 41 , M 42 ..., the output signals of the paired subchannels of the first and second channel, that is the subchannels, whose filters are tuned to the same pass bandwidth, a respective adder A 11 , A 12 ... are supplied.

Gemäß Fig. 3B ist in Anlehnung an die erwähnte Anwendung (vgl. Fig. 3A) mittels je zweier Unterkanäle selektiv das Signalspektrum vom Träger trennbar, wobei darüber hinaus Rauschanteile und störende Nebenfrequenzeinflüsse jeweils beseitigt sind. Die schematisch als RC-Glieder dargestellten Filter sind lediglich auf die bestimmten Frequenzbereiche einzustellen. Beispielsweise genügt es, das erste Filter und das zweite Filter F11 bzw. F21 im ersten Unterkanal von erstem und zweitem Kanal auf eine Bandbreite von b=10 Hz einzustellen, um das Trägersignal herauszufiltern, während zweckmäßig für das Signalspektrum erstes und zweites Filter F12 bzw. F22 der zweiten Unterkanäle beider Kanäle auf das Signalspektrum abgestimmt sind, wobei zweckmäßig sogar eine variable Einstellung möglich sein sollte. Die Durchlaßbandbreite wird hier auf b=20 kHz bis b=100 kHz eingestellt. Die Ausgangssignale von den jeweiligen Addierern A11 bzw. A12 können dann getrennt einem Demodulator zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.According to FIG. 3B, the signal spectrum can be selectively separated from the carrier by means of two subchannels in accordance with the application mentioned (cf. FIG. 3A), with noise components and disturbing secondary frequency influences also being eliminated. The filters shown schematically as RC elements are only to be set to the specific frequency ranges. For example, it is sufficient to set the first filter and the second filter F 11 or F 21 in the first subchannel of the first and second channels to a bandwidth of b = 10 Hz in order to filter out the carrier signal, while expediently for the signal spectrum, first and second filters F 12 and F 22 of the second subchannels of both channels are matched to the signal spectrum, whereby a variable setting should expediently even be possible. The pass bandwidth is set here to b = 20 kHz to b = 100 kHz. The output signals from the respective adders A 11 and A 12 can then be fed separately to a demodulator for further processing.

Insgesamt zeigt sich, daß bei einfachem Schaltungsaufbau, der insbesondere unter Verwendung handelsüblicher Bauelemente verwirklicht werden kann, hohe Selektivität in allen Frequenzbereichen erreicht werden kann, wobei als bestimmende Parameter sowohl die Frequenz des Sinus-Cosinus-Generators 2 als auch die Durchlaßbreite der verwendeten Filter fest oder verstellbar sein können, und im verstellbaren Fall keinen nachteiligen Einfluß auf den jeweils anderen Parameter besitzen.Overall, it can be seen that, with a simple circuit structure, which can be implemented in particular using commercially available components, high selectivity can be achieved in all frequency ranges, with both the frequency of the sine-cosine generator 2 and the passband width of the filters used being the determining parameters or can be adjustable, and in the adjustable case have no adverse influence on the other parameter.

Claims

1. A method for increasing the signal-to-noise ratio of noisy input signals, characterized in that
that the noisy input signals are divided into two channels,
that in one channel the noisy input signals are multiplied by a sine wave signal, pass-filtered and multiplied again by the same sine wave signal,
that the noisy input signals are multiplied by a cosine wave signal in the other channel, pass-filtered and multiplied again by the same cosine wave signal,
that sine wave signal and cosine wave signal have the same frequency and
that the output signals of both channels are added.

2. The method according to claim 1, marked by low pass filtering.

3. The method according to claim 1, marked by a bandpass filtering.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that it is carried out several times in parallel.

5. The method according to claim 4, characterized, that the multiplied noise in each channel Input signal filtered in several subchannels and is multiplied again and the output signals each a subchannel of the first and second channel in pairs be added.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized, that an input signal is supplied in digitized form, that the sine wave and cosine wave signal digitized (numerical), and that the Filtering by means of digital filters and multiplication and Adding can be done digitally.

7. The method according to claim 6, characterized in that while maintaining the pass bandwidth (b) during filtering, the frequency determining the sine wave and the cosine wave signal (f ₀ ) is successively changed to separate different signal components in the input signal for signal analysis.

8. Selective circuit for increasing the signal-to-noise ratio of noisy input signals, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 7, characterized in that
that a sine-cosine generator ( 2 ) emits a sine wave signal and a cosine wave signal of the same frequency f ₀ , that in a first channel a first multiplier (M 1 ) multiplies the noisy input signal and the sine wave signal multiplies a first filter (F 1 ; F 11 , F 12 ...) the output signal of the first multiplier (M 1 ) pass-filtered and a second multiplier (M 2 ; M 21 , M 22 ...) the pass-filtered signal of the first filter (F 1 ; F 11 , F 12 .. .) multiplied by the sine wave signal,
that in a second channel a third multiplier (M 3 ) multiplies the noisy input signal and the cosine wave signal, a second filter (F 2 ; F 21 ; F 22 ...) of the same bandwidth as the first filter (F 1 ; F 11 , F 12 ...) pass-filters the output signal of the third multiplier (M 3 ) and a fourth multiplier (M 4 ; M 41 , M 42 ...) filters the pass-filtered signal of the second filter (F 2 ; F 21 , F 22 ... ) multiplied by the cosine wave signal and
that an adder (A 1 ; A 11 , A 12 ...) adds the output signals of the second and fourth multipliers (M 2 , M 4 ; M 21 , M 41 , M 22 , M 42 ...).

9. Selective circuit according to claim 8, characterized by a fixed frequency generator ( 2 ).

10. Selective circuit according to claim 8, characterized by a variable frequency generator ( 2 ).

11. Selective circuit according to one of claims 8 to 10, characterized, that it is arranged several times in parallel.

12. Selective circuit according to claim 11, characterized in that the first filter (F 11 ) and the second multiplier (M 21 ) and the second filter (F 21 ) and the fourth multiplier (M 41 ) each have series connections from a further filter ( F 12 ; F 22 ) and a multiplier (M 22 , M 42 ) are connected in parallel, which are connected accordingly in pairs to a respective further adder (A 12 ).

13. Selective circuit according to one of claims 8 to 12, characterized in that the filters (F 1 , F 2 ; F 11 , F 12 ..., F 21 , F 22 ...) are low-pass filters of the pass bandwidth b.

14. Selective circuit according to one of claims 8 to 12, characterized in that the filters (F 1 , F 2 ; F 11 , F 12 ..., F 21 , F 22 ...) are bandpass filters of the pass bandwidth b.

15. Selective circuit according to claim 13 or 14, characterized, that the pass bandwidth is very small.

16. Selective circuit according to one of claims 8 to 15, characterized in that the frequency f ₀ of the generator (2) at a low frequency or a DC input signal of the center frequency of the filter (F 1, F 2).

17. Application of the method according to one of claims 1 to 7 or the selective circuit according to one of claims 8 to 16 when processing very noisy small signals in the Measuring technology.

18. Application of the method according to one of claims 1 to 7 or the selective circuit according to one of claims 8 to 16 in signal analysis of analog or digital signals.

19. Application of the method according to one of claims 1 to 7 or the selective circuit according to one of claims 8 to 16 along with mechanical resonators in from the fixed frequency of the resonators differing frequency ranges.

20. Application of the method according to one of claims 1 to 7 or the selective circuit according to one of claims 8 to 16 as a separation or reception filter when receiving noise communications signals.

21. Application of the method according to claim 4 or 5 or the device according to claim 11 or 12 in a two-way direct reception stage, in the first and second filters (F 11 , F 21 ) in their pass bandwidth on the carrier frequency and the respective parallel filter (F 12 , F 22 ) are matched in their passband bandwidth to the at least one signal spectrum of interest.