DE4020633A1 - Circuit for time variant spectral analysis of electrical signals - uses parallel integration circuits feeding summation circuits after amplification and inversions stages - Google Patents
Circuit for time variant spectral analysis of electrical signals - uses parallel integration circuits feeding summation circuits after amplification and inversions stagesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur zeitvariaten Spektralanalyse elektrischer Signale s(t), die aus sinusförmigen Teilschwingungen (yi(t) zusammengesetzt sind, deren Frequenzen fi um bekannte Mittelwerte f₀i schwanken. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das zu analysierende Signal s(t) parallel n (n - bekannte Anzahl der Teilschwingungen) Rechenschaltungen Ri (i = 1, . . ., n) zugeführt wird, die, bezogen auf einen gleichen Zeitpunkt t, fortlaufend eine dem IntegralThe invention relates to a circuit arrangement for the time-variant spectral analysis of electrical signals s (t) which are composed of sinusoidal partial oscillations (y i (t) whose frequencies f i fluctuate around known mean values f i s (t) parallel n (n - known number of partial oscillations) computing circuits R i (i = 1,..., n) is fed, which, based on a same time t, continuously one of the integral
proportionale Größe bilden, die mit einer Wichtung aik (i, k = 1, . . ., n) auf die Eingänge von Summiergliedern Sk geschaltet sind, wobei die aik so abgeglichen sind, daß eine am Eingang anliegende Teilschwingung yi(t) minimale Ausgangssignale xk(t) am Ausgang von Sk (i≠k) erzeugt (Fig. 1). Die am Ausgang einer derartigen Vorrichtung anliegenden Signale xk(t) entsprechen bis auf einen, von fi im Bereich 0,85<=fi/f0i<=1,15 weitgehend unabhängigen Verstärkungsfaktor den Teilsignalen yi(t) mit einer für alle Teilfunktionen gleichen Verzögerung der xi(t) gegenüber s(t), wodurch eine phasengetreue Zerlegung des Originalsignals in seine konstituierenden Komponenten yi(t) erzielt wird. form proportional magnitudes, which are connected to the inputs of summing elements S k with a weighting a ik (i, k = 1,..., n), the a ik being adjusted in such a way that a partial oscillation y i ( t) produces minimal output signals x k (t) at the output of S k (i ≠ k) ( FIG. 1). The signals x k (t) present at the output of such a device correspond to the sub-signals y i (t) with a value largely independent of f i in the range 0.85 <= f i / f 0i <= 1.15 For all subfunctions, the same delay of the x i (t) with respect to s (t), whereby a phase-true decomposition of the original signal is obtained in its constituent components y i (t).
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spektralanalyse elektrischer Signale, die zusammengesetzt sind aus sinuidalen Teilschwingungen, deren Frequenzen um bekannte Mittelwerte schwanken, wie z. B. das Elektroenzephalogramm, die Herzfrequenz und andere natürliche, insbesondere biogene Oszillationen.The invention relates to a circuit arrangement for spectral analysis electrical signals composed of sinuidal Partial vibrations whose frequencies around known mean values to waver, such as B. the electroencephalogram, the heart rate and other natural, especially biogenic oscillations.
Frequenzanalysatoren auf analoger und/oder digitaler Basis gehören seit langem zum Stand der Technik. Bezogen auf die Spezifik der vorliegenden Lösung können diese in zwei Gruppen unterteilt werden: a) formal-mathematische Analysatoren, die die Zerlegung des zu untersuchenden Signals ohne einen direkten Bezug zu den tatsächlichen Konstituenten bewirken, und b) konstituentenbezogene Analysatoren, die eine Zerlegung des Signals in inhaltlich determinierte Bestandteile zum Ziel haben, zumeist auf der Grundlage von Filterbänken.Frequency analyzers on analog and / or digital basis include for a long time the state of the art. Related to the specifics The present solution can be divided into two groups are: a) formal-mathematical analyzers that decomposition of the signal to be examined without a direct reference to the effectual constituents, and b) constituent-related Analyzers that decompose the signal in terms of content Determine deterministic components, mostly on the basis of filter banks.
Für die Gruppe a) können die sog. Fourieranalysatoren als Prototyp benannt werden. Ihr Vorteil besteht in dem streng formalisierten mathematischen Apparat, der auch als Basis für entsprechende digitale Schaltungsanordnungen dient. Ihr Nachteil besteht im wesentlichen darin, daß die als Ergebnis ermittelten Werte nicht auf die tatsächlichen Komponenten bezogen sind, sondern auf die eines artifiziellen orthogonalen Funktionssystems. Damit geht der Prozeßbezug weitgehend verloren. Nachteilig ist ferner, daß sich die Ergebnisse auf Zeitintervalle und nicht auf Zeitpunkte beziehen, wodurch die zeitliche Auflösung eingeschränkt wird. Als ein erheblicher Mangel ist weiterhin die vorausgesetzte Stationarität des Signals zu sehen, wodurch die Untersuchung häufig interessierender instationärer Vorgänge a priori außerhalb der Betrachtung verbleibt. Auftretende Instationaritäten bewirken außerdem Fehler in den Ergebnissen.For group a) the so-called Fourier analyzers can be used as a prototype be named. Their advantage is the strictly formalized one mathematical apparatus, which also serves as the basis for appropriate digital circuitry is used. Their disadvantage is essentially in that the values determined as the result not based on the actual components, but on that of an artificial orthogonal functional system. It works the process reference largely lost. Another disadvantage is that the results look at time intervals and not at times which limits the temporal resolution. When a considerable deficiency remains the presupposed stationarity see the signal, causing the investigation frequently interesting transient processes a priori outside the Contemplation remains. Cause occurring instationarities also errors in the results.
Dagegen sind Filterbänke (Gruppe b) zumeist auf die natürlichen Frequenzbänder justiert. Ihr Vorteil besteht in ihrem Prozeßbezug und in der Möglichkeit der Erfassung und Analyse auch instationärer Abläufe. Nachteilig wirkt sich aus, daß der Übertragungskoeffizient der Bandfilter über den eingestellten Frequenzbereich nicht konstant ist. Oszillationen am Rande des Übertragungsbereichs werden im Vergleich zu mittigen Frequenzen gedämpft, woraus Verfälschungen resultieren. Zur Sicherung eines annähernd konstanten Übertragungsverhaltens über den Gesamtbereich der möglichen Frequenzen ist eine partielle Überlappung angrenzender Frequenzbereiche nicht zu umgehen. Daraus ergibt sich ein unerwünschtes "Mitklingen" bzw. "Übersprechen". Bedingt durch die Forderung, die Teilschwingungen über den betreffenden Bereich phasenverschiebungsfrei zu übertragen, machen sich aufwendige Schaltungsanordnungen erforderlich, die ihre ökonomische Widerspiegelung in relativ hohen Kosten finden. Ferner wirkt sich die für jede Schaltung vorhandene An- und Abklingzeit negativ aus, die ohnehin bewirkt, daß die bei instationären Oszillationen (z. B. biogener Natur) stets vorhandenen Variationen von Frequenz und Amplitude zeitlich verschleppt, mithin also nicht zeitgetreu abgebildet werden. Dadurch wird auch die eingangs als Vorteil postulierte Möglichkeit der Analyse von Instationaritäten relativiert.In contrast, filter banks (group b) are mostly natural Frequency bands adjusted. Their advantage lies in their process reference and in the possibility of detection and analysis also unsteady Processes. The disadvantage is that the transmission coefficient the band filter over the set frequency range is not constant. Oscillations at the edge of the transmission range are attenuated compared to central frequencies, from which Falsifications result. To secure an approx constant transmission behavior over the entire range of possible frequencies is a partial overlap adjacent Frequency ranges can not be avoided. This results in an undesirable "Mitklingen" or "crosstalk". Due to the Demand, the partial oscillations over the area concerned Transfer phase-free, make consuming Circuit arrangements required their economic reflection in relatively high costs. Furthermore, the affects Negative arrival and decay time for each circuit negative, which in any case causes the unsteady oscillations (eg biogenic nature) always present variations of frequency and amplitude delayed in time, therefore not true to time be imaged. This is also the beginning as an advantage postulated possibility of analysis of instationarities relativized.
Ziel der Erfindung ist es, die zeitlichen Änderungen der Anteile eines Signals, bestehend aus sinusförmigen Komponenten, deren Frequenzen um bekannte Mittelwerte schwanken, mit hoher Phasen-, Frequenz- und Amplitudentreue zu erfassen. The aim of the invention is the temporal changes of the proportions a signal consisting of sinusoidal components whose Frequencies around known averages vary, with high phase, To capture frequency and amplitude fidelity.
Gegenüber vergleichbaren Lösungen des Standes der Technik ist die vorliegende durch folgende Besonderheiten charakterisiert:Compared with comparable solutions of the prior art is the present characterized by the following features:
- 1. Die komponentenspezifische Beschränkung des Analysenintervalls auf etwa 1 Periodenlänge der jeweiligen Teilschwingung bewirkt vergleichsweise geringe An- und Abklingzeiten und eine hohe zeitliche Auflösung.1. The component-specific limitation of the analysis interval effected to about 1 period length of the respective partial oscillation comparatively low on and off times and a high temporal resolution.
- 2. Die Festlegung der Integrationsgrenzen gemäß (1a) bzw. (2a) gewährleistet einen relativ konstanten (von der tatsächlichen Frequenz der Teilschwingung weitgehend unabhängigen) Übertragungsfaktor im Frequenzbereich: 0,85 <= fi/f0i <= 1,15 nach Anspruch 1,0,75 <= fi/f0i <(= 1,25 nach Anspruch 2.2. The determination of the integration limits according to (1a) or (2a) ensures a relatively constant (independent of the actual frequency of the partial vibration) transmission factor in the frequency range: 0.85 <= f i / f 0i <= 1.15 according to claim 1.0.75 <= f i / f 0i <(= 1.25 according to claim 2).
- 3. Die phasengetreue Auflösung und die Synchronisation der Parallelschaltung auf einen gemeinsamen Zeitpunkt t bewirkt mittels der nachfolgenden Verkopplung und Wichtung eine Kompensation des Übersprechens der Teilschwingungen, wodurch eine befriedigende Separation auch von frequenzmäßig stark benachbarten Komponenten erzielt wird.3. The phase-accurate resolution and the synchronization of the parallel connection to a common time t effected by means of the subsequent coupling and weighting compensation the crosstalk of the partial oscillations, whereby a satisfactory Separation also of frequencies strongly adjacent Components is achieved.
Das Ausführungsbeispiel (Fig. 2) bezieht sich auf die Zerlegung eines Elektroencephalogramms (EEG) nach Anspruch 1 in seine natürlichen Komponenten Delta, Theta, Alpha und Beta unter Zugrundelegung folgender Frequenzbereiche:The exemplary embodiment ( FIG. 2) relates to the decomposition of an electroencephalogram (EEG) according to claim 1 into its natural components delta, theta, alpha and beta on the basis of the following frequency ranges:
Delta: 1,75-3,5 Hz;
Theta: 3,5-7,0 Hz;
Alpha: 7,0-14,0 Hz;
Beta: 14,0-28,0 Hz.Delta: 1.75-3.5 Hz;
Theta: 3.5-7.0 Hz;
Alpha: 7.0-14.0 Hz;
Beta: 14.0-28.0 Hz.
Das gemessene und verstärkte elektrische Signal s(t) - das EEG - wird zunächst mit einem vorzugsweise integrierten AD-Wandlerbaustein (z. B. AD 571) in Zeitabständen von ca. Δt = 2,34 ms digitalisiert und mittels einer Mikroprozessorschaltung MP₀ über deren Eingangstorschaltung E vom Datenbus DB gelesen und in einen als Schieberegister SR₀ fungierenden Arbeitsspeicher vom Typ eines statischen RAM-Schaltkreises (z. B. U 6264) eingeschrieben, der mit der Prozessorschaltung über den Speicherbus SB verbunden ist.The measured and amplified electrical signal s (t) - the EEG - is first with a preferably integrated AD converter module (eg AD 571) digitized at intervals of approximately Δt = 2.34 ms and by means of a microprocessor circuit MP₀ on their Input gate E read from the data bus DB and in a as Shift register SR₀ acting memory type one Static RAM circuit (eg U 6264) inscribed, the is connected to the processor circuit via the memory bus SB.
Der genutzte Adreßraum des RAM beträgt entsprechend der Periodenlänge der niederfrequentesten Teilschwingung - im EEG die Delta- Schwingung - und der gewählten Abtastrate Δt 128 Speicherplätze. Der üblichen Funktionsweise eines Schieberegisters entsprechend werden dabei die letzten 127 der insgesamt 128 Meßwerte genau um jeweils einen Speicherplatz (z. B. in Richtung höherer Adreßraum) verschoben, der vorderste ("älteste") Wert somit überschrieben (entfernt) und der neue Meßwert auf den freiwerdenden letzten ("jüngsten") Speicherplatz eingeschrieben. The used address space of the RAM is according to the period length the lowest frequency part of the spectrum - in the EEG the delta Oscillation - and the selected sampling rate Δt 128 memory locations. The usual operation of a shift register accordingly In doing so, the last 127 of the total of 128 measured values are exactly converted one memory space each (eg in the direction of a higher address space) shifted, the foremost ("oldest") value thus overwritten (removed) and the new measured value on the released last inscribed ("youngest") storage space.
Für die Bestimmung der Teilschwingungen erfolgt die Bildung eines Berechnungswertes ri gemäß (1), (1a) zuFor the determination of the partial oscillations, the formation of a calculation value r i according to (1), (1a) takes place
aus den Meßwerten eines in SR₀ definierten Speicherbereiches. Die Speicherplatzbereiche der Komponenten sind wie folgt lokalisiert:from the measured values of a storage area defined in SR₀. The Locations of the components are localized as follows:
Jeder Komponente (Teilschwingung) ist gemäß Fig. 1 eine Hybridrechenschaltung - bestehend aus je einer Mikroprozessorschaltung MPI vergleichbar MP₀ (s. a. Fig. 3) für die Deltaschwingung MPD, die Thetaschwingung MPT usw., je einem dieser nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis bekannter Ausführung und einem Summationsverstärker Si mit eingangsseitiger vorzeichengerechter Verstärkung (vgl. (4) und Fig. 4) - zugeordnet.Each component (partial oscillation) is shown in FIG. 1 is a hybrid computing circuit - each consisting of a microprocessor MP I comparable MP₀ (see Fig. 3) for the delta oscillation MP D , the Thetaschwingung MP T , etc., each one of these downstream digital-to-analog converter Circuit of known design and a summing amplifier S i with input-side sign-correct gain (see. (4) and Fig. 4) - assigned.
Nach der in beschriebener Weise erfolgten Meßwertaufnahme und -verschiebung werden die Meßwerte aus den o. g. genannten Speicherbereichen jeweils en Block über das Ausgangstor A der Prozessorschaltung MP₀ und das jeweilige Eingangstor E der Prozessorschaltung MPI zur Berechnung von (3) an die i-te Rechenschaltung, beginnend bei MPD, MPT etc. übergeben, wodurch jeweils anschließend der i-te Berechnungsvorgang initiiert wird.After the measured value recording and shift as described above, the measured values from the above-mentioned memory areas are in each block via the output port A of the processor circuit MP₀ and the respective input port E of the processor circuit MP I for the calculation of (3) to the ith computing circuit. starting at MP D , MP T, etc., which then each of the i-th calculation process is initiated.
Die zeitliche und lokale Synchronisation sowie das Quittungssignalspiel für die Datenübertragung zwischen den Prozessorschaltungen erfolgen nach an sich bekannten Prinzipien des getakteten Datenaustausches (z. B. Handshake) über ausgewählte periphere Signalleitungen der Prozessorschaltung, wobei die die Prozessorschaltungen verbindende Synchronisationsschaltung SYNC unter Verwendung handelsüblicher integrierter Logikschaltkreise beispielsweise der Low-Power-Schottky-Serie 74LS . . . und Decoderschaltkreisen wie 74LS139 aufgebaut ist.The temporal and local synchronization as well as the acknowledgment signal game for data transfer between the processor circuits take place according to known principles of the clocked Data exchange (eg handshake) via selected peripheral Signal lines of the processor circuit, wherein the processor circuits connecting synchronization circuit SYNC under Use of commercially available integrated logic circuits, for example the low-power Schottky 74LS series. , , and decoder circuits as 74LS139 is built.
Fig. 3 zeigt die prinzipielle Ausführung einer Mikroprozessorschaltung MPI, die im wesentlichen aus einem geeigneten Mikroprozessor - beispielsweise einem Einchipmikroprozessor vom Typ U886 (entspricht Z8682) und einer üblichen peripheren Beschaltung mit einem ROM-Programmspeicher (z. B. 2716), einem statischen RAM- Arbeitsspeicher (z. B. U6264), je einem Eingangs- und Ausgangsdatenlatch (z. B. 74ALS583) als Ein- bzw. Ausgangstor, die jeweils in bekannter Weise über schaltungsinterne Daten- und Adreßbus-Leitungen mit dem Prozessor verbunden sind. Die Steuerleitungen Synce und Synca ermöglichen die o. g. Synchronisation mit der Prozessorschaltung MP₀ zur Meßwertaufnahme, die in gleicher Weise aufgebaut ist, jedoch zusätzlich mit dem als Schieberegister SR₀ arbeitenden RAM-Schaltkreis über den Speicherbus SB verbunden ist. Fig. 3 shows the basic design of a microprocessor circuit MP I , which consists essentially of a suitable microprocessor - for example, a U886 single-chip microprocessor (corresponding to Z8682) and a conventional peripheral circuit with a ROM program memory (eg 2716), a static RAM main memory (eg U6264), one input and one output data latch (eg 74ALS583) as an input or output gate, which are each connected in a known manner via circuit-internal data and address bus lines to the processor. The control lines Sync e and Sync a allow the above synchronization with the processor circuit MP₀ for Meßwertaufnahme, which is constructed in the same way, but is additionally connected to the operating as a shift register SR₀ RAM circuit via the memory bus SB.
Die Arbeitsgeschwindigkeit der vier Prozessorschaltungen zur Bestimmung von (3) ist so dimensioniert, daß mit jedem neuen Eingangsmeßwert im Schieberegister SR₀ genau ein Rechenwert ri am Ausgangstor A der jeweiligen Prozessorschaltung MPI zur Verfügung steht. Der diesem Tor nachgeschaltete DA-Wandler (z. B. AD 7520) zur Umsetzung des digitalen Rechenwertes ri in ein z. B. mittels Schreiber registrierbares Analogsignal ist mit jedem der vier Summationsverstärker Si gemäß Fig. 1 so verbunden, daß das jeweilige nun analog vorliegende Berechnungssignal ri* mittels einer an sich bekannten Verstärkeranordnung vorzeichenbehaftet und gewichtet in die i-te Summation nach folgender Tabelle der Verstärkungsfaktoren eingehen kann:The operating speed of the four processor circuits for the determination of (3) is dimensioned such that with each new input measurement value in the shift register SR₀ exactly one calculation value r i is available at the output port A of the respective processor circuit MP I. The downstream of this gate DA converter (eg AD 7520) to implement the digital computing value r i in a z. B. recordable by recorder analog signal is connected to each of the four summation amplifier S i of FIG. 1 that the respective now present analog computation signal r i * signed by means of a per se known amplifier arrangement and weighted in the ith summation of the following table Gain factors can:
wobei die Indices 1 . . . 4 der Faktoren aik die Komponenten Delta bis Beta bezeichnen.where the indices 1. , , 4 of the factors a ik denote the components delta to beta.
Fig. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel eines derartigen Summierverstärkers mit gewichteten Eingängen, wobei für die eingezeichneten Verstärkerelemente (#) handelsübliche integrierte Operationsverstärker z. B. der Serie TL80 einzusetzen sind. Der betreffende Wichtungskoeffizient wird durch den Verstärkungsfaktor Fig. 4 shows the embodiment of such a summing amplifier with weighted inputs, wherein for the marked amplifier elements (#) commercially available integrated operational amplifier z. B. the series TL80 are used. The weighting coefficient in question is determined by the gain factor
vik = -Rik2 / Rik1 (5)v ik = -R ik2 / R ik1 (5)
des ersten invertierenden Verstärkers #1 festgelegt. Die nachfolgend wahlweise Zwischenschaltung eines weiteren invertierenden Verstärkers mit v = -1 dient der polaritätsgerechten Zuführung des gewichteten Signals auf den eigentlichen Summationsverstärker bekannter Ausführung, wobei dessen Vorzeichenumkehr durch den nachfolgenden Verstärker mit v = -1 kompensiert wird.of the first inverting amplifier # 1. The following optionally interposition of another inverting Amplifier with v = -1 serves the polarity-appropriate supply of the weighted signal to the actual summing amplifier known embodiment, its sign reversal by the subsequent amplifier with v = -1 is compensated.
Die elektrischen Ausgangssignale der Gesamtschaltung werden am Ausgang der Summationsglieder abgenommen und entsprechen mit hinreichender Genauigkeit dem Zeitverlauf der Komponenten Delta bis Beta, wobei letztere gegenüber dem Originalsignal s(t) um 64 Abtastpunkte, entsprechend 150 ms, verzögert sind.The electrical output signals of the overall circuit are on Output of the summation elements removed and correspond with sufficient accuracy of the time course of the components delta to beta, the latter compared to the original signal s (t) to 64 sampling points, corresponding to 150 ms, are delayed.
Claims (2)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4020633A DE4020633A1 (en) | 1990-06-26 | 1990-06-26 | Circuit for time variant spectral analysis of electrical signals - uses parallel integration circuits feeding summation circuits after amplification and inversions stages |
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DE4020633A DE4020633A1 (en) | 1990-06-26 | 1990-06-26 | Circuit for time variant spectral analysis of electrical signals - uses parallel integration circuits feeding summation circuits after amplification and inversions stages |
Publications (1)
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DE4020633A1 true DE4020633A1 (en) | 1992-01-02 |
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DE4020633A Withdrawn DE4020633A1 (en) | 1990-06-26 | 1990-06-26 | Circuit for time variant spectral analysis of electrical signals - uses parallel integration circuits feeding summation circuits after amplification and inversions stages |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10026872A1 (en) * | 2000-04-28 | 2001-10-31 | Deutsche Telekom Ag | Procedure for calculating a voice activity decision (Voice Activity Detector) |
US7254532B2 (en) | 2000-04-28 | 2007-08-07 | Deutsche Telekom Ag | Method for making a voice activity decision |
-
1990
- 1990-06-26 DE DE4020633A patent/DE4020633A1/en not_active Withdrawn
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