DE4208257A1

DE4208257A1 - Processing of periodic input signals of fibre ring photodetector - sampling signal, averaging, storing, reading out at lower frequency and digitising

Info

Publication number: DE4208257A1
Application number: DE19924208257
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr Boehm; Peter Dipl Ing Marten
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1992-03-14
Filing date: 1992-03-14
Publication date: 1993-09-16

Abstract

The signal processing method involves sampling the signal at a number of discrete points within the signal period, digitising the samples and averaging over the discrete points. The sampled points are averaged in an analog manner and stored. The stored values are read out at a low readout rate compared to the sampling frequency and digitised. Several harmonics of the fundamental frequency of the periodic input signal are evaluated from the digital signal. USE/ADVANTAGE - E.g. for use with laser gyro. Does not require expensive analogue-to-digital converters or high power consumption.

Description

Die Erfindung betrifft ein Signalverarbeitungsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine An ordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a signal processing method according to the preamble of claim 1 and an order to carry out such a procedure.

Ein derartiges Signalverarbeitungsverfahren ist beispiels weise bekannt aus der DE 30 40 514 A1 für die Anwendung bei einem Faserkreisel. Dabei wird ein eine aufgewickelte Faser durchlaufendes Lichtsignal mit einer Modulationsfre quenz fm phasenmoduliert und das Detektorsignal eines Pho todetektors ausgewertet. Dieses Detektorsignal enthält Wechselsignalanteile der Modulationsfrequenz und höherer Harmonischer. Durch Auswertung einer ungeradezahligen und zweiter geradzahliger Harmonischer (z. B. fm, 2fm, 4fm) kann auch bei schwankender Lichtleistung der Quelle sowie bei schwankendem Phasenhub des Phasenmodulators die Drehrate zuverlässig bestimmt werden. Hierzu wird das pe riodische Signal des Photodetektors mehrfach innerhalb ei ner Periode an zeitdiskreten Stützstellen abgetastet und die Abtastwerte werden digitalisiert. Durch stützstellen weise Mittelwertbildung aus mehreren Digitalwerten kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Da nach dem Nyquist-Theorem die Abtastfrequenz mindestens gleich der doppelten Signalfrequenz der höchsten auszuwertenden Harmonischen sein muß, sind sehr teure A/D-Wandler erfor derlich, die i.a. auch noch einen hohen Leistungsverbrauch aufweisen. Gleiches gilt auch für die Einrichtungen zur Mittelwertbildung.Such a signal processing method is an example known from DE 30 40 514 A1 for use with a fiber gyroscope. One is wound up Fiber-going light signal with a modulation fre quenz fm phase modulated and the detector signal of a Pho evaluated. Contains this detector signal AC signal components of the modulation frequency and higher More harmonious. By evaluating an odd and second even harmonic (e.g. fm, 2fm, 4fm) can also with fluctuating light output of the source as well with fluctuating phase shift of the phase modulator Rotation rate can be determined reliably. For this, the pe periodic signal of the photodetector several times within an egg ner period sampled at discrete time points and the samples are digitized. Through support points wise averaging from multiple digital values the signal-to-noise ratio can be improved. After that the sampling frequency is at least equal to the Nyquist theorem twice the signal frequency of the highest to be evaluated Very expensive A / D converters are required derlich, the i.a. also a high power consumption exhibit. The same applies to the facilities for Averaging calculation.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu grunde, ein Signalverarbeitungsverfahren und eine Anord nung anzugeben, welche die vorbeschriebenen Nachteile ver meiden.The present invention is therefore based on the object reasons, a signal processing method and an arrangement to specify which ver the disadvantages described above avoid.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1, eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens im An spruch 3 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vor teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.The method according to the invention is in claim 1. an order to carry out this method in the An Proverb 3 described. The subclaims contain partial refinements and training.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau licht. Dabei zeigt:The invention is based on examples below Reference to the pictures in detail light. It shows:

Fig. 1 eine Faserkreiselanordnung Fig. 1 shows a gyroscope arrangement

Fig. 2 eine Periode eines Eingangssignals Fig. 2 shows a period of an input signal

Fig. 3 eine Multiplexer/Demultiplexer Anordnung Fig. 3 shows a multiplexer / demultiplexer arrangement

Fig. 4 den Zeitverlauf eines Abtastsignals Fig. 4 shows the time course of a scanning signal

Fig. 5 eine Anwendung der Erfindung bei einem Faserkreisel. Fig. 5 shows an application of the invention in a fiber gyroscope.

Die bekannte Faserkreiselanordnung nach Fig. 1 enthält eine Lichtquelle Q, z. B. einen Halbleiterlaser, die Licht in eine Lichtleitfaser L einspeist. Das Licht durchläuft über die Koppler K1 und R2 die Faserspule SP und einen Phasenmodulator PM. Über die Faser L zurücklaufendes Licht wird im Koppler K2 zum Photodetektor E ausgekoppelt. Der Phasendemodulator ist durch ein Modulationssignal der Mo dulationsfrequenz fm angesteuert. Das Detektorsignal U(t) enthält Wechselsignalanteile bei der Modulationsfrequenz fm und höheren Harmonischen und wird in einer Sample/Hold- Schaltung S/H mit der Abtastfrequenz fs aus einem Fre quenzgenerator G abgetastet. Die Abtastwerte werden in ei nem Analog/Digital-Wandler A/D digitalisiert. Die Abtast frequenz fs beträgt ein Mehrfaches der Modulationsfrequenz fm. Vorzugsweise ist die Modulationsfrequenz mittels eines Frequenzteilers T im Verhältnis n:1 aus der Abtastfrequenz fs abgeleitet.The known fiber gyro arrangement according to FIG. 1 contains a light source Q, e.g. B. a semiconductor laser that feeds light into an optical fiber L. The light passes through the fiber coil SP and a phase modulator PM via the couplers K1 and R2. Light returning via the fiber L is coupled out to the photodetector E in the coupler K2. The phase demodulator is driven by a modulation signal of the modulation frequency fm. The detector signal U (t) contains alternating signal components at the modulation frequency fm and higher harmonics and is sampled in a sample / hold circuit S / H with the sampling frequency fs from a frequency generator G. The samples are digitized in an analog / digital converter A / D. The sampling frequency fs is a multiple of the modulation frequency fm. The modulation frequency is preferably derived from the sampling frequency fs by means of a frequency divider T in the ratio n: 1.

Durch Auswertung einer ungeradzahligen und zweier gerad zahliger Harmonischen der Modulationsfrequenz fm im Detek torsignal U(t) kann auch bei schwankender Lichtleistung der Lichtquelle Q sowie bei schwankendem Modulationshub des Phasenmodulators die Drehrate zuverlässig bestimmt werden. Zur Bestimmung z. B. der drei Harmonischen fm, 2fm und 4fm im Detektorsignal U(t) beträgt die Abtastfrequenz fs nach dem Nyquist-Theorem mindestens das 8fache der Mo dulationsfrequenz. Aus praktischen Gründen, insbesondere wegen der ,Steilheit von Filtern, wird eine noch höhere Ab tastfrequenz bevorzugt, die z. B. das 20fache der Modula tionsfrequenz beträgt. Durch die gegenüber der Modulati onsfrequenz fm höhere Abtastfrequenz fs entstehen inner halb einer Periode des Detektorsignals eine -Mehrzahl zeit diskreter Stützstellen im Abstand einer Abtastperiode Ts und das Detektorsignal wird nach der Abtastung repräsen tiert durch die Abtastwerte an diesen Stützstellen (Fig. 2).By evaluating an odd and two even harmonics of the modulation frequency fm in the detector signal U (t), the rotation rate can be reliably determined even with fluctuating light output of the light source Q and with a fluctuating modulation stroke of the phase modulator. To determine z. B. the three harmonics fm, 2fm and 4fm in the detector signal U (t), the sampling frequency fs according to the Nyquist theorem is at least 8 times the modulation frequency. For practical reasons, in particular because of the steepness of filters, an even higher sampling frequency is preferred, the z. B. is 20 times the modulation frequency. Due to the higher sampling frequency fs compared to the modulation frequency fm, a plurality of discrete support points occur within a period of the detector signal at intervals of one sampling period Ts, and the detector signal is represented after the sampling by the samples at these support points ( FIG. 2).

Die fortlaufend gewonnenen und digitalisierten Abtastwerte werden in einer digitalen Mittelwertschaltung MW stütz stellenweise aufsummiert, wodurch das Signal-Rausch-Ver hältnis verbessert und die Datenrate für die weitere Ver arbeitung z. B. in einem Prozessor P reduziert wird. Die Mittelwertschaltung MW kann als diskrete Schaltung oder als Signalprozessor realisiert sein.The continuously acquired and digitized samples are supported in a digital mean value switching MW summed up in places, whereby the signal-noise Ver ratio improved and the data rate for further ver work e.g. B. is reduced in a processor P. The Average value circuit MW can be used as a discrete circuit or be implemented as a signal processor.

Die Abtastfrequenz liegt bei üblichen Faserkreiselanwen dungen typischerweise bei einigen 10⁶ und 10⁷ Hz. Genaue A/D-Wandler mit z. B. 12 Bit Auflösung sind für diese hohen Wandlungsraten sehr teuer und haben einen hohen Leistungs verbrauch. Dasselbe gilt für die Mittelwertschaltung MW.The sampling frequency is in usual fiber gyro applications typically at some 10 ⁶ and 10 ⁷ Hz. Accurate A / D converter with z. B. 12 bit resolution are very expensive for these high conversion rates and have a high power consumption. The same applies to the MW mean switching.

Das Prinzip der Erfindung ist in Fig. 3 skizziert. Das elektrische Signal U(t) vom Photodetektor gelangt ggf. über einen Verstärker V auf einen (1 auf n)-Multiplexer MP. In der Abbildung ist der Multiplexer symbolisch als Drehschalter dargestellt. Die Schaltfrequenz des Multi plexers beträgt fs = n·fm. Jeder der n Ausgänge führt zu einem RC-Tiefpaßglied mit der Zeitkonstanten τ_i = RC. Die Zeitkonstante τ_i wird so gewählt daß eine ausreichende Bandbreite für die Auslesung des Drehratensignals gegeben ist. Typisch bei Faserkreiselanwendungen ist eine Band breite von 10 . . . 1000 Hz.The principle of the invention is outlined in FIG. 3. The electrical signal U (t) from the photodetector may reach an (1 to n) multiplexer MP via an amplifier V. In the figure, the multiplexer is shown symbolically as a rotary switch. The switching frequency of the multiplexer is fs = n · fm. Each of the n outputs leads to an RC low-pass element with the time constant τ _i = RC. The time constant τ _i is chosen so that there is sufficient bandwidth for reading out the rotation rate signal. A range of 10 is typical for fiber gyro applications. . . 1000 Hz.

Die Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses SNR istThe improvement of the signal-to-noise ratio is SNR

wobei τg die Zeitdauer bezeichnet, über welche die Multiplex-Schalter die Signalquelle mit dem RC-Glied verbindet. Die Kondensator- Spannungen Un der einzelnen RC-Glieder gelangen über Pufferverstärker PV auf eine (n auf 1)-Demultiplexer DM der mit der Frequenz fd weitergeschaltet wird. Es gilt where τg denotes the time period over which the multiplex switch connects the signal source to the RC element. The capacitor voltages Un of the individual RC elements pass via buffer amplifiers PV to an (n to 1) demultiplexer DM which is switched on with the frequency fd. It applies

Mit den obigen Werten folgt τg·≦5·10⁻⁸ s bis 5·10⁻⁷ s. Mit z. B. τ_i=10⁻² s und τg=10⁻⁷ s ergibt sich eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses SNR≈450. Die effektive Zeitkonstante τeff für die Auslesung der einzelnen Stützstellenwerte U_n istWith the above values, τg · ≦ 5 · 10⁻⁸ s to 5 · 10⁻⁷ s follows. With z. B. τ _i = 10⁻² s and τg = 10⁻⁷ s results in an improvement in the signal-to-noise ratio SNR≈450. The effective time constant τeff for reading out the individual interpolation point values U _n is

Ohne Berücksichtigung von Effekten der nachfolgenden Ver arbeitung bestimmt τeff die Bandbreite des Drehratensi gnals. Durch die Wahl von τg kann somit der für den jewei ligen Anwendungsfall günstigste Kompromiß zwischen SNR und τeff realisiert werden. Die Variation von τg kann z. B. durch eine einstellbare monostabile Kippschaltung zwischen Generator G und Multiplexer MP erfolgen.Without taking into account the effects of the following ver τeff determines the bandwidth of the rotation rate gnals. By choosing τg the one for the respective The most favorable compromise between SNR and τeff can be realized. The variation of τg can e.g. B. through an adjustable monostable toggle switch between Generator G and multiplexer MP take place.

Die Frequenz fd wird einerseits wesentlich niedriger als fs gewählt, andererseits so hoch, daß eine ausreichende Bandbreite des Drehratensignals gegeben ist. Die Frequen zen fd und fs können in einem ganzzahligen Verhältnis zu einander stehen. Dies wird erreicht, indem fd durch Fre quenzteilung mittels eines Frequenzteilers TZ mit Teiler faktor τ aus fs bzw. fm gewonnen wird (Fig. 5). Die Fre quenz fd kann auch völlig asynchron zu fs gewählt werden.On the one hand, the frequency fd is chosen to be significantly lower than fs, on the other hand so high that there is a sufficient bandwidth of the rotation rate signal. The frequencies fd and fs can have an integer relationship to each other. This is achieved in that fd is obtained by frequency division by means of a frequency divider TZ with divider factor τ from fs or fm ( FIG. 5). The frequency fd can also be selected completely asynchronously to fs.

Das Ausgangssignal des Demultiplexers wird auf einen lang samen A/D-Wandler gegeben. Dieser Wandler wird mit der Frequenz fd getaktet. In Fig. 3 sind die Multiple xer/Demultiplexer symbolisch als Drehschalter dargestellt. In der Praxis werden hierfür preiswerte, integrierte Schaltungen mit Feldeffekttransistoren als Schalter einge setzt (z. B. Analog Devices ADG 506 A). Dieses Verfahren ist hier in der speziellen Anwendung auf die Signalverar beitung beim Faserkreisel dargestellt. Es versteht sich, daß dieses Verfahren in entsprechender Abwandlung auf analoge Probleme, insbesondere auf die Ermittlung von spektralen Komponenten bei gleichzeitiger Erhöhung des Signal-Rauschabstandes, angewandt werden kann.The output signal of the demultiplexer is given to a slow A / D converter. This converter is clocked at the frequency fd. In Fig. 3, the multiple xer / demultiplexer are shown symbolically as a rotary switch. In practice, inexpensive, integrated circuits with field effect transistors are used as switches (e.g. Analog Devices ADG 506 A). This method is shown here in the special application for signal processing in the fiber gyro. It goes without saying that this method can be applied in a corresponding modification to analog problems, in particular to the determination of spectral components with a simultaneous increase in the signal-to-noise ratio.

Claims

1. Signal processing method for a periodic input signal with sampling of the input signal at a plurality of discrete support points within the signal period, digitization and point-by-point averaging, characterized in that the sample values obtained at the support points of the signal period are averaged and stored analogously and that the Memory values with a readout frequency that is lower than the sampling frequency can be read out and digitized.

2. The method according to claim 1, characterized in that several harmonics of the fundamental frequency of the periodic Input signal evaluated from the digitized values will.

3. Order to carry out the method according to An saying 1, characterized by a multiplexer, a A plurality of parallel signal paths and devices for A / D conversion, with the multiplexer in the input signal Clock of the sampling frequency cyclically with the period of the on output signal in succession to one of the parallel signals routes switches and each of the signal routes analogue equipment contains conditions for averaging and storage.

4. Arrangement according to claim 3, characterized by a Demultiplexer, which in time with a readout frequency analog storage devices cyclically successively with egg connects a common A / D converter.

5. Arrangement according to claim 3 or 4, characterized net that the analog devices for averaging and storage are implemented as RC elements.