DE4228900A1 - Selbstsynchronisierendes Signal-Averaging-Korrekturverfahren - Google Patents

Description

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Ausfilterung von Signalen aus einem Stör-Nutzsignalgemisch unter Verwendung der Signal-Averaging-Technik. Das technische Einsatzgebiet ist überall dort gegeben, wo das allgemein bekannte Averagingverfahren in der Meßtechnik zur automatischen Auswertung störungsüberlagerter Meßwerte Anwendung findet.

Allgemein bekannt ist die Verwendung der Signal-Averaging-Technik, auch Signal-Mittelungs-Technik genannt, zur Verbesserung des Stör-Nutzsignalverhältnisses periodisch auftretender Nutzsignale, die aber auch steuerbar und damit kohärent repetierbar sein müssen, wobei sowohl das Stör- als auch das Nutzsignal nicht miteinander korrelieren dürfen. Bei Anwendung des Verfahrens erfolgt durch wiederholte Zeitsynchrone lineare Überlagerung des Stör-Nutzsignalgemisches eine Addition der Amplituden des Stör- sowie des Nutzsignals entsprechend der Anzahl der Überlagerungen. Da sich die Amplituden des nichtperiodischen Signalanteils auf Grund der Abhängigkeit von der statistischen Gesetzmäßigkeit geringer erhöhen als die Amplituden des periodischen Signalanteils, tritt eine Verbesserung des Stör-Nutzsignalverhältnisses ein.

Das Prinzip dieser Signal-Averaging-Technik ist ausführlich in der Zeitschrift "radio, fernsehen, elektronik" 24 (1975) Heft 15, S. 485 ff. aus dem Verlag Technik, Berlin, dargestellt.

Dieses Verfahren wurde durch Wichtung einzelner Meßperioden nach bestimmten Kriterien, wie Mittel- oder Spitzenwert einer Meßperiode, weiterentwickelt und in der DE-PS 31 29 308 beschrieben.

Durch die DD-PS 65 368 dagegen ist ein Synchronisierverfahren für die Signal-Averaging-Technik bekannt geworden, welches charakteristische Flanken des periodisch auftretenden Störsignales zur Synchronisation der Signalüberlagerungen nutzt.

Das in der DD-PS 2 33 188 vorgeschlagene Meßverfahren, anwendbar zur Beseitigung von periodisch auftretenden Störungen eines Meßsignals, entstanden durch Einfluß eines Förderbandes beim Durchlauf einer Meßstelle, ist sehr aufwendig und zu kompliziert für den Einsatz in der Praxis. Voraussetzung für den Einsatz des Verfahrens ist außerdem, daß auf dem Förderband ein Bezugspunkt fixiert werden muß, um das Synchronsignal zu erhalten. Dazu wurde vorgeschlagen, ein Stahlgeflecht in das Förderband zu vulkanisieren. Für alle diese Verfahren müssen bei Einsatz der Signal-Averaging-Technik zusätzlich noch bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Dazu gehören u. a., daß keine Korrelation zwischen Stör- und Nutzsignal bestehen darf, die Stör- und Nutzsignale periodisch auftreten müssen und daß die Periode des wiederholt auftretenden Signalanteils meß- oder beeinflußbar sein muß, um die aufeinanderfolgenden Überlagerungen zu synchronisieren. Gesagt werden muß, daß von diesen Einsatzvoraussetzungen nur die Ermittlung des Synchronzeitpunktes technischer Natur ist. Wird der periodische Signalanteil vom Meßsystem selbst erzeugt, um z. B. die Reaktion des Meßobjektes darauf zu testen, dann stellt die Synchronisation kein Problem dar, da damit der Synchronzeitpunkt der Meßeinrichtung bekannt ist. Technischer Aufwand dagegen ist nötig, wenn der periodische Signalanteil entweder im Meßobjekt selbst erzeugt oder in diesem vorhanden ist, wobei dies beispielsweise durch Schwingung, Rotation oder Einfluß elektrischer Wechselfelder geschehen kann, so daß durch die Messung der Frequenz oder der Periode des periodischen Signalanteils mittels zusätzlicher Meßeinrichtung der Synchronimpuls gebildet werden muß.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt das Problem zugrunde, den Einsatz der Signal-Averaging-Technik auch dann zu ermöglichen, wenn sich das Synchronsignal oder die Periodendauer des regelmäßig wiederkehrenden Signalanteils aus dem Stör-Nutzsignalgemisch mit herkömmlichen meßtechnischen Mitteln und Methoden nicht gewinnen läßt.

Erfindungsgemäß werden mehrere Signal-Averaging-Korrekturen zeitlich parallel durchgeführt, wobei jede dieser Korrekturen mit einer anderen, frei gewählten Periodendauer abläuft. Günstigerweise sollte diese Periodendauer in der Größenordnung der erwarteten Periodendauer des periodischen Signalanteils liegen, wobei jedoch eine Übereinstimmung der gewählten Korrekturintervallänge mit der tatsächlichen Periodendauer des regelmäßig wiederkehrenden Signalanteils nur zufällig möglich wäre. Da die Intervallänge jeder dieser Korrekturen vorerst konstant bleibt, erfolgt auch die wiederholte lineare Überlagerung in jeder Korrektur nicht zeitsynchron. Nach mehreren Überlagerungen werden die gespeicherten, normierten Korrektursignale der letzten Überlagerungsperiode jeder Korrektur summiert und gespeichert, wobei diese Summen um so größer sind, je besser die gewählte Korrekturintervallänge der jeweiligen Korrektur mit der Istperiodendauer des regelmäßig wiederkehrenden Signalanteils im Stör-Nutzsignalgemisch übereinstimmt. Durch das wiederholte Überlagern des Stör-Nutzsignalgemisches werden dessen Amplituden ebenfalls addiert, wobei, bedingt durch die nicht synchrone Überlagerung, das Ergebnis dieser Amplitudenaddition kleiner ist als bei der zeitsynchronen Überlagerung. Je größer dabei die Unsynchronität ist, desto kleiner sind auch die sich durch die Amplitudenaddition ergebenden Werte. Ebenso kann man sagen, daß, wenn die durch die zeitunsynchron durchgeführten Signal-Averaging-Korrekturen ermittelten Amplitudenwerte des periodischen Signalanteils über eine Periode und alle Stützstellen vorzeichenlos summiert und die so erhaltenen Summen miteinander verglichen werden, sich zeigt, daß die von der Signal-Averaging-Korrektur abgeleitete Summe dann den größten Wert besitzt, wenn deren Korrekturperiodendauer die geringste Differenz zur Periodendauer des regelmäßig auftretenden Signalanteils aufweist. Ein Vergleich der Korrektursignalsummen untereinander oder daraus abgeleiteter Werte lassen jederzeit qualitative Rückschlüsse auf die Größe der Istperiodendauer des in Intervallen regelmäßig im Stör-Nutzsignalgemisch auftretenden Signals zu.

Die Abhängigkeit der Korrektursignalsummen der einzelnen Korrekturen zu den zugehörigen Korrekturintervallängen läßt sich durch eine Gleichung der parabolischen Normalform beschreiben, wobei die unbekannte Istperiodendauer des periodischen Signals einen Teil des Wertepaares bildet, welches den Scheitelpunkt der Parabel festlegt. Die Feststellung der Parabelkoeffizienten und der daraus ableitbaren Istperiodendauer vereinfacht sich durch die Verwendung der Differenzen der Korrektursignalsummen sowie der Periodendauern zueinander. Mit der nunmehr bekannten Periodendauer des regelmäßig auftretenden Signalanteils wird erneut eine Korrektur gestartet und die von dieser Korrektur korrigierten Signale dem Ausgang der Anordnung zugeführt. Weitere Korrekturen, mit von der Istperiodendauer des regelmäßig auftretenden Signals unterschiedlichen Korrekturintervallängen, dienen dem Nachführen der Istperiodendauer bei Schwankungen derselben.

Werden normierte Korrektursignale zur Summierung verwendet, so wird gleichzeitig der Einfluß von Pegeländerungen des Stör-Nutzsignalgemisches auf die Korrektursignalsumme gemindert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das erfindungsgemäße Verfahren an keinen konkreten Einsatzfall gebunden ist. Es kann überall dort eingesetzt werden, wo auch die Anwendungsfälle des allgemein bekannten Signal-Averaging-Verfahrens sind, und es erfordert keinen zusätzlichen technischen Aufwand.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die Periodendauer des stetig auftretenden Anteils in einem Signalgemisch ohne Vorgabe eines konkreten Einsatzpunktes genau zu ermitteln. So ist z. B. auch die Anwendung als Meßverfahren möglich.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel gemäß der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1: die Vorrichtung zur Durchführung des selbstsynchronisierenden Signal-Averaging-Verfahrens,

Fig. 2: eine Tabelle mit für die Erklärung des Verfahrens notwendigen numerischen Werten,

Fig. 3: die in einem Koordinatensystem dargestellten Abhängigkeiten der normierten Korrektursignalsummen von den zur Korrektur benutzten Korrekturintervallängen,

Fig. 4: ein Diagramm, das den Grundgedanken des selbstsynchronisierenden Signal-Averaging-Verfahrens erkennen läßt und

Fig. 5: eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, welche eine Nutzung des Verfahrens bei Schwankungen der Periodendauer des regelmäßig auftretenden Signalanteils zuläßt.

Vom Eingang E wird den vier Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-4, die Hauptbestandteil der in Fig. 1 dargestellten Anordnung sind, das einen periodischen Signalteil enthaltende Stör-Nutzsignalgemisch zugeführt. Jede dieser vier Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen wird zwecks Weiterschaltung ihrer internen Stützstellenspeicher von einem steuerbaren Impulsgeber SIG 1-4 getaktet, wobei das Steuerwerk SW der Taktzeitvorgabe dient. Gleichzeitig sind den Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-3 je ein Summierer SUM 1-3 nachgeschaltet, deren Aufgabe es ist, die in den Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-3 gebildeten normierten Korrekturwerte jeder Korrekturperiode zu summieren. Diese Summen werden einer Einrichtung zur Ermittlung der Istperiodendauer des im Signalgemisch enthaltenen periodischen Signalanteils PDE (Periodendauerermittlung) zugeleitet. Aus der so ermittelten und von der PDE bereitgestellten Istperiodendauer des sich wiederholenden Signalanteils werden vom Steuerwerk SW die Taktzeiten der steuerbaren Impulsgeber SIG 1-4 ermittelt. Parallel dazu schaltet ein vom Steuerwerk SW umschaltbarer Multiplexer MUX nach dem Synchronisieren der Korrektur das von der Signal-Averaging-Korrektureinrichtung SAK 4 korrigierte Signal auf den Ausgang A. Das Steuerwerk SW initialisiert außerdem beim Korrekturstart die Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-4 und übernimmt gleichzeitg die zeitliche Steuerung sowohl der Korrekturwertsummierung als auch der Periodendauerermittlung. Dem Eingang der beschriebenen Anordnung wird ein in Fig. 4 dargestelltes beliebiges Meßsignal E, welches ein periodisches Störsignal E_s enthält, zugeführt. Die Taktzeit der Korrektureinrichtung SAK 1 multipliziert mit der Stützstellenanzahl sei T_ist, die Taktzeit der Korrektureinrichtung SAK 2 multipliziert mit der Stützstellenanzahl sei T₁ und die Taktzeit der Korrektureinrichtung SAK 3 wiederum multipliziert mit der Stützstellenanzahl sei T₂, wobei T_ist zum besseren Verständnis der Periodendauer des Störsignals entsprechen soll. Das Diagrammteil SUM über t, ebenfalls dargestellt in Fig. 4, zeigt die den Summierern SUM 1-3 von den Korrektureinrichtungen SAK 1-3 zugeführten normierten Korrektursignale KS_ist, KS₁ und KS₂ über alle Stützstellen sowie über drei Korrekturperioden. Ein Vergleich der von den Kurven KS_ist, KS₁ und KS₂ sowie der Zeitachse umschlossenen Mittelwerte der Flächen in den einzelnen Korrekturperioden zeigt, daß die Flächeninhalte der von der Kurve KS_ist in den einzelnen Korrekturperioden erzeugten Flächen konstant bleiben, während die Flächeninhalte der von den Kurven KS₁ und KS₂ erzeugten Flächen sich von Korrekturperiode zu Korrekturperiode verkleinern. Diese Verkleinerung ist um so größer, je weiter sich die aus der Multiplikation von Taktzeit mit der Stützstellenanzahl ergebende Zeit von der Istperiodendauer des Störsignals entfernt. Gesagt werden muß, daß die Darstellung der normierten Korrektursignale stark idealisiert ist, da zum einen die Korrektur während der ersten Korrekturperiode noch nicht möglich ist und zum anderen die normierten Korrektursignale am Anfang der Messung noch stark von den Einflüssen des Meßsignals überlagert sind.

Zur einfacheren Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei weiterhin angenommen, daß die Frequenz des periodischen Signalanteils konstant und deren Größe in etwa bekannt ist. In Fig. 2, Zeile 1, sind die vom Steuerwerk SW bereitgestellten Korrekturperiodendauern T₁ bis T₃ für die Impulsgeber SIG 1-4 enthalten. Die Taktlängen der Impulsgeber SIG 1-4 ermitteln sich aus den vorgegebenen Korrekturintervallen, die durch die Anzahl der Stützstellen der ihnen zugeordneten Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-4 dividiert werden.

Zum Startzeitpunkt werden die Impulsgeber SIG 1-4 und die Signal-Averaging-Korrektureinrichtung SAK 1-4 vom Steuerwerk SW initialisiert. Über mehrere Perioden arbeitet die Anordnung mit den in der Nähe der tatsächlichen Periodendauer gewählten Korrekturintervallängen (Fig. 2, Zeile 1-3). Nach Ablauf jeder Korrekturperiode ermitteln die Summierer SUM 1-3 aus den von den Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-3 gebildeten normierten Korrektursignale jeder Stützstelle deren Summe Sum 1-3 über alle Stützstellen, in Fig. 2, Zeile 3, für die dritte Periode nach dem Start der Korrektur dargestellt.

Fig. 3 stellt diese Summierergebnisse in Abhängigkeit von der Periodendauer der ihnen zugeordneten Korrektur grafisch dar. Die aus diesen Werten gebildete Kurve in Form einer Parabel beschreibt damit auch die Summierergebnisse von Korrekturen mit anderen Korrekturintervallängen und deren Abhängigkeit. Die durch den Scheitelpunkt der Parabel bezeichnete Korrekturintervallänge entspricht dabei der Periodendauer des regelmäßig wiederkehrenden Signalanteils, die von der Periodendauerermittlung PDE dem Steuerwerk SW zur Verfügung gestellt wird. Bei Verwendung der Korrektursignale zur Scheitelpunktermittlung ist der Parabelscheitelpunkt ein Minimum, bei Verwendung der Absolutwerte des periodischen Signals dagegen ist der Parabelscheitelpunkt ein Maximum. Dazu werden von der Periodendauerermittlung PDE in einem ersten Schritt die Koeffizienten der Parabelgleichung festgestellt. Aus den Korrekturintervallängen T 1-3 und den normierten Korrektursignalsummen Sum 1-3, jeweils erhalten nach der dritten Korrekturperiode (Fig. 2, Zeile 3), ergibt sich folgende Parabelgleichung:

SUM = 0,0026572 × T² - 0,5319318 × T + 126,557331

Aus den Koeffizienten läßt sich bekannterweise die Periodendauer errechnen, welche den Scheitelpunkt der Parabel beschreibt, Die auf diese Weise ermittelte Istperiodendauer T_korr wird vom Steuerwerk SW den Impulsgebern SIG 1 und SIG 4 als neue Korrekturintervallänge übermittelt. Die Korrekturintervallängen von SIG 2 und SIG 3 werden günstigerweise in die Nähe der Istperiodendauer gelegt, wie z. B. in der Fig. 2, Zeile 4, dargestellt.

Jetzt werden alle Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-4 neu initialisiert und gestartet, die Impulsgeber SIG 1-3 dagegen werden nicht mehr umprogrammiert. Nach jeder Periode wird die Istperiodendauer ermittelt und als neue Korrekturintervallänge in den Impulsgeber SIG 4 eingeschrieben. Nach Vorliegen der ersten korrigierten Signale werden diese vom Multiplexer MUX auf den Ausgang A geschaltet. Ist die Frequenz des periodischen Signalanteils nicht konstant, so sollten die von der zur Ermittlung der Periodendauer des wiederkehrenden Signalanteils genutzten Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-3 das Eingangssignalgemisch der jeweils aktuellen Korrekturperiode mit einer hohen Wichtung in die Korrektur eingehen lassen, so daß der Einfluß der Frequenzänderung auf die Verschiebung des Synchronzeitpunktes gering gehalten wird. Bei größeren zu erwartenden Frequenzänderungen wird durch eine Doppelanordnung der zur Ermittlung der Periodendauer des wiederholt auftretenden Signalanteils benötigten Signal-Averaging-Korrektureinrichtungen SAK 1-3 gemäß Fig. 5 erreicht, daß diese derart wechselseitig zum Zweck des Ausschaltens des Einflusses vergangener Korrekturperioden auf die Summen der normierten Korrektursignale neu initialisiert und gestartet werden, so daß jederzeit eine der den beiden Korrekturanordnungen SAK 1-3 zugeordneten Summieranordnungen SUM 1-3 der Periodendauerermittlung PDE gültige Werte liefert und somit ebenfalls eine Verringerung des Einflusses von Frequenzänderungen auf die Lage des Synchronzeitpunktes erfolgt.

Claims (3)

1. Selbstsynchronisierendes Signal-Averaging-Korrekturverfahren für ein einen periodischen Anteil enthaltendes Signal, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Korrekturen unterschiedlicher Dauer der Korrekturintervalle nach der Signal-Averaging-Technik durchgeführt, die ermittelten Korrektursignale normiert und abgespeichert, diese oder daraus abgeleitete Werte nach Ablauf oder während des jeweiligen Korrekturintervalls summiert und abgespeichert werden, aus diesen summierten Werten nach jedem Korrekturintervall die Periodendauer des wiederholt, in bestimmten Abständen auftretenden Signalanteils ermittelt, diese als Dauer des Korrekturintervalls einer Korrektur für das folgende Korrekturintervall angenommen wird und die von der Korrektur mit der der Periodendauer des regelmäßig wiederkehrenden Signalanteils entsprechenden Korrekturintervalldauer korrigierten Meßwerte dem Ausgang der Korrektureinrichtung zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Korrekturintervalle von mindestens drei Korrekturen sich voneinander unterscheiden und vorzugsweise in die Nähe der ermittelten Periodendauer des in Intervallen auftretenden Signalanteils gelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Durchführung mehrerer von der Dauer der Korrekturintervalle unterschiedliche Korrekturen nach der Signal-Averaging-Technik als auch die Normierung und Speicherung der Korrektursignale und die Summierung und deren Abspeicherung dieser oder von ihnen abgeleiteter Werte nach Ablauf oder während des Korrekturintervalls mehrfach zeitlich verschoben und unabhängig voneinander durchgeführt werden, dabei die Signal-Averaging-Korrekturen jedes der zeitlich zueinander verschoben und unabhängig voneinander durchgeführten Verfahrensschritte derart im Wechsel neu gestartet werden, daß der Ermittlung der Periodendauer des stetig auftretenden Signalanteils aus dem summierten Wert während oder nach jedem Korrekturintervall jederzeit gültige Werte zum Weiterverarbeiten zur Verfügung stehen.