DE4228900C2 - Selbstsynchronisierendes Signal-Averaging (Signal-Mittelungs-)-Korrekturverfahren - Google Patents
Selbstsynchronisierendes Signal-Averaging (Signal-Mittelungs-)-KorrekturverfahrenInfo
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Description
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Ausfilterung von
Signalen aus einem Stör-Nutzsignalgemisch unter Verwendung
der Signal-Averaging-Technik. Das technische Einsatz
gebiet 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 Ver
besserung des Stör-Nutzsignalverhältnisses periodisch auf
tretender 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-Nutzsignal
gemisches eine Addition der Amplituden des Stör- sowie des
Nutzsignals entsprechend der Anzahl der Überlagerungen.
Da sich die Amplituden des nichtperiodischen Signalan
teils auf Grund der Abhängigkeit von der statistischen Ge
setzmäßigkeit 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 Spitzen
wert einer Meßperiode, weiterentwickelt und in der DE
31 29 308 A1 beschrieben.
Es ist auch ein Synchronisierverfahren für die Signal-
Averaging-Technik bekannt, welches charakteristische
Flanken des periodisch auftretenden Störsignales zur
Synchronisation der Signalüberlagerungen nutzt.
Das in der DD-PS 233 188 vorgeschlagene Meßverfahren, an
wendbar 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 Signalanteil
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 Es enthält, zugeführt. Die Taktzeit
der Korrektureinrichtung SAK 1 multipliziert mit der Stützstellenanzahl
sei Tist, 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 Tist
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 KSist, KS₁ und KS₂ über alle Stützstellen
sowie über drei Korrekturperioden. Ein Vergleich
der von den Kurven KSist, KS₁ und KS₂ sowie der Zeitachse
umschlossenen Mittelwerte der Flächen in den einzelnen Korrekturperioden
zeigt, daß die Flächeninhalte der von der
Kurve KSist 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
Tkorr 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 (Signal-Mitte
lungs-)-Korrekturverfahren für ein, einen periodischen
Signalanteil (P) enthaltendes Stör-/Nutzsignalgemisch
(SNG) unter Verwendung bekannter, fremdsynchronisierter
Signal-Averaging-Korrekturen (SAK), die über mehrere Perioden
des im Stör-/Nutzsignalgemisch (SNG) enthaltenen
periodischen Signalanteils (P) der in eine Anzahl Stütz
stellen (ST) unterteilten Periode des periodischen
Signalanteils (P) die Momentanamplituden des Stör-/Nutz
signalgemisches (SNG) derart summieren, daß die Momen
tanamplituden der jeweiligen Stützstelle (ST) der aktuellen
Periode zur Summe der Momentanamplituden der jeweiligen
Stützstelle (ST) der vergangenen Perioden addiert
werden, wodurch die Folge der durch die Anzahl der
bearbeiteten Perioden dividierten aufsummierten Momen
tanamplituden der Stützstellen (ST) ein Abbild des
Amplitudenverlaufes des periodischen Signalanteils (P)
des Stör-/Nutzsignalgemisches (SNG) ergibt, gekennzeichnet
dadurch, daß mehrere Signal-Averaging-Korrekturen
(SAK) unsynchronisiert zeitlich parallel durchgeführt
werden, wobei sich die Summen der Zeiten der in Stütz
stellen (ST) unterteilten Korrekturintervalle (KI) jeder
der Signal-Averaging-Korrekturen (SAK) voneinander un
terscheiden müssen, daß die Summe der aufsummierten Mo
mentanwerte des Stör-/Nutzsignalgemisches (SNG) über alle
Stützstellen (ST) für jede der unsynchronisiert zeitlich
parallel durchgeführten Signal-Averaging-Korrekturen
(SAK) gebildet, aus den Summen der aufsummierten Mo
mentanwerte des Stör-/Nutzsignalgemisches (SNG) über alle
Stützstellen (ST) und den Korrekturintervallängen der
Signal-Averaging-Korrekturen (SAK) die Periodendauer des
periodischen Signalanteils (P) ermittelt, diese ermittelte
Periodendauer des periodischen Signalanteils (P)
als Dauer des Korrekturintervalls (KI) einer der Signal-
Averaging-Korrekturen (SAK) angenommen und daß das von
der Signal-Averaging-Korrektur (SAK) mit der der Periodendauer
des periodischen Anteils (P) entsprechenden
Länge des Korrekturintervalls (KI) korrigierten Stör-/
Nutzsignalgemisches (SNG) als Ausgangssignal des mit den
selbstsynchronisierenden Signal-Averaging-Korrekturver
fahren behandelten Stör-/Nutzsignalgemisches (SNG) ver
wendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Korrekturintervallängen von mindestens drei Korrekturen
sich voneinander unterscheiden und vorzugsweise in
die Nähe der Periodendauer des periodischen Signalan
teils (P) gelegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch,
daß die für die Periodendauerermittlung des periodischen
Anteils (P) benötigten Signal-Averaging-Korrekturen
(SAK) mehrfach zeitlich verschoben durchgeführt und der
art im Wechsel neu gestartet werden, daß für die Ermittlung
der Periodendauer des periodischen Anteils (P) jederzeit
die benötigten Ausgangswerte zur Verfügung stehen.
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