DE4229916C2 - Verfahren und Einrichtung zur Burst-Signalerkennung - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Burst-SignalerkennungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nach
weisen von Burst-Signalen in einem sowohl Burst-Signale als
auch Rauschen enthaltenden Eingangssignal nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie einen Burst-Detektor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
Eine zuverlässige Burst-Signalerkennung spielt eine sehr
bedeutende Rolle in der Signalverarbeitung von Burst-Signalen
für einen großen Anwendungsbereich. Insbesondere in der Anwen
dung der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung (LDV) und der
Phasen-Doppler-Partikelanalyse (PDPA) werden "Doppler-Burst"-
Signale kurzer Dauer erzeugt, wenn Partikel durch den Schnitt
punkt zweier Laserstrahlen hindurchtreten. Diese Signale sind
dadurch charakterisiert, daß sie aus einer Hüll- bzw. Stütz
kurve der Gauß'schen Strahlintensität mit einer sie überlagern
den Sinuskurve bestehen. Die Dauer des Signals hängt von der
Partikelgeschwindigkeit und dem fokussierten Durchmesser der
Strahlbündel an ihrem Schnittpunkt ab. Diese Partikel-Durch
gangszeiten können von Millisekunden bis hinab zu nur 100 Nano
sekunden oder weniger variieren. Aufgrund der Schwankungen der
Größe der beteiligten Partikel und des Einflusses verschiedener
Flugbahnen des Durchtritts der Partikel durch den Gauß'schen
Strahl variiert die Amplitude des Signals ebenfalls über einen
großen Bereich. Folglich müssen die Signalverarbeitungsmittel
ein Burst-Erkennungssystem aufweisen, das einen sehr breiten
Dynamikbereich handhaben kann und das sehr kurze. Antwortzeiten
hat.
Zusätzlich zu den Schwierigkeiten des Nachweises des Burst-
Signals tritt das übliche Problem des geringen Signal-Rausch-
Verhältnisses (SNR) auf. Grundsätzlich müssen die LDV und PDPA
Signale geringer Amplitude und mit einem sehr geringen SNR (bis
hinab zu 0 dB) nachweisen. Außerdem variiert das Signal-Rausch-
Verhältnis während des Meßablaufs, was in der Vergangenheit
eine sorgfältige Einstellung der Nachweisgrenze während des Be
triebs der Instrumente nach sich zog.
Burst-Nachweisgeräte bzw. -Detektoren, die auf der Si
gnalamplitude basieren und im allgemeinen als "Zeitbereich"-
Burst-Detektoren bezeichnet werden, werden häufig benutzt.
Siehe: van Tree H., "Detection, Estimation and Modulation
Theory", New York, Wiley, 1968; Ibrahim K., Werthimer D. und
Bachalo W., "Signal Processing Considerations for Laser Doppler
and Phase Doppler Applications", Proceedings of the Fifth In
ternational Symposium on Applications of Laser Techniques to
Fluid Mechanics, Lissabon, Portugal, Juli 1990; Bachalo W.,
Werthimer D., Raffanti R. und Hermes R. "A High Speed Doppler
Signal Processor for Frequency and Phase Measurement", Third
International Conference on Laser Anemometry, Advances and Ap
plications, September 1989. Diese Geräte verarbeiten das unge
filterte Signal oder das hochpaß-gefilterte Signal und stützen
den Nachweis auf die Bedingung, daß die Signalspannung einen
voreingestellten Pegel (Grenzwert) überschreiten muß, bevor das
Signal als vorhanden erkannt wird. Eine fortgeschrittenere Ver
sion dieses Verfahrens erfordert, daß jeder Zyklus des Burst-
Signals einen positiven Spannungsgrenzwert überschreitet, durch
Null zu einem negativen Spannungsgrenzwert geht und dann wieder
die Spannung Null kreuzt, wobei dieser nächste Nullspannungs
durchgang des Signals zur Bestimmung der Signalperiodendauer
benutzt wird. Jedoch muß diese Sequenz für jeden Zyklus in dem
Burst-Signal wiederholt werden, um ihn präzise nachzuweisen.
Zeitbereich-Burst-Detektoren benutzten außerdem den Mittel
wert der Signalleistung über eine bestimmte Zeitperiode. Bei
dieser Lösung wird das Signal gleichgerichtet oder quadriert,
um die Signalamplitude zu maximieren, während der relative Ein
fluß des Rauschens minimiert wird. Leider funktioniert dieses
Verfahren nicht, wenn die Rauschleistung mit der Signalleistung
vergleichbar wird (d. h., das Signal-Rausch-Verhältnis in der
Nähe von 0 dB liegt).
Eine optimale Konfiguration für einen Signalnachweis kann
durch Benutzen eines Korrelationsempfängers erreicht werden, in
welchem das Eingangssignal r(t) aus der die gewünschte Informa
tion tragenden Signalkomponente s(t) plus dem Rauschen n(t) be
steht. In Abwesenheit des gewünschten Signals ist das Eingangs
signal nur das Rauschen. Folglich ist bei dieser Konfiguration
das Eingangssignal r(t) entweder als:
r(t) = s(t) + n(t) (1)
gegeben, wenn das Signal s(t) existiert, oder als:
r(t) = n(t) (2)
für den Fall, daß das Signal nicht vorhanden ist.
Das Signal r(t) wird mit einem gespeicherten Abbild des Si
gnals s(t) (das in Anwesenheit des Rauschens n(t) nachgewiesen
werden soll) korreliert. In diesem speziellen Fall beispiels
weise sind die Signalcharakteristiken bekannt. Das Ausgangssi
gnal des Korrelators wird dann mit einem bestimmten Grenzwert
verglichen, um eine Entscheidung über die Existenz oder Nicht
existenz des Signals s(t) zur Verfügung zu stellen.
Bei der Laser-Anemometrie kann das Signal s(t) ein Bestand
teil eines orthogonalen Satzes sinusförmiger Wellen sein (bei
dem die Korrelation zwischen zwei Sinuswellen bei ungleicher
Frequenz gleich Null ist). Um den interessierenden Frequenzbe
reich abzudecken, ist es erforderlich, daß das Signal mit einer
vorgegebenen Anzahl in von Signalen in der für das Einzelsignal
beschriebenen Weise korreliert wird. In diesem Fall enthält ein
Burst-Detektors einen Korrelator zum Korrelieren des Signals
mit einem Satz sinusförmiger Wellen verschiedener Frequenzen.
Dann wird das Maximum der Korrelatorausgangssignale ausgewählt
und mit einem bestimmten Grenzwert verglichen, um zu
entscheiden, ob das Signal vorhanden ist.
Beispielsweise wird bei einer Implementierung das Eingangs
signal mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC) abgetastet. Die
ser setzt das kontinuierliche Signal in einen Satz diskreter
Abtastwerte um. Dann wird eine diskrete Fourier-Transformation
(DFT) ausgeführt. Die Reihe sinusförmiger Wellen sm(t) wird mit
dem Eingangssignal durch Abtasten diskreter Abtastwerte von
sm(t), dargestellt als sm(i), korreliert. Der Index i reicht
von 0 bis N-1, wobei N die Anzahl der über die diskrete
Fourier-Transformation gewonnenen Abtastwerte ist.
Für die Bewertung des Burst-Detektors werden zwei Bewer
tungsmaße eingeführt. Das erste ist die Akzeptanzrate (A). Die
ses Maß wird für eine Systembewertung in Anwesenheit des Si
gnals (d. h., r(t) = s(t) + n(t)) eingeführt. Es ist definiert als die
Wahrscheinlichkeit eines Signalnachweises, vorausgesetzt, das
Signal existiert. Das zweite Maß ist die Falscherkennungsrate
(R). Dieses Maß wird für die Systembewertung in Abwesenheit des
Signals eingeführt. Es ist definiert als die Wahrscheinlichkeit
einer falschen Erkennung (wobei angenommen wird, daß das Signal
nicht existiert (d. h. r(t) = n(t)).
Im folgenden wird die Leistungsfähigkeit der die diskret
abgetasteten Daten benutzenden Konfiguration analysiert. Zum
Zweck der Analyse sollen die r(i) (wobei 0 ≦ i < N) die diskret
abgetasteten Daten für das Signal r(t) darstellen. Somit können
die diskret abgetasteten r(i) geschrieben werden als:
r(i) = s(i) + n(i) (3)
r(i) = n(i) (4)
für den Fall des Vorhandenseins bzw. Fehlens des Signals.
Die diskrete Fourier-Transformation für diskret abgetastete
Daten ist dann gegeben durch:
wobei 0 ≦ k,i < N.
Die Leistung bei der k-ten Spektrallinie ist dann gegeben
durch:
Man erhält zwei Ausdrücke für S(k). Den ersten erhält man,
wenn das Signal nicht existiert (d. h., r(i) = n(i)). Den zweiten
erhält man, wenn das Signal existiert (d. h., r(i) = s(i) + n(i)).
Diese zwei Ausdrücke werden dann benutzt, um die Akzeptanz- und
die Falscherkennungsrate zu berechnen.
Zuerst soll der Fall der Signalabwesenheit (d. h. r(i) = n(i))
betrachtet werden. In diesem Fall wird Gleichung (6) zu:
Es sei angenommen, daß die n(i) und n(j) unkorreliert für i ≠ j
sind (d. h., daß weißes Rauschen vorliegt); dann können unter
Anwendung des zentralen Grenzwertsatzes die Ausdrücke
als Gauß'sche Zu
fallsvariable angesehen werden. Der Mittelwert und die Varianz
von n(i) sollen 0 bzw. σ2 sein (d. h., das Rauschen hat den Mit
telwert 0 und eine Leistung von σ2). Der Mittelwert und die
Varianz der Ausdrücke Q(k) und C(k) werden folglich 0 bzw.
Nσ2/2 sein. Somit kann der Ausdruck S(k) der Gleichung (7) als
eine Zufallsvariable mit einer χ2-Verteilung mit zwei Frei
heitsgraden angesehen werden. Ferner ist die Wahrscheinlich
keitsdichtefunktion für S(k) gegeben durch:
wobei y ≧ 0 ist.
Für einen bestimmten Grenzwert Th im Leistungsspektrum ist
die Wahrscheinlichkeit, daß ein beliebiges S(k) unter dem
Grenzwert liegt, gegeben durch:
oder
Folglich ist die Wahrscheinlichkeit, daß alle S(k) nicht den
Grenzwert überschreiten, dann gegeben durch:
Die Falscherkennungsrate kann dann geschrieben werden als:
Für Th/Nσ2 größer als 1 kann die obige Gleichung angenähert werden
durch:
Wie man sieht, ist die Zurückweisungsrate R(Th) vom Rausch
pegel abhängig. Durch Ändern der Rauschleistung sollte der
Grenzwert geändert werden, um die gleiche Zurückweisungsrate
aufrechtzuerhalten.
In der folgenden Diskussion wird die Beziehung zum Finden
der spektralen Leistungsdichte im Falle der Signalexistenz auf
gestellt. In diesem Fall ist r(i) = s(i) + n(i) und die Gleichung (6)
kann geschrieben werden als:
Es soll s(i) gleich Msin(2πim/N) sein (d. h. das Signal ist
ein diskret abgetastetes Sinuswellensignal der Frequenz mfs/N,
wobei fs die Abtastfrequenz ist). Somit entspricht die Signal
frequenz der diskreten Frequenz m in der diskreten Fourier-
Transformation, und die Leistung bei der m-ten Spektrallinie
ist gegeben durch:
Die obige Gleichung kann vereinfacht werden zu:
Für den Fall, daß
(diese Bedingung ist
generell für niedrige Signal-Rausch-Verhältnisse kleiner als
10 dB erfüllt), kann die obige Gleichung umgeschrieben werden
zu:
Folglich kann S(m) durch einen zum zweiten Term addierten
Gleichstromwert (MN)2/4 angenähert werden. Wie vorher gezeigt
wurde, kann der zweite Term als eine Zufallsvariable mit einer
χ2-Verteilung angesehen werden, die gegeben ist durch:
Somit wurde gezeigt, daß das Leistungsspektrum des Rau
schens eine χ2-Verteilung hat. Eine Formel für die Falscherken
nung des Rauschens wurde abgeleitet (Gleichung (13)). Dann
wurde gezeigt, daß für den Fall des Signals mit Rauschen
(r(t) = s(t) + n(t)) das Leistungsspektrum aus zwei Komponenten zusammenge
setzt ist (Gleichung (17)). Die erste Komponente ist zurückzu
führen auf das Leistungsspektrum des Signals ohne Rauschen,
während die zweite auf das Rauschen zurückzuführen ist und eine
χ2-Verteilung hat. Im allgemeinen ist die Leistung in der der
Signalfrequenz entsprechenden Spektrallinie größer als (MN)2/4.
Eine anfängliche Vorauswahl einer Signalnachweisgrenze Th bei
einem Wert gleich (MN)2/4 in dem Leistungsspektrum würde den Si
gnalnachweis sicherstellen. Indem man diesen Wert in Gleichung
(13) einsetzt, ist die Falscherkennungsrate gegeben durch:
oder
Obwohl das oben genannte Verfahren eine optimale Funktion
für die Signalerkennung zur Verfügung stellt, ist es aus zwei
Gründen ein nicht praktikables Verfahren.
Erstens erfordert es intensive Berechnungen. Folglich er
fordert seine Implementierung komplexe Schaltungsanordnungen
und ist leider auf Anwendungen bei niedrigen Frequenzen mit
langen Bursts beschränkt. Zusätzlich ist die Grenzwertauswahl
für eine optimale Leistungsfähigkeit von dem Signalpegel und
dem Rauschpegel abhängig. Somit muß der Grenzwert jedesmal dann
geändert werden, wenn einer dieser Parameter sich ändert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Ein
richtung zum Nachweisen von Burst-Signalen bei sehr geringen
Signal-Rausch-Verhältnissen mit geringem Berechnungsaufwand
während des Nachweisens zu schaffen, das bzw. die keine häufi
gen Einstellungen und Kalibrierungen erfordert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch einen Burst-Detektor
mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Es wird ein Frequenzbereich-Burst-Detektor beschrieben. Der
Burst-Detektor ist in der Lage, Signale bei sehr geringen
Signal-Rausch-Verhältnissen mit Hilfe eines minimalen Berech
nungsaufwandes zu erkennen und erfordert keine häufigen Ein
stellungen eines Grenzwertpegels, welcher auf der Grundlage des
Signal-Rausch-Verhältnisses im Frequenzbereich und nicht auf
der Grundlage der Amplitude eingestellt wird. Die Erfindung
schafft ein optimales und praktikables Verfahren zum Burst-
Signal-Nachweis, das keine sorgfältigen Einstellungen und Kali
brierungen durch den Benutzer erfordert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In
der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungs
beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine Darstellung von möglichen 16-Bit-Mustern als
binäre Sequenzen von Einsen und Nullen;
Fig. 3a und 3b eine Veranschaulichung typischer Leistungs
pegel und Verteilungen für ein kohärentes Signal
bzw. für ein Rauschsignal;
Fig. 4 eine einfache Blockdarstellung eines erfindungsge
mäßen Burst-Detektors;
Fig. 5 eine allgemeine Konfiguration des erfindungsgemäßen
Burst-Detektors;
Fig. 6 eine Blockdarstellung einer Implementierung für
eine im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin
dung benutzte lineare Transformation;
Fig. 7 ein alternatives Verfahren für die Ein-Bit-Decodie
rung;
Fig. 8 eine Blockdarstellung eines bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Burst-Detek
tors, in welchem In-Phase- und Quadratur-Abtast
werte des Eingangssignals benutzt werden;
Fig. 9 eine Darstellung eines typischen Doppler-Burst-Si
gnals;
Fig. 10a ein typisches Doppler-Signal und Fig. 10b ein
Hochpaß-gefiltertes Signal; und
Fig. 11 und 12 die Leistungsfähigkeit der Erfindung ver
glichen mit konventionellen Techniken des Burst-
Nachweises.
s(t) eine die gewünschte Information tragende Signalkom
ponente,
n(t) zusätzliche Rauschkomponente,
r(t) Eingangssignal (es ist gleich s(t) + n(t), wenn das Si gnal existiert, und es ist gleich n(t), wenn das Si gnal nicht existiert),
ri
n(t) zusätzliche Rauschkomponente,
r(t) Eingangssignal (es ist gleich s(t) + n(t), wenn das Si gnal existiert, und es ist gleich n(t), wenn das Si gnal nicht existiert),
ri
(t) Ausgangssignal der i-ten linearen Transformation
(siehe
Fig.
5),
s(i) diskret abgetastete Daten von s(t),
n(i) diskret abgetastete Daten von n(t),
r(i) diskret abgetastete Daten von r(t),
N Anzahl der für die diskrete Fourier-Transformation (DFT) benutzten Abtastwerte,
Q(k) imaginärer Anteil der DFT von r(i) bei der diskreten Frequenz k,
C(k) Realteil der DFT von r(i) bei der diskreten Frequenz k,
S(k) Leistung der DFT von r(i) bei der diskreten Frequenz k (ist gleich Q2
s(i) diskret abgetastete Daten von s(t),
n(i) diskret abgetastete Daten von n(t),
r(i) diskret abgetastete Daten von r(t),
N Anzahl der für die diskrete Fourier-Transformation (DFT) benutzten Abtastwerte,
Q(k) imaginärer Anteil der DFT von r(i) bei der diskreten Frequenz k,
C(k) Realteil der DFT von r(i) bei der diskreten Frequenz k,
S(k) Leistung der DFT von r(i) bei der diskreten Frequenz k (ist gleich Q2
(k)+C2
(k),
Th Grenzwert im Leistungsspektrum,
σ2
Th Grenzwert im Leistungsspektrum,
σ2
Rauschleistung,
p(x) Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion von x,
P(S(k) < Th) Wahrscheinlichkeit, daß S(k) kleiner als Th ist,
M Amplituden des Signals s(t),
SNR Signal-Rausch-Verhältnis,
fs
p(x) Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion von x,
P(S(k) < Th) Wahrscheinlichkeit, daß S(k) kleiner als Th ist,
M Amplituden des Signals s(t),
SNR Signal-Rausch-Verhältnis,
fs
Abtastfrequenz,
ts
ts
1/fs
,
E[x] Erwartungswert der Zufallsvariable x,
var[x] Varianz der Zufallsvariable x,
q Q-E[Q],
c C-E[C],
o(i) Vorzeichen von s(i) + n(i),
γ Zufallsvariable (sie ist gleich 1, wenn n(i) < 0, und sie ist gleich 0, wenn n(i) < 0),
T Meßzeit,
TS
E[x] Erwartungswert der Zufallsvariable x,
var[x] Varianz der Zufallsvariable x,
q Q-E[Q],
c C-E[C],
o(i) Vorzeichen von s(i) + n(i),
γ Zufallsvariable (sie ist gleich 1, wenn n(i) < 0, und sie ist gleich 0, wenn n(i) < 0),
T Meßzeit,
TS
Zeitschlitz für das Dopplersignal innerhalb der
Zeit T,
Ti
Ti
Übergangszeit für den einzelnen Doppler-Burst i,
Tn
Tn
Zeitschlitz für das Rauschen innerhalb der Zeit T,
Dverarbeitet
Dverarbeitet
Anzahl der innerhalb der Zeit T durch den Prozessor
verarbeiteten Doppler-Bursts,
DDoppler
DDoppler
Anzahl der aktuellen Doppler-Bursts innerhalb der
Zeit T,
τp
τp
zum Verarbeiten der durch ein einziges Auslösen des
Burst-Detektors gesammelten Daten erforderliche
Zeit,
αAnzahl der Burst-Detektor-Versuche innerhalb eines Bursts.
αAnzahl der Burst-Detektor-Versuche innerhalb eines Bursts.
Es wird eine Einrichtung und ein Verfahren zum Nachweisen
von Burst-Signalen selbst bei geringen Signal-Rausch-Verhält
nissen (bis hinab zu 0 dB) mit Hilfe eines Frequenzbereich-Ver
fahrens beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlt
reiche Details und mathematische Analysen, wie beispielsweise
die mathematische Formulierung der Lösung, die diskrete Fou
rier-Transformation (DFT), die benutzbaren Decodierschaltungs
anordnungen und die Lösung zum Setzen eines Signal-Rausch-Ver
hältnis-Grenzwerts im Frequenzbereich beschrieben, um ein bes
seres Verständnis der Erfindung zu erreichen. Für den Fachmann
ist es jedoch klar, daß diese Erfindung auch ohne diese spe
ziellen Details ausgeführt werden kann. An anderen Stellen wer
den bekannte Komponenten, Strukturen und elektronische Verar
beitungsmittel nicht im Detail beschrieben, um das Verständnis
der Erfindung nicht unnötig zu erschweren.
Eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfah
rens zur Burst-Erkennung ist durch das Ablaufdiagramm gemäß
Fig. 1 dargestellt. Beim Schritt 10 wird das Eingangssignal in
einen Abtaststrom von 1-Bit-Daten decodiert, vorzugsweise durch
einen 1-Bit-Digitalisierer (bei dem das Ausgangssignal einer
logischen Eins entspricht, wenn das Signal größer als 0 ist,
und einer logischen Null, wenn das Signal kleiner als 0 ist).
Andere Arten von 1-Bit-Decodern werden in der folgenden Diskus
sion beschrieben. Beim Schritt 20 wird ein quantitatives Maß
allen möglichen Mustern, die durch den 1-Bit-Decoder erzeugt
werden können, zugeordnet. Das quantitative Maß wird für alle
möglichen binären Muster zuvor berechnet und in einen Speicher
(oder ein anderes Abbildungsmittel) geladen, um dieses Maß für
jedes mögliche Muster zur Verfügung zu stellen. Das quantita
tive Maß wird auf der Grundlage eines bestimmten Kriteriums be
stimmt, daß die Übereinstimmung zwischen dem eingehenden Signal
und dem (oder den) zu erkennenden Signal (oder Signalen) be
stimmt. Ein Beispiel eines quantitativen Maßes ist die Fourier-
Analyse. Wie zuvor erörtert, stellt die Anwendung der Fourier-
Analyse ein optimales Kriterium für die Signalerkennung im
Falle des Nachweises sinusförmiger Signale in der Anwesenheit
von Rauschen zur Verfügung; jedoch können auch andere quantita
tive Maße benutzt werden, um eine Übereinstimmung zwischen dem
eingehenden Signal und dem zu erkennenden Signal festzustellen.
Ein alternatives und einfaches Beispiel für das quantitative
Maß der Übereinstimmung zwischen dem Eingangssignal und dem zu
erkennenden Signal ist die Hamming-Distanz zwischen dem das
Eingangssignal darstellenden binären Muster und dem binären Mu
ster des zu erkennenden Signals. (Die Hamming-Distanz ist defi
niert als die Anzahl von gleichen binären Bits in den zwei in
teressierenden binären Mustern.)
Beim Schritt 30 wird das ermittelte quantitative Maß mit
einem bestimmten Grenzwert verglichen, um die Existenz oder
Nichtexistenz des Signals festzustellen. Die Anzahl der Abtast
werte, die bei der Decodierung des Eingangssignals genommen
wurden, sollte ausreichen, um die Anwesenheit eines Signals zu
identifizieren, aber nicht so groß, daß die Effizienz des Sy
stems beeinträchtigt wird. Vorzugsweise werden für jede Bestim
mung der Anwesenheit des Signals 16 Abtastwerte genommen. Wenn
16 Bits für jeden Test der Anwesenheit des Signals benutzt wer
den, dann können alle möglichen, mit Hilfe von 16 Bits her
stellbaren Muster leicht in einer annehmbaren Speichermenge ge
speichert werden. Wenn die Anzahl der in dem Speicher gespei
cherten möglichen unterschiedlichen Muster gleich 216 oder 64K
ist (siehe Fig. 2), kann eine Übereinstimmung zwischen dem ab
getasteten Eingangssignal und dem (zu erkennenden) sinusförmi
gen Signal einfach durch Vergleichen des der binären Darstel
lung des Eingangssignals zugeordneten quantitativen Maßes mit
einem bestimmten Grenzwert festgestellt werden, um die Existenz
oder Nichtexistenz des Signals zu entscheiden.
Speicher, logische Schaltungsanordnungen oder andere Deco
diermittel können benutzt werden, um das jedem der 216 mögli
chen binären Muster von Einsen und Nullen zugeordnete quantita
tive Maß zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise wird jedoch das
abgetastete Eingangssignal von binären Einsen und Nullen als
eine Speicheradresse zum Zugreifen auf die entsprechenden, mit
Hilfe der Fourier-Analyse berechneten Leistungspegelinformatio
nen benutzt. Die Leistungspegelinformation wird dann benutzt,
um die Existenz oder Nichtexistenz eines Signals festzustellen.
Vorzugsweise ist die gespeicherte Leistungspegelinformation
proportional zur Leistung der Frequenz-Spektrallinie, die die
maximale mit der diskreten Fourier-Transformation berechnete
Leistung hat. Dies wird durch die Fig. 3a veranschaulicht. Fig.
3a stellt den Leistungspegel über der Frequenz für ein abgeta
stetes kohärentes Signal dar. In dem Maße, wie das Signal Kohä
renz zeigt, ist der Leistungspegel um die Signalfrequenz herum
konzentriert. Wenn das Signal nur zufälliges Rauschen ist, er
gibt sich eine Darstellung der Leistung über der Frequenz ähn
lich der von Fig. 3b, in welcher die Leistungspegel viel gerin
ger und über die Spektrallinien gleichmäßig verteilt sind.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung des erfindungs
gemäßen Burst-Detektors. Gemäß dieser Darstellung wird das Ein
gangssignal mit Hilfe eines Ein-Bit-Analog-Digital-Umsetzers
300 abgetastet, um ein abgetastetes Eingangssignal von Nullen
(0's) und Einsen (1's) zu erzeugen. Die abgetasteten Bits wer
den einem Schieberegister 310 und dann einer Latch-Schaltung
320 eingegeben, welche jedes der 16 Bits des abgetasteten Ein
gangssignals vorübergehend speichert. Die erfaßten 16 Abtast
werte von Nullen und Einsen werden als Adresse zum Lesen von
Daten aus einem großen Speicher 330 benutzt. Der Speicher 330
hat 216 Speicherorte mit durch die 16-Bit-Binärdarstellung der
Zahlen von 0 bis 216-1 dargestellten Adressen. Jeder Speicher
platz bzw. jede Speicherzelle enthält Informationen über das
bestimmte Muster von Einsen und Nullen, welches dem abgetaste
ten Spannungssignal und/oder Rauschen entspricht. Die Informa
tion in jeder Speicherzelle ist proportional zu der Leistung
der Frequenzlinie, die die maximale Leistung hat, wie sie ent
sprechend der diskreten Fourier-Transformation für dieses Mu
ster berechnet wurde. Vorzugsweise werden die diskreten Fou
rier-Transformierten aller binären Darstellungen der Zahlen von
0 bis 216-1 zuvor berechnet und in die entsprechenden Speicher
plätze geladen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann
jeder Speicherplatz neben der Leistung auch eine Abschätzung
der Signalfrequenz enthalten, die für eine nachfolgende Verar
beitung benutzt werden kann. Die die Eingangssignalfrequenz be
treffende Information kann ferner benutzt werden, um die Si
gnalerkennung auf einen begrenzten Frequenzbereich zu beschrän
ken. Durch Verwendung der Eingangssignalfrequenz kann die
Falscherkennungsrate reduziert werden, und nicht zum interes
sierenden Frequenzbereich gehörende Signalfrequenzen können zu
rückgewiesen werden.
Das Burst-Signal wird in der logischen Schaltungsanordnung
340 durch Vergleichen der in dem durch das abgetastete Ein
gangssignal adressierten Speicherplatz gespeicherten Leistung
mit einem vorgegebenen Leistungsgrenzwert nachgewiesen. Wenn
die Leistung in dem adressierten Speicherplatz den Grenzwert
überschreitet, welcher als ein Signal anzeigend bestimmt wurde,
existiert ein Signal, das periodischer Natur ist
(einschließlich Gleichspannungen).
Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten zum Implementieren des
Verfahrens. Bei der ersten Möglichkeit zur Implementierung wird
die Leistung oder eine zur Leistung proportionale Zahl, die mit
der diskreten Fourier-Transformation für diese Adresse (d. h.,
die binäre Darstellung der Nummer der Speicherzelle) berechnet
wurde, mit einem wählbaren Grenzwert verglichen.
Bei der zweiten Methode wird der Speicher, wie beispiels
weise ein RAM, nur mit Einsen und Nullen an den Speicherplätzen
geladen. Die Inhalte der Speicherplätze entsprechen einer 1,
wenn die Leistung größer als ein ausgewählter Grenzwert ist,
und einer 0, wenn sie unter dem Grenzwert liegt. Um die Grenz
wertauswahl zu ändern, wird der Speicher mit Einsen und Nullen,
die dem neuen ausgewählten Grenzwert entsprechen, umgeladen.
Es sei angemerkt, daß mit nur 16 Punkten und einem signifi
kanten Rauschhintergrund die Wahrscheinlichkeit einer Falschsi
gnalerkennung (die Rauschen als ein kohärentes Signal interpre
tiert) nicht Null sein kann. Obwohl die Wahrscheinlichkeit der
Rauschdetektion verändert wird und von der Auswahl des Grenz
werts abhängt, kann verallgemeinert werden, daß die Wahrschein
lichkeit größer als 1/64000 ist und zur Veranschaulichung mit
100/64000 geschätzt werden kann. Wenn beispielsweise eine Ab
tastfrequenz von 160 MHz benutzt wird, so gibt es 107 Entschei
dungen pro Sekunde (dies entspricht der Rate zur Erfassung von
16 Abtastwerten). Folglich gibt es eine Wahrscheinlichkeit für
107×100/64000 Falscherkennungen pro Sekunde. Dies impliziert,
daß es 15000 Falscherkennungen pro Sekunde gibt, was in der
Größenordnung der höchsten Datenrate liegt, die in praktischen
Anwendungen erwartet werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Falscherkennungsrate
dadurch reduziert werden, daß die Anwesenheit eines Signals nur
dann als nachgewiesen gilt, wenn eine vorgegebene Anzahl von
aufeinanderfolgenden Abtastungen den Grenzwert überschreitet.
Alternativ dazu kann das Problem einer hohen Falscherkennungs
rate infolge der Benutzung einer begrenzten Anzahl von Bits
(z. B. N) durch die Verwendung einer allgemeineren Konfiguration
überwunden werden. Diese Konfiguration gestattet parallele und
aufeinanderfolgende Entscheidungen über Blöcke von N Bits. Vor
zugsweise sind die Entscheidungen über diese Blöcke statistisch
unabhängig. Dann wird die Falscherkennungsrate des Gesamtsy
stems gleich dem Produkt der Falscherkennungsraten jedes dieser
Blöcke. Dies reduziert effektiv die Falscherkennungsrate.
Fig. 5 zeigt eine mögliche Implementierung für die oben be
schriebene Konfiguration. Wie dort gezeigt, wird das Eingangs
signal r(t) einem Satz von Signaltransformationen 1, 2, . . . , n
unterzogen. Die Ausgangssignale dieser Signaltransformationen
sollen als r1, r2, . . ., rn bezeichnet werden. Die Signaltrans
formationen werden so ausgewählt, daß die Signale r1, r2, . . .,
rn im Fall der Anwesenheit des Signals die Signalcharakteristi
ken von r(t) bewahren, während r1, r2, . . ., rn im Fall der Ab
wesenheit des Signals statistisch unabhängig sind. Um ein si
nusförmiges Signal in der Anwesenheit von Rauschen zu erkennen,
wird eine Signaltransformation benutzt, so daß die Ausgangssi
gnale r1, r2, . . . rn die folgenden Bedingungen erfüllen:
E[rirj] = 0 für i, j = 0, 1, . . ., n, i ≠ j (B1).
Dies ist ausreichend, um zu gewährleisten, daß die Signale
r1, r2, . . ., rn die Kohärenz des Signals r(t) im Falle der Anwe
senheit des Signals bewahren. Ferner sind im Falle des Gauß'schen
weißen Rauschens die Signale r1, r2, . . ., rn statistisch
unabhängig.
Fig. 6 zeigt eine praktische Implementierung für die oben
beschriebenen linearen Transformationen. In diesem Beispiel
wird das Eingangssignal Y(t) mit Hilfe eines 2-Weg-Signal-Auf
teilers aufgeteilt. Das erste Ausgangssignal des Aufteilers
wird mit einer lokalen Oszillatorfrequenz f0 gemischt und das
zweite Ausgangssignal des Aufteilers wird mit dem gleichen Os
zillator-Ausgangssignal gemischt, nachdem es um 90° phasenver
schoben wurde. Folglich ist das Signal Y2(t) die Hilbert-Trans
formierte des Signals Y1(t). Dies impliziert, daß die Signale
Y1(t) und Y2(t) die oben durch (B1) spezifizierte Bedingung er
füllen. (Für weitere Informationen siehe: Frederic de Coulon,
"Signal Theory and Processing", Artech House Inc., 1986, Seiten
213-252.)
Im folgenden wird wieder auf Fig. 5 Bezug genommen. Jedes
der Ausgangssignale ri wird einem 1-Bit-Codierer zugeführt, um
einen Strom von Bits zur Verfügung zu stellen, die effektiv auf
wichtige Merkmale der Eingangssignale ri bezogen sind. Im Falle
eines Sinussignals kann ein 1-Bit-Quantisierungs-Abtaster effi
zient als ein 1-Bit-Codierer verwendet werden. (Dies beruht auf
der Tatsache, daß die Nulldurchgänge effektiv auf die Frequenz
und die Phase der sinusförmigen Signale bezogen sind.)
Eine andere Art eines 1-Bit-Codierers ist durch Fig. 7 dar
gestellt. In diesem Codierer werden digitale und/oder logische
Schaltungen benutzt, um die Existenz lokaler Maxima und lokaler
Minima in Signalen nachzuweisen. Für jeden Nachweis einen loka
len Maximums wechselt das Ausgangssignal des Codierers von lo
gisch Eins zu logisch Null. Für jeden Nachweis eines lokalen
Minimums wechselt das Ausgangssignal des Codierers von logisch
Null zu logisch Eins.
Bezugnehmend auf Fig. 5: der vom 1-Bit-Codierer ausgegebene
Strom von binären Einsen und Nullen wird einem N-Bit-Schiebere
gister mit seriellem Eingang und parallelem Ausgang zugeführt.
Das Register-Ausgangssignal wird dann latch-zwischengespeichert
und zusammen mit dem Ausgangssignal des Gesamtsystems einem
Speichermittel zugeführt, von welchem ein M-Bit-Wert erzeugt
wird. Es sei angemerkt, daß andere Mittel zum Erzeugen von Ein
gangssignalen für die Speicherschaltungen möglich sind. Bei
spielsweise können Mehrfachspeichermittel benutzt werden oder
konfiguriert werden, um als Eingangssignal das In-Phase- oder
das Quadratur-Signal des Quadratur-abgetasteten Eingangssignals
zu empfangen. Die n M-Bit-Ausgangssignale werden dann einer lo
gischen Schaltung für die Entscheidung der Existenz oder Abwe
senheit des Signals zugeführt.
Die Konfiguration gemäß Fig. 5 kann auf verschiedenen Wegen
implementiert werden. Fig. 8 zeigt eine mögliche Implementie
rung. In dieser Implementierung wird das Eingangssignal aufge
teilt. Das erste Ausgangssignal des Aufteilers wird mit dem Si
gnal eines lokalen Oszillators gemischt (410). Das zweite Aus
gangssignal des Aufteilers wird mit dem um 90° phasenverscho
benen gleichen Ausgangssignal des lokalen Oszillators gemischt
(415). Die Ausgangssignale der Mischer 410, 415 werden dann mit
Hilfe der Tiefpaßfilter 420 und 425 gefiltert. Die Filteraus
gangssignale (d. h. die In-Phase- und die Quadratur-Komponenten
des Eingangssignals) werden dann mit Hilfe der um 90° phasen
verschobenen Abtaster 430 und 435 abgetastet. Mit Hilfe des
Quadratur-Abtast-Verfahrens kann eine geringere Falscherken
nungsrate erreicht werden. Die Ausgangssignale der Quadratur-
Abtaster werden dann den Registern 440 und 445 zugeführt und
mit Hilfe der Komponenten 450 und 455 Latch-zwischengespei
chert. Die Latch-Ausgangssignale werden dann benutzt, um die
Speicher 460 und 465 zu adressieren, um die die Leistung der
In-Phase- und der Quadratur-Komponenten des abgetasteten Ein
gangssignals betreffenden Informationen zu erfassen. Die logi
sche Schaltungsanordnung 470 verwendet die Ausgangssignale der
Speicher 460, 465 für die In-Phase- und Quadratur-Leistungs
werte, welche einzeln mit dem Grenzwert verglichen werden. Eine
Forderung, daß sowohl das In-Phase- als auch das Quadratur-Si
gnal (bezeichnet als I und Q) die Grenzwertkriterien erfüllen
müssen, resultiert in einer signifikanten Verringerung der
Falscherkennungsrate. Eine weitere Verringerung kann erreicht
werden, wenn eine vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden
Quadratur-Abtastungen den Grenzwert überschreitet.
Für ein quantitatives Maß der Leistungsfähigkeit des bevor
zugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Burst-Detek
tors stellt die folgende Diskussion eine detaillierte Analyse
zur Verfügung. Da eine Ein-Bit-Abtastung angenommen wird, wer
den die r(i) (in Gleichung (2)) durch 1 oder -1 ersetzt, was
davon abhängt, ob r(i) größer oder kleiner als Null ist. Für
den Fall des Fehlens des Signals kann S(k) geschrieben werden
als:
wobei γ eine Zufallsvariable ist, die je nachdem, ob n(t) grö
ßer oder kleiner als Null ist, einen Wert von 0 oder 1 hat. Wie
in dem vorangegangenen Abschnitt können die Ausdrücke
als eine Gauß'sche Zufallsvariable mit dem Mittelwert 0 und der
Varianz n/2 angesehen werden. Folgt man den in den einleitenden
Abschnitten ausgeführten Schritten, so läßt sich die Falscher
kennungsrate schreiben als:
Für Th/N größer als 1 kann die obige Gleichung geschrieben
werden als:
Wie man aus der obigen Gleichung sieht, ist die Falscher
kennungsrate unabhängig vom Rauschpegel. Die Falscherkennungs
rate hängt nur vom Grenzwert im Leistungsspektrum und von der
Anzahl der für die DFT benutzten Abtastwerte ab. Folglich er
gibt sich bei Änderung des Rauschpegels keine Notwendigkeit zum
Ändern des Grenzwerts, um eine feste Falscherkennungsrate zu
halten (wie das im Fall des bekannten optimalen Mehrbit-Schemas
der Fall war).
In der folgenden Diskussion werden die Beziehungen zum Fin
den des Leistungsspektrums für den Fall der Signalexistenz auf
gestellt. Für diesen Fall (d. h., r(i) = s(i) + n(i)) kann die
Gleichung (14) geschrieben werden als:
Der Wert o(i) = sign[s(i) + n(i)] kann als eine Zufallsva
riable angesehen werden, die zwei Werte (1 und -1) hat. Der
Mittelwert dieser Zufallsvariable ist gegeben durch:
E[o(i)] = P[o(i) < 0] - P[o(i) < 0] (24)
oder
Für Gauß'sches Rauschen kann der oben genannte Wert redu
ziert werden zu:
E[o(i)] = Gσ(-s(i), α) - Gσ(-α, -s(i)) (26)
oder
E[o(i)] = 2Gσ(0, s(i)) (27)
wobei
Da
kann der Wert Gσ(0, a) geschrieben werden als:
Es ist klar, daß der oben genannte Wert nur von dem Ver
hältnis [a/σ] abhängt. Ferner ist die Varianz der
Zufallsvariable o(i) gegeben durch:
Folglich können in Gleichung (23) die Werte Q und C ge
schrieben werden als
Q = E[Q] + q (32)
und
C = E[C] + c (33)
wobei Q eine Gauß'sche Zufallsvariable mit dem durch E[Q] gege
benen Mittelwert ist, wobei:
und die Varianz von Q gleich var[q] ist und durch V gegeben
ist, wobei
In ähnlicher Weise ist C eine Gauß'sche Zufallsvariable mit
einem durch E[C] gegebenen Mittelwert, wobei
und die Varianz von C gleich var[c] ist und durch U gegeben
ist, wobei
Folglich kann Gleichung (23) geschrieben werden als:
S(k) = [E[Q] + q]2 + [E[C] + c]2 (38)
Für s(i) = M sin(2πim/N) (d. h., das Signal ist eine diskret
abgetastete sinusförmige Schwingung der Frequenz mfs/N, wobei
fs die Abtastfrequenz ist, und die Signalfrequenz der diskreten
Frequenz m in der DFT entspricht) wird dann die o.g. Gleichung
reduziert zu:
S(k) = [E[Q] + q]2 + e2 (39)
und der Erwartungswert von S(k) ist gegeben durch:
E[S(k)] = E[Q]2 + V + U (40)
oder
Wenn N hinreichend groß ist, kann der o.g. Wert reduziert
werden zu:
E[S(m)] = 2[NG1(0, √2SNR)]2 + U + V (42).
Folglich hängt für eine bestimmte Wahrscheinlichkeit der
Signalerkennung der Grenzwert nur vom Signal-Rausch-Verhältnis
ab. Im Unterschied zum optimalen Mehrbit-Signaldetektor-Schema,
wo die Signalerkennungswahrscheinlichkeit sowohl vom Signalpe
gel als auch vom Signal-Rausch-Verhältnis abhängt, hängt die
Falscherkennungsrate darüberhinaus nur von dem Grenzwert ab.
Bei Verwendung des Mehrbit-Schemas ist die Falscherkennungsrate
proportional zum Rauschpegel. Folglich muß jedesmal, wenn sich
der Signalpegel oder der Rauschpegel ändert, der Grenzwert ge
ändert werden. Andererseits braucht für das erfindungsgemäße
Ein-Bit-Signalerkennungs-Schema der Grenzwert nur für das mini
mal erwartete Signal-Rausch-Verhältnis eingestellt zu werden.
Dies ist ein sehr wichtiger Unterschied, da er signifikant die
Komplexität der Burst-Erkennungseinrichtung und des Verfahrens
zu dessen Implementierung minimiert.
Der Grenzwert wird ausgewählt, um die Anzahl der verarbei
teten Signale pro Zeiteinheit T zu maximieren. Fig. 9 zeigt
einen typischen LDV-Signalstrom über eine Zeitperiode T. Der
dem Signal zugewiesene Zeitanteil ist gegeben durch
wobei Ti die Durchgangszeit für das Dopplersignal i ist.
Folglich ist der Zeitanteil für das Rauschen Tn = T-Ts. Wenn
der Burst-Detektor bei einer Anzahl Dverarbeitet von Doppler-
Bursts ausgelöst wird, dann besteht die Aufgabe darin, die
Anzahl Dverarbeitet zu maximieren, so daß diese Anzahl so nah
wie möglich an DDoppler herankommt. Um zu bestimmen, wie diese
Anzahl in der folgenden Weise, welche eng an einen typischen
LDV-Prozessor angenähert ist, maximiert werden kann, wurde
vorzugsweise das komplette Verarbeitungssystem modelliert. Wenn
man dem Modell für einen LDV-Prozessor folgt, wird das Signal
zuerst durch einen Burst-Detektor getestet, um über die
Existenz oder Nichtexistenz des Signals zu entscheiden. Je
desmal, wenn der Burst-Detektor ausgelöst wird, wird eine Auf
zeichnung einer bestimmten Anzahl von Abtastwerten, welche im
allgemeinen größer als N ist (N ist die Anzahl der für die
Burst-Erkennung benutzten Abtastwerte) erfaßt, um verarbeitet
und gültig gemacht zu werden. Es soll τp die bei jeder Auslö
sung des Burst-Detektors zur Verarbeitung und zum Gültigmachen
der erfaßten Daten erforderliche Zeit sein. Folglich besteht
das mit jeder Falscherkennung verbundene Risiko darin, daß der
Burst-Detektor und der Prozessor von der Erkennung und Verar
beitung wirklicher Doppler-Signale abgehalten werden, während
sie Daten verarbeiten und gültig machen, die auf Rauschen beru
hen. Wenn der Wert
die Abtastfrequenz darstellt und N
Abtastwerte für jeden Versuch der Signalerkennung benutzt
werden, ist die Anzahl der Versuche des Burst-Detektors (in der
Zeit T) mit DT gegeben, wobei:
und die für einen einzelnen Versuch erforderliche Zeit durch
Nτs gegeben ist.
Von diesen DT Versuchen ist die Anzahl der Versuche, bei
denen der Burst-Detektor durch Rauschen ausgelöst wurde, gege
ben durch:
Der o.g. Wert folgt aus der Tatsache, daß DRauschen gleich
der Anzahl der Versuche des Burst-Detektors bei Rauschen ist
(welche gleich Tn/Nτs multipliziert mit der Falscherkennungsrate
ist).
Nimmt man an, daß DRauschen hinreichend klein ist, dann ist
die zur Verarbeitung der infolge dieser falschen Auslösungen
erfaßten Daten erforderliche Zeit gegeben durch:
TRauschen = DRauschen τp (45).
Folglich ist die zur Erkennung und Verarbeitung realer
Doppler-Bursts verbleibende Zeit gegeben durch T-TRauschen (die
vorgenannten Ergebnisse gelten, sofern DRauschen klein genug
ist, so daß TRauschen kleiner als T ist). Um die Anzahl der den
Burst-Detektor aus lösenden Doppler-Bursts zu finden, soll die
Wahrscheinlichkeit der Erkennung eines Doppler-Bursts bestimmt
werden. Fig. 10a zeigt einen typischen Doppler-Burst und Fig.
10b zeigt den Burst nach der Filterung, um die Stützkomponente
zu entfernen. In dieser Abbildung stellt Tb die erwartete
Burst-Länge (oder die erwartete Durchgangszeit) dar.
Die Anzahl der durch den Burst-Detektor unternommenen Versuche
ist gegeben durch
Folglich ist die Wahrscheinlich der
Erkennung eines Doppler-Burst gegeben durch:
P[Doppler-Burst-Erkennung] = 1 - [1 - A(Th,SNR)]α (46)
wobei A die Akzeptanzrate ist, welche eine Funktion von Th und
SNR ist.
Folglich ist die Anzahl der pro Zeiteinheit T durch den
Burst-Detektor erkannten Doppler-Bursts (d. h., Dverarbeitet)
gegeben durch:
wobei α die Anzahl der Versuche des Burst-Detektors innerhalb
des Bursts ist.
Das Ziel ist die Maximierung des Verhältnisses Dverarbeitet/DDoppler.
Wie man aus der o.g. Gleichung sieht, ist dieses Verhältnis
eine komplizierte Funktion des Grenzwerts, des Signal-Rausch-
Verhältnisses, der Abtastfrequenz und der Burst-Länge. Es wurde
ein einfacheres Kriterium entwickelt, um die Grenzwertauswahl
zu vereinfachen. Im vorangegangenen Abschnitt wurde gezeigt, daß,
wenn die Grenze niedriger als 2[NG1(0, √2SNR)]2 gewählt wird,
die Akzeptanzrate dann in der Nähe von 1 liegt. In diesem Fall
ist der Hauptfaktor, der das Verhältnis Dverarbeitet/DDoppler beeinflußt,
das Verhältnis TRauschen/T (welches von der Zurückweisungsrate
R(Th) abhängt). Folglich kann durch Auswahl eines Grenzwerts,
der hoch genug ist, so daß das Verhältnis TRauschen/T « 1,
aber andererseits kleiner als 2[NG1(0, √2SNR)]2 ist, eine opti
male Systemleistung erreicht werden.
Folglich sollte der Grenzwert so gewählt werden, daß sich
bei diesem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eine Akzeptrate in
der Nähe von 1 ergibt. Wenn N = 16 und SNR = 0 sind, sollte der
Grenzwert nicht größer als 2[16G1(0, √(2))]2 = 110 sein, um eine
Akzeptanzrate in der Nähe von 1 bei SNR = 0 dB zu erhalten.
Alternativ dazu kann der optimale Grenzwert empirisch mit Hilfe
des berechneten Grenzwertes als Startwert bestimmt werden.
Für einen gegebenen Grenzwert von 100 ist die Zurückwei
sungsrate gleich 0,016; diese Zurückweisungsrate impliziert
dann für eine Abtastfrequenz von 5 MHz, daß es
falsche Auslösungen pro Sekunde gibt. Bei Verwendung der Aus
gangssignale sowohl des In-Phase-Abtasters als auch des Quadra
tur-Abtasters wird die Zurückweisungsrate auf 0,0162 = 2,56×10-4
reduziert. Dies zeigt, daß es bei einer Abtastfrequenz von 20
MHz 320 falsche Auslösungen pro Sekunde gibt. Um diese Anzahl
weiter zu senken und um bei höheren Frequenzen und geringeren
Signal-Rausch-Verhältnissen zu arbeiten, kann eine Entscheidung
über zwei aufeinanderfolgende Blöcke von 16 Abtastwerten ver
wendet werden. Für einen Grenzwert von 100 und eine Abtastfre
quenz von 160 MHz kann die Anzahl von falschen Auslösungen auf
10 pro Sekunde gesenkt werden.
Die Fig. 11 und 12 zeigen die Leistungsfähigkeit des er
findungsgemäßen Schemas der Burst-Erkennung im Vergleich zu
konventionellen Techniken der Burst-Erkennung. Wie man aus die
sen Abbildungen sehen kann, wird ein Abstand von 10 dB mit
Hilfe des Frequenzbereich-Burst-Detektors gegenüber dem Zeitbe
reich-Burst-Detektor erreicht.
Ferner ist es wünschenswert zu sichern, daß das Burst-Si
gnal kontinuierlich nachgewiesen wird, selbst wenn das Signal-
Rausch-Verhältnis während des Bursts variiert und unter den
Grenzwert fällt, welcher infolge der Anwesenheit des Rauschens
auftreten darf. Sobald das Burst-Signal einmal nachgewiesen ist
(d. h., wenn die Signalleistung den gesetzten Grenzwert über
schreitet), können die Grenzwertkriterien reduziert werden,
beispielsweise auf 50% des anfänglichen Grenzwerts. Dieses
Verfahren der Verringerung der Nachweiskriterien sichert, daß
der kontinuierliche Nachweis des Rests des Burst-Signals selbst
dann gewährleistet wird, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis wäh
rend des Burst-Signals variiert und die Leistungspegel des ab
getasteten Signals unter den höheren Anfangsgrenzwert fallen.
Der Grenzwert kann dann wieder auf den alten Wert erhöht wer
den, um nachfolgende Bursts nachzuweisen.
Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Burst-Detektor ver
wendet, um die Existenz von Burst-Signalen nachzuweisen, und
wird in Verbindung mit anderen Einrichtungen benutzt, wie bei
spielsweise einem Doppler-Signalanalysator, der eine detail
liertere Analyse des Signals ausführt. Sobald ein Signal nach
gewiesen ist, wird eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten ge
speichert und benutzt, um eine die Frequenz des Signals betref
fende Analyse auszuführen.
Claims (21)
1. Verfahren zum Nachweisen von Burst-Signalen in einem so
wohl Burst-Signale als auch Rauschen enthaltenden Eingangssi
gnal, bei dem das Eingangssignal codiert wird, um eine das Ein
gangssignal wiedergebende Kette von binären Werten zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das codierte Signal auf Speicherabbildungen bekannter Signaldarstellungen abgebildet wird, denen vorberechnete, das Vorhandensein eines Signals anzeigende Werte zugeordnet wurden, wobei Speicherabbildungen ausgewählt werden;
daß die vorberechneten Werte der ausgewählten Speicherab bildungen ausgelesen werden; und
daß die Existenz eines Burst-Signals im Eingangssignal be stimmt wird durch Bewerten der ausgelesenen Werte.
daß das codierte Signal auf Speicherabbildungen bekannter Signaldarstellungen abgebildet wird, denen vorberechnete, das Vorhandensein eines Signals anzeigende Werte zugeordnet wurden, wobei Speicherabbildungen ausgewählt werden;
daß die vorberechneten Werte der ausgewählten Speicherab bildungen ausgelesen werden; und
daß die Existenz eines Burst-Signals im Eingangssignal be stimmt wird durch Bewerten der ausgelesenen Werte.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Eingangssignal codiert wird, indem eine Analog-zu-Digital-
Umsetzung unter Verwendung einer Ein-Bit-Abtastung ausgeführt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Eingangssignal vor dem Codieren gefiltert wird, um
die Hüllkomponente des Eingangssignals zu entfernen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
beim Codieren des Eingangssignals sechzehn aufeinanderfolgende
Abtastwerte des Eingangssignals aufgenommen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß beim Abbilden des codierten Signals die Über
einstimmung des codierten Signals mit den bekannten Signaldar
stellungen überprüft wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die vorberechneten Werte einen Leistungswert
der jeweiligen bekannten Signaldarstellung anzeigen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die vorberechneten Werte für jede Signaldar
stellung erzeugt werden, indem eine diskrete Fourier-Transfor
mation (DFT) der jeweiligen Signaldarstellung ausgeführt und
der Wert der maximalen Leistung für die jeweilige DFT berechnet
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß beim Bestimmen der Existenz eines Burst-Si
gnals die ausgelesenen Werte mit einem Grenzwert verglichen
werden, wobei ein Burst-Signal erfaßt wird, wenn ein vorberech
neter Wert größer als der Grenzwert ist.
9. Burst-Detektor zum Nachweisen von Bursts in einem Burst-
Signale und Rauschen enthaltenden Eingangssignal mit einer das
Eingangssignal empfangenden Codiereinrichtung (300) zum Erzeu
gen eines codierten Eingangssignals, das eine Kette von das
Eingangssignal darstellenden binären Werten enthält,
gekennzeichnet durch:
einen Speicher (330), der einen Satz von Speicherabbildun gen bekannter Signaldarstellungen und von das Vorhandensein ei nes Burst-Signals in der jeweiligen Signaldarstellung anzeigen den vorberechneten Werten enthält;
eine Abbildungseinrichtung (310, 320) zum Abbilden des co dierten Eingangssignals auf eine bekannte Signaldarstellung und zum Auslesen des vorberechneten Wertes der abgebildeten bekann ten Signaldarstellung; und
eine Bewertungseinrichtung (340) zum Bestimmen des Vorhan denseins eines Burst-Signals in Abhängigkeit von dem ausgelese nen vorberechneten Wert.
einen Speicher (330), der einen Satz von Speicherabbildun gen bekannter Signaldarstellungen und von das Vorhandensein ei nes Burst-Signals in der jeweiligen Signaldarstellung anzeigen den vorberechneten Werten enthält;
eine Abbildungseinrichtung (310, 320) zum Abbilden des co dierten Eingangssignals auf eine bekannte Signaldarstellung und zum Auslesen des vorberechneten Wertes der abgebildeten bekann ten Signaldarstellung; und
eine Bewertungseinrichtung (340) zum Bestimmen des Vorhan denseins eines Burst-Signals in Abhängigkeit von dem ausgelese nen vorberechneten Wert.
10. Burst-Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Codiereinrichtung (300) Mittel zum Ausführen einer Ein-
Bit-Quantisierung aufweist.
11. Burst-Detektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Mittel zum Ausführen der Ein-Bit-Quantisierung ei
nen Ein-Bit-Analog/Digital-Umsetzer aufweisen.
12. Burst-Detektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Mittel zum Ausführen der Ein-Bit-Quantisierung ein
Mittel zum Erkennen lokaler Minima und lokaler Maxima des Ein
gangssignals aufweisen und daß diese Mittel jeweils einen Bi
närwert für jedes lokale Minimum und lokale Maximum erzeugen.
13. Burst-Detektor nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kette binärer Werte eine 16-Bit-Abta
stung des Eingangssignals enthält.
14. Burst-Detektor nach einem der Ansprüche 9-13, gekenn
zeichnet durch Einrichtungen zum linearen Transformieren des
Eingangssignals, um mehrere linear transformierte Eingangssi
gnale (r1 . . . rm) zu erzeugen;
wobei jedem linear transformierten Eingangssignal (r1 . . . rm) eine Codiereinrichtung, ein Speicher und eine Abbildungsein richtung zugeordnet ist, und wobei die Abbildungseinrichtungen mit der Bewertungseinrichtung derart gekoppelt sind, daß ein Burst-Signal festgestellt wird, wenn ein Burst-Signal in den mehreren linear transformierten Eingangssignalen als existent eingeschätzt wird.
wobei jedem linear transformierten Eingangssignal (r1 . . . rm) eine Codiereinrichtung, ein Speicher und eine Abbildungsein richtung zugeordnet ist, und wobei die Abbildungseinrichtungen mit der Bewertungseinrichtung derart gekoppelt sind, daß ein Burst-Signal festgestellt wird, wenn ein Burst-Signal in den mehreren linear transformierten Eingangssignalen als existent eingeschätzt wird.
15. Burst-Detektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß die Einrichtungen zum linearen Transformieren aufwei
sen:
einen das Eingangssignal und ein lokales Oszillator-Aus gangssignal empfangenden ersten Mischer zum Erzeugen eines In- Phase-Eingangssignals;
einen das lokale Oszillator-Ausgangssignal empfangenden Phasenschieber zum Schieben der Phase des eingegebenen Oszilla tor-Signals um 90°; und
einen das Ausgangssignal des Phasenschiebers und das Ein gangssignal empfangenden zweiten Mischer zum Erzeugen eines Quadratur-Eingangssignals.
einen das Eingangssignal und ein lokales Oszillator-Aus gangssignal empfangenden ersten Mischer zum Erzeugen eines In- Phase-Eingangssignals;
einen das lokale Oszillator-Ausgangssignal empfangenden Phasenschieber zum Schieben der Phase des eingegebenen Oszilla tor-Signals um 90°; und
einen das Ausgangssignal des Phasenschiebers und das Ein gangssignal empfangenden zweiten Mischer zum Erzeugen eines Quadratur-Eingangssignals.
16. Burst-Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Codiereinrichtung Ketten binärer Werte von vorgegebener
Länge erzeugt, daß der Satz von Speicherabbildungen bekannter
Signaldarstellungen alle möglichen Variationen der Ketten binä
rer Werte vorgegebener Länge umfaßt, und daß die Abbildungsein
richtung die Übereinstimmung der das Eingangssignal darstellen
den Kette binärer Werte mit einer bekannten Signaldarstellung
überprüft.
17. Burst-Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der das Vorhandensein eines Burst-Signals anzeigenden
vorberechneten Werte in dem Speicher (330) an einer von der
entsprechenden bekannten Signaldarstellung bestimmten Adresse
gespeichert ist.
18. Burst-Detektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß die Abbildungseinrichtung die an einer durch das co
dierte Eingangssignal spezifizierten Adresse angeordneten vor
berechneten Werte aus dem Speicher liest.
19. Burst-Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die das Vorhandensein eines Burst-Signals anzeigenden
vorberechneten Werte das Signal-Rausch-Verhältnis jeder der
bekannten Signaldarstellungen anzeigende Werte sind.
20. Burst-Detektor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Erzeugen der das Vorhandensein eines Si
gnals anzeigenden vorberechneten Werte, weiche eine diskrete
Fourier-Transformation (DFT) an jeder Signaldarstellung aus
führt und die maximalen Leistungswerte für jede DFT berechnet.
21. Burst-Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bewertungseinrichtung einen Komparator zum Vergleichen
der das Vorhandensein eines Burst-Signals anzeigenden vorbe
rechneten Werte mit einem Grenzwert aufweist, wobei ein Burst-
Signal nachgewiesen wird, wenn der vorberechnete Wert größer
als der Grenzwert ist.
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