DE4327275C2 - Process for the digital processing of narrowband signals with variable center frequency - Google Patents

Process for the digital processing of narrowband signals with variable center frequency

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das schmalbandige Signale digital verarbeitet und insbesondere zur digitalen Bestimmung der Mittenfrequenz dieser schmalbandigen Signale geeignet ist. Solche schmalbandigen Signale treten beispielsweise bei der Geschwindigkeitsmessung über Grund nach dem Dopplerprinzip auf.The invention relates to a method that uses narrowband signals digitally processed and especially for digital determination the center frequency of these narrowband signals is suitable. Such narrow-band signals occur, for example, at Ground speed measurement based on the Doppler principle.

Um schmalbandige Signale digital verarbeiten zu können, wird bei konventionellen Lösungen die Abtastfrequenz auf mindestens den doppelten Wert der im abzutastenden Signal auftretenden ma­ ximalen Frequenz festgelegt. Der Faktor 2 resultiert aus dem Shannonschen Abtasttheorem und führt dazu, daß eine Überlappung der sich wiederholenden Frequenzbänder vermieden wird. Variiert die maximale Frequenz des abzutastenden Signal stark, so ändert sich ebenso stark die Anzahl der Abtastpunkte pro Schwingung. Dies hat zur Folge, daß bei zu vielen Abtastpunkten pro Schwin­ gung die Signalauswertung unnötig lang dauert. Die Effektivität nimmt entsprechend ab. Weiterhin nimmt die numerische In­ stabilität zu. Diese Effekte werden exemplarisch anhand des au­ toregressiven-Verfahrens (AR-Verfahren) und anhand der Fast- Fourier-Transformation (FFT) im folgenden erläutert.In order to be able to process narrowband signals digitally, with conventional solutions, the sampling frequency to at least twice the value of the ma occurring in the signal to be sampled ximal frequency set. The factor 2 results from the Shannon's sampling theorem and causes an overlap the repetitive frequency bands is avoided. Varies the maximum frequency of the signal to be sampled changes greatly the number of sampling points per vibration is equally strong. This means that if there are too many sampling points per swine signal evaluation takes an unnecessarily long time. The effectiveness decreases accordingly. Furthermore, the numerical In stability to. These effects are exemplarily based on the au toregressive procedure (AR procedure) and based on the fast Fourier transform (FFT) explained below.

Bei autoregressiven Verfahren, dies sind Verfahren, bei denen geprüft wird, ob ein Zusammenhang zwischen zwei Größen xn und yn besteht, ohne daß eine Größe als deterministisch abhängig von der anderen bezeichnet werden könnte, sind die numerischen Instabilitäten dadurch zu erklären, daß die Differenz zweier aufeinanderfolgender Abtastwerte nicht mehr aufzulösen ist. Der Grund sind entweder Quantisierungseffekte des Analog-Digital-Wand­ lers oder Rauschanteile im Signal. In der Veröffentlichung von H.V. Poor, R. Vÿayan, E. Arikan: "High-speed statistical signal processing: the Levinson and Schur problems", Procee­ dings of the 1990 Bilkent International Conference on New Trends in Communication Control and Signal Processing, Ankara, Turkey, July 1990 wird ausführlich auf das Problem numerischer Instabilität bei autoregressiven Verfahren eingegangen. Im Fall einer niedrigen Mittenfrequenz gegenüber der Abtastfrequenz wird eine Lösung vorgeschlagen, in der die Modell-Parameter gegen Konstanten konvergieren, wobei diese wiederum von den statistischen Eigenschaften des jeweiligen Prozesses abhängen. Nachteilig ist weiterhin die Ungenauigkeit und der hohe Aufwand an Rechenleistung.In the case of autoregressive methods, these are methods in which it is checked whether there is a connection between two quantities x n and y n , without one quantity being deterministically dependent on the other, the numerical instabilities can be explained by the fact that the Difference between two successive samples can no longer be resolved. The reason is either quantization effects of the analog-digital converter or noise components in the signal. In the publication by HV Poor, R. Vÿayan, E. Arikan: "High-speed statistical signal processing: the Levinson and Schur problems", Procee dings of the 1990 Bilkent International Conference on New Trends in Communication Control and Signal Processing, Ankara, Turkey, July 1990 deals extensively with the problem of numerical instability in autoregressive methods. In the case of a low center frequency compared to the sampling frequency, a solution is proposed in which the model parameters converge to constants, which in turn depend on the statistical properties of the respective process. Another disadvantage is the inaccuracy and the high amount of computing power.

Bei der FFT sind Instabilitäten, wie sie bei AR-Verfahren auf­ treten, nicht zu erwarten. Allerdings nimmt bei wachsender Zahl der Abtastpunkte pro Schwingung die spektrale Auflösung des Nutzsignals ab. Dies hat zur Folge, daß damit auch die Spektralanalyse des Nutzsignals ungenauer wird.In the FFT there are instabilities as they occur in the AR procedure kick, not to be expected. However, the number increases of the sampling points per oscillation the spectral resolution of the Useful signal. As a result, the Spectral analysis of the useful signal becomes less precise.

Ein weiteres Problem bei der Auswertung eines schmalbandige Si­ gnals liegt im Rauschen und im Vorhandensein von Störsignalen. Will man die Mittenfrequenz des schmalbandigen Signals heraus­ filtern, braucht man ein Filter mit variabler Durchlaßfrequenz, was zur Folge hat, daß bei jeder Änderung der Mittenfrequenz die Filterkoeffizienten neu berechnet werden müssen.Another problem when evaluating a narrowband Si gnals lies in the noise and the presence of interference signals. If you want to find out the center frequency of the narrowband signal filter, you need a filter with a variable pass frequency, which means that every time the center frequency changes the filter coefficients have to be recalculated.

Für Echtzeitsysteme sind somit aufwendige und damit teure Pro­ zessoren erforderlich.For real-time systems, complex and therefore expensive pro are cessors required.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein schmalbandiges Signal so aufzubereiten, daß dessen Mittenfrequenz, welche stark variert, exakt bestimmbar ist. The object of the invention is to produce a narrowband signal prepare that its center frequency, which varies greatly, is exactly determinable.  

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 bzw. 6 gelöst.The object is achieved by a method and a Arrangement according to claims 1 and 2 and 6 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention can be found in characterized in the dependent claims.

Die Mittenfrequenz eines schmalbandigen Signals wird auf digi­ talem Wege bestimmt. Dazu wird erfindungsgemäß die Abtastfre­ quenz bei der das schmalbandige Signal diskretisiert wird so geregelt, daß die Anzahl der Abtastpunkte pro Schwingung des abzutastenden schmalbandigen Signals einen vorgegebenen Werte­ bereich nicht verlassen.The center frequency of a narrowband signal is digi determined talem ways. For this purpose, the sampling fre frequency at which the narrowband signal is discretized regulated that the number of sampling points per oscillation of the narrow-band signal to be sampled a predetermined values do not leave area.

Vorteilhafterweise koppelt man ein Vorfilter zur Unterdrückung der Störsignale an die angepaßte Abtastfrequenz. So läßt sich ein sehr einfaches Bandpaßfilter um die Mittenfrequenz herum realisieren. Der Aufwand eines adaptiven Filters ist damit auf ein Minimum beschränkt.A pre-filter for suppression is advantageously coupled the interference signals to the adapted sampling frequency. So you can a very simple bandpass filter around the center frequency realize. The effort of an adaptive filter is therefore up limited to a minimum.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.The invention will be described in more detail below with reference to the drawings explained.

Die Fig. 1a und b zeigt ein typisches schmalbandiges Signal im Zeit- und Frequenzbereich. FIGS. 1a and b shows a typical narrow-band signal in the time and frequency domains.

Die Fig. 2 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild für ein Re­ gel-Verfahren bei blockweiser Bestimmung der Mitten­ frequenz fM. Fig. 2 shows a basic block diagram for a re gel method with block-by-block determination of the center frequency f M.

Die Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild für ein weiteres Regel-Verfahren bei sequentieller Bestimmung der Mittenfrequenz fM. FIG. 3 shows a schematic block diagram of another control method for sequential determination of the center frequency f M.

Die Fig. 4 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild für ein weiteres Regel-Verfahren bei Verwendung eines analo­ gen Filters. Fig. 4 shows a basic block diagram for another control method using an analog filter.

Die Fig. 1a und 1b zeigen ein typisches schmalbandiges Si­ gnal im Zeit- und Frequenzbereich. Das Signal weist ein Maximum bei der Mittenfrequenz fM auf. Die Mittenfrequenz fM kann dabei variieren. Die untere Grenzfrequenz f-3dB und die obere Grenz­ frequenz f+3dB sind Frequenzen, die das Spektrum bei einem 3 dB Signalabfall bezogen auf das Maximum aufweist. Die Bandbreite B ergibt sich aus: FIGS. 1a and 1b show a typical narrow-band Si gnal in the time and frequency range. The signal has a maximum at the center frequency f M. The center frequency f M can vary. The lower limit frequency f -3dB and the upper limit frequency f + 3dB are frequencies which the spectrum has with a 3 dB signal drop in relation to the maximum. The bandwidth B results from:

B = f+3dB - f-3dB B = f + 3dB - f -3dB

Die Bandbreite B bezogen auf die Mittenfrequenz fM wird als re­ lative Bandbreite b = B/fM bezeichnet. Unter- und oberhalb der Grundfrequenzen f-3dB und f+3dB liegt das Störsignalspektrum.The bandwidth B in relation to the center frequency f M is referred to as the relative bandwidth b = B / f M. The interference signal spectrum lies below and above the fundamental frequencies f -3dB and f + 3dB .

Die obengenannten Eigenarten des Spektrums bedingen eine an­ spruchsvolle digitale Signalverarbeitung, um eine ausgezeichne­ te Mittenfrequenz fM mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.The above-mentioned characteristics of the spectrum require sophisticated digital signal processing in order to determine an excellent center frequency f M with high accuracy.

Da die Mittenfrequenz fM variabel ist, ist eine Regelung der Abtastfrequenz f₀ notwendig, um die Forderung km = ksoll zu erfüllen. Hierfür kann eine Routine zur Bestimmung der Mitten­ frequenz fM als Meßglied dienen. Zusätzliche Berechnungen, wie die Bestimmung der Bandbreite oder des Signal-Stör-Ver­ hältnisses zur weiteren Auswertung des schmalbandigen Si­ gnals haben damit automatisch die numerisch optimale Anzahl der Abtastpunkte pro Schwingung als Grundlage.Since the center frequency f M is variable, it is necessary to regulate the sampling frequency f₀ in order to meet the requirement k m = k soll . For this purpose, a routine for determining the center frequency f M can serve as a measuring element. Additional calculations, such as the determination of the bandwidth or the signal-to-interference ratio for further evaluation of the narrowband signal, therefore automatically have the numerically optimal number of sampling points per oscillation as a basis.

Dieses Verfahren ist ohne weiteres auch auf die Bestimmung der Geschwindigkeit bei, nach dem Dopplerprinzip arbeitenden, Meß­ vorrichtungen zu übertragen. Bei den Dopplersignalen verein­ facht sich das Verfahren insofern, als die relative Bandbreite b konstant bleibt. Das heißt, die geregelte Abtastfrequenz f₀ kann direkt als eine zur Dopplerfrequenz fd und damit zur Mit­ tenfrequenz fM proportionale Ergebnisgröße verwendet werden, sofern die Auflösung in ihrer Einstellung der geforderten Ge­ nauigkeit genügt. Die Eigenschaft der konstanten relativen Bandbreite b ist für das beschriebene Verfahren allerdings keine allgemeine Voraussetzung.This method is also readily applicable to the determination of the speed at, working on the Doppler principle, measuring devices. In the case of the Doppler signals, the method is simplified in that the relative bandwidth b remains constant. This means that the controlled sampling frequency f₀ can be used directly as a result variable proportional to the Doppler frequency f d and thus to the center frequency f M , provided that the resolution of the setting meets the required accuracy. However, the property of the constant relative bandwidth b is not a general requirement for the described method.

Das Blockschaltbild in Fig. 2 zeigt eine mögliche Art der Aus­ wertung des schmalbandigen Signals x(t). Die Auswertung erfolgt hier blockweise, d. h. wenn der Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) 3b einen vollständigen Datensatz - beispielsweise eine diskretisierte Schwingung - bereithält, können die Mit­ tenfrequenz fM und die relative Mittenfrequenz km berechnet werden. Diese Bestimmung stellt das Meßglied 1 des Regelkreises dar.The block diagram in Fig. 2 shows a possible type of evaluation of the narrowband signal x (t). The evaluation takes place here in blocks, ie if the analog-digital converter (AD converter) 3 b has a complete data set - for example a discretized oscillation - ready, the center frequency f M and the relative center frequency k m can be calculated. This determination represents the measuring element 1 of the control loop.

Als geeignete Verfahren sind hierzu beispielsweise die FFT oder autoregressive Algorithmen nach Burg oder Marple [1] zu nennen. Die FFT errechnet Stützstellen des Frequenzspektrums. Aus den Stützstellen im Nutzsignalspektrum kann sodann einfach das Maximum genommen werden, oder die Stützstellen werden zweckmäßigerweise noch durch eine geeignete Funktion interpo­ liert. Aus den Parametern der interpolierten Funktion kann dann wiederum auf die relative Mittenfrequenz km geschlossen werden. Der Algorithmus nach Burg oder Marple liefert dagegen die AR-Koeffizienten des zugrundeliegenden Signalmodells, im z-Bereich gemäßFFT or autoregressive algorithms according to Burg or Marple [1] are examples of suitable methods for this. The FFT calculates nodes of the frequency spectrum. The maximum can then simply be taken from the support points in the useful signal spectrum, or the support points are expediently interpolated by a suitable function. The parameters of the interpolated function can then be used to infer the relative center frequency k m . The algorithm according to Burg or Marple, on the other hand, supplies the AR coefficients of the underlying signal model, according to the z range

Das Maximum des Betragsspektrums ||G(z)²|| liefert dann die rela­ tive Mittenfrequenz km.The maximum of the magnitude spectrum || G (z) ² || then delivers the rela tive center frequency k m .

Die im Meßglied 1 bestimmte relative Mittenfrequenz km wird so­ dann mit dem Soll-Verhältnis ksoll (auch als Sollwert bezeich­ net) verglichen. Diese Größe ksoll gibt die gewünschte Anzahl der Abtastpunkte pro Schwingung an. Dabei hat sich ein Ver­ hältnis von 3 . . . 10 Abtastpunkten pro Schwingung, was Werten von 0,3 . . . 0,1 für ksoll entspricht, als günstig erwiesen. Die Differenz aus der relativen Sollfrequenz (dem Soll-Verhältnis) ksoll und der relativen Mittenfrequenz (dem tatsächlichen Verhältnis) km wird als Regelabweichung Δk dem Regler 2 zugeführt. Hier sind verschiedene Ausführungen des Reglers denkbar. Bei Verwendung eines reinen I-Reglers läßt sich ver­ einfacht folgender Regelungsalgorithmus aufstellen:The specific in measuring element 1 relative center frequency is so then km to k with the target ratio (also called setpoint identified net) compared. This quantity k nominal indicates the desired number of sampling points per oscillation. A ratio of 3. . . 10 sampling points per oscillation, which values of 0.3. . . 0.1 for k should be found to be favorable. The difference between the relative target frequency (the target ratio) to k and the relative center frequency (the actual ratio) km is supplied as a control deviation .DELTA.k the controller. 2 Different versions of the controller are conceivable here. When using a pure I controller, the following control algorithm can be set up in a simplified manner:

Δf: = Δk*f₀
f₀: = f₀-γΔf
T₀: = 1/f₀
N₀: = fref *T₀
Δf: = Δk * f₀
f₀: = f₀-γΔf
T₀: = 1 / f₀
N₀: = f ref * T₀

mit:With:

Δk: Regelabweichung von der relativen Soll-Frequenz ksoll
f₀: Abtastfrequenz
γ: Integrationskonstante
T₀: Abtastperiode
N₀: Zählerstand des programmierbaren Zählers
.Delta..sub.k: deviation should k frequency reference of the relative
f₀: sampling frequency
γ: integration constant
T₀: sampling period
N₀: counter reading of the programmable counter

Ausgangsgröße des Reglers ist der Zählerstand N₀, mit dem der nachfolgende Zähler 3a programmiert wird. Im dargestellten Al­ gorithmus nicht berücksichtigt sind die Begrenzungen des pro­ grammierbaren Zählers 3a, die durch den maximalen und minimalen Zählerstand vorgegeben sind. Die prinzipielle Wirkungsweise wird dadurch allerdings nicht beeinflußt, wenn die Begrenzungen außerhalb des gewünschten Meßbereichs liegen.The output variable of the controller is the counter reading N₀, with which the subsequent counter 3 a is programmed. The limits of the programmable counter 3 a, which are predetermined by the maximum and minimum counter reading, are not taken into account in the illustrated algorithm. The principle of operation is not affected, however, if the limits are outside the desired measuring range.

Der programmierbare Zähler 3a bildet somit zusammen mit dem AD-Wandler, der durch die Abtastfrequenz f₀ getaktet wird, das Stellglied 3a + 3b des Regelkreises. Eine Besonderheit bei der Verwendung eines programmierbaren Zählers 3a ist, daß die Aus­ gangsgröße des programmierbaren Zählers 3a eine Frequenz, näm­ lich die Abtastfrequenz f₀ darstellt, während die Eingangs­ größe ein Zählerstand ist, der umgekehrt proportional zur Aus­ gangsgröße ist. Hierdurch werden große Ungenauigkeiten bei der Einstellung von niedrigen Frequenzen (f → 0 Hz) kompensiert, so wie sie sich beispielsweise bei der Verwendung eines einfachen Spannungs-Frequenz-Wandlers ergeben würden. Getaktet wird der programmierbare Zähler 3a mit der Taktfrequenz fref, die ein Oszillator zur Verfügung stellt. Die maximale Abtastfrequenz f0max ist durch die Taktfrequenz fref oder auch durch die geforderte Einstellgenauigkeit begrenzt.The programmable counter 3 a thus forms together with the AD converter, which is clocked by the sampling frequency f₀, the actuator 3 a + 3 b of the control loop. A special feature when using a programmable counter 3 a is that the output variable from the programmable counter 3 a represents a frequency, namely the sampling frequency f₀, while the input variable is a counter reading that is inversely proportional to the output variable. This compensates for large inaccuracies in the setting of low frequencies (f → 0 Hz), as would arise, for example, when using a simple voltage-frequency converter. The programmable counter 3 a is clocked at the clock frequency f ref , which is provided by an oscillator. The maximum sampling frequency f 0max is limited by the clock frequency f ref or by the required setting accuracy .

Die Fig. 3 zeigt eine weitere mögliche Art der Auswertung des schmalbandigen Signals, wobei die Auswertung hier sequentiell erfolgt. Das heißt, es ist nicht mehr wie vorher ein gesamter Datensatz des diskreten schmalbandigen Signals x(z) zur Mitten­ frequenzbestimmung nötig. Sie erfolgt jetzt mittels eines re­ kursiven Rechenverfahrens, im nachfolgenden auch als sequen­ tielle Optimierungsroutine bezeichnet. Wesentlicher Unterschied zum System nach Fig. 2 ist die Ausgestaltung des Meßgliedes 1 und des Reglers 2. Grundlage für das Verfahren sind rekursive Identifikationsmethoden, z. B. wie sie in [3] beschrieben sind. Demgemäß werden die Parameter eines sequentiellen Filters so optimiert, daß für ein digitales schmalbandiges Signal x(z) die mittlere Energie des Filterausgangssignals ε(z) ein Extremum annimmt, wobei die Abtastfrequenz f₀ konstant bleibt. Da aber in dem vorliegenden Fall die Abtastperiode T₀ bzw. das Teilerverhältnis N₀ gerade die Optimierungsgröße sein soll, wird hier ein anderer Weg beschritten. Im Gegensatz zu den be­ kannten rekursiven Identifikationsmethoden werden die Filter­ koeffizienten a0 . . . an und b0 . . . bm konstant gelassen und umgekehrt wird die Abtastperiode T₀ so optimiert, daß die mittlere Energie des Filterausgangssignals ε(z) wiederum ein Extremum annimmt. Die Optimierungsverfahren im Regler 2 gemäß [3] können dabei vom Prinzip her übernommen werden und vereinfachen sich sogar noch auf eine eindimensionale Opti­ mierung. Das sequentielle Filter mit konstanten Koeffizienten ist im Allgemeinen gegeben durch seine z-Übertragungsfunktion: FIG. 3 shows another possible type of analysis of the narrowband signal, wherein the evaluation is performed here sequentially. This means that an entire data set of the discrete narrowband signal x (z) is no longer required for determining the center frequency as before. It is now carried out using a recursive calculation method, hereinafter also referred to as a sequential optimization routine. The essential difference from the system according to FIG. 2 is the design of the measuring element 1 and the controller 2 . The procedure is based on recursive identification methods, e.g. B. as described in [3]. Accordingly, the parameters of a sequential filter are optimized such that the mean energy of the filter output signal ε (z) assumes an extreme for a digital narrowband signal x (z), the sampling frequency f die remaining constant. However, since in the present case the sampling period T₀ or the division ratio N₀ should be the optimization variable, a different approach is taken. In contrast to the known recursive identification methods, the filter coefficients are a 0 . . . a n and b 0 . . . b m left constant and vice versa, the sampling period T₀ is optimized so that the mean energy of the filter output signal ε (z) in turn assumes an extreme. The optimization methods in controller 2 according to [3] can be adopted in principle and even simplify one-dimensional optimization. The sequential filter with constant coefficients is generally given by its z-transfer function:

b₀, . . ., bm, a₁, . . ., an = constb₀,. . ., b m , a₁,. . ., a n = const

Die Wahl der konstanten Koeffizienten b₀ . . . bm, a₁ . . . an beein­ flußt das Konvergenzverhalten des Filters und muß von der Form des jeweiligen Signalspektrums abhängig gemacht werden.The choice of constant coefficients b₀. . . b m , a₁. . . a n influences the convergence behavior of the filter and must be made dependent on the shape of the respective signal spectrum.

Durch die Wahl der Filterkoeffizienten ist implizit auch die relative Sollfrequenz (Sollverhältnis) ksoll festgelegt. In Analogie zu dem blockweisen Verfahren kann das sequentielle Filter 1 hierbei als Meßglied bezeichnet werden. Das Filteraus­ gangssignal ε(z) sowie ein oder mehrere Zustände des Filters werden dann der rekursiven Optimierungsroutine zugeführt, die in dem vorliegenden Regelkreis dem eigentlichen Regler 2 ent­ spricht. Die rekursive Optimierungsroutine verknüpft dabei, wie beschrieben, die eingehenden Größen zu einer optimierten Abtastperiode T₀ bzw. einem optimierten Teilerverhältnis N₀. Das nachfolgende Stellglied, bestehend aus programmierbaren Zähler 3a und AD-Wandler 3b ist identisch zu dem Stellglied und dem AD-Wandler des schon oben beschriebenen blockweisen Verfahrens. Vorteilhaft ist bei dem in Fig. 3 beschriebenen Verfahren, daß nach jedem Abtastpunkt ein aktuell berechnetes Teilerverhältnis N₀ für den programmierbaren Zähler 3a zur Ver­ fügung steht und damit auch eine bessere Anpassung der Abtast­ frequenz f₀ erreicht wird. Ansonsten ergeben sich die gleichen Möglichkeiten wie bei der blockweisen Auswertung. Setzt man die Nennerkoeffizienten a₁, . . ., an = 0, so reduziert sich das IIR (Infinit Impulse Response) Filter auf ein FIR (Finite Impulse Response) Filter. Je nach gewünschter Flankensteilheit und Sta­ bilität des Filters ist entweder das IIR- oder das FIR-Filter auszuwählen. Die Ordnung der Übertragungsfunktion nimmt Einfluß auf die Rechenzeit. Diese ist ebenso bei der Filterdimen­ sionierung zu beachten.By choosing the filter coefficient is implicitly also the relative reference frequency (target ratio) k to set. In analogy to the block-wise method, the sequential filter 1 can be called a measuring element. The filter output signal ε (z) and one or more states of the filter are then fed to the recursive optimization routine, which speaks to the actual controller 2 in the present control loop. As described, the recursive optimization routine links the incoming quantities to an optimized sampling period T₀ or an optimized division ratio N₀. The following actuator, consisting of programmable counter 3 a and AD converter 3 b is identical to the actuator and the AD converter of the block-wise method already described above. It is advantageous in the method described in FIG. 3 that after each sampling point a currently calculated division ratio N₀ for the programmable counter 3 a is available and thus a better adaptation of the sampling frequency f₀ is achieved. Otherwise, the same options are available as for block-by-block evaluation. If you set the denominator coefficients a₁,. . ., a n = 0, the IIR (Infinit Impulse Response) filter is reduced to an FIR (Finite Impulse Response) filter. Depending on the desired slope and stability of the filter, either the IIR or the FIR filter must be selected. The order of the transfer function influences the computing time. This must also be taken into account when dimensioning the filter.

Zusätzlich zu den in den Fig. 2 und 3 beschriebenen Block­ diagrammen können zur Steigerung der Genauigkeit und der Feh­ lerreduzierung ein digitales Vorfilter 4 zwischen den A/D-Wandler 3b und das Meßglied 1 bzw. die Meßglied/Regler-Ein­ heit 1+2 gesetzt werden. Die Vorfilter können wahlweise als Hardware (zusätzliches Addierwerk notwendig) oder als Software integriert werden. Die adaptive Regelung der Abtastfrequenz f₀ macht es möglich, das Vorfilter an die Abtastfrequenz zu koppeln, indem die Koeffizienten des Filters wiederum konstant gehalten werden. So läßt sich z. B. ein sehr einfaches Bandpaßfilter realisieren, das an Rechenoperationen sogar nur eine Addition pro Abtastpunkt benötigt. Das Filter, ein Notch-Filter mit der Z-ÜbertragungsfunktionIn addition to the block diagrams described in FIGS . 2 and 3, a digital pre-filter 4 between the A / D converter 3 b and the measuring element 1 or the measuring element / controller unit 1 + can be used to increase the accuracy and the error reduction 2 can be set. The pre-filters can either be integrated as hardware (additional adder necessary) or as software. The adaptive control of the sampling frequency f₀ makes it possible to couple the pre-filter to the sampling frequency by again keeping the coefficients of the filter constant. So z. B. realize a very simple bandpass filter that even requires only one addition per sampling point in arithmetic operations. The filter, a notch filter with the Z transfer function

F(z) = 1 - Z²,F (z) = 1 - Z²,

hat im Betragsspektrum die Form eines Halbsinus mit Null-Stel­ len bei 0 und 0,5 bezogen auf die Abtastfrequenz f₀. Wird die Abtastfrequenz f₀ auf das 4fache der Mittenfrequenz fM gere­ gelt, ksoll = 0,25, so liegt die Filterkurve völlig symmetrisch zum Meßsignal, was zur Folge hat, daß das Signal auch symmetrisch zur Mittenfrequenz fM gedämpft wird. Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Regelung der Abtastfrequenz f₀ ist auch, daß das sonst rechenaufwendige Problem der adaptiven Fil­ terung wesentlich vereinfacht werden kann.has the shape of a semisine with zero digits at 0 and 0.5 in relation to the sampling frequency f₀ in the magnitude spectrum. If the sampling frequency f O to 4 times the center frequency f M Gere gel, should k = 0.25, so the filter curve is completely symmetrical to the measuring signal, with the result that the signal also symmetrical to the center frequency f M is attenuated. Another advantage of the inventive regulation of the sampling frequency f₀ is that the otherwise computational problem of adaptive filtering can be considerably simplified.

Das beschriebene Verfahren der adaptiven Atastfrequenz f₀ be­ dingt eine gesonderte Betrachtung von Aliasing-Effekten. Hier­ unter ist das Phänomen zu verstehen, daß Frequenzanteile des analogen Signals oberhalb der halben Abtastfrequenz f₀/2 im folgenden auch Grenzfrequenz genannt - in Form von Mischproduk­ ten im Basisband auftauchen können. Folgende Punkte werden hier betrachtet.The described method of adaptive sampling frequency f₀ be it is necessary to consider aliasing effects separately. Here is to be understood as the phenomenon that frequency components of the analog signal above half the sampling frequency f₀ / 2 im hereinafter also called the cut-off frequency - in the form of a mixed product can appear in the baseband. The following points are here considered.

  • a) adaptives Anti-Aliasing-Filter,a) adaptive anti-aliasing filter,
  • b) korrekte Initialisierung der Abtastfrequenz f₀,b) correct initialization of the sampling frequency f₀,
  • c) Parallelverfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit im ein­ geschwungenen Zustandc) Parallel procedure to increase reliability in a curved condition
a) Adaptives Anti-Aliasing-Filtera) Adaptive anti-aliasing filter

Das Anti-Aliasing-Filter ist ein steiles Tiefpaßfilter, das Störsignale oberhalb der Grenzfrequenz unterdrückt. Sind Stör­ signale oberhalb der Grenzfrequenz nicht zu erwarten, dann kann in der Regel auf das adaptive Anti-Aliasing-Filter verzichtet werden. Ist allerdings mit Störsignalen oberhalb der Grenzfrequenz zu rechnen, so ist ein Anti-Aliasing-Filter mit adaptiver Eckfrequenz erforderlich, da bei dem beschriebenen Verfahren die Abtastfrequenz und damit auch die Grenzfrequenz variiert. Hier bieten sich als AD-Wandler insbesondere soge­ nannte Sigma-Delta-Wandler an, bei denen durch das Oversam­ pling-Prinzip das Anti-Aliasing-Filter oft hinfällig wird oder zumindest ein sehr einfaches adaptives Anti-Aliasing-Filter niedriger Ordnung ausreicht. Denselben Effekt erzielt man mit sogenannten Switched-Capacitor-Filtern, deren Eckfrequenz mit einem ca. 50 . . . 100fach höherem Takt gesteuert wird und die dementsprechend an die Abtastrate gekoppelt werden können. Eine weitere vorteilhafte Verwendung von Switched-Capacitor-Filtern wird unter c3) noch beschrieben.The anti-aliasing filter is a steep low-pass filter that Interference signals suppressed above the cutoff frequency. Are sturgeon signals above the cutoff frequency cannot be expected, then usually do without the adaptive anti-aliasing filter will. However, with interference signals above the To calculate the cutoff frequency, an anti-aliasing filter is included adaptive cut-off frequency required, because with the described Process the sampling frequency and thus also the cutoff frequency varies. So-called AD converters are particularly suitable here called sigma-delta converters, in which the oversam pling principle the anti-aliasing filter often becomes obsolete or at least a very simple adaptive anti-aliasing filter lower order is sufficient. You can achieve the same effect with so-called switched capacitor filters, whose corner frequency with an approx. 50 . . 100 times higher clock is controlled and the  can accordingly be coupled to the sampling rate. A further advantageous use of switched capacitor filters is described under c3).

b) Korrekte Initialisierung der Abtastfrequenzb) Correct initialization of the sampling frequency

Das beschriebene Verfahren der adaptiven Abtastfrequenz bedingt zum Einschaltzeitpunkt eine korrekte Initialisierung der Abta­ stfrequenz. Im Zusammenhang mit Aliasing-Effekten muß insbeson­ dere verhindert werden, daß die Grenzfrequenz beim Einschalt­ zeitpunkt unterhalb des Nutzsignalfrequenzspektrums liegt. Des­ halb ist eine gesonderte Initialisierungsroutine notwendig, die als Startwert die höchste erforderliche Abtastfrequenz besitzt und somit sicher in den eingeschwungenen Zustand km = ksoll konvergieren kann.The described method of the adaptive sampling frequency requires a correct initialization of the sampling frequency at the time of switching on. In connection with aliasing effects, it must in particular be prevented that the cut-off frequency at the time of switching on is below the useful signal frequency spectrum. For this reason, a separate initialization routine is necessary, which has the highest required sampling frequency as the start value and can therefore safely converge into the steady state k m = k should .

c) Parallelverfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit im ein­ geschwungenen Zustandc) Parallel procedure to increase reliability in a curved condition

Auch im eingeschwungenen Zustand der geregelten Abtastfrequenz ist es nicht gänzlich auszuschließen, daß die Grenzfrequenz aufgrund irgendeiner Störung unter die Nutzsignal-Frequenzen gerät und es damit zu Aliasing-Effekten bzw. sogar zu einem Ausfall des Systems kommt. Zur Steigerung der Zuverlässigkeit werden im folgenden einige Parallelverfahren vorgeschlagen, mit denen allesamt auch im eingeschwungenen Zustand überprüft wer­ den kann, daß die Grenzfrequenz sich über den Nutzsignal-Fre­ quenzen befindet. Alle Parallelverfahren liefern dabei als Ver­ gleichswert eine redundante Mittenfrequenz m, die zwar nicht so genau wie bei den Verfahren nach Fig. 2 bzw. Fig. 3 ist, dafür aber unabhängig von der geregelten Abtastfrequenz be­ stimmt wird. Weichen die redundante Mittenfrequenz m und die Mittenfrequenz fM über ein gewisses Maß voneinander ab, so wird sofort in die unter b) beschriebene Initialisierungsroutine ge­ sprungen. Die Entscheidung darüber kann im einfachsten Fall durch einen festgesetzten Schwellenwert (z. B. maximale Abwei­ chung von + 10%) getroffen werden, oder aber es werden dafür spezielle Schätzverfahren eingesetzt, wie z. B. die Maximum-Li­ kelihood-Methode oder das Kalman-Filter.Even in the steady state of the regulated sampling frequency, it cannot be completely ruled out that the cut-off frequency will fall below the useful signal frequencies due to some interference and thus lead to aliasing effects or even to a failure of the system. In order to increase the reliability, some parallel methods are proposed below, all of which can also be checked in the steady state to determine that the cutoff frequency is above the useful signal frequencies. All parallel methods deliver a redundant center frequency m as comparison value, which is not as precise as in the method according to FIG. 2 or FIG. 3, but is determined independently of the regulated sampling frequency. If the redundant center frequency m and the center frequency f M deviate from each other to a certain extent, the initialization routine described under b) is jumped to immediately. In the simplest case, the decision about this can be made by means of a defined threshold value (e.g. maximum deviation of + 10%), or special estimation methods are used, e.g. B. the maximum Li kelihood method or the Kalman filter.

c1) Blockweise Initialisierungsroutine im parallelen Betriebc1) Block-by-block initialization routine in parallel operation

Dieses Verfahren verlangt von allen beschriebenen Parallelver­ fahren den geringsten zusätzlichen Aufwand. Als zentrale Routi­ ne wird eine blockweise Routine zur Bestimmung der relativen Mittenfrequenz km - wie in Fig. 2 beschrieben - verwendet, die in der Regel im selben Signalprozessor implementiert werden kann. Extern wird nur ein zusätzlicher AD-Wandler benötigt, dessen Abtastfrequenz nun aber nicht variabel ist, sondern auf den höchsten notwendigen Wert konstant eingestellt wird. Nach­ dem ein Datensatz eingelesen wurde, wird mit der Routine die relative Mittenfrequenz km bestimmt. Liegt km unter ksoll, wird der gleiche Datensatz wieder verwendet, nun aber nur mit jedem 2. Datenpunkt. Dadurch wird eine softwaremäßige Teilung der Ab­ tastrate erreicht. Das Verfahren wird so lange wiederholt (Teilung durch 3, durch 4, usw.), bis km über ksoll liegt oder bis der geteilte Datensatz eine Mindestlänge unterschreitet. Im ersten Fall kann die parallel bestimmte redundante Mittenfre­ quenz m mit der Mittenfrequenz fM verglichen werden, im zwei­ ten Fall wird die Frequenz 0 als redundante Mittenfrequenz m angenommen.This method requires the least additional effort from all described parallel processes. As the central routine, a block-wise routine for determining the relative center frequency k m - as described in FIG. 2 - is used, which can generally be implemented in the same signal processor. Externally, only an additional AD converter is required, but the sampling frequency is now not variable, but is constantly set to the highest necessary value. After a data set has been read in, the relative center frequency k m is determined with the routine. If k m is below k should , the same data record is used again, but now only with every 2nd data point. A software-based division of the sampling rate is thereby achieved. The process is repeated (division by 3, by 4, etc.) until k m is above k target or until the divided data set falls below a minimum length. In the first case, the redundant center frequency m determined in parallel can be compared with the center frequency f M , in the second case the frequency 0 is assumed to be the redundant center frequency m .

c2) Phase-Locked-Loop (PLL)c2) Phase Locked Loop (PLL)

Die PLL ist Stand der Technik und z. B. in [4] ausreichend be­ schrieben. Von allen beschriebenen Parallelverfahren arbeitet die PLL am ungenauesten. Insbesondere bei starken Frequenzände­ rungen des Dopplersignals, bei Frequenzen, die gegen 0 Hz gehen oder auch bei starken Störungen außerhalb des Nutzsignalspek­ trums kann die PLL leicht "ausrasten". Trotzdem soll das Ver­ fahren hier erwähnt werden, da es weit verbreitet ist. Wichtig für die vorliegende Anwendung ist die Verwendung einer PLL mit einem frequenzempfindlichen Phasendetektor, d. h. mit einem be­ liebig großen "Fangbereich". Soll die Frequenz der PLL, die die parallel bestimmte redundante Mittenfrequenz m darstellt, mit der Mittenfrequenz fM der Hauptroutine verglichen werden, so werden zweckmäßigerweise zwei zusätzliche Zähler verwendet, de­ ren Zählerstände dann zu gleichen Zeitabständen durch den Si­ gnalprozessor ausgelesen werden.The PLL is state of the art and z. B. sufficiently written in [4]. Of all the parallel processes described, the PLL works the least precisely. Especially with strong frequency changes of the Doppler signal, at frequencies going towards 0 Hz or even with strong disturbances outside the useful signal spectrum, the PLL can easily "snap". Nevertheless, the procedure should be mentioned here because it is widespread. It is important for the present application to use a PLL with a frequency-sensitive phase detector, ie with an arbitrarily large "capture range". If the frequency of the PLL, which represents the redundant center frequency m determined in parallel, is to be compared with the center frequency f M of the main routine, two additional counters are expediently used, whose counter readings are then read out by the signal processor at the same time intervals.

c3) Filterung des schmalbandigen Signals mit Switched-Capacitor-Filtern (SC-Filtern)c3) Filtering the narrowband signal with switched capacitor filters (SC filtering)

Von allen erwähnten Parallelverfahren verlangt die Filterung mit SC-Filtern zwar den höchsten zusätzlichen Aufwand, erreicht allerdings auch eine annähernd gute Genauigkeit wie die be­ schriebenen Verfahren nach Fig. 2 bzw. Fig. 3. Die Filterung mit SC-Filtern kann deshalb auch als eigenständiges Verfahren, vgl. Fig. 4, eingesetzt werden und benötigt dann sogar einen geringeren Realisierungsaufwand als die Verfahren nach Fig. 2 bzw. Fig. 3.Of all the parallel methods mentioned, the filtering with SC filters does require the greatest additional effort, but it also achieves approximately good accuracy like the methods described in FIG. 2 or FIG. 3. The filtering with SC filters can therefore also be carried out independently Procedure, cf. Fig. 4, are used, and even then require a lower implementation complexity than the method of FIG. 2 or FIG. 3.

Sogenannte SC-Filter sind analoge Aktiv-Filter, bei denen ent­ sprechende Rückkopplungswiderstände durch geschaltete Kapazitä­ ten ersetzt werden. Die geschalteten Kapazitäten besitzen einen äquivalenten ohmschen Widerstand, der umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz ist (s. z. B. [4]). Die SC-Filter sind also auf der einen Seite Analogfilter, müssen aber auch durch die geschalteten Kapazitäten, insbesondere was Aliasing-Effekte be­ trifft, auch als Abtastsysteme betrachtet werden. Durch ent­ sprechende Beschaltung der Analog-Filter wird erreicht, daß die Eck- bzw. Mittenfrequenzen der Filter an die Schaltfrequenz ge­ koppelt werden können. Diese Tatsache wird bei der hier be­ schriebenen Filterung mit SC-Filtern ausgenutzt.So-called SC filters are analog active filters in which ent speaking feedback resistances by switched capacitance ten be replaced. The switched capacities have one equivalent ohmic resistance that is inversely proportional to the switching frequency (see e.g. [4]). So the SC filters are on the one hand analog filters, but also have to pass through the switched capacities, especially with regard to aliasing effects hits, can also be considered as scanning systems. By ent speaking wiring of the analog filter is achieved that the Corner or center frequencies of the filters to the switching frequency can be coupled. This fact is shown here filtering with SC filters.

Das Verfahren ist in Fig. 4 als eigenständiges Verfahren be­ schrieben und basiert wie das Verfahren nach Fig. 3 auf einer rekursiven Optimierungsroutine. Im Gegensatz zu dem Verfahren nach Fig. 3 wird allerdings das digitale sequentielle Filter aus dem Signalprozessor ausgelagert und durch ein geeignetes SC-Filter 1 ersetzt, dessen Laplace-Übertragungsfunktion sich im Allgemeinen aus mehreren biquadratischen Gliedern zusammen­ setzt:The method is described in FIG. 4 as an independent method and, like the method according to FIG. 3, is based on a recursive optimization routine. In contrast to the method according to FIG. 3, however, the digital sequential filter is swapped out of the signal processor and replaced by a suitable SC filter 1 , whose Laplace transfer function is generally composed of several biquadratic elements:

Die Wahl der konstanten Koeffizienten Qb1 . . . Qbm, Qa1 . . . Qan, b₁ . . . bm und a₁ . . . an beeinflußt das Konvergenzverhalten der Op­ timierungsroutine und muß von der Form des jeweiligen Doppler­ spektrums abhängig gemacht werden. Durch eine Änderung der Schaltfrequenz ändert sich demnach nur die charakteristische Resonanzfrequenz ω₀, d. h. der Frequenzgang des Filters wird proportional zur Schaltfrequenz an der Frequenzachse gestreckt. Über einen Regelkreis wird nun die Schaltfrequenz des SC-Fil­ ters nach einem Optimierungskriterium geregelt und dient damit gleichzeitig als proportionale Ergebnisgröße für die Mitten­ frequenz fM des schmalbandigen Signals. Durch die analoge Fil­ terung des schmalbandigen Signals entfallen die rechenaufwendi­ gen Filterroutinen, so daß der Signalprozessor durch einen ko­ stengünstigeren Mikrocontroller ersetzt werden kann. Auch der AD-Wandler für das schmalbandige Signal entfällt, da das SC-Filter bereits das analoge schmalbandige Signal filtert. Die von der rekursiven Optimierungsroutine benötigten Zustände des SC-Filters, das in dem Regelkreis als Meßglied bezeichnet wer­ den kann, werden dem Mikrocontroller zugeführt. Hierbei ist zu beachten, daß die Zustände in diesem Fall analoge Signale dar­ stellen und deshalb noch digital gewandelt werden müssen. Dafür können die in dem Mikrocontroller integrierten AD-Wandler genutzt werden, die zwar in der Regel nur eine Auflösung von 8 bit haben, was für diesen Zweck aber ausreichend ist. Dem Mi­ krocontroller kommt hier die alleinige Aufgabe des Reglers zu. Er berechnet aus den Filterzuständen nach den oben erwähnten rekursiven Identifikations-Methoden [3] eine optimale Abtastfre­ quenz f₀, welche einer Schaltfrequenz für das SC-Filter ent­ spricht unter der Nebenbedingung, daß die mittlere Energie des Filterausgangs ε(t) ein Extremum annimmt. Die Berechnung wird dabei von der Abtastfrequenz f₀ selber gesteuert, d. h. nach Ab­ lauf der betreffenden Periodendauer T₀ = 1/f₀ wird im Mikrocon­ troller ein Interrupt ausgelöst und die Berechnung gestartet. Da die Schaltfrequenz eines SC-Filters in der Regel 50-100fach über der Mitten- bzw. Eckfrequenz des Filters liegt, reicht ei­ ne Berechnung in Zeitabständen von ganzzahligen Vielfachen v von T₀ ebenfalls aus, solange das Abtasttheorem und damit die Bedingung f₀/(2 v) < fm erfüllt ist. Durch diese Maßnahme kann die erforderliche Rechenleistung des Mikrocontrollers auf ein Minimum reduziert werden. Die berechnete Abtastfrequenz f₀ wird schließlich gemäßThe choice of constant coefficients Q b1 . . . Q bm , Q a1 . . . Q an , b₁. . . b m and a₁. . . a n influences the convergence behavior of the optimization routine and must be made dependent on the shape of the respective Doppler spectrum. A change in the switching frequency accordingly only changes the characteristic resonance frequency ω₀, ie the frequency response of the filter is stretched on the frequency axis in proportion to the switching frequency. Via a control loop, the switching frequency of the SC filter is now regulated according to an optimization criterion and thus simultaneously serves as a proportional result variable for the center frequency f M of the narrowband signal. The analog filtering of the narrowband signal eliminates the computational filter routines, so that the signal processor can be replaced by a more cost-effective microcontroller. The AD converter for the narrowband signal is also omitted, since the SC filter already filters the analog narrowband signal. The states of the SC filter required by the recursive optimization routine, which can be referred to as a measuring element in the control loop, are supplied to the microcontroller. It should be noted that the states in this case represent analog signals and therefore still have to be converted digitally. The AD converters integrated in the microcontroller can be used for this, which generally only have a resolution of 8 bits, which is sufficient for this purpose. The microcontroller has the sole task of the controller. It calculates an optimal sampling frequency f₀ from the filter states according to the recursive identification methods [3] mentioned above, which corresponds to a switching frequency for the SC filter under the additional condition that the mean energy of the filter output ε (t) assumes an extreme. The calculation is controlled by the sampling frequency f₀ itself, ie after the relevant period T₀ = 1 / f₀, an interrupt is triggered in the microcontroller and the calculation is started. Since the switching frequency of an SC filter is usually 50-100 times above the center or corner frequency of the filter, a calculation at time intervals of integer multiples v of T₀ is also sufficient as long as the sampling theorem and thus the condition f₀ / (2 v) <f m is satisfied. This measure allows the required computing power of the microcontroller to be reduced to a minimum. The calculated sampling frequency f₀ is finally according to

N₀ = fref/f₀N₀ = f ref / f₀

in einen Zählerstand umgerechnet. Hiermit wird der nachfolgende programmierbare Zähler 3a programmiert, der im Regelkreis damit das Stellglied darstellt. Der Ausgang des programmierbaren Zäh­ lers 3a ist wiederum die Abtastfrequenz f₀, mit der das SC-Fil­ ter angesteuert wird. Bei der Verwendung als Parallelsystem kann diese Frequenz zusammen mit der Abtastfrequenz zwei Zähler ansteuern, die in konstanten Zeitabständen von dem übergeordne­ ten Signalprozessor ausgelesen und deren Zählerstände dann ver­ glichen werden. Schließlich sei noch erwähnt,daß der Mikrocon­ troller und der programmierbare Zähler 3a auch durch eine ent­ sprechende Analogschaltung bestehend aus Multiplizieren, analo­ gen Reglern und einem Spannungs-Frequenz-Wandler ersetzt werden kann. Bei vergleichbarem Kostenaufwand ist mit dieser Lösung allerdings nur eine sehr viel ungenauere Regelung möglich, ins­ besondere was die Regelung für Frequenzen f → 0 Hz betrifft.converted into a meter reading. This is used to program the following programmable counter 3 a, which thus represents the actuator in the control loop. The output of the programmable Zäh coupler 3 a is again the sampling frequency fo at which the SC-Fil is driven ter. When used as a parallel system, this frequency can control two counters together with the sampling frequency, which are read at constant time intervals by the superordinate signal processor and their counts are then compared. Finally, it should also be mentioned that the Mikrocon troller and the programmable counter 3 a can also be replaced by a corresponding analog circuit consisting of multiplication, analog controllers and a voltage-frequency converter. At a comparable cost, this solution, however, only allows a much less precise control, especially as far as the control for frequencies f → 0 Hz is concerned.

Das Verfahren zur digitalen Verarbeitung schmalbandiger Signale wurde am Beispiel einer Geschwindigkeitsmeßvorrichtung gete­ stet. Als Signalquelle dient ein Mikrowellensender mit einer Trägerfrequenz von 24 GHz, was einer Wellenlänge λ = 1,25 cm entspricht. Nach der Demodulation war eine der Geschwindigkeit über Grund (0 . . . 300 km/h) proportionale NF-Frequenz zwischen 0 und ca. 10 kHz zu messen. Der Störsignalabstand (Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal) liegt typischerweise bei 20 . . . 30 dB.The process for digital processing of narrowband signals was gete using the example of a speed measuring device continuous A microwave transmitter with a serves as the signal source Carrier frequency of 24 GHz, which has a wavelength λ = 1.25 cm corresponds. After demodulation one was speed over the ground (0 ... 300 km / h) proportional LF frequency between 0 and approx. 10 kHz to measure. The signal to noise ratio (ratio from useful signal to interference signal) is typically included 20th . . 30 dB.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet für alle Meßaufga­ ben, bei denen ein schmalbandiges Meßsignal vorliegt. The method according to the invention is suitable for all measuring tasks ben where there is a narrow-band measurement signal.  

Literaturliterature

[1] S. M. Kay, S. L. Marple, Spectrum analysis - A modern per­ spective. Prc. IEEE, vol. 69, no. 11, pp 1380-1419, 1981.
[2] H. V. Poor, R. Vÿayan, E. Arikan: High-speed statistical si­ gnal processing: the Levinson and Schur problems. Proceedings of the International Conference on New Trends in Communication, Control and Signal Processing, Anakara, Juli 1990.
[3] T. Söderström, L. Ljung, I. Gustavsson: A theoretical analy­ sis of recursive identificatoin mehtods, Automatika, vol. 14, pp 231-244, 1978.
[4] U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter Schaltungstechnik, Sprin­ ger Verlag, 9. Auflage 1991.
[1] SM Kay, SL Marple, Spectrum analysis - A modern per spective. Prc. IEEE, vol. 69, no. 11, pp 1380-1419, 1981.
[2] HV Poor, R. Vÿayan, E. Arikan: High-speed statistical signal processing: the Levinson and Schur problems. Proceedings of the International Conference on New Trends in Communication, Control and Signal Processing, Anakara, July 1990.
[3] T. Söderström, L. Ljung, I. Gustavsson: A theoretical analysis of recursive identificatoin mehtods, Automatika, vol. 14, pp 231-244, 1978.
[4] U. Tietze, Ch. Schenk, semiconductor circuit technology, Springer publisher, 9th edition 1991.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Mittenfrequenz aus einem schmalbandigen Signal x(t),
  • a) bei dem das schmalbandige Signal x(t) durch Abtastung bei einer ersten Abtastfrequenz f₀ in ein digitales Signal x(z) umgewandelt wird,
  • b) bei dem eine Mittenfrequenz fM des digitalen Signals x(z) bestimmt wird,
  • c) bei dem die Größe km = fM/f₀ mit einem vorgegebenen Sollwert ksoll verglichen wird,
  • d) bei dem das schmalbandige Signal x(t) bei einer, gegenüber der ersten Abtastfrequenz f₀ abweichenden, zweiten Abtastfrequenz f₀′ abgetastet wird, sofern die Größe km vom Sollwert ksoll abweicht,
  • e) bei dem die Verfahrensschritte b) bis d) so oft wiederholt werden, bis die Größe km dem Sollwert ksoll entspricht oder der Bedingung |km-ksoll| < ε genügt, wobei ε einen vorgebbaren Schwellenwert bezeichnet und
  • f) bei dem die zuletzt bestimmte Mittenfrequenz fm als die tatsächliche Mittenfrequenz genommen wird.
1. Method for determining the actual center frequency from a narrow-band signal x (t),
  • a) in which the narrowband signal x (t) is converted into a digital signal x (z) by sampling at a first sampling frequency f₀,
  • b) at which a center frequency f M of the digital signal x (z) is determined,
  • c) in which the quantity k m = f M / f₀ is compared with a predetermined target value k soll ,
  • d) in which the narrowband signal x (t) is sampled at a second sampling frequency f₀ 'which differs from the first sampling frequency f₀, provided that the variable k m deviates from the target value k soll ,
  • e) in which the process steps b) to d) are repeated until the quantity k m corresponds to the target value k soll or the condition | k m -k soll | <ε is sufficient, where ε denotes a predeterminable threshold value and
  • f) at which the last-determined center frequency f m is taken as the actual center frequency.
2. Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Mittenfrequenz aus einem schmalbandigen Signal x(t),
  • a) bei dem das schmalbandige Signal x(t) durch Abtastung bei einer ersten Abtastfrequenz f₀ in ein digitales Signal x(z) umgewandelt wird,
  • b) bei dem mit dem digitalen Signal x(z) und einem Filter mit konstanten Filterkoeffizienten ein Fehlersignal ε(z) er­ zeugt wird,
  • c) bei dem das schmalbandige Signal x(t) bei einer, gegenüber der ersten Abtastfrequenz f₀ abweichenden, zweiten Abtast­ frequenz f₀ abgetastet wird,
  • d) bei dem die Verfahrensschritte b) und c) so oft wiederholt werden, bis das mittlere Quadrat des Fehlersignals ε(z) ein Minimum annimmt,
  • e) bei dem die zuletzt erzeugte Abtastfrequenz f₀′ als Maß für die tatsächliche Mittenfrequenz genommen wird.
2. Method for determining the actual center frequency from a narrow-band signal x (t),
  • a) in which the narrowband signal x (t) is converted into a digital signal x (z) by sampling at a first sampling frequency f₀,
  • b) in which an error signal ε (z) is generated with the digital signal x (z) and a filter with constant filter coefficients,
  • c) in which the narrowband signal x (t) is sampled at a second sampling frequency f₀ which differs from the first sampling frequency f₀,
  • d) in which process steps b) and c) are repeated until the mean square of the error signal ε (z) assumes a minimum,
  • e) at which the last generated sampling frequency f₀ 'is taken as a measure of the actual center frequency.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das schmalbandige Signal x(t) mittels eines Analog- Digital-Wandlers (3b) in ein digitales Signal x(z) umgewandelt wird.3. The method according to claim 1 or 2, in which the narrowband signal x (t) is converted into a digital signal x (z) by means of an analog-digital converter ( 3 b). 4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
  • - bei dem das digitale Signal x(z) vorgefiltert wird und
  • - bei dem die Filterfrequenzgrenzen der Vorfilterung von der Abtastfrequenz f₀ abhängen.
4. The method according to any one of the preceding claims,
  • - in which the digital signal x (z) is pre-filtered and
  • - in which the filter frequency limits of the pre-filtering depend on the sampling frequency f₀.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
  • - bei dem das schmalbandige Signal x(t) zusätzlich dazu verwendet wird, mittels eines spannungsgeregelten Oszillators eine dritte Frequenz fvco zu erzeugen,
  • - bei dem zusätzlich in die Bestimmung der zweiten Abtastfrequenz f₀′ die dritte Frequenz fvco eingeht.
5. The method according to claim 1 or 2,
  • in which the narrowband signal x (t) is additionally used to generate a third frequency f vco by means of a voltage-controlled oscillator,
  • - In addition, the third frequency f vco is included in the determination of the second sampling frequency f₀ '.
6. Anordnung zur Bestimmung der Mittenfrequenz aus einem schmalbandigen Signal (x(t)),
  • - bei der ein Switched-Capacitor-Filter (1) vorgesehen ist, an dem das schmalbandige Signal (x(t)) anliegt und das mit einer Abtastfrequenz f₀ abgetastet wird,
  • - bei der ein erster Analog/Digital-Wandler vorgesehen ist, der zur Digitalisierung des vom Switched-Capacitor-Filter (1) gelieferten Ausgangssignals (ε(t)) dient,
  • - bei der ein zweiter Analog/Digital-Wandler vorgesehen ist, der zur Digitalisierung der Filterzustände dient,
  • - bei der eine Recheneinheit vorgesehen ist, die mittels einer rekursiven Optimierungsroutine eine neue Abtast­ frequenz f₀ bestimmt, welche am Ausgang der Recheneinheit anliegt,
  • - bei der die Abtastfrequenz f₀ ein Maß für die Mitten­ frequenz ist.
6. Arrangement for determining the center frequency from a narrowband signal (x (t)),
  • - In which a switched capacitor filter ( 1 ) is provided, to which the narrowband signal (x (t)) is present and which is sampled at a sampling frequency f₀,
  • a first analog / digital converter is provided, which is used to digitize the output signal (ε (t)) supplied by the switched capacitor filter ( 1 ),
  • a second analog / digital converter is provided, which is used to digitize the filter states,
  • a computing unit is provided which uses a recursive optimization routine to determine a new sampling frequency f₀ which is present at the output of the computing unit,
  • - At which the sampling frequency f₀ is a measure of the center frequency.
7. Anordnung nach Anspruch 6,
  • - bei der die rekursive Optimierungsroutine das Gauß′sche Prinzip der kleinsten Quadrate aufweist.
7. Arrangement according to claim 6,
  • - in which the recursive optimization routine has the Gaussian principle of least squares.
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