DE4414831A1

DE4414831A1 - Meßanordnung mit mindestens zwei Meßkanälen

Info

Publication number: DE4414831A1
Application number: DE19944414831
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Horn
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1995-11-02

Description

Die Erfindung betrifft und geht aus von einer Meßanordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Meßanordnungen dieser Art sind für die verschieden artigsten Zwecke vorgesehen. Eine Anwendungsmöglichkeit ist ein Peilempfänger zum Bestimmen des Peilwinkels von Empfangssignalen, auch bei Netzwerkanalysatoren zum Messen von elektronischen Bauelementen und Baugruppen wird diese Mehrkanal-Meßtechnik mit Digitalisierung und Fourier transformation angewendet, eine andere Anwendungsmög lichkeit ist die Schallfeldanalyse.

Bei einem mehrkanaligen Peilempfänger ist es zur Erhöhung der Peilgenauigkeit bekannt, die Antennenspannungen von beispielsweise drei Peilantennen durch Fouriertrans formation in ihre komplexen spektralen Komponenten zu zerlegen, dann jeweils für dieselbe spektrale Komponente aufeinanderfolgend mehrfach hintereinander den zugehörigen Einfallswinkel zu bestimmen und daraus dann einen Mittel wert zu bilden (DE 41 30 699). Es ist auch schon bekannt, zusätzlich noch die Streuung des jeweiligen Mittelwerts zu bestimmen, so daß Spektralkomponenten mit ähnlichen Mittelwerten als vom selben Sender stammend erkannt werden. Dieser bekannte Peilempfänger ermöglicht es zwar, aus unterschiedlichen Richtungen einfallende Hochfre quenzsignale voneinander zu unterscheiden, er versagt aber, wenn sich deren Frequenzbereiche überlappen, wie dies beispielsweise bei Breitbandstörern der Fall ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung aufzuzeigen, die eine Mehrkanal-Auswertung mit erhöhter Empfindlichkeit und Präzision ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeich nende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere bezüglich eines besonders einfachen Peil empfängers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird bei einem mit digitaler Fourier transformation arbeitenden Meßkanal-Meßanordnung ein Kompensationsmischverfahren angewendet, wie es bei Dopplerpeilern zur Verbesserung des Signal/Rauschabstandes der Analogsignale an sich bekannt ist (z. B. nach DE-PS 12 98 162 oder DE-OS 25 43 123). Durch die Anwendung dieses an sich bekannten Kompensationsmischprinzips in der Spektrallage unmittelbar am Ausgang der Fouriertrans formatoren wird die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung wesentlich verbessert, denn durch die multipli kative Mischung, die einer Korrelation entspricht, wird der Signal/Rauschabstand erhöht. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, anschließend nach der Multiplikation noch vor der Meßergebnisberechnung eine Mittelung der im Rauschabstand verbesserten Spektralkomponenten vor zunehmen.

Das erfindungsgemäße Prinzip ist insbesondere gut geeignet für mehrkanalige Peilempfänger, da hiermit mit einfachsten Mitteln eine Peilung mit erhöhter Empfindlichkeit und Präzision möglich ist. Das erfindungsgemäße Prinzip kann jedoch auch bei anderen mit digitaler Fouriertransfor mation arbeitenden Mehrkanal-Meßanordnungen angewendet werden, beispielsweise bei Netzwerk- oder Vektoranalysa toren oder bei Einrichtungen zur Schallortung über oder unter Wasser oder zur Vibrationsanalyse. Das erfindungs gemäße Prinzip ist unabhängig von der Art der Fourier transformation, es eignet sich sowohl für die Anwendung bei FFT (Fast-Fourier-Transformation) als auch bei DFT (Diskrete-Fourier-Transformation).

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem mit zwei Peilkanälen E_P1 und P_P2 die eingangsseitig mit omnidirektionalen Peilantennen P1 und P2 verbunden sind und die jeweils aus der Reihenschaltung eines analogen Empfangsteiles 1, eines Analog/Digital-Wandlers 2 und eines Fouriertransformators 3 bestehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind nur zwei Peilkanäle dargestellt, für eine eindeutige Azimutbestimmung ist noch ein dritter nicht dargestellter Peilkanal vorgesehen. Neben diesen beiden Peilkanälen E_P1 und E_P2 ist noch ein dritter Referenzempfangskanal E_R vorgesehen, der wiederum aus einem Empfangsteil 1, einem A/D-Wandler 2 und einem Fouriertransformator 3 besteht und der eingangsseitig mit einer Referenzantenne R verbunden ist, die einen wesentlich höheren Gewinn besitzt als die Peilantennen P1 und P2. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht diese Referenzantenne R aus mehreren sternförmig nach verschiedenen Richtungen ausgerichteten Richtantennen R1 bis R6, die beispielsweise über einen elektronischen Schalter kontinuierlich abgetastet werden, die Referenz antenne R besitzt also infolge ihrer Richtwirkung einer seits hohen Gewinn und trotzdem eine Rundstrahlcharakte ristik.

Am Ausgang der Fouriertransformatoren 3 der beiden Peil kanäle E_P1 und E_P2 ist jeweils ein als multiplikativer Mischer wirkender Kompensationsmischer 4 angeschaltet, jeder dieser Kompensationsmischer 4 ist außerdem mit dem Ausgang des Fouriertransformators 3 des Referenzkanals E_R verbunden. Der Ausgang dieser Kompensationsmischer 4 ist in jedem Peilkanal mit einer Schaltung 5 zur Mittelwertbildung verbunden, die Ausgänge dieser Schal tungen 5 sind mit dem eigentlichen Peilwinkelrechner 6 verbunden.

Ziel der Anordnung ist die Bestimmung des Einfallswinkels α einer elektromagnetischen Welle S_i mit zwei omnidirek tionalen Peilantennen P1, P2 und einer Referenzantenne R mit hohem Gewinn.

Die elektromagnetische Welle mit = E · e^j ^ω ^t
erzeugt an diesen drei Antennen die Spannungen

wobei A(α) den richtungsabhängigen Gewinn der Referenzan tenne R gegenüber den elektrisch identischen Peilantennen P1 und P2 repräsentiert.

Die Art und Weise der Ermittlung des Einfallswinkels unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen den Peilantennen P1 und P2 in Wellenlängen und aus der Phasendifferenz ϕ_P1P2 = ϕ_P1-ϕ_P2 ist hinlänglich bekannt, so daß hier auf eine Erläuterung verzichtet werden kann.

In dieser Anordnung wird ϕ_P1P2 indirekt bestimmt, indem mit

ϕ_P1R = ϕ_P1-ϕ_R (2)

die Phasendifferenz zwischen Referenzantenne und Peilan tenne P1, mit

ϕ_P2R = ϕ_P2-ϕ_R (3)

die entsprechende Phasendifferenz für die zweite Peilan tenne und schließlich

ϕ_P1P2 = ϕ_P1R-ϕ_P2R = ϕ_P1-ϕ_R-(ϕ_P2-ϕ_R) (4)

berechnet wird.

Weil die Phase ϕ_R dabei wieder herausfällt, spielt sie für die Eindeutigkeit der Beziehung zwischen Differenzpha se und Einfallswinkel keine Rolle, daher ist auch der Abstand der Peilantennen zur Referenzantenne ohne Bedeu tung. Dies gilt solange, wie die Kreuzkorrelationsfunktion des Referenzsignals mit dem Peilsignal ein ausgeprägtes Maximum zeigt, was dann der Fall ist, wenn der Abstand zwischen Referenz- und Peilantenne sehr klein ist gegen über der Wellenlänge der höchsten Modulationsfrequenz des Nutzsignals. Für praktische Peilanlagen mit abgesetzten Richtempfangsantennen als Referenzantennen für den im Kurzwellen- und VHF-Funk ist dies der Fall.

Den zu vergleichenden Signalen sind Rausch- und Störsi gnale überlagert, wobei der Empfang eines gewünschten Signals über die Referenzantenne mit ihrem hohen Gewinn weit weniger gestört ist als der Empfang über die Peilan tennen.

Mit den folgenden Schritten steigert der Peiler nun die Empfindlichkeit gegenüber den gewünschten Signalen und die Störresistenz gegenüber Signalen aus unerwünschten Rich tungen.

Im ersten Schritt zerlegen sowohl der Referenzempfänger E_R wie auch die Peilempfänger E_P1 und E_P2 nach der FFT das Spektrum des Referenz- bzw. des Peilsignals in die Spek tralkomponenten f₁, f₂ . . . f_n auf benachbarten Frequenzkanälen, wobei für jede Spektralkomponente f_i mit 1 < i < n die Spannungen

die komplexen Spektralkomponenten des Referenzsignals, der ersten und der zweiten Peilantenne sind.

Im ersten Schritt, Kompensationsmischrechnung KMR bezeich net, wird für jede einzelne Spektralkomponente f_i mit 1 < i < n das Produkt aus dem Signal der Peilantenne und dem konju giert komplexen Signal der Referenzantenne gebildet:

Dabei fällt der Ausdruck e^j ^ω ^t heraus und die Phase des kom plexen Wertes _iP1R hängt nicht mehr von der Signalfrequenz, sondern nur noch vom Einfallswinkel der Welle ab. Bei einer Änderung des Einfallswinkels ändert sich gleichzei tig auch der Betrag von _iP1R- infolge der Richtwirkung A(α) der Referenzantenne.

Der Empfang von Signalen aus unerwünschten Richtungen, bei denen der Gewinn der Referenzantenne geringer ist als der Gewinn der Peilantennen, läßt sich hier wirkungsvoll un terdrücken, indem eine Vergleichsschaltung im Falle von u_iR·A(α) < u_iP den Wert von _iPR = 0 setzt.

Der Wert _iP2R entsteht entsprechend.

Die Kompensationsmischrechnung unterdrückt daher schon im ersten Schritt störende Signale aus unerwünschten Rich tungen und steigert damit die Empfindlichkeit in Bezug auf Signale aus gewünschten Richtungen.

Bevor der Peilwinkelrechner 6 aus den Differenzen zwischen ϕ_iP1R und ϕ_iP2R den Peilwinkel errechnet, wird nun im zweiten Schritt die Empfindlichkeit und Störresistenz noch weiter gesteigert.

In diesem zweiten Schritt erzeugt die Schaltung 5 aus den Signalen _iP1R und _iP2R durch Mittelung über mehrere aufein anderfolgende Messungen die Mittelwerte

Diese Mittelung verstärkt gleichbleibende Komponenten, während sich die zufälligen Schwankungen des Rauschens gegenseitig mehr oder weniger aufheben.

Dies erhöht die Empfindlichkeit des Peilers bei zunehmender Meßdauer.

Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit erfolgt im dritten Schritt, der solche Spektrallinien zusammenfaßt, die zu ein- und demselben Funksignal gehören.

Die Frequenzauflösung von FFT-Peilempfängern ist vorzugs weise feiner als die Bandbreite der erwarteten Signale, um frequenzmäßig benachbarte Signale besser voneinander un terscheiden und jeweils präziser peilen zu können.

Für die frequenzmäßige Zusammenfassung vergleicht die Schaltung 7 die Werte _-iP1R zwischen benachbarten i sowie ebenfalls die Werte _iP2R-.

Geringe Unterschiede zwischen den Mittelwerten benachbar ter i lassen darauf schließen, daß die Mittelwerte auf dasselbe Funksignal zurückgeführt werden können.

Da für diese Entscheidung -_iP1R und _iP2R gemeinsam betrach tet werden und diese bereits gemittelt sind, fällt die Entscheidung mit erhöhter Zuverlässigkeit.

Angenommen, die Schaltung 7 hat für die Spektrallinien k < i < l ermittelt, daß die hier gemessenen Signalanteile gemeinsam auf dasselbe Signal zurückgehen.

Dann ermittelt die Schaltung 7

entsprechend.

Durch diese Zusammenfassung entstehen wiederum Mittel werte, was den Einfluß zufälliger Größen wie vom thermi schen Rauschen vermindert und damit die Empfindlichkeit und Präzision steigert.

Letztlich wird

die Phasendifferenz errechnet, mit der die Welle an den beiden Peilantennen P1 und P2 anliegt:

aus der der Peilwertrechner 6 auf bekannte Art und Weise den Einfallswinkel α der gepeilten Welle bestimmt.

Die beschriebene Art der Mittelungen läßt sich für andere Peilverfahren sinngemäß anwenden. Für Amplitudenpeilver fahren, bei denen die Peilantennen eine unterschiedliche Richtcharakteristik aufweisen, verwendet der Peilrechner beispielsweise die jeweiligen Beträge.

Anstelle einer gesonderten Referenzantenne R mit hohem Gewinn und einem zugeordneten gesonderten Referenzkanal E_R kann im Sinne der Fig. 3 das Referenzsignal auch unmittel bar aus den Peilantennen P1 und P2 durch Gruppenbildung gewonnen werden. Dazu werden die Empfangssignale der bei den Peilantennen P1 und P2 wieder über die digitalen Emp fangskanäle E_P1 und E_P2 aufbereitet und durch die Fourier transformatoren 3 jeweils in den Frequenzbereich transfor miert. Die Ausgänge der Fouriertransformatoren 3 sind einerseits wieder mit den Kompensationsmischern 4 verbun den, gleichzeitig aber auch noch mit einem komplexen Ad dierer 9, wobei zwischen dem einen Fouriertransformator 3 des Peilkanals E_P1 und diesem Addierer 9 noch ein Phasen schieber 8 angeordnet ist, der über eine Steuerleitung 10 steuerbar ist.

Durch den Phasenschieber 8 läßt sich nun die Phase des Signals der einen Peilantenne gegenüber dem Signal der anderen Peilantenne verschieben, bevor beide Signale kom plex addiert werden. Durch diese komplexe Addition ver stärken sich gleichphasige Signale, während der Summenpe gel gegenphasiger Signale abnimmt.

Das Ergebnis ist als Referenzsignal für den zuvor be schriebenen Zweck zur Einspeisung in den Kompensationsmi scher geeignet. Je größer die Apertur der Gruppenantenne, je mehr Einzelsignale addiert werden, desto größer wird die Richtwirkung und damit die Unterdrückung von Signalen aus unerwünschten Richtungen.

Insbesondere läßt sich mit solch einer Anordnung ein An tennendiagramm erzeugen, das eine Nullstelle in Richtung einer Störsignalquelle aufweist, so daß sich die Wirkung dieser Störquelle minimieren läßt.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung angewendet bei einem mehrkanaligen Netzwerkanalysator, wie er zur Messung des Übertragungsverhaltens von Meßobjekten M nach Betrag und Phase in Abhängigkeit von der Frequenz benutzt wird. Der Netzwerkanalysator 10 besitzt in dem Ausführungsbeispiel zwei Meßkanäle P1 und P2, die mit zwei Meßstellen des Meßobjektes M verbunden sind. Die vom Meßobjekt M abgegriffenen analogen Meßsignale werden in den beiden Meßkanälen P1 und P2 digitalisiert, ins komplexe Basisband transformiert und dann einer digitalen Fouriertransformation unterworfen. Das Meßobjekt M wird über einen in der Frequenz durchstimmbaren Meßgenerator 11 gespeist, dessen Ausgangssignal einem zusätzlichen Referenzkanal R zugeführt wird, in welchem wiederum nach Digitalisierung eine Fouriertransformation durchgeführt wird. Da das Eingangssignal des Referenzkanals R unmit telbar vom Meßgenerator 11 abgeleitet wird besitzt das im Referenzkanal R aufbereitete Signal einen größeren Pegel als die Eingangssignale der Meßkanäle P1 und P2, so daß wiederum ähnlich wie bei dem Peilempfänger nach den Fig. 1 und 2 durch Kompensationsmischung d. h. Multi plikation der spektralen Komponenten von Referenzkanal und Meßkanälen eine Empfindlichkeitssteigerung erreicht wird.

Fig. 5 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung bei einem Gerät 12 zur Schallfeldanalyse, dessen beide Meßkanäle P1 und P2 mit Schallwandlern 13, 14 ver bunden sind, durch welche die Schallwellen einer Schall quelle 15 aufgenommen und dann in den Meßkanälen P1 und P2 nach Digitalisierung einer digitalen Fouriertransfor mation unterworfen werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird ähnlich wie bei dem Peilempfänger nach Fig. 3 das im Pegel größere Referenzsignal unmittelbar durch Addition aus den spektralen Komponenten der beiden Meßkanäle gewonnen.

Claims

1. Meßanordnung mit mindestens zwei Meßkanälen, bei der in jedem Meßkanal das analoge Meßsignal in einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert und dann in einem digitalen Fourier-Transformator in seine komplexen spektralen Komponenten zerlegt wird, aus denen in einem Rechner das jeweilige Meßergebnis bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die komplexen spektralen Komponenten der einzelnen Meßkanäle mit spektralen Komponenten eines Referenz signals multipliziert werden, das wiederum durch Digitalisierung und Fourier-Transformation gewonnen wird und dessen komplexe spektralen Komponenten zu den spektralen Komponenten der Meßkanäle kohärent und konjugiert komplex sind, und aus diesem Multi plikationsergebnis das Meßergebnis berechnet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zum Messen des Peilwinkels von Empfangssignalen eines mehrkanaligen Peilemp fängers, bei welchem das analoge Eingangssignal der Peilantennen eines jeden Empfangskanales digitalisiert und in ein komplexes Basisband transformiert wird, das dann mittels einer digitalen Fouriertransformation in seine komplexen spektralen Komponenten zerlegt wird, aus denen dann in einem Peilwinkelrechner der jeweilige Peilwinkel bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die komplexen spektralen Komponenten der einzelnen Empfangskanäle mit damit kohärenten und konjugiert komplexen spektralen Komponenten multipliziert werden, die mit einem Antennensystem von größerem Gewinn als dem Gewinn der Peilantennen wiederum durch Digitalisierung und Fouriertransformation erzeugt werden, und aus diesem Multiplikationsergebnis dann erst der Peilwinkel berechnet wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Peilkanal zwischen dem Fouriertransformator und dem Peilwinkel rechner jeweils ein Kompensationsmischer angeordnet ist, ein zusätzlicher mit einer Referenzantenne ver bundener Referenzempfangskanal mit einem Analog-Digi tal-Wandler, nachgeschaltetem komplexen Digitalfilter und digitalem Fouriertransformator vorgesehen ist, der mit einer Referenzantenne verbunden ist, diese Referenzantenne einen höheren Gewinn als die Peil antennen besitzt und der Ausgang des Fouriertrans formators dieses Referenzkanals mit den Kompensations mischern in den einzelnen Peilkanälen verbunden ist, derart, daß in jedem Peilkanal jeweils die komplexen Spektralkomponenten des Referenzempfangskanals mit den gleichfrequenten komplexen Spektralkomponenten der Peilkanäle multipliziert werden (Fig. 1 und 2).

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Peilkanal zwischen dem Fouriertransformator und dem Peilwinkel rechner jeweils ein Kompensationsmischer angeordnet ist, die Ausgänge der Fouriertransformatoren von min destens zwei Peilkanälen über mindestens einen Phasen schieber mit einer Addierstufe verbunden sind, in welcher die Spektralkomponenten dieser Peilkanäle phasengleich addiert werden, und der Ausgang dieser Addierstufe mit den Kompensationsmischern der einzelnen Peilkanäle verbunden ist, derart, daß jeweils die gleichphasig addierten Spektralkomponenten der Addier stufe mit den gleichfrequenten Spektralkomponenten der Peilkanäle multipliziert werden (Fig. 3).

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Peilkanal nach dem Kompensationsmischer eine Schaltung zum Bilden des Mittelwertes aus mehreren aufeinanderfolgenden Multiplikationsergebnissen des zugeordneten Kompensa tionsmischers vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltung zum Bilden des Mittelwertes eine Schaltung nachgeordnet ist, in welcher die Beträge und Phasen von Spektral komponenten bestimmt werden, die den Mittelwert-Spek tralkomponenten benachbart sind, und über diese Schaltung der Peilwinkelrechner gesteuert ist.

7. Anordnung nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Referenzempfangskanal verbundene Referenzantenne aus mehreren nach verschiedenen Richtungen ausgerichteten Richtantennen besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewinn der Peilantennen jeweils größer als der Gewinn der größten Seitenkeule des Richtdiagrammes einer der Richtantennen der Referenzantenne gewählt ist und der Fouriertrans formator des Referenzempfangskanals und die Fourier transformatoren der Peilkanäle mit einer Vergleichs schaltung verbunden sind, über welche der Peilwinkel rechner gesteuert ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1 für einen Netzwerkanalysator mit mindestens zwei mit einem Meßobjekt verbindbaren Meßkanälen und einem das Meßobjekt speisenden Meß generator, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal unmittelbar vom Meßgenerator abgeleitet ist und davon in einem zusätzlichen Referenzkanal die kohärenten und konjugiert komplexen spektralen Komponenten für die Multiplikation erzeugt werden.

10. Anordnung nach Anspruch 1 für eine Schallfeldanalyse mit mindestens zwei jeweils mit Schallwandlern ver bundenen Meßkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal durch Addition der Spektralkomponenten der Meßkanäle erzeugt wird.