DE69004970T2

DE69004970T2 - Vorrichtung und verfahren zur detektion eines bursts mit kohärenter frequenz.

Info

Publication number: DE69004970T2
Application number: DE69004970T
Authority: DE
Inventors: Leslie Jenson
Original assignee: T S I
Current assignee: T S I
Priority date: 1990-01-16
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2010-10-13
Also published as: JPH05503356A; EP0511213A1; DE69004970D1; JPH0830723B2; WO1991010913A1; EP0511213B1; US4973969A; CA2077337A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Detektion von Information in Gegenwart einer beliebigen Energie und insbesondere auf eine Schaltung zum automatischen Detektieren eines kohärenten Frequenzbursts und zum Bestimmen der ungefähren Frequenz des Bursts und der Dauer des Bursts.

Hinterurund der Erfindung

Viele Instrumente benötigen heutzutage eine digitale Signalverarbeitung ("DSP"), um ein Maximum an Information aus elektronischen Signalen zu erhalten. Bei der DSP ist es oft erforderlich, daß von dem Signal Proben genommen und über eine gewisse Zeitspanne hinweg in einem Speicher gespeichert werden. Diese Zeitspanne hängt von dem für die DSP verwendeten Algorithmus ab. In vielen Fällen treten die interessanten Signale in kurzen Bursts und zu beliebigen Zeitintervallen auf. Dies macht es unmöglich, vorauszusagen, wann das relevante Informationen enthaltende Signal vorhanden oder nicht vorhanden ist. Auch kann die Verarbeitungszeit des DSP-Algorithmus im Vergleich zur Signal-Burst-Zeit lang sein. Wenn somit ein kontinuierliches Block-Probenahme-Verfahren verwendet wird, kann die Leistung der Verarbeitung des verfügbaren Signals sehr niedrig sein.
Obwohl viele Meßgeräte, wie z.B. u.a. Radar- und Sonar-Meßgeräte, so betrieben werden, daß das von dem Meßwandler erzeugte Grundsignal zufällige Bursts von kohärenten Frequenzen vor einem Hintergrund von weißem Rauschen aufweist, ist das hier verwendete Beispiel das eines Laser-Doppler-Velocimeters ("LDV"). Wie die Fachleute wohl wissen, arbeitet das LDV, um ein Signal zu erzeugen, das die Geschwindigkeit eines Teilchens, das die Schnittstelle von zwei Laserstrahlen überquert, anzeigt. Sowohl die Dauer als auch die Frequenz des erzeugten Signals sind von Interesse.
Eine mit einem Prozessor betriebene Korrelatorvorrichtung und ein Korrelationsverfahren mit Anwendungen bei Laser-Doppler- Signalen gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche sind in "Review of Scientific Instruments", Bd. 55, Nr. 5, Mai 1984, pp. 737 - 742 offenbart.
In der Vergangenheit wurde typischerweise ein analoger Pegeldetektor verwendet, um zu bestimmen, wann ein Burst in einem LDV-Signal anwesend war. Solch ein System hatte jedoch die folgenden Nachteile: das System detektierte vielmehr die Amplitude als die Kohärenz, das System war abhängig von der Amplitude, das System hatte einen niedrigen Amplitudendynamikbereich und es erforderte einen relativ hohen Geräuschabstand.
Aus diesem Grund besteht Bedarf für einen Burst-Detektor, der einen Block-Probenehmer triggern kann, um einen Probeblock des gewünschten Signals zu erhalten. Indem so verfahren wird, verbessert sich die DSP-Algorithmus-Leistungsfähigkeit in bedeutendem Maße (d.h. das Verhältnis zwischen der benötigten Zeit zum Verarbeiten von Signalen mit relevanten Informationen im Vergleich zum Verarbeiten von Signalen mit unwichtigen Informationen). Es besteht auch Bedarf für einen Burst-Detektor, der den Verlust von Daten aufgrund des Auftretens der Daten in einem kleinen Bruchteil der Zeit verhindert. Die vorliegende Erfindung richtet sich direkt auf die Nachteile des Standes der Technik und überwindet diese.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bietet ein einfaches, relativ kostengünstiges und dennoch verläßliches Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen und kontinuierlichen Aufspüren von kohärenten Frequenzbursts. Wenn ein Burst detektiert ist, wird die ungefähre Frequenz und Dauer bestimmt und an einen Block-Probenehmer einer DSP gegeben, um den Burst effizient zu analysieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die gemäß den Merkmalen der vorliegenden Erfindung gebaut ist, wird das eintreffende von einem LDV oder dergleichen erzeugte Signal an eine Doppel-Begrenzungsvorrichtung hinter einem Tiefpaßfilter angelegt, um Frequenzen unterhalb des Interessebereichs zu entfernen. Diese Vorrichtung erzeugt ein digitales Signal (d.h. entweder ein logisches plus 1 oder minus 1) in Reaktion auf die Polarität des eintreffenden Signals. Das digitale Signal wird an ein Auto-Korrelator-Netzwerk, bestehend aus einer Reihe von Verzögerungen und einer Mehrzahl von Exklusiv-ODER-Schaltungen geliefert, wobei das doppeltbegrenzte Signal mit den verschiedenen verzögerten digitalen Signalen multipliziert wird. Wie die Fachleute erkennen werden, erzeugt das Auto-Korrelator- Netzwerk Signale, die die allgemeine Abhängigkeit der Datenwerte zu einem Zeitpunkt von den Werten zu einem anderen Zeitpunkt anzeigen. Aus diesem Grund nähert sich für zufälliges Rauschen zu jedem beliebigen Zeitpunkt das auto-korrelierte Signal Null.
Die multiplizierten Signale werden jeweils an ein entsprechendes Referenzpegel-Detektornetzwerk, bestehend aus einer Mittelungsschaltung und einem Komparator, geliefert. Wie bereits gesagt, nähert sich das auto-korrelierte Signal zu jedem beliebigen Zeitpunkt Null. Aus diesem Grund ist das Referenzpegel- Detektornetzwerk so angeordnet und konfiguriert, daß das Signal nicht einen der Referenzpegel-Detektoren in dem Detektionsnetzwerk auslöst, ohne daß ein kohärenter Burst vorhanden ist.
Die Ausgangssignale der Referenzpegel-Detektoren werden dann an einen Prioritäts-Codierer geliefert, welcher die erste Zeitverzögerung, die einem ausgelösten Referenzpegel-Detektor zugeordnet ist, feststellt (d.h. priorisiert). Diese Feststellung liefert eine ungefähre Frequenz des Bursts aufgrund der ungefähren Frequenzen, die bestimmten Korrelations-Koeffizienten (d.h. Zeitverzögerungen) zugeordnet sind. Weiterhin stellt der Prioritäts-Codierer die Dauer des Bursts bereit, indem er bestimmt, wie lange der priorisierte Referenzpegel-Detektor ausgelöst wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die kohärente Frequenzbursts, die auf einem rauschbehafteten Signal übertragen werden, detektiert und aufweist:
(a) Verzögerungsmittel (30), die kooperativ so angeordnet sind, daß sie das rauschbehaftete Signal empfangen, zum Verzögern des rauschbehafteten Signals in Inkrementen und zum Erzeugen einer Mehrzahl von verzögerten rauschbehafteten Signalen;
(b) Multiplikationsmittel (40), die kooperativ mit den Verzögerungsmitteln (30) verbunden sind und so angeordnet sind, daß sie das rauschbehaftete Signal empfangen, zum Multiplizieren des rauschbehafteten Signals mit den verzögerten rauschbehafteten Signale, um eine Mehrzahl von ersten Signalen zu erzeugen;
gekennzeichnet durch
(c) Mittelungsmittel (50) , die kooperativ mit den Multiplikationsmitteln (40) verbunden sind, um jedes der ersten Signale über die Zeit zu mitteln;
(d) Spitzenwert-Detektormittel (60), die kooperativ mit den Mittelungsmitteln verbunden sind, um die gemittelten ersten Signale mit einem Referenzpegel zu vergleichen, wobei der Referenzpegel so angeordnet und konfiguriert ist, daß die Spitzenwert-Detektormittel Spitzenwerte feststellen, die kohärente Burst darstellen, wobei die Spitzenwert-Detektormittel (60) in Reaktion auf festgestellte Spitzenwerte zweite Signale erzeugen; und
(e) Prioritäts-Codiermittel (70), die kooperativ mit den Spitzenwert-Detektormitteln verbunden sind, um anzuzeigen, welches zweite Signal dem kürzesten verzögerten rauschbehafteten Signal zugeordnet ist und zum Feststellen der Länge des zweiten Signals, wodurch die ungefähre Frequenz und Länge des kohärenten Frequenzbursts festgestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Detektieren von kohärenten Frequenzbursts, die auf einem rauschbehafteten Signal übertragen werden, bereitgestellt, mit den folgenden Schritten:
(a) Verzögern des rauschbehafteten Signals in Inkrementen und Erzeugen einer Mehrzahl von verzögerten rauschbehafteten Signalen:
(b) Multiplizieren des rauschbehafteten Signals mit den verzögerten rauschbehafteten Signalen, um eine Mehrzahl von ersten Signalen zu erzeugen;
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
(c) Mitteln eines jeden ersten Signales über die Zeit;
(d) Vergleichen der gemittelten ersten Signale mit einem Referenzpegel, wobei der Referenzpegel so gesetzt ist, daß kohärente Bursts darstellende Spitzenwerte detektiert werden können und wobei zweite Signale in Reaktion auf detektierte Spitzenwerte erzeugt werden; und
(e) Feststellen, welches zweite Signal dem kürzesten verzögerten rauschbehaftete Signal zugeordnet ist und Bestimmen der Länge des zweiten Signals, wodurch die ungefähre Frequenz und Länge des kohärenten Frequenzbursts festgestellt werden kann.
Während nun die Erfindung in bezug auf eine Schaltungskonfiguration einer bevorzugten Ausführungsform und im Hinblick auf bestimmte darin verwendete Schaltungskomponenten beschrieben wird, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung in keiner Weise weder durch solche Schaltungskonfigurationen oder Schaltungskomponenten, wie hierin beschrieben, eingeschränkt ist. Ebenso werden die bestimmten Arten (d.h. wie z.B. CMOS-Typ) von Schaltungskomponenten im Hinblick auf die Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben, es ist dennoch selbstverständlich, daß solche bestimmte Schaltungstypen nicht einschränkend anzusehen sind.
Diese und verschiedene andere Vorteile und Merkmale, die die Erfindung charakterisieren, werden insbesondere in den beigefügten zugehörigen Ansprüchen ausgeführt. Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile und Ziele, die ihre Verwendung mit sich bringt, sollte bezug auf die zugehörige Zeichnung genommen werden und auf die beigefügte Beschreibung, in welcher eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In bezug auf die Zeichnung, in der bei allen Ansichten identische Ziffern identische Teile darstellen, zeigt:
Fig. 1 ein funktionelles Blockdiagramm einer Umgebung, in der der die Merkmale dieser Erfindung anwendende kohärente Frequenz-Detektor verwendet werden kann;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Schaltungskonfiguration, bei der die Merkmale dieser Erfindung angewendet werden;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Signalpräsentationen, die an verschiedenen Knotenpunkten der Schaltung der Fig. 2, die mit einer Zeitverschiebung, die einer 90º-Phasenverschiebung für den Burst zugeordnet ist, ausgewählt sind, erscheinen;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Signalrepräsentationen, die an verschiedenen Knotenpunkten der Schaltung der Fig. 2, die mit einer Zeitverschiebung, die einer 180º-Phasenverschiebung für den Burst zugeordnet ist, ausgewählt sind, erscheinen;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Auto-Korrelationskurven von verschiedenen Frequenzbursts, wobei repräsentative Zeitverzögerungs-Inkremente gezeigt sind; und
Fig. 6 ein Beispiel einer Schaltung, die verwendet werden kann, um die Mittelungszeiten der Mittelungsmittel 50 zu schalten, um die Frequenzbereiche des Burst-Detektors 10 zu variieren.

Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Wie oben erwähnt, gelten die Merkmale dieser Erfindung für die automatische Detektion von kohärenten Frequenzbursts, die Rauschen oder ein anderes kohärentes Signal überlagern. Der Detektor für kohärente Frequenzbursts gemäß der vorliegenden Erfindung bietet die ungefähre Frequenz des kohärenten Frequenzbursts und die Dauer, um es zu ermöglichen, daß ein Prozessor den Burst effektiv verarbeitet. Diese Erfindung bietet auf eine Weise ein "Vor-Prozessor"-Netzwerk, um sicherzustellen, daß der stromabwärts gelegene Prozessor nur Proben von Datenblöcken nimmt, welche Informationen tragen. Eine bevorzugte Anwendung für diese Erfindung liegt im Überwachen und Verarbeiten von kohärenten Frequenzbursts, die an den Eingang eines LDV-Prozessors, wie z.B. beim Detektieren von Teilchen verwendet, angelegt wird. Solch eine Anwendung ist für nur eine der unzählbaren Arten von Anwendungen typisch, bei welchen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung angewendet werden können.
In bezug auf Figur 1 als erstes, ist ein Detektor 10 für kohärente Frequenzbursts gezeigt, der als Vor-Prozessor für den LDV Signal-Prozessorblock 12 verwendet wird. Die LDV Optik 11 besteht aus Laserstrahlen, die ein Interferenzmuster einrichten, einer Licht-Kollektor-Optik und einem Photodetektor (nicht gezeigt). Beispielsweise kann der LDV-Signal-Prozessor-Block 12 und die LDV Optik 11 von dem Typ sein, der von TSI Incorporated, St. Paul, Minnesota und Inhaber der vorliegenden Erfindung, hergestellt wird und die Modellnummer-Bezeichnung 1990B bzw. 9100-1 hat. Während die Fachleute den Betrieb eines LDV Signal-Prozessor-Blocks 12 und einer LDV-Optik 11 erkennen und verstehen, da diese vom Stand der Technik her bekannt sind, folgt eine kurze Beschreibung.
Die LDV Optik 11 repräsentiert ein System, das elektronische Signale erzeugt, die in kurzen Bursts in zufälligen Zeitintervallen auftreten. Bei einem solchen System kann ein Burst- Detektor 10 dazu verwendet werden, die Leistung des LDV-Prozessors 12 bedeutsam zu verbessern. Bei einem LDV-System werden ein Paar Laserstrahlen (nicht gezeigt) an einem räumlichen Punkt gekreuzt. Am Kreuzungspunkt wird ein Interferenzmuster erzeugt. Wenn (ein) kleine(s) Teilchen, in einem Probenfluid schwebend, durch das Interferenzmuster hindurchgeht, wird ein kohärentes Muster von Licht in alle Richtungen gestreut. Das gestreute Licht wird dann optisch gesammelt und mittels eines Photodetektors (nicht gezeigt) in ein elektronisches Signal konvertiert. Das elektronische Signal wird dann über ein Filter 13 als Vin an den Burstdetektor 10 und an den Signalprozessor LDV 12 als Vs geliefert. Das Photodetektor-Ausgangssignal ist kontinuierlich, ist jedoch nur von Bedeutung, wenn ein Teilchen tatsächlich durch das Interferenzmuster der Laserstrahlen hindurchgeht. In Abhängigkeit von der Konzentration der Teilchen in dem Probenfluid kann dies weniger als ein Prozent der Zeit sein. Bei der Verwendung des Burstdetektors 10 zum Auslösen des Block-Probenehmers (nicht gezeigt), wird nur das Signal zu dem Zeitpunkt, wenn ein Teilchen durch den Randabstand hindurchgeht, gefangen und an den LDV Signal-Prozessor 12 (d.h. die DSP) eingespeist.
Für die allgemeine Verwendung der DSP wird der Burstdetektor dazu verwendet, eine Probeschaltung auszulösen, die das Signal in gleichmäßigen Zeitintervallen abtastet. Dann wird eine Analog-Digital-Umwandlung des abgetasteten Signals durchgeführt, wobei die digitale Information in dem Speicher zum weiteren Betrieb für die DSP gespeichert wird. Der Burstdetektor 10 wird dazu verwendet, sicherzustellen, daß Proben nur von den nützlichen Daten genommen werden und in die DSP zum Verarbeiten eingespeist werden. Bei dem LDV-Beispiel ist die Frequenz direkt proportional zu der Geschwindigkeit des Teilchens, das die Schnittstelle der zwei Laserstrahlen überquert. Aus diesem Grund ist die in dem Burst enthaltene Frequenz von Interesse.
Weiterhin werden die Fachleute bei dem LDV-Beispiel erkennen, daß die Frequenz innerhalb eines einzelnen Bursts im wesentlichen konstant ist, jedoch um einem Faktor von zehn oder mehr zwischen den Bursts variieren kann. Die Länge des Bursts kann zwischen zehn bis fünfzig oder mehr Zyklen variieren, je nach der optischen Anordnung des LDV-Systems und dem Weg des Teilchens durch das Interferenzmuster. Es ist wünschenswert, die Frequenz eines jeden Bursts unabhängig von dem vorhergehenden zu messen. Außerdem ist es wichtig, die Fähigkeit zu optimieren, das Signal von dem Hintergrundrauschen zu extrahieren, wobei immer noch ein hohes Maß an Genauigkeit bei der Frequenzmessung gegeben ist.
Die Technik, die zum Feststellen der Frequenz eines im Rauschen untergehenden Signals verwendet wird, ist typischerweise entweder ein Korrelator oder ein Spektrumanalysator. Diese Instrumente benötigen jedoch eine relativ lange Verarbeitungszeit. Zum Optimieren der Genauigkeit und Minimieren der Kosten ist es außerdem höchst wünschenswert, die Eingabe- Probefrequenz auf einen für die zu analysierende Signalfrequenz optimalen Wert zu setzen. Diese Erfordernisse verlangen nach einem schnellen Vor-Prozessor, um festzustellen, wann der kohärente Frequenzburst vorhanden ist (d.h., damit keine Zeit zum Verarbeiten des Rauschens verwendet wird) und um seine ungefähre Frequenz festzustellen. Der Burstdetektor 10 bietet diese Funktionen, wobei er zusätzlich ein Signal bietet, das verwendet werden kann, um die Länge des Bursts zu messen. Es ist bei Verwendung eines LDVs für eine Vorspannungskorrektur oft notwendig, daß die Länge des Bursts bekannt ist.
Wie die Fachleute erkennen werden, ist eine Autokorrelations-Funktion wie folgt definiert:
Die Quantität RX(τ) ist immer eine gerade Funktion mit realen Werten mit einem Maximum bei τ=0 und kann entweder positiv oder negativ sein. Bei Verwendung in der vorliegenden Erfindung liefert die Autokorrelations-Funktion im wesentlichen einen Hinweis auf einen kohärenten Frequenzburst, während sie auf Rauschen nicht anspricht.
Als nächstes ist in bezug auf Fig. 2 eine bevorzugte Vorrichtung zum Ausführen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der kohärente Frequenzburst-Detektor ist im allgemeinen mit 10 bezeichnet. Der kohärente Frequenzburst-Detektor 10 besteht aus mehreren Funktionselementen. Das erste ist eine Digitalisierungseinrichtung, bestehend aus einer Doppel-Begrenzungsvorrichtung 20. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Doppel-Begrenzungsvorrichtung 20 ein Null-Durchgangs-Detektor. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Null-Durchgangs- Detektor von der Art eines Komparators, hergestellt von Advanced Micro Devices in Sunnyvale, California, mit der Modellnummer- Bezeichnung AMD 687.
Die Doppel-Begrenzungsvorrichtung 20 konvertiert das analoge Eingangssignal Vin von der LDV Optik 11 in ein Signal, welches, wenn das Eingangssignal größer als Null ist, digital plus ist und negativ, wenn das Signal kleiner als Null ist. Doppel-Begrenzung wirkt als einfache Art und Weise, das analoge Signal Vin in ein digitales Signal zu konvertieren, wohingegen in diesem Fall sehr wenig nützliche Informationen verloren gehen. Wie die Fachleute erkennen werden, konvertiert die Doppel-Begrenzung z.B. eine Sinuswelle in eine Rechteckwelle. Die Fachleute werden auch erkennen, daß auch andere Digitalisierungsverfahren verwendet werden können.
Immer noch in bezug auf Fig. 2 wird das doppeltbegrenzte Signal an die Verzögerungsmittel mit "n" Verzögerungen geliefert. Die Verzögerungsmittel bestehen aus einer Verzögerungsleitung 30 (z.B. ein Schieberegister) oder einem anderen Verfahren, um ein verzögertes Signal zu erzeugen.
Die Fachleute werden leicht feststellen, wie die Schieberegister zu verwenden sind, um eine Verzögerungsleitung zu erzeugen. Die folgende Tabelle zeigt z.B. typische Parameter, die der Verzögerungsleitung 30 und dem Mittelungsnetzwerk 50 (unten beschrieben) zugeordnet sind: TABELLE 1 Verzögerung Verschiebungen Ausgangssignal Doppler Frequ. kritische Frequ. Wid. Ohm Kond. (pf) Abtastfrequ.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jede Verzögerung gleich 14,3 Nanosekunden. Weiterhin sind die Verschiebung und Verzögerung gleich. Die vorstehende Tabelle ist aus Darstellungszwecken gezeigt und sollte nicht als Einschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise betrachtet werden. Die Fachleute werden erkennen, daß jegliche Anzahl von verschiedenen Verschiebe-Verzögerungen und Frequenzen in dieser Erfindung verwendet werden können.
Im Anschluß an jedes Verzögerungsinkrement wird das Signal zusammen mit dem Originalsignal an eine Exklusiv-ODER-Schaltung 40 geliefert. Die Exklusiv-ODER-Schaltung 40 wirkt als Multiplizierer. Das Ausgangssignal wird auch durch die Exklusiv- ODER-Schaltung 40 (d.h. der NOR-Ausgang wird verwendet) invertiert, wobei das Ausgangssignal negativ ist, wenn die zwei Eingangssignale entgegengesetzt sind, jedoch positiv, wenn beide Eingangssignale denselben logischen Pegel haben. Jede Exklusiv-ODER-Schaltung 40 ist einer bestimmten Verzögerung zugeordnet. Bei n=8 z.B. gibt es acht Exklusiv-ODER-Schaltungen 40a, 40b, 40c, ... 40h.
Das Ausgangssignal jeder ODER-Schaltung 40a-40h wird jeweils an ein Mittelungsnetzwerk 50a - 50h geliefert. Jedes Mittelungsnetzwerk 50 besteht aus einem Widerstand 51 und einem Kondensator 52. Die Zeitkonstante jeder RC-Schaltung wird so ausgewählt, daß ein einpoliger Filter mit einer kritischen Frequenz, die ungefähr gleich 1/20 der von der zugeordneten Verzögerung detektierten Frequenz ist, bereitgestellt wird. Beispielswerte sind in Tabelle 1 gegeben.
Jedes Mittelungsnetzwerk 50a-50h ist mit einem Komparator 60a-60h verbunden. Wenn ein gemitteltes Signal ausreichend negativ wird, wird der entsprechende Komparator 60 ausgelöst, wodurch er ein Signal an den Prioritätscodierer 70 sendet. Vref liefert den Referenzpegel für die Komparatoren 60a-60h.
Der Prioritätscodierer 70 bewertet jedes der von den Komparatoren 60a-60h bereitgestellten Signale und stellt die minimale Verzögerung fest. Der Prioritätscodierer 70 liefert dann zwei Signale an den Prozessor 12. Das erste Signal Vout identifiziert die kürzeste Zeitverzögerung, die einer gegebenen Frequenz entspricht. Die Fachleute werden erkennen, daß eine digitalisierte Darstellung der angemessenen Zeitverzögerung entweder seriell oder parallel erzeugt werden kann. Der Prozessor 12 verwendet dann diese ungefähre Frequenz, um die optimale Abtastgeschwindigkeit festzustellen, auf die der Prozessor 12 eingestellt werden kann. Das zweite Signal Vt ist ein Signal, das zum Auslösen einer Blockprobe verwendet werden kann und auch zeitlich gesteuert werden kann, um die Länge des Bursts zu messen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde der Prioritätscodierer 70 von National Semiconductor, Santa Clara, California hergestellt und hat die Teile-Bezeichnung 74F148.
Während es in Fig. 2 nicht ausdrücklich spezifiziert ist, versteht es sich von selbst, daß die funktionalen Blöcke und andere Vorrichtungen richtig mit entsprechenden Vorspannungs- und Referenz-Anschlüssen verbunden sind, damit sie wie vorgesehen betrieben werden. Weiterhin kann ein Tiefpaßfilter 13 (in Fig. 1 am besten gezeigt) verwendet werden, um Frequenzen unterhalb des Interessebereichs zu entfernen. Zusätzlich können für Bursts, die auf einem kohärenten Signal übertragen werden, andere Filter am Filterblock 13 verwendet werden, um das Trägersignal auszufiltern, wobei diese Burstfrequenzen für ein Vor-Verarbeiten durch den Burstdetektor 10 übrigbleiben.
Figuren 3 und 4 zeigen graphisch das Signal für einen kohärenten Frequenzburst an mehreren Knotenpunkten A-F (gezeigt in Fig. 2). In Fig. 3 ist das Signal bei einer für eine 90º- Phasenverschiebung ausgewählten Verzögerung "m" (d.h. mit einer aus den n Verzögerungen ausgewählten Verzögerung) gezeigt. Wie an Punkt E zu sehen ist, übersteigt das zeitlich gemittelte Signal nicht den Referenzpegel. In Fig. 4 ist jedoch das Signal an einer Verzögerung "p" gezeigt, die für eine 180º-Phasenverschiebung ausgewählt wurde. Wie in der letzteren Figur zu sehen ist, ist bei einer 180º-Phasenverschiebung das Exklusiv-ODER- Signal an seinem Maximum (da es nämlich eine logische Funktion von einem, jedoch nicht von beiden ist) und das zeitlich gemittelte Signal übersteigt den Referenzpegel. Aus diesem Grund zeigen die Figuren 3 und 4 in graphischer Weise den Fachleuten, wie ungefähre Frequenzbereiche zu Zeitverzögerungen entsprechend 180º-Phasenverschiebungen zugeordnet werden können.
In bezug auf Fig. 5 ist nun eine Aufnahme der Autokorrelations-Koeffizienten von mehreren kohärenten Frequenzbursts gezeigt. Obwohl in Fig. 5 acht Verzögerungen gezeigt sind, kann tatsächlich jegliche Anzahl von Verzögerungen verwendet werden. Bei diesem Beispiel ist jede Verzögerung 22% länger als die vorhergehende, wodurch eine logarithmische oder konstante Prozentskalierung in einem Bereich von vier zu eins entsteht. Wie die Fachleute erkennen, bestimmt der prozentuale Unterschied zwischen den Verzögerungsbereichen, mit welcher Genauigkeit die Frequenz identifiziert werden kann. Durch den prozentualen Unterschied wird auch die Variation und Sensitivität als eine Funktion der Frequenz festgestellt, was bei diesem Beispiel weniger als 10% ist.
Immer noch in bezug auf Fig. 5 ist beispielsweise erkennbar, daß die Frequenz F&sub2; von der ersten, der zweiten und dritten Verzögerung erkannt werden würde. Der Prioritätscodierer 70 würde die erste Verzögerung priorisieren. Auf ähnliche Weise würde F&sub3; von der vierten, fünften und sechsten Verzögerung (Priorisierung der vierten Verzögerung) und F&sub4; von der siebten und achten Verzögerung (Priorisierung der siebten) erkannt werden.
Es wird nochmals bezug auf Fig. 4 genommen, welche graphisch ein beispielhaftes Ausgangssignal einer Mittelungsschaltung 50 zeigt, wenn ein kohärentes Signal einer geeigneten Frequenz auftritt (d.h. das Signal am Knotenpunkt E). Die "Burst-Zeit" ist die Zeit, während der der gemittelte Signalwert unterhalb der Referenz liegt. Die Fachleute werden erkennen, daß dieser Referenzpegel Vref einstellbar sein kann. Wenn Vref einstellbar ist, kann der minimale Geräuschabstand eines akzeptablen Signals von einem Operateur eingestellt werden.
Bei Verwendung des kohärenten Burstdetektors 10, analysiert der stromabwärts gelegene Signalprozessor 12 nur echte Signale und die Eingangssignal-Probenahmegeschwindigkeit kann für die Frequenz des Bursts optimiert werden. Außerdem kann die Burstlänge für eine Vorspannungs-Korrektur sowie auch zum Abweisen jeglichen Signals mit unpassender Burstlänge verwendet werden. Dies ermöglicht außer reduzierten Kosten und erhöhter Genauigkeit eine im wesentlichen vollkommene Automation der Signalverarbeitung durch die Informationen des kohärenten Burstdetektors 10.
Während die oben beschriebene Vorrichtung eine Doppel-Begrenzungsvorrichtung 20 verwendet, so daß nur digitale Signale für eine Analyse verwendet werden, kann die vorliegende Erfindung auch insgesamt mit analoger Elektronik implementiert werden. Bei einem analogen System würde das Eingangssignal Vin an eine analoge Verzögerungsleitung (nicht gezeigt) geleitet. Die Exklusiv-ODER-Schaltungen 40 würden durch analoge Multiplizierer (nicht gezeigt) ersetzt. Alle oben erwähnten analogen Equivalente sind unter Fachleuten gut bekannt. Die restlichen Elemente des Systems können, ähnlich wie in Fig. 2 gezeigt, implementiert werden. Während weiterhin mehr Informationen von der Autokorrelation (z.B. Verwendung der zweiten und dritten negativen Spitzenwerte) zum Detektieren des Bursts verwendet werden können, wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nur der erste negative Spitzenwert verwendet, um die Einfachheit zu optimieren, wohingegen nur wenig an Genauigkeit und Sensitivität verloren geht.
Weiterhin ist eine große Anzahl an Verzögerungsinkrementen erforderlich, um einen potentiellen Bereich von 100 000 zu 1 abzudecken, wenn der kohärente Burstdetektor 10 Verzögerungsinkremente verwendet, die nahe zusammenliegen (z.B. ein Faktor von 1,2 Differenz). Um dies auf eine praktischere Zahl (z.B. 16) zu reduzieren, ist es nützlich, Bereiche zu schalten. Wenn jedoch die Zeitmessung des Schieberegisters (d.h. Verzögerungseinrichtung 20) geändert wird, muß auch die Zeitkonstante der Mittelungsschaltungen 50a - 50h geändert werden. Wie die Fachleute erkennen, ist ein Schalten des Werts von entweder einem Widerstand oder Kondensator, wie in der bevorzugten Ausführungsform verwendet, nicht geeignet.
Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, indem eine alternative Mittelungsschaltung 50' mit einem digitalen Invertierer und Tri-State-Steuerung 51 zusammen mit einer Zeitschaltung 52, die von einem Probenehmer-Taktgeber (nicht gezeigt) getrieben wird, verwendet wird, wie in Fig. 7 gezeigt. Für den höchsten Bereich ist der Schalter über 100% der Zeit angeschaltet. Bei einem Bereich mit einer 10 mal niedrigeren Frequenz, wäre der Schalter nur über 10% der Zeit angeschaltet. Dies liefert dasselbe Ergebnis wie eine Erhöhung des Werts des Produkts des Widerstands und Kondensators um einen Faktor von zehn, dies zu implementieren ist jedoch viel kostenintensiver. Die Fachleute werden erkennen, daß das Ausgangssignal der Exklusiv-ODER-Schaltungen 40 nicht invertiert werden muß, wenn ein digitaler Invertierer 51 verwendet wird, da diese Funktion von dem digitalen Invertierer 51 selbst ausgeführt wird.
Bei der tatsächlichen Realisierung für LDV mag der Burst erst analysiert werden, wenn das Ausgangssignal der Mittelungsschaltung für eine feste Anzahl von Zyklen unterhalb des Referenzpegels Vref bleibt. Auf diese Weise verschwendet der LDV- Prozessor 12 keine Zeit mit dem Versuch, ein Signal zu analysieren, das entweder a) ein sehr kurzer Durst oder b) eine Rauschstörung und lange genug kohärent war, um zu bewirken, daß der Mittelwert für eine kurze Zeit unterhalb die Referenz sinkt. Nach der ersten festen Anzahl von Zyklen wählt der Prioritätscodierer dann die kürzeste Zeitverzögerung, die unterhalb des Referenzpegels liegt.
Der oben beschriebene bevorzugte Burstdetektor 10 ist für eine maximale Leistung mit der geringsten Anzahl an elektronischen Komponenten, die zum Implementieren der gewünschten Vor- Verarbeitungs-Funktion benötigt sind, optimiert. Die Menge an Elektronik ist minimiert, indem das eintreffende Signal mit einem Bit digitalisiert wird. Dadurch werden die benötigten elektronischen Komponenten reduziert, jedoch geht etwas Leistung verloren. Der Burstdetektor 10 könnte auch mit Multi-Bit-Digitalisierung des Signals implementiert werden, um die Autokorrelations-Koeffizienten zu berechnen. Dies kann auf viele Arten erfolgen, wie für die Fachleute klar hervorgeht. Eine solche Methode besteht darin, die Verzögerungsleitung durch eine Multi- Bit-Verzögerungsleitung (nicht gezeigt) zu ersetzen, welche n- Bit Worte akzeptiert. Die Exklusiv-ODER-Schaltungen 40, die als Multiplizierer verwendet werden, würden dann durch n-Bit- Multiplizierer (nicht gezeigt) ersetzt werden. Dies würde die Multiplikationsoperation verlangsamen. Außerdem hätten die Mittler gewichtete Eingangssignale, die den n-Bit-Multiplikationsergebnissen Rechnung tragen.
Es ist verständlich, daß die Merkmale dieser Anmeldung sich nicht nur auf den Stromkreis beziehen, der zur Implementierung dieser Erfindung verwendet wird, sondern auch auf das Verfahren zum automatischen Bereitstellen der Detektion von kohärenten Frequenzbursts.

Claims

1. Vorrichtung zum Feststellen von kohärenten Frequenzbursts, die auf einem rauschbehafteten Signal übertragen werden, mit:

(a) Verzögerungsmitteln (30), die kooperativ so angeordnet sind, daß sie das rauschbehaftete Signal empfangen, zum Verzögern des rauschbehafteten Signals in Inkrementen und zum Erzeugen einer Mehrzahl von verzögerten rauschbehafteten Signalen;

(b) Multiplikationsmitteln (40), die kooperativ mit den Verzögerungsmitteln (30) verbunden sind und so angeordnet sind, daß sie das rauschbehaftete Signal empfangen, zum Multiplizieren des rauschbehafteten Signals mit den verzögerten rauschbehafteten Signalen, um eine Mehrzahl von ersten Signalen zu erzeugen;

gekennzeichnet durch

(c) Mittelungsmittel (50), die kooperativ mit den Multiplikationsmitteln (40) verbunden sind, um jedes der ersten Signale über die Zeit zu mitteln;

(d) Spitzenwert-Detektormittel (60), die kooperativ mit den Mittelungsmitteln verbunden sind, um die gemittelten ersten Signale mit einem Referenzpegel zu vergleichen, wobei der Referenzpegel so angeordnet und konfiguriert ist, daß die Spitzenwert-Detektormittel Spitzenwerte feststellen, die kohärente Bursts darstellen, wobei die Spitzenwert-Detektormittel (60) in Reaktion auf festgestellte Spitzenwerte zweite Signale erzeugen; und

(e) Prioritäts-Codiermittel (70), die kooperativ mit den Spitzenwert-Detektormitteln verbunden sind, um anzuzeigen, welches zweite Signal dem kürzesten verzögerten rauschbehafteten Signal zugeordnet ist und zum Feststellen der Länge des zweiten Signals, wodurch die ungefähre Frequenz und Länge des kohärenten Frequenzbursts festgestellt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin Doppelbegrenzungsmittel (20) zum Digitalisieren des eintreffenden rauschbehafteten Signals aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Multiplikationsmittel Exklusiv-ODER-Glieder aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittelungsmittel (50) eine RC-Schaltung und die Spitzenwert-Detektormittel (60) einen Komparator aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin Bereichsschaltmittel (51, 52) aufweist, die kooperativ mit den Mittelungsmitteln (50') verbunden sind, um die ersten Signale an die Mittelungsmittel (50') zu liefern in Übereinstimmung mit einer auswählbaren Taktgeschwindigkeit, wobei die gemittelten ersten Signale verändert werden und der detektierte Bereich der kohärenten Frequenzbursts verändert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Prioritäts-Codiermittel (70) eine Mehrzahl von zweiten Signalen anzeigen, die mehreren kürzesten Verzögerungen entsprechen, um die Genauigkeit zu erhöhen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verzögerungsmittel (30) so angeordnet und konfiguriert sind, daß sie Verzögerungsinkremente aufweisen, die ein konstantes Verhältnis zwischen benachbarten Verzögerungen bereitstellen.

8. Verfahren zum Detektieren von kohärenten Frequenzbursts, die auf einem rauschbehafteten Signal übertragen werden, mit den Schritten:

(a) Verzögern des rauschbehafteten Signals in Inkrementen und Erzeugen einer Mehrzahl von verzögerten rauschbehafteten Signalen;

(b) Multiplizieren des rauschbehafteten Signals mit den verzögerten rauschbehafteten Signalen, um eine Mehrzahl von ersten Signalen zu erzeugen;

gekennzeichnet durch die Schritte:

(c) Mitteln jedes ersten Signals über die Zeit;

(d) Vergleichen der gemittelten ersten Signale mit einem Referenzpegel, wobei der Referenzpegel so gesetzt ist, daß Spitzenwerte, die kohärente Bursts darstellen, detektiert werden können, und wobei zweite Signale in Reaktion auf detektierte Spitzenwerte erzeugt werden; und

(e) Feststellen, welches zweite Signal dem kürzesten verzögerten rauschbehafteten Signal zugeordnet ist, und Feststellen der Länge des zweiten Signals, wodurch die ungefähre Frequenz und Länge des kohärenten Frequenzbursts festgestellt werden kann.