EP0898752A1 - Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines signals - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung eines signals

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Publication number
EP0898752A1
EP0898752A1 EP97923820A EP97923820A EP0898752A1 EP 0898752 A1 EP0898752 A1 EP 0898752A1 EP 97923820 A EP97923820 A EP 97923820A EP 97923820 A EP97923820 A EP 97923820A EP 0898752 A1 EP0898752 A1 EP 0898752A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
processing
discontinuity
imaginary
quotient
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP97923820A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Lehmann
Peter Kartmann
Christian Heilmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IAD GESELLSCHAFT fur INFORMATIK AUTOMATISIERUNG
Original Assignee
IAD GmbH
Siemens AG
IAD Gesellschaft fuer Informatik Automatisierung und Datenverarbeitung mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IAD GmbH, Siemens AG, IAD Gesellschaft fuer Informatik Automatisierung und Datenverarbeitung mbH filed Critical IAD GmbH
Publication of EP0898752A1 publication Critical patent/EP0898752A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F18/00—Pattern recognition
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2218/00—Aspects of pattern recognition specially adapted for signal processing
    • G06F2218/08—Feature extraction

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for processing a signal, in particular for detecting a discontinuity in the signal.
  • discontinuity in a signal is often difficult to detect or determine in practice, especially if the discontinuity is very small compared to the signal.
  • the signal m must be converted in a suitable manner for this purpose.
  • discontinuity is understood to mean, in particular, a disturbance in the signal, a superimposed fault signal or a discontinuity due to signal influencing or falsification.
  • the signal itself can be present as analog or digital information.
  • a known approach to reshaping the signal to form a complex time signal is the Hilbert transformation, which is used, for example, in communications engineering to form a so-called analytical signal.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for processing a signal, if a small discontinuity in the signal is to be recognized more easily than before using simple means.
  • the task with regard to the method is solved with the following steps: a) an orthogonal image signal is formed for the signal, b) the quotient between the image signal and the signal is formed, c) this quotient signal is stored on a finite set of values mapped by means of a mapping function, and d) the mapped quotient signal is differentiated.
  • An alternative method according to the invention provides the following steps: a) an orthogonal image signal is formed for the signal, b) a common mean signal z (t) is formed as a weighted function of time from the signal and the image signal, and c) the mean signal z ( t) is differentiated.
  • The is preferably used to form the mean value signal z (t)
  • Relationship z (t) where kl and k2 are weighting factors, s (t) the signal and s (t) the imaginary signal.
  • the factors k1 and k2 can be specified by the person skilled in the art depending on the application and can be the same or different. This type of signal processing is very simple and can also be implemented with simple analog components if necessary. lize. In the case of a digital version, only little computing effort is required.
  • the method can be followed by a second and / or a third differentiation step. In this way, the discontinuity, depending on the application, can be highlighted even better from the signal course.
  • the signal which is differentiated em or multiple times can advantageously be subjected to pattern recognition, so that there is an accurate detection of the discontinuity, in particular a fault.
  • an alarm signal can be generated, which according to the prior art can be fed to further information processing or forwarding.
  • the methods are preferably used in medical technology. This applies in particular to the processing of an on-lme phonocardiogram, a late potential signal or an EEG signal.
  • the methods can also advantageously be used in communications technology, in particular for use in the demodulation of a frequency shift key signal or frequency shift keymg signal (FSK signal). Discontinuities can thus be recognized and dealt with quickly and reliably. Treatment can generally be understood to mean fading out, selecting or filtering out, in which case the discontinuity or the fault signal can optionally be selectively fed to further processing so that it serves as an information signal.
  • FSK signal frequency shift keymg signal
  • the methods are also advantageously used in measurement signal processing in electrical power supply, in particular in low, medium or high voltage technology, a current or voltage signal being used as the signal. 4 signal of a power supply network can serve.
  • the short processing times and the safe working method are of particular advantage here.
  • Special applications are meter technology (flow and electricity measurement) and network protection technology.
  • a device for processing a signal which may have a discontinuity
  • a device for processing a signal which may have a discontinuity
  • a device for forming an orthogonal imaginary signal from the signal with a) a device for forming an orthogonal imaginary signal from the signal, b) a divider, which has a quotient signal between the Imaginary signal and the signal forms, c) a mapping element, which maps the quotient signal to a finite set of values by means of a mapping function, and d) a first differentiator, to which the quotient signal shown is fed.
  • the advantages given above for the methods apply analogously to these devices.
  • the first differentiating element can be followed by a second differentiating element and, if necessary, the third differentiating element can be followed by a third differentiating element. 5 be.
  • the discernibility of a discontinuity is therefore particularly good.
  • a module for pattern recognition can be connected downstream of the differentiator, which module may also emit a message signal when a discontinuity is detected.
  • the pattern recognition can be implemented, for example, with the aid of a filter.
  • the device is preferably designed with a computer, that is to say as a digital processing device, the device and the elements used for signal processing being designed as program modules.
  • a computer that is to say as a digital processing device, the device and the elements used for signal processing being designed as program modules.
  • An essential basic idea of the invention consists in that, from a mathematical point of view, apparently unnecessarily complexly shaped time signals also form quotients in the time domain and through number transformation from the number space
  • the thermal bath or signals processed are functions of time.
  • the method is based on the formation of an imaginary part s (k * T A ) for a sampled signal curve or signal s (k * T ⁇ ) to be examined.
  • k em runtime index and T A mean the time between two sampling points.
  • Phase ⁇ additionally allows the calculation the angular velocity ⁇ (k * T A ) by one time differentiation of ⁇ [k * T A ) and the angular acceleration ⁇ (k * T A ⁇ by two times differentiation of ⁇ [k * T A ).
  • the signal z (k * T A ) formed can be subjected to further processing steps in order to obtain the so-called radius 7 slowness z ⁇ k * T A ) due to the unique differentiation of z (k * T A ) and the radius acceleration z ⁇ k * T A ) due to two differentiations
  • Examples of options for designing and evaluating discontinuities in a technical signal curve include:
  • FIG. 1 shows a block diagram of the device
  • FIG. 2 shows a detail of the device according to FIG. 1 and FIGS. 3 to 12 waveforms for various application examples of the method and the device.
  • a signal s (t) provided with one or more discontinuities or a periodic sequence sp (t) of signal sections is converted into a discrete number sequence by means of an analog-digital converter 5 in a filter 3 after suitable analog pre-filtering scan information T A is supplied.
  • a component or an imaginary signal becomes a real sampled signal s (k * T A ) in the discrete area that as
  • Imaging part of s (k * T ⁇ ) can be viewed. This can be done, for example, in a separate transformer 7 or in a computer 9.
  • the transformer 7 can also be formed by the computer 9, for example as a program module.
  • the device 1 also has a memory 13 for storing programs, data and signals and a human-machine interface, for example a screen 11. W
  • the necessary signal transformations and links can be carried out by special hardware and software on universal computers.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the functions of a processing device, in particular of the computer 9, in detail.
  • This has a device 14 for forming an orthogonal imaginary signal from the signal ⁇ (t).
  • This is followed by a processing module 15.
  • This can be designed as an averager in the sense described above or as a divider with a downstream mapping element.
  • the operations or transformations listed in the introduction can serve as mapping functions.
  • a differentiating module 16 is provided below, which can comprise one or more differentiating elements or differentiating functions.
  • the differentiated output signals of the differentiating module 16 can then be fed to a module 17 for pattern recognition.
  • This can, for example, be equipped with a filter function for the selection or detection of the discontinuity.
  • the output signal can then be, for example, a warning signal w, a selected signal se or the input signal which has been cleaned of the discontinuity.
  • the dt desired information about the discontinuity is contained in the radius velocity z as well as in the speed of rotation ⁇ of the complex signal z formed and is clearly emphasized.
  • a triangular signal according to FIG. 5 which can be, for example, an EEG signal from medical technology, small irregularities are added in the rising part by a one percent Smuss interference. 5 already shows the sum signal.
  • is in the upper lane as a linked size and plotted in the lower track z.
  • 9 shows in the upper track z, in the lower track ⁇ , in which case the imaginary part of the signal is generated not by silver transformation but by differentiation. All signal curves show a clear emergence of the fault.
  • This example according to FIG. 10 applies, for example, to the demodulation of a 3-tone FSK signal (frequency shift keying signal), the relative frequency spacing being exactly as large as the data rate (here 4.8). H. there is a bandwidth efficiency
  • FIG. 11 shows the current curve
  • FIG. 12 shows the signal curve of ⁇ normalized to the square of the envelope. It is easy to see that and when the anchor has tightened and that there is still a slight bouncing.
  • Examples of options for using the method and the device for a technical signal curve include:
  • a special application is e.g. in medicine, e.g. in the event of irregularities in the activity of the heart valves, shown in the so-called phonocardiogram, and in the signal display and analysis of "late potentials". These are multi-dimensional ECG signals that indicate complications in patients after a heart attack.
  • Another application relates to measurement signal processing in electrical energy supply, in particular in low, medium or high voltage technology, it being possible for a current or voltage signal from an energy supply network to serve as the signal.
  • the short processing times and the safe working method are of particular advantage here.
  • Special applications are meter technology (flow and electricity measurement) and network protection technology, whereby a combination in connection with a communications technology application can also result.

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Abstract

Zur Bearbeitung eines Signals (s(t)), insbesondere zur Erkennung einer Unstetigkeit, wird zum Signal (s(t)) zunächst ein orthogonales Imaginärsignal (s(t)) gebildet. Es folgt darauf ein Transformierschritt, auf den dann ein Differenzierschritt folgt. Das so bearbeitete Signal (s(t)) zeigt die Unstetigkeit besonders gut, so daß diese selektiert und detektiert werden kann. Bevorzugte Anwendungsgebiete der vorgesehenen Verfahren und der danach arbeitenden Vorrichtungen sind die Medizintechnik, die Nachrichtentechnik und die Signalverarbeitung in der Netz-, insbesondere der Nieder-, Hoch- und Mittelspannungstechnik.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Signals
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Signals, insbesondere zum Erkennen einer Unstetigkeit im Signal .
Eine Unstetigkeit m einem Signal, insbesondere einem analo- gen Meßsignal, ist m der Praxis oft nur schwer zu erkennen oder zu ermitteln, insbesondere wenn die Unstetigkeit im Ver¬ gleich zum Signal sehr klein ist. In der Regel muß dazu das Signal m geeigneter Weise umgeformt werden. Als Unstetigkeit wird vorliegend insbesondere eine Störung des Signals, ein überlagertes Storsignal oder eine Unstetigkeit durch Signal¬ beeinflussung oder -Verfälschung verstanden. Das Signal selbst kann dabei als analoge oder digitale Information vor¬ liegen.
Ein bekannter Ansatz zur Umformung des Signals unter Bildung eines komplexen Zeitεignals stellt die Hilbert-Transformation dar, die beispielsweise in der Nachrichtentechnik zur Bildung eines sogenannten analytischen Signals modellhaft eingesetzt wird.
Hierzu sei beispielsweise auf den Aufsatz "Wigner-Verteilung alε Werkzeug zur Zeit-Frequenz-Analyse mchtstationarer Si¬ gnale" aus TM Technisches Messen 61 (1994) 1, Seiten 7 bis 15, verwiesen. Das dort erwähnte Verfahren sieht eine Ver- knupfung von zueinander autokorrelationsahnlich verschobenen Signalen und deren Transformation vor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Signals anzugeben, wo- bei eine kleine Unstetigkeit im Signal mit einfachen Mitteln besser als bisher erkennbar werden soll.
Die Losung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens gelingt er- fmdungsgemaß mit folgenden Schritten: a) Zum Signal wird ein orthogonales Imagmarsignal gebildet, b) es wird der Quotient zwischen dem Imagmarsignal und dem Signal gebildet, c) dieses Quotientensignal wird auf einen endlichen Werte- vorrat mittels einer Abbildungsfunktion abgebildet, und d) das abgebildete Quotientensignal wird differenziert.
Eine alternatives erfmdungsgemaßes Verfahren sieht folgende Schritte vor: a) Zum Signal wird ein orthogonales Imagmarsignal gebildet, b) vom Signal und vom Imagmarsignal wird ein gemeinsames Mittelwertεignal z(t) als gewichtete Funktion der Zeit ge¬ bildet, und c) das Mittelwertsignal z(t) wird differenziert.
Diese beiden Verfahren erlauben mit einfachen Mitteln eine verbesserte Erkennbarkeit einer Unstetigkeit im Signal der¬ art, daß es sich uberproportional hervorhebt und damit besser zu detektieren ist. Die Verfahren lassen sich mit einem Rech- ner sehr schnell und mit nur geringem Rechenaufwand ausfuh¬ ren.
Zur Bildung des Mittelwertsignals z(t) dient bevorzugt die
Beziehung z(t) , worin kl und k2 Faktoren zur Gewichtung, s ( t ) das Signal und s ( t ) das Imagmarsignal sind. Die Faktoren kl und k2 können j e nach Anwendungsfall vom Fachmann vorgegeben werden und können gleich oder un¬ gleich sein. Diese Art der Signalbearbeitung ist sehr einfach und laßt sich ggf. auch mit einfachen analogen Bauteilen rea- lisieren. Bei einer digitalen Ausfuhrung ist nur geringer Re¬ chenaufwand erforderlich.
Den Verfahren können sich em zweiter und/ oder em dritter Differenzierschritt anschließen. Auf diese Weise ist die eine Unstetigkeit j e nach Anwendung noch besser aus dem Signalver¬ lauf hervorhebbar.
Mit Vorteil kann das jeweils em- oder mehrmals differenzier- te Signal einer Mustererkennung unterworfen werden, so daß eine genaue Detektion der Unstetigkeit, insbesondere einer Störung, gegeben ist. Optional kann nach oder beim Erkennen einer Unstetigkeit em Meldesignal erzeugt werden, welches nach dem Stand der Technik einer weiteren Informationsbear- beitung oder -weiterleitung zugeführt werden kann.
Eine bevorzugte Verwendung der Verfahren ist in der Medizin¬ technik gegeben. Dies betrifft insbesondere die Bearbeitung eines On-Lme Phonokardiogramms, eines Spatpotentialsignals oder eines EEG-Signals.
Mit Vorteil können die Verfahren auch in der Nachrichtentech¬ nik, insbesondere zur Verwendung bei der Demodulation eines Frequenzumtastsignals oder Frequency-Shift-Keymg-Signal (FSK- Signal) , dienen. Damit können Unstetigkeiten schnell und si¬ cher erkannt und behandelt werden. Unter Behandlung kann allgemein bei den Verfahren ein Ausblenden, Selektieren oder Herausflltern verstanden werden, wobei die Unstetigkeit oder das Storsignal ggf. selektiv einer weiteren Bearbeitung zuge- fuhrt werden kann, so daß es als Informationssignal dient.
Die Verfahren finden auch eine vorteilhafte Verwendung bei der Meßsignalbearbeitung in der elektrischen Energieversor¬ gung, insbesondere in der Nieder-, Mittel- oder Hochspan- nungstechnik, wobei als Signal ein Strom- oder Spannungs- 4 signal eines Energieversorgungsnetzes dienen kann. Hierbei sind die kurzen Bearbeitungszeiten und die sichere Arbeits¬ weise von besonderem Vorteil. Spezielle Anwendungsfälle sind dabei die Zählertechnik (Durchfluß- und Elektrizitätsmessung) und die Netzschutztechnik.
Die weitere Aufgabe bezüglich der Vorrichtung wird erfin¬ dungsgemäß gelöst mit einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Signals, welches gegebenenfalls eine Unstetigkeit aufweist, mit a) einer Einrichtung zum Bilden eines orthogonalen Imaginär¬ signals vom Signal, b) einem Dividierglied, das ein Quotientensignal zwischen dem Imaginärsignal und dem Signal bildet, c) einem Abbildungsglied, das das Quotientensignal auf einen endlichen Wertevorrat mittels einer Abbildungεfunktion abbildet, und d) einem ersten Differenzierglied, dem das abgebildete Quo¬ tientensignal zugeführt ist.
Eine alternative erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Signals, weist folgende Merkmale auf: a) Eine Einrichtung zum Bilden eines orthogonalen Imaginärsi- gnals vom Signal, b) einen Mittelwertbildner, der vom Signal und vom Imaginär¬ signal ein gemeinsames Mittelwertsignal als gewichtete Funktion der Zeit bildet, und c) ein erstes Differenzierglied, dem das Mittelwertsignal zu¬ geführt ist .
Für diese Vorrichtungen gelten die oben zu den Verfahren an¬ gegebenen Vorteile sinngemäß. Es kann dem ersten Differen¬ zierglied ein zweites Differenzierglied und ggf. dem zweiten Differenzierglied ein drittes Differenzierglied nachgeschal- 5 tet sein. Damit ist die Erkennbarkeit einer Unstetigkeit be¬ sonders gut .
Dem Differenzierglied kann ein Modul zur Mustererkennung nachgeschaltet sein, das ggf. auch ein Meldesignal beim Er¬ kennen einer Unstetigkeit abgibt . Die Mustererkennung kann beispielsweise mit Hilfe eines Filters realisiert sein.
Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einem Rechner, also als di- gitale Verarbeitungseinrichtung, ausgeführt, wobei die Ein¬ richtung und die zur Signalverarbeitung verwendeten Glieder als Programmodule ausgeführt sind. Damit lassen sich die Vor¬ teile der Erfindung besonders gut nutzen.
Em wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß von -aus mathematischer Sicht- scheinbar unnötig komplex geformten Zeitεignalen auch Quotienten im Zeitbereich gebil¬ det werden und durch Zahlentranεformation auε dem Zahlenraum
-oo<— <oo , z.B. durch die arctan-Operation, in einen endli- s chen, sinnvoll bearbeitbaren definierten Zahlenraum, bei¬ spielsweise —π <φ < π ,gelangt .
Entgegen der üblichen Signal- und Systemtheorie, bei denen die bekannten Funktionen Betrag, Phase und Gruppenlaufzeit grundsatzlich Funktionen von Kreisfrequenz oder Frequenz sind, sind die vorliegende verarbeiteten Therme oder Signale Funktionen der Zeit.
Basis des Verfahrens ist die Bildung eines Imagmarteiles s(k * TA ) zu einem abgetasteten, zu untersuchenden Signalver¬ lauf oder Signal s(k * TΛ ) . Hierzu wird das Imagmarsignal ,s[k * TΛ ) orthogonal ermittelt oder berechnet. Es entsteht ein 6 von der Zeit abhangiges komplexes Signal z(k * TA ) = s{k * TA)+ js{k * TA). Dies bedeutet mit anderen Worten, daß das neu berechnete orthogonale Imaginarsignal als Imagi¬ närteil interpretiert wird.
Zur Berechnung dieses neuen Signalanteiles oder des Imagmar¬ signal kann eingesetzt werden:
- die Hilberttransformation von s{k*TA) (an sich aus der Nachrichtentechnik bekannt), - die Differentiation von s[k*TA),
- die Integration von s(k*TA},
M-l
- die gleitende Mittelung von s(k*TA), d. h. ^ s[(k -v)*TAJ als υ=ü naherungsweise offsetunempfindliche Integration.
Hierin bedeuten k em Laufzeitindex und TA die Zeit zwischen zwei Abtastpunkten.
Die Interpretation des komplexen Zeitsignales z\k*TA) als
Betrag z(k *TA) = js2 (k*TA)+ s2 (k*TA) (geometrisches Mittel) und
Phase φ erlaubt zusatzlich die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit φ(k*TA) durch einmalige Differen¬ tiation von φ[k*TA) und der Winkelbeschleunigung φ(k*TA} durch zweimalige Differentiation von φ[k*TA) .
Das gebildete Signal z(k*TA) kann weiteren Bearbeitungs¬ schritten unterworfen werden, um die sogenannte Radiusge- 7 schwmdigkeit z\k * TA ) durch einmalige Differentiation von z(k * TA ) und die Radiusbeschleunigung z\k *TA ) durch zweimalige
Differentiation von z(k * TA ) zu bilden.
Alle beschriebenen und abgeleiteten Großen sind Funktionen der Zeit .
Je nach Komplexität der Aufgabe oder des Anwendungsfalls der jeweiligen Signalbearbeitung, d.h. Bestimmung kleiner Unste- tigkeiten in einem Segment eines Signals s{k * TA ) , reichen die beschriebenen Großen aus, um die vorliegende Analyseaufgabe zu losen. Zusatzlich können beispielsweise auch verknüpfte r—. — ds(k * TA ) r -,
Großen wie yjz2 (k * TA )+φ2 (k * TA ) , *H{s(k * TA )\ gebildet
0 {K IA ) werden.
Beispielhafte Möglichkeiten zur Auslegung und Auswertung von Unstetigkeiten bei einem technischen Signalverlauf sind unter anderem:
- Erkennen des Anziehens eines Ankers bei Gleich- oder Wech- selspannungsrelais aus dem Stromverlauf,
- Ermittlung der ausgeführten Schaltschritte eines Schrittmo¬ tors aus dem Stromverlauf,
- Unstetigkeiten bei Lage- und Wegmeßsystemen aus dem Sensor¬ signal, - Ermittlung der Momentanfrequenz bei FSK-modulierten Signa¬ len für eine schnelle Datenübertragung, und
- Bestimmung von Unregelmäßigkeiten bei rotatorischen Vorgan¬ gen.
Weitere Emsatzmoglichkeiten finden sich in der Medizin, z.B. bei Unregelmäßigkeiten der Herzklappentatigkeit, dargestellt im sogenannten Phonokardiogramm und bei der Signaldarstellung und Analyse von "Spätpotentialen". Dies sind mehrdimensionale EKG-Signale, die bei Patienten nach einem Herzinfarkt auf Folgeschäden hindeuten.
Ausführungsbeispiele, weitere Vorteile und Details der Erfin¬ dung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung,
Figur 2 ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig 1 und Figuren 3 bis 12 Signalverläufe zu verschiedenen Anwen¬ dungsbeispielen des Verfahrens und der Vorrichtung.
Fig 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Bear¬ beitung eines Signals s(t) . Ein mit einer oder mehreren Un¬ stetigkeiten versehenes Signal s(t) oder eine periodische Folge sp(t) von Signalabschnitten wird nach geeigneter analo¬ ger Vorfilterung in einem Filter 3 in eine diskrete Zahlen¬ folge mittels eines Analog-Digitalumsetzers 5 gewandelt, dem eine Abtastinformation TA zugeführt ist.
Durch eine in orthogonale Signaltransformation wird im dis¬ kreten Bereich zu dem reellen abgetasteten Signal s(k*TA) ei¬ ne Komponente oder ein Imaginärsignal das als
"Imaginärteil" von s(k*TΛ) angesehen werden kann. Dies kann beispielsweise in einem getrennten Transformierglied 7 oder in einem Rechner 9 erfolgen. Das Transformierglied 7 kann da¬ bei auch vom Rechners 9, z.B. als Programmodul, gebildet sein. Die Vorrichtung 1 weist weiterhin einen Speicher 13 zum Abspeichern von Programmen, Daten und Signalen und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, z.B. einen Bildschirm 11 auf. W
9 Durch geeignete weitere Signaltranεformationen, wie Betrags- bildung, Differentiation, Integration, Arcus-Tangens-Bildung und Kombinationen solcher Operationen, angewandt auf das ge¬ bildete komplexe Signal z(k * TA)= s[k * TA)+ js[k * TA), lasεen εich kleine Unstetigkeiten im Verlauf des Signals s(k*TA) vorteil¬ haft extrahieren und bestimmen, insbesondere, wann, ob und wie oft solche Merkmale aufgetreten sind.
Je nach Echtzeitanforderung der Verarbeitung sind die erfor- derlichen Signaltransformationen und Verknüpfungen durch spe¬ zielle Hard- und Software auf Universalrechnern ausfuhrbar.
Fig 2 zeigt em Blockschaltbild der Funktionen einer Verar- beitungεemrichtung, insbesondere des Rechners 9 , im Detail. Dieser weist eine Einrichtung 14 zum Bilden eines orthogona¬ len Imagmarsignals vom Signal ε(t) auf. Diesem ist em Bear¬ beitungsmodul 15 nachgeschaltet. Dieses kann als Mittelwert- bildner im oben beschriebenen Sinn oder als Dividierglied mit nachgeschaltetem Abbildungsglied ausgebildet sein. Als Abbil- dungsfunktionen können die in der Einleitung aufgeführten Operationen oder Transformationen dienen.
Nachfolgend ist ein Differenziermodul 16 vorgesehen, das em oder mehrere Differenzierglieder oder Differenzierfunktionen umfassen kann. Die differenzierten Ausgangsεignale des Diffe¬ renziermoduls 16 können dann einem Modul 17 zur Mustererken¬ nung zugeführt sein. Dies kann z.B. mit einer Filterfunktion zur Selektion oder Erkennung der Unstetigkeit ausgestattet sein. Als Ausgangssignal kann dann beispielεweiεe em Warnsi- gnal w, em selektiertes Signal se oder das von der Unstetig¬ keit bereinigte Eingangssignal vorliegen. Nachfolgend werden nähere Details zu den neuen Verfahren und zu den entsprechenden Vorrichtungen m speziellen Ausfuh- rungsbeispielen erklart .
Beispiel 1
In Fig 3 ist em allgemeines Sinussignal mit 4 Perioden der Amplitude 1 und in der zweiten Halbperiode des Sinussignals ein hoherfrequenter Sinussignal mit 5% der Amplitude addiert, Im Summensignal gemäß Fig 4 ist diese „Unstetigkeit" bedingt durch das hoherfrequente Sinussignal nicht mehr zu erkennen.
Zwei Beispiele der Bearbeitung nach den vorliegenden Verfah¬ ren lassen klar erkennen, wann und wie lange diese „Unstetigkeit" aufgetreten ist.
darctan- s
In Fig 5 ist oben φ= -, und in der unteren Spur
z - dargestellt. Bei dieser Signalbearbeitung ist die dt gewünschte Information über die Unstetigkeit sowohl in der Radiusgeschwindigkeit z , als auch in der Wmkelgeschwmdig- keit φ deε gebildeten komplexen Signals z enthalten und klar hervorgehoben.
Beispiel 2
In einem Dreiecksignalgemaß Fig 5, das beispielsweise em EEG-Signal aus der Medizintechnik sein kann, sind im anstei¬ genden Teil kleine Unregelmäßigkeiten durch eine einprozenti- ge Smusstorung addiert . Die Fig 5 zeigt dabei bereits das Summensignal .
Nach Bearbeitung mit dem neuen Verfahren, insbesondere der Ableitung, werden gemäß Fig 7 die Unstetigkeiten in den Si¬ gnalverlaufen von φ in der oberen Spur und in φ m unteren _
11 Spur offenbar. Diese bereits optisch erkennbaren Unstetigkei¬ ten können dann mit einfachen Erkennungsmitteln nach dem Stand der Technik erfaßt und detektiert werden.
In Fig 8 ist in der oberen Spur das Produkt syk * TA)* H|,y(/c * TA)| als verknüpfte Größe und in der unteren Spur z aufgetragen. Fig 9 zeigt in der oberen Spur z , in der unteren Spur φ , wo¬ bei hier der Imaginärteil des Signals nicht durch Ηilbert- tranεformation, sondern durch Differentiation erzeugt ist. Alle Signalverläufe zeigen ein klares Hervortreten der Stö¬ rung .
Beispiel 3
Dieses Beispiel gemäß Fig 10 gilt beispielsweise für die De- modulation eineε 3-Ton-FSK-Signaleε (Frequenzumtastsignal) , wobei der relative Frequenzabstand genau so groß ist, wie die Datenrate (hier 4,8) , d. h. es liegt eine Bandbreiteneffizi-
Bit enz von 1 vor. \s * Hz)
Zur Ermittlung der Momentanfrequenz φ wird auf das Quadrat der Einhüllenden z normiert, d. h. die Momentanfrequenz φ wird nach folgender Vorschrift gebildet: ds(k * TA ) dH{s(k * TA )} φN = H{s(k * T)}* s{k * TA ) d(k * TA ) d(k * TA )
In Fig 10 ist in der oberen Spur das FSK-Signal, in der unte¬ ren Spur φN dargestellt . Dabei ist φN direkt der Momentan¬ frequenz proportional. Wie leicht zu erkennen ist, könnte bei gleichen Frequenzabständen die Datenrate weiter erhöht wer¬ den. Zur Verbesserung der Rauschempfindlichkeit kann eine weitere Signalbearbeitung von Vorteil sein. 12 Der erfmdungsgemaße Vorteil dieses Demodulationsverfahrens besteht darin, daß in Ergänzung zu modernen frequenzselekti¬ ven Verfahren nach dem Stand der Technik zusatzlich ein Zeit- selektionskriterium vorliegt, mit dem das sogenannte dreidi- mensionale Kurzzeitspektrum genauer und sicherer ermittelt werden kann. Eine frequenzselektive Trennung des beispielhaf¬ ten Signals ist bei einer Datenrate gleich dem Frequenzab¬ stand nicht durchfuhrbar.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wurde der Stromverlauf eines Wechselspan- nungεschutzeε beim Einschalten nach dem erfindungsgemaßen Vorschlag meßtechnisch als analoges Signal erfaßt und digital ausgewertet. Fig 11 zeigt den Stromverlauf, Fig 12 den auf das Quadrat der Einhüllenden normierten Signalverlauf von φ . Es ist leicht zu erkennen, daß und wann der Anker angezogen hat, und daß dabei noch ein leichtes Prellen vorliegt.
Beispielhafte Möglichkeiten zur Anwendung der Verfahren und der Vorrichtung bei einem technischen Signalverlauf sind un¬ ter anderem:
- Erkennen des Anziehens eines Ankers bei Gleich- oder Wech¬ selspannungsrelais aus dem Stromverlauf,
- Ermittlung der ausgeführten Schaltschritte eines Schrittmo- tors aus dem Stromverlauf,
- Unstetigkeiten bei Lage- und Wegmeßsystemen aus dem Sensor¬ signal,
- Ermittlung der Sättigung bei einem Meßwandler,
- Ermittlung eines Storsignals in der Netzschutztechnik, — Ermittlung der Momentanfrequenz bei FSK-modulierten Signa¬ len für eine schnelle Datenübertragung, und
- Bestimmung von Unregelmäßigkeiten bei rotatorischen Vorgan¬ gen. W
Eine spezielle Einsatzmöglichkeit findet sich z.B. in der Me¬ dizin, z.B. bei Unregelmäßigkeiten der Herzklappentätigkeit, dargestellt im sogenannten Phonokardiogramm, und bei der Si¬ gnaldarstellung und Analyse von "Spätpotentialen". Dies sind mehrdimensionale EKG-Signale, die bei Patienten nach einem Herzinfarkt auf Folgeschäden hindeuten.
Eine weitere Anwendung bezieht sich auf die Meßsignalbearbei¬ tung in der elektrischen Energieversorgung, insbesondere in der Nieder-, Mittel- oder Hochspannungεtechnik, wobei als Si¬ gnal ein Strom- oder Spannungssignal eines Energieversor- gungεnetzeε dienen kann. Hierbei εind die kurzen Bearbei- tungεzeiten und die sichere Arbeitsweise von besonderem Vor¬ teil. Spezielle Anwendungsfälle sind dabei die Zählertechnik (Durchfluß- und Elektrizitätsmessung) und die Netzεchutztech- nik, wobei εich hier auch eine Kombination in Verbindung mit einer nachrichtentechnischen Anwendung ergeben kann.

Claims

14 Patentansprüche
1. Verfahren zur Bearbeitung eines Signals (s(t) ), welches gegebenenfalls eine Unstetigkeit aufweist, mit folgenden Schritten: a) Zum Signal wird em orthogonales Imaginarεignal ( s (t) )gebildet, b) es wird der Quotient zwischen dem Imaginarsignal (s (t))und dem Signal (s(t)) gebildet, c) dieses Quotientensignal wird auf einen endlichen Werte¬ vorrat mittels einer Abbildungsfunktion abgebildet, und d) das abgebildete Quotientensignal wird differenziert.
2. Verfahren zur Bearbeitung eines Signals, welches gegebe- nenfalls eine Unstetigkeit aufweist, mit folgenden Schritten: a) Zum Signal (s(t)) wird ein orthogonales Imaginarsignal { s (t) ) gebildet, b) vom Signal (s(t)) und vom Imagmarsignal (.v (t))wird ein gemeinsames Mittelwertsignal z{t) alε gewichtete Funktion der Zeit gebildet, und c) das Mittelwertsignal z(t) wird differenziert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Bildung des Mittel- wertsignals z(t) die Beziehung z(t) dient, worin Kl und K2 Faktoren zur Gewichtung, s (t) das Signal und .v (t) das Imaginarsignal sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Faktoren Kl und K2 gleich oder ungleich sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein zweiter Differenzierschritt anschließt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei sich ein dritter Diffe¬ renzierschritt anschließt.
7. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das jeweils ein- oder mehrmals differenzierte Signal einer Mu¬ stererkennung unterworfen wird.
8. Verfahren nach Anεpruch 7, wobei beim Erkennen einer Un¬ stetigkeit ein Melde- oder Warnsignal (w) erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ver¬ wendung in der Medizintechnik.
10. Verfahren zur Verwendung bei der Bearbeitung eines On- Line Phonokardiogramms, eines Spätpotentialsignals oder eines EEG-Signals.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Verwen¬ dung bei der Demodulation eines Frequenzumtastεignals (FSK- Signal) .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verwen¬ dung bei der Meßsignalbearbeitung in der elektrischen Ener¬ gieversorgung, insbesondere in der Nieder-, Mittel- oder Hochspannungstechnik.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Signal ein Strom¬ oder Spannύngssignal eines Energieverεorgungεnetzeε dient.
14. Verfahren nach Anεpruch 13, wobei ein differenziertes Si¬ gnal einer Schutz- oder Zähleinrichtung zugeführt wird.
15. Vorrichtung zur Bearbeitung eines Signals, welches gege¬ benenfalls eine Unstetigkeit aufweist, mit: 16 a) Einer Einrichtung (7, 14) zum Bilden eines orthogonalen
Imaginärsignals ( s (t ) ) vom Signal (s(t)), b) einem Dividierglied (15) , das ein Quotientensignal zwi¬ schen dem Imaginärsignal (.v (t)) und dem Signal (s (t) ) ,bildet, c) einem Abbildungsglied (9, 15), das das Quotientensignal auf einen endlichen Wertevorrat mittels einer Abbildungs¬ funktion abbildet, und d) einem ersten Differenzierglied (16) , dem das abgebildete Quotientensignal zugeführt ist.
16. Vorrichtung zur Bearbeitung eines Signals, welches gege¬ benenfalls eine Unstetigkeit aufweist, mit a) Einer Einrichtung (14) zum Bilden eines orthogonalen Ima- ginärsignals ( s (t) ) vom Signal (s(t)) , b) einem Mittelwertbildner (15), der vom Signal (s(t)) und vom Imaginärsignal (.y (t) ) ein gemeinsames Mittelwertsi¬ gnal als gewichtete Funktion der Zeit bildet, und c) einem ersten Differenzierglied (16) , dem das Mittelwert- signal zugeführt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei dem ersten Differenzierglied (16) ein zweites Differenzierglied nachge¬ schaltet ist oder das erste Differenzierglied (16) eine zweite oder weitere Differenzierfunktion umfaßt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei dem zweiten Differen¬ zierglied ein drittes Differenzierglied nachgeschaltet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei ei¬ nem Differenzierglied (16) ein Modul (17) zur Mustererkennung nachgeschaltet ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, mit einem
Rechner (9), wobei die Einrichtung (14) und die zur Signal-
Verarbeitung verwendeten Glieder (15,16,17) als Programmodule ausgeführt sind.
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