ITRM20090001A1 - Tecnica di ricostruzione della forma d'onda di segnali con selezione multicanale ed amplificazione differenziale variabile a retroazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

della domanda di brevetto per invenzione industriale dal TITOLO:

“Tecnica di ricostruzione della forma d’onda di segnali con selezione multicanale ed amplificazione differenziale variabile a retroazione”,

Campo dell’invenzione.

La presente invenzione è relativa ad una tecnica per la ricostruzione della forma d’onda di segnali analogici misurati in laboratorio, a terra o nello spazio per applicazioni industriali, tecnologiche o scientifiche. Il procedimento è basato sul filtraggio, l’amplificazione variabile a retroazione, la digitalizzazione e l’elaborazione del segnale in ingresso. La tecnica è particolarmente adatta ai casi in cui si voglia effettuare un’analisi multicanale di un segnale analogico misurato, ossia lo studio di parti diverse dello stesso segnale, suddiviso in più canali o bande di frequenza, le quali risultino caratterizzate da ampiezze diverse che fluiscono contemporaneamente nel sistema di acquisizione. La stessa tecnica esalta ulteriormente le sue caratteristiche qualora in aggiunta alla gestione multicanale suddetta si debbano trattare dati multiparametrici (cioè dati relativi a segnali di diversa natura associati a parametri o campi diversi tra di loro).

I principali campi di applicazione della tecnica secondo l’invenzione sono: Studio esplorativo della forma d’onda di segnali analogici di cui non siano note a priori le caratteristiche generali di ampiezza e frequenza.

Analisi di forme d’onda di segnali a largo spettro, ossia aventi un contenuto spettrale significativo in molti intervalli distinti di frequenza. Acquisizione con alta risoluzione dinamica della forma d’onda di segnali con alta variabilità del contenuto spettrale nelle diverse bande di frequenza.

Campionamento in continuo di segnali fortemente variabili nel tempo che richiedano una calibrazione ciclica dei guadagni nelle varie bande di frequenza.

Digitalizzazione della forma d’onda di segnali analogici in condizioni ambientali che necessitino particolarmente della modularità del sistema di misura e di flessibilità nella scelta delle bande di frequenza e nei guadagni delle amplificazioni.

Ricostruzione digitale ad alta efficienza della forma d’onda in condizioni di basso consumo, minimo ingombro, minimo costo, semplicità di installazione e manutenzione.

Sondaggio e/o monitoraggio multiparametrico, e non, in ambito spaziale, aeronautico, delle telecomunicazioni, della navigazione e in di varie regioni spaziali vicine e lontane dalla Terra.

Investigazione e caratterizzazione dell’ambiente terrestre e/o spaziale circumterrestre.

Monitoraggio e/o sondaggio del territorio attraverso reti di misura multiparametriche, e non, per il controllo regionale e locale del Pianeta.

10. Misure di laboratorio per applicazioni particolari che richiedano e/o consiglino l’uso, in quanto strumentazione di processo, rispetto a quelle, assai più costose, adatte ad una generalità di casi.

Vengono date appresso le seguenti definizioni, collegate per semplicità alle applicazioni di cui sopra.

Tecnica o metodo o procedura o procedimento. Qui e nel seguito si useranno indifferentemente i termini “tecnica”, “metodo”, “procedura” o “procedimento” quali sinonimi per identificare un qualunque insieme di dispositivi, istruzioni ed algoritmi di calcolo atto ad elaborare un segnale generico ricevuto in ingresso restituendo in uscita un segnale opportunamente elaborato.

Forma d’onda. Per “forma d’onda” si intende la successione dei valori dell’ampiezza di un segnale in funzione del tempo. Nell’accezione più generale l’espressione descrive il valore di una grandezza, funzione di una o più variabili, al variare delle variabili dipendenti.

Peso o fattore di ponderazione. In senso statistico per “peso” o “fattore di ponderazione” si intende una costante assegnata ad un elemento di una popolazione quale misura dell’importanza dell’elemento rispetto agli altri appartenenti alla stessa popolazione.

Filtro. Per “filtro” si intende un dispositivo che selettivamente fa passare o blocca segnali entranti in un sistema in accordo con i requisiti specifici di quel sistema.

Amplificatore. Per “amplificatore” si intende un dispositivo che aumenta l’ampiezza di un segnale in ingresso relativamente piccolo senza alterarne le sue caratteristiche. Un amplificatore è caratterizzato particolarmente dal valore del suo “guadagno” cioè dal rapporto tre le ampiezze del segnale in uscita ed in ingresso.

Multiplexer. Per “Multiplexer” (detto anche multiplatore o selettore ed abbreviato nel seguito con l’acronimo MUX) si intende un generico dispositivo che selezioni in uscita uno dei canali che riceve in ingresso.

Buffer. Per “Buffer” (detto anche memoria tampone o memoria di transito) si intende un generico dispositivo, o vettore di un algoritmo di programmazione, che immagazzini temporaneamente dati ricevuti in ingresso e li restituisca in uscita eventualmente ricombinati tra loro.

Convertitore Analogico-Digitale (o ADC) Per “convertitore analogicodigitale” si intende un dispositivo che converte un segnale analogico continuo in valori digitali discreti.

Range dinamico. Per “range dinamico” si intende un intervallo di ampiezze di un segnale sul quale un dispositivo (ad esempio amplificatore o convertitore analogico-digitale) è capace di operare producendo un’uscita adeguata.

Integrazione (o Somma o Σ). Per “integrazione o somma” si intende un processo di coordinamento che consiste nel combinare azioni o elementi differenti in un’unica funzione.

Spettro. Intervallo di frequenze (o di lunghezze d’onda) in un dato sistema aventi una caratteristica comune assegnata.

FT. Per “FT” si intende la trasformata di Fourier F di una funzione reale, o complessa, f di una variabile reale t, definita dalla relazione:

La transizione da f ad F è detta Trasformazione di Fourier. Generalmente F è complessa anche per f reali.

FFT. Per “FFT” si intende una trasformata veloce di Fourier, cioè un algoritmo per calcolare rapidamente la Trasformata di Fourier (FT)

DFT. Con “DFT” si intende un qualunque algoritmo di calcolo esatto o approssimato della Trasformata di Fourier discreta (Discrete Fourier Transform). Tuttavia nel seguito e negli allegati le abbreviazioni FT, FFT o DFT saranno usate indifferentemente.

Feeback o retroazione. Per “feedback” o “retroazione” si intende il ritorno di parte dell’uscita di un sistema sull’ingresso del sistema stesso.

CPU. Per “CPU” si intende l’acronimo dell’espressione Central Processing Unit, ossia unità centrale di processamento.

DSP. Per “DSP” si intende l’acronimo dell’espressione Digital Signal Processor, ossia elaboratore di segnali digitali.

FPGA. Per “FPGA” ci si riferisce all’acronimo dell’espressione Field Programmable Gate Array.

Arte nota.

Le tecniche e gli strumenti per l’acquisizione digitale dei segnali ed i relativi sistemi di condizionamento e gestione digitale dei dati ad oggi noti e disponibili, con particolare riferimento ai limiti di impiego, si possono suddividere in strumenti di laboratorio (per usi generali) e dispositivi di processo (realizzati per specifiche esigenze). I primi sono costituiti da sistemi di acquisizione che pur consentendo ricostruzioni della forma d’onda molto sofisticate (ridondanti rispetto all’uso specifico cui è destinata la presente invenzione) non sono adatti ai campi di applicazione della tecnica e relativo sistema secondo l’invenzione, essendo strumenti ingombranti e con consumo rilevante. Si tratta quindi di sistemi sovradimensionati rispetto alle necessità applicative in questione. Rispetto alla seconda categoria di dispositivi esistenti (quelli realizzati per esigenze specifiche, anche non di laboratorio), la tecnica e relativo sistema secondo l’invenzione risultano nettamente superiori in originalità con particolare riferimento al metodo di condizionamento differenziale variabile a retroazione, all’uso di un unico convertitore-analogico-digitale per la digitalizzazione di più segnali e alla utilizzazione ottimale del range dinamico del convertitore analogico-digitale stesso. Di particolare pregio sono inoltre le alte prestazioni del procedimento, il minimo consumo in energia, i bassi costi, pesi ed ingombri.

Sommario dell’invenzione.

Di un segnale analogico è possibile in generale fare o l’acquisizione della forma d’onda in funzione del tempo o l’analisi spettrale delle componenti armoniche. La tecnica oggetto della presente invenzione consente di ricostruire la forma d’onda di un generico segnale analogico. Per un metodo in grado di effettuare l’analisi spettrale di un generico segnale analogico è stata presentata (dallo stesso depositante e dagli stessi inventori della tecnica oggetto della presente invenzione) domanda di brevetto industriale secondo il riferimento:

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal TITOLO:

“Metodo a feedback variabile di condizionamento di segnali e relativo sistema di acquisizione, analisi spettrale e gestione digitale dei dati” La tecnica oggetto della presente invenzione ed il metodo di cui al verbale RM2008A000688 condividono il medesimo “Modulo di Condizionamento” del segnale rappresentato in Figura 1 allegata alla presente descrizione.

Costituisce oggetto della presente invenzione una tecnica a feedback variabile costituita da tre moduli funzionali (modulo di condizionamento, modulo di acquisizione e modulo di elaborazione) tra di loro interconnessi per il condizionamento la digitalizzazione e l’elaborazione di segnali analogici misurati in ambienti diversi (a terra, nello spazio, in laboratorio). Tale schema progettuale permette di determinare con grande accuratezza la forma d’onda di un qualsiasi segnale analogico. La tecnica consiste nel suddividere in diverse bande di frequenza (canali) un segnale analogico rivelato da apposito sensore e nel rendere paragonabili tra loro, con un opportuno processo di calibrazione, le ampiezze dei vari canali, assegnando a ciascuno di questi i relativi pesi e gestendone l’acquisizione con un unico convertitore analogico-digitale. In tal modo si ha una utilizzazione ottimale del convertitore analogico-digitale perché se ne massimizza il range dinamico. Il processo di calibrazione, necessario a determinare i pesi, viene effettuato sul segnale in uscita dal convertitore analogico-digitale con un’apposita unità detta di calibrazione. In uscita dal modulo di elaborazione vi sarà la forma d’onda digitalizzata del segnale analogico in ingresso al modulo di condizionamento. L’invenzione ha numerosi pregi. Tra essi vanno annoverati la suddetta massimizzazione nell’uso del range dinamico del convertitore analogico-digitale, l’uso di un solo convertitore analogico-digitale per più bande di frequenza e la tecnica a feedback variabile che consente di stimare i pesi da attribuire a ciascun canale e conseguentemente regolare l’amplificazione della componente del segnale in ciascun canale. Inoltre contribuiscono all’originalità dell’invenzione e ne costituiscono uno dei pregi fondamentali, la possibilità di gestire contemporaneamente più segnali di diversa natura e una molteplicità di bande di frequenza per ciascun segnale. Altra peculiarità dell’invenzione è la possibilità di caratterizzare in modo quantitativo (multiparametrico) i diversi ambienti dove i vari segnali vengono misurati. Questo è possibile attraverso la suddetta tecnica che consente di avere per ogni ambiente una grande articolazione di informazioni (diversi campi e parametri, diversi segnali, diverse bande di frequenza per ciascun segnale). Infine la tecnica prescinde dal tipo e dalla natura del segnale da gestire. Così ad esempio la tecnica consente di analizzare la forma d’onda di un segnale acustico, ottico, meccanico, elettrico, magnetico, ecc., una volta trasformatolo in segnale elettromagnetico analogico.

Breve descrizione delle figure.

Per una migliore comprensione dell’invenzione, in Figura 1 viene mostrato uno schema dell’invenzione. La Figura 1 è uno schema a blocchi costituito da tre moduli tra di loro interconnessi detti: “Modulo di condizionamento”, “Modulo di acquisizione” e “Modulo di elaborazione”. Tale schema è relativo ad una tecnica a feedback variabile per il condizionamento e l’acquisizione digitale della forma d’onda di un segnale analogico in ingresso al sistema secondo l’invenzione. Il “Modulo di condizionamento” di Figura 1 è il medesimo modulo funzionale, ugualmente denominato “Modulo di condizionamento”, facente parte dell’invenzione di cui al verbale di deposito RM2008A000688. Il “Modulo di elaborazione” include un blocco denominato “Unità di calibrazione” il cui schema funzionale è mostrato in Figura 2.

Quanto illustrato nelle figure è meramente esemplificativo e una persona esperta nel ramo può effettuare variazioni o modifiche che non dipartano dallo spirito e dall’ambito dell’invenzione. Si intende che tali variazioni e modifiche sono incluse nello scopo della descrizione e delle rivendicazioni.

Descrizione dettagliata dell’invenzione.

La tecnica oggetto della presente invenzione si applica ad un segnale S(t) analogico in ingresso e consente di ricostruire in uscita la forma d’onda digitalizzata in funzione del tempo.

Il principio di funzionamento del metodo è basato sull’ottimizzazione continua dell’amplificazione per ciascuna singola banda di frequenze del segnale S(t) in ingresso in modo che tutte le componenti spettrali delle varie bande di frequenze siano confrontabili tra loro. Una volta fissati i coefficienti ottimali di amplificazione (in generale variabili nel tempo), la forma d’onda del segnale in ingresso viene quindi ricostruita ed inviata in uscita. La possibilità di variare separatamente il guadagno di ciascun canale in frequenza (in modo che le ampiezze spettrali in tutte le bande siano confrontabili) consente di sfruttare totalmente la risoluzione del Convertitore Analogico Digitale (ADC). La variazione delle amplificazioni attraverso una procedura di calibrazione consente di ottimizzare la risoluzione dinamica del campionamento del segnale S(t) in tutte le bande senza “sprecare bits”. Questa flessibilità risulta particolarmente utile per segnali in cui il contenuto spettrale vari fortemente da una banda di frequenze all’altra. Ne segue che la risoluzione dinamica effettiva di digitalizzazione garantita dalla tecnica in oggetto è superiore a quella statica dell’ADC.

Configurazione e modularità

La tecnica è articolata in tre moduli: “Modulo di condizionamento”, “Modulo di acquisizione” e “Modulo di elaborazione”. La suddivisione del metodo in moduli, descritta nel seguito e schematizzata in Figura 1, va intesa a solo titolo esemplificativo giacché le unità funzionali possono essere collocate e raggruppate in diverse configurazioni a seconda delle necessità applicative o tecnologiche.

Lo schema funzionale descritto per ciascun modulo è realizzato sia attraverso dispositivi fisici (hardware) che con algoritmi di elaborazione e controllo (software). Tutti i moduli di seguito descritti posso essere installati su un'unica scheda elettronica o su schede distinte collegate tra loro. Nello schema di base (descritto nel seguito) la tecnica oggetto della presente invenzione si applica ad un segnale analogico in ingresso e restituisce in uscita la sua forma d’onda digitalizzata, è tuttavia possibile sfruttare la modularità della tecnica per realizzare diverse architetture. In particolare, nel caso si vogliano analizzare contemporaneamente più segnali analogici in ingresso, è possibile un’architettura costituita da un unico modulo di elaborazione che gestisca contemporaneamente tanti sottosistemi quanti sono i segnali analogici in ingresso. Ciascun sottosistema sarà costituito da: 1 modulo di condizionamento ed 1 modulo di acquisizione e sarà in grado di acquisire separatamente un segnale analogico. Il modulo di elaborazione processerà contemporaneamente i vari segnali e restituirà parallelamente in uscita tutte le forme d’onda dei segnali in ingresso.

Modulo di condizionamento

Il modulo di condizionamento (vedi Figura 1) è costituita da: un amplificatore (K), un divisore ad N uscite, N filtri (F1,….,FN), N blocchi di amplificazione (A1,…,AN). Il modulo di condizionamento è collegato funzionalmente al modulo di acquisizione ed al modulo di elaborazione. Il modulo indicato nelle Figura 1 come “Modulo di condizionamento” della presente domanda di brevetto ed il modulo ugualmente denominato “Modulo di condizionamento” del verbale di deposito RM2008A000688, si riferiscono, descrivono e rappresentano il medesimo blocco funzionale.

Il segnale analogico S(t) in ingresso al modulo di condizionamento viene amplificato dall’amplificatore K nel modulo di condizionamento. L’amplificatore K è ad uno o più stadi, di tipo variabile con guadagno programmabile su uno o più livelli. Il suo guadagno è indicato con K.

Il segnale in uscita da K viene diviso dal blocco divisore in N segnali distinti di eguale ampiezza e di identico contenuto in frequenza.

Gli N segnali vengono inviati in parallelo e separatamente ciascuno ad uno degli N filtri. La funzione di trasferimento dell’i-esimo filtro è Fi. Ciascun filtro è scelto in modo da selezionare un determinato intervallo di frequenze per il relativo segnale in ingresso. I segnali in uscita dei filtri sono detti canali (canale 1,…, canale N). Il numero N dei filtri dipende dal numero di intervalli di frequenza in cui si vuole suddividere ed analizzare il segnale S(t) analogico in ingresso. La situazione limite di N=1 è possibile e corrisponde ad una realizzazione del procedimento con un solo intervallo di frequenze analizzato. Gli N filtri hanno caratteristiche diverse tra loro, possono essere ad elementi passivi o attivi con parametri caratteristici (frequenze caratteristiche, fattore di attenuazione, banda passante, ecc.) fissi o variabili a seconda della configurazione desiderata. Ciascun filtro può essere costituito da diversi stadi a seconda delle necessità di selezione delle frequenze e della qualità del filtraggio. Gli N filtri operano in parallelo, ciascuno su un canale. Una possibile scelta per l’insieme degli N filtri è costituita da N filtri passa banda centrati su bande adiacenti e consecutive in modo da coprire l’intero intervallo di frequenze del segnale S(t) in ingresso al modulo di condizionamento. Un’altra possibilità è scegliere filtri che sopprimano specifici intervalli di frequenze indesiderate nel segnale in ingresso.

Ciascuno degli N canali è inviato separatamente ad uno degli N blocchi di amplificazione (A1,…,AN). Il guadagno dell’i-esimo blocco di amplificazione è detto Ai. Ciascun blocco amplificatore può in generale essere composto da uno o più stadi. Gli amplificatori sono di tipo variabile con guadagno programmabile su uno o più livelli. Il segnale Siin uscita dall’i-esimo blocco di amplificazione è dato da<~>Si(t)= S(t)×K×Fi× Ai. I guadagni variabili (A1,…,AN) degli N blocchi di amplificazione sono impostati e variati (come di seguito descritto) durante la fase di calibrazione dal modulo di elaborazione. Una volta terminata la fase di calibrazione i blocchi di amplificazione mantengono le loro impostazioni fino alla successivo ciclo di calibrazione. Il processo di calibrazione viene attivato in fase di avvio dell’acquisizione e può essere ripetuto ciclicamente durante l’acquisizione.

Gli N segnali S<~>

i(t) (i=1,…,N) in uscita dagli N blocchi di amplificazione (detti “segnali condizionati”) vengono inviati dal modulo di condizionamento al modulo di acquisizione.

Modulo di acquisizione

Il modulo di acquisizione (vedi Figura 1) è costituito da: un muliplexer (MUX) ed un ADC (Analog to Digital Converter). Il modulo di acquisizione è connesso al modulo di condizionamento ed a quello di elaborazione ed è gestito dal modulo di elaborazione. Gli N segnali analogici

condizionati uscenti dal modulo di condizionamento sono inviati parallelamente al MUX comandato dal controllore del modulo di elaborazione. Il multiplexer restituisce in uscita uno degli N segnali in ingresso secondo le istruzioni impartite dal blocco controllore del modulo di elaborazione. Il segnale in uscita dal MUX viene mandato in ingresso all’ADC per il campionamento. Le caratteristiche dell’ADC quali: frequenza di campionamento, risoluzione, eventuale trigger esterno, tipo di ADC (seriale, parallelo, ecc.) sono scelte conformemente alla tipologia di segnale analogico S(t) in ingresso ed alle necessità di analisi richieste dall’applicazione. Il controllore imposta il MUX in modo che il modulo di acquisizione digitalizzi in sequenza 1 campione per ciascuno degli N canali, ossia: dove τjindica lo j-esimo tempo/passo di acquisizione. Questo insieme di segnali costituisce un’ “uscita seriale” del modulo di acquisizione. Una successione di campioni rappresenta un ciclo completo di acquisizione lungo N tempi/passi e viene ripetuto in continuazione. La differenza minima Δτ= τi-τjtra due istanti qualunque di un ciclo di acquisizione è fissata dalla frequenza di campionamento dell’ADC.

Scegliendo la frequenza di campionamento opportunamente maggiore della più alta frequenza caratteristica del segnale in ingresso S(t) e di 1/(N×Δτ), si può trascurare la differenza temporale tra τ1e τNe considerare tutti i campioni acquisiti allo stesso istante intermedio t. Il segnale

S<~>

i(t) (condizionato e digitalizzato), in uscita dal modulo di acquisizione, viene inviato al modulo di elaborazione.

Modulo di elaborazione

Il modulo di elaborazione (vedi Figura 1) è costituito da: un “controllore”, un’ “Unità di calibrazione”, un blocco che effettua la ricostruzione della forma d’onda dell’i-esimo canale Si(t ) , un buffer ed un sommatore che ricostruisce la forma d’onda del segnale originale totale S(t).

Il modulo di elaborazione può essere realizzato/installato su un unico processore per l’elaborazione di dati digitali o su dispositivi distinti quali CPU, DSP, FPGA o su un adeguato processore dedicato. Il blocco “controllore” gestisce e sincronizza gli altri blocchi del modulo di elaborazione (calibrazione, ricostruzione segnale, riempimento/svuotamento dei buffers, ecc.). Il controllore comanda anche il multiplexer, pilotando la “sequenza” dei canali selezionati in uscita dal MUX, e sincronizza l’ADC del modulo di acquisizione con eventuali segnali esterni di trigger. Il controllore inoltre sovrintende ai cicli di avvio/arresto della calibrazione ed acquisizione; gestisce le condizioni di armo/disarmo dell’intero sistema dei tre moduli, funge da interfaccia con l’ambiente esterno, ecc. Il controllore è programmabile e riprogrammabile.

Il controllore opera sul MUX selezionando in uscita uno degli N canali in ingresso al MUX stesso. Il controllore varia nel tempo il canale selezionato in uscita dal MUX definendo la “sequenza” ati in successione al campionamento. Un di acquisizioni costituisce un ciclo che viene in generale ripetuto in continuazione durante il funzionamento del sistema. Ad ogni istante t, il segnale digitale<~>Si( t ) in uscita dal modulo di acquisizione, rappresenta il valore della forma d’onda, al tempo t, del canale i-esimo condizionato, amplificato e digitalizzato. In ingresso al modulo di elaborazione il segnale<~>Si( t ) viene inviato congiuntamente all’unità di calibrazione ed al blocco di ricostruzione denominato ”. All’avvio del processamento il controllore inibisce il blocco “ ” e l’unità di calibrazione avvia il calcolo dei guadagni K e (A1,…,AN). Terminata la calibrazione dopo il necessario numero di cicli di acquisizione, e determinati i guadagni, il controllore attiva il blocco di ricostruzione “

Unità di calibrazione

L’unità di calibrazione è costituita da: un buffer, un sommatore, un blocco per il calcolo della FFT ed un blocco di “Calcolo ed ottimizzazione” dei guadagni K e (A1,…,AN). Lo schema a blocchi dell’ “Unità di calibrazione” è rappresentato in Figura 2.

L’unità di calibrazione serve a calcolare ed impostare il guadagno K (applicato all’intero segnale S(t) in ingresso al modulo di calibrazione) ed i guadagni (A1,…,AN) (di ciascuno degli N blocchi di amplificazione del modulo di condizionamento) in modo da ottimizzare la risoluzione dinamica effettiva della tecnica di acquisizione.

La calibrazione può essere eseguita una tantum all’avvio dell’acquisizione o ripetuta ciclicamente durante il funzionamento dell’intero apparato in funzione della natura e del grado di variabilità del segnale S(t) nel tempo, delle condizioni ambientali di acquisizione ed a seconda delle applicazioni. Ripetendo con continuità il ciclo di calibrazione si può ottimizzare in continuo l’amplificazione di ciascun canale di frequenza e quindi il range dinamico dell’acquisizione in ciascun canale. Alla fine del ciclo di calibrazione i guadagni vengono aggiornati e l’acquisizione prosegue con la nuova impostazione.

Il canale<~>Si( t ) (condizionato, selezionato dal MUX e digitalizzato dall’ADC ad un certo istante t) viene inviato in ingresso all’unità di calibrazione dove viene immagazzinato nel buffer interno all’unità. Dopo un ciclo completo di N acquisizioni<~ ~>{S1(τ1),...,SN( τN)},una per ciascun canale, il buffer dell’unità di calibrazione dà in uscita la successione degli N segnali<~ ~>{S1(τ1),...,SN( τN)}che<viene inviata al sommatore per il calcolo della somma>

Il S<~>( t ) rappresenta, in funzione del tempo, il segnale condizionato; esso viene inviato al blocco che calcola la FFT e produce lo spettro S<~>( ω ) ad M righe. Il blocco “Calcolo ed ottimizzazione (calibrazione)” usa lo spettroS<~>( ω ) per regolare prima l’amplificazione complessiva K e poi singolarmente ciascuna delle amplificazioni (A1,…,AN) in funzione del contenuto spettrale degli N canali. A ciascuno degli N canali<~>Si( t ) è associata un’ampiezza spettrale<~>Si( ω ) , che è il valore della potenza spettrale sul singolo intervallo di frequenze definito dal filtro i-esimo. L’ampiezza i-esima<~>Si( ω ) è calcolata a partire dalle M righe (per M≥N) dello spettro S<~>( ω ) , integrando le righe del relativo i-esimo intervallo di frequenze. In generale, a seconda del contenuto in frequenza del segnale S(t), i valori delle ampiezze<~ ~>(S1(ω),...,SN( ω )) sono molto diversi tra loro anche di ordini di grandezza. Come noto campionare un segnale S(t) con forti variazioni di ampiezza nei vari intervalli di frequenza comporterebbe che parte della risoluzione dell’ADC venga “sprecata” per tener conto dell’intervallo di variazione delle ampiezze nelle diverse bande. Nella tecnica oggetto della presente invenzione il blocco FFT dell’unità di calibrazione calcola le<~ ~>(S1(ω),...,SN( ω )) ed il blocco “Calcolo ed ottimizzazione (calibrazione) guadagni” varia singolarmente i guadagni (A1,…, AN) in modo che le N ampiezze spettrali siano tutte confrontabili tra loro. Il guadagno K è variato come fattore di scala complessivo. Questo consente di ottimizzare massimamente il range dinamico dell’ADC aumentando nettamente la risoluzione effettiva della digitalizzazione della tecnica qui descritta.

Il valore scelto per N, la distribuzione degli intervalli di frequenze dei filtri (F1,…, FN) ed il valore della dimensione M della FFT determinano la risoluzione con cui il modulo di elaborazione può impostare i guadagni (A1,…, AN), ossia singolarmente ciascun Aio per gruppi di amplificatori. Una possibile configurazione è quella di spaziare i filtri (F1,…, FN) e scegliere la dimensione M≥N in modo da conoscere almeno una riga spettrale per ciascuno degli N intervalli di frequenze del modulo di condizionamento. In tal modo si conosce la potenza/contenuto spettrale in ciascuna delle N bande. Questo consente di impostare separatamente ciascuno dei guadagni (A1,…, AN). Se la dimensione M della FFT e la spaziatura degli N filtri sono tali che non si ha almeno una riga spettrale in ciascun intervallo di frequenze dei filtri (F1,…, FN), si potranno comunque fissare i guadagni (A1,…, AN) per gruppi di blocchi di amplificazione anche se non separatamente per ciascun blocco. Queste due possibilità danno estrema flessibilità alla tecnica oggetto della presente invenzione. La possibilità di variare indipendentemente (o a gruppi) il guadagno di ciascun blocco di amplificazione, in modo che le ampiezze spettrali di tutti i canali siano confrontabili, consente di sfruttare totalmente la risoluzione dell’ADC. Tutta la risoluzione statica dell’ADC viene ottimizzata dinamicamente per campionare l’intervallo di variabilità del segnale in ciascuna banda di frequenza senza “sprecare bits”. Questa flessibilità risulta particolarmente utile per segnali in cui il contenuto spettrale vari fortemente da una banda di frequenze all’altra.

In generale maggiore è il numero N di canali, maggiore sarà la risoluzione necessaria per conoscere il contenuto spettrale in ciascun canale e quindi maggiore sarà la dimensione M della FFT. La durata della calibrazione dipende dalla dimensione M della FFT e della velocità di calcolo del modulo di elaborazione ed è impostabile e riprogrammabile per accrescere l’efficienza della calibrazione. Similmente il tempo tra una FFT e la successiva (tempo morto) e la frequenza di ripetizione della calibrazione sono parametri fissi o regolabili durante il processo di acquisizione.

L’unità di calibrazione restituisce in uscita i valori dei guadagni K e (A1,…,AN) che vengono inviati agli amplificatori relativi ed al blocco funzionale “ ×(KFiAi)<− 1>” per la ricostruzione del canale i-esimo.

Ricostruzione della forma d’onda del segnale S(t)

La ricostruzione della forma d’onda del segnale originale S(t) in ingresso al sistema avviene in due passi. Prima viene ricostruito il segnale Si(t ) di ciascun canale eliminando l’effetto del condizionamento e delle amplificazioni, poi viene ricostruita la forma d’onda del segnale complessivo S(t) sommando i contributi dei diversi canali. In dettaglio la procedura è la seguente. Al termine della fase di calibrazione (dopo il necessario numero di cicli di acquisizione) vengono determinati i guadagni e il controllore attiva il blocco denominato per la ricostruzione della forma d’onda del singolo segnale Si(t ) . Noti la forma d’onda ~

Si( t ) dell’i-esimo canale condizionato, il guadagno K, le funzioni di trasferimento dei filtri (F1,…, FN) ed i guadagni (A1,…,AN) è possibile infatti ricostruire la forma d’onda del canale originaleSi(t ) (senza condizionamento) usando la formula:

Tale operazione viene svolta dal blocco moltiplicatore “ ×(KFiAi)<− 1>”. A quel punto i segnali Si(t ) per (i=1,…,N) ottenuti vengono accumulati nel buffer del modulo di elaborazione e quindi inviati al sommatore. Note le forme d’onda di ciascun canale Si(t ) , la forma d’onda del segnale originale S(t ) in ingresso al modulo di condizionamento è data dalla somma dei vari canali secondo la formula:

Si sottolinea che in generale i guadagni K ed (A1,…,AN) varieranno ad ogni ciclo di calibrazione per ottimizzare di volta in volta l’acquisizione, quindi anche la ricostruzione della forma d’onda varia dinamicamente nel tempo. La forma d’onda del segnale originale digitalizzato S(t ) così ricostruito costituisce l’uscita del modulo di elaborazione e quindi il prodotto dell’intero metodo di analisi oggetto della presente invenzione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Tecnica ad amplificazione differenziale variabile a retroazione per la ricostruzione ad alta risoluzione della forma d’onda di un qualsiasi segnale analogico mediante processi di filtraggio, campionamento ed elaborazione secondo la procedura seguente: (i) effettuare, mediante l’uso di tre moduli tra loro interconnessi, detti modulo di condizionamento, modulo di acquisizione e modulo di elaborazione, un’amplificazione del segnale analogico in ingresso al modulo di condizionamento, prima che questi venga suddiviso in canali (bande di frequenza), nel numero desiderato, ciascuno dei quali subisce un’amplificazione diversa e regolabile in base a pesi stabiliti da un processo di calibrazione effettuato sulla base dell’analisi spettrale; (ii) digitalizzare in sequenza e ciclicamente, mediante un convertitore analogico-digitale i segnali analogici relativi a ciascun canale, effettuare l’analisi spettrale sul segnale somma dei segnali relativi ai singoli canali; (iii) effettuare, attraverso l’analisi spettrale, la calibrazione anzidetta che determina l’amplificazione del segnale in ciascun canale, e ricostruire quindi la forma d’onda del segnale analogico iniziale in ingresso al modulo di condizionamento.
2. 2) Tecnica secondo la riv.1 che richiede l’uso di un solo convertitore analogico-digitale per la gestione multicanale di un qualsiasi segnale analogico, suddiviso in più bande di frequenza.
3. 3) Tecnica di cui alla riv. 1-2 che permette di variare il numero e l’estensione delle bande di frequenza in cui è suddiviso il segnale analogico in ingresso al modulo di condizionamento, per ciascuna delle quali essa consente di massimizzare separatamente il range dinamico (risoluzione) di acquisizione del convertitore analogico-digitale selezionato.
4. 4) Tecnica secondo le riv. 1-3 che fornisce in continuo la forma d’onda del segnale in ingresso.
5. 5) Tecnica modulare secondo le riv.1-2 che prescinde dal tipo e dalla natura del segnale da investigare e che permette una gestione simultanea e multiparametrica di svariati segnali di diversa natura che abbiano un’alta variabilità temporale del contenuto spettrale.
6. 6) Tecnica secondo le riv.1-4 che consente lo studio esplorativo di segnali analogici di cui siano non note a priori le caratteristiche generali di ampiezza e frequenza.
7. 7) Tecnica di cui alle riv.1-5 che consente il campionamento con alta risoluzione dinamica in continuo di segnali fortemente variabili nel tempo che richiedano una ricalibrazione continua dei guadagni nelle varie bande di frequenza.
8. 8) Metodo secondo le riv. 1-7 che consente l’acquisizione ad alta risoluzione della forma d’onda di un segnale analogico in condizioni di basso consumo in potenza.
9. 9) Metodo secondo le riv. 1-7 che consente l’acquisizione ad alta efficienza della forma d’onda di un segnale analogico in condizioni di minimo ingombro e minimo costo.
10. 10) Metodo di cui alla riv. 1-9 che consente la realizzazione di dispositivi portatili di estrema semplicità di installazione e manutenzione.