WO2023057119A1 - Empfänger für ein detektorsignal und verfahren - Google Patents

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WO2023057119A1
WO2023057119A1 PCT/EP2022/072785 EP2022072785W WO2023057119A1 WO 2023057119 A1 WO2023057119 A1 WO 2023057119A1 EP 2022072785 W EP2022072785 W EP 2022072785W WO 2023057119 A1 WO2023057119 A1 WO 2023057119A1
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signal
analog
frequencies
digital converter
receiver
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PCT/EP2022/072785
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Christian Grewing
Florian Rössing
Stefan Van Waasen
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/06—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • H03M1/0617—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters characterised by the use of methods or means not specific to a particular type of detrimental influence
    • H03M1/0626—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters characterised by the use of methods or means not specific to a particular type of detrimental influence by filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/1205—Multiplexed conversion systems
    • H03M1/121—Interleaved, i.e. using multiple converters or converter parts for one channel

Definitions

  • the invention relates to a receiver for an analogue electrical signal generated by one or more detectors.
  • the analog electrical signal generated by one or more detectors is referred to below as the detector signal. It is a time-dependent signal that occurs within a specified period of time.
  • the invention also relates to a method for processing an analog electrical signal.
  • a receiver for a detector signal can include an analog-to-digital converter (ADC) and a downstream digital signal processing device.
  • ADC analog-to-digital converter
  • a detector can, for example, detect sound or light or other electromagnetic radiation.
  • a detector can detect moisture, for example.
  • a detector can, for example, detect particles, such as elementary particles such as muons, neutrinos or electrons.
  • a wave-shaped electrical signal can be generated, which can then be forwarded from a detector to the receiver.
  • the waveform signal is digitized by the detector's analog-to-digital converter.
  • an electrical signal can be generated that includes one or more pulses, i.e. peaks. The pulses can occur at irregular time intervals. The pulses can be of different heights. Such an electrical signal is referred to below as a pulse-shaped signal.
  • the pulse-shaped signal can then be digitized by the detector's analog-to-digital converter.
  • a digital signal generated by the analog-to-digital converter is routed from the analog-to-digital converter to the signal processing device.
  • the signal processing device then processes the received digital signal.
  • An analog-to-digital converter is an electronic device, component or part of a component.
  • An analog-to-digital converter can convert an analog input voltage into a digital output value. If an input voltage that is digitized by the analog-to-digital converter increases linearly with time, then the digital output value would also increase linearly with time if any arbitrarily small change in the input voltage could be captured digitally. However, the resolution of an analog-to-digital converter is never large enough to be able to achieve this. Analog-to-digital converters therefore convert an input voltage that increases linearly over time into digital output values only in stages. The smaller the steps, the better the linearity of the analog-to-digital converter.
  • the effective number of bits indicates how high the resolution of an analog-to-digital converter is, i.e. how good the linearity of an analog-to-digital converter is.
  • an analog-to-digital converter cannot forward digital signals continuously to the signal processing device, but only in a clocked manner.
  • the associated frequency is called clock frequency or clock frequency.
  • the clock frequency increases, the volume of data that is routed to the digital signal processing device and processed by it also increases.
  • a system which comprises a first filter which provides a first analog-to-digital converter with an output signal obtained by filtering an intermediate frequency signal through a first band in the nth Nyquist zone of the first analog-to-digital converter is obtained.
  • a second filter is provided which provides a second analog to digital converter with an output signal obtained by filtering the intermediate frequency signal through a second band in the kth Nyquist zone of the second analog to digital converter.
  • the kth Nyquist zone band is set within the nth Nyquist zone band.
  • the nth Nyquist zone band is set within the band of the intermediate frequency signal. Signals from a mobile radio device are processed with this system.
  • a detector signal in particular a pulse-shaped detector signal
  • the digital data volume required for this which is forwarded from the analog/digital converter to the signal processing device and processed by the signal processing device, should be kept small.
  • a method for processing an analog electrical signal includes the features of the first claim.
  • the invention also relates to a receiver for carrying out the method with the features of the independent claim.
  • Wavelet analysis means that a time-dependent signal is broken down into at least two frequency-dependent signal components. One part of the signal relates to high frequencies. The other part of the signal relates to low frequencies.
  • Dynamic means that the wavelet analysis is carried out for a signal that occurs within a specified period of time in order to then carry out a new wavelet analysis.
  • a suitably long period of time is 1/lower limit frequency.
  • lower cutoff frequency is meant the lower cutoff frequency of the low and high frequencies. It is therefore also the case that the time period for signal components that relate to low frequencies and thus to a frequency band with low frequencies is preferably longer than the time period for signal components that relate to high frequencies and therefore to a frequency band with high frequencies. This contributes to avoiding an excessively large volume of data further improved.
  • a wavelet transformation is first applied to a received detector signal. This happens dynamically, i.e. again and again at specified time intervals.
  • a detector signal received within a short period of time is mathematically described by a group of functions with a wave-like character following a wavelet transformation.
  • a function from this group differs from another function from this group by the wave frequency.
  • a subdivision into signal components with high frequency and low frequency takes place. High and low is relative. Any high frequency is higher compared to any low frequency.
  • the functions with a wave-like character are thus subdivided into functions with a high frequency on the one hand and functions with a low frequency on the other.
  • a received detector signal can thus be broken down into signal components by means of a wavelet transformation by means of a wavelet analysis.
  • the signal components are divided into low-frequency and high-frequency, i.e. assigned to two different frequency bands.
  • One frequency band includes the high frequencies.
  • the other frequency band includes the low frequencies.
  • the two frequency bands do not overlap.
  • the two frequency bands are basically adjacent to each other.
  • Such a wavelet analysis then does not take place once, but rather again and again at predetermined time intervals, since the detector signal changes constantly, or at least can change constantly, to be precise in an irregular manner.
  • wavelet transform An example of a wavelet transform is a short-time Fourier transform. A Fourier transform is then applied to electrical detector signals received over a short period of time.
  • the receiver for a detector signal comprises a device for converting electrical signals into digital signals and a signal processing device.
  • the device for converting electrical signals into digital signals is referred to below as a conversion device.
  • the conversion device converts an analog electrical signal as a function of frequency.
  • the high frequency portion of a signal is digitized with less linearity or resolution than the low frequency portion of a signal.
  • the conversion device comprises a first analog-to-digital converter for high frequencies and a second analog-to-digital converter for low frequencies, then the effective number of bits of the first analog-to-digital converter can be less than the effective number of bits of the second analog -to be a digital converter.
  • the portion of a signal that relates to high frequencies is forwarded to the signal processing device at a higher clock rate than the portion of a signal that relates to low frequencies.
  • the frequency-dependent subdivision and frequency-dependent processing makes it possible to keep the loss of information low or even practically completely eliminate it without the data volume being excessively large, which is routed from the conversion device to the signal processing device and which is then processed by the signal processing device.
  • a wavelet analysis is applied to the already digitized signal.
  • a signal portion that is associated with high frequencies is forwarded to the signal processing device at a high clock rate.
  • a signal portion associated with low frequencies is associated with a small clock rate forwarded to the signal processing device.
  • “Large” and “small” is again a relative specification. It means that the small clock rate is smaller than the large clock rate.
  • the conversion device can therefore include a first analog-to-digital converter, which forwards the portion of a signal from the high frequency range with a clock rate of at least 1 GHz or 2 GHz in digitized form to the signal processing device.
  • the portion of a signal that relates to the low frequency range is digitized with a clock rate of less than 2 GHz, preferably less than 1 GHz, particularly preferably less than 0.5 GHz, from the conversion device to the signal processing device form forwarded.
  • the conversion device can therefore include a second analog-to-digital converter, which forwards the portion of a signal from the low frequency range with a clock rate of less than 0.5 GHz, 1 GHz or 2 GHz to the signal processing device.
  • the portion of a signal that relates to low frequencies can advantageously be forwarded to the signal processing device at a significantly lower clock rate.
  • the clock rate can be lower by a factor of 2, 3 or 4.
  • the linearity of an analog-to-digital converter for the high-frequency signal component differs by at least a factor of 5, preferably by at least a factor of 10, from the linearity of an analog-to-digital converter for the low-frequency signal component.
  • a pulse-shaped signal can then be processed in a particularly suitable manner with practically no loss of information, without having to handle and process an excessively large volume of data.
  • a pulse-shaped signal means an electrical signal that is formed from pulses, ie includes a plurality of peaks as a function of time. In this case in particular, it is advantageous to distinguish between high-frequency and low-frequency signal components and to process them differently.
  • a low-frequency signal component can then be used, for example, to determine the number of pulses without loss of information. For example, courses of pulses can be described by a high-frequency signal component.
  • the portion of a signal related to low frequencies with at least 8, 10 or 12 ENOB is converted into a digital signal by the conversion means.
  • the conversion means may comprise a second analogue to digital converter which converts the portion of a signal from the low frequency range with at least 8, 10 or 12 ENOB into a digital signal.
  • SINAD the signal-to-noise ratio and ideally the ratio of the maximum linear signal to the digitization error and thus a description of the linearity.
  • ENOB is information about noise and linearity. As a rule, the linearity component predominates.
  • the conversion device for a signal component with the high frequencies includes a flash analog-to-digital converter.
  • the high-frequency signal component is then digitized with the aid of the flash analog-to-digital converter.
  • a flash analog-to-digital converter, or flash ADC is an analog-to-digital converter that uses a linear voltage ladder with a comparator on each "rung" of the ladder to compare the input voltage to successive reference voltages. These reference ladders are often made up of many resistors. Capacitive voltage division is also possible.
  • a flash analog-to-digital converter can be built very simply and can digitize an analog signal very quickly.
  • the analog-to-digital converter for the high-frequency range is a band-pass analog-to-digital converter.
  • a bandpass analog-to-digital converter is an analog-to-digital converter set up in such a way that it can only digitize analog signals that are above a specified frequency.
  • the processing of a detector signal by a bandpass analog/digital converter includes a wavelet analysis within the meaning of the present invention.
  • a bandpass analog/digital converter can also be provided for the low-frequency signal component. If frequencies of low-frequency signal components are less than 450 MHz, for example, then the bandpass analog-to-digital converter is selected in such a way that it cannot digitize any analog signal component that relates to frequencies above 450 MHz.
  • the conversion device for the low-frequency range ie for the low frequencies, includes a SAR analog-to-digital converter.
  • the SAR analog-to-digital converter is then used to digitize low-frequency signal components.
  • a SAR ADC is a simple, medium to high resolution ADC.
  • the resolution for SAR ADCs can range from 8 to 18 bits.
  • a sample rate of up to 5 mega samples per second (Msps) may be possible.
  • a filter that splits an analog signal into signal components with high frequencies and signal components with low frequencies.
  • the signal component with the high frequencies can then be fed to the analog/digital converter, which is provided for the digitization of high-frequency signal components.
  • the signal component with the low frequencies can then be fed to the analog/digital converter, which is provided for the digitization of low-frequency signal components.
  • a wavelet analysis is consequently carried out by the filter.
  • the frequencies of a high-frequency signal component are more than 400 MHz, preferably more than 500 MHz, particularly preferably more than 600 MHz.
  • the frequencies of a low-frequency signal component are then below the aforementioned values. So if the frequencies of high-frequency signal components start at 500 MHz, for example, then the frequencies of low-frequency signal components are below 500 MHz.
  • a frequency band refers to wavelets with high wave frequency.
  • a frequency band refers to mean wavelets wave frequency.
  • a frequency band refers to low wave frequency wavelets.
  • the frequency bands do not overlap.
  • the frequency band with the high frequencies basically borders on the frequency band with the middle frequencies.
  • the frequency band with the medium frequencies basically borders on the frequency band with the low frequencies.
  • the receiver for a detector signal comprises a device for converting electrical signals into digital signals and a signal processing device.
  • the conversion device converts an analog electrical signal as a function of frequency.
  • the portion of a signal related to high frequencies can be converted to a digital signal with less linearity than the portion of a signal related to mid-range frequencies.
  • the mid-frequency portion of a signal may be converted to a digital signal with less linearity than the low-frequency portion of a signal.
  • the portion of a signal that relates to high frequencies can be forwarded to the signal processing device as a digital signal with a higher clock rate than the portion of a signal that relates to medium frequencies.
  • the portion of a signal that relates to medium frequencies can be forwarded to the signal processing device as a digital signal with a higher clock rate than the portion of a signal that relates to low frequencies.
  • the analog-to-digital conversion can be performed depending on the frequency band. However, this is not absolutely necessary, since a digitized signal can also be filtered later.
  • the present invention does not include a first filter providing a first analog-to-digital converter with an output signal obtained by filtering an intermediate frequency signal through a first band in the nth Nyquist zone of the first analog-to-digital converter second filter providing a second analog-to-digital converter with an output signal obtained by filtering the intermediate frequency signal through a second band in the k-th Nyquist zone of the second analog-to-digital converter, the k-th Nyquist zone band is set within the n th Nyquist zone band and the n th Nyquist zone band is set within the band of the intermediate frequency signal.
  • Figure 1 Pulse-shaped detector signal
  • FIG. 2 Result of a short-time Fourier transformation
  • FIG. 4 Signal portion of a high frequency band
  • FIG. 5 signal component of a middle frequency band
  • FIG. 6 signal component of a low frequency band
  • FIG. 7 analog-to-digital converter of a conversion device
  • Figure 8 Structure of a receiver.
  • FIG. 1 shows a pulse-shaped detector signal S, as can occur when particles are detected.
  • the amplitude A of the detector signal S which is dependent on the time t, is shown.
  • the detector signal S comprises a plurality of peaks P.
  • a peak P can have arisen as a result of the occurrence of a particle.
  • the detector signal S is sampled at a selected sampling rate. It is preferably sampled in such a way that at least two measuring points MP are recorded from each rising edge of each peak. If a pulse P requires the time tnse to reach its maximum, then the time interval between two consecutive samplings is smaller than tnse, preferably at least half as small and smaller.
  • the measuring points MP are therefore the result, which can have been measured by one or more detectors.
  • FIG. 2 shows an example of a division into three different frequency bands L, M and H.
  • the frequency band L relates to low frequencies and can suitably be chosen so that the rise of the function obtained by Fourier transformation and a first area of the fall this function is covered.
  • the frequency band M relates to middle frequencies and can suitably be chosen to cover a second region of the roll-off of the function obtained by Fourier transformation.
  • the frequency band H relates to high frequencies and can expediently be selected in such a way that a range of the function obtained by Fourier transformation is covered which no longer changes or only changes slightly with the frequency.
  • the frequency bands can have the same width or they can have different widths.
  • FIGS. 4 to 6 illustrate the signal components which are to be assigned to the H, M, L frequency bands.
  • FIG. 4 refers to the frequency band H with the high frequencies.
  • 8 peaks can be distinguished very precisely. The height of each peak is also clearly visible. If particles were detected, the result means that 8 particles were detected. Over time, this portion of the signal can change dramatically, but only over a very short period of time. Therefore, high clock rates are expedient for forwarding to a signal processing device in order to reliably detect the peaks. Since this signal component can change very strongly over time, a low resolution can suffice for conversion into a digital signal.
  • FIG. 5 shows the signal component that relates to the frequency band M with the middle frequencies. 8 peaks can still be seen. However, the result is more blurred compared to the result shown in FIG. Lower clock rates are therefore sufficient for forwarding to the signal processing device.
  • FIG. 6 shows the signal component which relates to the frequency band L with the low frequencies. Peaks can only be recognized very blurred. Over time, this portion of the signal does not change very much. Low clock rates are therefore sufficient for forwarding to a signal processing device. Since this signal portion changes only relatively little as a function of time, a high resolution for a conversion into a digital signal is useful in order to detect signal changes with sufficient accuracy. If the three signal components are put together, the result is the detector signal S. The three signal components therefore contain the complete information. Each signal component includes information that is not contained in the other two signal components. The three functions shown in FIGS. 4 to 6 are therefore orthogonal to one another.
  • the conversion device can include three analog/digital converters, as indicated in FIG.
  • the uppermost analog-to-digital converter shown in FIG. 7 is provided for the signal component that relates to the high H frequencies.
  • the middle of the analog-to-digital converters shown in FIG. 7 is provided for the signal component that relates to the middle frequencies M.
  • the lower analog-to-digital converter shown in FIG. 7 is intended for the signal component which relates to the low frequencies L.
  • the uppermost analog-to-digital converter shown in FIG. 7 can be a band-pass analog-to-digital converter, for example. Since a bandpass analog-to-digital converter filters out a signal component from a detector signal S that relates to a predetermined frequency range, the bandpass analog-to-digital converter carries out a wavelet analysis according to the invention.
  • a digital bandpass filter can therefore carry out a wavelet analysis according to the invention.
  • a digital bandpass filter is a mathematical filter designed to block or pass a specific frequency range.
  • Digital filters are implemented with logic components such as ASICs, FPGAs or in the form of a sequential program with a signal processor.
  • Only one analog-to-digital converter can be provided for the medium and low frequencies M, L, which first digitizes a signal component that relates to low frequencies L by filtering. Following this, the signal portion that relates to the middle frequencies M can be digitized by the analog-to-digital converter. The order can be reversed.
  • an analog-to-digital converter it is therefore not absolutely necessary for an analog-to-digital converter to be present for each signal component. Even just one analog-to-digital converter can suffice, but this is less practical.
  • post-filtering can be carried out for the high frequencies in the analog/digital converter in order to filter out undesired frequency components in a particularly reliable manner. It is also possible to carry out subsequent filtering in the one or two other analog-to-digital converters in order to filter out unwanted frequency components. This is also a wavelet analysis within the meaning of the present invention.
  • the component of the detector signal S that relates to high frequencies and thus to the frequency band H is converted into a digital signal with less linearity than the component of the detector signal S that relates to middle frequencies from the frequency band M.
  • the portion of the detector signal S that relates to middle frequencies from the frequency band M is converted into a digital signal with less linearity than the portion of the detector signal S that relates to low frequencies L.
  • the portion of the detector signal S that relates to high frequencies H is forwarded to the signal processing device at a higher clock rate than the portion of the detector signal S that relates to medium frequencies M.
  • the portion of the detector signal S that relates to medium frequencies M is forwarded to the signal processing device at a higher clock rate than the portion of the detector signal S that relates to low frequencies L.
  • the clock rate at which the digitized values that relate to the high frequencies H are forwarded to the signal processing device can be at least twice as high as the clock rate at which digitized values that relate to the middle frequencies M to the Signal processing device are forwarded.
  • the clock rate at which digitized values relating to the middle frequencies M are forwarded to the signal processing device can be at least twice as high as the clock rate at which digitized values relating to the low frequencies L are sent to the Signal processing device are forwarded.
  • the clock rate for forwarding the digitized values to the signal processing device, which are to be assigned to the low frequencies L can therefore be a multiple, for example at least four times, lower than the clock rate for forwarding the digitized values to the signal processing device, which are associated with the high Frequencies H are assigned.
  • FIG. 8 shows a first possible configuration of a receiver which receives a time-dependent electrical signal from a detector 1.
  • the receiver comprises a bandpass filter 2, two analog/digital converters 3, 4 and a signal processing device 5.
  • a detector signal is routed from the detector 1 to the bandpass filter 2.
  • the bandpass filter 2 divides the detector signal into two signal components.
  • a signal portion relates to high frequencies and is forwarded to the analog-to-digital converter 3.
  • the other signal component relates to low frequencies and is forwarded to the analog/digital converter 4.
  • the analog-to-digital converter 3 digitizes the signal portion obtained with a low resolution and forwards digitized values to the signal processing device 5 at a high clock frequency.
  • the analog-to-digital converter 4 digitizes the signal portion that is received with high resolution and forwards digitized values to the signal processing device 5 at a low clock frequency.
  • the signal processing device 5 processes the digitized values obtained and can output a detector signal processed in this way, for example via a screen.
  • FIG. 9 shows a second possible construction of a receiver which receives a time-dependent electrical signal from a detector 1.
  • the receiver includes an analog-to-digital converter, a digital bandpass filter 2 and a signal processing device 5.
  • a detector signal is forwarded from the detector 1 to the analog-to-digital converter.
  • the analog-to-digital converter digitizes the received detector signal and forwards the digitized result to the digital bandpass filter 2.
  • the bandpass filter 2 divides the digitized result into two digitized signal components.
  • a digitized signal portion relates to high frequencies.
  • the other digitized signal portion relates to low frequencies.
  • the digitized signal part which relates to high frequencies, is sent to the high clock frequency
  • Signal processing device 5 forwarded.
  • the digitized signal component which relates to low frequencies, is sent to the
  • the signal processing device 5 processes the digitized values obtained and can output a detector signal processed in this way, for example via a screen.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Empfänger mit einer Einrichtung für eine dynamische Wavelet-Analyse für ein empfangenes Detektorsignal, durch die ein empfangenes zeitabhängiges Detektorsignal in zumindest zwei frequenzabhängige Signalanteile zerlegt werden kann, wobei der eine Signalanteil hohen Frequenzen zugeordnet ist und der andere Signalanteil niedrigen Frequenzen, mit einer Umwandlungseinrichtung für die Digitalisierung des Detektorsignals oder die Digitalisierung von Signalanteilen, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (5), die digitalisierte Signalanteile verarbeitet, wobei der Empfänger so eingerichtet ist, dass der Signalanteil, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer hohen Taktfrequenz an die Signalverarbeitungseinrichtung (5) weitergeleitet wird, und der Signalanteil, der niedrigen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer kleinen Taktfrequenz an die Signalverarbeitungseinrichtung (5) weitergeleitet wird, und/oder wobei der Empfänger so eingerichtet ist, dass der Signalanteil, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer geringen Auflösung digitalisiert wird, und der Signalanteil, der niedrigen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer großen Auflösung digitalisiert wird. Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Verarbeiten eines Detektorsignals durch den Empfänger wobei von einem Detektor (1) ein Puls förmiges Detektorsignal zum Empfänger weitergeleitet wird. Durch die Erfindung wird erreicht, dass ein Detektorsignal mit geringem Informationsverlust durch eine Signalverarbeitungseinrichtung des Empfängers verarbeitet werden kann. Es wird das dafür erforderliche digitale Datenvolumen geringgehalten, das von dem Analog-Digital-Wandler an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet und von der Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet wird.

Description

Empfänger für ein Detektorsignal und Verfahren
Die Erfindung betrifft einen Empfänger für ein analoges elektrisches Signal, das von ein oder mehreren Detektoren erzeugt wird. Das analoge elektrische Signal, das von ein oder mehreren Detektoren erzeugt wird, wird nachfolgend Detektorsignal genannt. Es handelt sich um ein zeitabhängiges Signal, welches innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums auftritt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren für ein Verarbeiten eines analogen elektrisches Signals.
Ein Empfänger für ein Detektorsignal kann einen Analog-Digital-Wandler (ADC) und eine nachgeschaltete digitale Signalverarbeitungseinrichtung umfassen.
Ein Detektor kann beispielsweise Schall oder Licht oder andere elektromagnetische Strahlungen detektieren. Ein Detektor kann beispielsweise Feuchtigkeit detektieren. Ein Detektor kann beispielsweise Teilchen detektieren, so zum Beispiel Elementarteilchen wie Myonen, Neutrinos oder Elektronen.
Detektiert ein Detektor beispielsweise Schall, so kann ein Wellen förmiges elektrisches Signal entstehen, das dann von einem Detektor zum Empfänger weitergeleitet werden kann. Das Wellen förmige Signal wird vom Analog-Digital-Wandler des Detektors digitalisiert. Detektiert ein Detektor beispielsweise das Auftreten von Teilchen im Rahmen von physikalischen Untersuchungen, so kann ein elektrisches Signal erzeugt werden, das ein oder mehrere Pulse, also Peaks, umfasst. Die Pulse können in unregelmäßigen zeitlichen Abständen auftreten. Die Pulse können unterschiedlich hoch sein. Ein solches elektrisches Signal wird nachfolgend Puls förmiges Signal genannt. Das Puls förmige Signal kann dann vom Analog-Digital-Wandler des Detektors digitalisiert werden.
Ein durch den Analog-Digital-Wandler erzeugtes digitales Signal wird von dem Analog- Digital-Wandler zur Signalverarbeitungseinrichtung geleitet. Die Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet dann das erhaltene digitale Signal.
Ein Analog-Digital-Wandler ist ein elektronisches Gerät, Bauelement oder Teil eines Bauelements. Ein Analog-Digital-Wandler kann eine analoge Eingangsspannung in einen digitalen Ausgangswert umsetzen. Steigt eine Eingangsspannung mit der Zeit linear an, die vom Analog-Digital-Wandler digitalisiert wird, dann würde auch der digitale Ausgangswert mit der Zeit linear ansteigen, falls jede beliebig kleine Änderung der Eingangsspannung digital erfasst werden könnte. Die Auflösung eines Analog-Digital-Wandler ist jedoch nie groß genug, um dies erreichen zu können. Analog-Digital-Wandler wandeln daher eine mit der Zeit linear ansteigende Eingangsspannung nur stufenförmig in digitale Ausgangswerte um. Je kleiner die Stufen sind, umso besser ist die Linearität des Analog-Digital-Wandlers. Allerdings ist das Datenvolumen, das dann an eine Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden muss, umso größer, je besser die Linearität des Analog-Digital- Wandlers ist. Die effektive Anzahl von Bits (engl. effective number of bits; ENOB) gibt an, wie hoch die Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers ist, also wie gut die Linearität eines Analog-Digital-Wandlers ist.
Zum Beispiel ein Analog-Digital-Wandler kann in der Praxis digitale Signale nicht kontinuierlich an die Signalverarbeitungseinrichtung weiterleiten, sondern nur getaktet. Die zugehörige Frequenz wird Taktfrequenz oder auch Clock-Frequenz genannt. Je größer die Taktfrequenz eines Analog-Digital-Wandlers ist, umso genauer kann der Empfänger eine analoge Eingangsspannung bzw. ein Detektorsignal zeitlich auflösen. Mit zunehmender Taktfrequenz nimmt allerdings auch das Datenvolumen zu, das an die digitale Signalverarbeitungseinrichtung geleitet und von dieser verarbeitet wird.
Aus der Druckschrift US 2009/0027250 A1 ist ein System bekannt, welches ein erstes Filter umfasst, das einen ersten Analog-Digital-Umsetzer mit einem Ausgangssignal versorgt, das durch Filtern eines Zwischenfrequenzsignals durch ein erstes Band in der n-ten Nyquist-Zone des ersten Analog-Digital-Umsetzers erhalten wird. Ein zweites Filter ist vorhanden, das einen zweiten Analog-Digital-Umsetzer mit einem Ausgangssignal versorgt, das durch Filtern des Zwischenfrequenzsignals durch ein zweites Band in der k-ten Nyquist-Zone des zweiten Analog-Digital-Umsetzers erhalten wird. Das k-te Nyquist-Zonenband ist innerhalb des n-ten Nyquist-Zonenbandes eingestellt. Das n-te Nyquist-Zonenband ist innerhalb des Bandes des Zwischenfrequenzsignals eingestellt. Mit diesem System werden Signale eines Mobilfunkgeräts verarbeitet.
Mit der vorliegenden Erfindung soll erreicht werden, dass ein Detektorsignal und zwar insbesondere ein Puls förmiges Detektorsignal mit geringem Informationsverlust durch eine Signalverarbeitungseinrichtung eines Empfängers verarbeitet werden kann. Es soll das dafür erforderliche digitale Datenvolumen geringgehalten werden, das von dem Analog-Digital-Wandler an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet und von der Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet wird. Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein Verfahren für ein Verarbeiten eines analogen elektrisches Signals die Merkmale des ersten Anspruchs. Die Erfindung betrifft außerdem einen Empfänger für die Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Nebenanspruchs.
Mit Wavelet-Analyse ist gemeint, dass ein zeitabhängiges Signal in zumindest zwei frequenzabhängige Signalanteile zerlegt wird. Der eine Signalanteil bezieht sich auf hohe Frequenzen. Der andere Signalanteil bezieht sich auf niedrige Frequenzen.
Mit dynamisch ist gemeint, dass die Wavelet-Analyse für ein Signal durchgeführt wird, welches innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums auftritt, um im Anschluss daran erneut eine Wavelet-Analyse durchzuführen. Ein dafür geeignet langer Zeitraum beträgt 1/untere Grenzfrequenz. Mit unterer Grenzfrequenz ist die untere Grenzfrequenz der niedrigen und der hohen Frequenzen gemeint. Es gilt daher auch, dass der Zeitraum für Signalanteile, die sich auf tiefe Frequenzen und damit auf ein Frequenzband mit tiefen Frequenzen beziehen, vorzugsweise länger ist als der Zeitraum für Signalanteile, die sich auf hohe Frequenzen und damit auf ein Frequenzband mit hohen Frequenzen beziehen. Dies trägt dazu bei, weiter verbessert ein übermäßig großes Datenvolumen zu vermeiden.
Beispielsweise wird auf ein empfangenes Detektorsignal zunächst eine Wavelet- Transformation angewendet wird. Dies geschieht dynamisch, also in vorgegebenen zeitlichen Abständen immer wieder neu. Ein innerhalb von einem kurzen Zeitraum empfangenes Detektorsignal wird im Anschluss an eine Wavelet-Transformation durch eine Gruppe von Funktionen mit wellenartigem Charakter mathematisch beschrieben. Eine Funktion aus dieser Gruppe unterscheidet sich von einer anderen Funktion aus dieser Gruppe durch die Wellenfrequenz. Es findet im Anschluss daran eine Unterteilung in Signalanteile mit hoher Frequenz und niedriger Frequenz statt. Hoch und niedrig ist eine relative Angabe. Eine jede hohe Frequenz ist höher im Vergleich zu einer jeden niedrigen Frequenz. Die Funktionen mit wellenartigem Charakter werden also unterteilt in Funktionen mit hoher Frequenz einerseits und mit niedriger Frequenz andererseits.
Durch eine Wavelet-Analyse kann also ein empfangenes Detektorsignal durch eine Wavelet-Transformation in Signalanteile zerlegt werden. Die Signalanteile werden in niederfrequent und hochfrequent unterteilt, also zwei verschiedenen Frequenzbändern zugeordnet. Das eine Frequenzband umfasst die hohen Frequenzen. Das andere Frequenzband umfasst die niedrigen Frequenzen. Die beiden Frequenzbänder überschneiden sich nicht. Die beiden Frequenzbänder grenzen grundsätzlich aneinander an.
Es findet eine solche Wavelet-Analyse dann nicht einmalig statt, sondern in vorgegebenen zeitlichen Abständen immer wieder neu, da sich das Detektorsignal ständig ändert oder zumindest ständig ändern kann und zwar in unregelmäßiger Form.
Ein Beispiel für eine Wavelet-Transformation ist eine Kurzzeit-Fourier-Transformation. Es wird dann auf elektrische Detektorsignale, die innerhalb eines kurzen Zeitraums empfangen werden, eine Fourier-Transformation angewendet.
Der Empfänger für ein Detektorsignal umfasst eine Einrichtung für eine Umwandlung von elektrischen Signalen in digitale Signale und eine Signalverarbeitungseinrichtung. Die Einrichtung für eine Umwandlung von elektrischen Signalen in digitale Signale wird nachfolgend Umwandlungseinrichtung genannt. Die Umwandlungseinrichtung wandelt ein analoges elektrisches Signal frequenzabhängig um. Der Anteil eines Signals, der sich auf hohe Frequenzen bezieht, wird mit geringerer Linearität bzw. geringerer Auflösung digitalisiert als der Anteil eines Signals, der sich auf niedrige Frequenzen bezieht.
Umfasst die Umwandlungseinrichtung einen ersten Analog-Digital-Wandler für hohe Frequenzen und einen zweiten Analog-Digital-Wandler für niedrige Frequenzen, dann kann daher die effektive Anzahl von Bits des ersten Analog-Digital-Wandlers geringer als die effektive Anzahl von Bits des zweiten Analog-Digital-Wandlers sein.
Alternativ oder ergänzend wird der Anteil eines Signals, der sich auf hohe Frequenzen bezieht, mit einer höheren Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet als der Anteil eines Signals, der sich auf niedrige Frequenzen bezieht.
Durch die frequenzabhängige Unterteilung und frequenzabhängige Verarbeitung gelingt es, den Informationsverlust gering zu halten oder sogar praktisch vollständig auszuschließen, ohne dass das Datenvolumen übermäßig groß ist, das von der Umwandlungseinrichtung an die Signalverarbeitungseinrichtung geleitet und welches dann von der Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet wird.
Es ist auch möglich, dass eine Wavelet-Analyse auf das bereits digitalisierte Signal angewendet wird. In diesem Fall wird ein Signalanteil, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer großen Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet. Ein Signalanteil, der niedrigen Frequenzen zugeordnet ist, wird mit einer kleinen Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet. „Groß“ und „klein“ ist wiederum eine relative Angabe. Es ist damit gemeint, dass die kleine Taktrate kleiner ist als die große Taktrate.
In einer Ausgestaltung wird der Anteil eines Signals, der sich auf hohe Frequenzen und somit auf ein hohes Frequenzband bzw. einen hohen Frequenzbereich bezieht, mit einer Taktrate von wenigstens 1 GHz, vorzugsweise von wenigstens 2 GHz, von der Umwandlungseinrichtung in digitalisierter Form an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet. Die Umwandlungseinrichtung kann daher einen ersten Analog-Digital- Wandler umfassen, der den Anteil eines Signals aus dem hohen Frequenzbereich mit einer Taktrate von wenigstens 1 GHz oder 2 GHz in digitalisierter Form an die Signalverarbeitungseinrichtung weiterleitet.
In einer Ausgestaltung wird der Anteil eines Signals, der sich auf den niedrigen Frequenzbereich bezieht, mit einer Taktrate von weniger als 2 GHz, vorzugsweise von weniger als 1 GHz, besonders bevorzugt von weniger als 0,5 GHz von der Umwandlungseinrichtung an die Signalverarbeitungseinrichtung in digitalisierter Form weitergeleitet. Die Umwandlungseinrichtung kann daher einen zweiten Analog-Digital- Wandler umfassen, der den Anteil eines Signals aus dem niedrigen Frequenzbereich mit einer Taktrate von weniger als 0,5 GHz, 1 GHz oder 2 GHz an die Signalverarbeitungseinrichtung weiterleitet.
Der Anteil eines Signals, der sich auf niedrige Frequenzen bezieht, kann vorteilhaft mit einer wesentlich geringeren Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weiterleitet werden. Die Taktrate kann um einen Faktor 2, 3 oder 4 geringer sein.
In einer Ausgestaltung unterscheidet sich die Linearität eines Analog-Digital-Wandlers für den hochfrequenten Signalanteil um wenigstens einen Faktor 5, vorzugsweise um wenigstens einen Faktor 10, von der Linearität eines Analog-Digital-Wandlers für den niederfrequenten Signalanteil. Es kann dann besonders geeignet ein Puls förmiges Signal praktisch ohne Informationsverlust verarbeitet werden, ohne dafür ein übermäßig großes Datenvolumen handhaben und verarbeiten zu müssen. Mit Puls förmigem Signal ist ein elektrisches Signal gemeint, welches aus Pulsen gebildet ist, also zeitabhängig eine Mehrzahl von Peaks umfasst. Vor allem in diesem Fall ist es von Vorteil, zwischen hochfrequenten und niederfrequenten Signalanteilen zu unterscheiden und diese unterschiedlich zu verarbeiten. Durch einen niederfrequenten Signalanteil kann dann beispielsweise die Anzahl der Pulse ohne Verlust an Information bestimmt werden. Durch eine hochfrequenten Signalanteil können beispielsweise Verläufe von Pulsen beschrieben werden.
In einer Ausgestaltung wird der Anteil eines Signals, der sich auf niedrige Frequenzen bezieht, mit wenigstens 8, 10 oder 12 ENOB in ein digitales Signal durch die Umwandlungseinrichtung umgewandelt. Die Umwandlungseinrichtung kann einen zweiten Analog-Digital-Wandler umfassen, der den Anteil eines Signals aus dem niedrigen Frequenzbereich mit wenigstens 8, 10 oder 12 ENOB in ein digitales Signal umwandelt.
Es gilt in diesem Zusammenhang für Analog-Digital-Wandler:
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wobei SINAD der Signal Rauschabstand ist und im Idealfall das Verhältnis vom maximalen linearen Signal zum Digitalisierungsfehler und damit eine Beschreibung der Linearität. ENOB ist also eine Auskunft über Rauschen und Linearität. In der Regel überwiegt der Linearitätsanteil.
In einer Ausgestaltung umfasst die Umwandlungseinrichtung für einen Signalanteil mit den hohen Frequenzen einen Flash-Analog-Digital-Wandler. Mithilfe des Flash-Analog- Digital-Wandlers wird dann der hochfrequente Signalanteil digitalisiert. Ein Flash- Analog-Digital-Wandler bzw. ein Flash-ADC ist ein Analog-Digital-Wandler, der eine lineare Spannungsleiter mit einem Komparator an jeder "Sprosse" der Leiter verwendet, um die Eingangsspannung mit aufeinanderfolgenden Referenzspannungen zu vergleichen. Häufig sind diese Referenzleiter aus vielen Widerständen aufgebaut. Auch eine kapazitive Spannungsteilung ist möglich. Ein Flash-Analog-Digital-Wandler kann sehr einfach gebaut sein und kann sehr schnell ein analoges Signal digitalisieren.
In einer Ausgestaltung ist der Analog-Digital-Wandler für den hochfrequenten Bereich ein Bandpass-Analog-Digital-Wandler. Ein Bandpass-Analog-Digital-Wandler ist ein so eingerichteter Analog-Digital-Wandler, dass dieser nur analoge Signale zu digitalisieren vermag, die oberhalb einer vorgegebenen Frequenz liegen. Außerdem gibt es grundsätzlich eine Obergrenze, so dass ein Bandpass-Analog-Digital-Wandler solche analogen Signale digitalisieren kann, die innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes liegen. Liegen die Frequenzen der hochfrequenten Signalanteile beispielsweise bei mehr als 450 MHz, dann wird der Bandpass-Analog-Digital-Wandler so ausgewählt, dass dieser keine analogen Signale digitalisieren kann, die unterhalb von 450 MHz liegen. Die Verarbeitung eines Detektorsignals durch einen Bandpass-Analog- Digital-Wandler umfasst eine Wavelet-Analyse im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Auch für den niederfrequenten Signalanteil kann ein Bandpass-Analog-Digital-Wandler vorgesehen sein. Liegen Frequenzen von niederfrequenten Signalanteile beispielsweise bei weniger als 450 MHz, dann wird der Bandpass-Analog-Digital-Wandler so ausgewählt, dass dieser keinen analogen Signalanteil digitalisieren kann, der sich auf Frequenzen oberhalb von 450 MHz bezieht.
In einer Ausgestaltung umfasst die Umwandlungseinrichtung für den niederfrequenten Bereich, also für die niedrigen Frequenzen, einen SAR-Analog-Digital-Wandler. Mithilfe des SAR-Analog-Digital-Wandlers werden dann niederfrequente Signalanteile digitalisiert. Ein SAR-ADC ist ein einfach gebauter ADC mit mittlerer bis hoher Auflösung. Die Auflösung für SAR-ADCs kann von 8 bis 18 Bit reichen. Eine Abtastgeschwindigkeit von bis zu 5 Mega-Samples pro Sekunde (Msps) kann möglich sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung gibt es ein Filter, das ein analoges Signal in Signalanteile mit hohen Frequenzen und Signalanteile mit niedrigen Frequenzen splittet. Der Signalanteil mit den hohen Frequenzen kann dann dem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden, der für die Digitalisierung von hochfrequenten Signalanteilen vorgesehen ist. Der Signalanteil mit den niedrigen Frequenzen kann dann dem Analog- Digital-Wandler zugeführt werden, der für die Digitalisierung von niederfrequenten Signalanteilen vorgesehen ist. Durch das Filter wird folglich eine Wavelet-Analyse durchgeführt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung liegen die Frequenzen eines hochfrequenten Signalanteils bei mehr als 400 MHz, vorzugsweise bei mehr als 500 MHz, besonders bevorzugt bei mehr als 600 MHz. Die Frequenzen eines niederfrequenten Signalanteils liegen dann unterhalb der vorgenannten Werte. Beginnen also die Frequenzen von hochfrequenten Signalanteilen beispielsweise bei 500 MHz, dann liegen die Frequenzen von niederfrequenten Signalanteilen unterhalb von 500 MHz.
Anstelle von zwei Frequenzbändern können auch mehr als zwei Frequenzbänder für eine Unterteilung vorgesehen sein, um so die Aufgabe der Erfindung zu lösen. So können die durch Wavelet-Transformation erhaltenen Wavelets drei verschiedenen Frequenzbänder zugeordnet werden. Ein Frequenzband bezieht sich auf Wavelets mit hoher Wellenfrequenz. Ein Frequenzband bezieht sich auf Wavelets mit mittlerer Wellenfrequenz. Ein Frequenzband bezieht sich auf Wavelets mit niedriger Wellenfrequenz. Die Frequenzbänder überschneiden sich nicht. Das Frequenzband mit den hohen Frequenzen grenzt grundsätzlich an das Frequenzband mit den mittleren Frequenzen an. Das Frequenzband mit den mittleren Frequenzen grenzt grundsätzlich an das Frequenzband mit den niedrigen Frequenzen an.
Der Empfänger für ein Detektorsignal umfasst eine Einrichtung für eine Umwandlung von elektrischen Signalen in digitale Signale und eine Signalverarbeitungseinrichtung. Die Umwandlungseinrichtung wandelt ein analoges elektrisches Signal frequenzabhängig um. Der Anteil eines Signals, der sich auf hohe Frequenzen bezieht, kann mit geringerer Linearität in ein digitales Signal umgewandelt werden als der Anteil eines Signals, der sich auf mittlere Frequenzen bezieht. Der Anteil eines Signals, der sich auf mittlere Frequenzen bezieht, kann mit geringerer Linearität in ein digitales Signal umgewandelt werden als der Anteil eines Signals, der sich auf niedrige Frequenzen bezieht.
Der Anteil eines Signals, der sich auf hohe Frequenzen bezieht, kann als digitales Signal mit einer höheren Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden als der Anteil eines Signals, der sich auf mittlere Frequenzen bezieht. Der Anteil eines Signals, der sich auf mittlere Frequenzen bezieht, kann als digitales Signal mit einer höheren Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden als der Anteil eines Signals, der sich auf niedrige Frequenzen bezieht.
Die Analog-Digital-Wandlung kann in Abhängigkeit vom Frequenzband durchgeführt werden. Dies ist aber nicht zwingen erforderlich, da ein digitalisiertes Signal auch nachträglich gefiltert werden kann.
Die vorliegende umfasst kein erstes Filter, das einen ersten Analog-Digital-Umsetzer mit einem Ausgangssignal versorgt, das durch Filtern eines Zwischenfrequenzsignals durch ein erstes Band in der n-ten Nyquist-Zone des ersten Analog-Digital-Umsetzers erhalten wird, und auch kein zweites Filter, das einen zweiten Analog-Digital-Umsetzer mit einem Ausgangssignal versorgt, das durch Filtern des Zwischenfrequenzsignals durch ein zweites Band in der k-ten Nyquist-Zone des zweiten Analog-Digital-Umsetzers erhalten wird, wobei das k-te Nyquist-Zonenband innerhalb der n-ten Nyquist-Zonenbandes eingestellt ist und das n-te Nyquist-Zonenband innerhalb des Bandes des Zwischenfrequenzsignals eingestellt ist. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 : Puls förmiges Detektorsignal;
Figur 2: Ergebnis einer Kurzzeit-Fourier-T ransformation;
Figur 3: Unterteilung der Kurzzeit-Fourier-Transformation in drei verschiedene
Frequenzbänder;
Figur 4: Signalanteil eines hohen Frequenzbandes;
Figur 5: Signalanteil eines mittleren Frequenzbandes;
Figur 6: Signalanteil eines niedrigen Frequenzbandes;
Figur 7: Analog-Digital-Wandler einer Umwandlungseinrichtung;
Figur 8: Aufbau eines Empfängers.
In der Figur 1 wird ein Puls förmiges Detektorsignal S gezeigt, wie dieses bei der Detektion von Teilchen auftreten kann. Dargestellt ist die von der Zeit t abhängige Amplitude A des Detektorsignals S. Das Detektorsignal S umfasst eine Mehrzahl von Peaks P. Ein Peak P kann durch das Auftreten eines Teilchens entstanden sein.
Das Detektorsignal S wird mit einer gewählten Abtastrate abgetastet. Es wird vorzugsweise so abgetastet, dass von jeder ansteigenden Flanke eines jeden Peaks wenigstens zwei Messpunkte MP erfasst werden. Benötigt ein Puls P die Zeit tnse, um sein Maximum zu erreichen, dann ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen kleiner als tnse und zwar vorzugsweise wenigstens halb so klein und kleiner. Die Messpunkte MP sind also das Ergebnis, was durch ein oder mehrere Detektoren gemessen worden sein kann.
Auf das in der Figur 1 gezeigte, durch die Messpunkte MP repräsentierte Detektorsignal S wird für den gezeigten Zeitraum eine Kurzzeit-Fourier-Transformation angewendet. Das Ergebnis der Kurzzeit-Fourier-Transformation wird in der Figur 2 gezeigt. In der Figur 2 werden die Frequenzanteile bei den jeweiligen Frequenzwerten dargestellt. Die Figur 2 verdeutlicht, dass bei niedrigeren Frequenzen zunächst ein Anstieg und danach ein Abfall auftritt. Bei hohen Frequenzen treten praktisch keine Änderungen mehr auf. Die Figur 3 zeigt ein Beispiel für eine Unterteilung in drei verschiedenen Frequenzbänder L, M und H. Das Frequenzband L bezieht sich auf niedrige Frequenzen und kann zweckmäßig so gewählt sein, dass der Anstieg der durch Fourier-Transformation erhaltenen Funktion und ein erster Bereich des Abfalls dieser Funktion abgedeckt wird. Das Frequenzband M bezieht sich auf mittlere Frequenzen und kann zweckmäßig so gewählt sein, dass ein zweiter Bereich des Abfalls der durch Fourier-Transformation erhaltenen Funktion abgedeckt wird. Das Frequenzband H bezieht sich auf hohe Frequenzen und kann zweckmäßig so gewählt sein, dass ein Bereich der durch Fourier- Transformation erhaltenen Funktion abgedeckt wird, der sich mit der Frequenz nicht mehr oder nur noch geringfügig verändert. Die Frequenzbänder können gleich breit sein oder aber unterschiedlich breit sein.
Die Figuren 4 bis 6 veranschaulichen die Signalanteile, die den Frequenzbändern H, M, L zuzuordnen sind.
Die Figur 4 bezieht sich auf das Frequenzband H mit den hohen Frequenzen. In diesem Signalanteil sind 8 Peaks sehr genau zu unterscheiden. Auch ist die Höhe eines jeden Peak gut zu erkennen. Wurden Teilchen detektiert, so bedeutet das Ergebnis, dass 8 Teilchen detektiert worden sind. Mit der Zeit kann sich dieser Signalanteil sehr stark verändern, aber nur innerhalb eines sehr kurzen Zeitabschnitts. Daher sind große Taktraten für die Weiterleitung an eine Signalverarbeitungseinrichtung zweckmäßig, um die Peaks zuverlässig zu erfassen. Da sich dieser Signalanteil sehr stark in Abhängigkeit mit der Zeit ändern kann, kann eine geringe Auflösung für eine Umwandlung in ein digitales Signal genügen.
Die Figur 5 zeigt den Signalanteil, der sich auf das Frequenzband M mit den mittleren Frequenzen bezieht. Es sind nach wie vor 8 Peaks zu erkennen. Allerdings ist das Ergebnis verschmierter im Vergleich zu dem in der Figur 4 gezeigtem Ergebnis. Es genügen daher geringere Taktraten für die Weiterleitung zur Signalverarbeitungseinrichtung genügen.
Die Figur 6 zeigt den Signalanteil, der sich auf das Frequenzband L mit den niedrigen Frequenzen bezieht. Peaks sind nur noch sehr verwaschen zu erkennen. Mit der Zeit verändert sich dieser Signalanteil nicht sehr stark. Daher genügen geringe Taktraten für die Weiterleitung an eine Signalverarbeitungseinrichtung. Da sich dieser Signalanteil nur relativ wenig in Abhängigkeit mit der Zeit ändert, ist eine hohe Auflösung für eine Umwandlung in ein digitales Signal zweckmäßig, um Signalveränderungen hinreichend genau zu erfassen. Werden die drei Signalanteile zusammengesetzt, so resultiert das Detektorsignal S. Die drei Signalanteile umfassen also die vollständige Information. Ein jeder Signalanteil umfasst Informationen, die in den anderen beiden Signalanteilen nicht enthalten sind. Die drei in den Figuren 4 bis 6 gezeigten Funktionen sind also orthogonal zueinander.
Die Umwandlungseinrichtung kann drei Analog-Digital-Wandler umfassen, wie dies in der Figur 7 angedeutet wird. Der oberste der in der Figur 7 gezeigten Analog-Digital- Wandler ist für den Signalanteil vorgesehen, der sich auf die hohen Frequenzen H bezieht. Der mittlere der in der Figur 7 gezeigten Analog-Digital-Wandler ist für den Signalanteil vorgesehen, der sich auf die mittleren Frequenzen M bezieht. Der untere der in der Figur 7 gezeigten Analog-Digital-Wandler ist für den Signalanteil vorgesehen, der sich auf die niedrigen Frequenzen L bezieht. Der oberste der in der Figur 7 gezeigten Analog-Digital-Wandler kann beispielsweise ein Bandpass-Analog-Digital-Wandler sein. Da ein Bandpass-Analog-Digital-Wandler einen Signalanteil aus einem Detektorsignal S herausfiltert, der sich auf einen vorgegebenen Frequenzbereich bezieht, führt der Bandpass-Analog-Digital-Wandler eine erfindungsgemäße Wavelet-Analyse durch.
Es können beispielsweise digitale Bandpass-Filter, also allgemein Filtereinrichtungen, vorhanden sein, durch die erreicht wird, dass jeder Analog-Digital-Wandler nur Signalanteile digitalisiert, die für den jeweiligen Analog-Digital-Wandler vorgesehen sind. Ein digitaler Bandpass-Filter kann also eine erfindungsgemäße Wavelet-Analyse durchführen.
Ein digitales Bandpass-Filter ist ein mathematisches Filter für ein Sperren oder Durchlässen eines bestimmten Frequenzbereiches. Digitale Filter werden mit Logikbausteinen wie ASICs, FPGAs oder in Form eines sequenziellen Programmes mit einem Signalprozessor realisiert.
Es kann für die mittleren und niedrigen Frequenzen M, L nur ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen sein, der durch Filterung zunächst einen Signalanteil digitalisiert, der sich auf niedrige Frequenzen L bezieht. Im Anschluss daran kann der Signalanteil, der sich auf die mittleren Frequenzen M bezieht, durch den Analog-Digital-Wandler digitalisiert werden. Die Reihenfolge kann vertauscht werden.
Es ist also nicht zwingend erforderlich, dass für jeden Signalanteil ein Analog-Digital- Wandler vorhanden ist. Es kann sogar nur ein Analog-Digital-Wandler genügen, was aber weniger zweckmäßig ist. Es kann beispielsweise bei dem Analog-Digital-Wandler für die hohen Frequenzen eine Nachfilterung durchgeführt werden, um besonders zuverlässig unerwünschte Frequenzanteile herauszufiltern. Es können auch nachträglich Filterungen bei den ein oder zwei anderen Analog-Digital-Wandlern durchgeführt werden, um unerwünschte Frequenzanteile herauszufiltern. Auch dies ist eine Wavelet-Analyse im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Der Anteil des Detektorsignals S, der sich auf hohe Frequenzen und damit auf das Frequenzband H bezieht, wird mit geringerer Linearität in ein digitales Signal umgewandelt als der Anteil des Detektorsignals S, der sich auf mittlere Frequenzen aus dem Frequenzband M bezieht. Der Anteil des Detektorsignals S, der sich auf mittlere Frequenzen aus dem Frequenzband M bezieht, wird mit geringerer Linearität in ein digitales Signal umgewandelt als der Anteil des Detektorsignals S, der sich auf niedrige Frequenzen L bezieht.
Der Anteil des Detektorsignals S, der sich auf hohe Frequenzen H bezieht, wird mit einer höheren Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet als der Anteil des Detektorsignals S, der sich auf mittlere Frequenzen M bezieht. Der Anteil des Detektorsignals S, der sich auf mittlere Frequenzen M bezieht, wird mit einer höheren Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet als der Anteil des Detektorsignals S, der sich auf niedrige Frequenzen L bezieht. Beispielsweise kann die Taktrate, mit der digitalisierte Werte, die sich auf die hohen Frequenzen H beziehen, an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden, wenigstens doppelt so hoch sein wie die Taktrate, mit der digitalisierte Werte, die sich auf die mittleren Frequenzen M beziehen, an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden. Beispielsweise kann die Taktrate, mit der digitalisierte Werte, die sich auf die mittleren Frequenzen M beziehen, an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden, wenigstens doppelt so hoch sein wie die Taktrate, mit der digitalisierte Werte, die sich auf die niedrigen Frequenzen L beziehen, an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden. Die Taktrate für die Weiterleitung der digitalisierten Werte an die Signalverarbeitungseinrichtung, die den niedrigen Frequenzen L zuzuordnen sind, kann also um ein Mehrfaches, beispielsweise um wenigstens ein Vierfaches, geringer sein als die Taktrate für die Weiterleitung der digitalisierten Werte an die Signalverarbeitungseinrichtung, die den hohen Frequenzen H zuzuordnen sind.
Es kann genügen, dass nur die Anteile des Detektorsignals S verarbeitet werden, die sich auf das niedrige Frequenzband L und das mittlere Frequenzband M beziehen, um gesuchte Ergebnisse zu ermitteln. Es kann also in Abhängigkeit vom gesuchten Ergebnis zweckmäßig sein, einen Anteil des Detektorsignals S überhaupt nicht zu berücksichtigen, der sich auf das hohe Frequenzband H bezieht.
In der Figur 8 wird ein erster möglicher Aufbau eines Empfängers gezeigt, der ein zeitabhängiges elektrisches Signal von einem Detektor 1 erhält. Der Empfänger umfasst ein Bandpassfilter 2, zwei Analog-Digital-Wandler 3, 4 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 5. Ein Detektorsignal wird vom Detektor 1 zum Bandpassfilter 2 geleitet. Das Bandpassfilter 2 teilt das Detektorsignal in zwei Signalanteile auf. Ein Signalanteil bezieht sich auf hohe Frequenzen und wird zum Analog-Digital-Wandler 3 weitergeleitet. Der andere Signalanteil bezieht sich auf niedrige Frequenzen und wird zum Analog-Digital-Wandler 4 weitergeleitet. Der Analog- Digital-Wandler 3 digitalisiert den erhaltenen Signalanteil mit einer geringen Auflösung und leitet digitalisierte Werte mit hoher Taktfrequenz an die Signalverarbeitungseinrichtung 5 weiter. Der Analog-Digital-Wandler 4 digitalisiert den erhaltenen Signalanteil mit großer Auflösung und leitet digitalisierte Werte mit geringer Taktfrequenz an die Signalverarbeitungseinrichtung 5 weiter. Die Signalverarbeitungseinrichtung 5 verarbeitet die erhaltenen digitalisierten Werte und kann ein so verarbeitetes Detektorsignal beispielsweise über einen Bildschirm ausgeben.
In der Figur 9 wird ein zweiter möglicher Aufbau eines Empfängers gezeigt, der ein zeitabhängiges elektrisches Signal von einem Detektor 1 erhält. Der Empfänger umfasst einen Analog-Digital-Wandler, ein digitales Bandpassfilter 2 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 5. Ein Detektorsignal wird vom Detektor 1 zum Analog- Digital-Wandler weitergeleitet. Der Analog-Digital-Wandler digitalisiert das empfangene Detektorsignal und leitet das digitalisierte Ergebnis an das digitale Bandpassfilter 2. Das Bandpassfilter 2 teilt digitalisierte Ergebnis in zwei digitalisierte Signalanteile auf. Ein digitalisierter Signalanteil bezieht sich auf hohe Frequenzen. Der andere digitalisierte Signalanteil bezieht sich auf niedrige Frequenzen. Der digitalisierte Signalanteil, der sich auf hohe Frequenzen bezieht, wird mit hoher Taktfrequenz an die
Signalverarbeitungseinrichtung 5 weitergeleitet. Der digitalisierte Signalanteil, der sich auf niedrige Frequenzen bezieht, wird mit kleiner Taktfrequenz an die
Signalverarbeitungseinrichtung 5 weitergeleitet. Die Signalverarbeitungseinrichtung 5 verarbeitet die erhaltenen digitalisierten Werte und kann ein so verarbeitetes Detektorsignal beispielsweise über einen Bildschirm ausgeben.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren für ein Verarbeiten eines Detektorsignals durch einen Empfänger mit einer Einrichtung für eine dynamische Wavelet-Analyse für ein empfangenes Puls förmiges Detektorsignal, durch die ein empfangenes zeitabhängiges Detektorsignal in zumindest zwei frequenzabhängige Signalanteile zerlegt werden kann, wobei der eine Signalanteil hohen Frequenzen zugeordnet ist und der andere Signalanteil niedrigen Frequenzen, mit einer Umwandlungseinrichtung für die Digitalisierung des Detektorsignals oder die Digitalisierung von Signalanteilen, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (5), die digitalisierte Signalanteile verarbeitet, wobei der Empfänger so eingerichtet ist, dass der Signalanteil, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer hohen Taktfrequenz an die Signalverarbeitungseinrichtung (5) weitergeleitet wird, und der Signalanteil, der niedrigen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer kleinen Taktfrequenz an die Signalverarbeitungseinrichtung (5) weitergeleitet wird, und/oder wobei der Empfänger so eingerichtet ist, dass der Signalanteil, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer geringen Auflösung digitalisiert wird, und der Signalanteil, der niedrigen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer großen Auflösung digitalisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Detektor (1) ein Puls förmiges Detektorsignal zum Empfänger weitergeleitet wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Puls förmige Detektorsignal vom Empfänger so abgetastet wird, dass von jeder ansteigenden Flanke des Puls förmigen Detektorsignals wenigstens zwei Messpunkte (MP) erfasst werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen des Signalanteils, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, größer als 400 MHz, vorzugsweise größer als 500 MHz sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalanteil, der sich auf hohe Frequenzen bezieht, mit einer Taktrate an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet wird, die wenigstens doppelt so hoch ist wie die Taktrate, mit der ein Signalanteil, der sich auf niedrige Frequenzen bezieht, an die Signalverarbeitungseinrichtung weitergeleitet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Durchführung einer dynamischen Wavelet- Analyse der Zeitraum, der für hohe Frequenzen angewendet wird, kürzer ist als der Zeitraum, der für niedrige Frequenzen angewendet wird. Empfänger für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung für eine dynamische Wavelet-Analyse für ein empfangenes Detektorsignal, durch die ein empfangenes zeitabhängiges Detektorsignal in zumindest zwei frequenzabhängige Signalanteile zerlegt werden kann, wobei der eine Signalanteil hohen Frequenzen zugeordnet ist und der andere Signalanteil niedrigen Frequenzen, mit einer Umwandlungseinrichtung für die Digitalisierung des Detektorsignals oder die Digitalisierung von Signalanteilen, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (5), die digitalisierte Signalanteile verarbeitet, wobei der Empfänger so eingerichtet ist, dass der Signalanteil, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer hohen Taktfrequenz an die Signalverarbeitungseinrichtung (5) weitergeleitet wird, und der Signalanteil, der niedrigen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer kleinen Taktfrequenz an die Signalverarbeitungseinrichtung (5) weitergeleitet wird, und/oder
- wobei der Empfänger so eingerichtet ist, dass der Signalanteil, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer geringen Auflösung digitalisiert wird, und der Signalanteil, der niedrigen Frequenzen zugeordnet ist, mit einer großen Auflösung digitalisiert wird.
7. Empfänger nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinrichtung einen ersten Analog-Digital-Wandler (3) für die Digitalisierung des Signalanteils, der hohen Frequenzen zugeordnet ist, umfasst und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (4) für die Digitalisierung des Signalanteils, der niedrigen Frequenzen zugeordnet ist.
8. Empfänger nachdem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Anzahl von Bits des ersten Analog-Digital-Wandlers (3) geringer als die effektive Anzahl von Bits des zweiten Analog-Digital- Wandlers (4).
9. Empfänger nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Analog-Digital-Wandler (3) ein Flash-Analog- Digital-Wandler ist.
10. Empfänger nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Analog-Digital-Wandler (3) ein Bandpass- Analog-Digital-Wandler ist.
11. Empfänger nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Analog-Digital-Wandler (4) ein SAR-Analog- Digital-Wandler ist.
12. Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter (2) für die Durchführung einer Wavelet- Analyse vorhanden ist.
13. Empfänger nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (2) ein Bandpassfilter ist, der so eingerichtet ist, dass das Bandpassfilter (2) das Detektorsignal in zwei Signalanteile aufgeteilt wird, wobei sich der eine Signalanteil auf hohe Frequenzen bezieht und der andere Signalanteil auf niedrige Frequenzen bezieht, wobei der Empfänger so
16 eingerichtet ist, dass der Signalanteil, der sich auf die hohen Frequenzen bezieht, unmittelbar von dem Bandpassfilter (2) zu einen ersten Analog- Digital-Wandler (3) weitergeleitet wird, und der Signalanteil, der sich auf die niedrige Frequenzen bezieht, unmittelbar von dem Bandpassfilter (2) zu einen zweiten Analog-Digital-Wandler (4) weitergeleitet wird,
17
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