DE3523972A1

DE3523972A1 - Kreuzkorrelator

Info

Publication number: DE3523972A1
Application number: DE19853523972
Authority: DE
Inventors: David Lindsay Mount Isa Queensland Dekker
Original assignee: Mount Isa Mines Ltd
Current assignee: Mount Isa Mines Ltd
Priority date: 1984-07-04
Filing date: 1985-07-04
Publication date: 1986-01-16
Also published as: DE3523972C2; CA1257351A; US4884229A

Description

Kreuzkorrelator
B ~# s c h r e i b u n g Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Korrigieren der Kreuzkorrelationsfunktion von zwei Signalen, um das beiden Signalen gemeinsame Rauschen zu unterdrücken.
Ein Gerät zum Messen der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen zwei Signalen ist bekannt. Ein solches Gerät schätzt die Kreuzkorrelationsfunktion für positive Zeitverzögerungen.
Solche Verfahren weisen den Nachteil auf, daß jede Gleichtaktstörung zwischen den Kanälen die Zeitverzögerung des Korrelationsspitzenwertes verschieben kann.
Wenn die Zeitverzögerung für den Spitzenwert der Kreuzkorrelationsfunktion berechnet wird, dann wird gewöhnlich eine Zahl, die nachfolgend als N bezeichnet wird, von vorausgegangenen Schätzwerten der Kreuzkorrelationsfunktion summiert.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß nur ein Schätzwert der Verzögerungszeit für den Spitzenwert für jeweils N Schätzungen der Kreuzkorrelationsfunktion erhalten wird.
Wenn man die Kreuzkorrelationsfunktion von Daten auswertet, die mit mehr als einem einzelnen Bit Auflösung abgetastet worden sind, dann ist es bislang üblich, eine Mehrzahl von Einzelbitkorrelatoren zu verwenden.
Dieses Verfahren ist daher sehr aufwendig in der Ausführung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Unterdrücken von zwei korrelierten Signalen gemeinsamen Störungen anzugeben, mit der bzw. mit dem einige der Nachteile des Standes der Technik vermieden oder doch wenigstens gemildert sind.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 14 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Einrichtungen zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das die Differenz zwischen den dritten und vierten Signalen angibt, können eine analoge oder digitale Subtraktion oder, was mathematisch äquivalent ist, können eine Umkehrung eines der Signale und dann eine analoge oder digitale Addition durchführen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen Einrichtungen vor, durch die sowohl positive als auch negative Zeitverzögerungen der Kreuzkorrelationsfunktion voneinander abgezogen werden, um die Autokorrelationsfunktion von Störungen zu beseitigen, die beiden Signalen gemeinsam sind, und individuelle Schätzungen der Kreuzkorrelationsfunktion bei jeder diskreten Verzögerungszeit werden exponentiell geglättet. Vorteilhafte Ausführungsformen enthalten Einrichtungen, durch die der Mittelwert der Verzögerungszeit für den Spitzenwert der Korrelationsfunktion ausgewertet wird. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen enthalten Einrichtungen, durch die die Kreuzkorrelation von zwei Signalen, die mit mehr als ein Bit Auflösung digitalisiert worden sind, durch einen Einzelbitkorrelator ausgewertet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Diagramm, das die Anwesenheit von lleichtaktstörungen in korrelierten Realverarbeitungssignalen darstellt; Fig. 2 ein Diagramm, das eine typische unkorrigierte Kreuzkorrelationsfunktion und eine hinsichtlich Gleichtaktstörungen korrigierte Funktion darstellt; Fig. 3 ein positives Zeitverzögerungs-Kreuzkorrelationsfunktionssignal für Verarbeitungssignale; Fig. 4 das Kreuzkorrelationsfunktionssignal von Fig. 3, hinsichtlich Gleichtaktstörungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren korrigiert; Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform eines Kreuzkorrelator-Vorverarbeitungskreises; Fig. 6a und 6b ein Blockschaltbild eines Schaltkreises nach der Erfindung; Fig. 7 einen vollständigen Schaltkreis einer Vorrichtung nach der Erfindung.
Die Kreuzkorrelationsfunktion Ryx(T) von zwei Signalen y(t) und x(t) ist gegeben durch Ryx (T) = dt, worin T die Verzögerungszeit und M die Gesamtabtastzeit ist.
Wenn y(t) der Ausgang eines linearen Systems mit dem Eingang x(t) und der Impulsantwort h(T) ist, dann gilt auch die Faltungsbeziehung: in einer Realverarbeitung kann eine Gleichtaktstörung n(t) vorhanden sein, wie in Fig. 1 gezeigt.
Wenn die Verarbeitung eine reine Laufzeitverzögerung (L) ist, dann wird h(T) ein Einheitsimpuls mit der Zeitverzögerung L, und Ryx (T) = Rxx (T - L) + Rnn (T).
Da alle Autokorrelationsfunktionen, beispielsweise Rnn (T) um T symmetrisch sind, d.h. Rnn (T) = Rnn (-T), gilt Ryx (T) - Ryx (-T) = Rxx (T - L) - Rxx (-T - L).
Um L genau zu bestimmen, müssen die Signale x(t) und y(t) eine Bandbreite haben, die ausreichend groß ist, um sicherzustellen, daß h(T) eine schmale Spitze mit der Verzögerungszeit L ist und daß daher Rxx (T) für ITI>L sehr klein ist. Daher ist Ryx (T) - Ryx (-T) = Rxx (T - L), was die Kreuzkorrelationsfunktion frei von Störungen n(t) ist.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer typischen Kreuzkorrelationsfunktion zwischen zwei Verarbeitungssignalen, die im Spektralinhalt gleich sind, von denen jedoch ein Signal (y(t)), das als das Abströmsignal bezeichnet wird, in bezug auf das andere Signal (x(t)) zeitlich verzögert ist. Die Signale sind als Funktion der Verzögerung T dargestellt. Kurve 1 zeigt die unkorrigierte Kreuzkorrelationsfunktion Ryx (T). Kurve 2 zeigt die Gleichtaktstö- rung (Autokorrelationsfunktion) Rnn (T). Kurve 3 zeigt die für Gleichtaktstörungen korrigierte Funktion. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann der Spitzenwert der Kreuzkorrelationsfunktion sowohl in der Zeit (Verzögerung) als auch in der Amplitude durch Gleichtaktstörungen verschoben werden.
Jede Störung, die beiden Kanälen gemeinsam ist, kann aus der Kreuzkorrelationsfunktion eliminiert werden, indem man den Korrelationswert bei negativen Zeitverzögerungen von jenem bei entsprechenden positiven Zeitverzögerungen abzieht.
Fig. 3 zeigt Kreuzkorrelationsfunktionen für positive Zeitverzögerung für gemessene Verarbeitungssignale mit variierenden Pegeln einer 120 Hz-Sinusstörwelle, die beiden Kanälen hinzuaddiert ist. Das obere Diagramm gemäß Fig. 3a zeigt die Ergebnisse für ein störungsfreies Signal. Das zweite Diagramm nach Fig. 3b zeigt die Ergebnisse für ein Signal/Störungsverhältnis von 4:1 und das dritte Diagramm nach Fig. 3c zeigt die Ergebnisse nur für die Störung. Fig. 3c zeigt die unkorrigierte Kreuzkorrelationsfunktion für einen gemessenen Prozeß, wobei eine 120 Hz-Störung hinzuaddiert ist, 7,8 ms pro Horizontalteilung, und zeigt die perfekte Korrelation am oberen Rand des Schirms und die perfekte negative Korrelation am unteren Rand des Schirmes. Die Verschiebung in der Spitzenlage zwischen den Figuren 3a und 3b ist augenscheinlich.
Fig. 4 zeigt den Ausgang des verbesserten Kreuzkorrelatörkreises nach der vorliegenden Erfindung. Die Kreuzkorrelationsfunktion ist für Gleichtaktstörungen unter den gleichen Bedingungen, wie in Fig. 3, korrigiert. Man erkennt, daß die Verzögerungszeit des Spitzenkorrelationswertes nun durch die Störung verschoben ist und daß die Störung nicht mehr vorhanden ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann man Ryx(T) - Ryx(-T) durch Zeitmultiplexen der seriellen Eingänge zum Korrelator so auswerten, daß jeder zweite Ablastwert beider Eingänge -Ryx(-T) darstellt und jeder andere Abtastwert beider Eingänge Ryx(T) darstellt.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird die Differenz Ryx(T) - Ryx(-T) bei jeder Zeitverzögerung (T) exponentiell mit Hilfe von Kreisen geglättet, die folgende Schritte ausführen: (1) Speichern eines exponentiell geglätteten Wertes einer jeden Differenz; (2) Berechnen einer Funktion der Verzögerungszeit, nachfolgend als A definiert, durch Teilen eines jeden gespeicherten Wertes durch einen Faktor 2; (3) Berechnen einer Funktion der Verzögerungszeit, die nachfolgend als B definiert ist, durch Teilen eines jeden neuen Differenzwertes durch den gleichen Faktor 2; Berechnen einer Funktion der Verzögerungszeit, die nachfolgend als C definiert ist, durch Auswerten der "Zweierkomplemente" eines jeden Wertes von A; (5) Berechnen der Summe von B und C; (6) Berechnen einer Korrekturfunktion, die nachfolgend als Summe von B und C geteilt durch einen weiteren einstellbaren Faktor 2 definiert ist, um eine einstellbare Zeitkonstante für die exponentiell geglätteten Werte zu erhalten; (7) Addieren der Korrekturfunktion zu den gespeicherten Werten, wodurch die gespeicherten Werte aktualisiert werden.
Gewünschte Ausführungsformen der exponentiell geglätteten gespeicherten Werte, die eine Funktion einer positiven Verzögerungszahl sind, ergeben einen Ausgang, der proportional dem Mittelwert der Verzögerungszeit des größten Wertes der gespeicherten Funktion ist, durch: (1) Kreise, die die Verzögerungszeit, hier als L bezeichnet, des größten Wertes der gespeicherten Funktion bestimmen; (2) Erhöhen des Ausgangs, wenn der Wert von L größer als der Ausgang ist; (3) Vermindern des Ausgangs, wenn der Wert von L kleiner als der Ausgang ist.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die zwei Eingangssignale hinsichtlich ihrer Nulldurchgangsrichtung ermittelt (es wird ihnen ein Wert von 0 oder 1 gegeben, je nachdem, ob sie kleiner oder größer als Null sind). Signale mit mehr als 1 Bit Auflösung werden durch einen gegebenenfalls vorhandenen Addierkreis aufbereitet, von dem eine bevorzugte Ausführungsform detailliert in Fig. 5 dargestellt ist. Die bevorzugte Ausführungsform erzielt eine 2 Bit-Auflösung durch Zeitmultiplexen von drei Eingangssignalkonfigurationen an einem Einzelbitkorrelator. Die drei Eingangskonfigurationen sind: (a) Korrelation des höchstwertigen Bits des zuströmenden Signals mit dem höchstwertigen Bit des abströmenden Signals.
(b) Korrelation des höchstwertigen Bits des zuströmenden Signals mit dem geringstwertigen Bit des abströmenden Signals.
(c) Korrelation des geringstwertigen Bits des zuströmenden Signals mit dem höchstwertigen Bit des abströmenden Signals.
Die gleichzeitige Korrelation dieser drei gemultiplexten Eingangskonfigurationen ist äquivalent zu Addierergebnissen von drei getrennten Einzelbitkorrelatoren. Es ist bekannt, daß dies eine genaue statistische Gewichtung der beschriebenen Wertigkeit der Bits ergibt. Mit abströmendem Signal wird hier das Signal bezeichnet, in welchem die benötigte Information in bezug auf die gleiche Information in dem anderen Signal zeitverzögert ist. Dieses andere Signal wird hier als das zuströmende Signal bezeichnet.
Vorzugsweise wird ein einzelner digitaler integrierter Kreuzkorrelationskreis verwendet, der die Eingänge zweimal in rascher Folge (verglichen mit der Abtastrate) abtastet, die zuerst normal und dann mit umgekehrten Eingängen und mit einem umgekehrten Eingang verbunden werden, d.h., der Eingang, der normal mit dem zuströmenden Signal verbunden ist, wird mit dem abströmenden Signal verbunden und der Eingang, der normalerweise mit dem abströmenden Signal verbunden ist, wird mit dem invertierten zuströmenden Signal verbunden. Bei einer weniger bevorzugten Ausführungsform werden zwei digitale integrierte Kreuzkorrelatorkreise verwendet. Der zweite der digitalen integrierten Kreuzkorrelatorkreise wird mit den umgekehrten Eingängen verbunden, d .h., der Eingang, der zur Verbindung mit dem zuströmenden Signal bestimmt ist, wird mit dem abströmenden Signal verbunden und der Eingang, der zur Verbindung mit dem abströmenden Signal bestimmt ist, wird invertiert und mit dem zuströmenden Signal verbunden. Auf diese Weise wird der Ausgang der digitalen Kreuzkorrelatoren zu dem Ausgang des zweiten addiert. Es versteht sich, daß dies mathematisch äquivalent der Zuführung der ersten und nichtinvertierten zweiten Signale zu entsprechenden ersten und zweiten Anschlüssen des zweiten digitalen Korrelators und einer Differenzbildung der Ausgänge ist.
Die Erfindung wird nun, nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 7 erläutert. Komponenten.#ind in den Figuren mit Zahlen bezeichnet und Daten durch eine Zeitfunktion, z.B. A(t) oder einen Buchstaben. Datenfluß ist durch Pfeile eingezeichnet. Die Zahl von physikalischen Leitungen in einer Datenvielfachleitung ist durch einen Schrägstrich und eine hinzugefügte Ziffer bezeichnet.
Fig. 5 zeigt einen Vorverarbeiter für den Kreuzkorrelator, der zwei 2-Bit-A/D-Wandler und einen zeitgesteuerten Multiplexer enthält, der eine richtige Gewichtung, die jedem Bit der digitalisierten Daten zukommt, auf Zeitversatzbasis ermöglicht. Dieser Schaltkreis bildet einen auf Wunsch verwendbaren Zusatz zusätzlich zu dem gleichtakt-korrigierten Korrelatorkreis nach Fig. 6a.
Die A/D-Wandler sind so gestaltet, daß sie sich automatisch auf den vollen Meßbereich entsprechend der Eingangssignalamplitude einstellen.
Fig. 6a zeigt einen gleichtakt-korrigierten Korrelator, der eine Zahl zwischen 0 und 64 abgibt, die den Korrelationspegel zwischen den zwei Eingängen in jedem Abtastintervall darstellt.
Diese Einrichtung tastet die zwei Eingänge U(t) und D(t) durch Nulldurchgangspolaritätserfassung ab. Die störungskorrigierte Kreuzkorrelation wird teilweise durch einen in integrierter Schaltkreistechnik ausgeführten Korrelator vom Typ TRW 1023J erzielt. Beim Abschluß einer jeden Aufzeichnung (Periode von 256 Abtastungen) werden die letzten 64 binären Abtastungen, die man aus den letzten 32 zuströmenden Abtastungen alternierend mit den letzten 32 invertierten abströmenden Abtastungen erhält, in einen Haltekreis geladen, wie in Fig. 6a mit 1 und 2 bezeichnet.
Bei jeder der nächsten 256 Abtastungen wertet die Schaltung TRW 1023J eine 7-Bit-Korrelation zwischen dem gehaltenen Wert und dem letzten Inhalt des B-Schieberegisters aus.
Vorteilhafterweise ist der Korrelatorausgang, der von 0 bis 64 reicht, auf 0 bis 63 begrenzt, um einen Überlauf in den nachfolgenden Kreis zu verhindern (4).
Das Ergebnis ist eine Korrelation, die für Gleichtaktstörungen korrigiert worden ist. Diese Gleichtaktstörungskorrekturtechnik wird mit dem Schaltkreis nach Fig. 7 erreicht. Dieser ist so aufgebaut, daß er Stift für Stift kompatibel mit einem einzelnen TRW 1023J-Korrelator über einen Anschlußstecker (5) ist, so daß vorhandene Kreuzkorrelatoranordnungen mittels einer Steckverbindung gegen höherwertige ausgetauscht werden können.
Die Taktquelle in Fig. 6b (6) erzeugt: 1. Einen Abtastintervalltakt, der einstellbar ist.
2. Eine Verzögerungszahl, die nach jedem Abtastintervall um 1 erhöht wird.
3. Einen Impuls nach dem 256sten Abtastintervall (wenn die Verzögerungszahl auf 0 zurückgesetzt wird). Dieser Impuls wird auch dazu verwendet, den Multibit-Zeitmultiplexer (Fig. 5) zu steuern.
In Fig. 6b enthält der Exponentialglättungskreis folgende Einrichtungen: 1. Eine Einrichtung zum Berechnen des exponentiell geglätteten Wertes der korrigierten Kreuzkorrelationsfunktion bei jeder Verzögerungszahl.
2. Einen RAM (7) zum Speichern der 256 geglätteten korrigierten Korrelationswerte. Die 7-Bit-korrigierte Korrelation wird mit 32 multipliziert, um eine 12-Bit-Zahl (C(T) in Fig. 6b (8)) zu ergeben. C(S) ist begrenzt auf 2047 für eine vollständige Korrelation und o für eine vollständige negative Korrelation. A(T) ist der Wert der Adressenvielfachleitung und ist bekannt als die Verzögerungszahl. Wenn die Eingangssignale von den Zufallsprozessen abgeleitet werden, dann kann die Genauigkeit einer gegebenen Verzögerungszahl durch Glättung verbessert werden. Jeder der 256 Werte wird exponentiell geglättet, wobei 256 geglättete Werte in dem RAM (7) gespeichert werden.
Wenn G(T) in Fig. 6 geglättet ist, ist die störungskorrigierte Korrelationsfunktion und C(T,N) der Wert von der aus N vorausgehenden Aufzeichnungen erhalten wird.
Dann gilt: worin k die Glättungszeit bei den Aufzeichnungen ist und k ist eine Potenz von 2.
Der geglättete korrigierte Korrelationswert für die Verzögerung T wird auf folgende Weise aktualisiert. J(T) wird errechnet aus: J(T) = -G(T)/32 (9) (2), wobei das arithmetische Zweierkomplement verwendet wird.
D(T) wird dann berechnet als: D(T) = C(T)/32 + J(T) = C(T)/32 - G(T)/32 (3).
D(T) repräsentiert eine negative Zahl, wenn ihr höchstwer- tiges Bit gesetzt ist, d.h., sie liegt in Zweierkomplementgestalt vor.
Wenn beispielsweise k = 64, dann wird D(T) durch zwei (11) geteilt und E(T) wird: E(T) = C(T)/64 - G(T)/64 (4).
E(T) stellt die Einstellung dar, die zu G(T) addiert werden muß, um G(T) zu aktualisieren. E(T) liegt in seiner Zweierkomplementform vor. G(T) ist stets eine positive Zahl und liegt in absoluter Binärform vor.
Die Einstellung E(T) wird zu G(T) in (12 und 13) addiert, um den aktualisierten Wert zu ergeben: G(T) aktualisiert = (C/(T)/64) + (1 - 1/64) G(T) (5).
Diese rekursive Formel kann man lesen als eine exponentiell geglättete Version von C(T).
In Fig. 6b liefert der Spitzendetektorkreis: 1. Die Verzögerungszahl (Adresse) des größten geglätteten korrigierten Korrelationswertes, der während der laufenden Aufzeichnung von 256 Abtastungen gefunden wurde.
Dieser wird in der Verriegelungsschaltung 14 gehalten. Der Ausgang wird am Ende einer Aufzeichnung verriegelt (15).
Am Beginn einer Aufzeichnungsverriegelung (16) wird L gelöscht. Der Wert von K(T) wird mit L (17) verglichen. Wenn K(T) L und wenn T größer als ein vorbestimmtes Minimum ist, das durch (18) und (19) bestimmt ist, dann wird nach der nächsten Abtastprüfung der Takt L gleich K(T) und der Wert von T wird in (14) verriegelt. Am Ende der Aufzeichnung enthält L den größten korrigierten Korrelationswert und (14) enthält die Verzögerungszahl des größten korrigierten Kor- relationswertes.
2. Eine Einrichtung, um sicherzustellen, daß, wenn der spitzenwertkorrigierte Korrelationswert zu niedrig ist, der Ausgang dann nicht aktualisiert wird (20 bis 22).
Sowohl die Verzögerungszahl A(T) und die korrigierten Korrelationswerte K(T) sind als analoge Ausgänge verfügbar, die dazu verwendet werden können, das ~Korrelogramm" auf einem Oszilloskop (23 und 24) darzustellen.
In Fig. 6b enthält die Verriegelung (15) die Verzögerungszahl des spitzenkorrigierten Korrelationswertes. Der Mittelwert des Inhalts von (15) über mehrere Aufzeichnungen wird vorzugsweise durch einfache Mittelwertbildung erhalten, da der Mittelwert gegen Störungen weniger empfindlich ist.
Das Prinzip des mittleren Verzögerungsfolgers ist wie folgt: Wenn Q der Ausgang des Folgers und P der Eingang ist, dann wird am Ende jeder Aufzeichnung Q (Ausgang des Zählers (25)) um 1 erhöht, wenn P>Q oder um 1 vermindert, wenn P<Q (wie durch (26) bestimmt).
Eine detailliertere Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wird nachfolgend gegeben.
Zwei schnelle Taktimpulse schieben zwei Werte in jedes der Zuström- und Abströmregister des TDC1023J-Kreises (Fig.
6a). Diese Taktimpulse werden in (3) erzeugt und beim ersten Taktimpuls wird der Schalter (2) nach links gestellt und beim zweiten Taktimpuls wird der Schalter (2) nach rechts gestellt.
Das 7-Bit-Korrelationsergebnis wird um fünf Bits verscho- ben, um eine 12-Bit-Zahl zu ergeben (C(T) in Fig. 6). Diese wird zu einer 16-Bit-Zahl (J(T) in Fig. 6) addiert, die aus der Datenvielfachleitung gewonnen wird. Die Datenvielfachleitung wird durch 32 durch Verschiebung dvrchFfünf Bits geteilt. Die fünf höchstwertigen Bits sind Nullen zugeordnet. Das Zweierkomplement wird genommen, indem alle 16 Bits invertiert und 1 hinzugezählt wird. Die fünf höchstwertigen Bits von J(T) sind daher sämtlich Einser.
Die fünf geringstwertigen Bits von C(T) sind sämtlich Nullen. C(T) und J(T) werden nun addiert.
Da alle Bits, die eine 2 bezüglich der Potenz (12 bis 15) in J(T) darstellen, Einser sind und alle gleichwertigen Bits von C(T) Nullen sind, besteht die Addierstufe für die vier höchstwertigen Bits aus einem einzelnen Inverter, der von dem Trägerausgang von IC 3 abgeleitet ist.
Diese Zweierkomplementzahl kann dann durch 1, 2, 4, 8 oder 16 geteilt werden, je nach der benötigten exponentiellen Glättungszeit. (32, 64, 128, 256 oder 512 mal die maximale Korrelationszeit darstellend). Die Addiererausgänge werden in einer 16-Bit-Verriegelungsschaltung gespeichert.
Die Verriegelungsausgänge werden in einem Speicher an den Adressen gespeichert, die durch die Verzögerungszahl angegeben sind. Der Speicher besteht aus zwei 2K x 8 CMOS statischen RAM-Chips (5), die als 16-Bit-breiter Speicher angeordnet sind. Nur 256 Speicheradressen werden verwendet.
Zwei D/A-Wandler,(in Fig. 6b die Elemente 23 und 24) stellen analoge Ausgänge der Datenvielfachleitung und der Verzögerungszahlvielfachleitung zur Verfügung. Diese ermöglichen, daß das letzte Korrelogramm auf einem Oszilloskop in Realzeit dargestellt wird.
Am Beginn einer Aufzeichnung wird die Spitzenkomparator- verriegelung (16) gelöscht. Bei jedem Abtasttakt werden die acht höchstwertigen Bits der Datenvielfachleitung verriegelt, wenn sie eine Zahl repräsentieren, die größer als die in der Verriegelungsschaltung augenblicklich verriegelte Zahl ist. Diese Verriegelung hält daher den höchsten korrigierten Korrelationswert für die laufende Aufzeichnung fest.
Die Verzögerungszahl wird verriegelt (14) bei einem Übergang des Abtasttaktes, vorausgesetzt, daß der Spitzenkomparator (17) anzeigt, daß dies der größte geglättete korrigierte Korrelationswert für diese Aufzeichnung ist und vorausgesetzt, daß die Verzögerungszahl größer als das Minimum ist, das am Schalter (19) eingestellt ist.
Der Abwärtsübergang des höchstwertigen Bits der Verzögerungszahl A(t) signalisiert das Ende einer Aufzeichnung (256 Abtastungen).
Die Verriegelungsschaltung (14) enthält soweit die Verzögerungszahl der spitzenkorrigierten Korrelation für diese Aufzeichnung. Am Ende einer Aufzeichnung wird diese Zahl in das Ende der Aufzeichnungsverriegelung (15) verriegelt.
Diese Verriegelung hält die Verzögerungszahl der korrigierten Korrelationsspitze und wird nach Abschluß jeder Aufzeichnung aktualisiert, vorausgesetzt, daß die Amplitude der korrigierten Korrelationsspitze größer als ein durch den Schalter (22) eingestelltes Minimum ist.
Am Ende einer Aufzeichnung wird der Auf/Abwärtszähler (25) mit einer gegebenenfalls vorhandenen parallelen Last um 1 erhöht, um 1 erniedrigt oder belassen, wie er ist, wenn der Ausgang des Endes der Aufzeichnung größer, gleich bzw. kleiner als der Ausgang des Auf/Abwärtszählers ist, wie durch (26) ermittelt. Dies bildet die Verzögerungs-Mittelwertberechnung.
Der Digitalausgang (Q) ist die Verzögerungszahl der spitzenkorrigierten Kreuzkorrelation, d.h., eine Schätzung der Zeitverzögerung zwischen den zwei Eingangssignalen.
Diese Ausführung der Erfindung schafft auch einen multiplizierenden D/A-Wandler (27), der so verbunden ist, daß i der Digitalwert, der die Verzögerungszeit der Spitze der korrigierten Kreuzkorrelationsfunktion ist, mit dem Digitaleingang des multiplizierenden D/A-Wandlers (27) verbunden ist: ii der Ausgang des multiplizierenden D/A-Wandlers von einer 1 Volt-Bezugsspannung abgezogen und das Ergebnis dieser Subtraktion dann verstärkt wird (28). Dieses verstärkte Signal wird dem Spannungsbezugseingang des multiplizierenden D/A-Wandlers zugeleitet: iiider Ausgang wird von der Bezugsspannung genommen, die dem multiplizierenden D/A-Wandler zugeführt wird. Wenn die Erfindung dort angewendet wird, wo die Eingangssignale die Eigenschaften eines strömenden Materials, das durch zwei in einem bekannten Abstand angeordnete Sensoren gemessen wird, angeben, dann ist der Ausgang proportional der Geschwindigkeit des Materials.
Ein vollständiges Schaltbild ist in Fig. 7 offenbart.
Man erkennt, daß Ryx(T) - Ryx(-T) mathematisch äquivalent der inversen Fouriertransformation des Imaginärteils des komplexen Kreuzpotenzspektrums von Y(T) und X(T) ist.
Dieses Verfahren zur Gewinnung der benötigten Funktion könnte mit einem Mikroprozessor ausgeführt werden, der gegenwärtige Stand der Technik macht dies jedoch unpraktisch (hohe Kosten und langsamer Betrieb).

Claims

Kreuzkorrelator Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Beseitigen von Störungen, die sowohl in einem ersten als auch in einem zweiten, mit dem ersten korrelierten Signal vorhanden sind, g e k e n n -z e i c h n e t durch eine Korrelatoreinrichtung zum Erzeugen eines dritten Signals, das die Kreuzkorrelation der ersten und zweiten Signale als Funktion einer positiven Zeitverzögerung des ersten Signals gegenüber dem zweiten angibt, und zum Erzeugen eines vierten Signals, das die Kreuzkorrelation der ersten und zweiten Signale als Funktion einer negativen Zeitverzögerung des ersten Signals in bezug auf das zweite Signal angibt, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Differenz zwischen den dritten und vierten Signalen angibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Korrelatoreinrichtung enthält: einen Signalkorrelator mit einem ersten Schaltkreiseingang und einem zweiten Schaltkreiseingang, der ein Signal erzeugt, das die Kreuzkorrelation von den Eingängen zugeführten Signalen als Funktion der Zeitverzögerung des einen Eingangssignals gegenüber dem anderen angibt, und eine Einrichtung zum Umschalten der Eingänge zwischen einem positiven Zeitverzögerungs-Betrieb und einem negativen Zeitverzögerungs-Betrieb, wobei die Schalteinrichtung im positiven Zeitverzögerungs-Betrieb das erste Signal dem ersten Eingang und das zweite Signal dem zweiten Eingang zuleitet, wodurch ein drittes Signal erzeugt wird, und die Schalteinrichtung im "negativen Zeitverzögerungs"-Betrieb das erste Signal dem zweiten Eingang und das zweite Signal dem ersten Eingang zuleitet, wodurch das vierte Signal erzeugt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Differenz zwischen dem dritten und vierten Signal angibt, eine Einrichtung zum Invertieren eines der in der einen der Betriebsarten zugeführten Signale und zum Addieren der dritten und vierten Signale enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß sie Einrichtungen zum Speichern der Differenz zwischen dem Ausgangssignal, das in der ~positive ven Zeitverzögerungs"-Stellung des Schalters erhalten wird, und dem Ausgangssignal, das in der ~negativenZeitverzögerungs"-Stellung des Schalters erhalten wird, enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Korrelator ein Einzelbitkorrelatorkreis ist und weiterhin Einrichtungen zum Zeitmultiplexen der Eingangssignale enthält.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g eek e n n -z e i c h n e t , daß jede zweite Abtastung des Ausgangs die Kreuzkorrelation des ersten Signals in bezug auf das zweite für eine negative Zeitverzögerung und jeder andere Ausgang die Kreuzkorrelation für eine positive Zeitverzögerung repräsentiert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h -n e t durch einen Speicher zum Speichern der Signale, die exponentiell geglättete Schätzwerte der Differenz zwischen den dritten und vierten Signalen bei verschiedenen Zeitverzögerungswerten enthält und weiterhin Einrichtungen zum Aktualisieren des Speichers mit einer Rate, die gleich der Abtastrate der ersten und zweiten Eingangssignale ist, aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, enthaltend: einen ersten digitalen Kreuzkorrelator; einen zweiten digitalen Kreuzkorrelator; Einrichtungen zum Zuführen der ersten und zweiten Signale zu entsprechenden ersten und zweiten Eingängen des ersten Kreuzkorrelators und zum Zuführen der ersten und zweiten Signale zu entsprechenden zweiten und ersten Eingängen des zweiten Kreuzkorrelators; und Einrichtungen zum Anzeigen der Differenz zwischen den Ausgängen der ersten und zweiten digitalen Kreuzkorrelatoren.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß eines der Signale zu einem der Korrelatoren invertiert wird und die Ausgangssignale der Kreuzkorrelatoren summiert werden, wodurch die Differenz erzeugt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e-k e n n -z e i c h n e t , daß jeder Korrelator ein Einzelbitkorrelatorkreis ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, g e k e n n z e i c h -n e t durch einen Speicher zum Speichern der Signale, die geglättete Schätzwerte der Differenz zwischen den dritten und vierten Signalen bei verschiedenen Zeitverzögerungswerten repräsentieren, und durch Einrichtungen zum Aktualisieren des Speichers mit einer 3ate, die gleich einer Abtastrate der ersten und zweiten Eingangssignale ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Kombination mit einer Datenverarbeitungseinrichtung zum Auswerten des Mittelwerts der Zeitverzögerung entsprechend dem maximalen positiven Wert einer korrigierten Kreuzkorrelationsfunktion.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 in Kombination mit Einrichtungen zum Digitalisieren der ersten und zweiten Signale jeweils mit einer 2 Bit-Auflösung und Einrichtungen zum Zeitmultiplexen ausgewählter Kombinationen der resultierenden vier Bits, um die korrigierten Kreuzkorrelationsfunktionen der Eingänge mit 2 Bit-Auflösung auszuwerten.
14. Verfahren zum Beseitigen von Störungen, die gemeinsam auf einem ersten Signal und einem mit dem ersten korrelierten zweiten Signal vorhanden sind, g e k e n n -z e i c h n e t durch folgende Schritte: Verarbeiten der ersten und zweiten Signale, um ein drittes Signal zu erzeugen, das die Kreuzkorrelation der ersten und zweiten Signale als Funktion einer positiven Zeitverzögerung des ersten Signals gegenüber dem zweiten angibt, Verarbeiten der ersten und zweiten Signale, um ein viertes Signal zu erzeugen, das die Korrelation der ersten und zweiten Signale als Funktion einer negativen Zeitverzögerung des ersten Signals in bezug auf das zweite angibt, und Differenzbilden aus den dritten und vierten Signalen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, g e k e n n z e i c h -n e t durch folgende Schritte: Schalten der ersten und zweiten Signale zwischen einer positiven Zeitverzögerungs-Betriebsart, in der die ersten und zweiten Signale zu entsprechenden ersten und zweiten Schaltkreiseingängen eines Signalkorrelators geführt werden, und einer "negativen Zeitverzögerungs"-Betriebsart, in der das erste und das invertierte zweite Signal den entsprechenden zweiten und ersten Schaltkreiseingängen des Kreuzkorrelators zugeleitet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Differenz zwischen dem Ausgangssignal, das in der"positven Zeitverzögerungs"-Betriebsart des Schalters erhalten wurde, und dem Ausgangssignal, das in der negativen Zeitverzögerungs"-Betriebsart des Schalters erhalten wurde, gespeichert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Korrelator ein Einzelbitkorrelatorkreis ist und weiterhin die Eingangssignale zeitmultiplext werden.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Signale, die exponentiell geglättete Schätzwerte der Differenz zwischen den dritten und vierten Signalen bei verschiedenen Zeitverzögerungswerten repräsentieren, gespeichert werden und daß die Schätzwerte mit einer Rate aktualisiert werden, die gleich der Abtastrate der ersten und zweiten Eingangssignale ist.
19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die ersten und zweiten Signale entsprechenden ersten und zweiten Eingängen eines ersten digitalen Kreuzkorrelators zugeführt werden, daß das erste und das invertierte zweite Signal entsprechenden zweiten und ersten Eingangsanschlüssen eines zweiten digitalen Kreuzkorrelators zugeleitet werden und daß die Ausgangssignale der beiden Kreuzkorrelatoren miteinander addiert werden.
20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die ersten und zweiten Signale den entsprechenden ersten und zweiten Eingängen eines ersten digitalen Kreuzkorrelators zugeführt werden, daß die ersten und zweiten Signale den entsprechenden zweiten und ersten Eingängen eines zweiten digitalen Kreuzkorrelators zugeführt werden und daß die Ausgangssignale der beiden Kreuzkorrelatoren voneinander abgezogen werden.
21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß jeder Korrelator ein Einzelbitkorrelator ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Signale, die exponentiell geglättete Schätzwerte der Differenz zwischen den dritten und vierten Signalen bei verschiedenen Zeitverzögerungswerten repräsentieren, gespeichert werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Schätzwerte mit einer Rate aktualisiert werden, die im wesentlichen gleich der Abtastrate der ersten und zweiten Signale ist.