DE4208257A1

DE4208257A1 - Signalverarbeitungsverfahren und anordnung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens

Info

Publication number: DE4208257A1
Application number: DE19924208257
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr Boehm; Peter Dipl Ing Marten
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1992-03-14
Filing date: 1992-03-14
Publication date: 1993-09-16

Description

Die Erfindung betrifft ein Signalverarbeitungsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine An ordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Ein derartiges Signalverarbeitungsverfahren ist beispiels weise bekannt aus der DE 30 40 514 A1 für die Anwendung bei einem Faserkreisel. Dabei wird ein eine aufgewickelte Faser durchlaufendes Lichtsignal mit einer Modulationsfre quenz fm phasenmoduliert und das Detektorsignal eines Pho todetektors ausgewertet. Dieses Detektorsignal enthält Wechselsignalanteile der Modulationsfrequenz und höherer Harmonischer. Durch Auswertung einer ungeradezahligen und zweiter geradzahliger Harmonischer (z. B. fm, 2fm, 4fm) kann auch bei schwankender Lichtleistung der Quelle sowie bei schwankendem Phasenhub des Phasenmodulators die Drehrate zuverlässig bestimmt werden. Hierzu wird das pe riodische Signal des Photodetektors mehrfach innerhalb ei ner Periode an zeitdiskreten Stützstellen abgetastet und die Abtastwerte werden digitalisiert. Durch stützstellen weise Mittelwertbildung aus mehreren Digitalwerten kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Da nach dem Nyquist-Theorem die Abtastfrequenz mindestens gleich der doppelten Signalfrequenz der höchsten auszuwertenden Harmonischen sein muß, sind sehr teure A/D-Wandler erfor derlich, die i.a. auch noch einen hohen Leistungsverbrauch aufweisen. Gleiches gilt auch für die Einrichtungen zur Mittelwertbildung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu grunde, ein Signalverarbeitungsverfahren und eine Anord nung anzugeben, welche die vorbeschriebenen Nachteile ver meiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1, eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens im An spruch 3 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vor teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschau licht. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Faserkreiselanordnung

Fig. 2 eine Periode eines Eingangssignals

Fig. 3 eine Multiplexer/Demultiplexer Anordnung

Fig. 4 den Zeitverlauf eines Abtastsignals

Fig. 5 eine Anwendung der Erfindung bei einem Faserkreisel.

Die bekannte Faserkreiselanordnung nach Fig. 1 enthält eine Lichtquelle Q, z. B. einen Halbleiterlaser, die Licht in eine Lichtleitfaser L einspeist. Das Licht durchläuft über die Koppler K1 und R2 die Faserspule SP und einen Phasenmodulator PM. Über die Faser L zurücklaufendes Licht wird im Koppler K2 zum Photodetektor E ausgekoppelt. Der Phasendemodulator ist durch ein Modulationssignal der Mo dulationsfrequenz fm angesteuert. Das Detektorsignal U(t) enthält Wechselsignalanteile bei der Modulationsfrequenz fm und höheren Harmonischen und wird in einer Sample/Hold- Schaltung S/H mit der Abtastfrequenz fs aus einem Fre quenzgenerator G abgetastet. Die Abtastwerte werden in ei nem Analog/Digital-Wandler A/D digitalisiert. Die Abtast frequenz fs beträgt ein Mehrfaches der Modulationsfrequenz fm. Vorzugsweise ist die Modulationsfrequenz mittels eines Frequenzteilers T im Verhältnis n:1 aus der Abtastfrequenz fs abgeleitet.

Durch Auswertung einer ungeradzahligen und zweier gerad zahliger Harmonischen der Modulationsfrequenz fm im Detek torsignal U(t) kann auch bei schwankender Lichtleistung der Lichtquelle Q sowie bei schwankendem Modulationshub des Phasenmodulators die Drehrate zuverlässig bestimmt werden. Zur Bestimmung z. B. der drei Harmonischen fm, 2fm und 4fm im Detektorsignal U(t) beträgt die Abtastfrequenz fs nach dem Nyquist-Theorem mindestens das 8fache der Mo dulationsfrequenz. Aus praktischen Gründen, insbesondere wegen der ,Steilheit von Filtern, wird eine noch höhere Ab tastfrequenz bevorzugt, die z. B. das 20fache der Modula tionsfrequenz beträgt. Durch die gegenüber der Modulati onsfrequenz fm höhere Abtastfrequenz fs entstehen inner halb einer Periode des Detektorsignals eine -Mehrzahl zeit diskreter Stützstellen im Abstand einer Abtastperiode Ts und das Detektorsignal wird nach der Abtastung repräsen tiert durch die Abtastwerte an diesen Stützstellen (Fig. 2).

Die fortlaufend gewonnenen und digitalisierten Abtastwerte werden in einer digitalen Mittelwertschaltung MW stütz stellenweise aufsummiert, wodurch das Signal-Rausch-Ver hältnis verbessert und die Datenrate für die weitere Ver arbeitung z. B. in einem Prozessor P reduziert wird. Die Mittelwertschaltung MW kann als diskrete Schaltung oder als Signalprozessor realisiert sein.

Die Abtastfrequenz liegt bei üblichen Faserkreiselanwen dungen typischerweise bei einigen 10⁶ und 10⁷ Hz. Genaue A/D-Wandler mit z. B. 12 Bit Auflösung sind für diese hohen Wandlungsraten sehr teuer und haben einen hohen Leistungs verbrauch. Dasselbe gilt für die Mittelwertschaltung MW.

Das Prinzip der Erfindung ist in Fig. 3 skizziert. Das elektrische Signal U(t) vom Photodetektor gelangt ggf. über einen Verstärker V auf einen (1 auf n)-Multiplexer MP. In der Abbildung ist der Multiplexer symbolisch als Drehschalter dargestellt. Die Schaltfrequenz des Multi plexers beträgt fs = n·fm. Jeder der n Ausgänge führt zu einem RC-Tiefpaßglied mit der Zeitkonstanten τ_i = RC. Die Zeitkonstante τ_i wird so gewählt daß eine ausreichende Bandbreite für die Auslesung des Drehratensignals gegeben ist. Typisch bei Faserkreiselanwendungen ist eine Band breite von 10 . . . 1000 Hz.

Die Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses SNR ist

wobei τg die Zeitdauer bezeichnet, über welche die Multiplex-Schalter die Signalquelle mit dem RC-Glied verbindet. Die Kondensator- Spannungen Un der einzelnen RC-Glieder gelangen über Pufferverstärker PV auf eine (n auf 1)-Demultiplexer DM der mit der Frequenz fd weitergeschaltet wird. Es gilt

Mit den obigen Werten folgt τg·≦5·10⁻⁸ s bis 5·10⁻⁷ s. Mit z. B. τ_i=10⁻² s und τg=10⁻⁷ s ergibt sich eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses SNR≈450. Die effektive Zeitkonstante τeff für die Auslesung der einzelnen Stützstellenwerte U_n ist

Ohne Berücksichtigung von Effekten der nachfolgenden Ver arbeitung bestimmt τeff die Bandbreite des Drehratensi gnals. Durch die Wahl von τg kann somit der für den jewei ligen Anwendungsfall günstigste Kompromiß zwischen SNR und τeff realisiert werden. Die Variation von τg kann z. B. durch eine einstellbare monostabile Kippschaltung zwischen Generator G und Multiplexer MP erfolgen.

Die Frequenz fd wird einerseits wesentlich niedriger als fs gewählt, andererseits so hoch, daß eine ausreichende Bandbreite des Drehratensignals gegeben ist. Die Frequen zen fd und fs können in einem ganzzahligen Verhältnis zu einander stehen. Dies wird erreicht, indem fd durch Fre quenzteilung mittels eines Frequenzteilers TZ mit Teiler faktor τ aus fs bzw. fm gewonnen wird (Fig. 5). Die Fre quenz fd kann auch völlig asynchron zu fs gewählt werden.

Das Ausgangssignal des Demultiplexers wird auf einen lang samen A/D-Wandler gegeben. Dieser Wandler wird mit der Frequenz fd getaktet. In Fig. 3 sind die Multiple xer/Demultiplexer symbolisch als Drehschalter dargestellt. In der Praxis werden hierfür preiswerte, integrierte Schaltungen mit Feldeffekttransistoren als Schalter einge setzt (z. B. Analog Devices ADG 506 A). Dieses Verfahren ist hier in der speziellen Anwendung auf die Signalverar beitung beim Faserkreisel dargestellt. Es versteht sich, daß dieses Verfahren in entsprechender Abwandlung auf analoge Probleme, insbesondere auf die Ermittlung von spektralen Komponenten bei gleichzeitiger Erhöhung des Signal-Rauschabstandes, angewandt werden kann.

Claims

1. Signalverarbeitungsverfahren für ein periodisches Ein gangssignal mit Abtastung des Eingangssignals an einer Mehrzahl von diskreten Stützstellen innerhalb der Signal periode, Digitalisierung und stützstellenweiser Mittel wertbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Stützstellen der Signalperiode gewonnenen Abtastwerte stützstellenweise analog gemittelt und gespeichert werden und daß die Speicherwerte mit gegenüber der Abtastfrequenz geringerer Auslesefrequenz ausgelesen und digitalisiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Harmonische der Grundfrequenz des periodischen Eingangssignals aus den digitalisierten Werten ausgewertet werden.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, gekennzeichnet durch einen Multiplexer, eine Mehrzahl von parallelen Signalwegen und Einrichtungen zur A/D-Wandlung, wobei der Multiplexer das Eingangssignal im Takt der Abtastfrequenz zyklisch mit der Periode des Ein gangssignals nacheinander auf einen der parallelen Signal wege schaltet und jeder der Signalwege analoge Einrichtun gen zur Mittelwertbildung und Speicherung enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Demultiplexer, welcher im Takt einer Auslesefrequenz die analogen Speichereinrichtungen zyklisch sukzessiv mit ei nem gemeinsamen A/D-Wandler verbindet.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß die analogen Einrichtungen zur Mittelwertbildung und Speicherung als RC-Glieder ausgeführt sind.