DE4208257A1 - Signalverarbeitungsverfahren und anordnung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens - Google Patents
Signalverarbeitungsverfahren und anordnung zur durchfuehrung eines solchen verfahrensInfo
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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 τi = RC. Die
Zeitkonstante τi 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. τi=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 Un 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 (5)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924208257 DE4208257A1 (de) | 1992-03-14 | 1992-03-14 | Signalverarbeitungsverfahren und anordnung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924208257 DE4208257A1 (de) | 1992-03-14 | 1992-03-14 | Signalverarbeitungsverfahren und anordnung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4208257A1 true DE4208257A1 (de) | 1993-09-16 |
Family
ID=6454107
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924208257 Withdrawn DE4208257A1 (de) | 1992-03-14 | 1992-03-14 | Signalverarbeitungsverfahren und anordnung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4208257A1 (de) |
Cited By (4)
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1992
- 1992-03-14 DE DE19924208257 patent/DE4208257A1/de not_active Withdrawn
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