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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf das Gebiet der Signalverarbeitung und insbesondere
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abfragen von faseroptischen
Interferometriesensoren bei Mehrkanalanwendungen.
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Akustische Abhöreinrichtungen für Unterwasseranwendungen
sind auf dem Gebiet allgemein bekannt. Beispielsweise sind moderne
militärische U-Boote
mit Matrizen akustischer Sensoren ausgerüstet, die empfindliche Verfahren
zum Abhören
unter Wasser ermöglichen
und sogar Informationen über
die relative Position zulassen. Jeder Sensor reagiert auf eine ankommende
Druckwelle durch Modulieren eines Eingangssignals, und die Ausgänge aller
Sensoren werden verarbeitet, um daraus Schall- und Positionsinformation
zu extrahieren. Diese Sensormatrizen werden allgemein an der U-Boothülle angebracht
oder werden hinter dem U-Boot hergezogen. Idealerweise würden die
Sensoren an der U-Boothülle
angebracht werden, jedoch waren akustische Sensoren nach dem Stand
der Technik bisher für
viele U-Boot-Anwendungen schlicht zu schwer. Neuere Fortschritte
in der Technik der akustischen Sensormatrizen haben jedoch zu Matrizen
geführt, die
leicht genug sind, so dass man sie an einer U-Boothülle befestigen kann, und die
nach wie vor sehr große
Signalempfindlichkeiten aufweisen. Diese Gewichtsreduktion hat es
außerdem
ermöglicht, dass
die Anzahl der Sensoren gesteigert werden kann.
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Eine andere Anwendung für akustische
Unterwassersensoren liegt auf dem Gebiet der geologischen Exploration,
insbesondere bei der Unterwasserölexploration.
Auf dem Boden des Ozeans können
in der Nähe
von bekannten Ölreserven
sehr große
Matrizen mit Sensoren angeordnet werden. Ein Schiff an der Oberfläche initiiert
dann eine akustische Druckwelle (d. h. eine große Luftdruckschwankung). Die
akustische Druckwelle und ihre Reflektion am Boden des Ozeans werden
mit den Sensormatrizen erfasst. Die Daten von den Sensoren werden
anschließend
verarbeitet und analysiert, um die optimalen Bohrstellen festzulegen
oder den Status der bekannten Reservoire zu dokumentieren.
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Mit der steigenden Anzahl und Komplexität der akustischen
Sensoren bei diesen und verwandten Anwendungen ist der Umfang der
dazugehörigen Signalverarbeitungselektronik
in der gleichen Weise gestiegen. Systeme nach dem Stand der Technik
verwenden analoge Schaltungen, um die Sensoren abzufragen, aber
diese analogen Systeme unterliegen der Drift, und es ist sehr schwierig,
sie genau einzustellen. Neuere Entwicklungen haben zu faseroptischen
Abfragesensoren geführt,
die eigene Signalverarbeitungsprobleme mit sich bringen (siehe "Homodyne Demodulation
Scheme for Fiber Optic Sensors Using Phase Generated Carrier" von Anthony Dandridge,
Alan B. Tveten und Thomas G. Giallorenzi, IEEE Journal of Quantum
Electronics, Band QE-18, Nr. 10, Oktober 1982, worauf hier in vollem Umfang
verwiesen wird). Man beachte, dass in dieser genannten Literatur
eine Modulations-/Demodulations-Technik
vorgestellt wird, bei der die I- und Q-Frequenzen unterschiedlich
sind. Diese Technik wird bei der vorliegenden Erfindung verwendet.
Daher besteht ein Bedarf an Signalverarbeitungssystemen, mit denen
die Nachteile der analogen Systeme überwunden werden und die in
Verbindung mit faseroptischen Abfragesensor-Matrizen eingesetzt
werden können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abfragen von faseroptischen
interferometrischen Sensoren anzugeben, bei denen die Nachteile
beim Stand der Technik nicht mehr bestehen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein digitales Signalverarbeitungssystem zu schaffen, das nicht die
Probleme der analogen Systeme nach dem Stand der Technik aufweist.
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Es ist darüber hinaus eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein akustisches Signalverarbeitungssystem
zu schaffen, das leichter zu kalibrieren und weniger empfindlich
auf Drift ist als analoge Systeme nach dem Stand der Technik.
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Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden
Erfindung werden gelöst
durch ein akustisches Signalverarbeitungssystem mit einer Lasereinrichtung
zur Erzeugung eines optischen Eingangssignals für eine Matrix von faseroptischen
Abfragesensoren, die auf akustische Druckwellen reagieren und bei
denen jeder Sensor das optische Eingangssignal je nach der erfassten
akustischen Druckwelle moduliert. Eine Multiplexer-Einrichtung multiplext
die modulierten optischen Eingangssignale der Sensoren auf eine
einzige Leitung (oder mehrere Leitungen). Das Ausgangssignal wird
erst durch einen Polarisationsdiversity-Detektor mit wenigsten zwei
Ausgängen verarbeitet.
Fotodioden, die mit den Ausgängen
des Polarisationsdiversity-Detektors verbunden sind, wandeln das
optische Signal in einen elektrischen Strom. Opto-Empfänger wandeln
den elektrischen Strom in eine Spannung, und Analog-/Digital-Wandler
wandeln die Analogsignale in digitale Signale.
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Ein Bus-Schalter verbindet die digitalen
Signale mit mehreren digitalen Abwärtswandlern. Jeder digitale
Abwärtswandler
entspricht einer von mehreren Signalfrequenzen, wobei jeder digitale
Abwärtswandler
mit jedem Signalpfad verbunden ist und jeder digitale Abwärtswandler
zu einer bestimmten der mehreren Signalfrequenzen phasengleiche
sowie gegenphasige Daten ausgibt. Die von den digitalen Abwärtswandlern
ausgegebenen Daten werden dann von Signalverarbeitungseinheiten
weiter verarbeitet.
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Ein System-Controller verbindet die
digitalen Abwärtswandler
und den Bus-Schalter.
Ein digitaler Kalibrierungsabwärtswandler,
der durch den System-Controller gesteuert wird, simuliert den Betrieb jedes
digitalen Abwärtswandlers,
um die optimalen Einstellungen für
den digitalen Abwärtswandler
bei jedem digitalen Abwärtswandler
festzulegen. Der System-Controller aktualisiert die optimalen Einstellungen
bei jedem digitalen Abwärtswandler,
so dass die digitalen Abwärtswandler
entsprechend den optimalen Einstellungen kalibriert werden.
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Die genauen Merkmale der Erfindung
sowie ihre Aufgaben und Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der
folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei gleiche
Bezugsziffern gleiche Elemente in den Figuren bezeichnen.
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1(A) ist
ein Übersichtsblockdiagramm eines
U-Boot-Systems mit der vorliegenden Erfindung.
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1(B) ist
ein Blockdiagramm einer bevorzugten Konfiguration für die Lasermodule
zum Treiben der Sensormatrizen.
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2 ist
ein Blockdiagramm der Hardware gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein Flussdiagramm, in dem der Betrieb des System-Controllers gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist.
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4 ist
ein Flussdiagramm zur Darstellung des Phasenverschiebungsalgorithmus
für das
phasengleiche Signal (I-Daten).
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5 ist
ein Flussdiagramm zur Erläuterung des
Phasenverschiebungsalgorithmus bei dem gegenphasigen Signal (Q-Daten).
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6 ist
ein Flussdiagramm zur Erläuterung des
Funktionsablaufs des Polarisationsdiversity-Detektors (PDD) bei
der Auswahlprozedur.
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7 ist
ein Flussdiagramm zur Erläuterung des
I-/Q-Abgleichsalgorithmus.
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Die folgende Beschreibung dient dazu,
einem Fachmann auf diesem Gebiet die Herstellung und Verwendung
der Erfindung zu ermöglichen,
und sie führt
die nach Meinung des Erfinders bestmöglichen Arten der Umsetzung
der Erfindung aus.
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Verschiedene Modifizierungen bleiben
dem Fachmann jedoch offen, da die Grundprinzipien der vorliegenden
Erfindung hier auf spezielle Art definiert wurden, um eine Technik
für das
Abfragen von faseroptischen interferometrischen Sensoren bei Mehrkanalanwendungen
zu schaffen.
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1(A) ist
ein Übersichtsblockdiagramm eines
U-Boot-Systems 100 mit der vorliegenden Erfindung. Ein
Bordempfängermodul 102 enthält die erforderliche
elektronische Steuerung und Verarbeitungsschaltungen und befindet
sich innerhalb des U-Boots. Eine Matrix geringen Gewichts aus faseroptischen
Abfragesensoren 104 befindet sich auf der Hülle des
U-Boots (d. h. arbeitet im Wasser). Jeder Sensor reagiert auf eine
ankommende akustische Druckwelle, indem er ein Lichtsignal 118 moduliert, das
von dem Bordempfänger 102 ausgesendet
worden ist. Die modulierten Signale von verschiedenen Sensoren (jeder
arbeitet auf einer anderen Trägerfrequenz)
werden passiv auf ein einziges faseroptisches Kabel gemultiplext
und zum Empfänger
zurückgesendet.
Die Signale auf dem Kanal werden dann gedemultiplext und von dem
Empfänger 102 demoduliert.
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Der Bordempfänger 102 ist mit dem
Versorgungssystem des U-Boots über
eine Stromverbindung 106 verbunden. Der Bordempfänger 102 umfasst
eine Stromverteilungs- und Konditionierungseinheit 112 zur
Bereitstellung der notwendigen Leistung für die Empfängerkomponenten. Das Lichteingangssignal 118 wird
durch ein Lasermodul 116 erzeugt. Das Lasermodul umfasst
einen Laser, einen Phasenmodulator, eine Laser-Treiberkarte und
eine Laser-Controller-Karte. Der Laser, der bei der bevorzugten
Ausführungsform
verwendet wird, ist ein 200 mW Nd:YAG-Laser, Modell 125, von Lightwave
Electronics in Palo Alto, Kalifornien.
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Wie in 1(B) gezeigt,
werden bei der bevorzugten Ausführungsform
acht Laser 117a–117h verwendet,
die acht entsprechende Sensormatrizen 104a–104h treiben.
Jeder Laser versorgt 56 Sensoren (Kanäle), 28 Kanäle auf jeder Seite des U-Boots. Jeder
Laser wird durch einen Phasenmodulator 119a–119h moduliert,
wobei ein Sinuswellensignal eingekoppelt wird. Jeder Phasenmodulator 119a–119h injiziert
eine Sinuswelle mit einer anderen Frequenz [1,5 MHz bis 2,2 MHz
in der bevorzugten Ausführungsform].
Die Wellenlänge
jedes Lasers beträgt
nominell 1319 Nanometer, aber jeder Laser arbeitet auf einer verschiedenen "Farbe" bei etwa 1319 Nanometer.
Der Frequenz-Synthesizer 142 steuert unabhängig voneinander
die Temperatur jedes Lasers, wie es allgemein auf diesem Gebiet
bekannt ist, um acht verschiedene "Farben" zu erzeugen. Die ersten Kanäle von jeder
Sensormatrix werden über einen
Signal-Multiplexer 121 gemultiplext.
Dies ergibt insgesamt 56 faseroptische Kabel, die von der Sensormatrix 104 zurückkommen,
wobei jede Faser acht gemultiplexte Signale überträgt. Dieses gemultiplexte Signal
wird dann durch eine Empfängerkarte 122 verarbeitet.
In Abhängigkeit
von der Anzahl der verwendeten Sensoren können mehrere Empfängerkarten
eingesetzt werden.
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Der Frequenz-Synthesizer 142 enthält den Systemhaupttaktgeber
und steuert den Betrieb des Lasermoduls, insbesondere solche Parameter
des Lasers wie Farbe, Leistung, Temperaturüberwachung etc. Der Empfängerkarte
wird die Taktinformation über
eine Signalleitung 144 übermittelt.
Eine CPU 130 und ein dazugehöriger Speicher 140 stellen den
weiteren Empfängerkomponenten 102 Steuer- und
Statusinformation in Bezug auf die Systemebene über Datenleitungen 132, 134, 138 zur
Verfügung. Die
CPU 130 steuert außerdem
eine "Grob"-Kalibrierung der
Lasermodule, deren Einzelheiten über
den Umfang der vorliegenden Erfindung hinausgehen.
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Die Empfängerkarte 122 demultiplext
und demoduliert das zurückkommende
Signal 120 und gibt ein Signal an eine gemeinsame Strahlformungskarte 124 aus,
die eine zusätzliche
Signalverarbeitung durchführt.
Eine Faserkanalkarte 126 leitet die Signalinformation an
einen externen Faserbus 110 weiter. In der bevorzugten
Ausführungsform
werden durch jede Empfängerkarte 122 die
Signale von sieben Rückleitungsfasern
oder insgesamt 56 Kanäle verarbeitet.
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2 ist
ein Blockdiagramm mit Einzelheiten der Empfängerkarte
122 nach
1. Das Signal λ(Φ(t))
120 (aus
acht Kanälen),
das durch die akustische Sensormatrix ausgegeben wird, wird in einen Polarisationsdiversity-Detektor
(PDD)
200 eingekoppelt. Ein Beispiel für einen PDD mit drei Ausgängen ist
in
US 5 448 058 mit
dem Titel "Optical
Signal Detection Apparatus and Method for Preventing Polarization
Signal Fading in Optical Fiber Interferometric Sensor Systems" beschrieben. Bei
der bevorzugten Ausführungsform
wird eine Doppelzelle oder PDD mit zwei Ausgängen verwendet. Die PDD
200 verhindert
eine Abschwächung
des Polarisationssignals in dem Rückleitungssignal
120.
Die PDD
200 wandelt über
zwei (nicht dargestellte) Fotodioden die Lichtenergie des optischen
Rückleitungsfasersignals
120 in zwei
separate elektrische Ströme
200a,
200b um.
Bei jedem Opto-Empfänger
202a,
202b wandelt
ein Transimpedanzverstärker
den Eingangsstrom in eine Spannung um. Ein Verstärker mit variablem Verstärkungsgrad
stellt den Spannungspegel so ein, dass das Signalrauschverhältnis maximiert
wird und sichergestellt ist, dass der Spannungspegel unterhalb des
Sättigungspegels
der ADCs
204a,
204b bleibt. Anti-Aliasing-Filter
in den Opto-Empfängern
202a,
202b filtern
das Signal, bevor es zu den ADCs
204a,
204b gelangt.
Ein Digital-Analog-Wandler (DAC)
234 erzeugt einen Verstärkungsfaktor
aus einem digitalen Verstärkungswert,
der von dem System-Controller
226 für jeden Verstärker mit
variablem Verstärkungsfaktor
in jedem Opto-Empfänger
202a,
202b ausgegeben
wird.
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Die analogen Ausgänge der Opto-Empfänger 202a, 202b werden
dann durch Analog-Digital-Wandler (ADCs) 204a, 204b mit
hoher Geschwindigkeit (> 25,6
MSPS) und hoher Auflösung
(> 12 Bit) digitalisiert.
Der ADC ist in der bevorzugten Ausführungsform das Bauteil mit
der Bezeichnung 9042 von Analog Devices, Inc. Die Anzahl
der ADCs hängt
direkt von der Anzahl der Ausgänge
des PDD 200 ab. Üblicherweise
gibt es zwei Ausgänge,
aber auch drei sind möglich.
An diesem Punkt enthält
der digitalisierte Ausgang ein komplexes Signal mit allen Kanälen der
Frequenzmultiplex-Träger
mit ihrer Information auf den Seitenbändern bei dem optischen Rückleitungsfasersignal 120.
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Jeder Ausgang des ADC 204a, 204b wird gepuffert
und durchläuft
einen Mehrweg-Mehrpol-Bus-Schalter 206,
der jeden Signalpfad der ADC 204a, 204b abhört. Ein
Ausgang des Bus-Schalters 206 geht zu einem digitalen Abwärtswandler
(DDC) 228 über
einen Signalpfad 238, der Teil eines Kalibrierungskanals
ist, wie im Folgenden weiter beschrieben wird. Die Ausgänge des
Bus-Schalters 206 gehen zu den Signalkanal-DDCs 208a, 208b, 208n.
Der Zweck des Bus-Schalters 206 ist es, es jedem der DDCs
zu ermöglichen,
eine Verbindung zu irgendeinem ADC-Ausgang herzustellen. Dies wird
durch den PDD-Auswahlalgorithmus erforderlich, der weiter unten
mit Bezug auf 6 erläutert wird.
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Jeder DDC 208a, 208b, 208n agiert
als digitaler Multiplexer durch Ausführung der Abwärtsmischung
und Filterung der digitalen Information, wobei ein Kanal aus dem
Gesamtsignal ausgekoppelt wird. Der DDC-Chip in der vorliegenden
bevorzugten Ausführungsform
ist der GC4014-Chip von Graychip, Inc. Diese spezielle Vorrichtung
ist mit zwei Kanälen
einsetzbar. Bei anderen Ausführungsformen
braucht jeder Chip nur für
einen halben Kanal eingesetzt zu werden. Die Anzahl der DDCs, die
benötigt
werden, hängt
von der Anzahl der Kanäle
ab, die bei einer bestimmten Anwendung eingesetzt werden. Wenn beispielsweise
das Eingangssignal 120 acht gemultiplexte Kanäle umfasst,
so werden vier DDC-Chips benötigt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
werden 28 DDCs (56 Kanäle)
pro Empfängerkarte 122 verwendet,
aber nur ein Controller für
DDC-Kalibrierung und System wird benötigt (wie weiter unten beschrieben
wird). Damit werden sieben Kanalgruppen benötigt, um alle 56 gemultiplexten
Signale zu verarbeiten (8 Kanäle
pro gemultiplextem Matrixausgangssignal).
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Jeder DDC 208a, 208b, 208n gibt
sowohl phasengleiche (I-) als auch gegenphasige (Q-) Worte aus,
die die rechteckigen Komponenten der Phase darstellen. Diese I-
und Q-Komponenten der DDCs 208a, 208b, 208n sind
Zeitmultiplex-Signale (TDM) auf separaten I- und Q-Bussen. Die Ausgangssignalpfade 210, 212 (die
seriell, unidirektionale Datenpfade in der bevorzugten Ausführungsform
sind) erzeugen die I- und
Q-8-Bit-Worte für
einen Puffer 214, der die Worte puffert und außerdem die
8-Bit-Worte in 16-Bit-Worte
wandelt.
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Die I- und Q-Worte werden von allen
DDCs in zeitlicher Abfolge demoduliert. Die I- und Q-Worte werden durch einen Koordinatentransformator 216 von
der kartesischen in die polare Form gebracht. Der Koordinatentransformator 216 der
bevorzugten Ausführungsform
ist ein TMC2330A-Chip von Raytheon Corp., es kann aber auch eine
andere, ähnliche
Vorrichtung verwendet werden. Der Ausgang des Koordinatentransformators 216 ist
der momentane Phasenwinkel, dessen Änderung direkt mit der Änderung
des akustischen Druckes des akustischen Signals aus der Umgebung
zusammenhängt
und dessen Änderungsrate
direkt mit der Frequenz des akustischen Signals aus der Umgebung
bei einem gegebenen optischen Fasersensor zusammenhängt. Die
unmittelbaren Kanal-Kanal-Phasenwinkel werden in einem akustischen
Signalprozessor 218 mit Integrations- und Filteralgorithmen
weiter verarbeitet. Der Ausgang des akustischen Signalprozessors 218 kann
dann weitergeleitet werden an eine visuelle Anzeige oder an weitere
Signalverarbeitungsblöcke. Zwei
DACs 222, 224 erzeugen I- und Q-Signale, die zum
Testen oder zur Darstellung der Ausgangssignale verwendet werden
können.
Beispielsweise können die
I- und O-Signale mit den X- und Y-Eingängen eines Oszilloskops verbunden
werden, um die I- und Q-Signale grafisch darzustellen.
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Der Betrieb bei der Kalibrierung
wird im Folgenden beschrieben. Der Ausgang 238 des Bus-Schalters 206 versorgt
den Kalibrierungskanal DDC 228. Wenn es mehr als eine PDD 200 gibt,
so gibt es mehr als einen Bus-Schalter 206 zur Versorgung
des Kalibrierungskanals DDC 228 in TDM-Art. Der Kalibrierungskanal
DDC 228 ist so geschaltet, dass er der Reihe nach jeden
Signalkanal simuliert. Der Kalibrierungskanal bietet die Möglichkeit,
die Ausgangswahl des PDD, die Phasenverschiebungseinstellung und
den I/Q-Abgleich auf der Basis jeweils eines Signalkanals zu überprüfen, ohne
dass dies stört.
Die Daten werden durch den DDC 228 zu I- und O-Worten verarbeitet, ähnlich dem
Signalkanal DDC 208a, 208b, 208n. Die
I- und Q-Worte werden durch den System-Controller 226 verarbeitet,
um die Information zu extrahieren, die notwendig ist, um die Kanalleistung
zu bestimmen. Der System-Controller 226 der bevorzugten
Ausführungsform
ist ein ADSP 2181 von Analog Devices, Inc.
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Der Betrieb des System-Controllers 226 wird im
Folgenden mit Bezug auf das Flussdiagramm in 3 erläutert.
Die folgenden Schritte werden durch eine Software abgearbeitet,
die in dem ROM 232 des System-Controllers abgespeichert
ist, der Code kann aber auch durch die System-CPU 130 bei
Initialisierung des Systems in ein RAM geladen werden. Beim Einschalten
oder Wiedereinschalten 300 des Systems werden alle Interrupts
im Schritt 302 gesperrt. Die digitale Signalverarbeitung
(DSP) wird zusammen mit einem RAM-Speicher und den DDCs im Schritt 304 initialisiert.
Die Interrupts werden dann im Schritt 306 freigegeben.
Ein Signalkanal und ein Kalibrierungskanal werden im Schritt 308 ausgewählt. Dann
wird das beste PDD-Signal im Schritt 310 ausgewählt. Diese
PDD-Auswahl wird weiter unten mit Bezug auf 6 beschrieben. Ein Phasenverschiebungsalgorithmus
für die
I-Komponente wird im Schritt 312 durchgeführt, der
im Einzelnen in 4 gezeigt
ist. Ähnlich
wird ein Phasenverschiebungsalgorithmus für die Q-Komponente im Schritt 314 durchgeführt, wie
es in 5 gezeigt ist.
Ein I/Q-Abgleichsalgorithmus
wird im Schritt 316 durchgeführt, was im Einzelnen in 7 dargestellt ist. Die Schritte 308 bis 316 werden
für jeden
Kanal wiederholt, bis alle Kanäle
kalibriert worden sind. Bei einer Ausführungsform wird die Kalibrierung
nur beim Start des Systems durchgeführt. Bei der bevorzugten Ausführungsform
jedoch wird die Kalibrierung für
jeden DDC über
die gesamte Betriebszeit des Systems durchgeführt. Dies führt zu einer dynamischen Kalibrierung des
Systems, wobei das System durch die Kalibrierung nicht gestört wird,
da die Signalverarbeitungsfunktionen davon unbetroffen bleiben.
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Das Verfahren zum Auswählen des
besten PDD-Signals (Schritt 310) ist in dem Flussdiagramm in 6 gezeigt. Im Schritt 602 wird
der erste ADC 204a ausgewählt, und die I- und Q-Datenabtastwerte erhält man bei
Schritt 604. Ein Maximalwert ISpitze-Spitze wird
im Schritt 606 berechnet. Der Maximalwert ISpitze-Spitze aus
Schritt 606 wird dann im Schritt 608 abgespeichert.
Dann wird der zweite ADC 204b im Schritt 610 ausgewählt. Die
I- und Q-Datenabtastwerte werden dann für den zweiten ADC 204b im
Schritt 612 ermittelt. Im Schritt 614 wird wieder
ein Maximalwert ISpitze-Spitze berechnet,
und dieser Wert wird im Schritt 616 abgespeichert. Im Schritt 618 werden
die beiden abgespeicherten Maximalwerte ISpitze-Spitze anschließend miteinander
verglichen. Der ADC, der den größeren Wert
ISpitze-Spitze erzeugt, wird dann ausgewählt (Schritt 620, 622).
Da das Auswählen
verschiedener ADCs die I- und Q-Signalpegel symmetrisch betrifft, muss
nur ein Signal (I oder Q) untersucht werden. Man beachte, dass die
PDD-Auswahl separat für
jeden Kanal durchgeführt
wird. Damit können
bei verschiedenen DDC tatsächlich
verschiedene ADC-Eingänge
verwendet werden, weshalb jeder DDC mit beiden ADCs verbunden sein
muss.
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Der Phasenverschiebungsalgorithmus
für die
I-Komponente (Schritt 312) und die Q-Komponente (Schritt 314)
ist in den 4 und 5 gezeigt. Der Zweck dieses
Algorithmus ist es, die Phasenverschiebungen, die zu einem maximalen
phasengleichen Signal (I-Daten) und gegenphasigen Signal (Q-Daten)
für jeden
Kanal führen,
zu bestimmen. Dies wird erreicht durch Programmierung der Kalibrierung
der Kanalsteuerregister der DDCs 228 mit verschiedenen
Phasenverschiebungen bei gleicher Phasenzunahme und Auslesen der
entsprechenden I- und Q-Daten aus den Kanalausgangsregistern. Die I-
und Q-Daten der Kalibrierung von DDC 228 werden durch den
System-Controller 226 ausgelesen und in zwei separaten
Puffern abgelegt. Sobald eine ausreichende Anzahl von Datenabtastwerten
zusammengekommen ist, wird der Phasenverschiebungsalgorithmus mit
den I- und Q-Daten durchgeführt.
Der Ausgang der Phasenverschiebungsalgorithmen wird eine I-Phasenverschiebung
und eine Q-Phasenverschiebung
erzeugen, die die Verschiebungen darstellen, die zum maximalen Amplitude
der I- und Q-Signale führen.
Dieser optimale Offset wird dann in den dazugehörigen Signalkanal DDC gespeichert.
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Bei Schritt 404 wird eine
Phasenzunahme in der Kalibrierung DDC 228 gespeichert,
und die I- und Q-Datenwerte werden so ermittelt. In Schritt 406 wird ein
Maximalwert Spitze-Spitze für
I berechnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform 32 werden
Abtastwerte verwendet, aber in Abhängigkeit von der Anwendung
werden entweder mehr oder weniger Abtastwerte verwendet. Wenn der
I-Wert, berechnet bei Schritt 406, größer oder gleich einem vorherigen Wert
ist, so wird eine variable MAX I(n)Spitze-Spitze gleich dem
Stromwert I gesetzt, und die entsprechende Phase wird ebenfalls
im Schritt 410 gesichert. Andernfalls wird MAX I(n) als
Variable dem vorherigen Wert von I gleichgesetzt im Schritt 412,
und der entsprechende Phasenwert wird gesichert. Dieses Verfahren
wird im Schritt 402 wiederholt, bis alle I-Phasenerhöhungen getestet
worden sind. Der resultierende Wert MAX I(n) wird dann in dem entsprechenden
DDC-Chip zu dem aktuellen Kanal gespeichert.
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Das Verfahren zum Bestimmen des Q-Phasenverschiebungswertes
ist ganz genau das gleiche wie das Verfahren zum Bestimmen des I-Phasenverschiebungswertes,
wie es in 5 gezeigt
ist, und die genaue Erläuterung
des Flussdiagramms wird hier nicht wiederholt.
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7 ist
ein Flussdiagramm zur Erläuterung des
I/Q-Abgleichsalgorithmus (Schritt 316 in 1). Dieses Verfahren ist notwendig, um
das Maximum der I- und Q-Vektoren
zu normalisieren, um die Fehler bei der Winkelberechnung zu minimieren.
Im Schritt 700 werden die I- und Q-Stromverstärkungseinstellungen
für den
aktuellen Signalkanal gelesen, und die I- und Q-Datenabtastwerte
ergeben sich für den
aktuellen Kanal. Bei Schritt 704 werden die I- und Q-Werte
miteinander verglichen. Wenn I größer als Q ist, dann wird ein
neuer I-Verstärkungsfaktor
im Schritt 706 berechnet. Der neue I-Verstärkungswert ist gleich dem momentanen
I-Verstärkungswert,
multipliziert mit dem Quotienten [Q/I]. Wenn jedoch I nicht größer als
Q ist, so wird ein neuer Q-Verstärkungsfaktor
berechnet im Schritt 708. Der neue Q-Verstärkungsfaktor
ist gleich dem momentanen Q-Verstärkungsfaktor, multipliziert
mit dem Quotienten [I/Q]. Die Verstärkungswerte werden dann neu
in den DDC des momentanen Signalkanals geschrieben.
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In der bevorzugten Ausführungsform
sind der Steuersignalbus und der Datenbus für die DDCs separat. Der Steuersignalpfad
zwischen den DDCs und dem System-Controller
ist ein separater bidirektionaler Parallelbus. Die Datensignale
werden auf einen separaten seriellen Bus ausgegeben. Durch die Verwendung
verschiedener Busse, um Daten in und aus den DDCs zu bewegen, werden
im Hintergrund laufende Kalibrierungsoperationen parallel zu dem Fluss
bei der Datenverarbeitung von Signalen mit hoher Geschwindigkeit
durchgeführt.
Als ein Ergebnis können
sowohl Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung als auch Kalibrierung
im Hintergrund zur selben Zeit erfolgen. In einer zweiten Ausführungsform teilen
sich sowohl Signal- als auch Steuerinformation den gleichen parallelen
Bus, und auf Grund von Engpässen
auf dem Bus laufen die Kalibrierungsroutinen nur beim Start oder
wenn eine Unterbrechung im Normalbetrieb des Systems vorliegt.