DE3441290A1 - Signalverarbeitungsanlage - Google Patents

Description

SignalVerarbeitungsanlage

Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsanlage zum Bilden eines Frequenzspektrums unter Ausnutzung beispielsweise von magnetischer Kernresonanz. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Signalverarbeitungsanlage zum Bilden eines Frequenzspektrums durch automatisches Kalibrieren bzw. Abgleichen von Fehlern.

Zum Bilden eines Frequenzspektrums durch Anwenden der magnetischen Kernresonanz ohne irgendeine Fehlerabgleichsfunktion sollten Einstellungen wie bei folgender Anlage gemacht werden. Hierbei werden zwei Referenzsignale mit einem Phasenunterschied von 90° je in zwei empfindliche Phasendetektoren eingegeben, von denen jeder das gleiche Ausgangssignal hat, um synchrone Erfassung zu gewährleisten, wobei Absorptionskomponenten und Dispersions- bzw. Streukomponenten ausgegeben werden. In diesem Fall fallen wahrscheinlich Signale weg, weil Verstärker ihnen eigene, umempfindliche Zeitabschnitte aufweisen. Es ist deshalb notwendig, synchrone Erfassung durch Produzieren eines Echosignals auszuführen, um das Wegfallen von Signalen zu verhindern. Das Frequenzspektrum wird dadurch gebildet, daß Ausgangssignale erfaßt und in einem Computer einer Signalverarbeitung unterzogen werden. Wenn die erfaßten Signale in dem Computer in digitale

-: 5

Form umgewandelt sind, sollten die Mitten jeweils der Absorptionskomponente und der Dispersionskomponente des Echosignals in digitaler Form vorliegen. In diesem Fall müssen Kontrollen der Meßgeräte und Vorrichtungen vorgenommen werden, damit keine Abwandlungen des Echosignals aufgrund des Alterns der Verstärker und der sensiblen Phasendetektoren entstehen, wodurch ein Signal aus der ersten Hälfte oder aus der zweiten Hälfte in Bezug auf die Mitte des Echosignals für die Spektralanalyse benutzt wird. Es ist jedoch schwierig, den Phasenabgleich der Referenzsignale durchzuführen und die Absorptionskomponenten und die Dispersionskomponenten eines Ausgangssignals des sensiblen Phasendetektors zu liefern oder durch Altern hervorgerufene Änderungen der Eigenschaften von Meßgeräten und Vorrichtungen zu eliminieren. Weiterhin ist es auch schwierig, es so einzurichten, daß die Mitte des Echosignals einen digitalen Wert hat, weshalb es schwierig ist, einen Halbteil des Signals in Bezug auf die Mitte des Echosignals zu verwenden, um die Spektralanalyse durchführen zu können. Das Ergebnis ist ein Fehler des Frequenzspektrums, und es ist deshalb notwendig, den Fehler abzugleichen.

Der Betrieb der herkömmlichen Signalverarbeitungsahlage zum Fehlerabgleich wird mit Bezug auf Fig. 1 üftd Fig. 2 beschrieben.

Figur 1 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau des herkömmlichen Systems zeigt.

Die herkömmliche Signalverarbeitungsanlage umfaßt einen Verstärker 2 zur Verstärkung eines Signals, das von einem Empfänger 1 empfangen wird, einen ersten Verteiler 3 zum Aufteilen eines vom Verstärker 2

empfangenen Signals in zwei Teile, einen zweiten Verteiler 6 zur Aufteilung eines Signals eines Phasenschiebers 5, welcher die Phase eines von einem Oszillator 4 zugeführten Referenzsignals in zwei Teile aufteilt, einen ersten hochempfindlichen Phasendetektor 8 zum synchronen Abtasten des Ausgangssignals des ersten Verteilers 3 mithilfe eines Ausgangssignals des zweiten Verteilers 6, und einen zweiten empfindlichen Phasendetektor 9, welcher synchrone Ausgangssigna-Ie des ersten Verteilers 3 mithilfe eines Ausgangssignals eines 90°-Phasenschiebers 7 abtastet, der eine 90°-Phasenverschiebung eijies Ausgangssignals des zweiten Verteilers 6 bezüglich eines in den ersten Phasendetektor 8 eingegebenen Referenzsignals verursacht.

Ein erster A/D-Wandler 10 und ein zweiter A/D-Wandler 11 gewährleisten das Umsetzen der jeweiligen Ausgangssignale des ersten und zweiten Phasendetektors 8, 9 in digitale Form. Die Ausgangssignale des ersten und zweiten A/D-Wandlers 10, 11 werden durch eine Eingangsschaltung 15 in einen CPU 13 eingegeben, um in einem Speicher 14 gespeichert zu werden; die letztgenannten Baugruppen bilden einen Computer Die CPU 13 gibt die in dem Speicher 14 gespeicherten Daten durch eine Ausgabeschaltung 16 weiter an eine Katodenstrahlröhre (CRT) 17, welche das Frequenzspektrum darstellt.

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, welches Schritte zum Formen eines Frequenzspektrums darstellt, das in dem Speicher 14 des Computers 12 gespeichert ist.

J₇-I-

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Als erstes wird ein Echosignal in den ersten und zweiten A/D-Wandler 10, 11 eingegeben, wo es in digita le Form umgewandelt wird. Die digitalen Signale werden in die Eingangsschaltung eingegeben, um die Signaleingabe 21 auszulösen. Nach Erhalt der Signale von der Eingangsschaltung 15 werden die zu verarbeitenden Daten S (t) und S (t) in der Datenaufbereitungsstufe

C S

22 aufbereitet.

S^(t) = {Ausgangssignal des ersten A/D-Wandlers (10)}

mit 0 =t =tf

S_g(t) = {Ausgangssignal des zweiten A/D-Wandlers (11)} mit O =t =tf.

Dabei ist t = O der Startzeitpunkt der A/D-Wandlung des Echosignals; t = tf ist der Endzeitpunkt der A/D-Wandlung des Echosignals, wobei angenommen wird, daß zur Zeit t = 0 die Umgebung der Mitte des Echosignals einer A/D-Wandlung unterworfen wird, und daß das Echosignal zu klein ist, einer A/D-Wandlung zur Zeit t = tf unterzogen zu werden.

Die Signale S (t) und S (t) können wie unten beschrieböH ausgedrückt werden» wenn eine ^"-Phasenverschiebung !zwischen den Referenzsignalen des ersten und !tie's zweiten sensiblen Phasehdetektors 8 und 9 stattgefunden hat und wenn die Ausgabe und Eigenschaften der Detektoren die gleichen sind.

^ö _c ^{t> = /**Af(ß)cos{Q(t-t₀) - (ffi+0)}dQ S_s(t) = I * ~Af (fi)sin{ß(t-t_fl) - (t'ß+o)}d^

Hierbei ist A die Gesamtheit der Ausgangssignale

---■-■ -'s - 3441230

des ersten und zweiten hochempfindlichen Phasendetektors 8 und 9; f(fi ) ist das Spektrum einer gesuchten Winkelfrequenz Ω; t_Q ist die Zeitabweichung von der Mitte des Echosignals bis zum ersten Zeitpunkt, zu dem dieselbe tatsächlich einer A/D-Wandlung unterzogen wird, und t'ß+ 0 ist ein beliebiger Fehler anderer Ursachen.

Es wird angenommen, daß ^s(t) = A.^^ftfOe " dft ohne jeden Fehler ist. Dann ist t» = 0 und t'n + 0 = 0; es folgt die Gleichung:

S (t)+iS (t) = A/^ f (S)COS Q td ß+iA/^ « f (ß)sin 8 td^ß

C S

= S(t)

F( fi) und S(t) können durch eine inverse Fourier-Transformation erhalten werden. Reelle und imaginäre Teile

von S (t) und S (t) werden für die inverse Fourier— c ε

Transformation in eine Datenwandlungsstufe 23 eingegeben, um h( fi) wie folgt zu erhalten.,

hCI) = ₅ir.'rs(t)e"^iiität

2. t\ U

= 2^Ä^;{T ^{Sc^(t)

^O °° ^is _c ^{{t)cos Ω} t+S_s(t)sin ^ß t+ +i{S_e(t)cos Ω t-S (t)sin ^Ω t}]dt

5 C

Unter Verwendung eines reellen Teils von h(n) bleibt f { n) übrig, welches ausgedrückt wird durch:

f( η) = reeller Teil von {h( n)}

ie*! dem herkömmlichen Verfahren wird das Frequenzspektrum durch Anwenden der zugehörigen Gleichung ermit-

Uit*

iti Üfehri elh Piehiir vorliegt, kann folgender Ausdruck aufgestellt werden:

s ItI + is (t) = A/^(n)cos{n(t-t_n)-(t'fi+o)}dß

ik + iA/⁺°° f ( ß)sin{n(t-t_n)-(t'n +0)}dii

·■' ■ - e-^ioS(t-t₀-f )

Entsprechend kann man f( n) und S(t) durch die inverse Courier-Transformation erhalten. Reelle und imaginäre Teile von S (t) und S (t) werden einer inversen föÜrier-Transformation in der Datenwandlungsstufe £i Unterzogen, um g(fl } zu erhalten.

^{iRt at}

fit

-S_ctt)sifa ü
dahh etg^öiaen sich folgende Gleichungen:

^{+ is} _s ^(t)>^e -53ί ^{e lo}Bit-t₀-f)e

__ _e-^iiO+n(t0^+tl)}S(t-t_n-f

2 TA -t_o-t' O

χ d(t-t_o-t')

^.i{Ofß(Vt-)}_(/j-_+/O_t __t.)S(t-t₀-f)

χ e-^in(t-V^tI}d(t-t₀-t· )

χ e O a(t-t_o-t')}

Da die in der Datenwandlungsstufe 23 erhaltene Funktion g( η) einen Fehler in den Gleichungen einschließt, sollte der in g( ß) enthaltene Koeffizient _e~i{0+-(t_Q+t')Jeliminiert werden. In der Datenverarbeitungsstufe 24 wird das Produkt von g(n ) und

i{O+"(t₀+t')} unter Annahme des Wertes von 0 + o(t_Q + t¹) angegeben. Dadurch erhält man die Formel

Da das Ergebnis der Datenverarbeitungsstufe 24 nicht als Frequenzspektrum ausgegeben wird, wird das Ausgangsergebnis der Datenverarbeitungsstufe 24 in eine Abgleichstufe 26 durch eine Diskriminierungs- oder Auswahlstufe 25 eingegeben; dort wird der Abgleich durchgeführt, um den Term

Null werden zu lassen.' Der Abgleich in der Abgleichstufe 26 wird nicht aufgrund einer Analyse durchgeführt,

* y - -ill :-

sondern durch eine empirische Punktion, die durch Erfahrung gewonnen wurde. In der Abgleichstufe 26 wird ein Frequenzspektrum gewonnen, und der reelle Teil von h( ß) wird während des Laufes von der Diskriminierungsstufe 25 zu einer Spektrumsausgangsstufe 27 gewonnen; so erhält man ein Spektrum f( ß). Das Spektrum, das in der Spektrumsausgangsstufe 27 enthalten ist, gelangt über die Ausgangsschaltung 16 zur CMt 17 zum Zwecke einer Spektrumsdarstellung.

ib ^f

iei dem herkömmlichen Verfahren des Fehlerabgleichs wie Oben erwähnt werden beide Werte Null und t~ + t¹ angenommen, und schließlich verbleibende Fehler werden empirisch aufgrund von Erfahrung abgeglichen.

Entsprechend gab es Nachteile wie den, daß eine Funktion zum Fehlerabgleichen künstlich vorgegeben werden mußte, und,daß das Echosignal nur für einen halben Anteil benutzt werden konnte, wenn eine Signalverarbeitungsanlage zu gestalten war.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Signalverarbeitungsanlage zu schaffen, welche es unnötig macht, eine Erfahrungsfunktion zum Fehlerabgleich zu verwenden, ÜHd Öie einen einfachen Aufbau hat, wobei das Fredjüenzspektrum mittels einer Datenaufbereitungsstufe,

üatöriwandlungssfctiffe Und einer Spektrumsaufberei-

erhalten werden kann, indem ein Echosignal lange gemesseh wird, ohne daß Parameter den Fehlerabgleich aufgrund von Annahmen gesetzt Werden müssen.

biese uhd andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind mit einer Signalverarbeitungsanlage gelöst, welche folgende Teile umfaßt:

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einen Empfänger zum Empfang eines Signals, einen Verstärker zur Verstärkung des vom Empfänger empfangenen Signals, einen Verteiler zur Verteilung des vom Verstärker verstärkten Signals in zwei Teile, zwei hochempfindliche Phasendetektoren, welche die zwei Signalteile empfangen, um sie synchron bezüglich eines von einem Oszillator empfangenen Referenzsignales abzutasten, zwei A/D-Wandler zum Wandeln der Ausgänge der beiden Phasendetektoren in digitale Form, eine Datenaufbereitungsvorrichtung zum Aufbereiten der zu verarbeitenden Daten unter Verwendung der Ausgangssignale der beiden A/D-Wandler , eine Datenwandlungsvorrichtung zum Wandeln der mittels der Datenaufbereitungsvorrichtung aufbereiteten Daten und eine Spektrenformvorrichtung zum automatischen Fehlerabgleich der durch die Datenwandlungsvorrichtung aufbereiteten Daten, um ein Frequenzspektrum zu bilden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert: Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Konstruktion einer

herkömmlichen Signalverarbeitunsanlage; 25

Fig. 2 ein Flußdiagramm, welches die Schritte zur Formung eines Frequenzspektrums zeigt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild, welches eine Ausführung einer Signalverarbeitungsanlage gemäß der

vorliegenden Erfindung darstellt, und

Fig. 4 ein Flußdiagramm, das die mit der Ausführung

nach Fig. 3 vorzunehmenden Schritte darstellt.

Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun

mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 5

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer ausgeführten Signalverarbeitungsanlage gemäß der Erfindung. In Fig. 3 sind die Baugruppen mit den Bezugszeichen

I bis 11 dieselben wie die in Fig. 1. Die Signalverarbeitungsanlage nach der Erfindung umfaßt zusätzlich zu den Baugruppen 1 bis 11 eine Datenaufbereitungsvorrichtung 31 zur Aufbereitung der Daten, die von den Ausgängen des ersten und zweiten A/D-Wandlers 10,

II herkommen, eine Datenwandlungsvorrichtung 32 zum

Wandeln der Daten, die durch die Datenaufbereitungsvorrichtung 31 erzeugt worden sind, eine Spektrenformvorrichtung 33 zum Formen eines Frequenzspektrums aus den in der Datenwandlungsvorrichtung 32 gewandelten Daten, und einen CRT 17 zum Abbilden des Frequenzspektrums, das durch die Spektrumsformvorrichtung 33 gebildet wurde. In der Signalverarbeitungsanlage gemäß Fig. 3 sind der erste und der zweite hochempfindliche Phasendetektor 8 und 9 gleich wie bei der herkömmlichen Anlage nach Fig. 1.

Die Arbeitsweise der Anlage wird mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Fig. 4 ist ein FluBdiagramm, das ein in den Computer 12 eingespeichertes Programm zum Bilden eines Frequenzspektrums darstellt.

Eine Signaleingangsstufe 41 wird aktiviert, wenn Anteile eines Echosignals, die durch den ersten und zweiten A/D-Wandler 10, 11 digitalisiert worden

sind, in die Eingangsschaltung 15 eingegeben werden. Auf Empfang der Signale werden die Daten S (t) und S (t) in einer Datenaufbereitungsvorrichtung 42 aufbe-

reitet. S (t) und S (t), die beide einen Fehler enthal-

C S

ten, lassen sich wie folgt darstellen:

S_c(t) = {Ausgangssignal des ersten A/D-Wandlers 10}

mit 0= t ^tf

S (t) = {Ausgangssignal des zweiten A/D-Wandlers 11} mit 0= t ^

Dabei gilt: t = 0 ist der Startzeitpunkt der A/D-Wandlung des Echosignals, t = tf ist der Endzeitpunkt der A/D-Wandlung des Echosignals, wobei zu den Zeitpunkten t = 0 und t = tf das Echosignal zu klein ist, einer A/D-Wandlung unterzogen zu werden, und das Echosignal zwischen den Zeitpunkten t = 0 und t = tf vorhanden ist.

Da zwischen den Referenzsignalen des ersten und des zweiten hochempfindlichen Phasendetektors 8 und 9 eine Phasenverschiebung von 90° besteht, können S_(t) und S (t) wie folgt ausgedrückt werden:

s_c(t) =/

Af(ß)sin{ß(t-t_n)-

Darin ist A die Größe der Ausgangssignale des ersten und des zweiten hochempfindlichen Phasendetektors 8 und 9; tp ist der Zeitpunkt, welcher der Mitte des Echosignals, welches der A/D-Wandlung unterzogen wurde, zuzuordnen ist, und f( a) bzw. t'n+0 sind jeweils Frequenzspektrum bzw. ein Fehler wie oben

- 15 -

bei dem herkömmlichen Verfahren beschrieben.

Wenn man von einer Gleichung S(t) ξ AZ_-00 f(^)e dfi ausgeht, dann ergeben sich folgende Gleichungen

S (t) + iS (t) = A/*«f(fi)eos{ß{t-t_(J)-(t^lß+0)}dß

+1AZ⁺⁰⁰ f(C)_Sin{ß(t-t_n)-(f.Q+O)}dr,

— oc U

= e~^ioS(t-t₀-f)

F( si) und S(t) können durch eine inverse Fourier-Transformation erhalten werden. Die inverse Fourier-Transformation wird jeweils auf die reellen und die imaginären Teile von S (t) und S (t) angewendet, um k(fl )wie

C S

folgt zu erhalten:

r^ioS(t-t-f >e-^iOtdt

t Jin ~ O

2πΑ

χ d(t-t_o-f)

-tQ-t )e

unter Verwendung von k( ω), das in der Datenwandlungsvorrichtung 43 erhalten wurde, wird ein Frequenzspektrum f( n) = \k{ ß)|in einer Spektrenform vorrichtung 44 angegeben. Da das Spektrum f( Ω) den absoluten Wert des Ausgangssignals der Datenwandlungs vorrichtung 43 für die Spektrenformvorrichtung 44 haben soll, wird das Spektrum f( Ω) über die Ausgabe-

schaltung 16 an den CRT 17 mithilfe einer Spektrumsausgangsstufe 45 gefolgt von einer Spektrumsanzeigestufe 46 ausgegeben, worauf das Frequenzspektrum auf dem CRT 17 angezeigt wird.

In dieser Ausführung der Anlage wird ein Computer benutzt, um das Frequenzspektrum zu bilden. Es ist jedoch möglich, auch eine andere Rechenvorrichtung zu verwenden.

- Leerseite -

Claims (7)

Ansprüche

1. Signalverarbeitungsanlage, gekennzeichnet durch einen Empfänger (1) zum Empfangen eines Signals, einen Verstärker (2) zum Verstärken des vom Empfänger (1) empfangenen Signals, einen Verteiler (3) zum Aufteilen des mittels des Verstärkers (2) verstärkten Signales in zwei Teile, zwei Phasen-Detektoren (8,9), welche die beiden Signal-Teile empfangen, um sie synchron bezüglich eines von einem Oszillator (4) empfangenen Referenzsignales abzutasten, zwei A/D-Wandler (10,11) zum Wandeln der Ausgänge der beiden Phasen-Detektoren (8,9) in digitale Form, eine Datenaufbereitungsvorrichtung

(31) zum Aufbereiten der zu verarbeitenden Daten unter Verwendung der Ausgangssignale der beiden A/D-Wandler (10,11), eine Datenwandlungsvorrichtung

(32) zum Wandeln der mittels der Datenaufbereitungsvorrichtung (31) aufbereiteten Daten und eine Spektrenformvorrichtung (33) zum automatischen

'-■ ^; 3A41290

Fehlerabgleich der durch die Datenwandlungsvorrichtung (32) aufbereiteten Daten, um ein Frequenzspektrum zu bilden.

2. Signalverarbeitungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenwandlungsvorrichtung (32) die zu verarbeitenden Daten in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Datenwandlungsformel umwandelt.

3. Signalverarbeitungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektrenformvorrichtung (33) ein Frequenzspektrum in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spektrenbildungsformel erzeugt.

4. Signalverarbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden empfindlichen Phasendetektoren (8,9) ein Ausgangssignal über einen Verteiler

(3) von einem Oszillator (4) empfängt, wobei dieses Ausgangssignal einer Phasenänderung in einem Phasenschieber (5) unterzogen wurde und dieser eine Phasendetektor (8) außerdem ein Ausgangssignal von einem Empfänger (1) nach Verstärkung mittels eines Verstärkers (2) empfängt und daß der andere Phasendetektor (9) ein Ausgangssignal eines Oszillators (4) über den Phasenschieber (5), den Verteiler (6) und einen 90°-Phasenschieber (7) empfängt, in welchem das Ausgangssignal einer Phasenänderung unterzogen ist, und auch der andere Phasendetektor (9) ein Ausgangssignal von dem Empfänger (1) empfängt, welches durch den Verstärker (2) verstärkt wurde.

5. Signalverarbeitungsanlage nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenaufbereitungsvorrichtung (31) Daten nach einer Fourier-Transformation der Ausgänge des A/D-Wandlers (10,11) aufbereitet. 5

6. Signalverarbeitungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenwandlungsvorrichtung (32) die Daten mittels einer vorgegebenen inversen Fourier-Transformation verarbeitet.

7. Signalverarbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Katodenstrahlröhre (17) zum Darstellen eines Ausgangs der Spektrenbildungsvorrichtung.