DE1275629B - Verfahren zur Befreiung wiederholbarer Spannungsverlaeufe von statistischen Stoerungen und Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H04b

Deutsche KL: 21 a4-22/04

Nummer: 1275 629

Aktenzeichen: P 12 75 629.5-35 (V 26879)

Anmeldetag: 30. September 1964

Auslegetag: 22. August 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befreiung wiederholbarer Spannungsverläufe, die die Abhängigkeit einer als Spannung darstellbaren Größe von einer anderen Größe repräsentieren, von statistischen Störungen (Rauschen).

Bei der Übermittlung von Informationen beliebiger Art treten statistische Störungen auf, die in der Informationstheorie in Anlehnung an die Erscheinungsform, in der solche statistischen Störungen bei der Übermittlung von Sprache auftreten, als Rauschen bezeichnet werden. Dieses Rauschen kann nicht unter eine gewisse, durch die Anordnung und die Arbeitsbedingungen unveränderlich gegebene Größe herabgedrückt werden.

Bei der Übermittlung von Informationen ist man deshalb darauf angewiesen, das Verhältnis der die Information darstellenden Größe zum Rauschpegel so hoch wie möglich zu machen. Das geschieht in der Regel dadurch, daß die Information als Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt wird, ao Diese Spannung wird verstärkt, so daß die die Information darstellende Spannung ausreichend hoch über dem Rauschpegel liegt.

In einer ganzen Reihe von Fällen, vor allem in der Meßtechnik, wie etwa bei der Durchmessung von as Kernresonanz-Spektren oder bei der Messung von Spannungen an lebenden Zellen, ist jedoch bereits die gewonnene Information, d. h. die vom Meßfühler gelieferte Spannung, mit einem so starken Rauschanteil behaftet, daß praktisch kein Unterschied mehr zwischen dem eigentlichen Signal und dem Rauschen festgestellt werden kann. Durch anschließende Verstärkung würde selbstverständlich der Rauschanteil im gleichen Maß verstärkt, so daß dadurch keine Verbesserung erzielbar ist. Da ein solches Signal nicht über den Rauschpegel hinausragt, sind Schwellwertschaltungen ebenfalls nicht anwendbar.

Wegen der statistischen Natur des Rauschens läßt sich das Verhältnis Signal/Rauschen dadurch verbessern, daß das Signal mehrfach wiederholt wird. Die Signale oder Amplituden des Spannungsverlaufes addieren sich bei mehrfachem Wiederholen, während der Rauschanteil in der Summe geringer wird. Durch mehrfache Wiederholung steigt das Verhältnis Signal/ Rauschen mit der Wurzel aus der Zahl der Wiederholungen, so daß durch entsprechend häufige Wiederholung ein ausreichend störungsfreies Signal erhalten werden kann.

Auf Grund dieser Erkenntnis wurden bereits TeIegraphieimpulse mehrfach wiederholt gesendet, und die Impulse wurden photographisch summiert. Die Rauschanteile ergaben bei diesem Verfahren nur eine Verfahren zur Befreiung wiederholbarer
Spannungsverläufe von statistischen Störungen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

Varian International A. G., Zug (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. K. Bernhardt, Patentanwalt,

8000 München, Mainzer Str. 5

Als Erfinder benannt:

Arthur Bodmer, Zürich (Schweiz)

geringe Schwärzung, während die Impulse eine kräftige Schwärzung der photographischen Schicht hervorriefen, so daß eine gute Erkennbarkeit der Impulse gegeben war. Wegen der Nichtlinearitäten und wegen der schlechten Reproduzierbarkeit bei Verwendung photographischer Schichten ist dieses Verfahren nur für Signale geeignet, die als binäre Impulse vorliegen.

Weiter ist es bei Radargeräten bekannt, bei nur wenig über dem Rauschpegel liegenden Signalen wiederholt abzutasten und nur dann das Vorhandensein eines Signals anzunehmen, wenn bei der Mehrzahl der Abtastungen ein über einem Schwellwert liegendes Signal aufgezeichnet wurde. Bei einem solchen Verfahren wird vorausgesetzt, daß das Signal über den Rauschpegel um einen Mindestwert hinausragt, und es ist lediglich möglich, festzustellen, ob mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein Signal vorhanden war oder nicht. Signale unterschiedlicher Größe können nicht unterschieden werden.

Zur Befreiung kontinuierlicher Spannungsverläufe ist es bekanntgeworden, Mittelwerte kurzer Abschnitte des Spannungsverlaufes (Amplituden) zu bilden und diese Abschnitte mehrere Male zu senden. Diese Amplituden werden unmittelbar auf einem endlosen Stahldraht gespeichert, und zwar in der Weise, daß Mittelwerte gleicher Abschnitte des Spannungsverlaufes bei folgenden Sendungen den bereits gespeicherten superponiert werden. Wegen der Nichtlinearitäten des verwendeten Stahldrahtes ist dieses Verfahren ebenfalls mit erheblichen Mängeln behaftet, so daß es insbesondere für Meßzwecke nicht in Betracht kommt, auch dann nicht, wenn statt des

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Stahldrahtes moderne Magnettonbänder verwendet paare zu vermeiden, werden in weiterer Ausbildung

werden. der Erfindung die Impulspaare bei jedem Durchlauf

Speziell für die bereits erwähnten Meßzwecke auf eine andere Spur eines mehrspurigen Aufzeich-

wurde deshalb ein Verfahren zur Befreiung wieder- nungsträgers aufgezeichnet, im Fall eines zweispuriholbarer Spannungsverläufe von statistischen Störun- 5 gen Aufzeichnungsträgers abwechselnd auf die eine

gen (Rauschen), bei dem Mittelwerte kurzer Ab- oder die andere Spur.

schnitte des Spannungsverlaufs bei mehreren Durch- Um regelmäßig auch bei Störungen der Ablesung laufen jeweils in Form von Impulsen gespeichert wer- mit Sicherheit zwischen dem Anfang und dem Ende den, die den Wert der Amplitude darstellen, und bei eines Impulspaares unterscheiden zu können, ist dem die Summe der gespeicherten Amplitudenwerte io zweckmäßigerweise der den Beginn des einer Ampliin einen Spannungsverlauf rückverwandelt wird, ent- tude bzw. Amplitudensumme entsprechenden Impulswickelt, bei dem die Impulse ziffernmäßig die Ampli- paares markierende Impuls ein Doppelimpuls mit tuden darstellen. Dieses Verfahren vermag zwar in konstantem Abstand.

der Regel die gestellten Anforderungen zu befriedi- Bei Verwendung eines solchen Doppelimpulses gen; zur Umwandlung der Amplituden in Ziffern- 15 zur Markierung des Beginns eines Impulspaares wird impulse, deren Speicherung und Addition sowie in weiterer Ausbildung der Erfindung dieser Doppel-Rückumwandlung und Zuführung zu einer Registrier- impuls zur Einleitung und Steuerung der Abtastung einrichtung ist jedoch ein sehr großer technischer einer Amplitude in der Weise ausgenutzt, daß der Aufwand erforderlich, so daß dieses Verfahren nur erste Impuls des Doppelimpulses einen monostabilen in Sonderfällen zur Anwendung kommen konnte, in ao Multivibrator (Monoflop) anstößt, dessen Zeitkondenen ein beträchtlicher technischer Aufwand zu ver- stante größer ist als der Abstand des Doppelimpulses, treten ist. der zweite Impuls des Doppelimpulses gemeinsam

Durch die Erfindung soll demgegenüber ein Ver- mit dem Impuls vom Monoflop einen bistabilen

fahren verfügbar gemacht werden, das mit geringem Multivibrator (Flip-Flop) in eine bestimmte Betriebstechnischem Aufwand arbeitet, so daß eine Rausch- 25 stellung kippt bzw. in dieser hält, und jede hintere

unterdrückung auf diesem Wege auch in Fällen mög- Flanke des Impulses vom Monoflop den Flip-Flop in

Hch ist, in denen kein extrem großer" technischer die jeweils andere Betriebsstellung kippt. Durch den

Aufwand getrieben werden kann. Doppelimpuls wird die Aufnahme des zweiten Im-

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von dem erwähn- pulses eines Impulspaares, der das Ende einer Ampliten digitalen Verfahren ausgegangen, und dieses be- 30 tude markiert, vorbereitet, so daß bei Auftreten des kannte Verfahren wird so abgeändert, daß die Im- zweiten Impulses sofort die Umwandlung der Amplipulse Impulspaare mit jeweils dem Amplitudenwert tuden in ein Impulspaar beginnen kann, dessen Abanalog proportionalen Abstand bilden, daß die Spei- stand dem bereits gespeicherten Impulspaar hinzugecherung der Impulspaare in der Weise erfolgt, daß fügt wird. In dem bereits erwähnten Fall, daß die beim ersten Durchlauf die Impulspaare gespeichert 35 Umwandlung durch Vergleich des Amplitudenwertes werden und bei weiteren Durchläufen der Abstand mit einer linear ansteigenden Spannung erfolgt, löst der bereits gespeicherten Impulspaare um den Ab- der Flip-Flop beim Zurückkippen in die bestimmte stand der neu gebildeten vergrößert wird und daß Betriebsstellung dabei den Anstieg der Vergleichsdie Rückverwandlung in einen Spannungsverlauf in spannung aus.

der Weise erfolgt, daß die Impulspaare mit dem Ab- 40 Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungs-

stand entsprechend der Summe der Amplitudenwerte gemäßen Verfahrens ist ebenso wie die Anordnung

in den einzelnen Durchläufen in Amplituden umge- zur Durchführung des bereits bekannten Verfahrens

wandelt und diese im Zusammenhang registriert mit einer Registriereinrichtung ausgestattet. Von die-

werden. ser unterscheidet sie sich jedoch sehr stark durch

In aller Regel erfolgt die Umwandlung der Ampli- 45 ihren durch das Verfahren ermöglichten einfachen

tuden in Impulspaare durch Vergleich der Amplitude Aufbau. Statt des aufwendigen Digitalrechners bei

mit einer linear ansteigenden Spannung, deren An- der Anordnung zur Durchführung des bekannten

stieg beim Auftreten des den Beginn einer Amplitude Verfahrens weist eine Anordnung zur Durchführung

markierenden Impulses beginnt. Steigt diese linear des erfindungsgemäßen Verfahrens neben diesen Tei-

ansteigende Spannung vom Amplitudenwert Null an, 50 len lediglich noch einen Konverter zur Umwandlung

so ist es nicht möglich, negative Amplituden zu be- ■ der Amplituden in Impulspaare, einen Speicher für

rücksichtigen, die jedoch gerade bei schwachen Si- die Impulspaare und einen Konverter zur Rückver-

gnalen, die in einen starken Rauschpegel eingebettet Wandlung der gespeicherten Impulspaare in einen

sind, sehr häufig vorkommen. Um solche Amplitu- Spannungsverlauf auf.

denvorzeichen richtig speichern bzw. addieren zu 55 Im Betrieb bewährt hat sich eine solche Anordkönnen, werden in weiterer Ausbildung der Erfin- nung, bei der der Konverter zur Umwandlung der dung die Impulse bei jedem Durchlauf um einen Amplituden in Impulspaare eine an sich bekannte konstanten Betrag gegen die vorangegangene Auf- Vergleichsschaltung ist, die bei Gleichheit der Amplizeichnung versetzt aufgezeichnet, und die Ampli- tude mit einer linear ansteigenden Spannung einen tuden und/oder die linear ansteigende Spannung er- 60 Trigger auslöst, der den zweiten Impuls eines Impulshalten eine solche konstante Vorspannung, daß die paares an den Speicher liefert, linear ansteigende Spannung erst nach einer dem Zweckmäßigerweise ist der Speicher in an sich bekonstanten Betrag entsprechenden Zeit den Ampli- kannter Weise ein endloses, gegebenenfalls mehrere tudenwert Null erreicht. Spuren aufweisendes Magnetband. Bei der prak-Um keine Störung bei der Ablesung der bereits 65 tischen Erprobung der Erfindung hat sich gezeigt, gespeicherten Impulspaare durch die Abstandsver- daß ein einfaches Bandgerät für Amateurzwecke nach großerung zu erhalten bzw. eine Störung der Neu- einigen geringfügigen Abänderungen als Speicher aufzeichnung durch die bereits gespeicherten Impuls- ohne weiteres geeignet ist.

Ein besonderes Problem bei der Durchführung des und Rauschspannung und die daraus zu erhaltende bekannten Verfahrens war die Festlegung der Zeit- Information nach mehreren Durchläufen,
abstände, in denen eine Amplitude abgetastet wer- F i g. 5 ein prinzipielles Blockschaltbild der Anden sollte, weil gewährleistet sein mußte, daß bei Wendung einer erfindungsgemäßen Anordnung bei jedem Durchlauf die gleiche Amplitude abgetastet 5 einem Kernresonanz-Spektrometer und
wurde. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist Fig. 6 ein Kernresonanz-Spektrum, wie es undeshalb ein Oszillator vorgesehen, der beim ersten mittelbar vom Kernresonanz-Spektrometer erhalten Durchlauf den Beginn jeder Amplitudenabtastung wird und darüber dasselbe Spektrum nach hundertbestimmt und den entsprechenden ersten Impuls eines maligem Durchlauf der Anordnung nach Fi g. 5.
Impulspaares an den Speicher liefert. Die so gewon- io Die in F i g. 1 im Prinzip dargestellte erfindungsnenen Impulse werden bei jedem folgenden Durch- gemäße Anordnung besteht im wesentlichen aus lauf abgetastet und dienen zur Markierung der abzu- einem als Speicher dienenden Zweispur-Bandgerät tastenden Amplitude. 11, an dessen Ausgang ein Impulsformer 12 derart

Es wurde bereits erwähnt, daß die Impulse beim angeschlossen ist, daß er wahlweise Impulse von der

erfindungsgemäßen Verfahren um einen konstanten 15 Spur I oder II erhält; einem Monoflop 13 mit einer

Betrag gegen die vorangegangene Aufzeichnung ver- Zeitkonstante von 2,5 Millisekunden, der parallel zu

setzt aufgezeichnet werden, wenn die Umwandlung einem Eingang eines UND-Gatters 14 am Ausgang

der Amplituden in Impulspaare durch Vergleich der des Impulsformers liegt und dessen einer Ausgang 15

Amplitude mit einer linear ansteigenden Spannung am anderen Eingang des UND-Gatters 14 liegt;

erfolgt und negative Amplituden zu erwarten sind. 20 einem Flip-Flop 16, dessen einer Eingang 17 am

Diese Versetzung wird zweckmäßigerweise durch zweiten Ausgang des Monoflop 13 und dessen zweiter

einen Verzögerungskreis erzielt, der vor den Speicher Eingang 18 am Ausgang des UND-Gatters 14 liegt;

geschaltet ist. Da aber der zweite Impuls des auf einem Vergleichsspannungs-Generator 19 am Aus-

diese Weise erzeugten Impulspaares durch die Vor- gang des Flip-Flop 16; einer Vergleichsschaltung 20,

spannung der Amplituden und/oder der Vergleichs- 25 die von einer Seite die Vergleichsspannung vom

spannung bereits um den konstanten Betrag versetzt Generator 19 und von der anderen Seite die mit

auftritt, darf dieser nicht nochmals verzögert werden, einem Verstärker 21 verstärkte Signalspannung vom

und zu diesem Zweck ist bei der erfindungsgemäßen Eingang 22 erhält; einem an die Vergleichsschaltung

Anordnung der Verzögerungskreis durch die Verbin- 20 angeschalteten Trigger 23, der bei Gleichheit der

dung Trigger—Speicher überbrückt. 30 Vergleichsspannung vom Generator 19 und der ver-

Zur Erzeugung des den Anfang eines Impulspaares stärkten Signalspannung vom Verstärker 21 einen markierenden Doppelimpulses ist in weiterer Aus- Impuls über seinen Ausgang 24 abgibt; einem Monobildung der Erfindung zwischen Speicher und Ver- flop 25 mit zwischen 4 und 8 Millisekunden einstellzögerungskreis ein Monoflop geschaltet, der einen barer Zeitkonstante; einem Monoflop 26 mit einer Doppelimpuls liefert. Da der erste Impuls eines Im- 35 Zeitkonstante von 1,5 Millisekunden und einem Impulspaares durch den Verzögerungskreis läuft und pulsformer 27, der sowohl an den Ausgang 24 des der zweite Impuls des Impulspaares an diesem vor- Triggers 23 als auch an beide Ausgänge des letzten beigeleitet wird, ist damit automatisch gewährleistet, Monoflop 26 angeschlossen ist und der die von dort daß der erste Impuls jeweils ein Doppelimpuls und kommenden Impulse in der richtigen Form an das der zweite Impuls eines Impulspaares jeweils ein ein- 40 Bandgerät 11 liefert, und zwar jeweils an eine Spur, fächer Impuls ist. die am Ausgang gerade nicht abgetastet wird. Außer-

Bei einer Ausführungsform einer erfindungsge- dem ist ein Oszillator 28 mit einer Schwingungsdauer mäßen Anordnung erfolgt die Ausnutzung des Dop- von 400 Millisekunden vorgesehen, der fest an den pelimpulses zur Markierung des Beginns eines Ampli- Eingang des Monoflop 25 und an den Ausgang 29 tudenabtastzyklus dadurch, daß am Speicherausgang 45 des Flip-Flop 16 angeschlossen ist und der durch ein Monoflop liegt, dessen Zeitkonstante größer ist entsprechende Stellung des Schalters 30 an den Einais der Abstand des Doppelimpulses, dessen einer gang des letzten Monoflop 26 geschaltet werden Ausgang mit beiden Eingängen eines Flip-Flop und kann; der Oszillator 28 kann durch Öffnen eines dessen anderer Ausgang mit einem Eingang eines Schalters 31 in Betrieb gesetzt werden. Über einen UND-Gatters verbunden ist, dessen anderer Eingang 50 Schalter 32 kann der Eingang des Ausgangs-Impulsmit dem Speicherausgang und dessen Ausgang mit formers 27 statt mit dem Trigger 23 mit dem vorletzdem Eingang des Flip-Flop verbunden ist, der bei Be- ten Monoflop 25 verbunden werden. Schließlich ist aufschlagung mit einem Impuls den Flip-Flop in die parallel zum Vergleichsspannungs-Generator 19 an Betriebsstellung kippt bzw. in dieser hält, in der ein den Ausgang des Flip-Flop 16 eine Ausgangseinheit an diesen angeschlossener Sägezahngenerator mit 55 33 angeschlossen, ein Konverter zur Umwandlung linearem Anstieg angestoßen wird, und daß der Säge- der vom Bandgerät 11 abgetasteten und durch die zahngenerator an eine Seite der Vergleichsschaltung Zwischenstufen entsprechend bearbeiteten Impulsangeschlossen ist. paare in Amplituden, die, wie angedeutet, einer Regi-

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher striereinrichtung zugeführt werden können,

erläutert. Es zeigt 60 Die Betriebsweise der Anordnung nach F i g. 1

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsge- soll an Hand der Fig. 2 erläutert werden. Dazu soll

mäßen Anordnung, zunächst angenommen werden, daß beide Spuren des

F i g. 2 die zeitliche Aufeinanderfolge verschiede- auf dem Bandgerät 11 liegenden endlosen Bandes

ner in der Anordnung auftretender Impulsfolgen, unbespielt sind. Um die Anordnung betriebsbereit zu

Fig. 3 ein Schaltbild des wesentlichen elektrischen 65 machen, muß dieses Band zunächst mit Steuerimpul-

TeUs einer erfindungsgemäßen Anordnung, sen bespielt werden. Grundsätzlich ist es möglich,

Fig. 4a bis 4i ein ungestörtes Eingangssignal, eine hierbei bereits den ersten Durchlauf des Spannungs-

Rauschspannung, die Mischung von Eingangssignal- Verlaufs aufzuzeichnen, das soll aber der Übersicht-

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lichkeit halber nicht berücksichtigt werden. Zu die- lichkeit halber ist in Fig.2 der zweite Impuls des sem Zweck werden die Schalter 30, 31 und 32 aus Impulspaares vom Band später dargestellt. Sobald ihrer in F i g. 1 dargestellten Stellung in eine andere dieser auftritt, wird der Monoflop 13 gekippt, und Stellung gelegt, so daß der Oszillator 28 in Betrieb 2,5 Millisekunden später kippt er in seine Ruhestelgenommen wird, der Eingang des letzten Monoflop 5 lung zurück und kippt dabei den Flip-Flop 16 eben-26 am Oszillator 28 liegt und der Eingang des Aus- falls in seinen »zurückgestellten« Zustand. Durch gangs-Impulsformers 27 mit dem Ausgang des vor- dieses Kippen des Flip-Flops 16 wird der Vergleichsletzten Monofllop 25 verbunden ist. Der Oszillator 28 spannungs-Generator 19 angestoßen, so daß dieser liefert dann, wie in Fig.2, Zeile9 dargestellt ist, eine linear ansteigende Vergleichsspannung an die alle 400 Millisekunden einen Impuls, der den Mono- to Vergleichsschaltung 20 abgibt (vgl. F i g. 2, Zeile 4). flop 25 und den Monoflop 26 anstößt. Da beide Aus- Die Vergleichsschaltung 20 und der Verstärker 21 gänge des Monoflop 26 mit dem Impulsformer 27 sind so aufeinander abgestimmt, daß nach 8,5 Milliverbunden sind, wird ein Doppelimpuls von 1,5 Muli- Sekunden der Amplitudenwert Null erreicht wird und Sekunden Abstand sofort beim Auftreten des Im- entsprechend später ein positiver Amplitudenwert, pulses vom Oszillator 28 an das laufende Bandgerät 15 wie in Fig. 2, Zeile4 dargestellt. Negative Ampli-11 geliefert und dort aufgezeichnet; nach 4 bis tudenwerte werden selbstverständlich entsprechend 8 Millisekunden, je nach Einstellung des Monoflop früher erreicht.

25, kommt ein weiterer Impuls über den Impuls- Sobald die Amplitude oder das Signal vom Ver-

former 27 zum Bandgerät 11, wie in Zeile 10 der stärker 21 und die Vergleichsspannung gleich sind,

F i g. 2 dargestellt ist. 20 wird der Trigger 23 ausgelöst und liefert unverzögert

Ist so das ganze Band mit Impulspaaren in gleich- über den Schalter 32 und den Impulsformer 27 einen

mäßigen Abständen von 400 Millisekunden mar- Impuls an das Bandgerät 11, wo er auf Spur II auf-

kiert, kann das Signal, d.h. die aufzuzeichnenden gezeichnet wird (vgl. Fig. 2, Zeile 8).

Amplituden, aufgenommen werden. Zu diesem Diese Vorgänge werden so oft wiederholt, bis sich

Zweck wird der Impulsformer 12 mit den in der eben 25 genügend Signalamplituden addiert haben, um die

beschriebenen Weise aufgezeichneten Impulsen be- sich gegenseitig immer wieder aufhebenden Einflüsse

liefert, indem er mit dem entsprechenden Ausgang des Rauschanteils zu überragen. Sobald das erreicht

des Bandgerätes 11 verbunden wird; der Eingang des ist, wird die Ausgangseinheit 33 und die an diese

Bandgerätes 11 wird entsprechend umgeschaltet, bei- angeschlossene Registriereinrichtung in Betrieb ge-

spielsweise in die in F i g. 1 dargestellte Stellung. 30 nommen, und die aufgezeichneten Impulspaare wer-

Ebenso werden die Schalter 30, 31 und 32 in die in den vom Bandgerät 11 über Impulsformer 12, Mono-

Fig. 1 dargestellte Stellung gebracht. Sobald der flop 13 und Flip-Flop 16 an den Konverter33 ge-

erste Impuls eines Doppelimpulses vom Bandgerät 11 liefert, wo sie in Amplituden umgewandelt werden,

kommt (vgl. Fi g. 2, Zeile 1), wird der Monoflop 13 die in der Registriereinrichtung aufgezeichnet werden.

(F i g. 2, Zeile 2) angestoßen. Dadurch liegt Spannung ₃₅ Einzelheiten der Schaltungsanordnung nach F i g. 1

an einem Eingang des UND-Gatters 14, und sobald sind in F i g. 3 dargestellt. Dort ist zu erkennen, daß

der zweite Impuls des Doppelimpulses vom Band der Eingangs-Impulsformer 12 aus fünf Transistoren

kommt, wird vom UND-Gatter 14 an den Eingang in Emitterschaltung, einer Polarisierungsdiode im

des Flip-Flop 16 ein Impuls geliefert. Dadurch wird Eingang und einer Begrenzungs-Zener-Diode besteht,

der Flip-Flop 16 auf jeden Fall, gleichgültig, in wel- 40 der Monoflop 13 aus zwei Transistoren; das UND-

cher Stellung er sich vorher befand, in eine bestimmte Gatter 14 als einfaches Diodengatter ausgebildet ist,

Stellung gekippt, die im folgenden als »rückgestellte« der Flip-Flop 16 aus zwei Transistoren, wobei der

bezeichnet werden soll. Im dargestellten Ausfüh- Kollektor des zweiten Transistors vom Monoflop 13

rungsbeispiel ist der Impuls vom Monoflop 13 eine über ein Paar Dioden mit der Basis jedes der beiden

Millisekunde später beendet, und durch dieses Zu- 45 Transistoren des Flip-Flop 16 verbunden ist und der

rückkippen des Monoflop 13 wird der Flip-Flop in Ausgang des UND-Gatters 14 nur mit der Basis des

die »eingestellte« Stellung gekippt (vgl. Fig. 2, rechten Transistors verbunden ist. Der Kollektor des

Zeile 3). rechten Transistors des Flip-Flop 16 ist mit dem Ein-

Durch das Kippen des Flip-Flop 16" in die einge- gang eines aus drei Transistoren und einer Zener-

stellte Stellung kommt über den einen Ausgang 29 50 Diode bestehenden Vergleichsspannungs-Generators

ein Impuls an den Monoflop 25 und stößt diesen an 19 verbunden, durch den eine linear ansteigende Ver-

(Fig. 2, Zeile 6). Es sei jetzt und im folgenden ange- gleichsspannung erzeugt wird, die nach Verstärkung

nommen, daß der Monoflop 25 auf eine Zeitkonstante in einem Emitterfolger in der Vergleichsschaltung 20

von 6 Millisekunden eingestellt ist. Der Monoflop 25 an die Basis eines Transistors gelegt wird, während kippt also nach weiteren 6 Millisekunden in seine 55 an die Basis eines gleichen, dazu parallelliegenden

ursprüngliche Lage zurück und stößt dadurch den Transistors die vom Signaleingang 22 über den Kom-

letzten Monoflop 26 an, also insgesamt 2,5+6 ms pensations-Verstärker 21 gelieferte Signalspannung

= 8,5 Millisekunden, nachdem der erste Impuls vom gelegt ist.

Bandgerät 11 gekommen ist. Der Monoflop 26 liefert Mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung 20 ist dann, wie bereits oben beschrieben, einen Doppel- 60 über Leitung 24 und Schalter 32 der einstufige Trig-

impuls an die bis jetzt nicht bespielte Spur des Band- ger 23 verbunden, der über eine Diode mit dem drei-

gerätes 11, im dargestellten Beispiel also etwa die stufigen Ausgangsimpulsformer 27 verbunden ist. Der

Spur II. Eingang des Ausgangsimpulsformers 27 ist über eine

Beim ersten Durchlauf der aufzuzeichnenden weitere Entkopplungsdiode mit beiden Kollektoren Amplituden kommt 6 Millisekunden nach dem ersten .65 der beiden Transistoren des Monoflop 26 mit

Impuls der zweite Impuls des Impulspaares vom 1,5 Millisekunden Zeitkonstante verbunden, und zwar

Bandgerät 11, bei folgenden Durchläufen kommt die- jeweils über einen Kondensator, so daß jeweils die

ser Impuls in der Regel etwas später. Der Übersicht- Flanke eines vom Monoflop 26 nach Anstoßen er-

zeugten Impulses an den Impulsformer 27 gelangt. Am Eingang des Monoflop 26 liegt, ebenfalls über eine Diode und einen Schalter 30, der Kollektor des rechten Transistors des aus zwei Transistoren bestehenden Monoflop 25 mit durch einen veränderliehen Widerstand 34 zwischen 4 und 8 Millisekunden einstellbarer Zeitkonstante. Am Eingang des rechten Transistors des Monoflop 25 liegt über eine Entkopplungsdiode der Kollektor des linken Transistors des Flip-Flop 16; über eine weitere Entkopplungsdiode liegt am gleichen Eingang parallel dazu der Ausgang des Oszillators 28, eines Sperrschwingers mit einer Doppelbasisdiode, dessen Kapazität durch den Schalter 31 normalerweise kurzgeschlossen ist. Die Zeitkonstante des Oszillators kann durch den dargestellten veränderlichen Widerstand auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Der Ausgang des Oszillators 28 kann durch Umlegen des Schalters 30 zusätzlich unmittelbar mit dem Eingang des Monoflop 26 verbunden werden, wobei allerdings der Eingang des Monoflop 25 weiterhin mit dem Ausgang des Oszillators 28 verbunden bleibt.

Mit den Kollektoren beider Transistoren des Flip-Flop 16 ist schließlich die Ausgangseinheit 33, ein Konverter zur Umwandlung der Breite des vom Flip-Flop 16 gelieferten Impulses in Amplituden, verbunden, die aus vier Transistoren besteht und deren Ausgang der Abgriff eines Potentiometers ist, so daß die Amplitude und der Amplitudennullpunkt eingestellt werden können. Sollte die durch ein gemeinsames Potentiometer erzwungene gemeinsame Einstellung von Amplitudennullwert und Amplitudenhöhe unerwünscht sein, so lassen sich selbstverständlich entsprechende andere Schaltungen statt dessen verwenden.

In Fig.4a bis 4i ist die mit einer Anordnung nach F i g. 1 und 3 erzielbare Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses dargestellt. F i g. 4 a zeigt einen Zug aus Rechteckimpulsen, der ein Eingangssignal, d. h. einen Spannungsverlauf, darstellen soll, wie er ohne Rauschen aussehen müßte. Fig. 4b zeigt eine Rauschspannung und F i g. 4 c die Mischung der Rauschspannung nach Fig. 4b mit dem Signal nach F i g. 4 a. Beim Mischsignal nach F i g. 4 c beträgt das Verhältnis Signal/Rauschen 1,07. Unmittelbar ist mit einem solchen Signal wenig oder nichts anzufangen.

In Fig.4d bis 4i ist dargestellt, welche Kurvenform erhalten wird, wenn die Mischung nach F i g. 4 c zu wiederholten Malen auf die Anordnung nach Fig. 1 und 3 gegeben wird. Ersichtlich nähert sich das Bild immer mehr dem ursprünglichen Signal nach F i g. 4 a, zahlmäßig verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis wie folgt:

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Figur	Zahl der Durchläufe	Verhältnis Signal/Rauschen
4c	1	1,07
4d	6	4
4e	16	5,3
4f	36	6,25
4g	64	9,5
4h	100	13,8
4i	130	14

Durch entsprechende Wahl der Durchlaufzahl lassen sich also praktisch immer ausreichende Störabstände erreichen.

In F i g. 5 ist die Zusammenschaltung einer Anordnung nach Fig. 1 und 3 mit einem Kernresonanz-Spektrometer veranschaulicht. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur die unmittelbar an die erfindungsgemäße Anordnung angeschalteten Teile des Spektrometers dargestellt und die übrigen fortgelassen worden.

Ein Kernresonanz-Spektrometer arbeitet in der Weise, daß eine Erregungsfrequenz auf das zu prüfende Objekt gegeben wird. Dieses Objekt ist gleichzeitig in einem Magnetfeld, dessen Stärke durch Anlegen eines Ablenkstromes allmählich von einem Ausgangswert auf einen anderen, meist höheren Wert hin geändert wird. Zur Erzeugung des Ablenkstroms dient ein Ablenkspannungsintegrator 40, der je nach Schaltstellung von zwei Relais 41 und 42 mit einer hohen oder einer niedrigen Eingangsspannung beaufschlagt wird und dementsprechend einen schnell ansteigenden Suchstrom oder den langsam ansteigenden normalen Ablenkstrom an die Ablenkspule liefert.

Die Meßspannung vom Spektrometer, also das rauschbehaftete Signal, wird an einen Trigger 43 geliefert, der einerseits mit der Start-Stop-Schaltung 44 des Spektrometers und andererseits mit dem Startrelais des Bandgerätes 11 der erfindungsgemäßen Anordnung verbunden ist. Diese letztere Verbindung läuft über den Schalter eines Zählerrelais 45, das diese Verbindung nach einer vorher eingestellten Anzahl von Durchläufen auftrennt und die ganze Anordnung außer Betrieb setzt.

Die Start-Stop-Schaltung 44 ist mit dem Suchspannungsrelais 41 sowie einer Bandverlagerungs-Schaltung46 verbunden. Das Ablenkspannungsrelais 42 ist mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach F i g. 3 verbunden, und zwar in der Weise, daß beim Auftreten des ersten Impulses eines Abtastzyklus dieser das Relais 42 in die Stellung bringt, in der der Ablenkspannungs-Integrator 40 beginnt, die langsam ansteigende Ablenkspannung an die Ablenkspulen zu schicken.

Parallel zum Relais 42 liegt an der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 eine Zeitbegrenzung 47, die dafür sorgt, daß 250 Sekunden nach dem Beginn des Ablenkstromanstieges ein Relais 48 zur Rückstellung des Ablenkstromes auf den Ausgangswert betätigt wird und gleichzeitig das Bandgerät U angehalten wird. Der Wert der Zeitbegrenzung, im dargestellten Ausführungsbeispiel 250 Sekunden, richtet sich selbstverständlich nach der Zeit, in der der Ablenkstrom den gewünschten Bereich durchläuft; entsprechend ist unter Berücksichtigung der Bandgeschwindigkeit auch die Länge des endlosen Bandes auf dem Bandgerät 11 bemessen.

Zu Beginn der Messung, also nach Aufspielen der von den Meßergebnissen unabhängigen Impulspaare auf das Bandgerät 11, wird ein Startschalter 49 geschlossen, durch den die Start-Stop-Schaltung 44 angestoßen wird. Diese betätigt das Relais 41, so daß der Eingang des Ablenkspannungs-Integrators mit hoher Spannung beaufschlagt wird und der steil ansteigende Suchstrom an die Ablenkspule geliefert wird. Ist ein bestimmtes Magnetfeld erreicht, so wird vom Spektrometer ein Bezugssignal, ein sehr starker Impuls, geliefert, wie bei der normalen Spektrometerarbeit üblich, und dieser Impuls wird vom Trigger 43

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einerseits an die Start-Stop-Schaltung 44 geliefert, so daß die Suchspannung abgeschaltet wird, und andererseits an das Startrelais des Bandgerätes 11, so daß dieses anläuft. Sofern mit Bandverlagerung gearbeitet wird, wird die Schaltungsanordnung 46 zu diesem Zeitpunkt in Betrieb gesetzt, so daß das entsprechende Seitenband des Frequenzbandes gebildet wird, wenn der Ablenkstrom an die Ablenkspule kommt. Sobald nun vom jetzt laufenden Bandgerät 11 der erste Impuls des ersten Impulspaares an die Schaltungsanordnung nach F i g. 3 geliefert wird, sorgt das Relais 42 dafür, daß der langsame, normale Ablenkstromanstieg an die Ablenkspulen geliefert wird und gleichzeitig die Zeitbegrenzung 47 zu laufen beginnt. Nach Ablauf der eingestellten Zeit, im dargestellten Ausführungsbeispiel 250 Sekunden, wird das Rückstellrelais 48 betätigt und gleichzeitig das Stoprelais des Bandgerätes 11, so daß der Ablenkstrom und damit das Magnetfeld auf den Ausgangswert zurückgeführt wird und das Bandgerät 11 anhält. Gleichzeitig erhält das Zählerrelais 45 einen Impuls, der von der eingestellten Durchlaufzahl subtrahiert wird.

Der Startschalter 49 wird erneut geschlossen, gegebenenfalls natürlich automatisch, und die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich so oft, bis die am Zählerrelais 45 eingestellte Anzahl von Durchläufen erledigt ist. Dann wird, wie bereits erwähnt, die Verbindung vom Trigger zum Startrelais des Bandgerätes 11 geöffnet, so daß der Zyklus nicht mehr von neuem beginnen kann, gegebenenfalls wird eine Automatik zur Betätigung des Startschalters 49 ebenfalls abgeschaltet.

Die im Bandgerät 11 gespeicherten Impulspaare werden dann in der beschriebenen Weise über die Schaltungsanordnung in Fig. 3 abgespielt und an eine Registriereinrichtung geliefert, wo entsprechende Amplituden aufgezeichnet werden.

Ein Beispiel einer tatsächlichen Messung mit einem Kernresonanz-Spektrometer nach einem und nach neunzig Durchläufen ist in Fig. 6 dargestellt. Die untere Kurve zeigt den Verlauf der unmittelbar vom Spektrometer erhaltenen Meßspannung, und die obere Kurve zeigt ohne Nullpunktkorrektur das vom Rauschanteil im wesentlichen befreite Meßergebnis. Ersichtlich ist es unmöglich, die einzelnen Resonanzspitzen, die in der oberen Kurve einwandfrei zu erkennen sind, der unteren Kurve auch nur annähernd zu entnehmen, im Gegenteil, der Aufbau der unteren Kurve verleitet eher zu der Annahme, daß an den Stellen, an denen tatsächlich Resonanzspitzen vorhanden sind, die Meßspannung sich nicht wesentlich von Null unterscheidet, während Resonanzspitzen an anderen Stellen liegen.

Claims (1)

Patentansprüche: 55

1. Verfahren zur Befreiung wiederholbarer Spannungsverläufe von statistischen Störungen (Rauschen), bei dem Mittelwerte kurzer Abschnitte des Spannungsverlaufs bei mehreren Durchläufen jeweils in Form von Impulsen gespeichert werden, die den Wert der Amplitude darstellen, und bei dem die Summe der gespeicherten Amplitudenwerte in einen Spannungsverlauf rückverwandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse Impulspaare mit jeweils dem Amplitudenwert analog proportionalem Abstand bilden, daß die Speicherung der Impulspaare in der Weise erfolgt, daß beim ersten Durchlauf die Impulspaare gespeichert werden und bei weiteren Durchläufen der Abstand der bereits gespeicherten Impulspaare um den Abstand der neu gebildeten vergrößert wird, und daß die Rückverwandlung in einen Spannungsverlauf in der Weise erfolgt, daß die Tmpulspaare mit dem Abstand entsprechend der Summe der Amplitudenwerte in den einzelnen Durchläufen in Amplituden umgewandelt und diese im Zusammenhang registriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Umwandlung der Amplituden in Impulspaare durch Vergleich der Amplitude mit einer linear ansteigenden Spannung erfolgt, deren Anstieg beim Auftreten des den Beginn einer Amplitude markierenden Impulses beginnt, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse bei jedem Durchlauf um einen konstanten Betrag gegen die vorangegangene Aufzeichnung versetzt aufgezeichnet werden und die Amplituden und/oder die linear ansteigende Spannung eine solche konstante Vorspannung erhalten, daß die linear ansteigende Spannung erst nach einer dem konstanten Betrag entsprechenden Zeit den Amplitudenwert Null erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulspaare bei jedem Durchlauf auf eine andere Spur eines mehrspurigen Aufzeichnungsträgers aufgezeichnet werden, im Fall eines zweispurigen Aufzeichnungsträgers abwechselnd auf die eine oder die andere Spur.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Beginn des einer Amplitude bzw. Amplitudensumme entsprechenden Impulspaares markierende Impuls in an sich bekannter Weise ein Doppelimpuls mit konstantem Abstand ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Impuls des Doppelimpulses einen monostabilen Multivibrator (Monoflop) anstößt, dessen Zeitkonstante größer ist als der Abstand des Doppelimpulses, der zweite Impuls des Doppelimpulses gemeinsam mit dem Impuls vom Monoflop einen bistabilen Multivibrator (Flip-Flop) in eine bestimmte Betriebsstellung kippt bzw. in dieser hält und jede hintere Flanke des Impulses vom Monoflop den Flip-Flop in die jeweils andere Betriebsstellung kippt.

6. Verfahren nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flip-Flop beim Zurückkippen in die bestimmte Betriebsstellung den Anstieg der Vergleichsspannung auslöst.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Registriereinrichtung, einem Konverter zur Umwandlung der Amplituden in Impulspaare, einem Speicher für die Impulspaare und einem Konverter zur Rückverwandlung der gespeicherten Impulspaare in einen Spannungsverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter zur Umwandlung der Amplituden in Impulspaare in an sich bekannter Weise eine Vergleichsschaltung ist, die bei Gleichheit der Amplitude mit einer linear ansteigenden Spannung einen Trigger auslöst, der den zweiten Impuls eines Impulspaares an den Speicher liefert.

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8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher in an sich bekannter Weise ein endloses, gegebenenfalls mehrere Spuren aufweisendes Magnetband ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator vorgesehen ist, der beim ersten Durchlauf den Beginn jeder Amplitudenabtastung bestimmt und den entsprechenden ersten Impuls eines Impulspaares an den Speicher liefert.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Speicher ein Verzögerungskreis geschaltet ist und die Verbindung Trigger—Speicher diesen überbrückt.

11. Anordnung nach Anspruch 10 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Speicher und Verzögerungskreis ein Monoflop liegt, der einen Doppelimpuls liefert.

12. Anordnung nach Anspruch 11 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, da-

durch gekennzeichnet, daß am Speicherausgang ein Monoflop liegt, dessen Zeitkonstante größer ist als der Abstand des Doppelimpulses, dessen einer Ausgang mit beiden Eingängen eines Flip-Flop und dessen anderer Ausgang mit einem Eingang eines UND-Gatters verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem Speicherausgang und dessen Ausgang mit dem Eingang des Flip-Flop verbunden ist, der bei Beaufschlagung mit einem Impuls den Flip-Flop in die Betriebsstellung kippt bzw. in dieser hält, in der ein an diesen angeschlossener Sägezahngenerator mit linearem Anstieg ausgestoßen wird, und daß der Sägezahngenerator an eine Seite der Vergleichsschaltung angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»L'Onde Electrique«, Oktober 1961, S. 783 bis 794;

Meinke — Gundlach, »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, 1. Auflage, Berlin—Göttingen—Heidelberg 1956, S. 1100 bis 1102.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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