WO1992001992A1

WO1992001992A1 - Recheneinrichtung zur mittelwertbildung abgetasteter digitalsignale

Info

Publication number: WO1992001992A1
Application number: PCT/EP1991/001280
Authority: WO
Inventors: Alfred Kraker
Original assignee: Siemens AG Oesterreich; Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG Oesterreich; Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1991-07-09
Publication date: 1992-02-06
Anticipated expiration: 1993-01-18
Also published as: AT397161B; ATA151790A

Abstract

Zur laufenden Bildung des Mittelwertes von abgetasteten Signalen in digitaler Signaldarstellung ist eine Recheneinrichtung vorgesehen, die den Rechenaufwand für die Berechnung des Mittelwertes auf mehrere Rechner aufteilt. Die Eingänge einer Mehrzahl von mittelwertbildenden Rechnern (R1...Rn) werden in zyklischer Reihenfolge an die Ausgänge eines Umschalters (U) angeschlossen, der mit seinem Eingang an der die Signale führenden Leitung (L) liegt. Die Ausgänge der Rechner (R1...Rn) sind über Gewichtsfaktoren bildende Multiplizierglieder (M1...Mn) an ein den jeweiligen Gesamtmittelwert lieferndes Summierglied (S) angeschlossen.

Description

Recheneinric-htunjg zur Mittelwertbildung abgetasteter Digitalsignale

Die Erfindung betrifft eine Recheneinrichtuπg zur laufenden Bildung der Mittelwerte über eine vorgegebene Menge aufein¬ anderfolgender abgetasteter Signale in digitaler Signaldar¬ stellung.

Für die digitale Signalverarbeitung erlangen statistische Über- legungen zunehmend an Bedeutung. Eine bedeutsame statistische Größe ist beispielsweise das mittlere Amplitudenquadrat, das bei stationären Signalen die Leistung des Signales darstellt.

Mittelwerte bestehen bekanntlich aus der Summe einer vorgege- benen Menge von Werten dividiert durch die Anzahl (N) der Werte dieser Menge. So ist der ari von aufeinanderfolg ³enden Dig³ oder der Mittelwert der Ampl der aufeinanderfolgenden Dig )2,

Die Anzahl (N) der Digitalwerte, über die der jeweils (laufende) Mittelwert zu bilden ist, beträgt in der Praxis bei den üblichen Abtastfrequenzen von 8 kHz, 32 kHz oder 48 kHz jeweils z.B.: N = 160, N = 640 bzw. N = 960 Abtastschritte. Bei der Verwen- düng eines einzigen Rechners zur Mittelwertbildung benötigen diese hohen Anzahlen von zwischenzuspeichernden Werte auch eine entsprechend hohe Speicherkapazität des Rechners. Bei den hohen Abtastraten erweist sich zusätzlich eine beschränkte Rechenge¬ schwindigkeit als Problem, was entweder eine mangelnde Genauig- keit als Ergebnis der Division durch N nach sich zieht, oder die nur durch erhöhten Aufwand durch doppelt genaue Zahlendar¬ stellung behebbar ist.

In der SU-PS 618.747 ist ein auf digitaler Basis arbeitendes Gerät zur Mittelwertbildung beschrieben, das mit einem Zähler arbeitet, dem Impulse mit verschiedener Gewichtung und mit un- terschiedlicher. Zeitverzögerung zugeführt werden. Dieses Gerät ist für die Anwendung in Computern bestimmmt und dient der Lö¬ sung einer speziellen, dort anfallenden Aufgabe.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Rechenein¬ richtung zu schaffen, die die genannten Schwierigkeiten über¬ windet und dies dadurch erzielt, daß die Eingänge einer Mehr¬ zahl von mittelwertbildenden Rechnern in zyklischer Reihenfol¬ ge an die Ausgänge eines mit seinem Eingang an die die Digi- talsignale führende Leitung angeschlossenen, zu jedem Abtast¬ zeitpunkt weitergeschalteten Umschalters angeschlossen sind und daß die Ausgänge der Rechner über Gewichtsfaktoren bilden¬ de Multiplizierglieder an ein den jeweiligen Gesamtmittelwert lieferndes Summierglied angeschlossen sind. Dadurch wird die gesamte Rechenarbeit auf mehrere Rechner aufgeteilt und die Schwierigkeit zufolge der Beschränkung der Rechengeschwindig¬ keit behoben.

Im einfachsten Fall läßt sich diese Aufteilung mittels zweier Rechner erzielen, deren Eingänge alternierend mittels eines

Wechselschalters an die die Signale führende Leitung angeschlos¬ sen werden.

Zur Aufteilung der Rechenarbeit auf eine größere Anzahl von Rechnern erweist es sich als zweckmäßig, die Anzahl der Rechner gleich einer Zweierpotenz zu wählen, weil sich eine solche An¬ zahl von Rechnern mittels einer nach Zweierpotenzen gestaffel¬ ten Kontaktpyramide mit einem Minimum von Kontakten an die die Signale führende Leitung anschließen läßt.

Anstelle von exakt die Mittelwerte bildenden Rechnern lassen sich gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung digitale Tief¬ paßfilter verwenden, deren Grenzfrequenz gleich ist dem Kehr¬ wert des für die Gesamt-Mittelwertbildung vorgegebenen, mit der Anzahl der insgesamt vorgesehenen Tiefpaßfilter multipli¬ zierten Zeitabschnittes. Die grundsätzliche Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schal¬ tung ist anhand der Fig. 1 der Zeichnung erläutert, während in den Fig. 2 und 3 spezielle Schaltungen dargestellt sind.

Die erfinduπgsgemäße Recheneinrichtung dient zur Bildung der laufenden Mittelwerte über eine vorgegebene Menge aufeinander¬ folgender abgetasteter Signale in digitaler Signaldarstellung. Das im folgenden anhand der Fig. 1 erläuterte Prinzip der Er¬ findung besteht darin, daß die für die laufende Mittelwertbil- düng erforderliche Rechenarbeit auf mehrere (n) mittelwertbil¬ dende Rechner Rl...Rπ aufgeteilt wird. Diese Aufteilung er¬ folgt in der Weise, daß diese Rechner Rl...Rn mit ihren Ein¬ gängen zu aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten in zyklischer Reihenfolge an die die abzutastenden Signale führende Leitung L (Datenbus) angeschlossen werden. In Fig. 1 ist hierzu in symbo¬ lischer Weise ein Umschalter U dargestellt, der die Eingänge der Rechner Rl...Rn der Reihe nach mit der Leitung L verbindet. Somit hat jeder einzelne Rechner Rl...Rn nur den n'ten Teil der für die Bildung des Gesamt-Mittelwertes zu verarbeitenden Ab- tastwerte zu bewältigen.

Mit Ml...Mn sind an die Rechner Rl...Rn angeschlossene Multipli¬ zierglieder bezeichnet, die die jeweiligen Ergebnisse der Rech¬ ner Rl...Rn mit einem Gewichtsfaktor multiplizieren, der der Normierung des Gesamtresultates dient. Im Falle der Mittelwert¬ bildung ist dieser Gewichtsfaktor gleich — . Für die Mittel- wertbildung in jedem der Rechner Rl...Rn werden dabei jeweils (j^) Abtastwerte herangezogen. Die Ausgangswerte der Multipl¬ izierglieder Ml...Mn werden schließlich einem Summierglied S zugeführt, das fortlaufend die Summe aller angebotenen ein¬ zelnen Summanden bildet und diese als den Gesamtmittelwert ausgibt.

Eine vereinfachte Recheneinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt, nämlich eine mit nur zwei mittelwertbildenden Rechnern Rl und R2, deren Eingänge alternierend mittels eines elektronischen Wechselschalters ul an die die Signale führende Leitung L ange¬ schlossen werden. Die Betätigung des Wechselschalters ul erfolgt jeweils zwischen zwei Abtastungen, • so daß die "geradzahligen" Abtastwerte dem einen und die "ungeradzahligen" Abtastwerte dem anderen Rechner Rl bzw. R2 zugeführt werden.

Eine Weiterbildung der durch Kontaktu schaltung erzielbaren selektiven Ausschaltung von Rechnern an die Leitung L zeigt die Fig. 3. Hier sind vier Rechner R1...R4 vorgesehen, die in zyklischer Reihenfolge mittels einer aus den Umschalte¬ kontakten ul , u2 und u3 bestehenden Kontaktpyramide an die Leitung L anschaltbar sind.

^' Die Funktion von mittelwertbildenden Rechnern wird angenähert auch von digitalen Tiefpaßfiltern ausgeführt, deren Grenzfre¬ quenz gleich ist dem Kehrwert des für die Gesamt-Mittelwert- bilduπg vorgegebenen, mit der Anzahl der insgesamt verwendeten Tiefpaßfilter multiplizierten Zeitabschnittes. Bei den darge¬ stellten Schaltungen ist also jeder der Rechner Rl...Rn durch ein solches digitales Tiefpaßfilter ersetzbar.

Claims

Patentansprüche:.

1. Recheneinrichtung zur laufenden Bildung der Mittelwerte über eine vorgegebene Menge aufeinanderfolgender abgetasteter Signa- le in digitaler Sigπaldarstellung, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Eingänge einer Mehrzahl von mittelwertbildenden Rechnern (Rl...Rn) in zyklischer Reihen¬ folge an die Ausgänge eines mit seinem Eingang an die die Signale führende Leitung (L) angeschlossenen, zu jedem Abtast- Zeitpunkt weitergeschalteten Umschalters (U) angeschlossen sind und daß die Ausgänge der Rechner (Rl...Rn) über Gewichtsfakto¬ ren bildende Multiplizierglieder (Ml...Mn) an ein den jeweili¬ gen Gesamtmittelwert lieferndes Summierglied (S) angeschlossen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zwei mittelwertbildende Rechner (R1,R2) vorgesehen sind, deren Eingänge alternierend mittels eines Wechselschalters (ul) an die die Signale führende Leitung (L) angeschlossen werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß eine einer Zweierpotenz (2,4,8...) gleiche Anzahl von mittelwertbildenden Rechnern (R1...R4) vor- gesehen sind, deren Eingänge über eine nach Zweierpotenzen ge¬ staffelte Kontaktpyramide (ul,u2_ru3) zyklisch an die die Signa¬ le führende Leitung (L) angeschlossen werden.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als angenähert mittelwertbildende Rechner digitale Tiefpaßfilter vorgesehen sind, deren Grenzfrequenz gleich ist dem halben Kehrwert des für die Gesamt-Mittelwertbildung vorgegebenen, mit der Anzahl der insgesamt verwendeten Tiefpaßfilter multiplizierten Zeit- abschnittes.