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Thema: Verfahren zur Periodendauer- und Wellenlängenmessung dominanter Schwingungen und Wellen sowie zur Spektralanalyse von Schwingungen und Wellen
Erfinder und Anmelder:
Christian E. Jacob
Art der Veröffentlichung:
Offenlegungsschrift DE 195 20 836 von 31.05.1995 (Textfassung)
Inhaltsverzeichnis: (1) Zusammenfassung   (2) Beschreibung   (3) Stand der Technik   (4) Das Verfahren   (5) Beschreibungssprache   (6) Ausführungsbeispiel   (7) Zustandsgraph   (8) Tandemmessung   (9) Tandemanalyse   (10) Integrierter Schaltkreis   (11) Anwendungen  
topic   (1) Zusammenfassung
Bekannte Verfahren zur Bestimmung der Frequenz bzw. der Periodendauer von Signalen haben lange Messzeiten, setzen bezüglich des Frequenzbereiches und der Kurvenform definierte Signale voraus oder aber verlangen eine aufwendige Aufbereitung des Signals.
Um auch bei zeitlich nicht konstanter Periodendauer bzw. Wellenlänge die Änderung der Periodendauer bzw. Wellenlänge ohne Verzögerung zu bestimmen bzw. eine Strukturanalyse von natürlichen und technischen Gebilden durchzuführen, und um das Verfahren technisch entsprechend realisieren zu können, wird ein Verfahren vorgeschlagen, des mit Hilfe von Graphennetzen als Beschreibungssprache formuliert wird. Das Verfahren beruht darauf, dass jeweils die Halbschwingungen bzw. Halbwellen einer physikalischen Größe ausgemessen und insbesondere nach jeder Messung ein aktueller Wert der Periodendauer bzw. Wellenlänge errechnet wird. Dieses Verfahren wird zur Spektralanalyse erweitert.
Das Verfahren eignet sich u.a. zur Gewinnung von A-Priori-Informationen für Neuronale Netze, die in den Bereichen Mess- und Diagnosetechnik, Sprach- und Bilderkennung, Sprachübersetzung und Bildumwandlung angewendet werden. Auch kann die Untersuchung von natürlichen und technischen Gebilden verbreitet angewandt werden, da genauere dynamische Strukturanalysen bei sinkenden Kosten möglich sind.
Die Darstellung des Verfahrens eignet sich auch zur Implementation des Verfahrens zu Testzwecken auf einem Rechner, zur Programmierung von Anwendungen des Verfahrens im Pre- und Postprozess von physikalisch-technischen Berechnungs-, Simulations- und Optimierungsprogrammen, sowie für den Entwurf von Anlagen, Geräten und Schaltkreisen, die das Verfahren verwenden.
topic   (2) Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft primär ein Verfahren zur Bestimmung der Periodendauer der dominanten Schwingung einer zeitabhängigen physikalischen Größe und der Wellenlänge der dominanten Welle einer zeit- und ortsabhängigen physikalischen Größe. Das Verfahren ist
- zur Strukturanalyse von natürlichen und technischen Gebilden mit schwingungsfähigen Strukturelementen und zeitlich nicht konstanter Periodendauer bzw. räumlich nicht konstanter Wellenlänge,
- zur Spektral-, Ordnungs- und Signaturanalyse für Mess- und Diagnosezwecke,
- zur Kennwertermittlung von akustischen, optischen oder elektrischen Signalen bezüglich Träger- und Nutzsignal,
- zur Gewinnung von A-Priori-Informationen in Echtzeit für Neuronale Netze,
- als Teil von Wandlerbausteinen für Sprach- und Bilderkennungs-, Sprachübersetzungs- und Bildumwandlungssystemen, sowie
- zum Modellieren verteilter Netze zur Energie- und Informationsübertragung bezüglich Nutz- und Störverhalten
anwendbar.
topic   (3) Stand der Technik
Der Stand der Technik weist viele Verfahren zur Bestimmung der Frequenz bzw. Periodendauer von Signalen auf. So wird z. B. in der DE 43 30 425 A1 die Ermittlung der Periodendauer eines Signals über eine Frequenzmessung realisiert. Dabei wird das Signal während einer Messzeit, die ein Vielfaches der Periodendauer beträgt, beobachtet und entsprechend aufbereitet. Dieses Verfahren lässt z. B. keine Rückschlüsse darauf zu, wie sich die Periodendauer innerhalb der gewählten Messzeit verhält.
Andere bekannte Verfahren, wie beispielsweise das in der DE 40 36 107 C1 beschriebene, setzen zur Ermittlung der Periodendauer definierte Signale bezüglich des Frequenzbereiches und der Kurvenform voraus. Diese eignen sich wiederum nur für spezielle Messverfahren.
Weitere Verfahren zur Ermittlung der Frequenz, wie aus der DE 38 40 109 A1 bekannt, schreiben das Signal in einen elektronischen Speicher und lesen diesen zur Auswertung des Signals wieder aus. Diese Verfahren sind dadurch nicht echtzeitfähig.
Es gibt auch Verfahren zur Ermittlung der Frequenz, die, wie in der DE 37 06 126 A1 beschrieben, eine entsprechende Aufbereitung des Signals erfordern. Dabei entstehen erhebliche technische Aufwendungen durch Filterung und/oder Transformation, die u. a. auch zu unerwünschten systematischen Messfehlern der Periodendauer führen.
Aus dem bekannten Stand der Technik kann keine Lösung abgeleitet werden, die gleichzeitig Verfahrensbeschreibung und Entwurfsmodell für eine elektronische bzw. optische Anlage, Gerät und/oder Schaltkreis ist. Alle diese bekannten Verfahren ermöglichen auch keine universale Lösung der Periodendauermessung und Spektralanalyse von Schwingungen und Wellen, die in (Standard-) Schaltkreisen integriert werden können.
topic   (4) Das Verfahren
Die Strukturanalyse von natürlichen und technischen Gebilden erfolgt vielfach durch langsames Zuführen von Energie bzw. den langsamen Entzug von Energie (statische Analyse). Dabei werden, soweit messbar, die Systemgrößen direkt beobachtet oder indirekt aus weiteren Messgrößen ermittelt. Die statische Analyse ist aber nicht in jedem Fall möglich, weil zum Einen die Energie dafür nicht bereitgestellt werden kann oder aber das zu untersuchende Gebilde bei der Gewinnung der Analysedaten deformiert bzw. zerstört würde. In dem Fall kann nur eine dynamische Analyse versucht werden. Das setzt voraus, dass die Zeitabhängigkeit der Systemgrößen und/oder weiterer Messgrößen ermittelt werden können. Typische Kenngrößen von schwingenden natürlichen und technischen Gebilden sind u.a. Periodendauer bzw. Wellenlänge.
Insbesondere bei zeitlich nicht konstanter Periodendauer (in nichtlinearen Gebilden) bzw. zeitlich und räumlich nicht konstanter Wellenlänge (in chaotischen Gebilden) ist es aber erforderlich, die Messung der Periodendauer innerhalb eines Zeitraumes, der nicht größer als die Periodendauer selbst bzw. der Wellenlänge auf einer Skala, die nicht länger als die Wellenlänge selbst ist, vorzunehmen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Periodendauer bzw. Wellenlänge, dass auch bei zeitlich nicht konstanter Periodendauer bzw. räumlich nicht konstanter Wellenlänge die Änderung der Periodendauer bzw. Wellenlänge ohne Verzögerung bestimmt, zu schaffen. Dabei soll ein eindeutiger Algorithmus zur technischen Realisierung des Verfahrens in entsprechenden elektrischen, elektronischen und/oder optischen Anlagen, Geräten und/oder Schaltkreisen gefunden werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Periodendauer- und Wellenlängenmessung dominanter Schwingungen und Wellen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen bzw. Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
topic   (5) Beschreibungssprache
Nachstehend wird die Erfindung mit Hilfe von Graphennetzen, die auch die
- gemeinsame Beschreibungssprache für den Entwurf von Anlagen, Geräten und Schaltkreisen mit dem Verfahren darstellen, die als
- integrale Beschreibungssprache zur Kopplung mit Neuronalen Netzen, welche für eine Auswertung der Ergebnisse des Verfahrens nachgeschaltet sind, die die
- Implementation des Verfahrens zu Testzwecken auf einem Rechner in besonderer Weise unterstützten und die auch zur
- Entwicklung von Applikationen des Verfahrens im Pre- und Postprozess von physikalisch-technischen Berechnungs-, Simulations- und Optimierungsprogrammen angewendet werden,
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
topic   (6) Ausführungsbeispiel
Es zeigen

Fig. 1 das Graphennetz für laufende Berechnungen der Flächenelemente unter der Kurve der physikalischen Größe (Signal),
Fig. 2 bis 4 das Graphennetz für die Periodendauer- bzw. Wellenlängemessung der physikalische Größe (Signal) und
Fig. 5 die Erweiterung der Graphennetze für laufende Berechnungen der Flächenelemente unter der Kurve der physikalischen Größe (Fig. 1) und die Periodendauer- bzw. Wellenlängemessung (Fig. 2 bis 4) zur Analyse einer Spektrallinie.

Die Erfindung beruht darauf, dass jeweils die Halbschwingungen bzw. die Halbwellen der physikalischen Größe (Signal) ausgemessen und nach jeder Messung ein aktueller Wert der Periodendauer bzw. Wellenlänge errechnet wird. Somit steht nach Ablauf einer Halbschwingung ein aktualisierter Wert der Periodendauer bzw. Wellenlänge für eine weitere Auswertung zur Verfügung. Dabei wird der aktuelle arithmetische Mittelwert der physikalischen Größe (Signal) berücksichtigt. Es werden ständig (quasi-parallel) zwei Periodendauern bzw. Wellenlängen ermittelt. Für dieses Verfahren soll deshalb der Begriff "Tandemmessung" verwendet werden. Die Tandemmessung von Periodendauern bzw. Wellenlängen von physikalischen Größen ist möglich, wenn sich deren arithmetischer Mittelwert über mehrere Perioden nur unbedeutend ändert.
Liegen Schwingungen oder Wellen mit Oberschwingungen bzw. Oberwellen vor, kann das Verfahren der Tandemmessung zum Zweck der Spektralanalyse von Schwingungen und Wellen zur "Tandemanalyse" erweitert werden. Auch hier werden die Spektren quasi-parallel berechnet und zu jeder Halbschwingung bzw. -welle aktualisierte Werte bereitgestellt. Die Tandemanalyse kann durchgeführt werden, wenn die Tandemmessung aktiviert ist.
topic   (7) Zustandsgraph
Das Verfahren wird nachstehend mittels Graphennetzen zur Periodendauermessung und Spektralanalyse einer zeitabhängigen physikalischen Größe, im folgenden Signal genannt, beschrieben. Dabei repräsentiert das Signal den Zeitverlauf einer physikalischen Größe, wie Auslenkung, Strom, Spannung, Arbeit, Leistung, usw. Das Signal soll dazu kontinuierlich oder diskontinuierlich, mit einer festen oder variablen Schrittweite h abgetastet, vorliegen. Das Graphennetz besteht aus Zuständen, die durch Kanten miteinander verbunden sind. Jede Kante besitzt eine Übergangsbedingung als boolesche Variable oder booleschen Ausdruck. Eingangs-, Ausgangszustand und verbindende Übergangsbedingung stellen ein Graphennetzelement (z. B. ne: 123) dar. In einem Graphennetz sind nur die markierten Zustände aktiv. Die Markierung der Zustände wird innerhalb eines Graphennetzelementes weitergegeben, wenn der Zustand vor der Übergangsbedingung (Eingangszustand) markiert ist und die Übergangsbedingung logisch wahr (true) wird. Dann "geht" die Marke ohne Zeitverzögerung in den nachfolgenden Zustand (Ausgangszustand). Der erste aktive Zustand (Startzustand) wird mit einer Marke /m gekennzeichnet.
Das Graphennetz wird unmittelbar und vollständig in elektrischen, elektronischen oder optischen Anlagen, Geräten und Schaltkreisen technisch realisiert. Dabei werden vergleichbare algorithmisierte, logische und ereignisorientierte technische Lösungen angewendet. Die Variablen repräsentieren entsprechende Speicherplätze für analoge und diskrete Werte. Die mathematischen Gleichungen entsprechen den jeweiligen Rechenregeln oder anderen Operationen von gespeicherten Werten. Sie werden als Aktionen den Zuständen zugeordnet. Nur markierte Zustände haben aktive Aktionen, die wiederum durch ihren Aktionstyp unterschieden werden. Der Aktionstyp wird in dem jeweiligen Zustand der dort dargestellten Gleichung vorangestellt. Es werden folgende Aktionstypen unterschieden: Der Aktionstyp /2/ legt fest, dass die jeweilige Gleichung zu jedem Abtastschritt ausgeführt wird. Der Aktionstyp /3/ legt fest, dass die jeweilige Gleichung nur einmal zum Zeitpunkt der Markierung des jeweiligen Zustandes ausgeführt wird. Dafür wird nachfolgend der Begriff "einmalig" verwendet. Der Aktionstyp /4/ beschreibt einen Timer. Die Ergebnisvariable (vor dem Operatorzeichen ##) ist vom Typ boolean. Die Operatorvariable (nach dem Operatorzeichen ##) ist eine Zeitspanne delta_t bzw. eine Weglänge delta_s. Die Ergebnisvariable wird von falsch (false) auf wahr (true) umgeschaltet, wenn angefangen vom Zeit- bzw. Startpunkt der Markierung des Zustandes in der  die Zeit delta_t abgelaufen bzw. die Weglänge delta_s zurückgelegt wurde.
top    (8) Tandemmessung
Die Fig. 1 zeigt den Graph für laufende Berechnungen von Flächenelementen unter der Kurve der physikalischen Größe Signal, deren Ergebnisse in dem zweiten Graphennetz (Fig. 2 bis Fig. 4) weiter verwendet werden.
In einem ersten Startzustand z2Init/m wird der Zeit- bzw. Längenmaßstab z.B. T = 1µs übergeben, der dazu benutzt wird, in dem Verfahren verwendete Zeit- bzw. Längenreferenzen, sowie Timer und Zähler zu initialisieren. Der Zeit- bzw. Längenmaßstab ist gewöhnlich auch ein Schätzwert für die zu erwartende Periodendauer bzw. Wellenlänge. Die Vorgabe des Schätzwertes ist allerdings nur für die Erweiterung des Verfahrens zur Spektralanalyse Fig. 5 zwingend erforderlich. Erforderlich ist auch ein Schätzwert für die Variable AltT, die zur Bestimmung der Gewichtsfunktion GW der Spektralanalyse verwendet wird. Um die Gewichtsfunktion GW während der Initialisierung und der ersten zumessenden Periode bzw. Wellenlänge nahe Null zu halten, sollte AltT = 100*T gesetzt werden. Weiterhin wird der Wert der physikalischen Größe Signal in der Variablen Alt2Sig für weitere Berechnungen eingetragen und der erste Abtastschritt h abgewartet. Die boolesche Variable bSchritt steuert die Übergangsbedingung ne: 210, so dass die Marke /m genau zum 2. Abtastschritt an den Zustand zLauBer weitergegeben wird.
Im Zustand zLauBer wird zu jedem Abtastschritt die Fläche unter der Kurve Signal zwischen zwei Abtastschritten mit Hilfe der Trapezregel ermittelt und in der Variablen TrabA0 gespeichert. TrabA0 wird für weitere Berechnungen benötigt. Danach wird auch zu jedem Abtastschritt der Wert von Signal in der Variablen Alt2Sig eingetragen.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen den Graph für die Periodendauermessung. Im Startzustand z4Init/m wird auch hier der erste Abtastschritt h abgewartet. Dabei wird der Wert von Signal in der Variablen AltSig für eine weiter Auswertung eingetragen. Die boolesche Variable bSchritt steuert die Übergangsbedingung ne: 400, so dass die Marke /m genau zum 2. Abtastschritt an den Zustand zTest weitergegeben wird.
Im Zustand zTest wird vorerst angenommen, dass der arithmetischen Mittelwert A0 zwischen den ersten beiden Abtastwerten ((AltSig + Signal)/2) liegt und einmalig einer Variablen A0 übergeben. In den beiden Variablen hVor und hNach wird die halbe Schrittweite h/2 gespeichert. Weiterhin wird die Fläche unter der Kurve von Signal im Zeit- bzw. Wegabschnitt  hVor mit Hilfe der Trapezregel berechnet und der Variablen TVorA0 zugewiesen. Im Zustand zTest wird eine erste Zeit- bzw. Längenmessung vorgenommen. Dabei wird die Systemzeit bzw. -länge t reduziert um hNach an die Variable TFix übergeben. Der Halbschwingungszähler nHlb wird auf 1 eingestellt. 
Verändert sich Signal mit weiteren Abtastschritten nicht, geht die Marke weiter über ne: 403 nach Zustand zNoSig. Dort wird der Wert von Signal zu jedem Abtastschritt in die Variable AltSig für eine spätere Verwendung eingetragen. Verändert sich Signal allerdings mit einem der nachfolgenden Abtastschritte, geht die Marke über ne: 404 nach zTest zurück.
In den Übergangsbedingungen ne: 401 und ne: 402 wird in Erfahrung gebracht, in welche Richtung sich Signal bewegt. Verringert sich der Wert von Signal, wird die Marke an den Zustand zWPosL übergeben. Steigt der Wert von Signal, wird die Marke an den Zustand zWNegR übergeben. In den Zuständen zWPosL und zWNegR wird für den späteren Vergleich von altem und neuem arithmetischen Mittelwert die Variable AltA0 mit A0 belegt. Weiterhin wird TFix als "Beginnzeit" der jeweiligen Halbschwingung bzw. -welle an die Variablen TBegNeg bzw. TBegPos übergeben. Die Summation der Flächenelemente TrabA0 unter der Kurve erfolgt für jede Halbschwingung gesondert. Die dafür verwendeten Variablen SumLA0 und SumRA0 werden mit dem negativen Wert von TVorA0 initialisiert und anschließend mit TrabA0 aufsummiert. Nachfolgend werden noch in den Zuständen zWPosL und zWNegR die Anzahl der Stützstellen für jede Halbschwingung gezählt, indem die Variable nStüL zurückgesetzt und mit jeden Abtastschritt hochgezählt wird. Auch hier wird der Wert von Signal zu jedem Abtastschritt in die Variablen AltSig für eine spätere Verwendung eingetragen.
In den Übergangsbedingungen ne: 411 und ne: 421 werden Schnittpunkte von Signal mit dem (vermuteten) Mittelwert A0 überwacht. Wird Signal größer als A0, wird der Zustand zMPosL aktiviert. Wird Signal kleiner als A0, wird der Zustand zMNegR aktiviert. In den Zuständen zMPosL und zMNegR werden die Variablen DSig und DSA0 einmalig berechnet. DSig enthält den Absolutbetrag der Differenz von Signal und AltSig und DSA0 enthält den Absolutbetrag der Differenz von Signal und A0.
Die Übergangsbedingungen ne: 412 und ne: 422 werden erfüllt, wenn DSig = 0 oder der Wert von DSig kleiner ist als der Wert von DSA0 ist. Die Übergangsbedingungen ne: 414 und ne: 424 enthalten als Schaltregel die Negation der Übergangsbedingungen der Kanten ne: 412 und ne: 422. Damit wird gewährleistet, dass die Marke entweder von zMPosL über den Zustand zMPosLU oder über den Zustand zMPosLG an zMPosLZ weitergegeben wird oder aber von zMNegR über den Zustand zMNegRU oder über den Zustand zMNegRG an zMNegRZ weitergegeben wird. Die Wege der Marke (/m) über die Zustände zMPosLU bzw. zMNegRU verhindern im gegeben Fall, dass in den Zuständen zMPosLG bzw. zMNegRG eine Division durch Null eintritt oder hVor bzw. hNach größer als h werden. Bei der Messung ideal-rechteckförmiger Signale, wie sie bei der Rechnersimulation gegeben sind, erfolgt die richtige Interpretation der Signale über zMPosLU oder zMNegRU.
In den Zuständen zMPosLU, zMNegRU, zMPosLG und zMNegRG werden die Variablen hNach und hVor neu bestimmt. Weiterhin erfolgt eine weitere Zeit- bzw. Längenmessung. Während in zMPosLG und zMNegRG der Wert von TFix, des Nulldurchganges zwischen Signal und A0, interpoliert wird, erfolgt in zMPosLU und zMNegRU eine exakte Zuordnung zur aktuellen Systemzeit bzw. -länge.
In den Zuständen zMPosLZ und zMNegRZ wird die Messung in der jeweiligen Halbschwingung bzw. -welle abgeschlossen. Es wird in TVorA0 der letzte Flächenanteil unter der Kurve von Signal im Zeit- bzw. Wegabschnitt hVor bestimmt und in SumLA0 bzw. SumRA0 aufsummiert, sowie die Halbschwingungszeiten bzw. -wellenlängen TL und TR aus den jeweiligen Startwert TBegNeg oder TBegPos und TFix ermittelt.
In den Übergangsbedingungen ne: 416, ne: 417, ne: 426 und ne: 427 wird darüber befunden, ob nach der Initialisierung der Messanordnung in z4Init/m bereits zwei Halbschwingungen bzw. -wellen ausgemessen wurden. Sie werden in nHlb gezählt. Ist nHlb < 2, wird die Marke von zMPosLZ bzw. von zMNegRZ an die Zustände zPerNotL bzw. zPerNotR weitergegeben. In zPerNotL bzw. zPerNotR wird nHlb inkrementiert und die Marke zum Ausmessen der 2. Halbschwingung bzw. -welle an die Zustände zWPosL bzw. zWNegR weitergeben.
Ist nHlb >= 2, wird die wird die Marke von zMPosLZ bzw. von zMNegRZ an die Zustände zFixPerL bzw. zFixPerR weitergegeben. In zFixPerL und zFixPerR werden folgende Aktionen einmalig ausgelöst: Die zu messende Periodendauer T wird aus der Addition von TL und TR bestimmt. Der arithmetische Mittelwert A0 wird über die Summen von SumLA0 und SumRA0, die durch die aktuell gemessene Periodendauer T geteilt wird, aktualisiert.
Bleibt der gerade korrigierte arithmetische Mittelwert A0 innerhalb eines linken Toleranzbandes (A0 >= AltSig and A0 <= Signal) bzw. innerhalb eines eines rechten Toleranzbandes (A0 >= Signal and A0 <= AltSig),  wird über die Markierung in dem 20. (zTandemL) bzw. dem 23. Zustand (zTandemR) die Tandemmessung ausgelöst. Mit Hilfe einer Interpolation wird hNach, hVor, TVorA0 und TFix korrigiert. Diese Werte sind Anfangswerte für die Messung der nachfolgenden Halbschwingung bzw. -welle. Die Marke (/m) geht danach stets sofort zurück in den Zustand zWNegR bzw. zWPosL.
Liegt der gerade korrigierte arithmetische Mittelwert A0 oberhalb der genannten Toleranzbänder (A0 > Signal) bzw. (A0 > AltSig), wird im Zustand zAvGrosL die Variable nHlb einmalig auf Null gesetzt. Die nachfolgende Messung erfordert also 2 Halbschwingungen bzw. -wellen. Weiterhin wird AltSig zu jedem Abtastschritt mit Signal beschrieben.
Liegt der gerade korrigierte arithmetische Mittelwert A0 unterhalb der Toleranzbänder (A0 < AltSig) bzw. (A0 < Signal), wird auch im Zustand zAvKleiR die Variable nHlb einmalig auf Null gesetzt. Es wird auch hier AltSig zu jedem Abtastschritt mit Signal beschrieben.
Mit Hilfe der Übergangsbedingungen ne: 351, ne: 361, ne: 352 und ne: 362 kann eine laufende Messung über die boolesche Variable bUnterb unterbrochen werden. Die Variable bUnterb könnte von einer der Periodendauermessung übergeordnete Auswerteeinrichtung ausgelöst werden. Jede Unterbrechung über bUnterb beginnt soweit (gräte-) technisch notwendig mit einer Neuinitialisierung im Zustand z4Init/m, sie könnte auch mit einer erneuten Untersuchung der physikalischen Größe Signal im Zustand zTest beginnen.
top    (9) Tandemanalyse
Auf die beschriebene Periodendauermessung kann eine Spektralanalyse "aufgesetzt" werden. Das erfindungsgemäße Verfahren der Spektralanalyse von oberschwingungsbehafteten bzw. nichtsinusförmigen Schwingungen soll anhand von Fig. 5 beschrieben werden. Die Graphennetze in Fig. 1 bis 4 werden durch die in Fig. 5 genannten Aktionen erweitert. Es wird hier so definiert, daß die Tandemmessung mit den Ergänzungen in Fig. 5 zur "Tandemanalyse" erweitert wird.
Die Erweiterung in Fig. 5 erfolgt mit dem Ziel, eine Spektrallinie der physikalischen Größe Signal zu analysieren. Dazu werden zusätzlich im Zustand z2Init/m sinus- und kosinus-bewertete Größen ASin_Li und ACos_Li der physikalischen Größe Signal als Initialisierungswerte berechnet.
Im Zustand zLauBer werden die Variablen Argum, SCos_Li, SSin_Li, TrbA_Li, TrbB_Li, ACos_Li und ASin_Li zu jedem Abtastschritt berechnet. SSin_Li enthält einen sinus- und SCos_Li einen kosinus-bewerteten Anteil der physikalischen Größe Signal. Sie werden wiederum zur Berechnung von sinus- und kosinus-bewerteten Flächenelemente TrbA_Li und TrbB_Li mit Hilfe der Trapezregel herangezogen. Nach dieser Berechnung werden in den Variablen ACos_Li und ASin_Li die sinus- SSin_Li und kosinus-bewertete Anteile ASCos_Li der physikalischen Größe Signal für den nächsten Berechnungsschritt aufgehoben.
In dem Zustand zTest werden den Variablen OSin_Li und OCos_Li sinus- und kosinus-bewertete Anteile der physikalischen Größe Signal genau im Schnittpunkt mit dem arithmetischen Mittelwert A0 einmalig zugeordnet. Diese werden wiederum einmalig zur Berechnung von sinus- und kosinus-bewerteten Flächenelemente TVorA_Li und TVorB_Li während der Zeit bzw. des Weges hVor verwendet.
In den Zuständen zWPosL und zWNegR werden die Variablen SuLA_Li, SuLB_Li, SuRA_Li und SuRB_Li über den negativen Wert der Flächenelemente TVorA_Li bzw. TVorB_Li voreingestellt. Anschließend werden in diesen Variablen die Flächenelemente TrbA_Li und TrbB_Li zu jedem Abtastschritt aufsummiert.
In den Zuständen zMPosLZ und zMNegRZ wird die beschriebene Summation nachbereitet. Dabei werden, wie auch im Zustand zTest, die Variablen OSin_Li, OCos_Li, TVorA_Li und TVorB_Li berechnet und die sinus- und kosinus-bewerteten Flächenelemente TVorA_Li und TVorB_Li in die Summen SuLA_Li, SuLB_Li, SuRA_Li und SuRB_Li einbezogen.
In den Zuständen zFixPerL und zFixPerR werden aus den Variablen SuLA_Li, SuLB_Li, SuRA_Li und SuRB_Li die Spektralanteile A_Li (Realteil) und B_Li (Imaginärteil) bestimmt. A_Li und B_Li repräsentieren eine Spektrallinie in komplexer Darstellung des Signals. Aus der komplexen Darstellung A_Li und B_Li wird ein skalierter Amplitudenwert der Spektrallinie C_Li als Ergebnis der Spektralanalyse bestimmt. In der Variablen GW wird weiterhin die Gewichtsfunktion für eine weitere Verwendung bereitgestellt. Diese Gewichtsfunktion GW bezieht sich auf die Gültigkeit der Spektralanalyse und wird entsprechend Fig. 4 aus dem Quotienten von AltT und T gewonnen. Schließlich wird in den Zuständen zFixPerL und zFixPerR der Variablen AltT der Wert von T zugeordnet.
Über eine "ordnungszahlskalierende" Variable nNy_Li in den Zuständen z2Init/m, zLauBer, zTest, zWPosLZ, zWNegRZ, zTandemL, zTandemR wird die Ordnungszahl der zu analysierenden Spektrallinie eingestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird nur die Analyse einer Spektrallinie der Ordnungszahl nNy_Li beschrieben. Sollen z.B. 1024 Spektrallinien mit dem beschrieben Verfahren analysiert werden, müssen die in Fig. 5 beschriebenen Aktionen 1024 mal in das Graphennetz gemäß Fig. 2 bis 4 eingesetzt werden. Dabei wird die Zeichenkette _Li, die in den Variablen nNy_Li, ACos_Li, ASin_Li, SCos_Li, SSin_Li, TrbA_Li, TrbB_Li, OCos_Li, OSin_Li, TVorA_Li, TVorB_Li, SuLA_Li, SuLB_Li, SuRA_Li, SuRB_Li, A_Li, B_Li und C_Li enthalten ist, durch die Nummer der Spektrallinie ersetzt (z.B. _Li = _0001, _0002, _0003, ... , _1024). Praktisch wird für jede Spektrallinie ein "Spektrallinienkanal" eingerichtet, der im rechentechnischen Sinne zu den weiteren Kanälen parallel liegt.
Einer Anzahl von X (in Hardware realisierten) Spektrallinienkanäle können nun wiederum X verschiedene willkürlich sortierte Ordnungszahlen der zu analysierenden Oberschwingungen (über eine Software) zugeordnet werden. Dem Kanal mit der Spektralliniennummer _Li

0 <= _Li <= X

wird in der ordnungszahlskalierende Variablen nNy_Li die Ordnungszahl der jeweils zu analysierenden Oberschwingung zugeordnet. Für ein ungerades Spektrums gilt z.B.

nNy_Li = (1, 3, ... , 2047) = 2*_Li - 1

und damit folgende Zuordnung zu den Spektrallinienkanälen:
 _Li =  0001 0002 0003 0004      ...      1024
 nNy_Li =  1 3 5 7      ...      2047

Für die Zuordnung von Ordnungszahlen zu in Hardware parallel realisierten Kanälen für Spektrallinien, wird hier der Begriff "Skalieren der Ordnungszahlen" eingeführt.
top    (10) Integrierter Schaltkreis
Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine universale Lösung der Periodendauer- und Wellenlängemessung, sowie Spektralanalyse von Schwingungen und Wellen, das mit modernen Entwurfswerkzeugen u.a. in einem Schaltkreis integriert werden kann. Dieser Schaltkreis könnte Teil eines Wandlerbausteines für Sprach- und Bilderkennungs-, Sprachübersetzungs- und Bildumwandlungssystems sein.
Dieser Schaltkreis kann vielseitig eingesetzt werden. Er eignet sich u.a. auch zur Strukturanalyse von natürlichen und technischen Gebilden mit schwingungsfähigen Strukturelementen und zeitlich nicht konstanter Periodendauer bzw. zeitlich nicht konstanter Wellenlänge, zur Spektral-, Ordnungs- und Signaturanalyse für Mess- und Diagnosezwecke, zur Kennwertermittlung von akustischen, optischen oder elektrischen Signalen bezügliche Träger- und Nutzsignal, sowie zum Modellieren verteilter Netze zur Energie- und Informationsübertragung bezüglich Nutz- und Störverhalten.
top    (11) Anwendungen
Die erfindungsgemäße Verfahrensbeschreibung ist eine auf oberster Entwurfsebene implementierbare Lösung, die gleichzeitig Entwurfsmodell für elektronische bzw. optische Anlagen, Geräte und/oder Schaltkreise ist.
Die gewählte Graphennetzdarstellung lässt sich für Testzwecke mit Hilfe einer entsprechenden Fach- oder Programmiersprache auf dem Rechner implementieren. Das Verfahren kann für das Prototyping bei der Entwicklung entsprechender Rechnerprogramme eingesetzt werden. Das ermöglicht die parallele Entwicklung von Hardware und Software für elektronische und optischen Anlagen, Geräte und Schaltkreise, die auf dem Verfahren basieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur Analyse von Daten, die bei Rechnersimulationen entstehen. Dabei wird
1. berücksichtigt, dass die Abtastschrittweite, die der Rechenschrittweite entspricht, nicht konstant ist (Simulation mit variabler Schrittweite). Dass
2. die zu analysierenden Simulationsdaten nur stückweise stetig sein können und dass
3. die Zeitbasis durch eine andere zu berücksichtigende Dimension (z.B. Weg) ersetzt werden kann.
Das beschriebene Verfahren ist echtzeitfähig und hochgradig parallelisiert, es eignet sich aus diesem Grund zur Gewinnung von A-Priori-Informationen für Neuronale Netze.
Das beschriebene Verfahren hat bei der Periodendauermessung praktisch keine Einschwingungszeit. Aus diesem Grund werden damit Anwendungen von Phasenregelkreisen (PLLs) zur Frequenz- bzw. Periodendauermessung abgelöst.
topic   eMail-Formblätter
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