DE2325364A1

DE2325364A1 - Anordnung zum entdecken eines schwachen nutzsignals in rausch- oder stoersignalen

Info

Publication number: DE2325364A1
Application number: DE2325364A
Authority: DE
Inventors: M Barthelemy
Original assignee: Gouvernement de la Republique Francaise
Current assignee: Gouvernement de la Republique Francaise
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1973-05-18
Publication date: 1973-11-29
Also published as: CA981341A; FR2184481A1; US3810029A; FR2184481B1; GB1433244A; NL7306876A; JPS5047587A; IT987310B

Description

Unser Zeichens E 732

ETAT FRANpAIS represent^ par le Ministre des Arm§es (Armement) 10 rue Saint-Dominique

75 Paris YIIe / Frankreich

Anordnung sum Entdecken eines schwachen Nutzsignals in Rausch- oder Störsignälen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung _s die es ermöglicht, das Vorhandensein eines Nutzsignals in einem verrauschten Empfangssignal mit einem geringen Störabstand festzustellen. Die erfindungsgemäße Anordnung beruht auf der digitalen Verarbeitung der Überschreitungen eines Schwellenwerts durch das Empfangssignal= Die Hauptanwendungsgebiete der Erfindung liegen bei der Erfassung von beweglichen Zielen, beispielsweise von Flugzeugen mit Radargeräten oder von Unterwasser-Fahrzeugen durch passive oder aktive Schallortungsgeräte.

Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde? ein schwaches Signal in einem Rauschen durch Anwendung der statistischen Eigenschaften der Anzahl der Überschreitungen eines Schwellenwerts durch das verrauschte Empfangssignal _B das die Eigenschaften einer Zufallsfunktion hat, zu

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entdecken. Eine solche Zufallsfunktion ist beispielsweise das Schraubengeräusch eines Unterseeboots, das von einer Schallortungs-Funkboje empfangen wird, oder ein Echosignal in Form eines Tonfrequenzimpulses, der von einem Schiffsrumpf als Antwort auf einen Sendeimpuls zurückgeworfen wird (aktives Schallortungsgerät). Bei kleinen Entfernungen läßt sich das Rauschen oder das Echo leicht identifizieren, aber an den Grenzen der Reichweite ist eine Sonderbehandlung des Empfangssignals erforderlich, um das Vorhandensein eines Nutzsignals feststellen zu können, das in einem Rauschen untergegangen ist, dessen Stärke diejenige des Nutzsignals überschreiten kann. Bei bestimmten sehr wichtigen Anwendungsfällen ist es unerläßlich, die Reichweite bis zum Äußersten zu treiben. Die den Grenzen dieser Reichweite entsprechenden Signale sind also von großer Wichtigkeit, was die Anwendung von aufv/endigen Geräten rechtfertigt.

Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist es insbesondere im Fall von aktiven Schallortungsgeräten möglich, durch Anwendung der Technik der Laufzeitfilter die Ortungsreichweite merklich zu vergrößern. Dieses Prinzip kann aber bei einem vorhandenen Empfänger herkömmlicher Art nur mit einem grundlegenden und teuren Umbau des Empfängers angewendet werden. Im Gegensatz dazu wird mit der Erfindung eine Anordnung geschaffen, mit der ein herkömmlicher Empfangskanal wesentlich verbessert werden kann, ohne daß dessen Aufbau geändert wird, indem die erfindungsgemäße Anordnung an die Stelle des herkömmlichen Detektor- und Integrationsteils tritt.

Unabhängig von seiner Herkunft nimmt das Empfangssignal nach dem Durchgang durch ein verhältnismäßig schmalbandiges Bandfilter eine quasi-periodische Form an« Dieses Signal wird nach Einweggleichrichtung mit einem Schwel-

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lenwert verglichen, und jede Überschreitung des Schwellenwerts durch die Hüllkurve des Signals wird in ein logisches Signal "1" umgewandelt.„ In jeder Halbperiode bildet man in einem Umlaufspeicher mittels einer Summierschaltung die Gesamtzahl der Ziffern "1" für ein Zeitintervall von. N vorangehenden Perioden, wobei N eine vorbestimmte feste Zahl ist. Wenn die dadurch erhaltene Anzahl η gleich oder kleiner als eine zuvor festgelegte Zahl η ist, liefert ein Entscheidungsglied die Angabe "Nutzsignal".

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung,

Figur 2 die Form von Signalen an verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig₀ Γ,

Figur 3 einen Sonderfall der Vorbehandlung der Signale vor der Eingabe in den Umlaufspeicher/

Figur 4 eine erste Ausführungsform einer Schaltung zur Gewinnung einer für die Verarbeitung erforderlichen Taktfrequenz,

Figur 5a eine zweite Ausführungsform einer Schaltung für die Gewinnung einer Taktfrequenz,

Figur 5b Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig. 5a,

Figur 6 eine Ausführungsform des Umlaufspeichers'und der zugeordneten Summierschaltung,

Figur 7 eine andere Ausführungsform des UmlaufSpeichers und der zugeordneten Summierschaltung,

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Figur 8 das Übersichtsschema einer Weiterbildung der Anordnung nach der Erfindung und

Figur 9 Diagramme der Form von Signalen an verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 8„

Die in Fig, I dargestellte Anordnung enthält allgemein eine Eingangsschaltung 10, eine Schwellenwertschaltung 20, die am Ausgang eine Schwellenspannung liefert, eine Vergleichsschaltung 3O mit zwei Eingangsklemmen, die an der einen Eingangsklemme 31 die Schwellenspannung und an der anderen Eingangsklemme 32 die Ausgangsspannung der Eingangsschaltung 10 (vom Punkt B) empfängt und einen Ausgang F hat, der eine Schaltung. 60 ansteuert, und eine der Schaltung 60 nachgeschaltete Verarbeitungsanordnung 40, die im wesentlichen einen Umlaufspeicher 41 enthält, der durch einen Taktgeber 50 mit der Taktfrequenz h fortgeschaltet wird.

Die Eingangsschaltung 10 hat eine Eingangsklemme 11, ein Bandfilter 12, einen Verstärker 13 mit automatischer Verstärkungsregelung, ein einstellbares Dämpfungsglied 14 und einen Einweg-Gleichrichter 15 mit dem Eingang A und dem Ausgang B, der nur die Halbperioden einer Polarität, beispielsweise die positiven Halbperioden durchläßt. Der Schaltungspunkt B bildet den Ausgang der Eingangsschaltung 10.

Der an die Klemme 11 angelegte Pegel kann in einem Bereich von 80 dB schwanken.

Die Schwellenwertschaltung 20 enthält ein RC-Glied 21, das in Serie an den Punkt B angeschlossen ist. Die Zeitkonstante dieses RC-Giiedes ist sehr viel größer als der Kehrwert der Bandbreite des Eingangsfilters. Der an den Eingang 31 der Vergleichsschaltung 30 angelegte Schwellenwert E ist durch die von einer Summierschaltung 22

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^ ^it ^i Γ 1 P /

/ 4 / h < K L iL· \ß &, \J >J \J "+

gelieferte Summe der langsam veränderlichen Äusgangsspannung C des RC-Gliedes 21 und einer von einer einstellbaren Gleichspannungsquelle 23 gelieferten einstellbaren Gleichspannung D gebildete Die Summierschaltung 22 gibt die Spannung E ab.

Die Eingängsklemme 32 der Vergleichsschaltung 30 ist direkt mit dem Punkt B verbunden. Die Vergleichsschaltung liefert am Ausgang F ein logisches Signal "Γ, wenn der an der Eingangsklemme 32 ankommende Signalwert gleich dem der Eingangsklemme 31 zugeführten Schwellenwert ist oder diesen übersteigt! wenn die beiden Signalwerte nicht wenigstens gleich sind, liefert der Ausgang F den logischen . Wert "O". -

Aus den durch die einzelnen Überschreitungen des Schwellenwerts erhaltenen logischen Signalen F bildet die Schaltung 60 (Fig_o 5a) die Hüllkurve der Überschreitungen in Form eines logischen Rechtecksignals, das in dem sich anschließenden Schaltungsteil verarbeitet wird.

Die Verarbeitungsschaltung 40 enthält einen umlaufspeicher 41g ein Summierglied 42 und ein Entscheidungsglied 43. Der Umlaufspeicher 41 enthält eine verhältnismäßig große Anzahl H von Speicherzellen„ beispielsweise einige zehn oder sogar einige hundert Speicherzellen, in denen die am Punkt P ankommende Information in jeder vom Taktgeber 50 festgelegten Taktzeit weitergeschaltet wird.

Das Summierglied 42 liefert am Punkt G in jedem Augenblick die arithmetische Summe des Inhalts der N Speicherzellen des Umlaufspeiehers 41 j diese Summe kann entweder in analoger Form oder in digitaler Form geliefert werden. Je nach dem am Punkt G erscheinenden Wert kündigt das einstellbare Entscheidungsglied 43, das gleichfalls ein Schwellenwertglied ist, das Vorhandensein eines Nutz-

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signals an der Eingangsklemme 11 an, xvenn der am Punkt G erscheinende Wert den Schwellenwert des Entscheidungs- . glieds erreicht oder überschreitet»

Wenn dieser Wert einen vorbestimmten Pegel überschreitet, erfolgt eine Anzeige am Ausgang Q.

Die Bedienungsperson verfügt über mehrere Einstellungen: Einstellung des an den Gleichrichter 15 angelegten Pegels durch das Dämpfungsglied 14, Einstellung der Zeitkonstante des RC-Glieds 21 durch Verstellen des Widerstands R? Einstellen der Schwellengleichspannung mit Hilfe der Spannungsquelle 23; Einsteilung der EntscheidungsschwelIe in dem Entscheidungsglied 43. Zusätzlich kann vorgesehen werden, daß die Anzahl der im Umlaufspeicher 41 effektiv angewendeten Speicherzellen nach Belieben der Bedienungsperson geändert werden kann, wie auch die für das Verschieben der Information im Umlaufspeicher 41 tatsächlich angewendete Taktfrequenz (beispielsweise die Taktfrequenz h oder'h/2, h/4 usw.; oder ggf. die Taktfrequenz h geteilt durch eine nicht-binäre ganze Zahl)»

Der an die Klemme 31 angelegte Schwellenwert paßt sich im wesentlichen von selbst an: Er ändert sich nahezu linear mit der RauschIeistung. Er läßt daher am Punkt Ά Pegel zn, die sich in einem verhältnismäßig breiten Bereich ändern, beispielsweise um 40 dB. Es genügt daher, wenn der Verstärker 13 mit automatischer Verstärkungsregelung die Schwankungen des Eingangspegels von 80 dB auf 40 dB herabsetzt. Die üblicherweise in Verbindung mit einem festen Schwellenwert verwendeten Verstärker mit regelbarer Verstärkung verringern den Schwankungsbereich von 80 dB auf etwa 20 dB I Der bei der beschriebenen Anordnung verwendete Verstärker 13 mit automatischer Verstärkungsregelung ist also sehr viel einfacher und billiger herzustellen.

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C=I "7 »

Fig. 2 zeigt als Beispiel die Form von Signalen an den verschiedenen Schaltungspunkten Ά_ρ B, C? D, E₄, F, P von Fig. 1. Die Signale sind mit den gleichen Bezugszeichen wie die Schaltungspunkte bezeichnet,, .

Das Signal C ist die durch Einweg-Gleichrichtung erhaltene Spannung B nach Glättung durch eine Zeitkonstante, die groß gegen die Scheinperiode istο

Die Schwellenspannung E ist gleich der Summe der Signale C und D. .

Das Signal P ist ein logisches Rechtecksignal, das die Überschreitungen integriert„ die ggf.. im Verlauf von aufeinanderfolgenden Perioden des Signals auftreten.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsgruppe 40, das vorzugsweise angewendet wird, wenn aus irgendeinem Grund der Fortschaltetakt der Information im Umlaufspeicher 41 verlangsamt werden soll: Damit die mit der maximalen Taktfrequenz H eintreffende Information optimal ausgenutzt werden kann, kann man vor dem Umlaufspeicher 41 eine Majoritätsfilteranordnung anbringen, die ein an sich bekanntes Schieberegister enthält und in der Lage ist, gewisse zufällige Schwankungen vor der Eingabe in den Speicher zu beseitigen. Die Bezugszeichen 41, 42, 43 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.

Gleichzeitig ist dem Taktgeber 50 ein Frequenzteiler zugeordnet, der für die Fortschaltung der Informationen im Umlaufspeicher 41 eine Frequenz h' = h/k liefert, wobei k eine gan^e Zahl ist»

Die besten Ergebnisse der Signalverarbeitung werden mit einer Taktfrequenz h erhalten, die genau auf die Frequenz

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des festzustellenden Signals festgelegt ist.

Diese Frequenz ist nicht genau bekannt, sondern kann im Durchlaßband des Eingangsfilters (d.h. des Filters 12 von Fig. 1) schwanken. Andererseits kann bei bestimmten sehr wichtigen Anwendungsfällen (aktive Schallortungsgeräte, Sonar) die Empfangsfrequenz infolge der Relativgeschwindigkeit ,zwischen einem ein Echo zurückwerfenden Ziel (Unterseebootsrumpf) und dem Gerät (Ziel - Radiale) mit einem Doppler-Effekt behaftet sein. Im Fall von Sonar-Geräten ist es ferner gebräuchlich _g eine sich sägezahnförmig ändernde Sendefrequenz zu verwenden (frequenzmoduliertes Sonar-Gerät).

Zur Gewinnung der Taktfrequenz aus dem einfallenden Signal sind zwei Lösungen vorgeschlagen:

Gemäß Fig. 4 ist an den Schaltungspunkt B ein hochverstärkender Verstärker 53 angeschlossen, auf den eine Signalformer schaltung 54 folgt. Am Ausgang der Schaltung 54erhält man die Taktimpulse'mit der Frequenz h.

Eine andere Art der Gewinnung des Taktsignals aus dem Empfangssignal ist in Fig. 5a gezeigt. Die Taktfrequenz wird aus dem logischen Signal am Ausgang F der Vergleichsschaltung 30 (Fig. 1) entnommen.

Die Schaltung enthält eine erste monostabile Kippschaltung 61 mit einem Ausgangssignal M, der eine zweite monostabile Kippschaltung 22 mit einem Ausgangssignal V nachgeschaltet ist. Eine ODER-Schaltung 63 empfängt die Signale M und V. Ein Oszillator 65 liefert eine Frequenz f, die durch eine Frequenzteilerschaltung 66 durch vier geteilt wird. Eine UND-Schaltung 67 ist mit einem Eingang an den Ausgang des Frequenzteilers.66 und mit dem anderen Eingang

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an den Ausgang P eines Negators 64 angeschlossen _f der seinerseits an den Ausgang der ODER-Schaltung 63 angeschlossen ist. Eine ODER-Schaltung 6 8 empfängt an einem Eingang das Ausgangssignal der UND-Schaltung 67 und am anderen Eingang das Signal Mo An den Ausgang der ODER-Schaltung 68 ist eine als Impulsformer dienende monostabile Kippschaltung 69 angeschlossen.

Die Teile 61, 62, '63 bilden die Schaltungsgruppe 60 von Fig. 1.

Das Signal an der Klemme F ist mit F bezeichnet (Fig. 2), das Signal am Ausgang der monostabilen Kippschaltung 61 mit M, das Signal am Ausgang der monostabilen Kippschaltung 62 mit V, das Ausgangssignal der ODER-Schaltung 63 mit P, das Ausgangssignal des Negators 64 mit P, das Äusgangssignal des Oszillators 65 mit S, das Ausgangssignal der UND-Schaltung 67 mit U und das Äusgangssignal der monostabilen Kippschaltung 69 mit h»

Das Signal P wird dem Informationseingang des Umlaufspeichers 41 zugeführt.

Das Signal P wird auch als Auslösebefehl an den Frequenzteiler 66 angelegt.

Die Besonderheiten der verschiedenen Schaltungsteile und ihre Wirkungsweise werden nachstehend in Verbindung mit Fig. 5b beschrieben. Die Erläuterung soll mit den Werten von Parametern erfolgen/ die einem in der Praxis sehr wichtigen besonderen Fall entsprechen, nämlich dem Fall eines frequenzmodulierten Sonar^Gerätes.

Es sei angenommen, daß die zu empfangende Frequenz nach der Frequenzumsetzung einen Bereich f + B/2 = 2800 Hz + 110 Hz einnimmt, wobei B die Bandbreite des Filters 12 von Fig. 1 ist.

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Fig. 5b zeigt in acht Diagrammen als Beispiele die Form der Signale F, M, V, P, P, S, U, hs

F: Die Signale F sind logische Signale, die in Zeitabständen liegen, die geringfügig um einen Wert T der Dauer 1/2600 s, also etwa 385 u s bei einer Frequenz von 2600 Hz des an die Vergleichsschaltung angelegten Signals schwankt. Die Abstände dieser Signale und ihre individuelle Dauer schwankt geringfügig.

Ms Die Vorderflanken der Impulse F lösen die Signale M der gleichförmigen Dauer ifi aus.

V: Die Hinterflanken der Signale M lösen die Signale V der gleichförmigen Dauer ν aus.

P: Die logischen Signale P ergeben sich aus der logischen Summe der Signale M und V.

P: Das Signal P ist das Komplement des Signals P.

U: Der Frequenzteiler 66 mit dem Teilerfaktor 4 liefert einen Ausgangsimpuls ü für jeweils vier Impulse S, die empfangen werden, während das Signal P den Signalwert "1" hat. Diese Maßnahme gewährleistet, daß der erste Impuls U eine sehr kurze Zeit nach dem Erscheinen des Signals P auftritt.

h: Die monostabile Kippschaltung 69 liefert Fortschalteimpulse h ohne Lücke, unabhängig von dem Signalwert der Signale F.

Das Taktsignal h wird von zwei Quellen geliefert; Durch die Vorderflanke der Signale M für P=I und durch das Signal U-für P=O.

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Das Vorhandensein des Signals S mit einer Frequenz j, die dsia Vierfachen der mittleren Frequenz der zn verarbeitenden Signale entspricht._e macht es möglich ₀ daB das Signal ü sofort di,e aus der Folge der Signale M gebildeten Taktsignale fortsetzen kann_ff wenn die Signale M verschwinden und das Signal P zu Null wird»

Wenn nämlich keine Überschreitung des Schwellenwertes stattfindet, ist es unbedingt notwendig.,, daß ein äußeres Taktsignal verfügbar ist„ das auf die mittlere Frequenz des einfallenden Signals abgestimmt ist«,

Der Wert des Faktors 4 ist natürlich nicht kritisch=

Die monostabile Kippschaltung 61 muß stets auf KuIl zurückgestellt sein,, wenn das Signal F eintrifft? es ist deshalb notwendig _f daß ihre Haltezeit kurzer als das Zeitintervall zwischen zwei Vorderflanken der Impulse F ist. Damit für einen Impulszug F ein stetiges Signal. P erhalten wird? sind die beiden monostabilen Sippschaltungen 61 und 62 vorgesehen„ wobei die Hinterflanke der Äusgangsimpulse der ersten monostabileii Kippschaltung die zweite monostabile..Kippschaltung auslöst»

Die Haltezeiten m und ν der beiden monostabilen Kippschaltungen können durch die folgenden als Beispiel angegebenen Überlegungen bedingt seins

Es sei f die Bezugsfrequenz (z„B,. f = 2600 Hz) , Die Schwankung der Empfangsfrequenz nimmt das Band f - B/2 bis f -ä- B/2 mit B = 220 Hz ein» Hierzu addiert sich ein Flimmern J, das auf etwa + 50 μ s geschätzt werden kann.

Während der Gesamthalte zeit (m + v) der beiden saoaostabilen Kippschaltungen 61 und 62 muß mit Sicherheit ein Impuls S durchgegangen sein, der von einem vorhergehenden

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Impuls um die längstmögliche Zeit getrennt ist, aber es dürfen mit Sicherheit keine zwei Impulse S .durchgegangen sein, die um die.Jcürzestmögliche Zeit voneinander getrennt sind. Diese Bedingungen können in folgender Form beschrieben werden:

J < m + ν < - J

f-B/2 ' " ^ "^l " ^v ^ f+B/2

Also mit f = 2600 Hz = l/T, B = 220 Hz, J = 50 η s : 450 u s < m + ν < 690 u s ·

Vorzugsweise wird für m eine Dauer in der Größenordnung von 0,6 bis 0,8 T und für ν eine Dauer in der Größenordnung von 0,7 bis 0,5 T gewählt, so daß die Gesamtdauer m + ν in der Nähe von 1,3 T liegt.

Das Signal ü hat die Aufgabe, beim Fehlen von Impulsen F (F = 0) die kontinuierliche Folge der Fortschalteimpulse für den Umlaufspeicher 41 sicherzustellen.

Fig. 6 zeigt eine besonders einfache, wirtschaftliche und zuverlässige Form des Umlaufspeichers 41 der Fig. 1 und 5a; dieser Umlaufspeicher ist durch ein Schieberegister 44 gebildet, da die Signale P empfängt und mit einer Fortschalteleitung 45 versehen ist, welche die Taktimpulse h oder h¹ (Fig. 3) empfängt. An dieses Schieberegister ist eine digitale Summierschaltung 42 angeschlossen, die mit einem Digital-Analog-Umsetzer 46 verbunden ist, dessen Ausgang den Punkt G darstellt.

In Fig. 7 ist eine andere Lösung gezeigt, die darin besteht, daß die Schaltungsteile 42 und 46 von Fig. 6 zu einer analogen Sümmierschaltung 47 zusammengefaßt sind, die direkt am Punkt G den Signalwertr liefert, der an das Entscheidungsglied 43 angelegt wird.

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Die analoge Suinmierschaltung 47 ist aus N gleichen Widerständen Rl..Rn gebildet, von denen jeweils eine Klemme mit einem Punkt einer der N Kippschaltungen des Schieberegisters 44 verbunden ist ^- während die anderen Klemmen alle an einer Klenime eines Widerstands R zusammengeschaltet sind_e dessen andere Klemme an Masse liegt» Technologische Überlegungen können, es erforderlich machen j den Widerstand R_^ fortzulassen= Der gemeinsame Schaltungspunkt G zwischen den Widerständen dient als Eingang für das Entscheidungsglied 43, dessen -Ausgang der Schaltungspunkt Q ist.

Im Sonderfall eines Sonar-Geräts der zuvor angegebenen Art, bei welchem die die Information, tragende Frequenz den Mittelwert f = 2600 Hs hat, also etwa eine Perioden— dauer T = 385 a s, enthält ein Schieberegister mit Kippschaltungen die Information,, die während einer Dauer von etwa 38,5 ms empfangen wird; diese Dauer liegt in der Nähe der Werte, die normalerweise für die Sonar-Sendungen angewendet werden (30 ms)_o Für längere Sendeperioden verwendet man vorzugsweise einen Taktgeber mit einer geringeren Taktfrequenz (h^r, Fig. 3), ggf. in Verbindung mit einer Majoritätsfilteranordnung für die Information P am Eingang ,des Schieberegisters.

Im Fall eines Sonar-Geräts wird jeder der Sonar-Kanäle mit einer Anordnung der beschriebenen Art ausgestattet. In anderen Anwendungsfällen kann die Anzahl der Kippschaltungen des Schieberegisters oder allgemeiner die Anzahl der Speicherzellen des Umlauf Speichers, erhöht werden, beispielsweise auf 500 oder mehr.

Fig. 8 zeigt das Schema einer verbesserten Äusführungsform des Geräts„

Die Schaltung von Fig. 8 hat eine Klemme B, an die ein Analogsignal wie an die Klemme B von Fig„ 1 angelegt wird.

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An diese Klemme ist ein erstes Schwellenglied 30 angeschlossen, das dem Schwellenglied 30 vonFIg₀ I entspricht und das ankommende Signal mit einem ersten Schwellenwert S. vergleicht. Der Ausgang P dieses Schwellengliedes ist mit der Schaltungsgruppe 60 (Fig. 5a) verbunden, deren Ausgang P mit einem ersten Schieberegister 44 verbunden ist, das eine Fortschalteleitung 45 aufweist (Fig. 6). Der Ausgang des Schieberegisters 44 ist mit einem Umschalter k mit drei Stellungen 1,2, 3 verbunden. Die Schaltung enthält weiterhin in Serie hinter dem Kontakt 2 des Umschalters K eine Digital-Analog-Umsetzer- und Summxerschaltung 47 mit dem Ausgang G, die der Schaltung 47 von Fig. 7 gleich ist, eine Schwellenwert-Vergleichsschaltung 70, die einen Vergleich mit einem zweiten Schwellenwert S~ durchführt, und ein an den Ausgang L der Schwellenwertschaltung 70 angeschlossenes zweites Schieberegister 71 mit einer Fqrtschalteleitung 72. Der Ausgang W des. zweiten Schieberegisters 71 ist mit dem Eingang einer zweiten Digital-Analog-Umsetzer— und Summierschaltung 74 verbunden, die von gleicher oder äquivalenter Art wie die Schaltung- 47 ist. Der Ausgang Y. der Schaltung 74 ist mit einem Eingang eines Entscheidungsgliedes 75 verbunden, dessen Ausgang den Schaltungspunkt Q bildet; dieses Ehtscheidungsglied kann auch die Form einer Schwellenwert-Vergleichsschaltung mit einem dritten Schwellenwert S- haben.

Eine Taktsignal-Gewinnungsschaltung H ist dazu bestimmt, die Fortschaltesignale zu den Registern 44 und 71 zu liefern. Die Schaltung H kann von der in Fig. 4 oder von der in Fig. 5a dargestellten Art sein. Die Schaltungen 73 und 76 sind" Frequenzteiler, beispielsweise mit den Teilerfaktoren 1, 2, 4 oder 8.

Die Schieberegister 44 und 71 können die gleiche Stufenzahl oder verschiedene Stufenzahlen haben. Ihre Fort—

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sehalteleitungen können entweder die von der Schaltung H gelieferten Fortschalteimpule empfangen,, oder Fortschalteimpulse, deren Folgefrequenz beispielsweise durch 2,4 •oder 8 (oder ggf» durch andere Divisoren) geteilt ist? die beiden Frequenzteiler 73 und 76 sind nach Belieben der Bedienungsperson unabhängig voneinander einstellbar.

In der Stellung 1 des Umschalters K sind die beiden Schieberegister 44 und 71 einfach in Serie geschaltet; Sie bilden dann das Äquivalent eines einzigen Schieberegisters mit größerer Länge ο In der Stellung 3 ist das Schieberegister 44 einfach direkt mit der Umsetzer- und Summierschaltung 74 und dem Entscheidungsglied 75 verbunden; die Schaltung entspricht dann derjenigen von Fig. 7. In der Stellung 2, die in Fig. 8 dargestellt ist, erfahren die Ausgangssignale L eine erneute Behandlung in dem Schaltungskanal 71, 74, 75, die der Behandlung gleich ist, welche die am Punkt B erscheinenden Analogsignale in dem Schaltungskanal 30 _ff 60, 44, 47, 70 erfahren. .

Die Vorteile dieser Maßnahme sollen unter Bezugnahme auf Fig. 9 erläutert werden.

Fig. 9 zeigt sechs Diagramme, welche für. einen angenommenen Sonderfall als Funktion der Zeit t das Taktsignal H und die Form der Signale an den Punkten B, P, G, L, Y, Q von Fig. 8 darstellen; zur Vereinfachung sind die Diagramme von Fig. 9 mit den gleichen Buchstaben wie die entsprechenden Schaltungspunkte bezeichnet.

Für die Erläuterung eines in der Praxis sehr wichtigen Falles sei angenommen, daß das am Punkt B ärapfangene Signal von einem aktiven Schallortungsgerät nach Art eines Sonar-Geräts stammt» Nach Umsetzung- in-.den Empfangsschaltungen ist die Trägerfrequenz des zu verarbeitenden

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Signals beispielsweise f = 2600 Hs. Die modernen Sonar-Geräte sind im allgemeinen frequenzmoduliert, wobei der Frequenzhub beispielsweise ein Band B = 220 Hz einnimmt.

Hinter einem Bandfilter nach Art des Bandfilters 12 von Fig. 1 erhält man ein Signal, dessen Scheitel Wellungen mit einer Periode von etwa 1/220 = 4,5 Millisekunden aufweist.

Es wird angenommen, daß im ersten Abschnitt des dargestellten Zeitintervalls eine starke Störung auftritt, die den Schwellenwert S der Schwellenschaltung 3O ein erstes Mal für eine bestimmte Dauer a und dann zweimal kurz für die Dauer b und c überschreitet, während im zweiten Abschnitt dieses Zeitintervalls der Schwellenwert S. zum größten Teil für verhältnismäßig lange Zeitintervalle d, e, f mit zwei kurzen Zwischenunterbrechungen überschritten wird; die beiden ersten Überschreitungen von verhältnismäßig kurzer Dauer sind durch eine starke Störung verursacht, während die zweiten Überschreitungen auf das Echo eines UnterwasserZieles, also ein Nutzsignal zurückzuführen sind.

Bei P ist die Verteilung der aus der Schaltung 60 austretenden logischen Signale zu erkennen.

Diese Signale liefern nach Verarbeitung in dem ersten Schieberegister 44 und der Schaltung 47 das bei G dargestellte Analogsignal, das in jeder Taktzeit während der Dauer jedes der Rechtecksignale P (logischer Signalwert 1) um eine Stufe zunimmt und in jeder Taktzeit während der Zwischenräume zwischen den Rechtecksignalen P (logischer Signalwert 0) um eine Stufe abnimmt. Das veränderliche Analogsignal G wird in der Schaltung 7O mit dem Schwellenwert S« verglichen, woraus sich bei L

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erneut logische Rechtecksignale (Signalwert 1) ergeben, die durch Zwischenräume (Signalwert 0) voneinander getrennt sind.

In gleicher Weise wie zuvor ergibt das im zweiten Schieberegister 71 und in der zweiten Umsetzer- und Summierschaltung 74 verarbeitete Signal L ein Analogsignal, das in jeder Taktzeit während des Vorhandenseins des Signals L (Signalwert 1) um eine Stufe zunimmt und in jeder Taktzeit während der Zwischenräume zwischen den Rechteckimpulsen L (Signalwert 0} um eine Stufe abnimmt.

Daraus ergibt sich das Signal Y.

Nach Vergleich dieses Signals mit dem Schwellenwert S₃ in der Schaltung 75 erhält man das Signal Q: Es wird nur das Nutzsignal beibehalten, während das Störsignal nicht mehr erkennbar ist«, Die Wirksamkeit der Auffassung eines Unterwasserziels wird daher durch die in Fig. 8 dargestellte Weiterbildung des Geräts beträchtlich verstärkt, weil eine kurze Störung, selbst wenn sie sehr stark ist, durch diese zusätzliche Verarbeitung unterdrückt werden kann.

Der Bedienungsperson stehen Mittel zur Verfügung, mit denen sie den·Arbeitstakt der Schaltungen 44 und 71 sowie die Schwellenwerte S₁, S₃, S₃ verändern kann. Sie kann in allen Fällen die Parameterwerte wählen, die unter den herrschenden Bedingungen am vorteilhaftesten sind.

Der beschriebenen Verbesserung bei der Feststellung eines von einem Unterwasserziel zurückgeschickten Echos liegt etwa der folgende Gedanke zugrunde: Während das erste Schieberegister eine momentane Abschätzung der Leistung des Empfangssignals durchführt, ergibt die Verarbeitung am Ausgang des zweiten Registers eine Abschätzung der in einem Echo vorhandenen Gesamtenergie.

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Dies ist der Grund dafür, daß ein kurzes Störsignal, selbst wenn es sehr stark ist, unterdrückt wird, während ein Echo, selbst wenn es stark durch Rauschen gestört ist, entdeckt wird.

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Claims

P at en tan s ρ r ü ehe

1. Anordnung zum Entdecken eines schwachen Nutzsignals

in einem Empfangssignal, das Rauschen oder Störsignale enthält, mit einem am Eingang angeordneten Bandfilter mit verhältnismäßig schmaler Bandbreite, einem Verstärker mit entsprechend dem Pegel des Empfangssignals automatisch veränderlicher Verstärkung, und mit einem ersten Schwellenglied, welches das analoge Empfangssignal durch Überschreiten des Schwellenwerts in logische Signale umformt, gekennzeichnet durch logische Anordnungen, welche aus den aufeinanderfolgenden logischen Signalen kontinuierliche Rechtecksignale bilden und aus den Rechtecksignalen Abtastwerte mit einer Folgefrequenz entnehmen, die durch eine Taktfrequenz festgelegt ist, deren Periode sehr viel kürzer als die kleinste Dauer eines Nutzsignals ist, einem Umlaufspeicher, dem die Abtastwerte zugeführt werden, Digital-Analog-Umsetzer und Addierschaltungen, welche in jeder Taktzeit die arithmetische Summe aller in dem Umlaufspeicher enthaltenen Binärziffern "1" bilden, ■und durch ein Entscheidungsglied, das die arithmetische Summe mit einem zweiten Schwellenwert vergleicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellenwert durch die Summe einer einstellbaren Gleichspannung und einer von der mittleren Leistung des Empfangssignals abhängigen Spannung gebildet ist. .

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem ersten Schwellenglied eine Schaltungsgruppe angeordnet ist, ,die durch zwei in Kaskade

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geschaltete monostabile Kippschaltungen und durch eine die Ausgangssignale der beiden monostabilen Kippschaltungen empfangende erste ODER-Schaltung gebildet ist, und daß die Haltezeit der ersten monostabilen Kippschaltung in der Größenordnung von 0,6 bis 0,8 T und die Haltezeit der zweiten monostabilen Kippschaltung in der Größenordnung von 0,7 bis O,5 T liegt, wobei T gleich dem Kehrwert der mittleren Frequenz der empfangenen Wellen ist, so daß die Gesamt-Haltezeit der beiden monostabilen Kippschaltungen geringfügig größer als die längste Periode der empfangenen Wellen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz der Frequenz des Empfangssignals durch eine Schaltung gleichgemacht wird, die wenigstens einen Verstärker und eine Impulsformerschaltung enthält.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz durch eine Schaltung geliefert wird, die eine zweite ODER-Schaltung enthält, die an ihrem ersten Eingang das Ausgangssignal der ersten monostabilen Kippschaltung und an ihrem zweiten Eingang das Ausgangssignal einer UND-Schaltung empfängt, daß der eine Eingang der UND-Schaltung das Ausgangssignal eines Frequenzteilers mit dem Teilerfaktor Jt empfängt, der von einem Oszillator eine Frequenz kf empfängt, wobei k eine ganze Zahl ist, und der durch das negierte Ausgangssignal der ersten ODER-Schaltung ausgelöst wird, daß der zweite Eingang der UND-Schaltung das negierte Ausgangssignal der ersten ODER-Schaltung empfängt, und daß an dem Ausgang der zweiten ODER-schaltung eine zur Impulsformung dienende monostabile Kippschaltung angeschlossen ist. .,.. ........

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6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortschaltefrequenz des Uralaufspeichers ein aus mehreren Teilerfrequenzen wählbarer Bruchteil der Taktfrequenz ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem umlaufspeicher eine Majoritätsfilterschaltung vorgeschaltet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Äddierschaltungen digitale Addierschaltungen sind, die mit einem Digital-Analog-Umsetzer vereinigt sind.

9.. Anordnung nach einem" der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Addierschaltungen analoge Addierschaltungen sind. ..

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der- Umlaufspeicher ein Schieberegister ist.

11. Anordnung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Addierschaltungen durch ein Widerstandsnetzwerk gebildet sind, das für jede Stufe des Schieberegisters einen Widerstand enthält, und daß die Widerstände an einem gemeinsamen Punkt zusammengeschaltet sind, der mit einem gemeinsamen Widerstand verbunden ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen Schaltungskanal, der durch ein erstes Schieberegister, eine erste Digital-Analog-Umsetzerund Summierschaltung, ein Schwellenglied, ein zweites Schieberegister, eine zweite Digital-Analog-Umsetzerund Summierschaltung und durch ein Entscheidungsglied gebildet ist.

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13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Taktgeber und dem Fortschalteeinga^ig des ersten Schieberegisters ein erster Frequenzteiler angeordnet ist, und daß zwischen dem Taktgeber und" dem Fortschalteeingang des zweiten Schieberegisters ein zweiter

- Frequenzteiler angeordnet ist, der unabhängig von dem ersten Frequenzteiler einstellbar ist.

14. Anordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Sonarempfanger.

15. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Sonarempfanger.

16. Anordnung nach Anspruch 11 oder nach Anspruch 13 zur Verwendung in einem Empfangskanal für ein aktives Unterwasser-Sonargerät mit einem Signalsender und mit einem Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessung des Speichers und des Taktgebers ein Zeitintervall erfassen, das in der Größenordnung der Dauer der Sendesignale liegt.

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