DE4020633A1

DE4020633A1 - Schaltungsanordnung zur zeitvariaten spektralanalyse elektrischer signale

Info

Publication number: DE4020633A1
Application number: DE4020633A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Sc Nat Volke; Gerd Dipl Ing Dr Gottlebe; Peter Prof Dr Med Dettmar
Original assignee: DETTMAR PETER PROF DR MED HABI; VOLKE HANS JUERGEN DR SC NAT
Current assignee: DETTMAR PETER PROF DR MED HABI; VOLKE HANS JUERGEN DR SC NAT
Priority date: 1990-06-26
Filing date: 1990-06-26
Publication date: 1992-01-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur zeitvariaten Spektralanalyse elektrischer Signale s(t), die aus sinusförmigen Teilschwingungen (y_i(t) zusammengesetzt sind, deren Frequenzen f_i um bekannte Mittelwerte f₀i schwanken. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das zu analysierende Signal s(t) parallel n (n - bekannte Anzahl der Teilschwingungen) Rechenschaltungen R_i (i = 1, . . ., n) zugeführt wird, die, bezogen auf einen gleichen Zeitpunkt t, fortlaufend eine dem Integral

proportionale Größe bilden, die mit einer Wichtung a_ik (i, k = 1, . . ., n) auf die Eingänge von Summiergliedern S_k geschaltet sind, wobei die a_ik so abgeglichen sind, daß eine am Eingang anliegende Teilschwingung y_i(t) minimale Ausgangssignale x_k(t) am Ausgang von S_k (i≠k) erzeugt (Fig. 1). Die am Ausgang einer derartigen Vorrichtung anliegenden Signale x_k(t) entsprechen bis auf einen, von f_i im Bereich 0,85<=f_i/f_0i<=1,15 weitgehend unabhängigen Verstärkungsfaktor den Teilsignalen y_i(t) mit einer für alle Teilfunktionen gleichen Verzögerung der x_i(t) gegenüber s(t), wodurch eine phasengetreue Zerlegung des Originalsignals in seine konstituierenden Komponenten y_i(t) erzielt wird.

Anwendungsbereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spektralanalyse elektrischer Signale, die zusammengesetzt sind aus sinuidalen Teilschwingungen, deren Frequenzen um bekannte Mittelwerte schwanken, wie z. B. das Elektroenzephalogramm, die Herzfrequenz und andere natürliche, insbesondere biogene Oszillationen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Frequenzanalysatoren auf analoger und/oder digitaler Basis gehören seit langem zum Stand der Technik. Bezogen auf die Spezifik der vorliegenden Lösung können diese in zwei Gruppen unterteilt werden: a) formal-mathematische Analysatoren, die die Zerlegung des zu untersuchenden Signals ohne einen direkten Bezug zu den tatsächlichen Konstituenten bewirken, und b) konstituentenbezogene Analysatoren, die eine Zerlegung des Signals in inhaltlich determinierte Bestandteile zum Ziel haben, zumeist auf der Grundlage von Filterbänken.

Für die Gruppe a) können die sog. Fourieranalysatoren als Prototyp benannt werden. Ihr Vorteil besteht in dem streng formalisierten mathematischen Apparat, der auch als Basis für entsprechende digitale Schaltungsanordnungen dient. Ihr Nachteil besteht im wesentlichen darin, daß die als Ergebnis ermittelten Werte nicht auf die tatsächlichen Komponenten bezogen sind, sondern auf die eines artifiziellen orthogonalen Funktionssystems. Damit geht der Prozeßbezug weitgehend verloren. Nachteilig ist ferner, daß sich die Ergebnisse auf Zeitintervalle und nicht auf Zeitpunkte beziehen, wodurch die zeitliche Auflösung eingeschränkt wird. Als ein erheblicher Mangel ist weiterhin die vorausgesetzte Stationarität des Signals zu sehen, wodurch die Untersuchung häufig interessierender instationärer Vorgänge a priori außerhalb der Betrachtung verbleibt. Auftretende Instationaritäten bewirken außerdem Fehler in den Ergebnissen.

Dagegen sind Filterbänke (Gruppe b) zumeist auf die natürlichen Frequenzbänder justiert. Ihr Vorteil besteht in ihrem Prozeßbezug und in der Möglichkeit der Erfassung und Analyse auch instationärer Abläufe. Nachteilig wirkt sich aus, daß der Übertragungskoeffizient der Bandfilter über den eingestellten Frequenzbereich nicht konstant ist. Oszillationen am Rande des Übertragungsbereichs werden im Vergleich zu mittigen Frequenzen gedämpft, woraus Verfälschungen resultieren. Zur Sicherung eines annähernd konstanten Übertragungsverhaltens über den Gesamtbereich der möglichen Frequenzen ist eine partielle Überlappung angrenzender Frequenzbereiche nicht zu umgehen. Daraus ergibt sich ein unerwünschtes "Mitklingen" bzw. "Übersprechen". Bedingt durch die Forderung, die Teilschwingungen über den betreffenden Bereich phasenverschiebungsfrei zu übertragen, machen sich aufwendige Schaltungsanordnungen erforderlich, die ihre ökonomische Widerspiegelung in relativ hohen Kosten finden. Ferner wirkt sich die für jede Schaltung vorhandene An- und Abklingzeit negativ aus, die ohnehin bewirkt, daß die bei instationären Oszillationen (z. B. biogener Natur) stets vorhandenen Variationen von Frequenz und Amplitude zeitlich verschleppt, mithin also nicht zeitgetreu abgebildet werden. Dadurch wird auch die eingangs als Vorteil postulierte Möglichkeit der Analyse von Instationaritäten relativiert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die zeitlichen Änderungen der Anteile eines Signals, bestehend aus sinusförmigen Komponenten, deren Frequenzen um bekannte Mittelwerte schwanken, mit hoher Phasen-, Frequenz- und Amplitudentreue zu erfassen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Gegenüber vergleichbaren Lösungen des Standes der Technik ist die vorliegende durch folgende Besonderheiten charakterisiert:

1. Die komponentenspezifische Beschränkung des Analysenintervalls auf etwa 1 Periodenlänge der jeweiligen Teilschwingung bewirkt vergleichsweise geringe An- und Abklingzeiten und eine hohe zeitliche Auflösung.
2. Die Festlegung der Integrationsgrenzen gemäß (1a) bzw. (2a) gewährleistet einen relativ konstanten (von der tatsächlichen Frequenz der Teilschwingung weitgehend unabhängigen) Übertragungsfaktor im Frequenzbereich: 0,85 <= f_i/f_0i <= 1,15 nach Anspruch 1,0,75 <= f_i/f_0i <(= 1,25 nach Anspruch 2.
3. Die phasengetreue Auflösung und die Synchronisation der Parallelschaltung auf einen gemeinsamen Zeitpunkt t bewirkt mittels der nachfolgenden Verkopplung und Wichtung eine Kompensation des Übersprechens der Teilschwingungen, wodurch eine befriedigende Separation auch von frequenzmäßig stark benachbarten Komponenten erzielt wird.

Ausführungsbeispiel

Das Ausführungsbeispiel (Fig. 2) bezieht sich auf die Zerlegung eines Elektroencephalogramms (EEG) nach Anspruch 1 in seine natürlichen Komponenten Delta, Theta, Alpha und Beta unter Zugrundelegung folgender Frequenzbereiche:

Delta: 1,75-3,5 Hz;
Theta: 3,5-7,0 Hz;
Alpha: 7,0-14,0 Hz;
Beta: 14,0-28,0 Hz.

Das gemessene und verstärkte elektrische Signal s(t) - das EEG - wird zunächst mit einem vorzugsweise integrierten AD-Wandlerbaustein (z. B. AD 571) in Zeitabständen von ca. Δt = 2,34 ms digitalisiert und mittels einer Mikroprozessorschaltung MP₀ über deren Eingangstorschaltung E vom Datenbus DB gelesen und in einen als Schieberegister SR₀ fungierenden Arbeitsspeicher vom Typ eines statischen RAM-Schaltkreises (z. B. U 6264) eingeschrieben, der mit der Prozessorschaltung über den Speicherbus SB verbunden ist.

Der genutzte Adreßraum des RAM beträgt entsprechend der Periodenlänge der niederfrequentesten Teilschwingung - im EEG die Delta- Schwingung - und der gewählten Abtastrate Δt 128 Speicherplätze. Der üblichen Funktionsweise eines Schieberegisters entsprechend werden dabei die letzten 127 der insgesamt 128 Meßwerte genau um jeweils einen Speicherplatz (z. B. in Richtung höherer Adreßraum) verschoben, der vorderste ("älteste") Wert somit überschrieben (entfernt) und der neue Meßwert auf den freiwerdenden letzten ("jüngsten") Speicherplatz eingeschrieben.

Für die Bestimmung der Teilschwingungen erfolgt die Bildung eines Berechnungswertes r_i gemäß (1), (1a) zu

aus den Meßwerten eines in SR₀ definierten Speicherbereiches. Die Speicherplatzbereiche der Komponenten sind wie folgt lokalisiert:

für i=1 (Delta) von Speicherplatz
1 bis Speicherplatz 128,
für i=2 (Theta) von Speicherplatz	33 bis Speicherplatz 96,
für i=3 (Alpha) von Speicherplatz	49 bis Speicherplatz 80,
für i=4 (Beta) von Speicherplatz	57 bis Speicherplatz 72.

Jeder Komponente (Teilschwingung) ist gemäß Fig. 1 eine Hybridrechenschaltung - bestehend aus je einer Mikroprozessorschaltung MP_I vergleichbar MP₀ (s. a. Fig. 3) für die Deltaschwingung MP_D, die Thetaschwingung MP_T usw., je einem dieser nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis bekannter Ausführung und einem Summationsverstärker S_i mit eingangsseitiger vorzeichengerechter Verstärkung (vgl. (4) und Fig. 4) - zugeordnet.

Nach der in beschriebener Weise erfolgten Meßwertaufnahme und -verschiebung werden die Meßwerte aus den o. g. genannten Speicherbereichen jeweils en Block über das Ausgangstor A der Prozessorschaltung MP₀ und das jeweilige Eingangstor E der Prozessorschaltung MP_I zur Berechnung von (3) an die i-te Rechenschaltung, beginnend bei MP_D, MP_T etc. übergeben, wodurch jeweils anschließend der i-te Berechnungsvorgang initiiert wird.

Die zeitliche und lokale Synchronisation sowie das Quittungssignalspiel für die Datenübertragung zwischen den Prozessorschaltungen erfolgen nach an sich bekannten Prinzipien des getakteten Datenaustausches (z. B. Handshake) über ausgewählte periphere Signalleitungen der Prozessorschaltung, wobei die die Prozessorschaltungen verbindende Synchronisationsschaltung SYNC unter Verwendung handelsüblicher integrierter Logikschaltkreise beispielsweise der Low-Power-Schottky-Serie 74LS . . . und Decoderschaltkreisen wie 74LS139 aufgebaut ist.

Fig. 3 zeigt die prinzipielle Ausführung einer Mikroprozessorschaltung MP_I, die im wesentlichen aus einem geeigneten Mikroprozessor - beispielsweise einem Einchipmikroprozessor vom Typ U886 (entspricht Z8682) und einer üblichen peripheren Beschaltung mit einem ROM-Programmspeicher (z. B. 2716), einem statischen RAM- Arbeitsspeicher (z. B. U6264), je einem Eingangs- und Ausgangsdatenlatch (z. B. 74ALS583) als Ein- bzw. Ausgangstor, die jeweils in bekannter Weise über schaltungsinterne Daten- und Adreßbus-Leitungen mit dem Prozessor verbunden sind. Die Steuerleitungen Sync_e und Sync_a ermöglichen die o. g. Synchronisation mit der Prozessorschaltung MP₀ zur Meßwertaufnahme, die in gleicher Weise aufgebaut ist, jedoch zusätzlich mit dem als Schieberegister SR₀ arbeitenden RAM-Schaltkreis über den Speicherbus SB verbunden ist.

Die Arbeitsgeschwindigkeit der vier Prozessorschaltungen zur Bestimmung von (3) ist so dimensioniert, daß mit jedem neuen Eingangsmeßwert im Schieberegister SR₀ genau ein Rechenwert r_i am Ausgangstor A der jeweiligen Prozessorschaltung MP_I zur Verfügung steht. Der diesem Tor nachgeschaltete DA-Wandler (z. B. AD 7520) zur Umsetzung des digitalen Rechenwertes r_i in ein z. B. mittels Schreiber registrierbares Analogsignal ist mit jedem der vier Summationsverstärker S_i gemäß Fig. 1 so verbunden, daß das jeweilige nun analog vorliegende Berechnungssignal r_i* mittels einer an sich bekannten Verstärkeranordnung vorzeichenbehaftet und gewichtet in die i-te Summation nach folgender Tabelle der Verstärkungsfaktoren eingehen kann:

wobei die Indices 1 . . . 4 der Faktoren a_ik die Komponenten Delta bis Beta bezeichnen.

Fig. 4 zeigt das Ausführungsbeispiel eines derartigen Summierverstärkers mit gewichteten Eingängen, wobei für die eingezeichneten Verstärkerelemente (#) handelsübliche integrierte Operationsverstärker z. B. der Serie TL80 einzusetzen sind. Der betreffende Wichtungskoeffizient wird durch den Verstärkungsfaktor

v_ik = -R_ik2 / R_ik1 (5)

des ersten invertierenden Verstärkers #1 festgelegt. Die nachfolgend wahlweise Zwischenschaltung eines weiteren invertierenden Verstärkers mit v = -1 dient der polaritätsgerechten Zuführung des gewichteten Signals auf den eigentlichen Summationsverstärker bekannter Ausführung, wobei dessen Vorzeichenumkehr durch den nachfolgenden Verstärker mit v = -1 kompensiert wird.

Die elektrischen Ausgangssignale der Gesamtschaltung werden am Ausgang der Summationsglieder abgenommen und entsprechen mit hinreichender Genauigkeit dem Zeitverlauf der Komponenten Delta bis Beta, wobei letztere gegenüber dem Originalsignal s(t) um 64 Abtastpunkte, entsprechend 150 ms, verzögert sind.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur zeitvariaten Spektralanalyse elektrischer Signale s(t), zusammengesetzt aus n sinuidalen Teilschwingungen y_i(t) mit variabler, um einen bekannten Mittelwert f_0i schwankenden Frequenz f_i, gekennzeichnet dadurch, daß je Teilschwingung y_i(t) eine Rechenschaltung R_i zur Bildung der Integralfunktion oder einer dazu proportionalen Größe, und je ein Summierglied S_i nacheinander geschaltet sind, wobei auf den Eingang der S_i die Ausgänge aller R_i mit eingangsseitig wirksamen Verstärkungsfaktoren a_ik (i, k = 1, . . ., n) geschaltet sind und letztere jeweils so abgeglichen sind, daß eine am Eingang der Vorrichtung anliegende Teilschwingung y_i(t) an den Ausgängen minimale Signale x_k(t) (i≠k) erzeugt (Fig. 1).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Rechenschaltungen R_i die Integralfunktionen oder eine dazu proportionale Größe bilden und die Ausgangssignale x_i(t) um eine von der Mittenfrequenz f_0i abhängigen Totzeit verzögert werden.