DE102022133018B3 - Method and measuring system for carrying out an impedance spectroscopic measurement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung an einem Testobjekt. Dafür wird ein breitbandiges Testsignal erzeugt, welches aus mehreren Testsignalanteilen in Form binärer Pseudo-Rausch-Folgen besteht, wobei eine vorbestimmte Bandbreite (b) des Testsignals in mindestens zwei benachbarten Sub-Bänder der Testsignalanteile aufgeteilt wird. Es folgt das Anregen des Testobjekts durch gleichzeitiges Einprägen aller Testsignalanteile in ihren Sub-Bändern. Die Reaktion des angeregten Testobjekts wird erfasst, wobei für jedes der Sub-Bänder jeweils mindestens ein zugeordneter Sensor am Testobjekt Teilmesssignale im jeweiligen Sub-Band erfasst. Die Teilmesssignale werden in parallelen Messkanälen durch Fourier-Transformation verarbeitet. Abschließend werden die verarbeiteten Teilmesssignale zu einem Messsignal zusammengesetzt, welches das Testobjekt charakterisiert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messsystem zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung an einem Testobjekt.The invention relates to a method for carrying out an impedance spectroscopic measurement on a test object. For this purpose, a broadband test signal is generated which consists of several test signal components in the form of binary pseudo-noise sequences, with a predetermined bandwidth (b) of the test signal being divided into at least two adjacent sub-bands of the test signal components. The test object is then excited by simultaneously impressing all test signal components in their sub-bands. The reaction of the excited test object is recorded, with at least one associated sensor on the test object recording partial measurement signals in the respective sub-band for each of the sub-bands. The partial measurement signals are processed in parallel measurement channels by Fourier transformation. Finally, the processed partial measurement signals are combined to form a measurement signal which characterizes the test object. The invention also relates to a measurement system for carrying out an impedance spectroscopic measurement on a test object.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messsystem zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung.The present invention relates to a method and a measuring system for carrying out an impedance spectroscopic measurement.

Bekannt sind unterschiedliche technische Möglichkeiten, Impedanzen an Testobjekten zu messen. Gemeinsam ist den üblichen Methoden, dass Testsignale erzeugt und deren Wirkungen auf das zu untersuchende Material als Messsignal erfasst werden. Die Erfindung beschäftigt sich mit den Aspekten derartiger Signalerzeugung und Signalerfassung und ist insoweit generell für verschiedene Methoden der Impedanzmessung anwendbar.Different technical possibilities for measuring impedances on test objects are known. What the usual methods have in common is that test signals are generated and their effects on the material to be examined are recorded as a measurement signal. The invention deals with the aspects of such signal generation and signal recording and is therefore generally applicable to various methods of impedance measurement.

Die Impedanz-Spektroskopie ist eine bekannte Methode um das elektrische Antwortverhalten von festen und flüssigen Stoffen zu ermitteln. Aus den ermittelten Parametern können dann beispielsweise Rückschlüsse auf Materialzusammensetzung, Materialqualität etc. gezogen werden. Zur Durchführung einer impedanzspektroskopischen Messung wird das zu untersuchende Testobjekt einem schwachen elektrischen Wechselfeld ausgesetzt und der elektrische Widerstand gemessen, den das Testobjekt einem Stromfluss bei gegebener Frequenz des Wechselfeldes entgegen bringt. Der Widerstand hängt von vielerlei stoffinternen, molekularen und strukturellen Effekten ab, deren frequenzabhängige Auswirkungen über ein sehr breites Frequenzband bestimmbar sind. Um die Parameter des zu untersuchenden Materials möglichst vollständig zu erfassen, sind Messungen über ein extrem breites Frequenzspektrum erforderlich. Herkömmlich werden solche Messungen unter Verwendung von Sinussignalen ausgeführt, deren Frequenz schrittweise über das betreffende Frequenzband verändert wird. Dabei werden zwei Messkonzepte benutzt, die regelmäßig als Impedanz-Analyzer und Network-Analyzer bezeichnet werden. Für Frequenzen unterhalb 10 - 100 MHz kommen meist Impedanz-Analyzer zum Einsatz. Über 100 MHz werden zumeist Network-Analyzer verwendet. Typischerweise handelt es sich dabei um Laborgeräte, die nicht für den Einsatz als industrieller Sensor geeignet sind. Die Signalerzeugung ist aufwendig und verursacht eine große Messzeit, da die Messfrequenzen sequenziell durchfahren werden.Impedance spectroscopy is a well-known method for determining the electrical response of solid and liquid materials. The parameters determined can then be used to draw conclusions about material composition, material quality, etc. To carry out an impedance spectroscopic measurement, the test object to be examined is exposed to a weak alternating electrical field and the electrical resistance that the test object offers to a current flow at a given frequency of the alternating field is measured. The resistance depends on many internal, molecular and structural effects, the frequency-dependent effects of which can be determined over a very broad frequency band. In order to record the parameters of the material to be examined as completely as possible, measurements over an extremely broad frequency spectrum are required. Such measurements are traditionally carried out using sinusoidal signals, the frequency of which is changed step by step over the relevant frequency band. Two measurement concepts are used, which are regularly referred to as impedance analyzers and network analyzers. For frequencies below 10 - 100 MHz, impedance analyzers are usually used. Above 100 MHz, network analyzers are usually used. These are typically laboratory devices that are not suitable for use as industrial sensors. Signal generation is complex and causes a long measurement time, since the measurement frequencies are run through sequentially.

Die DE 10 2004 047 042 A1 erläutert ein Verfahren zur Spektrumanalyse eines Signals in mehreren Frequenzbändern mit jeweils unterschiedlicher Frequenzauflösung. Das Verfahren umfasst einen Datenerfassungsschritt und einen nachfolgenden Datenauswertungsschritt je Frequenzband. Der Datenerfassungsschritt und der nachfolgende Datenauswertungsschritt laufen für jedes Frequenzband der Spektrumanalyse zyklisch ohne Unterbrechung ab. Die zugehörige Vorrichtung zur Spektrumanalyse eines Signals speichert für jedes Frequenzband in jeweils einem Ringspeicher eine Abtastfolge des Signals zyklisch ab. Aus den zyklisch abgespeicherten Abtastfolgen berechnet jeweils ein diskreter Fourier-Transformator die zum jeweiligen Frequenzband gehörigen Spektralwerte zyklisch.The EN 10 2004 047 042 A1 explains a method for spectrum analysis of a signal in several frequency bands, each with a different frequency resolution. The method comprises a data acquisition step and a subsequent data evaluation step for each frequency band. The data acquisition step and the subsequent data evaluation step run cyclically without interruption for each frequency band of the spectrum analysis. The associated device for spectrum analysis of a signal cyclically stores a sampling sequence of the signal for each frequency band in a ring buffer. A discrete Fourier transformer cyclically calculates the spectral values belonging to the respective frequency band from the cyclically stored sampling sequences.

Die EP 3 141 898 A1 beschreibt ein Impedanz-Spektroskopiesystem zur Bioimpedanzmessung, bei dem ein Signal mit einem breitbandigen Frequenzspektrum erzeugt und aus dem Signal ein analoger Injektionsstrom abgeleitet wird. Der analoge Injektionsstrom weist eine Hochpassfrequenzcharakteristik auf. Ein Verstärker wird zum Messen einer Spannung als Reaktion auf das analoge Injektionssignal verwendet, welches Biopotentialinformationen (z.B. EKG oder EEG) umfasst, aus denen ein Bioimpedanzspektrum sowie andere Parameter gewonnen werden können. Dieses System nutzt einen Injektionsstrom mit einer Hochpassfrequenzcharakteristik, sodass der Injektionsstrom mit der Frequenz zunimmt. Dadurch wird das typische Bioimpedanzverhalten kompensiert, sodass das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems über die Frequenz gleichmäßiger ist.The EP 3 141 898 A1 describes an impedance spectroscopy system for bioimpedance measurement in which a signal with a broadband frequency spectrum is generated and an analog injection current is derived from the signal. The analog injection current has a high-pass frequency characteristic. An amplifier is used to measure a voltage in response to the analog injection signal, which includes biopotential information (eg ECG or EEG) from which a bioimpedance spectrum and other parameters can be obtained. This system uses an injection current with a high-pass frequency characteristic so that the injection current increases with frequency. This compensates for the typical bioimpedance behavior so that the signal-to-noise ratio of the system is more uniform across frequency.

Die Charakterisierung und Analyse der Zusammensetzung von Materialien bzw. allgemein von zu untersuchenden Substanzen mittels Impedanz-Spektroskopie gestattet kontinuierlich arbeitende Messverfahren bzw. Messsysteme, die nicht zerstörend arbeiten und keine Probenentnahme erfordern. Die Methode nutzt die materialspezifischen Transport- oder Verschiebemechanismen von freien oder gebundenen elektrischen Ladungsträgern. Aus makroskopischer Sicht wird das Verhalten der Ladungsträger durch die frequenzabhängige Permittivitätszahl ε(f) beschrieben. Die Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit) einer Substanz ist eine komplexwertige Funktion in Abhängigkeit von der Frequenz, die typischer Weise als Produkt der Permittivität des Vakuums ε0 und der relativen Permittivität εr(f) der betrachteten Substanz dargestellt wird. Größe und Frequenzabhängigkeit der Permittivität hängen vom betrachteten Material ab bzw. von dessen Zusammensetzung aus Grundstoffen, Verschmutzungen, Kontaminierung etc. Somit besteht bei der impedanzspektroskopischen Messung die Anforderung, aus der Messung der Permittivität rückwirkend auf die Zusammensetzung oder Qualität einer Substanz (Testobjekt) schließen zu können. Das erfordert die Lösung eines inversen Problems. Derartige Problemstellungen tendieren zu mehrdeutigen und widersprüchlichen Lösungen. Um dem entgegen zu wirken, sind so viel wie möglich und so vielschichtig wie möglich Informationen über das Testobjekt zu sammeln. Übertragen auf die Methode der Impedanz-Spektroskopie bedeutet dies, dass die Wechselwirkung eines elektrischen Feldes mit dem Testobjekt über ein möglichst breites Frequenzband beobachtet werden muss, um mehrere physikalische Wechselwirkungsmechanismen erfassen zu können. Im Fall der Impedanz-Spektroskopie beschränkt man sich regelmäßig auf Frequenzen des Mikrowellenbereiches und darunter. Innerhalb dieser Frequenzbereiche basieren die typischen Wechselwirkungen auf Relaxationsphänomenen mit spezifischen Relaxationszeiten.The characterization and analysis of the composition of materials or, in general, of substances to be examined using impedance spectroscopy allows continuously operating measurement methods or measurement systems that are non-destructive and do not require sampling. The method uses the material-specific transport or displacement mechanisms of free or bound electrical charge carriers. From a macroscopic point of view, the behavior of the charge carriers is described by the frequency-dependent permittivity number ε(f). The permittivity (dielectric conductivity) of a substance is a complex-valued function depending on the frequency, which is typically represented as the product of the permittivity of the vacuum ε 0 and the relative permittivity ε r (f) of the substance under consideration. The size and frequency dependence of the permittivity depend on the material in question or on its composition of basic materials, impurities, contamination, etc. Thus, the impedance spectroscopic measurement requires that the composition or quality of a substance (test object) can be deduced retrospectively from the permittivity measurement. This requires the solution of an inverse problem. Such problems tend to lead to ambiguous and contradictory solutions. To counteract this, as much information as possible and as diverse as possible must be collected about the test object. Applied to the method of impedance spectroscopy, this means that the interaction of an electric field with the test object must be observed over as wide a frequency band as possible in order to be able to record several physical interaction mechanisms. In the case of impedance spectroscopy, one usually restricts oneself to frequencies in the microwave range and below. Within these frequency ranges, the typical interactions are based on relaxation phenomena with specific relaxation times.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung. Dieses Verfahren soll es insbesondere gestatten, die impedanzspektroskopische Messung schneller als nach herkömmlichen Methoden, mit einfachen technischen Mitteln und vor allem über ein extrem breites Frequenzband auszuführen, sodass materialspezifische Parameter des Testobjektes mit hoher Genauigkeit bestimmbar sind.One object of the invention is to provide an improved method for carrying out an impedance spectroscopic measurement. This method should in particular allow the impedance spectroscopic measurement to be carried out more quickly than with conventional methods, with simple technical means and, above all, over an extremely wide frequency band, so that material-specific parameters of the test object can be determined with high accuracy.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung werden zunächst einige wesentliche Erkenntnisse dargestellt, die der Erfindung zugrunde liegen. In vielen potenziellen Anwendungsfeldern, wie z. B. dem Inline-Monitoring von strömenden Flüssigkeiten, ist die Zeit zum Erfassen eines kompletten Impedanz-Spektrums sehr begrenzt. Das bringt herkömmliche Messverfahren (Impedance Analyzer, Network Analyzer) schnell an ihre Grenzen, da diese Geräte in sequenziellen Schritten den erforderlichen Frequenzbereich durchfahren, was zu einer lang andauernden Messung führt und außerdem aufwendige Sinus-Signalgeneratoren erfordert, die ein breitbandiges Frequenzband abdecken können. Ein Ansatz zur signifikanten Verringerung der Messzeit wird darin gesehen, das zu untersuchende Testobjekt gleichzeitig mit sehr vielen Frequenzen anzuregen. Dafür wird ein breitbandiges Testsignal benötigt, welches gleichzeitig alle Spektralkomponenten enthält; das Testsignal soll also eine große „Augenblicksbandbreite“ aufweisen. Gleichzeitig muss aber sichergestellt werden, dass die Gesamtleistung des Testsignals bestimmte Werte nicht überschreitet, um Überhitzung oder Zerstörung des Testobjektes zu vermeiden. Die gesuchte Permittivität εr des Testobjektes (meist eine feste oder flüssige Substanz) ist ein Materialparameter, der nicht direkt gemessen werden kann. Eine messbare Größe ist z. B. die frequenzabhängige Admittanz Y (f) eines Kondensators, dessen Dielektrikum durch die Messsubstanz gebildet ist. Geht man aus Gründen der Vereinfachung zunächst davon aus, dass die Permittivität des Testmaterials frequenzunabhängig ist, ergibt sich innerhalb des Frequenzbandes eine Variationsbreite der Admittanzamplitude, wobei die Variationsbreite des Messwertes in der gleichen Größenordnung wie die Variationsbreite der Frequenz liegt. Bei einem angestrebten Frequenzintervall von z. B. 12 Dekaden, würde man also ein Messgerät benötigen, welches eine Admittanz ebenfalls über 12 Größenordnungen messen kann. Da vorgabegemäß alle Frequenzen gleichzeitig auftreten sollen, ist eine Messbereichsumschaltung für das Admittanzmessgerät nicht möglich. Die präzise Messung einer Admittanz über 12 Dekaden in einem einzigen Messbereich ist mit heutigen Bauelementen physikalisch nicht möglich.To better understand the invention, some of the key findings on which the invention is based are first presented. In many potential fields of application, such as inline monitoring of flowing liquids, the time to record a complete impedance spectrum is very limited. This quickly pushes conventional measurement methods (impedance analyzer, network analyzer) to their limits, as these devices run through the required frequency range in sequential steps, which leads to a long measurement time and also requires complex sine signal generators that can cover a broadband frequency band. One approach to significantly reducing the measurement time is to excite the test object to be examined with a large number of frequencies at the same time. This requires a broadband test signal that contains all spectral components at the same time; the test signal should therefore have a large "instantaneous bandwidth". At the same time, however, it must be ensured that the total power of the test signal does not exceed certain values in order to avoid overheating or destruction of the test object. The desired permittivity ε r of the test object (usually a solid or liquid substance) is a material parameter that cannot be measured directly. One measurable quantity is, for example, the frequency-dependent admittance Y (f) of a capacitor whose dielectric is formed by the substance being measured. If, for the sake of simplicity, we initially assume that the permittivity of the test material is frequency-independent, there is a range of variation in the admittance amplitude within the frequency band, with the range of variation of the measured value being in the same order of magnitude as the range of variation of the frequency. For a desired frequency interval of, for example, 12 decades, we would therefore need a measuring device that can also measure an admittance over 12 orders of magnitude. Since all frequencies are to occur simultaneously, it is not possible to switch the measuring range for the admittance measuring device. The precise measurement of an admittance over 12 decades in a single measuring range is physically impossible with today's components.

Die Erfindung gestattet es überraschenderweise, diese scheinbar widersprüchlichen Anforderungen trotzdem physikalisch und technisch zu erfüllen. Sie schafft damit völlig neue Messmöglichkeiten und Einsatzfelder für die impedanzspektroskopische Messung von Materialien bzw. Substanzen.Surprisingly, the invention makes it possible to meet these seemingly contradictory requirements physically and technically. It thus creates completely new measurement possibilities and fields of application for the impedance spectroscopic measurement of materials or substances.

Ausgehend von diesen Überlegungen wird die o.g. Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Messsystem gemäß Anspruch 9 gelöst. In den abhängigen Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen genannt, wobei dies keine abschließende Aufzählung von Variationsmöglichkeiten darstellt.Based on these considerations, the above-mentioned object is achieved by a method according to the appended claim 1 and by a measuring system according to claim 9. Preferred embodiments are mentioned in the dependent subclaims, although this does not represent an exhaustive list of possible variations.

Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt ein breitbandiges Testsignal mit großer Augenblicksbandbreite erzeugt, welches in mehrere Testsignalanteile in Form binärer Pseudo-Rausch-Folgen zergliedert ist. Es gibt mehrere Möglichkeiten sehr breitbandige Signale zu erzeugen. Eine sehr einfache, kosteneffiziente und Leistung sparende Methode ist die Erzeugung von binären Pseudo-Rausch-Folgen, z. B. eine M-Sequenz. Nachfolgend wird die Erfindung unter Nutzung von M-Sequenzen als Testsignal beschrieben, die Anwendbarkeit anderer binärer Pseudo-Rausch-Folgen ist damit aber nicht ausgeschlossen. Neben der Bezeichnung M-Sequenz ist auch die Bezeichnung MLBS (maximum length binary sequence) gebräuchlich. Die Erzeugung einer M-Sequenz ist bis zu hohen Frequenzen relativ einfach möglich, vorzugsweise indem ein stabiler Taktgenerator ein digitales, linear rückgekoppeltes Schieberegister (LFSR) anstößt. Ein solches Schieberegister besteht aus einer Anzahl n von Flip-Flops, die geeignet rückgekoppelt sind, um eine M-Sequenz zu erzeugen (im Einzelnen: J. Sachs, Handbook of Ultra-Wideband Short-Range Sensing - Theory, Sensors, Applications. Berlin: Wiley-VCH, 2012 ). Mit n wird auch die Ordnung der M-Sequenz bezeichnet.According to the invention, in a first step a broadband test signal with a large instantaneous bandwidth is generated, which is broken down into several test signal components in the form of binary pseudo-noise sequences. There are several ways of generating very broadband signals. A very simple, cost-effective and power-saving method is the generation of binary pseudo-noise sequences, e.g. an M-sequence. The invention is described below using M-sequences as a test signal, but this does not exclude the applicability of other binary pseudo-noise sequences. In addition to the term M-sequence, the term MLBS (maximum length binary sequence) is also used. The generation of an M-sequence is relatively easy up to high frequencies, preferably by a stable clock generator triggering a digital, linear feedback shift register (LFSR). Such a shift register consists of a number n of flip-flops that are suitably fed back in order to generate an M-sequence (in Individual: J. Sachs, Handbook of Ultra-Wideband Short-Range Sensing - Theory, Sensors, Applications. Berlin: Wiley-VCH, 2012 ). n also denotes the order of the M-sequence.

Eine M-Sequenz ist ein periodisches Signal, dessen Periode aus scheinbar zufällig verteilten positiven und negativen Elementarimpulsen - so genannten Chips - besteht.An M-sequence is a periodic signal whose period consists of apparently randomly distributed positive and negative elementary pulses - so-called chips.

Die Anzahl N der Chips pro Periode wird durch die Ordnung n der M-Sequenz, also die Anzahl der Flip-Flops im LFSR, bestimmt: N = 2 n 1

Figure DE102022133018B3_0001
The number N of chips per period is determined by the order n of the M-sequence, i.e. the number of flip-flops in the LFSR: N = 2 n 1
Figure DE102022133018B3_0001

Die Dauer eines Elementarimpulses wird durch die Taktrate des Generators festgelegt: t c = ƒ c 1 .

Figure DE102022133018B3_0002
The duration of an elementary pulse is determined by the clock rate of the generator: t c = ƒ c 1 .
Figure DE102022133018B3_0002

Die Dauer einer M-Sequenz Periode ist somit: T P = N t c

Figure DE102022133018B3_0003
The duration of an M-sequence period is therefore: T P = N t c
Figure DE102022133018B3_0003

Unterzieht man eine M-Sequenz einer Fourier-Transformation erhält man ein Linienspektrum. Ein Signal mit einem Linienspektrum kann man auch als eine Überlagerung von mehreren Sinussignalen unterschiedlicher Frequenz verstehen; im vorliegenden Fall sind das die gewünschten Sinusfrequenzen ƒ i = i Δ ƒ = i T P = i N ƒ c ;   i = 0,1,2,3,

Figure DE102022133018B3_0004
If you subject an M-sequence to a Fourier transformation, you get a line spectrum. A signal with a line spectrum can also be understood as a superposition of several sinusoidal signals of different frequencies; in this case, these are the desired sinusoidal frequencies ƒ i = i Δ ƒ = i T P = i N ƒ c ; i = 0,1,2,3,
Figure DE102022133018B3_0004

Die Amplituden der entsprechenden Sinuskomponenten folgen dabei einer sinc2- Funktion. Es zeigt sich, dass alle Spektralkomponenten (Sinuskomponenten) mit Frequenzen kleiner fc/2 nahezu die gleiche Leistung haben, während darüber liegende Spektralanteile immer schwächer werden. Für die Stimulation eines Testobjektes wären sie somit kaum noch geeignet. Daher werden gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei der Erzeugung des Testsignals alle Frequenzen größer fc/2 ausgeschlossen. Um das auch praktisch garantieren zu können, werden die unerwünschten Spektralanteile durch ein Tiefpassfilter unterdrückt. Aus Gründen einer einfachen Darstellung wird nachfolgend von einem idealen Rechtecktiefpass mit der Grenzfrequenz fc/2 ausgegangen.The amplitudes of the corresponding sine components follow a sinc 2 function. It can be seen that all spectral components (sine components) with frequencies less than f c /2 have almost the same power, while spectral components above this become weaker and weaker. They would therefore hardly be suitable for stimulating a test object. Therefore, according to a particularly preferred embodiment, all frequencies greater than f c /2 are excluded when generating the test signal. In order to be able to guarantee this in practice, the undesirable spectral components are suppressed by a low-pass filter. For the sake of simplicity, an ideal rectangular low-pass filter with the cut-off frequency f c /2 is assumed below.

Als Testsignal steht somit zunächst die M-Sequenz (oder eine vergleichbare binäre Pseudo-Rausch-Folge) zur Verfügung, welche gleichzeitig über die Frequenzen f i = i Δ f ;   i = 1,2, N 1 2

Figure DE102022133018B3_0005
verfügt, ohne dass aufwendige Sweep-Vorgänge oder Frequenzregelschleifen benötigt werden. Je nach geforderter relativer Bandbreite b kann die nötige Länge des Schieberegisters gewählt werden. Im Falle der bevorzugten Tiefpassfilterung ist die Signalamplitude der M-Sequenz im Wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Periode verteilt. Spannungsspitzen, die zu Überlastungen des Testobjektes oder zur Übersteuerung einer Messelektronik führen könnten, sind damit ausgeschlossen. Damit umfasst das Spektrum der M-Sequenz eine Anzahl von NF nutzbaren, nicht redundanten Spektrallinien N F = N 1 2 = 2 n 1 1
Figure DE102022133018B3_0006
The M-sequence (or a comparable binary pseudo-noise sequence) is therefore initially available as a test signal, which simultaneously has the frequencies e i = i Δ e ; i = 1,2, N 1 2
Figure DE102022133018B3_0005
without the need for complex sweep processes or frequency control loops. The required length of the shift register can be selected depending on the required relative bandwidth b. In the case of the preferred low-pass filtering, the signal amplitude of the M-sequence is distributed essentially evenly over the entire period. Voltage peaks that could lead to overloading of the test object or overloading of the measuring electronics are thus excluded. The spectrum of the M-sequence thus comprises a number of N F usable, non-redundant spectral lines N F = N 1 2 = 2 n 1 1
Figure DE102022133018B3_0006

Die Verwendung von M-Sequenzen (oder vergleichbarer binärer Pseudo-Rausch-Folgen) vereinfacht sowohl die Erzeugung des Testsignals als auch die Erfassung und Verarbeitung der am zu untersuchenden Testobjekt gewonnenen Messsignale, wie es sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt.The use of M-sequences (or comparable binary pseudo-noise sequences) simplifies both the generation of the test signal and the acquisition and processing of the measurement signals obtained from the test object to be examined, as will be described below.

Für die Erfindung ist es wesentlich, dass das Testsignal mit der gewünschten großen Bandbreite b in mindestens zwei Testsignalanteile aufgeteilt wird, die in benachbarten Sub-Bändern liegen. Dazu werden mindestens zwei parallele Kanäle in einem Messsystem realisiert, die mit demselben Takt gespeist werden, jedoch die große Bandbreite b auf ein vorbestimmtes engeres Frequenzband (Sub-Band) beschränken und dafür jeweils eine M-Sequenz bilden, die dann als Testsignalanteil zur Verfügung steht.It is essential for the invention that the test signal with the desired large bandwidth b is divided into at least two test signal components that lie in adjacent sub-bands. For this purpose, at least two parallel channels are implemented in a measuring system that are fed with the same clock, but limit the large bandwidth b to a predetermined narrower frequency band (sub-band) and form an M-sequence for each of them, which is then available as a test signal component.

Im nächsten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt werden die mehreren M-Sequenzen (oder vergleichbare binäre Pseudo-Rausch-Folgen) zum Zweck der Messung einem Testobjekt eingeprägt, d. h. das Testobjekt wird von dem Testsignal angeregt, welches durch die mindestens zwei, vorzugsweise zahlreiche Testsignalanteile repräsentiert wird. Bei dem Testobjekt handelt es sich beispielsweise um eine feste oder flüssige Substanz, insbesondere eine hinsichtlich ihrer Parameter zu untersuchende Materialmischung. Solche Testobjekte sind regelmäßig in einer Messschaltung eingebettet.In the next step of the method according to the invention, the multiple M-sequences (or comparable binary pseudo-noise sequences) are impressed on a test object for the purpose of measurement, ie the The test object is excited by the test signal, which is represented by at least two, preferably numerous test signal components. The test object is, for example, a solid or liquid substance, in particular a material mixture to be examined with regard to its parameters. Such test objects are regularly embedded in a measuring circuit.

Die Reaktion des Testobjekts auf das Testsignal (Testsignalanteile) stellt das Messsignal dar, welches im nächsten Schritt in geeigneter Form zu erfassen ist. Als Methoden zur Messsignal-Erfassung kommen gemäß bevorzugten Ausführungsformen Nyquist Sampling, Interleaved Sampling oder Überabtastung mit optionaler Tiefpassfilterung zum Einsatz. All diese Methoden erfordern die Bandbegrenzung des Testsignals auf die Hälfte der jeweiligen Taktrate des LFSR. Das wird durch ein Tiefpassfilter erreicht, welches prinzipiell an beliebiger Stelle zwischen LSFR und einem Analog/DigitalWandler (ADC) angeordnet sein kann. Bei Überabtastung ist auch eine digitale Implementierung möglich, so dass analoge Filter entfallen können. Eine Aufteilung auf mehrere Filter ist ebenso möglich.The reaction of the test object to the test signal (test signal components) represents the measurement signal, which must be recorded in a suitable form in the next step. According to preferred embodiments, Nyquist sampling, interleaved sampling or oversampling with optional low-pass filtering are used as methods for recording the measurement signal. All of these methods require the band limitation of the test signal to half the respective clock rate of the LFSR. This is achieved by a low-pass filter, which can in principle be arranged anywhere between the LSFR and an analog/digital converter (ADC). With oversampling, a digital implementation is also possible, so that analog filters can be omitted. Division into several filters is also possible.

Die genannten und ähnliche Varianten der Messwerterfassung liefern einen Datenstrom von N=2n-1 digitalisierten Spannungswerten pro Messung. Für die Weiterverarbeitung müssen die gewonnenen Messsignale einer Fourier-Transformation (im praktischen Fall einer FFT - Fast-Fourier-Transformation) unterzogen werden, um die spektrale Zusammensetzung des Messsignals zu erhalten. Dieses Vorgehen entspricht letztlich einer (virtuellen) Anregung des Testobjektes mit Sinussignalen (Testsignal).The above-mentioned and similar variants of measured value acquisition provide a data stream of N=2 n -1 digitized voltage values per measurement. For further processing, the measurement signals obtained must be subjected to a Fourier transformation (in the practical case an FFT - Fast Fourier Transformation) in order to obtain the spectral composition of the measurement signal. This procedure ultimately corresponds to a (virtual) excitation of the test object with sinusoidal signals (test signal).

Insbesondere die Baugruppen des LFSR und die erforderlichen Taktteiler, welche das Taktsignal unterteilen und den parallelen Kanälen zuführen, können als reale Schaltungen implementiert sein oder auch durch einen Algorithmus in einem frei programmierbaren Digital-Schaltkreis (z. B. FPGA oder DSP) abgebildet werden. Letzteres bleibt allerdings bei derzeit üblichen Bauelementen auf Taktraten unterhalb einiger 10 MHZ beschränkt.In particular, the LFSR components and the required clock dividers, which divide the clock signal and feed it to the parallel channels, can be implemented as real circuits or can be mapped by an algorithm in a freely programmable digital circuit (e.g. FPGA or DSP). However, the latter remains limited to clock rates below a few 10 MHz with currently common components.

Bei Anwendung der erwähnten bevorzugten Bandbegrenzung lässt sich der technische Aufwand reduzieren und eine besonders stabile Arbeitsweise des Gesamtsystems sicherstellen, da alle zeitkritischen Teilkomponenten von einer gemeinsamen Taktquelle aus bedient werden können. Das Nyquist-Sampling Theorem besagt, dass die Taktrate des Analog/Digital-Wandlers (ADC) (mindestens) doppelt so groß sein muss wie die Bandbreite des Messsignals. Somit können im vorliegenden Fall LFSR und ADC vom gleichen Taktgenerator aus bedient werden. Außerdem ermöglicht die zeitlich strenge Kopplung zwischen Test- und Messsignal die Bestimmung ihrer gegenseitigen Phase, ohne dass ein Referenzkanal zur Erfassung des Testsignals notwendig ist. Das reduziert den technischen Aufwand, Stromverbrauch und Datenvolumen.By applying the preferred band limitation mentioned above, the technical effort can be reduced and a particularly stable operation of the overall system can be ensured, since all time-critical subcomponents can be operated from a common clock source. The Nyquist sampling theorem states that the clock rate of the analog/digital converter (ADC) must be (at least) twice as large as the bandwidth of the measurement signal. In this case, LFSR and ADC can therefore be operated from the same clock generator. In addition, the strict temporal coupling between the test and measurement signals enables their mutual phase to be determined without the need for a reference channel to record the test signal. This reduces the technical effort, power consumption and data volume.

Wie oben dargelegt wurde, soll bei der impedanzspektroskopischen Messung (Hyper-Breitband-Messung) das Testobjekt, welches in eine Messumgebung eingebettet ist, mit Testsignalen in einem großen Frequenzbereich angeregt werden, nämlich über ein Frequenzband mit der relativen Bandbreite b. Für b können z. B. 8, 10 oder 12 Dekaden angenommen werden (b= [108 1010 1012]). Solche Signale können mit einem LFSR der Ordnung 28, 35 oder 41 erzeugt werden. Die Verkettung einer solchen Anzahl von Flip-Flops zu einem LFSR stellt technisch kein Problem dar. Die damit verbundenen Datenmengen, die pro Messung zu erfassen sind, ergeben sich für die drei Fälle zu 268 Millionen, 34 Milliarden oder 2.2 Billionen Messwerten zu je typischerweise 12 ... 16 Bit. Für ein herkömmliches SensorSystem wären dies - ohne Anwendung der Erfindung - nicht mehr handhabbare Datenmengen. Zusätzlich ist sicherzustellen, dass die Gesamtleistung des Testsignals im allgemeinen 1 mW (in vielen Fällen sogar weniger) nicht überschreiten darf, um Beschädigungen am Testobjekt auszuschließen. Diese Leistung teilt sich gleichmäßig auf alle Spektrallinien auf, so dass in herkömmlichen Sensor-Systemen pro Spektralkomponente keine vernünftig messbare Leistung mehr zur Verfügung stehen würde.As explained above, in the impedance spectroscopic measurement (hyper-broadband measurement), the test object, which is embedded in a measurement environment, is to be excited with test signals in a large frequency range, namely over a frequency band with the relative bandwidth b. For b, e.g. 8, 10 or 12 decades can be assumed (b= [10 8 10 10 10 12 ]). Such signals can be generated with an LFSR of order 28, 35 or 41. Chaining such a number of flip-flops to form an LFSR is not technically a problem. The associated data volumes that are to be recorded per measurement result in 268 million, 34 billion or 2.2 trillion measured values, each typically 12 ... 16 bits, for the three cases. For a conventional sensor system, these would be unmanageable data volumes - without application of the invention. In addition, it must be ensured that the total power of the test signal generally does not exceed 1 mW (in many cases even less) in order to prevent damage to the test object. This power is distributed evenly across all spectral lines, so that in conventional sensor systems there would no longer be any reasonably measurable power available for each spectral component.

Dieses Problem der Hyper-Breitband-Messung mit seinen widersprüchlichen Anforderungen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, indem die Verarbeitung auf Sub-Bänder aufgeteilt wird. Die Verarbeitung gewonnener Messsignale wird dafür kaskadiert bzw. parallelisiert, sodass man eine quasi-logarithmische Stufung der Spektrallinien des Test- oder Anregungssignals erhält. Zum begrifflichen Verständnis ist anzumerken, dass die Messkanäle, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden, arbeiten parallel, sie sind aber frequenzmäßig kaskadiert. Innerhalb eines Sub-Bandes sind die Frequenzabstände äquidistant (also linear). Die Mittenfrequenzen der einzelnen Sub-Bänder sind aber logarithmisch skaliert, sodass von einer quasilogarithmischen Stufung gesprochen werden kann. Das bedeutet, dass bei tiefen Frequenzen der Abstand zwischen zwei Spektrallinien relativ klein ist, während bei hohen Frequenzen ihr Abstand immer größer wird. Da der Abstand der Spektrallinien einer M-Sequenz zwangsläufig immer äquidistant ist, lässt sich keine kontinuierliche Abstandsvergrößerung erreichen, sondern nur in Sprüngen - daher die Bezeichnung quasi-logarithmisch. Vorteilhaft führt dies zur Reduktion der Datenmenge und zur Erhöhung der Signalleistung je Spektrallinie im Vergleich zu einer rein linearen Skalierung der Messfrequenzen. Das resultierende Messsignal zeigt in diesem Sinne eine Quasi-logarithmische Frequenzachse, die sich aus dem Zusammenspiel von Schieberegistern und Taktteilern ergibt.This problem of hyper-broadband measurement with its contradictory requirements is solved by the method according to the invention by dividing the processing into sub-bands. The processing of the measurement signals obtained is cascaded or parallelized so that a quasi-logarithmic gradation of the spectral lines of the test or excitation signal is obtained. For conceptual understanding, it should be noted that the measurement channels used to carry out the method according to the invention work in parallel, but they are cascaded in terms of frequency. Within a sub-band, the frequency spacing is equidistant (i.e. linear). The center frequencies of the individual sub-bands are scaled logarithmically, so that one can speak of a quasi-logarithmic gradation. This means that at low frequencies the distance between two spectral lines is relatively small, while at high frequencies their distance becomes ever larger. Since the distance between the spectral lines of an M-sequence is necessarily always equidistant, no continuous increase in distance can be achieved, but only in jumps gen - hence the term quasi-logarithmic. This advantageously leads to a reduction in the amount of data and an increase in the signal power per spectral line compared to a purely linear scaling of the measurement frequencies. In this sense, the resulting measurement signal shows a quasi-logarithmic frequency axis, which results from the interaction of shift registers and clock dividers.

Das bereits erwähnte Erfassen der Reaktion des angeregten Testobjekts erfolgt durch an das Testobjekt angepasste Sensoren. Jedem Kanal des Messsystems, welcher in der beschriebenen Weise in einem Sub-Band arbeitet, ist mindestens ein Sensor zugeordnet, welcher an den Frequenzbereich dieses Sub-Bandes angepasst ist. Dem Fachmann sind zahlreiche Sensoren bekannt, aus denen er eine Auswahl treffen kann. Jeder Sensor erfasst im zugehörigen Sub-Band jeweils am Testobjekt Teilmesssignale, die der weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Sensor, das Testobjekt und ggf. weitere Baueinheiten, die für die Messsignalgewinnung benötigt werden, können in ihrer Gesamtheit als eine Messumgebung bezeichnet werden, die für jeden Kanal aufzubauen ist und von denen erfindungsgemäß mindestens zwei parallel arbeitende vorgesehen sind.The aforementioned detection of the reaction of the excited test object is carried out by sensors adapted to the test object. Each channel of the measuring system, which operates in a sub-band as described, is assigned at least one sensor that is adapted to the frequency range of this sub-band. The person skilled in the art is familiar with numerous sensors from which he can make a selection. Each sensor detects partial measurement signals on the test object in the associated sub-band, which are then sent for further processing. The sensor, the test object and any other components required to obtain the measurement signals can be referred to as a whole as a measurement environment that is to be set up for each channel and of which at least two are provided to work in parallel according to the invention.

In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die erfassten Teilmesssignale in parallelen Messkanälen parallel verarbeitet, nämlich durch eine Fourier-Transformation, vorzugsweise eine FFT. Abschließend werden die verarbeiteten Teilmesssignale zu einem endgültigen Messsignal zusammengesetzt, welches die Parameter des untersuchten Testobjekts repräsentiert. Das Messsignal besitzt eine quasi-logarithmische Frequenzachse und kann an weitere Einheiten ausgegeben werden und/oder auf einer Anzeigeeinheit zur Anzeige gebracht werden.In a subsequent process step, the recorded partial measurement signals are processed in parallel in parallel measurement channels, namely by a Fourier transformation, preferably an FFT. Finally, the processed partial measurement signals are combined to form a final measurement signal, which represents the parameters of the test object being examined. The measurement signal has a quasi-logarithmic frequency axis and can be output to other units and/or displayed on a display unit.

Das erfindungsgemäße Messsystem zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung an einem Testobjekt eignet sich insbesondere zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer seiner Ausführungsformen. Das Messsystem umfasst zunächst einen Taktgenerator zur Erzeugung eines Taktsignals fc sowie mindestens einen Taktteiler, um das Taktsignal in mindestens zwei Taktsignalanteile zu unterteilen. Mindestens zwei parallel arbeitenden Messkanäle, empfangen jeweils einen Taktsignalanteil. Jeder Messkanal arbeitet in einem eigenen Sub-Band, wobei die Frequenzbereiche der benachbarten Sub-Bänder aneinander angrenzen oder sich in den Grenzbereichen ggf. teilweise überdecken. Jeder dieser parallelen Messkanäle umfasst ein linear rückgekoppeltes Schieberegister (LFSR), welches aus dem Taktsignalanteil ein Teiltestsignal in Form einer binären Pseudo-Rausch-Folge erzeugt. Jeder Messkanal besitzt eine Messumgebung mit einem Sensor, der im Sub-Band des Messkanals am Testobjekt ein Teilmesssignal erfasst, sowie einen Analog/Digital-Wandler (ADC), der das Teilmesssignal wandelt. Schließlich besitzt das Messsystem eine Recheneinheit, welche die Teilmesssignale aus den Messkanälen empfängt und unter Anwendung einer parallelen Fourier-Transformation in ein Messsignal mit quasi-logarithmischer Frequenzachse zusammensetzt.The measuring system according to the invention for carrying out an impedance spectroscopic measurement on a test object is particularly suitable for carrying out the method described above or one of its embodiments. The measuring system initially comprises a clock generator for generating a clock signal f c and at least one clock divider to divide the clock signal into at least two clock signal components. At least two measuring channels operating in parallel each receive a clock signal component. Each measuring channel operates in its own sub-band, with the frequency ranges of the neighboring sub-bands adjacent to one another or possibly partially overlapping in the border areas. Each of these parallel measuring channels comprises a linear feedback shift register (LFSR), which generates a partial test signal in the form of a binary pseudo-noise sequence from the clock signal component. Each measuring channel has a measuring environment with a sensor that detects a partial measurement signal in the sub-band of the measuring channel on the test object, and an analog/digital converter (ADC) that converts the partial measurement signal. Finally, the measuring system has a computing unit which receives the partial measurement signals from the measuring channels and, using a parallel Fourier transformation, combines them into a measurement signal with a quasi-logarithmic frequency axis.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

  • 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Hyper-Breitband-Messsystems mit kaskadierten/parallelen Pseudo-Rausch-Einheiten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Hyper-Breitband-Messsystems mit kaskadierten/parallelen Pseudo-Rausch-Einheiten;
  • 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines Hyper-Breitband-Messsystems mit zwei separat getakteten 2-Kanal-Analog/Digital-Wandlern.
Further advantages and details of the invention emerge from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawing. They show:
  • 1 a block diagram of a first embodiment of a hyper-broadband measuring system with cascaded/parallel pseudo-noise units for carrying out the method according to the invention;
  • 2 a block diagram of a second embodiment of a hyper-wideband measurement system with cascaded/parallel pseudo-noise units;
  • 3 a block diagram of a third embodiment of a hyper-broadband measuring system with two separately clocked 2-channel analog/digital converters.

1 zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild eine erste Ausführungsform eines Hyper-Breitband-Messsystems, welches sich für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. Das Messsystem nutzt dafür eine Kaskadierung bzw. Parallelschaltung von Pseudo-Rausch-Einheiten. Die gewünschte quasi-logarithmische Frequenzskalierung wird erreicht, indem das zu erfassende Frequenzband b in K Sub-Bänder aufgeteilt wird: b = b 0 K

Figure DE102022133018B3_0007
1 shows a simplified block diagram of a first embodiment of a hyper-broadband measuring system which is suitable for carrying out the method according to the invention. The measuring system uses a cascading or parallel connection of pseudo-noise units. The desired quasi-logarithmic frequency scaling is achieved by dividing the frequency band b to be recorded into K sub-bands: b = b 0 K
Figure DE102022133018B3_0007

Zur Vereinfachung wird hier nur eine gleichmäßige Aufteilung auf die verschiedenen Sub-Bänder betrachtet; durch eine geeignete Wahl der LFSR-Ordnung und der Teilerfaktoren lassen sich aber auch andere Kombinationen bzw. Verteilungen erzeugen.For the sake of simplicity, only an even distribution across the various sub-bands is considered here; however, by choosing the appropriate LFSR order and the divider factors, other combinations or distributions can also be generated.

In der gezeigten Ausführungsform ist K=4 gewählt. Ein Taktgenerator 11 stellt ein Taktsignal mit einer Taktfrequenz fc bereit, welche nachfolgend, teils über Taktteiler 12, an die vier parallelen Messkanäle ❶❷❸❹ bereitgestellt wird. Jeder Messkanal besitzt ein linear rückgekoppeltes Schieberegister 13 (LFSR), welches aus einer Anzahl n von Flip-Flops besteht, die geeignet rückgekoppelt sind, um eine M-Sequenz zu erzeugen. Die Taktteiler 12 sorgen dafür, dass jedes LFSR 13 in einem anderen Sub-Band arbeitet. Innerhalb eines Sub-Bandes ist der Abstand zwischen den Spektrallinien äquidistant. Für jedes Sub-Band wird ein separater Messkanal genutzt. Die vom LFSR erzeugte binäre Pseudo-Rausch-Folge wird bevorzugt je einen angepassten Tiefpassfilter 14 gefiltert und nachfolgend jeweils einer Messumgebung 15 zugeführt. Die Tiefpassfilterung kann je nach Ausführungsform vor oder nach dem Messobjekt (der Messumgebung) vorgenommen werden. Im Falle einer Überabtastung kann sie auch digital realisiert werden und Bestandteil des Down-Sampling sein. Deshalb fehlen die Filterblöcke in den Kanälen ❸ und ❹ in 1 sowie im Kanal ❹ in den 2 und 3. Bei hohen Messfrequenzen, also dort wo Unterabtastung oder Nyquist-Sampling angewandt wird, muss die Tiefpassfilterung durch analoge Filter erfolgen. Jede Messumgebung umfasst das Testobjekt, einen Sensor und weitere zur Durchführung der Messung erforderliche Baueinheiten.In the embodiment shown, K=4 is selected. A clock generator 11 provides a clock signal with a clock frequency f c , which is then provided, partly via clock dividers 12, to the four parallel measuring channels ❶❷❸❹. Each measuring channel has a linear feedback shift register 13 (LFSR), which consists of a number n of flip-flops that are suitably fed back to generate an M sequence. The clock dividers 12 ensure that each LFSR 13 operates in a different sub-band. Within a sub-band, the distance between the spectral lines is equidistant. A separate measuring channel is used for each sub-band. The binary pseudo-noise sequence generated by the LFSR is preferably filtered by an adapted low-pass filter 14 and then fed to a measuring environment 15. Depending on the embodiment, the low-pass filtering can be carried out before or after the measurement object (the measuring environment). In the case of oversampling, it can also be implemented digitally and be part of the downsampling. Therefore, the filter blocks in channels ❸ and ❹ are missing in 1 and in channel ❹ in the 2 and 3 . At high measurement frequencies, i.e. where subsampling or Nyquist sampling is used, low-pass filtering must be carried out using analog filters. Each measurement environment includes the test object, a sensor and other components required to carry out the measurement.

Die Signalerzeugung ist technisch wenig aufwendig und ermöglicht eine zeitparallele Messung über alle Frequenzen. Man benötigt hierzu K-Sensorelektroden, die Bestandteil der jeweiligen Messumgebung 15 sind und vorzugsweise räumlich dicht zueinander platziert werden, insbesondere wenn eine räumliche Inhomogenität des zu untersuchenden Testobjekts zu erwarten ist. Dabei müssen die verschiedenen Sensorelektroden nicht zwangsläufig identisch aufgebaut sein. Jede Messumgebung 15 liefert für das jeweilige Sub-Band ein Teilmesssignal, welches über jeweils einen zugeordneten Analog/Digital-Wandler 16 (ADC) einer Recheneinheit 17 zugeführt wird, in welcher die Teilmesssignale einer parallelen (Fast) Fourier-Transformation unterzogen und zu einem endgültigen Messsignal zusammengefügt werden. Die ADC 16, die alle oder in Gruppen zu einem Multi-Kanal-ADC zusammengefasst sein können, werden bevorzugt vom selben Taktsignal gespeist, wie eines der LFSR 13.The signal generation is technically not very complex and enables a time-parallel measurement across all frequencies. This requires K sensor electrodes, which are part of the respective measurement environment 15 and are preferably placed spatially close to one another, especially if spatial inhomogeneity of the test object to be examined is to be expected. The various sensor electrodes do not necessarily have to be identical. Each measurement environment 15 supplies a partial measurement signal for the respective sub-band, which is fed via an associated analog/digital converter 16 (ADC) to a computing unit 17, in which the partial measurement signals are subjected to a parallel (fast) Fourier transformation and combined to form a final measurement signal. The ADCs 16, which can be combined all or in groups to form a multi-channel ADC, are preferably fed by the same clock signal as one of the LFSRs 13.

Zur Erläuterung der Funktionsweise soll beispielhaft von einfachsten Bedingungen ausgegangen werden, wie folgt:

  • - alle LFSR sind von der gleicher Ordnung n;
  • - alle Taktteiler sind ebenfalls von der Ordnung n;
  • - ein Multi-Kanal ADC erfasst parallel alle Teilmesssignale; er wird mit der Frequenz fs getaktet;
  • - die Messwerterfassung in allen Sub-Bändern (Messkanälen) umfasst die gleiche Zeitdauer TR.
To explain how it works, we will use the simplest of conditions as an example, as follows:
  • - all LFSRs are of the same order n;
  • - all clock dividers are also of order n;
  • - a multi-channel ADC records all partial measurement signals in parallel; it is clocked with the frequency f s ;
  • - the measured value acquisition in all sub-bands (measurement channels) covers the same time period T R .

1 zeigt eine 4-kanalige Ausführungsform, wobei in jedem Messkanal die Taktrate des dazugehörigen LFSR 13 um den Faktor 2n reduziert wird. Durch die gleiche Ordnung aller LFSR 13 wird in allen vier Kanälen die gleiche Anzahl nutzbarer Spektrallinien erzeugt, wobei sich deren Frequenzlage und Abstand aber mit jeder Stufe verringert. 1 shows a 4-channel embodiment, where in each measuring channel the clock rate of the corresponding LFSR 13 is reduced by a factor of 2 n . Due to the same order of all LFSR 13, the same number of usable spectral lines is generated in all four channels, although their frequency position and spacing decrease with each level.

Bevorzugt ist vor dem ADC 17 im Kanal ❶ eine Track and Hold (T&H) Schaltung 18 vorgesehen, insbesondere wenn die analoge Eingangsbandbreite des AD-Wandlers nicht groß genug für die Bandbreite der M-Sequenz ist. Typischerweise ist das im Betriebsmodus Unterabtastung der Fall.Preferably, a track and hold (T&H) circuit 18 is provided upstream of the ADC 17 in channel ❶, particularly when the analog input bandwidth of the AD converter is not large enough for the bandwidth of the M-sequence. This is typically the case in the subsampling operating mode.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Frequenzen aller auftretenden Spektrallinien zusammengefasst und an Beispielen der Frequenzumfang der einzelnen Kanäle illustriert. Dabei wird von einer Taktrate von fc=10GHz ausgegangen. Tabelle 1: Kanal Spektrallinien Ordnung von LFSR und Teiler n = 5 n=9

Figure DE102022133018B3_0008
[ 1,2,3 2 n 1 1 ] ƒ c ( 2 n 1 ) 2 n ( K 1 )
Figure DE102022133018B3_0009
[ 1,2,3 2 n 1 1 ] ƒ c ( 2 n 1 ) 2 3 n
Figure DE102022133018B3_0010
fmin 9.8 KHz 145 mHz
fmax 148 KHz 37 Hz [ 1,2,3 2 n 1 1 ] ƒ c ( 2 n 1 ) 2 2 n
Figure DE102022133018B3_0011
fmin 315 KHz 75 Hz
fmax 4.7 MHz 20 KHz [ 1,2,3 2 n 1 1 ] ƒ c ( 2 n 1 ) 2 n
Figure DE102022133018B3_0012
fmin 10 MHz 38 KHz
fmax 151 MHz 10 MHz [ 1,2,3 2 n 1 ] ƒ c ( 2 n 1 )
Figure DE102022133018B3_0013
fmin 320 MHz 20 MHz
fmax 4.8 GHz 5 GHz Relative Bandbreite b=2nK-1 5 105 3.4 1010 Datenumfang NHW=K(2n-1) 124 2044 Anzahl Spektrallinien N F , H W = K ( 2 n 1 1 ) 1 2 N H W
Figure DE102022133018B3_0014
60 1020
The following Table 1 summarizes the frequencies of all occurring spectral lines and illustrates the frequency range of the individual channels using examples. A clock rate of f c =10GHz is assumed. Table 1: channel Spectral lines Order of LFSR and divisor n = 5 n =9
Figure DE102022133018B3_0008
[ 1,2,3 2 n 1 1 ] ƒ c ( 2 n 1 ) 2 n ( K 1 )
Figure DE102022133018B3_0009
[ 1,2,3 2 n 1 1 ] ƒ c ( 2 n 1 ) 2 3 n
Figure DE102022133018B3_0010
f min 9.8KHz 145 MHz
fmax 148KHz 37Hz [ 1,2,3 2 n 1 1 ] ƒ c ( 2 n 1 ) 2 2 n
Figure DE102022133018B3_0011
f min 315KHz 75Hz
fmax 4.7MHz 20KHz [ 1,2,3 2 n 1 1 ] ƒ c ( 2 n 1 ) 2 n
Figure DE102022133018B3_0012
f min 10MHz 38KHz
fmax 151MHz 10MHz [ 1,2,3 2 n 1 ] ƒ c ( 2 n 1 )
Figure DE102022133018B3_0013
f min 320MHz 20MHz
fmax 4.8GHz 5GHz Relative bandwidth b= 2nK-1 5 10 5 3.4 10 10 Data scope N HW =K(2 n -1) 124 2044 Number of spectral lines N F , H W = K ( 2 n 1 1 ) 1 2 N H W
Figure DE102022133018B3_0014
60 1020

Aus den Beispielen in Tabelle 1 wird der Vorteil einer Aufspaltung in Sub-Bänder ersichtlich. In einem einstufigen bzw. 1-kanaligen Verfahren (also nur eine M-Sequenz-Stufe) müssten z. B. für eine relative Bandbreite von b=5 105 eine Anzahl von N≈106 Messwerten erfasst werden, wenn die Erfindung nicht zum Einsatz kommt. Stattdessen müssen erfindungsgemäß nur NHW=124 beim 4-kanaligen Verfahren erfasst werden. Mit zunehmender Bandbreite wird die Verbesserung immer deutlicher, denn anstelle von N≈6.8·1010 Datensamples zur Realisierung einer relativen Bandbreite von b=3.4·1010 in einer Stufe, müssen nur NHW=2044 Spannungswerte im 4-kanaligen Verfahren erfasst werden.The advantages of splitting into sub-bands are evident from the examples in Table 1. In a single-stage or 1-channel process (i.e. only one M-sequence stage), for example, a number of N≈10 6 measured values would have to be recorded for a relative bandwidth of b=5 10 5 if the invention is not used. Instead, according to the invention, only N HW =124 need to be recorded in the 4-channel process. The improvement becomes more and more apparent with increasing bandwidth, because instead of N≈6.8·10 10 data samples to achieve a relative bandwidth of b=3.4·10 10 in one stage, only N HW =2044 voltage values need to be recorded in the 4-channel process.

Bezüglich der Messwerterfassung wird in der Ausführungsform gemäß 1 davon ausgegangen, dass dafür ein 4-kanaliger ADC zur Verfügung steht, dessen Eingangsspannungen typischerweise alle mit der gleichen Taktrate erfasst werden (ein zeitlicher Versatz der Messwerterfassung zwischen den Kanälen würde dabei keine Rolle spielen; eine zeitgleiche Erfassung ist also nicht nötig). Da die höchste zu messende Frequenz etwa 5 GHz betragen soll, wäre im Messkanal ❶ des erfindungsgemäß arbeitenden Hyper-Breitbandsensors eine Abtastrate von 10 GHz für den ADC gefordert. Der dazu nötige ADC wäre technisch aufwändig und man entscheidet sich deshalb in dieser Stufe für ein sequenzielles Sampling (im allgemeinen Fall für ein interleaved Sampling). Für den Fall n=9 führt das zu einer tatsächlichen Abtastrate des ADCs von fs=2-9fc≈20 MHz , die auch der Taktrate des Schieberegisters im Messkanal ❷ entspricht. ADCs für diese Messrate sind kommerziell verfügbar.Regarding the measurement data acquisition, in the embodiment according to 1 It is assumed that a 4-channel ADC is available for this purpose, the input voltages of which are typically all recorded at the same clock rate (a time offset in the measured value recording between the channels would not play a role; simultaneous recording is therefore not necessary). Since the highest frequency to be measured should be around 5 GHz, a sampling rate of 10 GHz would be required for the ADC in measuring channel ❶ of the hyper-broadband sensor operating according to the invention. The ADC required for this would be technically complex and one therefore opts for sequential sampling at this stage (in the general case for interleaved sampling). For the case n=9, this leads to an actual sampling rate of the ADC of f s =2 -9 f c ≈20 MHz , which also corresponds to the clock rate of the shift register in measuring channel ❷. ADCs for this measuring rate are commercially available.

Da diese Taktrate auch für alle weiteren Kanäle des ADCs gilt, arbeitet er Messkanal ❷ im Modus „Nyquist-Sampling“ und die Kanäle ❸ und ❹ arbeiten im Modus „Over-Sampling“. Bei den im Modus „Over-Sampling“ arbeitenden Kanälen, wird vorausgesetzt, dass die Bandbegrenzung auf digitaler Seite durch das Down-Sampling übernommen wird, so dass auf analoge Filter verzichtet werden kann. Weiterhin ist zu bemerken, dass die Zeit T R 4 = T P 4 = ( 2 n 1 ) 2 3 n ƒ c 1

Figure DE102022133018B3_0015
zum Erfassen aller Datensamples im Kanal ❹ am längsten dauert. Sie entspricht der Periodendauer der M-Sequenz mit der niedrigsten Taktrate. Aus praktischer Sicht ist es sinnvoll, dass alle Messkanäle über eine gleiche Messzeit arbeiten und nur die physikalisch sinnvollen Datensamples einer Weiterverarbeitung, z. B. Fourier-Transformation, zugeführt werden. Im Ergebnis dessen soll also jeder Messkanal N = 2n -1 Spannungssamples pro Zeitintervall TR4 liefern.Since this clock rate also applies to all other channels of the ADC, the measuring channel ❷ works in “Nyquist sampling” mode and the channels ❸ and ❹ work in “over sampling” mode. For the channels working in “over sampling” mode, it is assumed that the band limitation on the digital side is taken over by the down sampling, so that analog filters can be dispensed with. It should also be noted that the time T R 4 = T P 4 = ( 2 n 1 ) 2 3 n ƒ c 1
Figure DE102022133018B3_0015
to record all data samples in channel ❹ takes the longest. It corresponds to the period of the M sequence with the lowest clock rate. From a practical point of view, it makes sense for all measurement channels to work for the same measurement time and for only the physically meaningful data samples to be sent for further processing, e.g. Fourier transformation. As a result, each measurement channel should therefore deliver N = 2 n -1 voltage samples per time interval T R4 .

Zur Erfassung aller Datensamples einer Periode wird in den Kanälen ❶ und ❷ nur eine Zeit von T R 1 = T R 2 = ( 2 n 1 ) 2 n f c 1

Figure DE102022133018B3_0016
benötigt. Man kann deren Messung also 22n-fach innerhalb des Zeitintervalls TR4 wiederholen und die erfassten Werte synchron mitteln. In 1 ist das durch Σ 2 2 n
Figure DE102022133018B3_0017
symbolisiert. Im Kanal ❸ benötigt die Erfassung aller Werte eine Zeit von T R 3 = ( 2 n 1 ) 2 2 n f c 1 .
Figure DE102022133018B3_0018
 
Figure DE102022133018B3_0019
Hier kann man die Messungen 2n-mal wiederholen und synchron mitteln. Gleichzeitig wird um den Faktor 2n höher als nach dem Nyquist-Theorem nötig abgetastet, so dass durch ein Down-Sampling um den Faktor 2n schließlich die resultierende Anzahl N=2n-1 von Spannungswerten zur Verfügung steht. Die Reihenfolge von Mitteln oder Down-Sampeln ist dabei unerheblich. Im letzten Kanal ❹ muss dann nur noch die um den Faktor 22n zu hohe Abtastung durch ein entsprechendes Down-Sampling kompensiert werden.To record all data samples of a period, only one time of T R 1 = T R 2 = ( 2 n 1 ) 2 n e c 1
Figure DE102022133018B3_0016
required. The measurement can be repeated 2 2n times within the time interval T R4 and the recorded values can be averaged synchronously. In 1 is that through Σ 2 2 n
Figure DE102022133018B3_0017
In channel ❸, the recording of all values takes a time of T R 3 = ( 2 n 1 ) 2 2 n e c 1 .
Figure DE102022133018B3_0018
Figure DE102022133018B3_0019
Here, the measurements can be repeated 2 n times and averaged synchronously. At the same time, sampling is carried out by a factor of 2 n higher than required according to the Nyquist theorem, so that by down-sampling by a factor of 2 n , the resulting number N=2 n -1 of voltage values is finally available. The order of averaging or down-sampling is irrelevant. In the last channel ❹, only the sampling that is too high by a factor of 2 2n needs to be compensated by appropriate down-sampling.

Auf diese Weise werden in jedem Messkanal des Hyper-Breitband-Systems innerhalb der Zeitspanne TR4 die gleiche Anzahl von Datenpunkten zur Verfügung gestellt. Die Zeit TR4, also die Zeit einer vollständigen Messung, wird durch die kleinste zu messende Frequenz festgelegt T R 4 = T P 4 = ƒ 4 min 1 .

Figure DE102022133018B3_0020
Die so entstandenen Teilmesssignale werden anschließend parallel durch eine Fourier-Transformation in vier komplexwertige Spektren umgerechnet und schließlich zu einem quasi-logarithmisch skaliertem Spektrum vereiniget. Jeder der einzelnen Datenpunkte resultiert aus 22n Messwerten, die vom ADC eingesammelt wurden und durch synchrones Mitteln oder/und Down-Sampling auf jeweils einen Wert reduziert wurden. Somit hat jeder der Datenpunkte ein um den Faktor Q = 2 2 n = 2 n Q [ dB ] = 10 lg 2 n 10 n + 3
Figure DE102022133018B3_0021
geringeres Rauschen als ein einzelner mit dem ADC erfasster Messwert.In this way, the same number of data points are made available in each measurement channel of the hyper-broadband system within the time period T R4 . The time T R4 , i.e. the time of a complete measurement, is determined by the smallest frequency to be measured T R 4 = T P 4 = ƒ 4 min 1 .
Figure DE102022133018B3_0020
The resulting partial measurement signals are then converted into four complex-valued spectra in parallel using a Fourier transformation and finally combined to form a quasi-logarithmically scaled spectrum. Each of the individual data points results from 2 2n measured values that were collected by the ADC and reduced to one value each by synchronous averaging and/or down-sampling. Thus, each of the data points has a value that is increased by a factor of Q = 2 2 n = 2 n Q [ dB ] = 10 lg 2 n 10 n + 3
Figure DE102022133018B3_0021
less noise than a single measurement value acquired with the ADC.

2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Hyper-Breitband-Messsystems mit kaskadierten Pseudo-Rausch-Einheiten, welches sich ebenfalls zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. Bei dieser Ausführungsform ist die Taktrate der ADC 16 im Vergleich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform reduziert. Es können daher noch einfachere ADCs verwendet werden. Hier arbeiten die beiden Messkanäle ❶ und ❸ in der Betriebsart sequenzielles Sampling. Beide Kanäle sind mit geeigneten Track-and-Hold (T&H) Schaltungen 18 ausgestattet, um der analogen Bandbreite in beiden Messkanälen Rechnung zu tragen. Die geringere Taktrate des ADC 16 ermöglicht aber nur noch kleiner Mittelungs- und Down-Sampling-Faktoren, so dass sich die Rauschunterdrückung verschlechtert. In abgewandelten Ausführungsformen kann das analoge Tiefpassfilter im Kanal ❹ entfallen, da es durch das Down-Sampling in der Recheneinheit 17 mit erledigt wird. 2 shows a block diagram of a second embodiment of a hyper-broadband measuring system with cascaded pseudo-noise units, which is also suitable for carrying out the method according to the invention. In this embodiment, the clock rate of the ADC 16 is higher than that in 1 shown embodiment. Even simpler ADCs can therefore be used. Here, the two measuring channels ❶ and ❸ operate in sequential sampling mode. Both channels are equipped with suitable track-and-hold (T&H) circuits 18 to take account of the analog bandwidth in both measuring channels. The lower clock rate of the ADC 16, however, only allows smaller averaging and down-sampling factors, so that the noise suppression is worsened. In modified embodiments, the analog low-pass filter in channel ❹ can be omitted, since it is also handled by the down-sampling in the computing unit 17.

3 zeigt schließlich eine Ausführungsform des Messsystems mit zwei separat getakteten Zwei-Kanal-ADC 16. 3 Finally, shows an embodiment of the measuring system with two separately clocked two-channel ADC 16.

Alle in den 1-3 gezeigten Ausführungsformen gehen vereinfacht davon aus, dass sich die Frequenzbänder in den einzelnen Sub-Bändern der Messkanäle nahtlos aneinanderreihen. Das setzt voraus, dass die Tiefpassfilter 14 zur Bandbegrenzung eine ideale Rechteckform aufweisen, was eine praktisch nicht realisierbare Annahme darstellt. Aufgrund der endlichen Flankensteilheit realer Tiefpassfilter wird es also zu einer kleinen Frequenzlücke zwischen aufeinanderfolgenden Kanälen kommen. Da die Relaxationseffekte der Testobjekte sehr breitbandig sind, kann man solche Frequenzlücken akzeptieren. Sollte dies für spezielle Anforderungen nicht hinnehmbar sein, kann durch die Wahl der LFSR-Ordnung von n+1 und der Teiler-Ordnung von n eine Frequenzüberlappung zwischen den Sub-Bändern erreicht werden, innerhalb derer das Tiefpassfilter in seinen Sperrbereich übergehen kann.All in the 1-3 The embodiments shown assume, in simplified terms, that the frequency bands in the individual sub-bands of the measurement channels are arranged seamlessly. This requires that the low-pass filters 14 have an ideal rectangular shape for band limitation, which is an assumption that is practically impossible to realize. Due to the finite edge steepness of real low-pass filters, there will therefore be a small frequency gap between successive channels. Since the relaxation effects of the test objects are very broad-band, such frequency gaps can be accepted. If this is not acceptable for special requirements, a frequency overlap between the sub-bands can be achieved by choosing the LFSR order of n+1 and the divider order of n, within which the low-pass filter can go into its stop band.

Die aufgeführten Zahlen für die Ordnung von LFSR und Teiler sowie synchrone Mittelung und Down-Sampling sind nur als Beispiele zu werten. Es gibt einen weiten Spielraum diese Zahlen den Gegebenheiten anzupassen, insbesondere auch dann wenn die Messdaten der einzelnen Subsysteme nach synchroner Mittelung und Down-Sampling nicht gleichzeitig vorliegen müssen.The numbers listed for the order of LFSR and divider as well as synchronous averaging and down-sampling are only to be regarded as examples. There is a lot of scope for adapting these numbers to the circumstances, especially if the measurement data of the individual subsystems do not have to be available at the same time after synchronous averaging and down-sampling.

Die in den 1-3 gezeigten Ausführungsformen dienen insbesondere der Verdeutlichung des Signalflusses und beziehen sich nicht auf eine bestimmte technische Implementierung. Diese kann durch direkte Verschaltung elektronischer Baugruppen (LFSR, Teiler etc.) in Hardware geschehen. Es gibt aber auch die Möglichkeit die Strukturen und Signale in Software abzubilden und z. B. von einem FPGA ausführen zu lassen. Kombinationen aus beiden Implementierungskonzepten sind ebenso denkbar, wobei jedoch jene Systemkomponenten, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten, vorzugsweise in Hardware aufgebaut sind. Bei Softwareimplementierungen ist darauf zu achten, dass die erzeugten M-Sequenzen als analoge Signale anzusehen sind, auch wenn diese mit digitalen Mitteln erzeugt wurden. Das bedeutet, dass zufällige Störungen auf den Signalen, wie sie z. B. durch Überkoppeln mit anderen Digitalsignalen innerhalb eines FPGAs auftreten, zu vermeiden sind bzw. nachträglich eliminiert werden müssen.The 1-3 The embodiments shown serve in particular to clarify the signal flow and do not refer to a specific technical implementation. This can be done by directly interconnecting electronic components (LFSR, divider, etc.) in hardware. However, it is also possible to map the structures and signals in software and have them executed by an FPGA, for example. Combinations of both implementation concepts are also conceivable, although those system components that work at very high frequencies are preferably built in hardware. In software implementations, it is important to ensure that the M-sequences generated are to be viewed as analog signals, even if they were generated using digital means. This means that random interference on the signals, such as that which occurs through coupling with other digital signals within an FPGA, must be avoided or subsequently eliminated.

Claims (10)

Verfahren zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung an einem Testobjekt, folgende Schritte umfassend: - Erzeugung eines breitbandigen Testsignals, welches aus mehreren Testsignalanteilen in Form binärer Pseudo-Rausch-Folgen besteht, wobei eine vorbestimmte Bandbreite (b) des Testsignals in mindestens zwei benachbarten Sub-Bänder der Testsignalanteile aufgeteilt wird; - Anregen des Testobjekts durch gleichzeitiges Einprägen aller Testsignalanteile in ihren Sub-Bändern; - Erfassen der Reaktion des angeregten Testobjekts, wobei für jedes der Sub-Bänder jeweils mindestens ein zugeordneter Sensor am Testobjekt Teilmesssignale im jeweiligen Sub-Band erfasst; - paralleles Verarbeiten der Teilmesssignale in parallelen Messkanälen durch Fourier-Transformation; - Zusammensetzen der verarbeiteten Teilmesssignale zu einem Messsignal, welches das Testobjekt charakterisiert.Method for carrying out an impedance spectroscopic measurement on a test object, comprising the following steps: - generating a broadband test signal which consists of several test signal components in the form of binary pseudo-noise sequences, wherein a predetermined bandwidth (b) of the test signal is divided into at least two adjacent sub-bands of the test signal components; - exciting the test object by simultaneously impressing all test signal components in their sub-bands; - detecting the reaction of the excited test object, wherein for each of the sub-bands at least one associated sensor on the test object detects partial measurement signals in the respective sub-band; - parallel processing of the partial measurement signals in parallel measurement channels by Fourier transformation; - combining the processed partial measurement signals into a measurement signal which characterizes the test object. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Testsignalanteil jeweils eine M-Sequenz erzeugt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that an M-sequence is generated as the test signal component. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die M-Sequenz mithilfe eines digitalen, linear rückgekoppelten Schieberegister (LFSR) erzeugt wird, welches von einem Taktgenerator ein Taktsignal (fc) oder einen daraus abgeleiteten Taktsignalanteil erhält.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the M-sequence is generated by means of a digital, linear feedback shift register (LFSR) which receives a clock signal (f c ) or a clock signal component derived therefrom from a clock generator. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Testsignalanteil im Schritt des Erzeugens tiefpassgefiltert wird, um Frequenzen oberhalb der halben Taktfrequenz (fc/2) des Taktgenerators auszufiltern.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the test signal component is low-pass filtered in the generating step in order to filter out frequencies above half the clock frequency (f c /2) of the clock generator. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen des Teilmesssignals eine der folgenden Methoden genutzt wird: - Nyquist Sampling, - Interleaved Sampling, - Überabtastung.Method according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that one of the following methods is used to detect the partial measurement signal: - Nyquist sampling, - interleaved sampling, - oversampling. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Testsignalanteile und die Verarbeitung der Teilmesssignale unter Nutzung einer gemeinsamen Taktquelle erfolgen, unter Verwendung unterschiedlich gestufter Taktteiler (12), um M-Sequenzen über ein breit gefächertes Frequenzintervall der Sub-Bänder zu erzeugen.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the generation of the test signal components and the processing of the partial measurement signals are carried out using a common clock source, using differently stepped clock dividers (12) in order to generate M-sequences over a wide frequency interval of the sub-bands. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Frequenzen der Testsignalanteile an den Grenzen der benachbarten Sub-Bänder teilweise überdecken.Method according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the frequencies of the test signal components partially overlap at the boundaries of the adjacent sub-bands. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Bandbreite (b) des Testsignals in mindestens K Sub-Bänder der Testsignalanteile aufgeteilt wird, mit K ≥4.Method according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the predetermined bandwidth (b) of the test signal is divided into at least K sub-bands of the test signal components, with K ≥4. Messsystem zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung an einem Testobjekt, umfassend: - einen Taktgenerator (11) zur Erzeugung eines Taktsignals (fc); - einen Taktteiler (12), um das Taktsignal in mindestens zwei Taktsignalanteile zu unterteilen; - mindestens zwei parallel arbeitenden Messkanäle, die jeweils einen Taktsignalanteil empfangen und verarbeiten, wobei jeder Messkanal umfasst: ◯ ein linear rückgekoppeltes Schieberegister (13) (LFSR), welches in einem Sub-Band ein Teiltestsignal in Form einer binären Pseudo-Rausch-Folge erzeugt, ◯ eine Messumgebung (15) mit einem Sensor, der im Sub-Band des Messkanals am Testobjekt ein Teilmesssignal erfasst, ◯ einen Analog/Digital-Wandler (16) (ADC), der das Teilmesssignal wandelt; - eine Recheneinheit, welche die Teilmesssignale aus den Messkanälen empfängt und unter Anwendung einer parallelen Fourier-Transformation in ein Messsignal mit quasi-logarithmischer Frequenzachse zusammensetzt.Measuring system for carrying out an impedance spectroscopic measurement on a test object, comprising: - a clock generator (11) for generating a clock signal (f c ); - a clock divider (12) to divide the clock signal into at least two clock signal components; - at least two measuring channels operating in parallel, each of which receives and processes a clock signal component, each measuring channel comprising: ◯ a linear feedback shift register (13) (LFSR), which generates a partial test signal in the form of a binary pseudo-noise sequence in a sub-band, ◯ a measuring environment (15) with a sensor that detects a partial measurement signal on the test object in the sub-band of the measuring channel, ◯ an analog/digital converter (16) (ADC), which converts the partial measurement signal; - a computing unit which receives the partial measurement signals from the measuring channels and, using a parallel Fourier transformation, combines them into a measurement signal with a quasi-logarithmic frequency axis. Messsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es für die Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 konfiguriert ist.Measuring system according to Claim 9 , characterized in that it is suitable for carrying out a method according to one of the Claims 1 until 8th is configured.
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DE102004047042A1 (en) 2004-09-28 2006-04-06 Rohde & Schwarz Gmbh & Co Kg Method and device for spectrum analysis of a useful or noise signal
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Einzelnen: J. Sachs, Handbook of Ultra-Wideband Short-Range Sensing - Theory, Sensors, Applications. Berlin: Wiley-VCH, 2012
SACHS, Jürgen: Handbook of ultra-wideband short-range sensing: Theory, sensors, applications. Weinheim : Wiley-VCH, 2012. - ISBN 9783527408535 (P) - Deckblatt und Inhaltsverzeichnis *

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