Autokorrelator

Ein Autokorrelator ist ein elektronisches Messgerät, das ein Signal gegen eine zeitverzögerte Version seiner selbst vergleicht, um periodische Muster zu offenbaren, die unter Zufallsrauschen verborgen sind. Das Gerät erzeugt eine Korrelationsfunktion, indem es das eingehende Signal mit verzögerten Kopien seiner selbst multipliziert und das Ergebnis über die Zeit integriert. Wo das Rauschen zufällig ist, mitteln sich diese Produkte gegen null; wo sich das Signal wiederholt, verstärken sie sich gegenseitig und erzeugen einen Spitzenwert in der Ausgabe.

Die physikalische Umsetzung hängt von der Anwendung und der Signalbandbreite ab. Ein einfacher Autokorrelator enthält eine Verzögerungsleitung (ein Stück Koaxialkabel, ein Charge-Coupled-Device-Schieberegister oder einen digitalen Speicherpuffer), eine Multiplizierschaltung und einen Integrator. Hochfrequenz-Autokorrelatorennutzen Diodenmischer und Videodetektion; Mikrowellenversionen verwenden Richtkoppler. Digitale Implementierungen führen die Korrelation nach der Abtastung in Software durch, was beliebige Genauigkeit und mehrere Verzögerungswerte gleichzeitig ermöglicht.

Signale im Rauschen aufspüren

Autokorrelatorenglänzen dort, wo herkömmliche Detektion versagt. Eine schwache Radarecho, das durch Regen gestreut wird, ein Modulationsschema, das unter Wärmeschwankungen in einem Empfänger verborgen ist, oder eine periodische Vibration, die durch akustisches Störsignal überlagert wird, alle werden sichtbar, wenn die eigene Struktur des Signals als angepasster Filter verwendet wird. Der Ausgang bildet Spitzenwerte bei Verzögerungswerten, die der Periode des Signals, seinen harmonischen Perioden oder dem Pulswiederholungsintervall in Radar und Sonar entsprechen. Die Spitzenhöhe hängt von der Signalstärke und der Integrationszeit ab; längere Integrationszeiten erhöhen die Empfindlichkeit auf Kosten einer langsameren Reaktion.

Praktische Einschränkungen entstehen durch die endliche Zeitkonstante des Integrators und die maximale Länge der Verzögerungsleitung. Ein Signal mit einer Periode, die länger ist als die verfügbare Spanne der Verzögerungsleitung, erzeugt keinen Spitzenwert. Nichtlinearitäten im Multiplizierer und Integrator verschlechtern die Korrelationsfunktion bei kleinen Signalpegeln. Umgebungstemperaturänderungen verschieben die elektrische Länge der Verzögerungsleitung, besonders bei HF-Designs, und erfordern sorgfältige Kalibrierung.

Autokorrelatorensind Standard in der Radioastronomie zur Erkennung von Pulsar-Signalen, in faseroptischen kohärenten Empfängern zur Messung der Laser-Linienbreite und in Testgeräten zur Charakterisierung des Phasenrauschens in Oszillatoren. Der Begriff leitet sich von der mathematischen Operation ab: Korrelation eines Signals mit sich selbst, im Gegensatz zur Kreuzkorrelation zwischen zwei verschiedenen Signalen.