DE102017125136B4 - Method and device for providing a digital sensor signal from an ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bereitstellen eines digitalen Sensorsignals (DS) eines Ultraschallsensors (16) für eine signaltechnische Übertragung, insbesondere eine signaltechnische Übertragung mit begrenzter Übertragungsrate, an einen Signalempfänger (26), bei dem ein -vorzugsweise digitales- Ausgangssignal (RS) des Ultraschallsensors (16) zu dem digitalen Sensorsignal für die signaltechnische Übertragung verarbeitet wird, wobei die Verarbeitung die folgenden Schritte umfasst:
- Ermittlung einer Signaländerung (SC) von aufeinander folgenden Werten des Ausgangssignals (RS),
- Quantisierung dieser Signaländerung (SC) und
- Ausgabe der quantisierten Signaländerung (SC) als das digitale Sensorsignal (DS), dadurch gekennzeichnet, dass die Quantisierungsschrittweite der Quantisierung der Signaländerung (SC)
- in Abhängigkeit einer einem zugeordneten Wert des Ausgangssignals (RS) entsprechenden Größe (SA) oder
- in Abhängigkeit einer zugeordneten Signaländerung (SC) gewählt wird.
Method for providing a digital sensor signal (DS) of an ultrasonic sensor (16) for a signaling transmission, in particular a signaling transmission with a limited transmission rate, to a signal receiver (26), in which a -preferably digital- output signal (RS) of the ultrasonic sensor (16) is processed into the digital sensor signal for signaling transmission, the processing comprising the following steps:
- Determination of a signal change (SC) of successive values of the output signal (RS),
- Quantization of this signal change (SC) and
- Output of the quantized signal change (SC) as the digital sensor signal (DS), characterized in that the quantization step size of the quantization of the signal change (SC)
- depending on a quantity (SA) corresponding to an assigned value of the output signal (RS) or
- is selected depending on an assigned signal change (SC).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines digitalen Sensorsignals eines Ultraschallsensors für eine signaltechnische Übertragung, insbesondere eine signaltechnische Übertragung mit begrenzter Übertragungsrate, an einen Signalempfänger, bei dem ein Ausgangssignal des Ultraschallsensors zu dem digitalen Sensorsignal für die signaltechnische Übertragung verarbeitet wird.The present invention relates to a method for providing a digital sensor signal of an ultrasonic sensor for a signaling transmission, in particular a signaling transmission with a limited transmission rate, to a signal receiver, in which an output signal of the ultrasonic sensor is processed into the digital sensor signal for the signaling transmission.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zum Bereitstellen eines digitalen Sensorsignals eines Ultraschallsensors für eine signaltechnische Übertragung an einen Signalempfänger, eine entsprechende Ultraschallsensoreinrichtung mit Ultraschallsensor und derartiger Vorrichtung sowie ein entsprechendes Ultraschallsensorsystem.The invention further relates to a corresponding device for providing a digital sensor signal from an ultrasonic sensor for a signaling transmission to a signal receiver, a corresponding ultrasonic sensor device with an ultrasonic sensor and such a device, and a corresponding ultrasonic sensor system.
Das Dokument
Die Begriffe Signalübertragung beziehungsweise signaltechnische Übertragung stehen allgemein für Informations- und Datenübertragung. Die Datenübertragung zwischen einem Ultraschallsensor und dem für diesen Sensor zuständigen Steuergerät (englisch: ECU: electronic control unit) in Kraftfahrzeugen erfolgt derzeit mittels standardisierter Übertragungsprotokolle, wie zum Beispiel dem Bus-Protokoll für LIN.The terms signal transmission or signal transmission generally stand for information and data transmission. The data transmission between an ultrasonic sensor and the control unit responsible for this sensor (ECU: electronic control unit) in motor vehicles is currently carried out using standardized transmission protocols, such as the bus protocol for LIN.
Die dazu verwendeten Übertragungssysteme sind in ihrer Datenrate begrenzt. Während der Ultraschallsensor selbst mithilfe eines Analog-zu-Digital-Umsetzer mit hoher Abtastrate und hoher Quantisierung, die Information der Membranschwingungen beim Empfang von Ultraschallsignal als Messsignal detailliert zur Verfügung hat, stehen in heutigen Systemen in dem Steuergerät nur stark verlustbehaftete Abbilder der tatsächlichen Messdaten zur Verfügung.The transmission systems used for this are limited in their data rate. While the ultrasonic sensor itself has the information about the membrane oscillations available as a measurement signal in detail using an analog-to-digital converter with a high sampling rate and high quantization, in today's systems the control unit only has very lossy images of the actual measurement data Disposal.
Die Datenrate der Übertragung zwischen Ultraschallsensor und Steuergerät ergibt sich dabei stets aus der verwendeten Abtastrate und der Quantisierung. Durch zu niedrige Abtastraten des im Folgenden als Ausgangssignal des Ultraschallsensors beziehungsweise Rohsignal bezeichneten Messsignals (wobei aus einer Reduzierung der Abtastrate auch eine Reduzierung der notwendigen Datenrate resultiert) entstehen wegen des Informationsverlustes Fehler wie zum Beispiel Aliasing oder eine stark verringerte Auflösung. Durch konventionelle Quantisierung mit geringer Bitzahl, in der Regel kleiner 5, wird ein hohes Quantisierungsrauschen erzeugt, was im schlimmsten Fall eine sinnvolle Verwertung der Daten verhindern kann. Eine Verbesserung des Quantisierungsrauschens kann unter Umständen durch nichtlineare Kennlinien erzielt werden. Jedoch ist auch dieser Ansatz durch die Anzahl der möglichen Quantisierungszustände, die aus den Quantisierungsbits resultieren, stark eingeschränkt.The data rate of the transmission between the ultrasonic sensor and the control device always results from the sampling rate used and the quantization. If the sampling rates of the measurement signal, referred to below as the output signal of the ultrasonic sensor or raw signal, are too low (a reduction in the sampling rate also results in a reduction in the necessary data rate), errors such as aliasing or a greatly reduced resolution arise due to the loss of information. Conventional quantization with a small number of bits, usually less than 5, generates a high level of quantization noise, which in the worst case can prevent meaningful use of the data. An improvement in quantization noise can under certain circumstances be achieved through nonlinear characteristics. However, this approach is also severely limited by the number of possible quantization states that result from the quantization bits.
Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Informationen, die in dem Steuergerät ankommen, besteht in der Weiterentwicklung und Nutzung komplexerer Übertragungsprotokolle. Die dazu nötigen Anforderungen an Sensor und Steuergerät sind jedoch in der Regel mit steigenden Systemkosten verbunden.One way to improve the information that arrives in the ECU is to further develop and use more complex transmission protocols. However, the necessary requirements for sensors and control devices are usually associated with increasing system costs.
Alternativ kann die Übertragung auf die Zielechos der Ultraschallsignale konzentriert werden, wodurch jedoch Informationen insbesondere über die Umgebungsbedingungen verloren gehen, welche zum Beispiel zur Einschätzung der Konfidenz der Messungen sinnvoll sind.Alternatively, the transmission can be concentrated on the target echoes of the ultrasonic signals, but this means that information is lost, particularly about the environmental conditions, which is useful, for example, for assessing the confidence of the measurements.
Eine weitere Möglichkeit bildet das sogenannte Sparse Sampling (auch Compressed Sampling/Sensing). Die resultierende Anzahl an zu übertragenden Samples ist mit diesem Verfahren deutlich geringer als bei konventioneller, äquidistanter Datenübertragung, jedoch sind aufwändige Rekonstruktionsverfahren im Steuergerät notwendig, die mit heutigen Steuergeräten kaum implementierbar sind.Another option is so-called sparse sampling (also compressed sampling/sensing). The resulting number of samples to be transmitted with this method is significantly lower than with conventional, equidistant data transmission, but complex reconstruction processes are necessary in the control unit, which can hardly be implemented with today's control units.
Aus der
Aus der
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, die eine möglichst genaue Übertragung des Sensorsignals auch bei begrenzter Übertragungsrate ermöglichen.Based on the above-mentioned prior art, the invention is based on the object of specifying measures that enable the sensor signal to be transmitted as precisely as possible, even with a limited transmission rate.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The problem is solved according to the invention by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bereitstellen eines digitalen Sensorsignals eines Ultraschallsensors für eine signaltechnische Übertragung an einen Signalempfänger, bei dem ein -vorzugsweise digitales- Ausgangssignal des Ultraschallsensors zu dem digitalen Sensorsignal für die signaltechnische Übertragung verarbeitet wird, ist vorgesehen, dass die Verarbeitung die folgenden Schritte umfasst: (i) Ermittlung einer Signaländerung von aufeinander folgenden Werten des Ausgangssignals, (ii) Quantisierung dieser Signaländerung und (iii) Ausgabe der quantisierten Signaländerung als das digitale Sensorsignal. Mit anderen Worten wird statt einer (Re-) Quantisierung der Werte des Ausgangssignals, also der Signalamplitude, eine Signaländerung von aufeinander folgenden Werten des Ausgangssignals ermittelt und quantisiert.In the method according to the invention for providing a digital sensor signal of an ultrasonic sensor for a signaling transmission to a signal receiver, in which a - preferably digital - output signal of the ultrasonic sensor is processed into the digital sensor signal for the signaling transmission, it is provided that the processing includes the following steps : (i) detecting a signal change from successive values of the output signal, (ii) quantizing this signal change and (iii) outputting the quantized signal change as the digital sensor signal. In other words, instead of (re)quantizing the values of the output signal, i.e. the signal amplitude, a signal change of successive values of the output signal is determined and quantized.
In Kombination mit der Reduktion der Abtastrate auf ein Minimum zur verlustfreien Datenübertragung entsprechend dem Nyquist-Theorem erlaubt dieses Quantisierungsverfahren eine hohe Kompression von Ultraschall-Messdaten ohne Informationsverlust. Die Quantisierung ist in diesem Zusammenhang also als eine Art „Abbildung zur Datenkompression“ zu verstehen.In combination with reducing the sampling rate to a minimum for loss-free data transmission in accordance with the Nyquist theorem, this quantization method allows high compression of ultrasound measurement data without loss of information. In this context, quantization is to be understood as a kind of “mapping for data compression”.
Eine Quantisierung von Amplitudenwerten des Signals (statt der hier erfindungsgemäß durchgeführten Quantisierung der Signaländerungen) besitzt insbesondere bei Ultraschallechos den Nachteil, dass durch Nachschwingen der Membranen beim Senden hohe Amplitudenausschläge erzeugt werden, während die Signale von Umgebungsechos meist deutlich geringer ausfallen. Um das Signal möglichst vollständig zu quantisieren, kann ein Teil der Quantisierungszustände lediglich für das Nachschwingen genutzt werden, wodurch die Anzahl der Quantisierungszustände bei vorgegebener Bitzahl für die Umgebungsechos gering ist. Aus diesem Grund ist es sinnvoll statt der absoluten Amplituden lediglich Amplitudenunterschiede, also Signaländerungen, zwischen dem aktuellen Wert des Signals und dem letzten Wert zu quantisieren (im Folgenden auch Delta-basierte Quantisierung genannt). Auf diese Weise sind derartig starke Amplitudenschwankungen auch mit geringen Quantisierungsbits quantisierbar. Ein zusätzlicher Vorteil der Delta-basierten Quantisierung liegt darin, dass auch negative Werte, bei denen in Amplituden-basierten Systemen ein Vorzeichenbit oder Ähnliches verwendet werden muss, ohne zusätzliche Datenbits übertragen werden können.A quantization of amplitude values of the signal (instead of the quantization of the signal changes carried out here according to the invention) has the disadvantage, particularly in the case of ultrasonic echoes, that high amplitude deflections are generated by the reverberation of the membranes during transmission, while the signals from environmental echoes are usually significantly lower. In order to quantize the signal as completely as possible, some of the quantization states can only be used for ringing, which means that the number of quantization states for the ambient echoes is small for a given number of bits. For this reason, it makes sense to quantize only amplitude differences, i.e. signal changes, between the current value of the signal and the last value instead of the absolute amplitudes (hereinafter also called delta-based quantization). In this way, such strong amplitude fluctuations can be quantized even with small quantization bits. An additional advantage of delta-based quantization is that negative values, for which a sign bit or similar must be used in amplitude-based systems, can also be transmitted without additional data bits.
Die Quantisierungsschrittweite der Quantisierung kann fest gewählt sein oder in Abhängigkeit von einem oder mehrerer Kriterien variiert werden.The quantization step size of the quantization can be fixed or varied depending on one or more criteria.
Gemäß der Erfindung wird die Quantisierungsschrittweite der Quantisierung der Signaländerung
- (a) in Abhängigkeit einer einem zugeordneten Wert des Ausgangssignals entsprechenden Größe oder
- (b) in Abhängigkeit einer zugeordneten Signaländerung
- (a) depending on a size corresponding to an assigned value of the output signal or
- (b) depending on an associated signal change
Eine elektronische Komponente oder eine Funktion, die einen Wert bzw. ein Signal quantisiert, wird im Folgenden als Quantisierer bezeichnet. Der beim Quantisieren entstehende Fehler wird Quantisierungsfehler genannt. Der hier verwendete Quantisierer ist also ein Quantisierer mit einstellbarer Quantisierungsschrittweite. An electronic component or a function that quantizes a value or a signal is referred to below as a quantizer. The error resulting from quantization is called quantization error. The quantizer used here is a quantizer with an adjustable quantization step size.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wahl der Quantisierungsschrittweite gemäß einer vorgegebenen Funktion erfolgt, welche die Quantisierungsschrittweite im Fall (a) mit der dem zugeordneten Wert des Ausgangssignals entsprechenden Größe oder im Fall (b) mit der zugeordneten Signaländerung verknüpft.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the choice of the quantization step size takes place according to a predetermined function, which links the quantization step size in case (a) with the size corresponding to the assigned value of the output signal or in case (b) with the assigned signal change.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Funktion als Datensatz vorliegt. Dieser Datensatz entspricht einer hinterlegten Kennlinie. Bevorzugt ist die Kennlinie beziehungsweise der entsprechende Datensatz direkt im Quantisierer hinterlegt.It is preferably provided that the function is available as a data record. This data record corresponds to a stored characteristic curve. The characteristic curve or the corresponding data set is preferably stored directly in the quantizer.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Quantisierungsschrittweite der Quantisierung der Signaländerung bei einer einem zugeordneten Wert des Ausgangssignals entsprechenden Größe oberhalb eines Grenzwertes konstant vorgegeben. Diese Vorgabe ergibt sich vorzugsweise direkt über die Funktion beziehungsweise Kennlinie.According to yet another preferred embodiment of the invention, the quantization step size of the quantization of the signal change is predetermined to be constant at a size corresponding to an assigned value of the output signal above a limit value. This specification is preferably obtained directly via the function or characteristic curve.
Mit Vorteil ist weiterhin vorgesehen, dass die signaltechnische Übertragung eine Datenübertragung über ein BUS-System, insbesondere ein LIN-Bussystem, ist. Das Local Interconnect Network (LIN), auch LIN-Bus genannt, ist ein serielles Kommunikationssystem für die Vernetzung von Sensoren und Aktoren, also ein Feldbus. Der LIN-Bus kommt insbesondere dort zum Einsatz, wo die Bandbreite und Vielseitigkeit eines CAN-Bussystems (CAN: Controller Area Network) nicht benötigt wird. Typische Anwendungsbeispiele sind die Vernetzung innerhalb eines Kraftfahrzeugbereichs.It is also advantageously provided that the signaling transmission is a data transmission via a BUS system, in particular a LIN bus system. The Local Interconnect Network (LIN), also called LIN bus, is a serial communication system for networking sensors and actuators, i.e. a fieldbus. The LIN bus is coming particularly used where the bandwidth and versatility of a CAN bus system (CAN: Controller Area Network) is not required. Typical application examples are networking within a motor vehicle area.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bereitstellen eines digitalen Sensorsignals eines Ultraschallsensors für eine signaltechnische Übertragung, insbesondere eine signaltechnische Übertragung mit begrenzter Übertragungsrate, an einen Signalempfänger, die zum Verarbeiten eines vorzugsweise digitalen Ausgangssignals des Ultraschallsensors in das digitale Sensorsignal für die signaltechnische Übertragung eingerichtet ist, ist vorgesehen, dass diese Vorrichtung eingerichtet ist (i) eine Signaländerung des Ausgangssignals zu ermitteln, (ii) diese und (iii) die quantisierte Signaländerung als das digitale Sensorsignal zur Übertragung auszugeben.In the device according to the invention for providing a digital sensor signal of an ultrasonic sensor for a signaling transmission, in particular a signaling transmission with a limited transmission rate, to a signal receiver, which is set up to process a preferably digital output signal of the ultrasonic sensor into the digital sensor signal for the signaling transmission, it is provided that this device is set up to (i) determine a signal change in the output signal, (ii) output this and (iii) the quantized signal change as the digital sensor signal for transmission.
Die zuvor im Rahmen der Beschreibung des Verfahrens genannten Ausführungsformen der Erfindung gelten entsprechend auch für die Vorrichtung.The embodiments of the invention mentioned above in the description of the method also apply accordingly to the device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass diese zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet ist.According to a preferred embodiment of the device according to the invention, it is provided that it is set up to carry out the method mentioned above.
Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoreinrichtung mit einem Ultraschallsensor ist vorgesehen, dass diese weiterhin eine dem Ultraschallsensor signaltechnisch nachgeschaltete vorgenannte Vorrichtung zum Erstellen eines digitalen Sensorsignals des Ultraschallsensors aufweist.In the ultrasonic sensor device according to the invention with an ultrasonic sensor, it is provided that it also has an aforementioned device, which is connected downstream of the ultrasonic sensor in terms of signaling, for generating a digital sensor signal of the ultrasonic sensor.
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensorsystem für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Ultraschallsensor und einem Steuergerät ist vorgesehen, dass dieses System weiterhin zumindest eine vorgenannte Vorrichtung zum Erstellen eines digitalen Sensorsignals des Ultraschallsensors aufweist.In the ultrasonic sensor system according to the invention for a motor vehicle, with at least one ultrasonic sensor and a control device, it is provided that this system also has at least one aforementioned device for generating a digital sensor signal of the ultrasonic sensor.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings using preferred embodiments.
Es zeigt
-
1 ein Kraftfahrzeug, welches ein Fahrerassistenzsystem mit einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist, -
2 ein Ersatzschaltbild einer Vorrichtung zum Erstellen eines digitalen Sensorsignals eines Ultraschallsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, -
3 ein Ersatzschaltbild einer Vorrichtung zum Erstellen eines digitalen Sensorsignals eines Ultraschallsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, -
4 eine graphische Darstellung eines ursprünglichen Sensorausgangssignals, eines Signals mit reduzierter Anzahl an Abtastwerten sowie einer lineare Quantisierung des Signals ohne Adaption und -
5 eine graphische Darstellung des ursprünglichen Sensorausgangssignals, des Signals mit reduzierter Anzahl an Abtastwerten sowie einer Delta-basierten Quantisierung mit quadratischer Quantisierungskennlinie und Adaption auf Basis der vorangegangen Amplitudenwerte sowie mit zwei festen Quantisierungszuständen.
-
1 a motor vehicle which has a driver assistance system with an ultrasonic sensor device according to an embodiment of the invention, -
2 an equivalent circuit diagram of a device for creating a digital sensor signal of an ultrasonic sensor according to a first embodiment of the invention, -
3 an equivalent circuit diagram of a device for creating a digital sensor signal of an ultrasonic sensor according to a second embodiment of the invention, -
4 a graphical representation of an original sensor output signal, a signal with a reduced number of samples and a linear quantization of the signal without adaptation and -
5 a graphical representation of the original sensor output signal, the signal with a reduced number of samples and a delta-based quantization with a square quantization characteristic and adaptation based on the previous amplitude values and with two fixed quantization states.
Das Fahrerassistenzsystem 12 umfasst wiederum eine Ultraschallsensorsystem 14. Das Ultraschallsensorsystem 14 weist zumindest einen Ultraschallsensor 16 auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Ultraschallsensorvorrichtung 14 zwölf Ultraschallsensoren 16. Dabei sind sechs Ultraschallsensoren 16 in einem Frontbereich 18 des Kraftfahrzeugs 10 und sechs Ultraschallsensoren 16 in einem Heckbereich 20 des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet. Die Ultraschallsensoren 16 können insbesondere an den Stoßfänger des Kraftfahrzeugs 10 montiert sein. Dabei können die Ultraschallsensoren 16 zumindest bereichsweise in entsprechenden Ausnehmungen beziehungsweise Durchgangsöffnungen der Stoßfänger angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ultraschallsensoren 16 verdeckt hinter den Stoßfänger angeordnet sind. Grundsätzlich können die Ultraschallsensoren 16 auch an weiteren Verkleidungsteilen des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein. Beispielsweise können die Ultraschallsensoren 10 an oder verdeckt hinter den Türen des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein.The
Mithilfe der jeweiligen Ultraschallsensoren 16 können Sensorsignale bereitgestellt werden, welche zumindest ein Objekt 22 in einem Umgebungsbereich 24 des Kraftfahrzeugs 1 beschreiben. Vorliegend ist schematisch ein Objekt 22 in dem Umgebungsbereich 24 gezeigt. Zum Bestimmen des Sensorsignals kann mit jedem der Ultraschallsensoren 16 ein Ultraschallsignal ausgesendet werden. Im Anschluss daran kann das von dem Objekt 22 reflektierte Ultraschallsignal wieder empfangen werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des von dem Objekt 22 reflektierten Ultraschallsignals kann dann ein Abstand zwischen dem Ultraschallsensor 16 und dem Objekt 22 bestimmt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Abstände, die mit unterschiedlichen Ultraschallsensoren 16 bestimmt werden, berücksichtigt werden. Somit kann mittels Trilateration die relative Lage zwischen dem Kraftfahrzeug 10 und dem Objekt 22 bestimmt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Ultraschallsignal, das von einem der Ultraschallsensoren 16 ausgesendet wurde, mit einem anderen der Ultraschallsensoren 16 empfangen wird. Dies wird auch als Kreuzmessung bezeichnet.With the help of the respective
Des Weiteren umfasst das Ultraschallsensorsystem 14 ein elektronisches Steuergerät 26, welches mit den Ultraschallsensoren 16 zur Datenübertragung über eine Datenleitung 28 beziehungsweise ein Bussystem verbunden ist (Leitung 28 ist in
Die Quantisierung von Amplitudenwerten des Signals (statt der hier durchgeführten Quantisierung der Signaländerungen SC) besitzt insbesondere bei Ultraschallechos den Nachteil, dass durch Nachschwingen der Membranen beim Senden hohe Amplitudenausschläge erzeugt werden, während die Ausgangssignale RS von Umgebungsechos meist deutlich geringer ausfallen. Um das Signal möglichst vollständig zu quantisieren, kann ein Teil der Quantisierungszustände lediglich für das Nachschwingen genutzt werden, wodurch die Anzahl der Quantisierungszustände bei vorgegebener Bitzahl für die Umgebungsechos gering ist. Aus diesem Grund ist es sinnvoll statt der absoluten Amplituden des Ausgangssignals RS lediglich Amplitudenunterschiede, also Signaländerungen SC, zwischen dem aktuellen Wert des Ausgangssignals RS und dem letzten quantisierten Wert zu quantisieren. Dieses Vorgehen wird im Folgenden auch Delta-basierte Quantisierung genannt. Auf diese Weise sind derartig starke Amplitudenschwankungen auch mit geringen Quantisierungsbits quantisierbar. Ein zusätzlicher Vorteil der Delta-basierten Quantisierung liegt darin, dass auch negative Werte, bei denen in Amplituden-basierten Systemen ein Vorzeichenbit oder Ähnliches verwendet werden muss, ohne zusätzliche Datenbits übertragen werden können.The quantization of amplitude values of the signal (instead of the quantization of the signal changes SC carried out here), particularly in the case of ultrasonic echoes, has the disadvantage that high amplitude deflections are generated by the reverberation of the membranes during transmission, while the output signals RS of environmental echoes are usually significantly lower. In order to quantize the signal as completely as possible, some of the quantization states can only be used for ringing, which means that the number of quantization states for the ambient echoes is small for a given number of bits. For this reason, it makes sense to quantize only amplitude differences, i.e. signal changes SC, between the current value of the output signal RS and the last quantized value, instead of the absolute amplitudes of the output signal RS. This procedure is also referred to below as delta-based quantization. In this way, such strong amplitude fluctuations can be quantized even with small quantization bits. An additional advantage of delta-based quantization is that negative values, for which a sign bit or similar must be used in amplitude-based systems, can also be transmitted without additional data bits.
Eine Schwäche eines (hier nicht explizit dargestellten) Verfahrens beziehungsweise einer entsprechenden Vorrichtung 30 mit fest vorgegebenen Quantisierungsschritten sind entweder ein Tiefpassverhalten der Quantisierung, wenn die Quantisierungsschritte klein gewählt werden, oder eine geringe Genauigkeit, wenn die Quantisierungsschritte zu groß gewählt werden, was im schlimmsten Fall zu ähnlichen Ergebnissen wie bei der Amplituden-basierten Methode führt. Als Kennlinien können auch hier lineare oder nichtlineare Funktionen verwendet werden.A weakness of a method (not explicitly shown here) or a
Bei der in
Mit anderen Worten erfolgt hier eine Adaption der Quantisierungsschritte entsprechenden der vorangegangenen Quantisierungs(amplituden)werte. Um das bereits erwähnte Tiefpassverhalten oder zu geringe Auflösung zu vermeiden, ist es sinnvoll die Quantisierungsschritte entsprechend der Signalamplitude SA anzupassen. So ist es zum Beispiel sinnvoll bei hohen Amplitudenwerten wie zum Beispiel höhere Quantisierungsschritte zu verwenden, als bei niedrigen Amplituden. Das kann zum Beispiel am Nachschwingen verdeutlicht werden, dass eine hohe Amplitude besitzt und typischerweise einen steilen Abfall besitzt. Die Anpassung der Quantisierungsschritte kann über einen Skalierungsfaktor durchgeführt werden, der mithilfe des letzten Amplitudenwertes berechnet wird, wie in
Zusätzlich zu diesem Vorgehen zur Adaption der Quantisierung, gibt es auch die Möglichkeit den letzten Delta-Wert zur Skalierung zu verwenden. Dieses Verfahren ist in
Bei der in
Mit anderen Worten erfolgt hier eine Adaption der Quantisierungsschritte entsprechenden der vorangegangenen Quantisierungs-Deltas. Um das bereits erwähnte Tiefpassverhalten oder zu geringe Auflösung zu vermeiden, ist es sinnvoll die Quantisierungsschritte entsprechend dem Signal anzupassen.In other words, the quantization steps corresponding to the previous quantization deltas are adapted here. In order to avoid the already mentioned low-pass behavior or insufficient resolution, it makes sense to adapt the quantization steps according to the signal.
Die Vor- und Nachteile beider Vorgehensweisen, also der Vorgehensweisen aus den
Weiterhin kann eine zusätzliche Nutzung einer definierten Anzahl an festen, nicht adaptierbaren Quantisierungszuständen vorgesehen sein. Auch wenn in den meisten Fällen die Adaptionen die oben beschrieben sind, eine sinnvolle Annahme sind, treten auch Signale auf die nach einer geringen Amplitude eine starke Änderung zum nächsten Abtastwert hervorrufen. Um in diesen Fällen ein Tiefpass-ähnliches Verhalten der Quantisierung zu vermeiden, ist es sinnvoll zusätzlich zu den adaptiven Quantisierungsschritten, fest Quantisierungsschritte zu verwenden. Diese sind in der Regel so groß zu wählen, dass eben gerade hohe Amplitudenänderungen gut abgebildet werden können. Auf diese Weise kann in jedem Fall ein Tiefpassverhalten und damit Informationsverlust verhindert werden.Furthermore, an additional use of a defined number of fixed, non-adaptable quantization states can be provided. Even if in most cases the adaptations described above are a sensible assumption, signals also occur that cause a strong change to the next sample value after a small amplitude. In order to avoid low-pass-like quantization behavior in these cases, it makes sense to use fixed quantization steps in addition to the adaptive quantization steps. As a rule, these should be chosen so large that high amplitude changes can be represented well. In this way, low-pass behavior and thus loss of information can be prevented in any case.
Zur Demonstration der Vorteile des Quantisierungsverfahrens und der damit verbundenen Datenkompression ist ein Beispiel einer 3-bit Quantisierung anhand realer Messwerte angegeben. Die
In
Beide (in den
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 1212
- FahrerassistenzsystemDriver assistance system
- 1414
- UltraschallsensorsystemUltrasonic sensor system
- 1616
- UltraschallsensorUltrasonic sensor
- 1818
- FrontbereichFront area
- 2020
- HeckbereichRear area
- 2222
- Objektobject
- 2424
- UmgebungsbereichSurrounding area
- 2626
- SteuergerätControl unit
- 2828
- DatenleitungData line
- 3030
- Vorrichtung zum Erstellen eines digitalen SensorsignalsDevice for generating a digital sensor signal
- 3232
- Subtrahierersubtractor
- 3434
- Abtast-HaltegliedSample and hold element
- 3636
- QuantisiererQuantizer
- 3838
- Kennliniecurve
- 4040
- SkaliererScaler
- 4242
- AusgangssignalOutput signal
- 4444
- Signal mit reduzierten AbtastwertenSignal with reduced sample values
- 4646
- Signal mit linearer QuantisierungSignal with linear quantization
- 4848
- Signal mit Δ-basierte QuantisierungSignal with Δ-based quantization
- DSD.S
- Digitales Sensorsignal zur ÜbertragungDigital sensor signal for transmission
- RSRS
- Ausgangssignal des SensorsSensor output signal
- SASAT
- Signalamplitude (Ausgangssignal)Signal amplitude (output signal)
- SDSD
- Signaländerung (Ausgangssignal)Signal change (output signal)
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