CN104520678A - 用于采样过程的去干扰的方法以及用于实施该方法的设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供一种用于采样过程的去干扰的方法。所述方法包括以采样频率f(17)采样模拟的有用信号(16)以及确定是否存在干扰振幅(20)的步骤。当存在干扰振幅(20)时，在围绕等距的采样时刻的范围[-Δt；+Δt](21)内进行由所述采样频率f(17)确定的时间上等距的采样时刻的随机移位，其中，Δt是最大移位。然后，进行所述模拟的有用信号(60)的重新采样。重新确定是否存在干扰振幅(20)。当继续存在干扰振幅(20)时，进行所述最大移位的量值|Δt|的变化并且以所述采样时刻的随机移位的方法步骤重新开始。此外，提出一种相应的设备，所述设备包括用于以采样频率f(17)采样有用信号(16)的装置和用于干扰振幅确定的装置(50)，所述用于干扰振幅确定的装置设计用于确定所采样的有用信号(38)是否施加有干扰振幅(20)。用于干扰幅度确定的所述装置(50)还设计用于，当存在干扰幅度(20)时在围绕等距的采样时刻的范围[-Δt；+Δt](21)内随机移位由所述采样频率(17)确定的时间上等距的采样时刻。所述装置(50)还设计用于，当继续存在干扰幅度(20)时使所述最大移位的量值|Δt|变化。

Description

用于采样过程的去干扰的方法以及用于实施该方法的设备
技术领域
本发明涉及用于采样过程的去干扰的方法以及用于实施该方法的设备。本发明尤其涉及用于具有随后的模拟/数字转换的采样过程的相对于高频干扰的去干扰的方法以及涉及根据该方法相对于高频干扰去干扰的具有模拟/数字转换器的设备。
背景技术
为了数字的分析处理传感器的测量结果，需要将模拟的传感器信号或者由传感器采样的信号转换成数字信号。为此，经常使用模拟/数字转换器，其利用过采样的优点。在此，窄带的输入信号以高频时钟采样并且随后借助模拟/数字转换器数字化。在此，有用信号的带宽(也称作有用频带或基频带)显著小于采样频率的一半。如果输入信号包含高频的干扰信号，则由于频率混叠效应所述高频的干扰信号可能向下交叠进入到有用频带中。为了避免以上所述，通常使用防频率混叠滤波器，其在采样之前滤除高频的干扰信号。
在图1中示意性示出所述情况的频率图。以采样频率f采样模拟的有用信号16。在理想化的电路或者理想化的方法中，这例如借助具有周期T＝1/f的周期性的时钟信号实现，其中分别在周期内的确定的时刻、例如当所述周期性的时钟信号超过或低于一个确定的电压时检测采样值，使得两个连续的采样时刻之间的时间间隔分别相应于周期T。然后，在时间示图中得到所采样的有用信号为输入信号与采样函数的乘积，所述采样函数通过以时间间隔T的等距的采样脉冲的序列给定。在频率示图中，所述乘积相应于输入信号的频谱与采样函数的频谱的卷积，所述采样函数的频谱通过以间距f的等距的频谱线的序列给定。在图1中示出采样函数的频谱10。在此，为了更清晰的示图没有示出采样函数的频谱10的以0*f为中心的分量。
在真实的电路中，出现不可避免的与所述理想化的情况的随机偏差。因此，相对于理想化的采样时刻容易地移位采样时刻并且因此容易地移位采样函数中的采样脉冲，这在采样函数10的频谱中通过以下镜像：所述理想化的频谱线在以采样频率f整数倍为中心的频率范围上填补(verschmieren)并且随着增大的频率增大地衰减。
输入信号可能重叠地包含高频的干扰信号，例如在电磁耦合中出现的那样。根据现有技术，在采样之前借助防频率混叠滤波器、例如借助具有传递函数14的低通滤波器滤除所述干扰信号。在图1中示例性地在以下频率处示出这种经滤波的高频的干扰信号12：所述频率略大于采样频率f的两倍。防频率混叠滤波器的传递函数14与频率轴的交点将基频带1限界到从0*f延伸至频率f/2的范围上。在此，所述低通滤波器构造为，在典型的有用频率时使基频带1中的模拟的有用信号16尽可能没有滤波地通过。这种解决的不利是，必须实现防频率混叠滤波器。尤其在应用特定的集成电路(ASIC)上实现时，这导致开发耗费和面积消耗。
图2示出在没有防频率混叠滤波器的情况下的模拟的有用信号16的采样的频谱。如在借助防频率混叠滤波器滤波的情形中那样，基频带1在从0*f至f/2的频率范围上延伸。然而，在没有使用防频率混叠滤波器下的情形中表示没有滤波的高频干扰18的交叠的干扰振幅20大多直接交叠进入到基频带1中，并且因此在以采样频率f的采样时错误地解释为是有用信号16，在图2中与图1中的频谱相同地示出所述采样频率的频谱10。
发明内容
根据本发明，提供一种用于采样过程的去干扰的方法。所述方法包括以采样频率f采样模拟的有用信号的方法步骤以及确定是否存在干扰振幅的步骤。当存在干扰振幅时，在围绕等距的采样时刻的范围[-Δt；+Δt]内进行由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的随机移位，其中Δt是最大移位。然后，进行模拟的有用信号的重新采样。重新确定是否存在干扰振幅。当继续存在干扰振幅时，进行最大移位的量值|Δt|的变化并且以采样时刻的随机移位的方法步骤重新开始。因此，当存在干扰振幅时，首先以量值2Δt的抖动施加采样信号。然后，随机地在围绕由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的、具有边界[-Δt；+Δt]的时间范围内使随机移位的采样时刻、即以下采样时刻变化：至所述采样时刻地采样模拟的有用信号。在此，Δt是最大移位，采样时刻能够以所述最大移位相对于原始的通过采样频率f给定的采样时刻移位。在随机移位的采样时刻采样模拟的有用信号并且随后确定是否仍然存在干扰振幅。如果是这种情形，则减小或者增大最大移位的量值|Δt|，由此同时减小或者增大范围[-Δt；+Δt]的边界。例如可以减半边界[-Δt/2；+Δt/2]，这相应于具有量值Δt的抖动，也可以加倍边界[-2Δt；+2Δt]，这相应于具有量值4Δt的抖动，或者其他任何变化。因为在此采样频率保持恒定，所以有用信号的基频带也保持不变。
所述方法的优点在于，在放弃防频率混叠滤波器的模拟/数字转换中，高频干扰不再交叠进入到基频带中，而是进入到位于基频带外部的频率范围中并且此外减小高频的向下交叠的干扰的干扰振幅。因此，在不使用防频率混叠滤波器的情况下，也能够通过采样信号的“抖动”以及通过抖动的连续变化正确解释经模拟/数字转换的有用信号，以所述抖动施加采样信号。由此，在实现模拟/数字转换器的情况下能够节省成本以及空间。此外，在使用防频率混叠滤波器的情况下，也发生有用信号的不期望的衰减，而通过防频率混叠滤波器不能抑制总是引起频率混叠现象的所有频率分量。通过根据本发明的方法的使用也能够避开所述不利。
在本方法的一种优选的实施方式中，在确定是否存在干扰振幅的方法步骤中，仅仅当干扰振幅大于一个阈值时，才存在干扰振幅。这种实施方式的优点是，仅仅如此长地实施所述方法，直至干扰振幅小于一个确定的阈值，或者仅仅当干扰振幅超过一个预确定的阈值时，才开始所述方法。在此，例如可以如此选择所述阈值，使得位于所述阈值以下的干扰振幅对于有用信号的解释的正确性不具有或者仅仅具有过于微小的影响。由此，所述方法增加效率，因为实现为了干扰振幅抑制所采取的耗费与由此引起的益处的匹配。
在本方法的一种优选的实施方式中，所述方法还包括所采样的信号的模拟/数字转换的步骤，其中在确定是否存在干扰振幅的方法步骤中，仅仅当干扰振幅大于在本方法范畴内所实施的模拟/数字转换的噪声时，才存在干扰振幅。通过这种方式，排除在本方法范畴内所应用的模拟/数字转换的、对于有用信号的解释不显著的噪声为采样频率的变化的触发器。由此，所述方法增加效率，因为实现为了干扰振幅抑制而采取的耗费与由此引起的益处的匹配。
在本方法的一种优选的实施方式中，仅仅当在所采样的有用信号的频谱的基频带内存在干扰振幅时，才存在干扰振幅。由此，仅仅当干扰在频率范围的有用频带中起作用时才开始所述方法，由此所述方法增加效率。
在本方法的一种优选的实施方式中，通过时钟信号的相位取阈值来确定采样时刻。例如，采样时刻可以通过时钟信号的上升沿中的过零或者通过时钟信号的下降沿中的过零来确定，或者更普遍地通过时钟信号超过一个阈值或者通过时钟信号低于一个阈值来确定。
在本方法的这种实施方式的一种优选的扩展方案中，通过以相位噪声施加具有周期1/f的周期性的时钟信号产生时钟信号，即时间相关地随机移位时钟信号的相位。相位噪声例如可以是1/f噪声，即以下噪声信号：其频谱功率密度反比于频率减小。这种实施的优点是，可以与时钟信号分离地影响噪声并且因此影响抖动，以所述抖动施加噪声信号。
但例如也可以通过以下产生时钟信号：具有周期1/f的周期性的时钟信号经受频率调制、例如经受以正弦形的调制信号的频率调制。
根据本发明，可以使用每一种方法来产生时钟信号中的抖动。
在本方法的一种优选的实施方式中，在改变最大移位的量值|Δt|的步骤中，由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的随机移位的量值的变化量值与有用频率的比例大于或者等于值1.25。
在此，有用频率相应于以下频率：在采样方法的范畴内在时间上以所述频率进行最大移位|Δt|的变化。在根据本发明的方法中，有用频率保持恒定。由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的随机移位的量值的变化量值与有用频率的比例也可以称作调制指数。因为在实施本方法时有用频率恒定，所以仅仅通过改变由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的随机移位的量值的变化量值，才能够实现调制指数的变化。如果在实施本方法时调制指数保持在≥1.25的值上，则本方法能够特别有效地起作用。
开始时的Δt优选相应于采样频率的[0；2％]的值、优选[0；1％]的值。换言之，Δt大于0％并且小于等于采样频率的2％，优选大于0％并且小于等于采样频率的1％。
在一种优选的实施方式中，在使范围[-Δt；+Δt]变化的步骤中减半开始时的Δt。
根据本发明，还提供用于采样过程的去干扰的设备，所述设备包括用于以采样频率采样有用信号的装置和用于干扰振幅确定的装置，所述用于干扰振幅确定的装置设计用于确定所采样的有用信号是否施加有干扰振幅。用于干扰振幅确定的装置还设计用于，当存在干扰振幅时在围绕等距的采样时刻的范围内随机移位由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻，其中Δt是最大移位。随后，所述设备设计用于，以随机移位的采样时刻重新采样有用信号，并且当继续存在干扰振幅时，使最大移位的量值|Δt|变化。
在一个实施例中，所述设备包括时钟发生器，所述时钟发生器设计用于产生周期性的时钟信号并且与用于施加的装置连接。所述用于施加的装置与噪声源连接并且设计用于，以由噪声源生成的噪声信号施加时钟信号并且产生通过这种方式抖动的时钟信号。噪声源设计用于，在接收到控制信号时增大或者减小噪声信号的平均噪声功率。所述设备还包括用于采样的装置，所述用于采样的装置与用于施加的装置连接并且设计用于借助抖动的时钟信号采样模拟的有用信号并且将通过这种方式采样的有用信号输送给模拟/数字转换器。模拟/数字转换器设计用于，数字化所采样的有用信号并且将数字的有用信号输送给用于干扰振幅确定的装置。在用于干扰振幅确定的装置中确定数字的有用信号是否施加有干扰振幅。当存在干扰振幅时，在用于干扰振幅确定的装置中生成用于使采样时刻随机变化的控制信号并且将所述控制信号输送给噪声源。
附图说明
根据附图和以下的描述进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1：有用信号借助现有技术的防频率混叠滤波器的采样的频谱图；
图2：在没有现有技术的防频率混叠滤波器的情况下有用信号的采样的频谱图；
图3：借助根据本发明的方法的有用信号的特定采样的频谱图；
图4：根据本发明的设备的一个实施例的框图；
图5：在一时间区段上按照根据本发明的方法的采样的频谱图。
具体实施方式
在图3中示出在使用根据本发明的方法的情况下有用信号的特定采样的频谱图。基频带1在频率范围0f至f/2上延伸。以采样频率17采样模拟的有用信号16。如果存在高频的未经滤波的干扰18的干扰振幅20，则在根据本发明的方法的范畴内识别所述干扰振幅20。然后，在围绕等距的采样时刻的范围[-Δt；+Δt]内进行由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的随机移位。在此，值Δt作为最大移位限定采样时刻所位于的范围[-Δt；+Δt]21的边界，在识别干扰振幅20之后至所述边界地采样模拟的有用信号16。在此，实际的采样时刻的随机移位通过抖动实现，以所述抖动施加采样频率17。在此，实际的采样时刻不一定恰好与由采样频率17确定的时间上等距的采样时刻偏差-Δt或者+Δt。更确切地说，偏差的量值逐采样地不同，然而在范围[-Δt；+Δt]内移动。在随机移位的采样时刻采样模拟的有用信号16并且随后重新确定是否存在干扰振幅20。当继续存在干扰振幅20时，增大或减小最大移位的量值|Δt|并且因此使所述范围[-Δt；+Δt]变化到变化后的范围19上。在图3中示出的特定的实施例中，单纯示例性地发生量值|Δt|的减小并且因此通过|Δt|的单纯示例性的减半随之发生范围[-Δt；+Δt]21的减小。然而，也可以相对于原始的或者之前的范围21增大变化后的范围19。随后，以采样时刻的随机移位的方法步骤重新开始，这次围绕变化后的范围19。在此处示出的特定的实施例中，通过大于0％并且小于等于采样频率的2％的Δt来限界范围[-Δt；+Δt]21，在所述范围内首先围绕等距的采样时刻根据本方法地进行由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的随机移位。但是，也可以任意另外地、例如以[-x；+y]选择所述范围，其中x和y是实数集合的元素。在本方法的在图3中示出的特定实施中，仅仅当干扰振幅20大于在本方法范畴内所实施的模拟/数字转换的噪声3并且附加地所述干扰振幅20位于基频带1中时，才识别干扰振幅20。也可任意地大于或小于所述噪声地选择阈值，自所述阈值起识别干扰振幅。在此处存在的特定的实施例中，如此长地根据本方法改变所述范围[-Δt；+Δt]21，采样频率围绕所述范围抖动，直至在基频带1中不再能确定干扰振幅20。因此，通过本方法的使用发生高频的未经滤波的干扰18的先前交叠进入到基频带1中的干扰振幅20移位进入到位于基频带1外部的频率范围中。
在图4中示出根据本发明的设备的一个实施例的框图。时钟发生器24产生周期性的时钟信号26，例如正弦形或矩形的时钟信号。所述时钟发生器24与用于施加的装置32连接，所述用于施加的装置设计用于以噪声信号30施加时钟信号26并且生成通过所述方式抖动的时钟信号34并且将所述时钟信号输送给用于采样的装置36。此外，所述用于施加的装置32与噪声源28连接，所述噪声源设计用于产生噪声信号30、例如1/f噪声或者相位噪声并且将所述噪声输送给用于施加的装置32以及在接收到控制信号55时增大或者减小噪声信号30的平均噪声功率。当存在干扰振幅20时，在用于采样的装置36中以抖动的时钟信号34采样同样输送给用于采样的装置36的模拟的有用信号16并且将通过这种方式采样的有用信号40输送给模拟/数字转换器42。例如，当在上升沿中的过零时抖动的时钟信号34超过一个确定的值时，用于采样的装置36采样模拟的有用信号16。所述模拟/数字转换器42设计用于数字化所采样的有用信号40并且将数字的有用信号44输送给用于干扰振幅确定的装置50。在用于干扰振幅确定的所述装置中，确定数字的有用信号44是否施加有干扰振幅或者是否存在干扰振幅。当存在干扰振幅时，在用于干扰振幅确定的装置50中生成控制信号55并且将所述控制信号输送给噪声源28。随后，在噪声源28中增大或者减小平均噪声功率。以变化后的噪声信号30并且随之以变化后的最大移位Δt和变化后的范围[-Δt；+Δt]继续所述方法。在这种特定的实施例中，用于施加的装置32、用于采样的装置36、模拟/数字转换器42、用于干扰振幅确定的装置50以及噪声源28共同构成闭合控制回路，通过所述闭合控制回路实现最大移位Δt和范围[-Δt；+Δt]的变化。然而，所述实施例仅仅表示用于实施根据本发明的方法的可能的设备。也可以通过其他方式方法、例如在没有噪声源28的情况下通过对时钟发生器24的直接影响来实现时钟信号26的抖动。
在图5中示出在一个没有详细确定的时间区段上按照根据本发明的方法的一种优选的实施方式的采样的频谱图。在此，为了定向示例性地在值10MHz处虚线示出在没有采样频率的随机移位的情况下不抖动的采样频率17。由借助相对于采样频率17以各自不同的量值+/-Δt移位的采样时刻的采样得到所标记的其他所有频谱。在图5中以箭头指出任意选取的采样70。所述采样单纯示例性地位于9.5MHz处。在此，在所述具有任意选取的有用频率的实施例中，在量值约9MHz或11MHz处给出具有图5中的最大振幅的频谱。在所述实施例中，根据确定的以下样式实现由采样频率f 17确定的时间上等距的采样时刻的随机移位的量值的变化：逐采样的随机移位的量值的变化量值在此恒定并且如此选择，使得与所述选择有关的频谱逐采样地围绕不抖动的采样频率的频谱以与所述频谱分别大约相同的间距振荡。在图5中示出的实施例中，根据本发明的方法首先例如在随机移位了-Δt的采样时刻采样有用信号，所述有用信号的频谱72单纯示例性地位于值约9MHz处、即比不抖动的采样频率低大约1MHz。随后，在随机移位了+Δt的采样时刻进行下一次采样，使得所述采样的频谱74位于值约11MHz处、即比不抖动的采样频率高大约1MHz。随后的采样再次引起频谱72并且从那如以上所描述的那样重新开始，使得在所述特定的实施例中总是交替地以大约9MHz的频谱72和大约11MHz的频谱74进行采样。因此，调制指数保持恒定。如果设想时间轴85经过不抖动的采样频率17的频谱并且在实施根据本发明的方法期间图5的图形90沿着方向80并且沿着所设想的时间轴85移位，则采样的频谱72、74的振幅尖峰的连接得到矩形的序列或者波纹状的结构。替代地，也可以容许振幅的轻微波动，使得这些矩形的边缘拖尾(verschleifen)或者不再平行于所设想的时间轴或者频率轴(在图5中没有示出)。在图5中同样没有示出的另一种实施方式中，采样的频谱的振幅沿着所设想的时间轴的连接得到正弦形的变化。此外，在所述实施例中采样的频谱所位于频率值由采样频率、有用频率以及采样时刻的随机移位的相应量值的相互协调得到并且在图5中单纯示例性地选择。
在所有实施例中，可以将调制系数≥1.25确定为用于最大移位的量值|Δt|的变化量值的最小值。因此，由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的随机移位的量值的变化量值与有用频率的比例相应于大于或者等于1.25的值。
此外，在所有实施例中，如在图5中示出的那样，由采样频率f确定的时间上等距的采样时刻的随机移位的量值的变化在时间上观察可以描述矩形的、正弦形的或者拖尾的矩形的变化。

Claims (12)

1.一种用于采样过程的去干扰的方法，其中，所述方法包括以下方法步骤：
以采样频率f(17)采样模拟的有用信号(16)；
确定是否存在干扰振幅(20)；
当存在干扰振幅(20)时，在围绕等距的采样时刻的范围[-Δt；+Δt](21)内随机移位由所述采样频率(17)确定的时间上等距的采样时刻，其中，Δt是最大移位；
重新采样所述模拟的有用信号(16)；
重新确定是否存在干扰振幅(20)；
当继续存在干扰振幅(20)时，使所述最大移位的量值|Δt|变化；并且以所述采样时刻的随机移位的方法步骤重新开始。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定是否存在干扰振幅(20)的方法步骤中，仅仅当干扰振幅大于一阈值时，才存在所述干扰振幅(20)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括所采样的有用信号(16)的模拟/数字转换的步骤，其中，在确定是否存在干扰振幅(20)的方法步骤中，仅仅当干扰振幅大于在所述方法的范畴内所实施的模拟/数字转换的噪声(3)时，才存在所述干扰振幅(20)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，仅仅当在所采样的有用信号(40)的频谱的基频带(1)中存在干扰振幅(20)时，才存在所述干扰振幅(20)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，通过时钟信号(26)的相位取阈值来确定所述采样时刻。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过以相位噪声(30)施加具有周期1/f的周期性的时钟信号(26)来产生所述时钟信号(26)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述相位噪声(30)是1/f噪声。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，通过使具有周期1/f的周期性的时钟信号(26)经受频率调制来产生所述时钟信号(26)。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，开始时的Δt相应于所述采样频率(17)的[0；2％]的值、优选[0；1％]的值。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在改变所述最大移位的量值|Δt|的步骤中，由所述采样频率f(17)确定的时间上等距的采样时刻的随机移位的量值的变化量值与所述有用频率(2)的比例大于或者等于值1.25。
11.根据以上权利要求中任一项所述的、尤其根据权利要求9所述的方法，其中，在使所述范围[-Δt；+Δt](21)变化的步骤中减半所述开始时的Δt。
12.一种用于采样过程的去干扰的设备，所述设备包括：
用于以采样频率f(17)采样有用信号(16)的装置；
用于干扰幅度确定的装置(50)，所述装置设计用于确定所采样的有用信号(38)是否施加有干扰幅度(20)，
其特征在于，
所述用于干扰幅度确定的装置(50)还设计用于，当存在干扰幅度(20)时在围绕等距的采样时刻的范围[-Δt；+Δt](21)内随机移位由所述采样频率(17)确定的时间上等距的采样时刻，其中，Δt是最大移位，并且以经随机移位的采样时刻重新采样所述有用信号；所述用于干扰振幅确定的装置还设计用于，当继续存在干扰幅度(20)时，使所述最大移位的量值|Δt|变化。
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