CN106574848A - 带有可变的载波频率和戈泽尔滤波的传感器装置 - Google Patents

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Abstract

用于处理利用可变的载波频率进行调制的尤其传感器装置的信号的方法，该方法具有步骤：‑计算用于解调制所述信号的系数（c（n）），‑通过借助用于预定义的最大的数量的步骤（n_max）计算离散的中间值（s、s1、s2）来解调制所述信号，并且借助中间值和系数（c（n））来计算所述信号，其中，使用戈泽尔算法来计算幅值组分。

Description

带有可变的载波频率和戈泽尔滤波的传感器装置
本发明涉及一种方法、一种用于处理利用可变的载波频率经调制的信号的信号处理单元以及一种带有根据本发明的信号处理单元的传感器装置。
为了测量基于交变量的传感器信号，公知借助幅值调制来调制所述信号。此外公知的是，在带有有限的计算容量的简单的传感器中以数字或离散的形式来执行幅值调制的转换。用于解调制的对此公知的算法例如是戈泽尔算法，参见：The AmericanMathematical Monthly，Vol. 65、No.1 （Jan.，1958），pp. 34-35，„An Algorithm for theEvaluation of Finite Trigonometrie Series"（美国数学月刊，65卷1号（1958年1月）34-35页，“用于有限的三角级数评价的算法”）。在现有技术中，也可找到术语“戈泽尔滤波器”。所述两个概念指代相同的过程。概念“滤波器”更多地涉及作为信号处理的块的施行方案，而算法主要指代在这样的块中发生的计算操作的序列。所述施行方案能够以任选的方式经过硬件或软件来进行。
戈泽尔算法求取离散的傅立叶变换（DFT）的对于经挑选的载波频率有效的复数系数并且因此常常称为"用于频率的DFT"。对于这种应用的原因是相对于DFT的较小的计算花费，当有待计算的系数的数量较小时。对于按照上述的方式测量传感器信号而言，单个系数的计算是足够的。戈泽尔算法为此因此比DFT在数字上更高效。由所述算法存在变体方案，取代所述复数系数，该变体方案确定了数值和相位也或者该两个组分中的一个。这些变体方案的区别仅在于细节情况并且分别按照用途也即测量的目标被挑选。关于背景技术以及关于本发明地，所述变体方案能够视为关乎所有的主要的特征的算法。
所述幅值调制以及戈泽尔算法具有的缺点是，它们对于特定的与信号频率或调制频率干涉的干扰频率是易受妨害的。如果在幅值调制的所使用的频带中存在窄带的强的干扰（其频率和相位未知），则由此所造成的测量误差能够超过每个界。测量系统的有意义的最大的公差不能够被说明。幅值调制的应用或干扰的最大允许的幅值被这种特性限制。尤其，在安全相关的汽车组件、例如制动系统或转向系统的应用领域中，传感器信号的这样的失效概率不能被接受，即便这些失效仅以小的概率出现。
因此本发明的任务在于，阐明一种方法、一种信号处理单元或一种传感器装置，它们实现了利用尽可能小的计算花费来实施调制，该调制相对于外部的干扰频率基本上更加不敏感。
该任务按照本发明的第一方面借助按照权利要求1所述的方法来解决。
本发明基于基本想法：取代固定的载波频率，利用可变的载波频率执行所述调制，并且对于解调制使用这样的系数，该系数借助所使用的载波频率来求取。以这种方式实现了信号或有效信号关于载波频率的谱分布。使用可变的载波频率具有的优点在于，原本的信号或有效信号以不同的频率进行调制，并且因此基本上能够排除相对于强的干扰频率（该干扰频率将所述信号在可靠的公差范围外进行歪曲）的易受妨害性。虽然，作为回报，提高了从干扰频率至所述信号的偶然作用的频次，但是该损害的程度不表现为问题。
在离散的形式中的解调制借助这样的系数来进行，该系数依赖于载波频率来计算。用于传感器信号的解调制的花费相比于已经公知的戈泽尔算法仅如此程度地升高，即所述系数必须依赖于载波频率来计算。所述系数能够预先被计算，当有待使用的载波频率已知时。作为备选方案，在执行解调制时能够进行所述计算。在前者的情况中，在计算花费方面，相比于公知的戈泽尔算法没有得到区别。当然，在后者的情况中，能够用例如被采用在传感器中的计算单元来完成额外的计算花费。
载波频率的确定能够分别按照需求来不同地得到结果。几个对此的可行方案在下文被说明。确定这些载波频率的方式能够保持开放。为了解调制，仅需要：用于调制的载波频率也被设置为用于计算所述系数的基础。
经调制的信号的解调制包括两个阶段。在第一阶段中，经调制的信号借助依赖于载波频率所计算的系数来处理或滤波并且在中间值中暂存。该过程对于多个取样步进行重复，其中，再度的计算过程基于先前的中间值来进行。在第二阶段中，然后借助有待挑选的系数值和中间值来计算真正的有效信号。在下文更加详细地阐释对此的一个实施方式。结果是：获得了信号的值。为了例如执行连续的测量，所述方法对于每个信号或对于每个信号值重复地实施。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即所述系数依赖于载波频率的瞬时频率来计算。所述瞬时频率对应于实时所使用的载波频率。以这种方式确保的是，所述系数同步于所使用的载波频率来计算并且由此经调制的信号的准确的解调制是可行的。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即载波频率的至少一个带宽被预定义，其中，所述带宽位于能够预测的干扰频率外。只要分别按照使用情况所确定的频率被证实为尤其容易被干扰，以这种方式能够进一步较小其对有效信号的影响。作为对此的备选方案也能够考虑的是，在排除已知的干扰频率的情况下来使用带宽、也即不连续的频带。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即预定义所述载波频率的带宽，其中，所述带宽依赖于所述信号的频率或频率带宽来确定。信号的频率或频率带宽也能够称为工作频率。定义了这样的频率，在该频率下产生所述信号的信息。对于依赖于频率的传感器阻抗的使用情况，如此地定义所述带宽，从而此带宽与相应的传感器阻抗的工作频率协调。对于每种用途必须检测的是，对于哪个频率范围来设定总系统的尤其有利的传递函数。以这种方式，一方面实现了干扰频率的影响的压制（所述带宽越大，则该压制越好），并且同时确保的是，能够可靠地执行所述信号的解调制。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即所述信号借助调制单元来调制，并且经调制的信号的处理借助信号处理单元来进行，其中，载波频率或瞬时频率在调制单元和信号处理单元之间同步。在经闭合的系统中，以这种方式能够执行载波频率或瞬时频率向着信号处理单元的简单的和保险的传输或传达，以便确保信号的正确的解调制。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即所述一个系数或多个系数的值在信号的调制前（尤其完全地对于所有的载波频率）被计算。以这种方式，用于计算所述系数的额外的计算花费能够位于所述方法之前，但是对此必要的是，已知有待使用的载波频率。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即所述系数的值被存储在非易失的存储器中。所述系数然后仅还必须从所述存储器调取并且由此不需要额外的计算。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即所述系数借助方程：
c （n） = 2cos （2π*f_signal （n）/f_sample）
来计算。该方程的单个的项的定义如下：
n = 取样步
c （n） = 用于取样步n的系数
f_signal（n） = 用于第n个取样步的载波频率或瞬时频率
f_sample = 取样频率。
对于每个取样步n，借助所述方程来计算系数c的值并且该值是用于所述解调制的基础。在此关键的是，所述相应的载波频率或瞬时频率是对于每个系数的基础。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即所述中间值借助下述的进程来计算，该中间值以伪代码为形式被展示：
s1 = 0
s2 = 0
用n从1至n_max进行重复
s = signal（n） + c（n）*s1 - s2
s2 = s1
s1 = s
结束
在该进程中的单个的项的定义如下：
s、s1、s2 = 不同的取样步的中间值
signal（n） = 在步骤n中的经调制的信号
n_max = 用于进程的取样步的总数量
中间值s、s1、s2表现为实时的取样值n的中间值或先前的取样步n-1和n-2的中间值。借助用于取样步1...n_max的中间值的计算，借助经匹配的系数c（n）来进行经调制的信号的滤波，该中间值然后能够用于计算所寻找的信号。
以优选的方式，根据本发明的方法通过以下方式被改型，即所述信号A的幅值借助方程
A = 2* sqrt（s2*s2 + s1*s1 - c（n_max）*s1 *s2）/n_max
来计算。对于计算所述信号A的幅值而言，作为有利方案表明的是，在最后的取样步n_max中使用所述系数的所述值。但是能够考虑采用其它的系数值。
所述方法以有利的方式通过以下方式被改型，即所述信号的调制借助使用所述系数的预计算的值来进行。所述调制以及所述解调制然后基于所述系数来进行。所述系数的值能够对于所述取样值的数量分别预先被计算。以这种方式尤其简单地能够实现在调制单元和信号处理单元之间的同步。
在此，尤其有利的是，前述的方法借助根据本发明的方法的倒转的进程来执行，其如下进行：
s1 = 0
s2 = sin（2π*f_signal/f_sample）
利用n 从 1 重复至 n_max
s =c（n）*s1-s2
s2 = s1
s1 = s
signal （n） = s
结束
此外本发明按照本发明的第二方面借助按照第二独立主权利要求的信号处理单元来解决。
此外，本发明的任务按照本发明的第三方面借助带有按照第三独立主权利要求的特征的传感器装置来解决。
下文借助实施例和附图更加详细地说明本发明。图示：
图1是根据本发明的传感器装置的实施例，
图2是根据本发明的信号处理单元的实施例，
图3是系数c的值的走势，
图4是相应于图3中的系数的值的幅值谱的走势，和
图5是根据本发明的方法的容易被干扰性相对于现有技术中的戈泽尔算法的对比。
图1示意示出了传感器装置1的示意的结构，该传感器装置能够集成在已知的传感器中。传感器装置1包括用于调制信号或传感器信号的调制单元3。传感器信号借助传感器元件4产生。能够利用不同类型的传感器元件（例如欧姆电阻、电容或电感）执行本发明。信号处理单元5解调制经调制的信号signal（n）或按照根据本发明的方法实施解调制的一部分。所述调制单元3和所述信号处理单元5经过连接部6彼此相连，从而在这方面载波频率、瞬时频率f_signal（n）或系数c的同步是可行的。
调制单元2产生带有载波频率或在经选择的频率带宽内的载波信号。所述信号借助在所述图中未示出的数字模拟转换器经转换地加载给所述传感器。也能够考虑的是：将调制单元实施作为模拟的振荡器。就信号处理单元而言，所述模拟信号再次借助模拟数字转换器来转换。
在图2中示意展示了信号处理单元5的实施例。经过信号处理单元5的输入部来馈入所述经调制的传感器信号。所述信号处理单元5经过多个迭代、相应于多个取样步来处理所述经调制的输入信号。
信号处理单元5包括两个暂存器50、51。将不同的取样步n-1和n-2的中间值存放到暂存器50、51中。暂存器50一方面经过乘法器与系数块52相连，在其中存放有系数c（n）的不同的值。暂存器50的值与相应的第n个系数值c（n）作乘法并且相加至输入信号。此外，暂存器50与第二暂存器51相连。第一暂存器的先前的中间值（s2或s（n-2））被存放到第二暂存器中。第二暂存器51中的值从输入信号signal（n）减去。在输入侧，第一暂存器与加法元件53的输出部相连。在每个流程后，将加法元件53的结果存放到第一暂存器50中。此值对应于信号处理单元5的输出值。
为了实施系数块52，设置了多个变体方案。一方面，所述系数块能够构造为简单的存储器，系数的有待使用的值能够存放到该存储器中。尤其，当用于调制所述信号的有待使用的频率或有待使用的频带被确立或已知时，此变体方案是有利的。在此有利的是，如此地挑选所述频率或频带，使得其不覆盖已知的干扰频率。所述系数的计算优选地借助方程来进行：
c（n） = 2cos （2π*f_signal（n）/f_sample），
其中，适用：
n = 取样步
c （n） = 用于取样步n的系数
f_signal（n） = 用于第n个取样步的载波频率或瞬时频率
f_sample = 取样频率。
作为对此的备选方案，可行的是，将系数块52挑选作为计算单元，在该计算单元中，系数c（n）的值分别按照用于每个取样步n的瞬时频率或载波频率f_signal （n）的初始值连续地计算。
所述信号处理单元5能够正如上文描述的那样在线路技术方面如此地设计，以便按照下述的进程来执行中间步骤的计算。作为备选方案，当然也可能的是，信号处理单元5构造为能够编程的电路，并且经过软件的相应的编程来实现所述进程。用于计算中间值的进程以下述的步骤来进行：
s1 = 0
s2 = 0
用n从1至n_max进行重复
s = signal（n） + c（n）*s1 - s2
s2 = s1
s1 = s
结束
所述进程基本上是环，该环对于取样步n_max的总数量会被经历。
作为起始条件，预定义了带有值零的两个中间值s1和s2。对于所述环而言，定义了一个另外的中间值s，其中，所述中间值按照上文说明的方程来定义。项signal（n）对应于在取样步n处的经调制的信号，该信号在这里以离散的形式存在。
该信号或有效信号的幅值的计算借助方程来进行：
A = 2* sqrt（s2*s2 + s1*s1 - c（n_max）*s1 *s2）/n_max，
总进程（其包括系数c（n）、中间值s、s1、s2和信号A的计算）相应地被执行用于信号值的解调制。在运行中的测量中（例如在传感器中），对于每个从传感器所求取的和经调制的值来执行所述总进程。因为传感器的测量率或测量周期位于几个毫秒的范围中，有利的是：预先计算所述系数。
有利地，所述信号的调制借助下述的进程来执行，以便获得在调制单元和信号处理单元之间的载波频率或瞬时频率的同步。所述项的命名法对应于上文说明的定义。
s1 = 0
s2 = sin（2π*f_signal/f_sample）
用n从1至n_max进行重复
s = c（n）*s1 - s2
s2 = s1
s1 = s
signal（n） = s
结束
利用根据本发明的方法来执行模拟。在图3和4中示出了所述模拟的几个可视化形式。图5示出了按照根据本发明的方法和按照已经已知的戈泽尔算法的被解调制的信号的偏差的比较。
对于所述模拟而言，选择1 MHz的取样率（A/D和D/A转换器）和1 ms的测量周期。取样步的总数量计为n_max = 1 Mhz*1 ms = 每测量周期1000取样步。 幅值调制的载波的频率以及可变的载波的中心频率在200 KHz附近选择。用于传统的解决方案的戈泽尔系数计为cAM=0.6180。对于根据本发明的解决方案，所述瞬时频率应围绕所述中心频率振荡，因此所述系数域cFM（1 ... nmax）的平均值同样计为cAM。这在形式方面对应于频率调制。
对于所述模拟，为所述系数选择一种曲线形状，并且依赖于系数的该曲线形状来确定所述载波信号。将三角振动选择作为用于所述频率调制的曲线形状，因为此振动造成合成的振动的均匀的谱密度。在使用正弦振动时，瞬时频率在经使用的谱的端部处比在中部更加频繁，而平均分布另外能够用三角形状来实现。所述三角形状绝不是用于根据本发明的解决方案的前提条件，但是，所使用的谱的均匀的使用始终被视为有利，当不存在关于所述系统的信息（使用系统、传输介质、期待的干扰等）时，该信息造成在所使用的谱中的不同的频率的不同的测量技术方面的使用。系数域cFM（1 ... nmax）的值能够被自由选择，因此也能够自由选择所述三角形状的幅值。较高的幅值造成了较宽的谱的使用。从上文所讨论的原因中，必须进行在宽带的设计方案中的优点和缺点之间的评判。在图3中图解地展示了为这种实施例所选择的折衷方案。对于该图可见cFM值作为指数n的函数。在图4中示出了从属的幅值谱。由此，系数域的选择导致了在200±30 kHz时的大约60 kHz的带的近似均匀的使用。
所述系数域此时被用于：借助倒转的戈泽尔算法来求取激励函数的取样值。存储该结果并且所述值彼此相继地被提供给D/A转换器。当达到了所述域的端部时（这与测量周期的端部意义相同），在所述系统的连续的运行中在所述域的起点再次开始。经过放大器将激励信号提供给传感器。例如能够将电流作为激励赋予所述传感器并且取用电压，或者施加电压并且测量电流。把被传感器所调制的信号提供给A/D转换器。此时在使用相同的系数域的情况下，利用所述试样来运行戈泽尔滤波器。只要对于每个步骤（A/D和D/A）分别使用相同的系数（也即带有相同的指数的系数），则两个部分关乎其瞬时频率地正如在图1中所示的那样被同步化。
相对于带有正弦状的激励的通常的AM，仅将存储器和指数计数部记为额外花费。由此，满足的要求是：利用小的线路花费来实现干扰的减少。
该优点能够被示出，办法是：在蒙特卡罗模拟中，算出信号处理步骤。另外，在每个流程中，将干扰相加至传感器的信号，该干扰通过随机发生器来求取。在当前的情况中，所述干扰指的是由白噪音（宽带）和正弦状的信号（窄带）形成的总和，其相位和频率（在150和250 kHz）之间随机。此信号具有这样的幅值，该幅值计为传感器信号的幅值的5%。所述噪音具有相同大小的有效值。在10^6个流程后，得到了图5的误差（也即相对于传感器信号的偏差）的频次分布。
根据本发明的解决方案E虽然在数字方面在直到±2%的范围中具有偏差的较大的数量，但在±2%上方的范围中，所述偏差的数量大约为零。
从现有技术中已知的戈泽尔算法G在±2%上方也具有偏差的低的数量。所述偏差到达直至大约±6%。对于在测量技术中的用途，这是相比于根据本发明的方法的关键的缺点。但是，本发明不限于在传感器中的使用，虽然此使用领域尤其有利。

Claims (15)

1.用于处理利用可变的载波频率经调制的尤其传感器装置的信号的方法，该方法具有步骤：
- 计算用于解调制所述信号的系数（c（n）），
- 通过借助用于被预定义的最大数量的步骤（n_max）的系数计算离散的中间值（s、s1、s2）来解调制所述信号，并且借助所述中间值和系数（c（n））来计算所述信号，
其特征在于，对于每个步骤，分别基于载波频率（f_signal（n））来计算所述系数（c（n））的值。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系数依赖于载波频率的瞬时频率（f_signal（n））来计算。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，载波频率的至少一个带宽被预定义，其中，所述带宽位于能够预测的干扰频率外。
4.按前述权利要求2或3中任一项所述的方法，其特征在于，预定义所述载波频率的带宽，其中，所述带宽依赖于所述信号的频率或频率带宽来确定。
5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述信号借助调制单元来调制，并且经调制的信号的处理借助信号处理单元来进行，其中，载波频率或瞬时频率在调制单元和信号处理单元之间同步。
6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，预计算所述信号的调制的系数的值。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述系数的值存储到非易失的存储器中。
8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，将相同的系数值存储到存储位置中。
9.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助这样的方程来计算所述系数：
c （n） = 2cos （2π*f_signal （n）/f_sample），
其中，适用：
n = 取样步
c （n） = 用于取样步n的系数
f_signal（n） = 用于第n个取样步的载波频率或瞬时频率
f_sample = 取样频率。
10. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助下述进程来计算所述中间值：
s1 = 0
s2 = 0
用n从1至n_max进行重复
s = signal（n） + c（n）*sl - s2
s2 = s1
s1 = s
结束
其中，适用：
s、s1、s2 = 不同的取样步的中间值
signal（n）= 在步骤n中经调制的信号值
n_max = 用于一个进程的取样步的总数量。
11.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述信号的调制借助使用所述系数的预计算的值来进行。
12. 按照权利要求11所述的方法，其特征在于，信号的调制借助下述的进程：
s1 = 0
s2 = sin（2π·f_signal/f_sample）
用n从1至n_max进行重复
s = c（n）*s1 - s2
s2 = s1
s1 = s
signal（n） = s
结束
来计算。
13.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助这样的方程来计算所述信号的幅值：
A = 2* sqrt（s2*s2 + s1*s1 - c（n_max）*s1 *s2）/n_max，其中，适用：
s1、s2 = 在n_max步骤后的中间值，
c（n_max） = 在步骤n_max中的系数值。
14.用于处理利用可变的载波频率进行调制的尤其传感器装置（1）的信号（signal（n））的信号处理单元（5），该信号处理单元包括：
- 用于计算经解调制的信号值的加法元件（55），
- 包含系数（c（n））的至少一个值的系数块（52），
- 用于存储所述中间值的至少一个暂存器（50、51），其中，所述暂存器之一与所述系数块相连，和
- 用于将经改变的信号值与所述系数相乘的乘法器（56），其中，此值能够提供给加法元件，
其特征在于，所述系数块（52）包含所述系数（c（n））的多个值或借助所述块能够计算所述系数的多个值。
15.传感器装置（1），包括：
- 用于调制传感器信号的调制单元（3），
- 用于产生传感器信号的传感器元件（4），和
- 按照权利要求14所述的信号处理单元（5）。
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