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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung eines mit einem Rauschsignal behafteten Nutzsignals, bei dem ein Signalwert des Nutzsignals mit mindestens einem vorgebbaren Schwellwert verglichen wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Auswertung eines mit einem Rauschsignal behafteten Nutzsignals gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise in elektronischen Steuergeräten von Kraftfahrzeugen dazu eingesetzt, um bestimmte Zustände, wie beispielsweise Logikzustände bzw. diese Logikzustände repräsentierende Spannungspegel eines dem Steuergerät zugeführten Eingangs- bzw. Nutzsignals zu erkennen. Dabei werden die verschiedenen möglichen Zustände des Nutzsignals durch einen oder mehrere Schwellwerte definiert, die einen Wertebereich des Nutzsignals in Teilbereiche unterteilen, wobei wenigstens zwei Teilbereichen unterschiedliche Zustände des Nutzsignals zugeordnet sind.
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Herkömmliche Systeme, bei denen dem Nutzsignal zwei Zustände, nämlich die Logikpegel Eins und Null zugeordnet werden, besitzen häufig einen fest vorgegebenen Schwellwert, der den Wertebereich des Nutzsignals beispielsweise in zwei gleich große Teilbereiche einteilt. Falls ein Signalwert des Nutzsignals diesen fest vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird ihm z. B. der Logikpegel Eins zugewiesen, und falls ein Signalwert des Nutzsignals diesen fest vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, wird ihm der Logikpegel Null zugewiesen.
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Nachteilig an einem derartigen, fest vorgegebenen Schwellwert ist die Tatsache, dass es z. B. bei einer Veränderung eines dem Nutzsignal überlagerten Rauschsignals unter Umständen zu Fehlentscheidungen hinsichtlich des Zustands eines Signalwerts des Nutzsignals kommen kann, insbesondere falls eine Amplitude des Rauschsignals so groß ist, dass auch bei einem verschwindenden Nutzsignal der fest vorgegebene Schwellwert überschritten wird.
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Als Abhilfe hierfür ist der Schwellwert bei anderen bekannten Systemen in Form einer Kennlinie abgelegt, so dass der Schwellwert zumindest in Abhängigkeit eines vorgebbaren Parameters des verwendeten Systems veränderbar ist. Die stochastische Natur eines Rauschsignals, mit dem das betreffende Nutzsignal möglicherweise behaftet ist, kann hierdurch jedoch nicht hinreichend berücksichtigt werden.
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Aus der
US 2004/0066507 A1 ist ein Verfahren zur Auswertung eines mit einem Rauschsignal behafteten Nutzsignals mit mindestens einem vorgebbaren Schwellwert verglichen wird, bekannt. Dabei ist vorgesehen, den Schwellwert dynamisch in Abhängigkeit des Rauschsignals zu ermitteln.
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Aus der
DE 103 41 436 A1 ist ein Sensor zur Erfassung von transparenten Objektstrukturen bekannt. Ein Signal eines Ultraschallempfängers wird mit einem Schwellwert verglichen, wobei der Schwellwert aus dem Empfangssignal abgeleitet wird., sodass der Pegel des Schwellwerts in Abhängigkeit des Rauschpegels des Empfangssignals variiert wird.
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Aus der
DE 100 53 948 A1 ist ein Verfahren zum Vermeiden von Kommunikations-Kollisionen zwischen Co-existierenden PLC Systemen bei der Nutzung eines allen PLC-Systemen gemeinsamen physikalischen Übertragungsmediums bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass die Entscheidung, ob ein physikalischer Übertragungskanal belegt ist oder nicht, neben einem mittleren Rauschpegel von wenigstens einem Schwellwert abhängt, der sich an auftretenden Störungen auf dem physikalischen Übertragungskanal anpasst Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auch bei einer sich zeitlich ändernden Charakteristik des Rauschsignals eine zuverlässige Auswertung des Nutzsignals möglich ist.
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Diese Aufgabe wird duch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße dynamische Ermittlung des Schwellwerts ermöglicht das Bereitstellen eines optimalen Schwellwerts auch bei einer sich zeitlich ändernden Charakteristik des Rauschsignals. Ebenso ermöglicht das erfindungsgemäße Auswertungsverfahren eine dynamische Adaption der Auswertung z. B. an unterschiedliche Signalverstärkungen des Nutzsignals.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Zeichnungen
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In der Zeichnung zeigt:
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1 ein Blockschaltbild, das den Signalfluss in einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergibt, und
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2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Auswertvorrichtung 100, der ein mit einem Rauschsignal behaftetes Nutzsignal S zugeführt wird. Das Rauschsignal kann dabei beispielsweise als einem nicht in 1 abgebildeten rauschfreien Nutzsignal additiv überlagertes Signal aufgefasst werden.
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Die Auswertvorrichtung 100 ermittelt aus dem ihr zugeführten Nutzsignal S mittels dem Vergleicher 105 ein Ausgangssignal A. Hierzu wird dem Vergleicher 105 wie in 1 dargestellt neben dem Nutzsignal S auch ein Schwellwert T zugeführt, der einen Wertebereich des Nutzsignals S dem vorliegenden Beispiel entsprechend in zwei Teilbereiche unterteilt.
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Falls ein beispielhaft betrachteter Signalwert des Nutzsignals S größer ist als der momentan dem Vergleicher 105 zugeführte Schwellwert T, wird an dem Ausgang des Vergleichers 105 der Logikpegel Eins als Ausgangssignal A ausgegeben. Falls der Signalwert des Nutzsignals S jedoch kleiner als der Schwellwert T ist, wird am Ausgang des Vergleichers 105 der Logikpegel Null als Ausgangssignal A ausgegeben. Je nach der verwendeten Logik, d. h. positiver oder negativer Logik, und in Abhängigkeit der die Logikpegel von Eins und Null repräsentierenden Spannungswerte kann es sich bei den beschriebenen Ausgangssignalen A des Vergleichers 105 beispielsweise um Spannungspegel von 5 Volt bzw. 0 Volt handeln.
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Um stets einen optimalen Schwellwert für den vorstehend beschriebenen Entscheidungsprozess des Vergleichers 105 bereitstellen zu können, wird der dem Vergleicher 105 zugeführte Schwellwert T erfindungsgemäß dynamisch und in Abhängigkeit des Rauschsignals ermittelt, mit dem das Nutzsignal S behaftet ist.
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Die entsprechenden Schritte des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens sind aus dem in 2 abgebildeten Flussdiagramm ersichtlich.
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Wie bereits beschrieben wird zunächst in Schritt 200 durch den Vergleicher 105 (1) geprüft, ob der momentan an dem Eingang des Vergleichers 105 anliegende Signalwert des Nutzsignals S größer ist als der dem Vergleicher 105 zugeführte Schwellwert T. Ist dies der Fall, so wird von dem Schritt 200 direkt in den Schritt 260 verzweigt, in dem – wie bereits beschrieben – ein dem Logikpegel Eins entsprechendes Ausgangssignal A ausgegeben wird. In diesem Fall findet erfindungsgemäß ferner keine dynamische Anpassung des Schwellwerts T statt, sondern nach der Abarbeitung des Schritts 260 wird das erfindungsgemäße Verfahren direkt beendet, um mit einem nächsten Signalwert des Nutzsignals S ausgehend von dem Schritt 200 erneut durchgeführt zu werden.
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Falls der Vergleich nach Schritt 200 jedoch ergibt, dass der momentane Signalwert des Nutzsignals S kleiner ist als der vorgegebene Schwellwert T, so wird in den Schritt 210 aus 2 abgezweigt, bei dem ein in 1 abgebildeter Betragsbildner 110 den Betrag |S| aus dem ihm zugeführten Signalwert des Nutzsignals S bildet und an seinem Ausgang bereitstellt.
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Der Betrag |S| wird gemäß dem Blockschaltbild aus 1 einem dem Betragsbildner 110 nachgeordneten Tiefpass 120 zugeführt, der eine entsprechende Tiefpassfilterung aufeinander folgender Betragswerte des Nutzsignals S durchführt, wodurch an einem Ausgang des Tiefpasses 120 die Rauschgröße R erhalten wird. Die Rauschgröße R entspricht also dem tiefpassgefilterten Betrag |S| des Nutzsignals S.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Annahme zugrunde, dass in denjenigen Entscheidungsfällen nach Schritt 200, bei denen ein Signalwert des mit dem Rauschsignal behafteten Nutzsignals S kleiner ist als der momentane Schwellwert T, das rauschfreie Nutzsignal auch tatsächlich – entsprechend dem vorliegenden Beispiel – einem Logikpegel von Null zuzuordnen ist. Dann kann davon ausgegangen werden, dass das in solchen Zeitpunkten dem Betragsbildner 110 und schließlich dem Tiefpass 120 zugeführte Nutzsignal S bzw. dessen Betrag |S| im Wesentlichen dem Rauschsignal entspricht, mit dem das Nutzsignal S behaftet ist. D. h., falls der Vergleicher 105 in dem Schritt 200 einen Signalwert dem Logikpegel Null zuordnet, wird davon ausgegangen, dass das diesen Signalwert aufweisende Nutzsignal S im Wesentlichen mit dem Rauschsignal übereinstimmt. Dadurch ist in solchen Zeitpunkten eine isolierte Betrachtung des Rauschsignals, d. h. ohne Überlagerung des rauschfreien Nutzsignals, möglich, um hieraus etwa eine mittlere Amplitude des Rauschsignals oder auch die erfindungsgemäße Rauschgröße R ermitteln zu können. Somit ist sichergestellt, dass die Rauschgröße R und damit auch der erfindungsgemäß von der Rauschgröße R abhängige Schwellwert T nur in Abhängigkeit des Rauschsignals ermittelt werden.
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Die Ermittlung des Schwellwerts T erfolgt durch eine Multiplikation der Rauschgröße R mit einem vorgebbaren Faktor F mittels des Multiplizierers 130 aus 1, wobei diese Multiplikation durch den Schritt 250 des Flussdiagramms nach 2 repräsentiert ist.
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Der Faktor F kann z. B. fest vorgegeben sein und beispielsweise einen Wert von 2,0 aufweisen. In diesem Fall ist der Schwellwert T also doppelt so groß wie die Rauschgröße R, d. h., damit ein Signalwert des Nutzsignals S in dem Schritt 200 (2) als einem Logikpegel von Eins zugehörig interpretiert werden kann, muss der Signalwert mindestens doppelt so groß sein, wie die Rauschgröße R.
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Erfindungsgemäß ist es ferner möglich, den Faktor F in Abhängigkeit der Rauschgröße R selber oder auch in Abhängigkeit einer ermittelten Varianz der Amplituden des Betrags |S| oder sonstiger bekannter bzw. ermittelbarer Parameter zu wählen. Ein Zusammenhang zwischen dem Faktor F und derartigen Parametern kann bei der erfindungsgemäßen Auswertvorrichtung 100 ebenso in Form eine Kennlinie (nicht gezeigt) oder eines Kennfelds (nicht gezeigt) vorgesehen werden.
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Anstelle der Verwendung des Faktors F kann auch ein Offsetwert vorgesehen werden, der zu der Rauschgröße R hinzuaddiert wird, um den Schwellwert T zu erhalten, wobei der Offsetwert ebenfalls als Konstante vorgesehen werden kann oder in Abhängigkeit weiterer Parameter usw.
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Generell kann auch der Zusammenhang zwischen dem Schwellwert T und der Rauschgröße R sowie ggf. weiteren Parametern direkt in Form einer Kennlinie bzw. eines Kennfelds vorgesehen sein.
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Besonders worteilhaft bei der Wahl des Faktors F bzw. des Offsetwerts ist ferner eine Berücksichtigung von Parametern, die einen bekannten Zusammenhang mit einer Charakteristik des Rauschsignals aufweisen, die also mit dem Rauschsignal korreliert sind. Beispielsweise kann erfindungsgemäß eine Erhöhung des Faktors F in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur bzw. einer Temperatur der Auswertvorrichtung 100 oder einer das Nutzsignal S liefernden Komponente vorgenommen werden, sofern eine Temperaturabhängigkeit z. B. einer Amplitude des Rauschsignals bekannt ist.
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Generell kann der Faktor F bzw. der Offsetwert zunächst auch basierend auf einem z. B. durch theoretische Überlegungen oder Messungen erhaltenen Signal-/Rausch-Abstand gewählt werden, wobei eine dynamische Anpassung an sich zukünftig ändernde Rauschverhältnisse durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet ist.
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Die vorstehend beschriebene Tiefpassfilterung des Betrags |S| ist in dem Flussdiagramm nach 2 durch die Schritte 220, 230a, 230b, 240 repräsentiert, die nachfolgend näher erläutert werden.
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Besonders vorteilhaft sind bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Mittel 140 zur Änderung einer Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 vorgesehen (1), die eine Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 in Abhängigkeit einer zeitlichen Änderung der von dem Betragsbildner 110 ermittelten Betragswerte |S| ändern.
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Hiermit ist gewährleistet, dass z. B. bei einer steigenden Dynamik des Rauschsignals die Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 erhöht wird, um in Reaktion auf die Steigerung der Dynamik des Rauschsignals ebenfalls ein schnelleres Ansprechen des Tifpasses 120 bzw. der von dem Tiefpass 120 ausgegebenen Rauschgröße R zu ermöglichen. Damit ist ferner über den Multiplizierer 130 eine nahezu verzögerungsfreie Anpassung des Schwellwerts T an die steigende Dynamik des Rauschsignals gewährleistet. Umgekehrt wird bei einer Verringerung der Dynamik des Rauschsignals eine Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 durch die Mittel 140 verringert.
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Erfindungsgemäß wird eine sich ändernde Dynamik des Rauschsignals an der zeitlichen Änderung des Betrags |S| erkannt, der gemäß 1 auch den Mitteln 140 zugeführt wird. Eine besonders einfache Ermittlung der zeitlichen Änderung einer Dynamik des Rauschsignals wird durch einen Größenvergleich des momentan ermittelten Betrags |S| mit dem zuvor ermittelten Betrag |S| realisiert, der in Schritt 220 des in 2 abgebildeten Flussdiagramms durchgeführt wird.
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Falls eine steigende Dynamik des Rauschsignals festgestellt wird, wird erfindungsgemäß in Schritt 230a verzweigt, in dem eine Vergrößerung der Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 bewirkt wird. Analog hierzu wird bei sinkender Dynamik des Rauschsignals erfindungsgemäß in Schritt 230b verzweigt, in dem eine Verringerung der Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 bewirkt wird.
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In Schritt 240 erfolgt schließlich die Ausgabe der Rauschgröße R am Ausgang des Tiefpasses 120, mittels der in dem bereits beschriebenen nachfolgenden Schritt 250 unter Berücksichtigung des Faktors F der Schwellwert T berechnet wird, um dem Vergleicher 105 zugeführt zu werden.
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Der Tiefpass 120 aus 1 kann beispielsweise als Tiefpass erster Ordnung ausgebildet sein, wobei im Rahmen einer zeitdiskreten Signalverarbeitung durch die in 1 abgebildete Auswertvorrichtung 100, bei der ein jeweiliger Zeitschritt durch die Variable n angegeben ist, für das der Rauschgröße R entsprechende Ausgangssignal r(n + 1) des Tiefpasses 120 gilt: r(n + 1) = r(n) + K·(x(n) – r(n)), O < K < 1, wobei x(n) ein den Betrag |S| repräsentierender Eingangswert des Tiefpasses 120 ist, und wobei r(n) einen vorhergehenden Wert des Ausgangssignals des Tiefpasses 120 darstellt, und wobei K eine der Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 entsprechende Konstante darstellt.
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Um aufgrund einer gesteigerten Dynamik des Rauschsignals eine schnellere Anpassung des Ausgangssignals r bzw. R des Tiefpasses 120 zu ermöglichen, kann, wie bereits beschrieben und in 1 durch den mit K bezeichneten Pfeil symbolisiert, die Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 durch Vergrößerung von K erhöht werden. Eine entsprechende Verringerung der Grenzfrequenz ist durch eine Wahl kleinerer Werte für K möglich.
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Keine Tiefpassfilterung erfolgt bei einem Signalwert des Nutzsignals S, der größer ist als der momentane Schwellwert T. Damit ist sichergestellt, dass die durch den Tiefpass 120 seither berechnete Rauschgröße R nicht fälschlicherweise durch zu hohe Signalwerte des rauschfreien Nutzsignals S beeinflusst und der Schwellwert T damit verfälscht wird. Falls der Signalwert des Nutzsignals S größer ist als der momentane Schwellwert T, wird dem Tiefpass 120 also für eine vorgebbare Zeit bzw. Anzahl an Signalwerten kein Eingangssignal mehr zugeführt, und die aktuell am Ausgang des Tiefpasses 120 erhaltene Rauschgröße R wird weiterverwendet zur Berechnung des Schwellwerts T.
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Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 beispielsweise sehr gering gewählt, während eine Frequenz des rauschfreien Nutzsignals u. U. deutlich größer ist, sodass insbesondere verhältnismäßig langsame Änderungen der Charakteristik des Rauschsignals für die dynamische Ermittlung des Schwellwerts T verwendet werden.
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Alternativ zu der Tiefpassfilterung ist es bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch möglich, einen Mittelwert über mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Betragswerte |S| des Nutzsignals S zu bilden. Ein derartiger Mittelwert entspricht analog zu der von dem Tiefpass 120 ausgegebenen Rauschgröße R (1) im Wesentlichen einem Effektivwert des Rauschsignals und ist damit geeignet als Ausgangsbasis zur dynamischen Berechnung des Schwellwerts T. Bei dem Mittelwert kann es sich erfindungsgemäß auch um einen gewichteten Mittelwert handeln, wobei eine Gewichtung – vergleichbar zu der beschriebenen Anpassung der Grenzfrequenz des Tiefpasses 120 – beispielsweise in Abhängigkeit einer Änderung der Dynamik des Rauschsignals vorgebbar ist.
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Obwohl sich das erfindungsgemäße Auswertverfahren besonders gut zum Einsatz in Steuergeräten insbesondere von Kraftfahrzeugen eignet, ist es prinzipiell auf jede denkbare Art der Signalerfassung bzw. Signalverarbeitung anwendbar, bei der ein Nutzsignal S mit einem Rauschsignal behaftet ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Auswertverfahren zur Auswertung eines sog. Laufunruhesignals einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet, wobei das Laufunruhesignal Unregelmäßigkeiten bei den in der Brennkraftmaschine stattfindenden Verbrennungsprozessen anzeigt.
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Ferner ist es denkbar, mehr als einen Schwellwert T vorzusehen und mittels des beschriebenen Verfahrens dynamisch zu ermitteln. Beispielsweise kann ein erster Schwellwert hierbei ebenso ermittelt werden wie der dem Vergleicher 105 aus 1 zugeführte Schwellwert T. Ein zweiter Schwellwert kann anschließend in Abhängigkeit des ersten Schwellwerts, z. B. durch Addition einer vorgebbaren Schwelle zu dem ersten Schwellwert und/oder ebenfalls durch Tiefpassfilterung usw. ermittelt werden. Es ist ferner möglich, mehrere Schwellwerte basierend auf der Rauschgröße R zu ermitteln, wobei für jeden Schwellwert ein eigener Faktor F vorgesehen ist und entsprechend mit der Rauschgröße R multipliziert wird, um den jeweiligen Schwellwert zu erhalten.
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Anstelle der Verwendung des Betragsbildners 110 kann auch vorgesehen sein, dem Tiefpass 120 nur positive Signalwerte des Nutzsignals S zuzuführen, oder nur negative Signalwerte, die zuvor einem Vorzeichenwechsel unterworfen werden.
