DE102017212916B3

DE102017212916B3 - Vorrichtung zur Signalverarbeitung

Info

Publication number: DE102017212916B3
Application number: DE102017212916.6A
Authority: DE
Inventors: Lizhuo Chen; Bernhard Opitz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: US11398810B2; JP6967136B2; JP2020528704A; US20210159888A1; WO2019020258A1; EP3659257A1; CN110999083B; CN110999083A

Abstract

Eine Vorrichtung zur Signalverarbeitung umfasst einen Signaleingang (10) für den Empfang eines Eingangssignals, einen Steuereingang (20) für den Empfang eines Steuersignals und einen CIC Filter n-ter Ordnung zur Filterung des Eingangssignals. Der CIC Filter umfasst n hintereinander angeordnete Integratoren (100, 200), die je einen Speicher umfassen, wobei n größer 1 ist. Zu jedem von n-1 ersten der Integratoren (200) umfasst die Vorrichtung einen zugehörigen Korrekturrechner (220) für eine Korrektur eines Integrationsfehlers unter Verwendung mindestens eines im Speicher des jeweiligen ersten Integrators (200) gespeicherten Signalwerts. Die Vorrichtung ist ausgebildet, besagte gespeicherte Signalwerte in Antwort auf das Steuersignal zu den zugehörigen Korrekturrechnern (220) zu übertragen und den Speicher des verbleibenden letzten Integrators (100) zu löschen. Entweder werden auch die Speicher der n-1 ersten Integratoren (200) gelöscht, oder die Vorrichtung umfasst einen weiteren Korrekturrechner und die besagten Signalwerte werden in Antwort auf das Steuersignal auch zu dem weiteren Korrekturrechner übertragen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Signalverarbeitung.
Stand der Technik
Kaskadierte Integrator Kammfilter (CiC Filter, von engl.: Cascaded integratorcomb filter) sind schmalbandige digitale Tiefpassfilter, die sich effizient implementieren lassen und zur Signalverarbeitung, insbesondere jedoch nicht nur zur Sensorsignalverarbeitung nach einer Delta-Sigma-Modulation, zur Dezimierung und Interpolation beispielsweise in der Kommunikation verwendet werden. Eine detaillierte Beschreibung von CIC-Filtern findet sich in Hogenauer, Eugene B.: „An economical class of digital filters for decimation and interpolation“, IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, 29 (2): 155 - 162.
CIC Filter umfassen mindestens einen rekursiven Laufsummenfilter mit einer differenziellen Verzögerung, den Kammabschnitt, und einen zugehörigen Integrator oder Akkumulator. Das Ergebnis des Akkumulators wird dann noch von einem Mittelwertrechner gemittelt. CIC Filter können ineinander verschachtelt werden, sodass einer Anzahl von Kammabschnitten die entsprechende Anzahl von Integratoren und den Integratoren die entsprechende Anzahl von Mittelwertrechnern folgt. Besagte Anzahl definiert die Ordnung des CIC Filters. CIC Filter höherer Ordnung bieten dabei bessere Auflösung als CIC Filter erster Ordnung.
In vielen Anwendungen, beispielsweise in der Kommunikation gemäß dem Protokoll für lokal verkoppelte Netzwerke (LIN Protokoll), über eine periphere Sensorschnittstelle (PSI5), eine digitale Schnittstelle für die Kommunikation von Sensoren und Steuergeräten (SENT) oder Kommunikationsprotokollen im Automotive-Bereich, werden variable Sampling-Intervalllängen verwendet.
CIC Filter sind grundsätzlich nur für konstante Sampling-Intervalllängen anwendbar. Durch Anpassungen lassen sich jedoch CIC Filter 1. Ordnung auch bei variabler Sampling-Intervalllänge einsetzen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Signalverarbeitung und ein Sensor gemäß Anspruch 9 für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen.
Die Vorrichtung umfasst einen Signaleingang für den Empfang eines Eingangssignals, einen Steuereingang für den Empfang eines Steuersignals und einen CIC Filter n-ter Ordnung zur Filterung des Eingangssignals. Der CIC Filter umfasst n hintereinander angeordnete Integratoren, die je einen Speicher umfassen. Dabei ist n größer Eins. Zu jedem von n-1 ersten der Integratoren umfasst die Vorrichtung einen zugehörigen Korrekturrechner für eine Korrektur eines Integrationsfehlers unter Verwendung mindestens eines im Speicher des jeweiligen ersten Integrators gespeicherten Signalwerts. Die Vorrichtung ist ausgebildet, besagte gespeicherte Signalwerte in Antwort auf das Steuersignal zu den zugehörigen Korrekturrechnern zu übertragen, den Speicher des letzten Integrators zu löschen und/oder ein Eingangssignal des verbleibenden letzten Integrators an dessen Ausgang bereitzustellen (engl.: dump). Die Vorrichtung ist weiterhin entweder ausgebildet, auch die Speicher der ersten Integratoren zu löschen, oder sie umfasst einen weiteren Korrekturrechner und ist ausgebildet, die besagten Signalwerte in Antwort auf das Steuersignal auch zu dem weiteren Korrekturrechner zu übertragen.
Die Unterbrechung der Integration durch Löschen des Speichers in Antwort auf das Steuersignal und die Übertragung der gespeicherten Werte ermöglicht, CIC Filter höher Ordnung mit variablen Sampling-Intervalllängen zu verwenden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zu dem letzten Integrator einen Mittelwertrechner.
Dies verbessert die Signalcharakteristik.
Die Vorrichtung kann zusätzlich oder alternativ zu jedem der Integratoren einen zugehörigen Mittelwertrechner umfassen, wobei die den ersten Integratoren zugehörigen Mittelwertrechner jeweils ausgebildet sein können, einen Ausgabewert des zugehörigen Korrekturrechners zu mitteln.
Dies verbessert auch die Signalcharakteristik.
Die Korrekturrechner können je einen zugehörigen Differenziator umfassen und ausgebildet sein, einen Eingangswert an dem jeweiligen Korrekturrechner dem zugehörigen Differenziator zuzuführen und einen Ausgangswert des zugehörigen Differenziators unter Verwendung des mindestens einen besagten Signalwerts zu korrigieren und den korrigierten Ausgabewert auszugeben.
Dies ist eine besonders effiziente Form der Korrektur.
Wenn die Vorrichtung den weiteren Korrekturrechner umfasst und ausgebildet ist, die besagten Signalwerte in Antwort auf das Steuersignal auch zu dem weiteren Korrekturrechner zu übertragen, kann der weitere Korrekturrechner ausgebildet sein, einen Ausgabewert des letzten Integrators unter Verwendung der besagten Signalwerte zu korrigieren, und der dem letzten Integrator zugehörige Mittelwertrechner kann ausgebildet sein, einen Ausgabewert des weiteren Korrekturrechners zu mitteln, wobei ein erster der Korrekturrechner ausgebildet sein kann, den gemittelten Ausgabewert des weiteren Korrekturrechners dem zugehörigen Differenziator zuzuführen.
Dann muss nur der Speicher des letzten Integrators gelöscht werden.
Wenn die Vorrichtung weiterhin ausgebildet ist, auch die Speicher der ersten Integratoren zu löschen, kann der dem letzten Integrator zugehörige Mittelwertrechner ausgebildet sein, den Ausgabewert des letzten Integrators selbst zu mitteln und ein erster der Korrekturrechner kann ausgebildet sein, den gemittelten Ausgabewert des letzten Integrators dem zugehörigen Differenziator zuzuführen. Die Korrektur ist dann weniger komplex.
Der CIC Filter kann n hintereinander angeordnete rekursive Laufsummenfilter umfassen, die den Integratoren vorangeordnet sind.
So lassen sich leicht Kammabschnitte des CIC Filters verwirklichen.
Die ersten Integratoren können je einen Zähler umfassen, um Informationen über einen Speicherüberfluss zu speichern, und ausgebildet sein, den Einfluss des Speicherüberflusses auf die Integration zu kompensieren.
Dadurch wird ein besonders gutes Handling von Speicherüberfluss realisiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
2 eine zweite beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem CIC Filter zweiter Ordnung.
Die gezeigte Vorrichtung ist zur Signalverarbeitung von beispielsweise Sensorsignalen ausgebildet und umfasst einen Signaleingang 10 und einen Steuereingang 20. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein CIC Filter 2. Ordnung. Der CIC Filter umfasst einen ersten rekursiven Laufsummenfilter, der ausgebildet ist, eine erste Laufsumme eines am Signaleingang 10 anliegenden Eingangssignals zu bestimmen, und einen zweiten rekursiven Laufsummenfilter, der ausgebildet ist, eine zweite Laufsumme der ersten Laufsumme zu bestimmen. Der CIC Filter umfasst weiterhin einen ersten Integrator 200, der zur Integration der zweiten Laufsumme ausgebildet ist und einen Speicher, und einen letzten Integrator 100, der zur weiteren Integration der integrierten zweiten Laufsumme ausgebildet ist und ebenfalls einen Speicher umfasst.
Entweder wird auch die Speicher der ersten Integratoren (200) gelöscht, oder die Vorrichtung umfasst einen weiteren Korrekturrechner (120), und die besagten Signalwerte werden in Antwort auf das Steuersignal auch zu dem weiteren Korrekturrechner übertragen.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen ersten Mittelwertrechner 110 zur Mittelung der vom letzten Integrator 100 weiter integrierten zweiten Laufsumme. Die Vorrichtung umfasst zu dem ersten Integrator 200 einen zugehörigen Korrekturrechner 220, der seinerseits einen Differenziator 230 umfasst, welcher zur Bestimmung einer Änderung der gemittelten weiterintegrierten zweiten Laufsumme ausgebildet ist. Der Korrekturrechner 220 ist zur Korrektur der bestimmten Änderung unter Verwendung eines im Speicher des ersten Integrators 200 gespeicherten Signalwerts ausgebildet.
Die Vorrichtung ist im Ausführungsbeispiel ausgebildet, besagten gespeicherten Signalwert in Antwort auf ein Steuersignal am Steuereingang 20, beispielsweise einer Unterbrechungsanfrage (IRQ, für engl.: Interrupt request), zu den zugehörigen Korrekturrechnern 220 zu übertragen und die Speicher der Integratoren 100, 200 zu löschen, um so die Integrationen zu unterbrechen. Die Unterbrechung der Integration im ersten Integrator 200 bewirkt einen Fehler im Ergebnis der nachfolgenden Integration im letzten Integrator 100. Dieser Fehler wird erfindungsgemäß durch den Differenziator 230 und den Korrekturrechner 220 korrigiert, ehe die, beispielsweise gewichtete, Mittelung durch den weiteren Mittelwertrechner 210 ausgeführt wird. Da dem letzten Integrator 100 kein Integrator nachfolgt und somit auch nicht durch eine Unterbrechung des letzten Integrators 100 beeinflusst wird, ist eine Korrektur vor der, beispielsweise gewichteten, Mittelung durch den Mittelwertrechner 110 nicht notwendig.
Zur Ermöglichung der Korrektur ist die Vorrichtung ausgebildet, einen gespeicherten Ausgabewert des mindestens einen ersten Integrators 200 an den zugehörigen Korrekturrechner 220 zu übertragen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Steuersignal auch dazu verwendet, die Verbindung zwischen dem letzten Integrator 100 und dem Mittelwertrechner 110 herzustellen. Dies bewirkt eine Heruntertaktung (engl.: downsampling).
Die jeweilige Form der Korrektur ist von der Ordnung des CIC Filters abhängig. Im Beispiel eines CIC Filters zweiter Ordnung besteht die Korrektur lediglich darin, den als vorletzten gespeicherten Ausgabewert des ersten Integrators 200 und den aktuellen Ausgabewert des Differenziators zu addieren. Für CIC Filter höherer Ordnung ist die Korrektur entsprechend bestimmbar, sodass der Effekt durch die Speicherleerung kompensiert wird.
2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen CIC Filter zweiter Ordnung. Die Vorrichtung ist hier nur ausgebildet, den Speicher des letzten Integrators 100 in Antwort auf ein Steuersignal am Steuereingang 20 zu löschen und so die Integration zu unterbrechen. Die zweite beispielhafte Ausführungsform unterscheidet sich weiterhin von der ersten beispielhaften Ausführungsform durch einen weiteren Korrekturrechner 120, welcher ausgebildet ist, die weiter integrierte zweite Laufsumme zu korrigieren, ehe sie von dem ersten Mittelwertrechner 110 gemittelt wird. Entsprechend unterbricht im zweiten Ausführungsbeispiel die Verbindung zwischen dem ersten Integrator 100 und dem weiteren Korrekturrechner 120.
Zur Vermeidung von Überflussfehlern kann der erste Integrator einen Zähler umfassen, um Informationen über Speicherüberflüsse zu speichern und anschließend den Einfluss des Speicherüberflusses zu kompensieren.
Mittelwertrechner, Differenziator und Korrekturrechner können in einem digitalen Signalprozessor einprogrammiert sein. Dadurch lässt sich die vorliegende Erfindung leicht anpassen.
Die im Detail beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich auf CIC Filter dritter oder höherer Ordnung durch Anwendung allgemeinen Fachwissens analog erweitern.
Die vorgeschlagene Erfindung erlaubt eine Unterstützung von Protokollen mit variablen Sampling-Intervalllängen. Dabei kann eine hohe Auflösung auch bei sehr kurzen Sampling-Intervalllängen erzielt werden. Daher unterstützt die vorliegende Erfindung hohe Datenraten. Schwankungen der Signaldurchlaufzeit sind bei der vorliegenden Erfindung kontinuierlich und deterministisch. Das Signal kann daher optimal abgetastet werden, ohne das ein Anti-Aliasing Filter notwendig wäre, der zu einer Bandbreitenbeschränkung führen würde.

Claims

Vorrichtung zur Signalverarbeitung, umfassend einen Signaleingang (10) für den Empfang eines Eingangssignals, einen Steuereingang (20) für den Empfang eines Steuersignals, einen CIC Filter n-ter Ordnung zur Filterung des Eingangssignals, wobei der CIC Filter n hintereinander angeordnete Integratoren (100, 200) umfasst, die je einen Speicher umfassen, wobei n größer 1 ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zu jedem von n-1 ersten der Integratoren (200) einen zugehörigen Korrekturrechner (230, 220) für eine Korrektur eines Integrationsfehlers unter Verwendung mindestens eines im Speicher des jeweiligen ersten Integrators (200) gespeicherten Signalwerts umfasst, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, besagte gespeicherte Signalwerte in Antwort auf das Steuersignal zu den zugehörigen Korrekturrechnern (220) zu übertragen und den Speicher des verbleibenden letzten Integrators (100) zu löschen, wobei die Vorrichtung a) entweder ausgebildet ist, auch die Speicher der ersten Integratoren (200) zu löschen, b) oder einen weiteren Korrekturrechner (120) umfasst und ausgebildet ist, die besagten Signalwerte in Antwort auf das Steuersignal auch zu dem weiteren Korrekturrechner zu übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zu dem letzten Integrator (100) einen zugehörigen ersten Mittelwertrechner (110) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zu jedem der Integratoren (100, 200) einen zugehörigen Mittelwertrechner (110, 210) umfasst, wobei die den ersten Integratoren (200) zugehörigen Mittelwertrechner (210) jeweils ausgebildet sind, einen Ausgabewert des zugehörigen Korrekturrechners (220) zu mitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Korrekturrechner (220) einen zugehörigen Differenziator (230) umfassen und ausgebildet sind, einen Eingangswert an dem jeweiligen Korrekturrechner (220) dem zugehörigen Differenziator (230) zuzuführen und einen Ausgangswert des zugehörigen Differenziators (230) unter Verwendung des mindestens einen besagten Signalwerts zu korrigieren und den korrigierten Ausgabewert auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung gemäß b) ausgebildet ist und der weitere Korrekturrechner (120) ausgebildet ist, einen Ausgabewert des letzten Integrators unter Verwendung der besagten Signalwerte zu korrigieren, und der dem letzten Integrator zugehörige Mittelwertrechner (110) ausgebildet ist, einen Ausgabewert des weiteren Korrekturrechners (120) zu mitteln und wobei ein erster der Korrekturrechner (220) ausgebildet ist, den gemittelten Ausgabewert des weiteren Korrekturrechners (120) dem zugehörigen Differenziator (230) zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der dem letzten Integrator zugehörige Mittelwertrechner (110) ausgebildet ist, einen Ausgabewert des letzten Integrators (100) zu mitteln und wobei ein erster der Korrekturrechner (220) ausgebildet ist, den gemittelten Ausgabewert des letzten Integrators (100) dem zugehörigen Differenziator (230) zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der CIC Filter n hintereinander angeordnete rekursive Laufsummenfilter umfasst, die den Integratoren (100, 200) vorgehend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten Integratoren (200) je einen Zähler umfassen, um Informationen über einen Speicherüberfluss zu speichern, und ausgebildet sind, den Einfluss des Speicherüberflusses auf die Integration zu kompensieren.
Sensor für ein Kraftfahrzeug, wobei der Sensor eine Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.