DE102020101390A1

DE102020101390A1 - System und Verfahren zur prädiktiven Verarbeitung digitaler Signale

Info

Publication number: DE102020101390A1
Application number: DE102020101390.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Häfner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur prädikativen Verarbeitung von quantisierten digitalen Signalen, wobei die Signale mit einer Abtastrate mit einem Zeitintervall (Δt) abgetastet wurden und jedem Zeitintervall (tn) ein Quantisierungswert (Q) bestehend aus einer bestimmten Anzahl (N) von Quantisierungsstufen (Δx) zugeordnet wurde, umfassend:- Empfangen (S10) eines quantisierten digitalen Eingangssignals (10) von einem Prozessor (40) zur Berechnung eines Verarbeitungsmodus;- Analysieren (S20) des Eingangssignals (10) in dem Prozessor (40) hinsichtlich der Änderung des Quantisierungswertes (Q) innerhalb einer bestimmten Zeitdauer (T);- Auswählen (S30) eines Verarbeitungsmodus aufgrund des Analyseergebnisses von dem Prozessor (40);- Empfangen (S40) des Eingangssignals (S40) von einem Signalmodul (50);- Übermitteln (S50) des ausgewählten Verarbeitungsmodus von dem Prozessor (40) an das Signalmodul (50);- Bearbeiten (S60) des Eingangssignals (10) in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus von dem Signalmodul (50);- Aussenden (S70) des verarbeiteten Ausgangssignals (20) von dem Signalmodul (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur prädiktiven Verarbeitung digitaler Signale, die mehrere Quantisierungsstufen umfassen, wobei die Signale mit einer Abtastrate mit einem festgelegten oder veränderbaren Zeitintervall abgetastet wurden und jedem Zeitintervall ein Quantisierungswert bestehend aus einer bestimmten Anzahl von Quantisierungsstufen zugeordnet wurde.
Signale können nach verschiedenen Gesichtspunkten klassifiziert werden. So unterscheidet man periodische, d.h. sich in regelmäßigen Abständen wiederholende Signale und nichtperiodische Signale. Signale werden zur Analyse meist als Funktionen ausgedrückt, die die Signalamplitude in Abhängigkeit zur Zeitachse beschreiben.
Ein digitales Signal ist, im Gegensatz zu den kontinuierlichen Funktionen der analogen Signalverarbeitung, diskret im Zeit- und Wertebereich und stellt somit eine Folge von Elementarsignalen insbesondere aus Rechteckimpulsen dar. Diese Folge entsteht meist in einem zeit- oder ortsperiodischen Messprozess. So wird zum Beispiel Schall über die Auslenkung einer Membran oder Verbiegung eines Piezokristalls in eine elektrische Spannung umgewandelt und diese Spannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers in digitale Daten konvertiert.
Die digitale Signalverarbeitung befasst sich mit der Erzeugung und Verarbeitung digitaler Signale mit Hilfe digitaler Systeme. Im engeren Sinn liegt ihr Schwerpunkt in der Speicherung, Übermittlung und Transformation von Information im Sinne der Informationstheorie in Form von digitalen, zeitdiskreten Signalen.
In der praktischen Anwendung beruhen heute fast sämtliche Aufzeichnungs-, Übertragungs- und Speicherungsverfahren für Bilder, Videos und Ton auf der elektronischen Verarbeitung der entsprechenden Signale. Beispielhafte Anwendungsbereiche der digitalen Signalverarbeitung sind im Automobilbereich das Antiblockiersystem (ABS), die Elektronische Stabilitätskontrolle (ESP), die Kollisionsvermeidung, die aktive Geräuschreduzierung, die Motorlaufkontrolle, die Parkhilfe, die Navigationshilfe, die Sprachsteuerung, der Airbag und das Global Positioning System (GPS). In der Industrie finden sich Anwendungen in der Robotik, der Bildverarbeitung und allgemein der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik. In der Medizintechnik sind dies beispielsweise die Magnetresonanztomographie, die Positronen-Emissions-Tomographie, die Computertomographie, die digitale Mikroskopie und die Sonografie. Im Bereich des Militärs und der Forschung sind Radarsysteme, seismische Analyseverfahren, Raketenleitsystem und Flugkörpersteuerungen als Beispiele zu nennen. In der Telekommunikation finden sich zahlreiche Anwendungen bei Mobiltelefonen, DSL, ISDN, GSM , UMTS, beruht Voice over IP, Wireless LAN, Bluetooth und der Satellitenkommunikation. Für den Bereich der Unterhaltungselektronik sind beispielhaft DVD-Player, MP3-Player, Digitales Fernsehen und Radio zu erwähnen.
Die digitale Verarbeitung eines Signals folgt immer dem Schema der Aufnahme eines analogen Signals, der Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal, der Verarbeitung des digitalen Signals und der Ausgabe des Signals. Die Veränderungen am Signal werden ausschließlich im digitalen Bereich vorgenommen. Bei der Verarbeitung des digitalen Signals kann dieses beispielsweise gefiltert oder mit Effekten versehen werden, bevor es gespeichert wird. Für die Verarbeitung digitaler Signale werden Signalprozessoren verwendet, wobei Algorithmen wie Mischer, Filter, Fourier-Transformationen, etc. eingesetzt werden können. Der Algorithmus ist aus elementaren Operationen zusammengesetzt. Dabei handelt es sich zum Beispiel um die gliedweise Addition von Signalwerten, die gliedweise Multiplikation von Signalwerten mit einer Konstanten, die Verzögerung, das heißt Zeitverschiebung, eines Signals, sowie weitere mathematische Operationen, die periodisch aus einem Ausschnitt eines Signals (oder mehrerer Signale) einen neuen Wert generieren und aus diesen Werten ein neues Signal.
Im Rahmen der Digitalisierung erfolgt zunächst die Abtastung des analogen Signals, wodurch diese in ein zeitdiskretes, wertekontinuierliches Signal umgewandelt wird. Zur Wertediskretisierung wird der Messbereich der Eingangsgröße in eine endliche Zahl aneinandergrenzender Intervalle unterteilt und jedem eine Quantisierungsstufe zugewiesen. Das zeitdiskrete Signal wird nun über die Quantisierungskennlinie auf die einzelnen Stufen umgesetzt.
Oft wird das quantisierte Signal anschließend kodiert, d.h. jeder Quantisierungsstufe wird eine eindeutige Zahl zugeordnet. Dieser Vorgang ist, im Gegensatz zur eigentlichen Quantisierung, umkehrbar. Bei der Rekonstruktion werden die derart kodierten Werte wieder in Werte aus dem Messbereich des ursprünglichen Signals abgebildet. Digitale Werte sind üblicherweise als Binärzahlen kodiert. Ihre Quantisierung wird somit in Bits angegeben.
Bei der Umwandlung der analogen Messgröße in einem Analog-Digital-Umsetzer in eine digitales Messsignal treten verschiedene Arten von Messabweichungen auf wie Linearitäts- und Quantisierungsabweichungen. Wie ein Quantisierer die Eingangssignale im Einzelnen abbildet, kann aus der Quantisierungskennlinie abgelesen werden. Der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastpunkten wird durch die Abtastrate festgelegt.
Die Quantisierungsabweichung oder der Quantisierungsfehler ist die Abweichung, die bei der Quantisierung von analogen Größen entsteht wie beispielsweise bei der Analog-Digital-Umsetzung. Während analoge Signale dem Wertebereich der reellen Zahlen genügen, werden in der digitalen Darstellung nur diskrete Werte verwendet. Daher ist mit der Quantisierung eine Rundung verbunden, die eine Abweichung verursacht.
Das Digitalsignal kann anschließend weiterverarbeitet werden, beispielsweise mit einem Filter. Als Filter werden in der Elektrotechnik und Nachrichtentechnik Schaltungen bezeichnet, die ein elektrisches Signal abhängig von der Frequenz in der Amplitude und in der Phasenlage verändern. Dadurch können unerwünschte Signalanteile abgeschwächt oder unterdrückt werden.
Allerdings wird ein Digitalsignal üblicherweise mit einem fest eingestellten Filter bearbeitet. Der gewählte Filter kann daher auf eine Änderung der Signalqualität hinsichtlich der Frequenz oder der Amplitude nicht angemessen regieren. Eine optimale Filterung ist jedoch wesentlich, um ein hohe Regelgüte zu erreichen.
Die DE 10125309 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern der Wiedergabe von medialen Inhalten, insbesondere von Video-, Ton-, Musik- und/oder Sprachsignalen, bei dem unterschiedliche Teile eines zeitlinear ablaufenden medialen Inhaltes, beispielsweise eines Tonfilmes, zeitunabhängig verkettet werden, um sie entsprechend einem Nutzerinteresse in Echtzeit wiederzugeben. Hierzu wird eine digitalisierbare Audio- und/oder Bildinformation als Datencontainer und zugleich als Benutzerinterface verwendet, wobei die Information in virtuelle Segmente zerlegt und die Segmente in Szenen und Unterszenen gegliedert werden.
Die DE 102004026182A1 beschreibt ein Verfahren zur Reduzierung von gepulst abgestrahlten Störsignalen auf ein Hochfrequenzmessgerät, bei dem ein von einer Empfangseinrichtung des Hochfrequenzmessgerätes detektiertes, analoges Messsignal einem Analog-Digital-Wandler einer Auswerteeinheit für das Messsignal zugeführt wird. In Abhängigkeit eines mit den Störsignalen korrelierten Störsignalmesswertes wird die Abtastrate des mindestens einen Analog-Digital-Wandlers variiert, wobei möglichst nur zwischen den Pulsen des oder der externen Störquellen gemessen wird.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein Verfahren und ein System zur prädiktiven Verarbeitung, insbesondere Filterung digitaler Signale mit mehreren Quantisierungsstufen zu schaffen, das sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit auszeichnet und sich einfach implementieren lässt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, durch das eine prädiktiven Verarbeitung, insbesondere Filterung digitaler Signale, die mehrere Quantisierungsstufen umfassen, ermöglicht wird, um hierdurch die Grundlage für eine zuverlässige und genaue Regelgüte bei der Verwendung des verarbeiteten Signals in Regelungs- und Steuerungsabläufen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, und hinsichtlich eines Systems durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur prädikativen Verarbeitung von quantisierten digitalen Signalen. Die Signale wurden mit einer Abtastrate mit einem festgelegten oder veränderbaren Zeitintervall abgetastet und jedem Zeitintervall wurde ein Quantisierungswert bestehend aus einer bestimmten Anzahl von Quantisierungsstufen zugeordnet. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines quantisierten digitalen Eingangssignals von einem Prozessor zur Berechnung eines Verarbeitungsmodus; das Analysieren des Eingangssignals in dem Prozessor hinsichtlich der Änderung des Quantisierungswertes innerhalb einer bestimmten Zeitdauer; das Auswählen eines Verarbeitungsmodus aufgrund des Analyseergebnisses von dem Prozessor; das Empfangen des Eingangssignals von einem Signalmodul; das Übermitteln des ausgewählten Verarbeitungsmodus von dem Prozessor an das Signalmodul; das Bearbeiten des Eingangssignals in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus von dem Signalmodul und das Aussenden des verarbeiteten Ausgangssignals von dem Signalmodul.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist als Signalverarbeitung eine Filterung vorgesehen.
Vorteilhafterweise verwendet der Prozessor eine Softwareapplikation mit einem Algorithmus, der die Änderung der Anzahl der Quantisierungsstufen innerhalb einer bestimmten Anzahl von Zeitintervallen auswertet, und bei einer schnellen und sprunghaften Änderung wie bei einer Signalflanke einen dynamischen Filterungsmodus auswählt und bei einer langsamen und stetigen Änderung wie bei einem konstanten Signalverlauf einen trägen Filterungsmodus auswählt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Verarbeitung und/oder Filterung des Eingangssignals in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus solange durchgeführt wird bis der Prozessor eine Änderung des Signalverlaufs des Eingangssignals erkennt und daraus einen anderen Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus ableitet, der an das Signalmodul weitergegeben wird und den bisherigen Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus ersetzt.
In eine weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einer dynamischen Filterung eine kleine Filterkonstante und bei einer trägen Filterung eine große Filterkonstante ausgewählt wird.
Vorzugsweise wird ein Tiefpass oder eine Durchsatzratenbegrenzung (Rate Limiter) als Filter verwendet.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Eingangssignal um Messwerte von Sensoren und/oder Messvorrichtungen in einem Fahrzeug.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur prädikativen Verarbeitung von quantisierten digitalen Signalen, wobei die Signale mit einer Abtastrate mit einem festgelegten oder veränderbaren Zeitintervall abgetastet wurden und jedem Zeitintervall ein Quantisierungswert bestehend aus einer bestimmten Anzahl von Quantisierungsstufen zugeordnet wurde. Das System umfasst einen Prozessor, der ausgebildet ist, einen Verarbeitungsmodus für ein von ihm empfangenes quantisiertes digitales Eingangssignals zu berechnen, wobei der Prozessor konfiguriert ist, das Eingangssignal hinsichtlich der Änderung des Quantisierungswertes innerhalb einer bestimmten Zeitdauer zu analysieren, einen Verarbeitungsmodus aufgrund des Analyseergebnisses auszuwählen und den Verarbeitungsmodus an ein Signalmodul zu übermitteln. Das Signalmodul ist konfiguriert, das Eingangssignal zu empfangen und in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus zu verarbeiten und dann das verarbeitete Ausgangssignal auszusenden.
Vorteilhafterweise ist als Signalverarbeitung eine Filterung vorgesehen.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass der Prozessor eine Softwareapplikation mit einem Algorithmus verwendet, der die Änderung der Anzahl der Quantisierungsstufen innerhalb einer bestimmten Anzahl von Zeitintervallen auswertet, und bei einer schnellen und sprunghaften Änderung wie bei einer Signalflanke einen dynamischen Filterungsmodus auswählt und bei einer langsamen und stetigen Änderung wie bei einem konstanten Signalverlauf einen trägen Filterungsmodus auswählt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Verarbeitung und/oder Filterung des Eingangssignals in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus solange durchgeführt wird bis der Prozessor eine Änderung des Signalverlaufs des Eingangssignals erkennt und daraus einen anderen Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus ableitet, der an das Signalmodul weitergegeben wird und den bisherigen Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus ersetzt.
Vorzugsweise wird bei einer dynamischen Filterung eine kleine Filterkonstante und bei einer trägen Filterung eine große Filterkonstante ausgewählt.
Vorteilhafterweise wird ein Tiefpass oder eine Durchsatzratenbegrenzung (Rate Limiter) als Filter verwendet.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung handelt es sich bei dem Eingangssignal um Messwerte von Sensoren und/oder Messvorrichtungen in einem Fahrzeug.
Gemäß einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, der so konfiguriert ist, dass er bei seiner Ausführung das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ausführt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung des Signalverlaufs eines digitalen Signals vor der Filterung;
2 eine schematische Darstellung des Signalverlaufs eines digitalen Signals nach der Filterung gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Blockdiagram zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems;
4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 zeigt schematisch ein Computerprogrammprodukt gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspekts der Erfindung.

Zusätzliche Kennzeichen, Aspekte und Vorteile der Erfindung oder ihrer Ausführungsbeispiele werden durch die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen ersichtlich.
1 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf eines quantisierten digitalen Signals 10, dessen Wert X gegen die Zeit t aufgetragen ist. Ein Signaleingang 12 wird mit einem Zeitintervall Δt abgetastet. Der Signalverlauf des Signals 10 ist zunächst konstant. Dann ändert sich im Zeitfenster t₃ der Quantisierungswert Q des Signals 10 um eine Quantisierungsstufe Δx und im nächsten Zeitfenster t₄ um drei Quantisierungsstufen Δx. Im nächsten Zeitfenster t₅ findet nochmals eine Werterhöhung um eine Quantisierungsstufe Δx statt, dann fällt der Quantisierungswert Q des Signals 10 bei t₆ um eine Quantisierungsstufe Δx ab und bleibt dann über die Zeitfenster t₇ bis t₁₀ konstant. Bei t₁₁ findet nochmals eine Erhöhung des Quantisierungswertes Q um eine Quantisierungsstufe Δx statt, aber danach fällt der Wert des Signals 10 wieder auf den vorherigen Quantisierungswert Q ab und bleibt konstant. Der Signalverlauf ist somit durch eine steile Flanke 14 und einen konstanten Verlauf 16 gekennzeichnet. Wird dieses Signal 10 nun gefiltert, so erfolgt bei einer zu trägen Filterung zu spät eine Reaktion auf eine Änderung des Signals 10 im Bereich der Flanke 14, während bei einer zu dynamischen Filterung im Bereich 16 Toggeleffekte oder Schwingungen auftreten, die üblicherweise unerwünscht sind, da sie beispielsweise einer angestrebten linearen Regelung entgegenwirken.
In der 2 ist der Signalverlauf des Ausgangssignals 20 nach einer erfindungsgemäßen Filterung dargestellt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Filterkonstante in Abhängigkeit von dem Signalverlauf des empfangenen Eingangssignals 10 geändert. Wird das Eingangssignal 10 über eine längere Zeitdauer mit demselben Wert oder nur mit geringen Änderungen empfangen, wie in dem Signalverlauf 16 dargestellt, kann die Filterkonstante erhöht werden, um Störeinflüsse wie die in den Zeitfenstern t₅ und t₁₁ dargestellten Quantisierungsstufen effektiv herauszufiltern. Der gefilterte Signalverlauf des Ausgangssignals 20 gibt dann konstanten Bereich 26 annähernd so wieder, wie er dem ursprünglichen Messsignal entspricht, da die Störsignale hinreichend herausgefiltert wurden.
Ändert sich jedoch innerhalb von wenigen Zeitintervallen Δt der Wert des Eingangssignals 10 deutlich und sprunghaft wie in dem Signalverlauf 14, wird eine geringe Filterkonstante verwendet, um auch den Flankenbereich 24 auch nach der Filterung entsprechend dem tatsächlichen Signalverlauf des ursprünglichen Messsignals wiederzugeben. Wäre dieser Bereich 24 mit der gleichen Filterkonstante wie der Bereich 26 gefiltert worden, so wäre die Flanke herausgefiltert und somit der Signalverlauf verfälscht worden. Neben der Zeitdauer T, in dem sich der Wert des Signals 10 ändert, wird die Anzahl N der Quantisierungsstufen Δx gezählt, um die sich der Wert des Signals 10 geändert hat. Bei einer großen Änderung der Anzahl der Quantisierungsstufen Δx innerhalb von wenigen Zeitintervallen Δt wird somit eine geringe Filterkonstante eingestellt, um den dynamischen Signalverlauf auch nach einer Filterung von Störsignalen korrekt wiedergeben zu können. Da für die Einstellung der Filterkonstante nur wenige Zeitintervalle Δt ausreichend sind, in denen eine deutliche Änderung der Anzahl der Quantisierungsstufen Δx bzw. eine nur geringe Änderung der Quantisierungsstufen Δx detektiert wird, wird dies für eine Vorhersage (Prädiktion) der weiteren Signalverlaufs und damit der Einstellung der Filterkonstante verwendet. Durch die Prädiktion des weiteren Signalverlaufs kann eine Optimierung der Filterung erreicht werden. Eine dynamische oder träge Filterung durch Wahl einer kleinen oder großen Filterkonstante wird erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der Prädiktion des Signalverlaufs eingestellt.
Die Filterkonstante wird so lange beibehalten, bis sich eine Änderung im Signalverlauf zeigt. So wird beispielsweise für ein Signal 10, das einer Sinusfunktion folgt, eine dynamische Filterung eingestellt. Ändert sich der Signalverlauf dann jedoch in eine konstante oder linear ansteigende Funktion, wird dies anhand weniger Zeitintervalle Δt, in denen sich der Quantisierungswert Q nur wenig ändert, schnell erkannt und eine träge Filterung mit einer großen Filterkonstanten eingestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit eine Prädiktion für ein erstes Eingangssignal 10 getroffen und dann auf alle anderen folgenden Signale übertragen werden, die den gleichen Signalverlauf zeigen, da die Prädiktion nur von der Anzahl der Quantisierungssprünge Δx und der Zeitdauer T für eine Änderungen des Quantisierungswertes Q abhängig ist. Beide Faktoren werden bereits beim ersten Eingangssignal detektiert und werden solange beibehalten, bis sich der Signalverlauf wieder ändert. Sie müssen daher nicht für jedes neue Signal angepasst werden, solange sich dieses in seinem Signalverlauf nicht von dem ersten Eingangssignal 10 unterscheidet.
Vorzugsweise wird die Filterung mittels einer Durchsatzratenbegrenzung (Rate Limiter) oder eines Tiefpasses realisiert, deren jeweilige Filterkonstanten entsprechend dem Signalverlauf des Eingangssignals 10 für eine dynamische oder träge Filterung eingestellt werden. Bei dem Signalverlauf 14 kann daher die große Flanke die Filterung passieren, während bei dem Signalverlauf 16 die Störsignale, die sich als Quantisierungssprünge Δx bei den Zeitintervallen t₅ und t₁₁ bemerkbar machen, von der Filterung entfernt werden.
In 3 ist ein System 30 zur prädiktiven Verarbeitung digitaler Signale dargestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Verarbeitung der digitalen Signale um eine Filterung. Das quantisierte digitale Eingangssignal 10 wird einem Prozessor und/oder einer Steuereinheit 40 zur Berechnung des anzuwendenden Verarbeitungsmodus zugeführt. Die Parameter des jeweiligen Verarbeitungsmodus sind vorzugsweise in einer Speichereinheit, die mit dem Prozessor 40 verbunden ist, gespeichert. Insbesondere handelt es sich bei den Parametern um eine Filterkonstante. Des Weiteren wird das Eingangssignal 10 einem Signalmodul 50 zugeführt, das die Verarbeitung des Eingangssignals 10 durchführt, wobei vorzugsweise das Eingangssignal in dem Signalmodul 50 gefiltert wird. In dem Prozessor 40 wird das Eingangssignal 10 hinsichtlich der Änderung der Anzahl N der Quantisierungsstufen Δx innerhalb einer bestimmten Anzahl N von Zeitintervallen Δt analysiert. Hierzu ist eine erfindungsgemäße Softwareapplikation mit einem Algorithmus vorgesehen, der die Anzahl der Quantisierungsstufen Δx und die Anzahl N der Zeitintervalle Δt zählt und daraus ableitet, ob eine dynamische oder träge Filterung durchgeführt werden soll. In Abhängigkeit von dem Ergebnis der Analyse des Eingangssignals 10 wird eine große oder kleine Filterkonstante eingestellt. Es ist auch möglich, mehr als zwei Filterkonstanten vorzusehen in Abhängigkeit von den jeweiligen Signalverläufen des Eingangssignals 10. So kann beispielswiese eine sehr schnelle dynamische, eine mittlere dynamische und ein träge Filterung vorgesehen sein. Die ermittelte Filterkonstante wird dann dem Signalmodul 50 mitgeteilt, das daraufhin diese neue Filterkonstante übernimmt und damit das Eingangssignal 10 und alle folgenden Signale filtert. Wenn sich der Signalverlauf des Eingangssignals 10 ändert, so wird dies von dem Prozessor 40 detektiert und er ändert die Filterkonstante. Das Signalmodul 50 übernimmt nun diese geänderte Filterkonstante und filtert alle eingehenden Signale solange damit, bis sich der Signalverlauf des Eingangssignals 10 wiederum ändert. Das gefilterte Ausgangssignal 20 verlässt das Signalmodul 50 und steht nun beispielsweise für Regelungs- und Steuerungsmaßnahmen zur Verfügung.
Unter einem „Prozessor“ und/oder der „Steuereinheit“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Maschine oder eine elektronische Schaltung verstanden werden. Bei einem Prozessor kann es sich insbesondere um einen Hauptprozessor (engl. Central Processing Unit, CPU), einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller, beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder einen digitalen Signalprozessor, möglicherweise in Kombination mit einer Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen, etc. handeln. Auch kann unter einem Prozessor ein virtualisierter Prozessor, eine virtuelle Maschine oder eine Soft-CPU verstanden werden. Es kann sich beispielsweise auch um einen programmierbaren Prozessor handeln, der mit Konfigurationsschritten zur Ausführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet wird oder mit Konfigurationsschritten derart konfiguriert ist, dass der programmierbare Prozessor die erfindungsgemäßen Merkmale des Verfahrens, der Komponente, der Module, oder anderer Aspekte und/oder Teilaspekte der Erfindung realisiert.
Unter einer „Speichereinheit“ oder „Speichermodul“ und dergleichen kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein flüchtiger Speicher in Form von Arbeitsspeicher (engl. Random-Access Memory, RAM) oder ein dauerhafter Speicher wie eine Festplatte oder ein Datenträger oder z. B. ein wechselbares Speichermodul verstanden werden. Es kann sich bei dem Speichermodul aber auch um eine cloudbasierte Speicherlösung handeln.
Unter einem „Modul“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Prozessor und/oder eine Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen verstanden werden. Beispielsweise ist der Prozessor und/oder die Steuereinheit 20 speziell dazu eingerichtet, die Programmbefehle derart auszuführen, damit der Prozessor und/oder die Steuereinheit Funktionen ausführt, um das erfindungsgemäße Verfahren oder einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu implementieren oder realisieren.
Unter „Signalwerten“ sind im Zusammenhang mit der Erfindung sowohl die Rohdaten als auch bereits aufbereitete Daten aus den Messergebnissen beispielsweise von Sensoren zu verstehen. Insbesondere handelt es sich um Messwerte bei einem Fahrzeug wie die Beschleunigung und die Geschwindigkeit.
In 4 sind die Verfahrensschritte zum prädiktiven Verarbeiten, insbesondere Filtern digitaler Signale dargestellt.
In einem Schritt S10 wird ein quantisiertes digitales Signal 10 von einem Prozessor und/oder einer Steuereinheit 40 zur Berechnung eines Verarbeitungsmodus empfangen, wobei das digitale Signal 10 mit einer Abtastrate mit einem festgelegten oder veränderbaren Zeitintervall Δt abgetastet und jedem Zeitintervall Δt_n ein Quantisierungswert Q, der ein Vielfaches der Quantisierungsstufe Δx beträgt, zugeordnet wurde.
In einem Schritt S20 wird in dem Prozessor 40 das Eingangssignal 10 hinsichtlich der Änderung des Quantisierungswertes Q innerhalb einer bestimmten Zeitdauer T analysiert.
In einem Schritt S30 wählt der Prozessor 40 aufgrund des Analyseergebnisses einen Verarbeitungsmodus aus.
In einem Schritt S40 empfängt ein Signalmodul 50 das Eingangssignal 10.
In einem Schritt S50 übermittelt der Prozessor 40 den ausgewählten Verarbeitungsmodus an das Signalmodul 50.
In einem Schritt S60 bearbeitet das Signalmodul 50 das Eingangssignal 10 in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus 50.
In einem Schritt S70 wird das verarbeitete Ausgangssignal 20 von dem Signalmodul 50 ausgesendet.
5 stellt schematisch ein Computerprogrammprodukt 70 dar, das einen ausführbaren Programmcode 75 umfasst, der konfiguriert ist, um das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung auszuführen, wenn es ausgeführt wird.
Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann zuverlässig eine optimierte Verarbeitung von digitalen quantisierten Signalen 10 durchgeführt werden, die an den Signalverlauf des Signals 10 angepasst ist. Insbesondere handelt es sich bei der Signalverarbeitung um eine Filterung, wobei vorzugsweise ein Tiefpass oder eine Durchsatzratenbegrenzung (Rate Limiter) verwendet wird. Innerhalb weniger Zeitintervalle kann zuverlässig bestimmt werden, mit welcher Filterkonstante die Filterung des Eingangssignals vorgenommen werden sollte und diese ermittelte Filterkonstante kann dann prädikativ für die weiteren Signale verwendet werden, ohne dass für diese jeweils eine neue Filterkonstante bestimmt werden muss.
Bezugszeichenliste

10: Signal
12: Signaleingang
14: Signalflanke
16: konstanter Signalverlauf
20: Ausgangssignal
22: Signaleingang
24: Signalflanke
26: konstanter Signalverlauf
30: System
40: Prozessor
50: Signalmodul
70: Computerprogrammprodukt
75: Programmcode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10125309 C1 [0013]
DE 102004026182 A1 [0014]
DE 2017113747 A1 [0015]
EP 2818891 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur prädikativen Verarbeitung von quantisierten digitalen Signalen, wobei die Signale mit einer Abtastrate mit einem festgelegten oder veränderbaren Zeitintervall (Δt) abgetastet wurden und jedem Zeitintervall (t_n) ein Quantisierungswert (Q) bestehend aus einer bestimmten Anzahl (N) von Quantisierungsstufen (Δx) zugeordnet wurde, umfassend: - Empfangen (S10) eines quantisierten digitalen Eingangssignals (10) von einem Prozessor (40) zur Berechnung eines Verarbeitungsmodus; - Analysieren (S20) des Eingangssignals (10) in dem Prozessor (40) hinsichtlich der Änderung des Quantisierungswertes (Q) innerhalb einer bestimmten Zeitdauer (T); - Auswählen (S30) eines Verarbeitungsmodus aufgrund des Analyseergebnisses von dem Prozessor (40); - Empfangen (S40) des Eingangssignals (S40) von einem Signalmodul (50); - Übermitteln (S50) des ausgewählten Verarbeitungsmodus von dem Prozessor (40) an das Signalmodul (50); - Bearbeiten (S60) des Eingangssignals (10) in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus von dem Signalmodul (50); - Aussenden (S70) des verarbeiteten Ausgangssignals (20) von dem Signalmodul (50).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Signalverarbeitung eine Filterung vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Prozessor (40) eine Softwareapplikation mit einem Algorithmus verwendet, der die Änderung der Anzahl (N) der Quantisierungsstufen (Δx) innerhalb einer bestimmten Anzahl (N) von Zeitintervallen (Δt) auswertet, und bei einer schnellen und sprunghaften Änderung wie bei einer Signalflanke (14) einen dynamischen Filterungsmodus auswählt und bei einer langsamen und stetigen Änderung wie bei einem konstanten Signalverlauf (16) einen trägen Filterungsmodus auswählt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Verarbeitung und/oder Filterung des Eingangssignals (10) in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus solange durchgeführt wird bis der Prozessor (40) eine Änderung des Signalverlaufs des Eingangssignals (10) erkennt und daraus einen anderen Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus ableitet, der an das Signalmodul (50) weitergegeben wird und den bisherigen Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus ersetzt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei einer dynamischen Filterung eine kleine Filterkonstante und bei einer trägen Filterung eine große Filterkonstante ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vorzugsweise ein Tiefpass oder eine Durchsatzratenbegrenzung (Rate Limiter) als Filter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Eingangssignal (10) um Messwerte von Sensoren und/oder Messvorrichtungen in einem Fahrzeug handelt.
System (30) zur prädikativen Verarbeitung von quantisierten digitalen Signalen, wobei die Signale mit einer Abtastrate mit einem festgelegten oder veränderbaren Zeitintervall (Δt) abgetastet wurden und jedem Zeitintervall (t_n) ein Quantisierungswert (Q) bestehend aus einer bestimmten Anzahl (N) von Quantisierungsstufen (Δx) zugeordnet wurde, umfassend einen Prozessor (40), der ausgebildet ist, einen Verarbeitungsmodus für ein von ihm empfangenes quantisiertes digitales Eingangssignals (10) zu berechnen, wobei der Prozessor (40) konfiguriert ist, das Eingangssignal (10) hinsichtlich der Änderung des Quantisierungswertes (Q) innerhalb einer bestimmten Zeitdauer (T) zu analysieren, einen Verarbeitungsmodus aufgrund des Analyseergebnisses auszuwählen und das Eingangssignal (10) an ein Signalmodul (50) zu übermitteln; wobei das Signalmodul (50) konfiguriert ist, das Eingangssignal (10) zu empfangen und das empfangene Eingangssignal (10) in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus zu verarbeiten und dann das verarbeitete Ausgangssignal (20) auszusenden.
System (30) nach Anspruch 8, wobei als Signalverarbeitung eine Filterung vorgesehen ist.
System (30) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Prozessor (40) eine Softwareapplikation mit einem Algorithmus verwendet, der die Änderung der Anzahl (N) der Quantisierungsstufen (Δx) innerhalb einer bestimmten Anzahl (N) von Zeitintervallen (Δt) auswertet, und bei einer schnellen und sprunghaften Änderung wie bei einer Signalflanke (14) einen dynamischen Filterungsmodus auswählt und bei einer langsamen und stetigen Änderung wie bei einem konstanten Signalverlauf (16) einen trägen Filterungsmodus auswählt.
System (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 8-10, wobei eine Verarbeitung und/oder Filterung des Eingangssignals (10) in dem ausgewählten Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus solange durchgeführt wird bis der Prozessor (40) eine Änderung des Signalverlaufs des Eingangssignals (10) erkennt und daraus einen anderen Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus ableitet, der an das Signalmodul (50) weitergegeben wird und den bisherigen Verarbeitungsmodus und/oder Filterungsmodus ersetzt.
System (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 8-11, wobei bei einer dynamischen Filterung eine kleine Filterkonstante und bei einer trägen Filterung eine große Filterkonstante ausgewählt wird.
System (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 8-12, wobei vorzugsweise ein Tiefpass oder eine Durchsatzratenbegrenzung (Rate Limiter) als Filter verwendet wird.
System (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche 8-13, wobei es sich bei dem Eingangssignal (10) um Messwerte von Sensoren und/oder Messvorrichtungen in einem Fahrzeug handelt.
Computerprogrammprodukt (70), umfassend einen ausführbaren Programmcode (75), der so konfiguriert ist, dass er bei seiner Ausführung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.