DE102022118455A1

DE102022118455A1 - Verfahren und System zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals

Info

Publication number: DE102022118455A1
Application number: DE102022118455.2A
Authority: DE
Inventors: Pascal Schirmer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-07-22
Filing date: 2022-07-22
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals, umfassend ein Empfangen eines zeitabhängigen Eingangssignals; ein Unterteilen des Eingangssignals durch eine Anzahl W von beabstandeten Ebenen, wobei Weine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist; ein Bestimmen einer Anzahl von Kreuzungen einer jeden Ebene mit dem Eingangssignal; und ein Bestimmen wenigstens einer Signalcharakteristik des Eingangssignals basierend auf der Anzahl von Kreuzungen, wobei die wenigstens eine Signalcharakteristik aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Frequenz, einer Amplitude und einer Phase des Eingangssignals besteht.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals, ein Speichermedium zum Ausführen des Verfahrens, ein System zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals und ein Fahrzeug mit einem solchen System. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Abschätzung von Charakteristika eines Eingangssignals, wie von Frequenzkoeffizienten, beispielsweise bei der Bild- und/oder Sprachverarbeitung.
In vielen Anwendungsbereichen müssen durch Sensorik erfasste Signale weiterverarbeitet werden, beispielswiese mittels einer Transformation vom Zeitbereich in den Frequenzbereich. Um das Verhalten der Signale im Frequenzbereich zu beschreiben, können sogenannte Frequenztransformationen verwendet werden, die ein Zeitsignal x(t) in ein Frequenzsignal X(f) transformieren. Häufig verwendete Algorithmen sind die Discrete Fourier Transform (DFT), die Fast Fourier Transform (FFT) und die Karhunen Loeve Transform (KLE).
Aufgrund immer größerer Datenmengen, wie zum Beispiel im Bereich von autonomen Fahrapplikationen, ist die Effizienz der Datenverarbeitung ein zunehmend wichtiger Faktor. Beispielsweise kann eine Erhöhung der Rechenzeit bei bestehenden Hardware-Ressourcen dazu führen, dass bestimmte Applikationen nicht mehr ausgeführt werden. Zudem kann das Bereitstellen von Hardware-Komponenten mit besseren Rechenressourcen kostenaufwändig sein.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals, ein Speichermedium zum Ausführen des Verfahrens, ein System zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals und ein Fahrzeug mit einem solchen System anzugeben, die eine Effizienz einer Datenverarbeitung verbessern können. Zudem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine sichere und zuverlässige Steuerung von technischen Prozessen mittels einer effizienten Verarbeitung von Sensorsignalen zu ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals P angegeben. Das Verfahren umfasst ein Empfangen eines zeitabhängigen Eingangssignals P; ein Unterteilen des Eingangssignals P durch eine Anzahl W von beabstandeten Ebenen w, wobei W eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist; ein Bestimmen einer Anzahl zcr^w von Kreuzungen einer jeden Ebene w mit dem Eingangssignal P; und ein Bestimmen wenigstens einer Signalcharakteristik des Eingangssignals P basierend auf der Anzahl zcr^w von Kreuzungen. Die wenigstens eine Signalcharakteristik kann eine Frequenz und/oder eine Amplitude und/oder eine Phase des Eingangssignals umfassen.
Erfindungsgemäß wird ein Eingangssignal P durch WEbenen bzw. Layer unterteilt und in jeder dieser WEbenen werden die Anzahl der Kreuzungen bzw. Nulldurchgänge gezählt. Basierend auf der Anzahl der Kreuzungen können eine Frequenz, eine Amplitude und/oder eine Phase des Eingangssignals extrahiert werden. Die Berechnung der Kreuzungen bzw. Nulldurchgänge für die verschiedenen Ebenen hängt dabei nur linear von der Länge des Eingangssignals ab G(N) und ist weniger komplex als beispielsweise die Durchführung einer Discrete Fourier Transform (DFT), Fast Fourier Transform (FFT) oder Karhunen Loeve Transform (KLE).
Im Ergebnis kann eine Verarbeitung großer Datenmengen ressourcenschonend und kostengünstig durchgeführt werden. Insbesondere kann eine effiziente Verarbeitung von Sensorsignalen ermöglicht werden, so dass technische Prozesse sicher und zuverlässig angesteuert werden können. Zudem müssen zum Beispiel auf einem Steuergerät keine ressourcenintensiven Mittel zum Durchführen einer Frequenzanalyse, wie einer FFT, vorgesehen werden. Stattdessen können die Mittel für die Signalanalyse in einer einfachen Hardware ausgelagert werden. Im Ergebnis kann eine Komplexität von Steuergeräten verringert werden. Zudem können Rechenressourcen von Steuergeräten anderweitig eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist eine Stapelrichtung der Ebenen w senkrecht zu einer Zeitachse (z.B. x-Achse) des zeitabhängigen Eingangssignals P definiert. Beispielsweise kann das Eingangssignal P eine Amplitude aufweisen, wobei die Stapelrichtung der Ebenen w entlang der Amplitudenrichtung (z.B. y-Achse) des Eingangssignals P definiert ist. Insbesondere kann durch die Ebenen w eine Vielzahl von Amplitudenintervallen definiert werden.
Vorzugsweise sind die Ebenen w parallele Ebenen. Insbesondere können die Ebenen w entlang der Zeitachse einem im Wesentlichen konstanten Amplitudenwert entsprechen.
Vorzugsweise sind die Ebenen w äquidistante Ebenen. Anders gesagt können benachbarte Ebenen w im Wesentlichen denselben Abstand in Amplitudenrichtung aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform können die Ebenen w nicht-äquidistante Ebenen sein. Anders gesagt können zumindest einigen benachbarte Ebenen w unterschiedliche Abstände in Amplitudenrichtung aufweisen.
Im gesamten sind W Ebenen definiert. W ist dabei gleich oder größer als 2, wie zum Beispiel gleich oder größer als 10, 20, 30, 40, 50, 100 oder 1000. Die Anzahl W der Ebenen w kann geeignet festgelegt werden. Insbesondere kann eine Genauigkeit der Abschätzung der wenigstens einen Signalcharakteristik von der Anzahl W der Ebenen w abhängen, wobei die Anzahl W der Ebenen w so gewählt werden kann, dass eine vorgegebene Genauigkeit erfüllt oder übertroffen wird. In einigen Ausführungsformen können die Abstände zwischen benachbarten Ebenen w mit zunehmender Anzahl W der Ebenen w abnehmen, um die höhere Genauigkeit zu erzielen. Da das erfindungsgemäße Verfahren lediglich linear mit der Anzahl der Ebenen w skaliert, kann mit moderatem zusätzlichem Aufwand eine höhere Genauigkeit erzielt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind die Ebenen mit „w“ bezeichnet. w kann zum Beispiel von 1 bis W laufen. Damit kann w=1 eine erste Ebene, w=2 eine zweite Ebene, und w=W eine W-te Ebene sein.
Das Eingangssignal P weist eine Signallänge auf. Beispielsweise kann das Eingangssignal P einem Signal-Frame P (d.h. einer sich zeitlich wiederholende Struktur aus einer Abfolge von Signalen) entsprechen, dessen Länge zum Beispiel durch einen Sensor, der das Eingangssignal P liefert, vorgegeben oder bestimmt ist. Anders gesagt kann die Signallänge des Eingangssignals P in Abhängigkeit der Umstände vorgegeben sein. Dabei ist zu verstehen, dass eine Vielzahl solcher Signal-Frames P mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nacheinander analysiert werden kann.
Vorzugsweise ist ein Eingangssignal bzw. Signal-Frame P wie folgt definiert: $P = [p (i), p (i + 1), \dots, p (i + N - 1)]$
p gibt Teile oder Samples des Eingangssignals an. j und N sind natürliche Zahlen, die geeignet gewählt werden können, um den Signal-Frame P zu beschreiben. Insbesondere kann N die Signallänge vorgeben oder definieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmte für jede Ebene w die Anzahl der Kreuzungen mit dem Eingangssignal P. Damit kann die Anzahl zcr^w der Kreuzungen pro Ebene w auch als Rate bezeichnet werden, insbesondere als „Zero-Crossing Rate“. Die Anzahl bzw. die Rate zcr^w kann bei äquidistanten Ebenen zum Beispiel wie folgt bestimmt werden: $z c r^{w} = \frac{1}{N - 1} \sum_{t = i}^{i + N} 1_{ℝ < 0} ((p_{t} - P_{D C}^{w}) (p_{t} + P_{D C}^{w}))$
$P_{D C}^{w} = \frac{P_{m a x} \cdot (w - 1)}{W - 1}$
P_max ist dabei der Maximalwert des Signals-Frames P und $P_{D C}^{w}$
ist die DC-Komponente der Ebene w.
Damit stellt zcr^w ein Maß einer Welligkeit des Eingangssignals P für die entsprechende Ebene w bzw. das entsprechende Amplitudenlevel dar. Insbesondere können aus zcr^w die Frequenz f des Eingangssignals P, die Amplitude A des Eingangssignals P und/oder die Phase φ des Eingangssignals P abgeleitet werden.
Die Frequenz f des Eingangssignals P kann proportional zur Anzahl zcr^w der Kreuzungen der jeweiligen Ebene w mit dem Eingangssignal P sein: f ∝ zcr^w
Die Amplitude A des Eingangssignals P kann proportional zu einer Differenz der Anzahl der Kreuzungen einer Ebene mit dem Eingangssignal P und der Anzahl der Kreuzungen einer benachbarten Ebene mit dem Eingangssignal P: A ∝ (zcrⁱ - zcr^j)
Die Phase φ des Eingangssignals P kann proportional zu einer Differenz der Anzahl zcr^w der Kreuzungen einer Ebene w mit dem Eingangssignal P in einem Zeitabschnitt und der Anzahl zcr^w der Kreuzungen der Ebene w mit dem Eingangssignal P in einem davorliegenden Zeitabschnitt sein: φ ∝ (zcrⁱ(t + 1) - zcrⁱ(t))
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter ein Durchführen von Vergleichsoperationen zum Bestimmen der Anzahl zcr^w der Kreuzungen einer jeden Ebene w mit dem Eingangssignal P. Beispielsweise kann das Eingangssignal P mit einer Ebenen-individuellen Referenz (z.B. einem Ebenen-individuellen Referenzsignal) verglichen werden, um zu bestimmen, ob und wie viele Kreuzungen für diese Ebene w vorhanden sind. Für jede Eben w kann dabei eine individuelle bzw. dedizierte Referenz vorhanden sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Ebenen-individuellen Referenz (z.B. das Ebenen-individuelle Referenzsignal) die Ebene w definieren oder sein. Jedes Kreuzen des Eingangssignals P mit der Ebenen-individuellen Referenz kann einen Nulldurchgang darstellen. Typischerweise wird dabei jede Kreuzung zwischen Eingangssignal P und Referenz gezählt, unabhängig davon, ob das Eingangssignal P die Referenz von oben kommend oder von unten kommend kreuzt.
Vorzugsweise werden die Vergleichsoperationen unter Verwendung wenigstens eines Komparators durchgeführt. Der wenigstens eine Komparator ist dabei eine elektronische Schaltung, die zwei Signale vergleicht. Der Ausgang zeigt in binärer/digitaler Form an, welche der beiden Signale höher ist. In einigen Ausführungsformen kann der wenigstens eine Komparator von „0“ zu „1“ oder von „1“ zu „0“ wechseln, wenn eine Kreuzung bzw. ein Nulldurchgang erfolgt.
Der wenigstens eine Komparator kann das Eingangssignal P und die Referenz bzw. das Ebenen-individuelle Referenzsignal empfangen und basierend auf einem Vergleich des Eingangssignals P und des Ebenen-individuellen Referenzsignals ein Ausgangssignal ausgeben, das ein Vorhandensein einer Kreuzung bzw. eines Nulldurchgangs anzeigt.
In einigen Ausführungsformen ist für jede Ebene w ein jeweiliger Komparator bereitgestellt. Jeder Komparator kann dabei das der Ebene w zugehörige Ebenen-individuelle Referenzsignal und das Eingangssignal P empfangen, um Kreuzungen bzw. Nulldurchgänge zu erkennen.
In anderen Ausführungsformen kann ein einzelner Komparator zwei oder mehr verschiedenen Ebenen zugeordnet sein. In diesem Fall können die Kreuzungen für die zwei oder mehr verschiedenen Ebenen sukzessive ermittelt werden, indem die Ebenen nacheinander abgearbeitet werden. Insbesondere kann das Ebenen-individuelle Referenzsignal, das in den Komparator eingegeben wird, variabel eingestellt werden, um die zwei oder mehr verschiedenen Ebenen nacheinander auf Kreuzungen hin zu untersuchen. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelner Komparator verwendet werden, um alle W Ebenen nacheinander auf Kreuzungen bzw. Nulldurchgänge hinzuuntersuchen.
Vorzugsweise ist das Eingangssignal P ein Sensorsignal. Insbesondere kann das Eingangssignal P von wenigstens einem Sensor geliefert werden, wie zum Beispiel einem Temperatursensor, einem Mikrofon oder einem optischen Sensor (z.B. einer Kamera).
Vorzugsweise ist das Eingangssignal P aus der Gruppe ausgewählt, die eine zeitabhängige Leistung, eine zeitabhängige Spannung, einen zeitabhängigen Strom und einen zeitabhängigen Schalldruck umfasst, oder die daraus besteht. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und andere Eingangssignale können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren analysiert werden, um Frequenzen, Amplituden und/oder Phasen zu erhalten.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter ein Durchführen einer frequenzbasierten Temperaturmodellierung, einer Bildverarbeitung oder einer Sprachverarbeitung basierend auf der bestimmten wenigstens einen Signalcharakteristik. Insbesondere können Big Data Applikationen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ressourcenschonend implementiert werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter ein Ansteuern wenigstens einer Fahrzeugfunktion basierend auf der bestimmten wenigstens einen Signalcharakteristik. Anders gesagt können technische Prozesse basierend auf der erfindungsgemäßen Signalanalyse angesteuert werden. Die wenigstens eine Fahrzeugfunktion kann zum Beispiel ein Fahrassistenzsystem (z.B. zum Durchführen eines automatisierten Fahrens basierend auf Kameradaten), eine Klimatisierung (z.B. Einstellen der Klimatisierung basierend auf einer Temperaturmodellierung), ein Infotainmentsystem (z.B. Ansteuern einer Kommunikationsfunktion oder einer Navigationsfunktion basierend auf einer Spracherkennung) etc. betreffen oder umfassen.
Insbesondere kann das Fahrassistenzsystem die erfindungsgemäße Signalverarbeitung bei der Durchführung eines automatisierten Fahrens verwenden. Beim automatisierten Fahren erfolgt die Längs- und/oder Querführung des Fahrzeugs automatisch. Das Fahrassistenzsystem übernimmt also zumindest teilweise die Fahrzeugführung. Hierzu steuert das Fahrassistenzsystem den Antrieb, das Getriebe, die hydraulische Betriebsbremse und/oder die Lenkung.
Unter dem Begriff „automatisiertes Fahren“ kann im Rahmen des Dokuments insbesondere ein Fahren mit automatisierter Längs- oder Querführung oder ein autonomes Fahren mit automatisierter Längs- und Querführung verstanden werden. Bei dem automatisierten Fahren kann es sich beispielsweise um ein zeitlich längeres Fahren auf der Autobahn oder um ein zeitlich begrenztes Fahren im Rahmen des Einparkens oder Rangierens handeln. Der Begriff „automatisiertes Fahren“ umfasst ein automatisiertes Fahren mit einem beliebigen Automatisierungsgrad. Beispielhafte Automatisierungsgrade sind ein assistiertes, teilautomatisiertes, hochautomatisiertes oder vollautomatisiertes Fahren. Diese Automatisierungsgrade wurden von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) definiert (siehe BASt-Publikation „Forschung kompakt“, Ausgabe 11/2012).
Beim assistierten Fahren führt der Fahrer dauerhaft die Längs- oder Querführung aus, während das System die jeweils andere Funktion in gewissen Grenzen übernimmt. Beim teilautomatisierten Fahren (TAF) übernimmt das System die Längs- und Querführung für einen gewissen Zeitraum und/oder in spezifischen Situationen, wobei der Fahrer das System wie beim assistierten Fahren dauerhaft überwachen muss. Beim hochautomatisierten Fahren (HAF) übernimmt das System die Längs- und Querführung für einen gewissen Zeitraum, ohne dass der Fahrer das System dauerhaft überwachen muss; der Fahrer muss aber in einer gewissen Zeit in der Lage sein, die Fahrzeugführung zu übernehmen. Beim vollautomatisierten Fahren (VAF) kann das System für einen spezifischen Anwendungsfall das Fahren in allen Situationen automatisch bewältigen; für diesen Anwendungsfall ist kein Fahrer mehr erforderlich.
Die vorstehend genannten vier Automatisierungsgrade entsprechen den SAE-Level 1 bis 4 der Norm SAE J3016 (SAE - Society of Automotive Engineering). Ferner ist in der SAE J3016 noch der SAE-Level 5 als höchster Automatisierungsgrad vorgesehen, der in der Definition der BASt nicht enthalten ist. Der SAE-Level 5 entspricht einem fahrerlosen Fahren, bei dem das System während der ganzen Fahrt alle Situationen wie ein menschlicher Fahrer automatisch bewältigen kann; ein Fahrer ist generell nicht mehr erforderlich.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Software (SW) Programm angegeben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals auszuführen.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Speichermedium angegeben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals auszuführen.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Software mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals auszuführen, wenn die Software auf einer oder mehreren softwaregesteuerten Einrichtungen abläuft.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein System zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals angegeben. Das System umfasst einen oder mehrere Prozessoren; und wenigstens einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren verbunden ist und Anweisungen enthält, die von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden können, um das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals auszuführen.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein System zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals angegeben. Das System umfasst wenigstens ein Analysemodul und wenigstens ein Prozessormodul. Das wenigstens ein Analysemodul ist eingerichtet, um ein zeitabhängiges Eingangssignal P durch eine Anzahl W von beabstandeten Ebenen w zu unterteilen, wobei W eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist, und Kreuzungen des Eingangssignals P mit einer jeden Ebene w zu bestimmen und/oder anzuzeigen. Das wenigstens eine Prozessormodul ist eingerichtet, um wenigstens eine Signalcharakteristik des Eingangssignals P basierend auf einer Anzahl zcr^w von Kreuzungen einer jeden Ebene w mit dem Eingangssignal P zu bestimmen. Die wenigstens eine Signalcharakteristik kann eine Frequenz und/oder eine Amplitude und/oder eine Phase des Eingangssignals umfassen.
Ein Prozessor bzw. ein Prozessormodul ist ein programmierbares Rechenwerk, also eine Maschine oder eine elektronische Schaltung, die gemäß übergebenen Befehlen andere Elemente steuert und dabei einen Algorithmus (Prozess) vorantreibt.
Das System zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals ist insbesondere eingerichtet, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals auszuführen.
Vorzugsweise umfasst das wenigstens eine Analysemodul wenigstens einen Komparator, wobei der wenigstens eine Komparator eingerichtet ist, um das Eingangssignal P mit einem Ebenen-individuellen Referenzsignal zu vergleichen, um Kreuzungen des Eingangssignals P mit der entsprechenden Ebene zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, angegeben. Das Fahrzeug, insbesondere ein Fahrassistenzsystem des Fahrzeugs, umfasst das System zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Der Begriff Fahrzeug umfasst PKW, LKW, Busse, Wohnmobile, Krafträder, etc., die der Beförderung von Personen, Gütern, etc. dienen. Insbesondere umfasst der Begriff Kraftfahrzeuge zur Personenbeförderung.
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
2 ein zeitabhängiges Eingangssignal als Funktion eines Sample Index gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
3 eine Anzahl von Kreuzungen des Eingangssignals mit einer jeden Ebene,
4 schematisch ein System zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
5 schematisch einen Komparator eines Systems zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt schematisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals P gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren 100 kann durch eine entsprechende Software implementiert werden, die durch einen oder mehrere Prozessoren (z.B. eine CPU) ausführbar ist.
Das Verfahren 100 umfasst im Block 110 ein Empfangen eines zeitabhängigen Eingangssignals P; im Block 120 ein Unterteilen des Eingangssignals P durch eine Anzahl W von beabstandeten Ebenen w, wobei W eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist; im Block 130 ein Bestimmen einer Anzahl zcr^w von Kreuzungen einer jeden Ebene w mit dem Eingangssignal P; und im Block 140 ein Bestimmen wenigstens einer Signalcharakteristik des Eingangssignals P basierend auf der Anzahl zcr^w von Kreuzungen. Die wenigstens eine Signalcharakteristik kann eine Frequenz (oder Frequenzkomponente) und/oder eine Amplitude (oder Amplitudenkomponente) und/oder eine Phase (oder Phasenkomponente) des Eingangssignals P umfassen.
Damit wird ein Eingangssignal P durch W Ebenen bzw. Layer w unterteilt und in jeder dieser W Ebenen w werden die Anzahl zcr^w der Kreuzungen mit dem Eingangssignal P gezählt. Basierend auf der Anzahl zcr^w der Kreuzungen können eine Frequenz, eine Amplitude und/oder eine Phase des Eingangssignals P extrahiert werden. Die Berechnung der Kreuzungen für die verschiedenen Ebenen w hängt dabei nur linear von der Länge des Eingangssignals ab (O(N)) und ist weniger komplex als beispielsweise die Durchführung einer Discrete Fourier Transform. Im Ergebnis kann eine Verarbeitung großer Datenmengen ressourcenschonend und kostengünstig durchgeführt werden. Insbesondere kann eine effiziente Verarbeitung von Sensorsignalen ermöglicht werden, so dass technische Prozesse sicher und zuverlässig angesteuert werden können.
2 zeigt ein Eingangssignal P als Funktion eines Sample Index gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Vorzugsweise ist das Eingangssignal P ein Sensorsignal. Insbesondere kann das Eingangssignal P von wenigstens einem Sensor geliefert werden, wie zum Beispiel einem Temperatursensor, einem Mikrofon oder einem bildgebenden Sensor. Im Beispiel der 2 ist das Eingangssignal P eine Leistung. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und andere Eingangssignale können analysiert werden, wie zum Beispiel eine zeitabhängige Spannung, ein zeitabhängiger Strom und/oder ein zeitabhängiger Schalldruck.
In einigen Ausführungsformen kann das Eingangssignal einem Signal-Frame entsprechen, der zum Beispiel wie folgt definiert sein kann: $P = [p (i), p (i + 1), \dots, p (i + N - 1)]$
p gibt Teile oder Samples des Eingangssignals an. j und N sind natürliche Zahlen, die geeignet gewählt werden können, um den Signal-Frame P zu beschreiben. Insbesondere kann N die Signallänge vorgeben oder definieren.
Das Eingangssignal P wird durch W Ebene bzw. Layer unterteilt. In 2 sind die Ebenen mit „w“ bezeichnet. w kann zum Beispiel von 1 bis Wlaufen. Damit kann w=1 eine erste Ebene, w=2 eine zweite Ebene und w=W eine W-te Ebene sein.
Im gesamten sind W Ebenen w definiert. W ist dabei gleich oder größer als 2, wie zum Beispiel gleich oder größer als 10, 20, 30, 40, 50, 100 oder 1000. Die Anzahl W der Ebenen w kann geeignet festgelegt werden. Insbesondere kann eine Genauigkeit der Abschätzung der wenigstens einen Signalcharakteristik von der Anzahl W der Ebenen w abhängen, wobei die Anzahl W der Ebenen w so gewählt werden kann, dass eine vorgegebene Genauigkeit erfüllt oder übertroffen wird.
Eine Stapelrichtung der Ebenen w ist senkrecht zu einer Zeitachse des zeitabhängigen Eingangssignals P definiert. Im Beispiel der 2 ist die Zeitachse durch den Sample Index gegeben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und andere zeitäquivalente Darstellungen sind möglich. Zudem ist die Stapelrichtung der Ebenen w entlang der Amplitudenrichtung des Eingangssignals P definiert. Insbesondere kann durch die Ebenen w eine Vielzahl von Amplitudenintervallen definiert werden.
Typischerweise sind die Ebenen w parallele Ebenen. Insbesondere können die Ebenen w entlang der Zeitachse einem im Wesentlichen konstanten Amplitudenwert entsprechen.
In einigen Ausführungsformen sind die Ebenen w äquidistante Ebenen. Anders gesagt können benachbarte Ebenen w im Wesentlichen denselben Abstand in Amplitudenrichtung aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform können die Ebenen w nicht-äquidistante Ebenen sein. Anders gesagt können zumindest einigen benachbarte Ebenen w unterschiedliche Abstände in Amplitudenrichtung aufweisen.
3 zeigt eine Anzahl zcr^w von Kreuzungen des Eingangssignals P mit einer jeden Ebene w.
Im Beispiel der 3 ist das Eingangssignal P in 45 Ebenen unterteilt, d.h., W=45, wobei für jede Ebene w die Kreuzungen mit dem Eingangssignal P bzw. Nulldurchgänge gezählt werden. Die Anzahl von 45 Ebenen ist dabei lediglich beispielhaft und es kann jede andere geeignete Anzahl von Ebenen verwendet werden (in der 2 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit zum Beispiel nur 6 Ebenen dargestellt).
In einigen Ausführungsformen kann die Anzahl zcr^w der Kreuzungen pro Ebene w wie folgt bestimmt werden: $z c r^{w} = \frac{1}{N - 1} \sum_{t = i}^{i + N} 1_{ℝ < 0} ((p_{t} - P_{D C}^{w}) (p_{t} + P_{D C}^{w}))$
$P_{D C}^{w} = \frac{P_{m a x} \cdot (w - 1)}{W - 1}$
P_max ist dabei der Maximalwert des Signals-Frames P und $P_{D C}^{w}$
ist die DC-Komponente der Ebene w.
Damit stellt zcr^w ein Maß einer Welligkeit des Eingangssignals P für die entsprechende Ebene w bzw. das entsprechende Amplitudenlevel dar. Insbesondere können aus zcr^w die Frequenz f des Eingangssignals P, die Amplitude A des Eingangssignals P und/oder die Phase φ des Eingangssignals P abgeleitet werden.
Die Frequenz f des Eingangssignals P kann proportional zur Anzahl zcr^w der Kreuzungen der jeweiligen Ebene w mit dem Eingangssignal P sein: f ∝ zcr^w
Die Amplitude A des Eingangssignals P kann proportional zu einer Differenz der Anzahl der Kreuzungen einer Ebene mit dem Eingangssignal P und der Anzahl der Kreuzungen einer benachbarten Ebene mit dem Eingangssignal P: A ∝ (zcrⁱ - zcr^j)
Die Phase φ des Eingangssignals P kann proportional zu einer Differenz der Anzahl zcr^w der Kreuzungen einer Ebene w mit dem Eingangssignal P in einem Zeitabschnitt und der Anzahl zcr^w der Kreuzungen der Ebene w mit dem Eingangssignal P in einem davorliegenden Zeitabschnitt sein: φ ∝ (zcrⁱ(t + 1) - zcrⁱ(t))
4 zeigt schematisch ein System 400 zur Analyse eines Eingangssignals P gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Typischerweise ist das Eingangssignal P ein Sensorsignal, das von wenigstens einem Sensor 10 erzeugt wird. Der wenigstens eine Sensor 10 kann zum Beispiel ein Temperatursensor, ein Mikrofon oder ein bildgebender Sensor sein.
Das System 400 umfasst wenigstens ein Analysemodul 410 und wenigstens ein Prozessormodul 420. Das wenigstens eine Analysemodul 410 ist eingerichtet, um das zeitabhängige Eingangssignal P durch eine Anzahl W von beabstandeten Ebenen w zu unterteilen, wobei W eine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist, und Kreuzungen des Eingangssignals P mit einer jeden Ebene w zu bestimmen und/oder anzuzeigen. Das wenigstens eine Prozessormodul 420 ist eingerichtet, um wenigstens eine Signalcharakteristik des Eingangssignals P basierend auf einer Anzahl zcr^w von Kreuzungen einer jeden Ebene w mit dem Eingangssignal P zu bestimmen. Die wenigstens eine Signalcharakteristik kann eine Frequenz und/oder eine Amplitude und/oder eine Phase des Eingangssignals umfassen.
Das System 400 kann weiter eingerichtet sein, um basierend auf der bestimmten wenigstens einen Signalcharakteristik wenigstens eine Fahrzeugfunktion anzusteuern. Die wenigstens eine Fahrzeugfunktion kann zum Beispiel ein Fahrassistenzsystem (z.B. zum Durchführen eines automatisierten Fahrens basierend auf Kameradaten), eine Klimatisierung (z.B. Einstellen der Klimatisierung basierend auf einer Temperaturmodellierung), ein Infotainmentsystem (z.B. Ansteuern einer Kommunikationsfunktion oder einer Navigationsfunktion basierend auf einer Spracherkennung) etc. betreffen oder umfassen.
5 zeigt schematisch einen Komparator eines Systems zur Analyse eines Eingangssignals gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen umfasst das wenigstens eine Analysemodul des erfindungsgemäßen Systems wenigstens einen Komparator 500. Der wenigstens eine Komparator kann eingerichtet sein, um das Eingangssignal P mit einem Ebenen-individuellen Referenzsignal R_w zu vergleichen, um die Kreuzungen des Eingangssignals P mit der entsprechenden Ebene w zu ermitteln.
Insbesondere kann der wenigstens eine Komparator 500 das Eingangssignal P an einem ersten Eingang und die Referenz bzw. das Ebenen-individuelle Referenzsignal R_w an einem zweiten Eingang empfangen und basierend auf einem Vergleich des Eingangssignals P und des Ebenen-individuellen Referenzsignals ein Ausgangssignal AS ausgeben, das ein Vorhandensein einer Kreuzung bzw. eines Nulldurchgangs anzeigt.
In einigen Ausführungsformen ist für jede Ebene w ein jeweiliger Komparator bereitgestellt. Jeder Komparator kann dabei das der Ebene w zugehörige Ebenen-individuelle Referenzsignal R_w und das Eingangssignal P empfangen, um Kreuzungen bzw. Nulldurchgänge zu erkennen.
In anderen Ausführungsformen kann ein einzelner Komparator zwei oder mehr verschiedenen Ebenen w zugeordnet sein. In diesem Fall können die Kreuzungen für die zwei oder mehr verschiedenen Ebenen sukzessive ermittelt werden, indem die Ebenen nacheinander abgearbeitet werden. Insbesondere kann das Ebenen-individuelle Referenzsignal R_w, das in den Komparator eingegeben wird, variabel eingestellt werden, um die zwei oder mehr verschiedenen Ebenen nacheinander auf Kreuzungen hin zu untersuchen. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelner Komparator verwendet werden, um alle W Ebenen nacheinander auf Kreuzungen bzw. Nulldurchgänge hinzuuntersuchen.
Damit müssen zum Beispiel auf einem Steuergerät keine ressourcenintensiven Mittel zum Durchführen einer Frequenzanalyse, wie einer FFT, vorgesehen werden. Stattdessen können die Komparatoren für die Signalanalyse in einer einfachen Hardware ausgelagert werden. Im Ergebnis kann eine Komplexität von Steuergeräten verringert werden. Zudem können Rechenressourcen von Steuergeräten anderweitig eingesetzt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.

Claims

Verfahren (100) zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals, umfassend: - Empfangen (110) eines zeitabhängigen Eingangssignals; - Unterteilen (120) des Eingangssignals durch eine Anzahl W von beabstandeten Ebenen, wobei Weine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist; - Bestimmen (130) einer Anzahl von Kreuzungen einer jeden Ebene mit dem Eingangssignal; und - Bestimmen (140) wenigstens einer Signalcharakteristik des Eingangssignals basierend auf der Anzahl von Kreuzungen, wobei die wenigstens eine Signalcharakteristik aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Frequenz, einer Amplitude und einer Phase des Eingangssignals besteht.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei: eine Stapelrichtung der Ebenen senkrecht zu einer Zeitachse des zeitabhängigen Eingangssignals definiert ist; und/oder die Ebenen äquidistante Ebenen sind.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: - die Frequenz des Eingangssignals proportional zur Anzahl der Kreuzungen einer Ebene mit dem Eingangssignal ist; und/oder - die Amplitude des Eingangssignals proportional zu einer Differenz der Anzahl der Kreuzungen einer Ebene mit dem Eingangssignal und der Anzahl der Kreuzungen einer benachbarten Ebene mit dem Eingangssignal ist; und/oder - die Phase des Eingangssignals proportional zu einer Differenz der Anzahl der Kreuzungen einer Ebene mit dem Eingangssignal in einem Zeitabschnitt und der Anzahl der Kreuzungen der Ebene mit dem Eingangssignal in einem davorliegenden Zeitabschnitt ist.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend: - Durchführen von Vergleichsoperationen zum Bestimmen der Anzahl der Kreuzungen einer jeden Ebene mit dem Eingangssignal.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 4, wobei die Vergleichsoperationen unter Verwendung wenigstens eines Komparators durchgeführt werden, wobei der wenigstens eine Komparator das Eingangssignal und ein Ebenen-individuelles Referenzsignal empfängt und basierend auf einem Vergleich des Eingangssignals und des Ebenen-individuellen Referenzsignals ein Ausgangssignal ausgibt, das ein Vorhandensein einer Kreuzung anzeigt, insbesondere wobei das Ebenen-individuelle Referenzsignal die Ebene definiert oder ist.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: - das Eingangssignal ein Sensorsignal ist; und/oder - das Eingangssignal aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer zeitabhängigen Leistung, einer zeitabhängigen Spannung, einem zeitabhängigen Strom und einem zeitabhängigen Schalldruck besteht.
Das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren weiter umfasst: - Durchführen einer frequenzbasierten Temperaturmodellierung, einer Bildverarbeitung oder einer Sprachverarbeitung basierend auf der bestimmten wenigstens einen Signalcharakteristik; und/oder - Ansteuern wenigstens einer Fahrzeugfunktion basierend auf der bestimmten wenigstens einen Signalcharakteristik.
Speichermedium, umfassend ein Software-Programm, das eingerichtet ist, um auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt zu werden, und um dadurch das Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
System (400) zur Signalverarbeitung eines Eingangssignals, umfassend: wenigstens ein Analysemodul (410), das eingerichtet ist, um: - ein zeitabhängiges Eingangssignal durch eine Anzahl W von beabstandeten Ebenen zu unterteilen, wobei Weine natürliche Zahl gleich oder größer als 2 ist, und - Kreuzungen des Eingangssignals mit einer jeden Ebene zu bestimmen und/oder anzuzeigen; und - wenigstens ein Prozessormodul (420), das eingerichtet ist, um wenigstens eine Signalcharakteristik des Eingangssignals basierend auf einer Anzahl von Kreuzungen einer jeden Ebene mit dem Eingangssignal zu bestimmen, wobei die wenigstens eine Signalcharakteristik aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Frequenz, einer Amplitude und einer Phase des Eingangssignals besteht.
Das System (400) nach Anspruch 9, wobei das wenigstens eine Analysemodul (410) wenigstens einen Komparator umfasst, wobei der wenigstens eine Komparator eingerichtet ist, um das Eingangssignal mit einem Ebenen-individuellen Referenzsignal zu vergleichen, um Kreuzungen des Eingangssignals mit der entsprechenden Ebene zu ermitteln.