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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Signalverarbeitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gemessene Signale, die hohe Amplituden im tieffrequenten Bereich und geringe Amplituden im höherfrequenten Bereich aufweisen, können mittels aktuell verfügbarer digitaler Mess- und Analysetechnik nur unzureichend ausgewertet werden, insbesondere dann, wenn der interessierende Frequenzbereich höherfrequent ist, da dann in diesem Frequenzbereich der Signal-Rausch-Abstand gering ist.
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US 2022/0101863 A1 beschreibt einen Analog-Digital-Wandler, umfassend: einen adaptiven Weißfilter, der dazu konfiguriert ist, ein analoges Eingangssignal zu filtern und ein weiß gemachtes analoges Eingangssignal auszugeben; einen ersten Konverter, der so konfiguriert ist, dass er das weiß gemachte analoge Eingangssignal empfängt und ein weiß gemachtes digitales Signal ausgibt; eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, den Weißfilter basierend auf dem empfangenen analogen Eingangssignal anzupassen.
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Aus der nachveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2022 004 042.5 ist ein Verfahren zur Signalverarbeitung bekannt, wobei ein analoges Signal mittels eines Analog-Digital-Wandlers zu einem digitalen Signal gewandelt wird, wobei das analoge Signal zunächst mittels eines oder mehrerer analoger Differentiatoren differenziert wird, wobei eine infolgedessen erzeugte Ableitung vom Analog-Digital-Wandler in eine digitale Ableitung gewandelt wird, die anschließend mittels eines oder mehrerer digitaler Integratoren integriert werden kann, um das digitale Signal zu erhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Anordnung zur Signalverarbeitung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Signalverarbeitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es wird eine Anordnung vorgeschlagen, umfassend mindestens einen Sensor, eine Signalvorverarbeitungseinheit mit einem Signaleingang, der mit dem Sensor verbunden ist, und einem Signalausgang, sowie ein mit dem Signalausgang verbundenes Endgerät, das ein Signal-Aufnahmegerät aufweist, wobei die Signalvorverarbeitungseinheit mindestens einen analogen Differentiator zur Differentiation eines analogen Signals des Sensors aufweist, wobei die Signalvorverarbeitungseinheit oder das Endgerät ferner einen Analog-Digital-Wandler aufweist, der dazu konfiguriert ist, eine von dem mindestens einen Differentiator erzeugte Ableitung in eine digitale Ableitung zu wandeln, wobei die Signalvorverarbeitungseinheit oder das Endgerät ferner mindestens einen digitalen Integrator aufweist, der dazu konfiguriert ist, die digitale Ableitung zum Erhalt eines digitalen Signals zu integrieren. Erfindungsgemäß weist das Endgerät ferner eine Software-Applikation auf, die zur Parametrierung und/oder zum Schalten und/oder zur Auswahl von Komponenten der Signalvorverarbeitungseinheit ausgebildet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung kann die Aufnahmequalität verbessert werden, indem der Signal-Rausch-Abstand bei hohen Frequenzen verbessert wird.
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Bei dem Verfahren zur Signalverarbeitung wird ein analoges Signal mittels eines Analog-Digital-Wandlers zu einem digitalen Signal gewandelt. Das analoge Signal wird mittels eines oder mehrerer analoger Differentiatoren differenziert, wobei eine infolgedessen erzeugte Ableitung vom Analog-Digital-Wandler in eine digitale Ableitung gewandelt wird, die anschließend mittels eines oder mehrerer digitaler Integratoren integriert werden kann, um das ursprüngliche Signal als digitales Signal zu erhalten.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Anzahl der Integratoren der Anzahl der zuvor verwendeten Differentiatoren entsprechen.
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In einer Ausführungsform werden zwei Differentiatoren und zwei Integratoren verwendet.
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Durch die Anwendung von beispielsweise zwei Differentiatoren auf das analoge Signal wird der Abfall von beispielsweise 40dB/Dekade im Frequenzbereich kompensiert, so dass der größte Anteil des Messbereichs im gleichen Aussteuerungsbereich liegt und die schwachen Signale über der Rauschgrenze liegen. Wenn die Ableitung erfolgreich digitalisiert wurde, ist sie dann einfach entsprechend oft zu integrieren, um das digitale Signal zu erhalten. Das digitale Format sollte hinreichend hoch aufgelöst sein, um die schwachen Signale nicht wieder zu verlieren. Die Phasenänderung wird dadurch automatisch kompensiert.
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In einer Ausführungsform ist der Sensor als ein Mikrofon ausgebildet.
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In einer Ausführungsform wird das Verfahren in einem Fahrzeug verwendet.
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Die Anordnung kann Teil eines Fahrzeugs sein. Das Fahrzeug kann ferner einen Sensor zur Erfassung des analogen Signals aufweisen. Der Sensor kann beispielsweise als ein Mikrofon ausgebildet sein.
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Die Verwendung der Integratoren ist möglich, jedoch nicht immer zwingend.
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Die Erfindung kann insbesondere in folgenden Zusammenhängen Anwendung finden:
- (1) Fahrzeug-Geräusch-Messungen im Rahmen der Fahrzeugentwicklung. Die im Stand der Technik verwendete Messtechnik hat Schwierigkeiten, mit dem bestehenden Aussteuerbereich sowohl tief- als auch hochfrequente Signale aufzuzeichnen. Der Aussteuerbereich wird durch die tieffrequenten Anteile (z.B. Rollgeräusch, Motorgeräusch, Strömungsgeräusch) bestimmt und nimmt Dynamik für die hochfrequenten Anteile (z.B. Elektromotoren, Stellmotoren, hochfrequente Verbrennungsgeräusche, Heulgeräusche) weg. Die vorliegende Erfindung umgeht diese Schwierigkeiten.
- (2) Eigendiagnose/Selbstdiagnose von Fahrzeugen (oder anderen Geräten). In Fahrzeugen verbaute Mikrofone können zur Selbstdiagnose auf Basis des Geräusches im Fahrzeug verwendet werden, allerdings sind die bislang eingesetzten Messketten (z.B. Mikrofone, AD-Wandler, Verstärker) weniger hochwertig als die Messtechnik auf Prüfständen. Deshalb eignet sich die vorliegende Erfindung besonders auch für diesen Anwendungsfall, da die gleichen Schwierigkeiten wie in (1) vorliegen.
- (3) Einsatz von Mikrofonen allgemein. Ganz allgemein kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, jegliche Mikrofonsignale zu optimieren, wenn tieffrequente Geräuschanteile die Austeuerung dominieren, z.B. wenn ein Reporter bei Wind in ein Mikrofon spricht und die tieffrequenten Windanteile dominieren.
- (4) Einsatz von Telefonie im Fahrzeug oder außerhalb. Der unter (3) genannte Aspekt der Dominanz tieffrequenter Geräuschanteile kann auch auf die Telefonie im Fahrzeug oder die Telefonie ohne Fahrzeug, beispielsweise in Räumen oder im Freien (z.B. bei Wind/Luftströmen), übertragen werden.
- (5) Einsatz für Spracherkennung. Die oben, insbesondere unter (3) genannten Vorteile können des Weiteren auch die Aufnahmequalität für Systeme verbessern, die zur automatischen Verarbeitung der Stimme, insbesondere von Sprachsignalen, dienen. Beispiele für solche Systeme sind sogenannte smarte Assistenten auf Basis künstlicher Intelligenz.
- (6) Einsatz für Gyro-Sensoren. Auch im Bereich von Gyro-Sensoren (insbesondere Lagesensoren und/oder Beschleunigungssensoren) ist es durch die erfindungsgemäße Lösung denkbar, dominierende tieffrequente Inhalte nicht die Aussteuerung bestimmen zu lassen und auch dort ein höherfrequentes Nutzsignal besser zu erfassen.
- (7) Einsatz für Luftmassensensoren. Durch die vorliegende Idee lässt sich ferner die Messqualität auch bei Luftmassensensoren nach dem Hitzedraht-Prinzip durch Umstellung der Messkette steigern.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Signalverarbeitung gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Signalverarbeitung, und
- 3 eine schematische Ansicht einer Anordnung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Signalverarbeitung gemäß dem Stand der Technik, beispielsweise im Bereich der Fahrzeugakustik.
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Ein beispielsweise von einem Mikrofon in einem Fahrzeug aufgenommenes Signal Sa(t) weist ein Spektrum Sa(f) auf, das sehr grob mit einer einhüllenden Kurve mit einer abfallenden Charakteristik von 40 dB/Dekade gezeichnet werden kann. Wird das aufgenommene Signal Sa(t)mittels eines Analog-Digital-Wandlers ADC in ein digitales Signal Sd(t) gewandelt, dann zeigt dessen Spektrum Sd(f) im Wesentlichen die gleiche Charakteristik wie das analoge Spektrum Sa(f). Die Aussteuerung von Messapparaten wird zum Beispiel für eine maximale Amplitude MA bei einer Frequenz f von 50Hz gesetzt, obwohl die gemessenen Signale bei 500Hz 40dB und bei 5000Hz 80dB schwächer sind. Dabei wird ein großer Teil der Dynamik von der Messkette nicht richtig benutzt. Das führt dazu, dass schwache Signale Sa(t)bei mittleren und hohen Frequenzen f zwar vom menschlichen Ohr wahrnehmbar sind, jedoch schlecht von der Messkette aufgenommen werden, weil sie an die Rauschgrenze RG kommen.
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2 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Signalverarbeitung, beispielsweise im Bereich der Fahrzeugakustik.
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Ein von einem Sensor 2, beispielsweise einem Mikrofon in einem Fahrzeug, aufgenommenes Signal Sa(t)weist ein Spektrum Sa(f) auf, das sehr grob mit einer einhüllenden Kurve mit einer abfallenden Charakteristik von 40 dB/Dekade gezeichnet werden kann. Das Spektrum Sa(f) wird beispielsweise mittels Fouriertransformation bestimmt, so dass gilt Sa(f)=Fourier(Sa(t)).
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Um den Signal-Rausch-Abstand im höherfrequenten Bereich zu verbessern, wird das Signal Sa(t)vor der Wandlung in einem Analog-Digital-Wandler ADC mit einem oder mehreren analogen Differentiatoren D beaufschlagt, das heißt es wird differenziert, so dass zumindest eine erste Ableitung d(Sa(t))/dt des Signals Sa(t)und optional eine zweite Ableitung d2(Sa(t))/dt2 und gegebenenfalls weitere Ableitungen entstehen. Die letzte dieser Ableitungen, beispielsweise die zweite Ableitung d2(Sa(t))/dt2 wird vom Analog-Digital-Wandler ADC in eine digitale Ableitung, beispielsweise eine zweite digitale Ableitung d2(Sd(t))/dt2 gewandelt.
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Die zweite Ableitung d2(Sa(t))/dt2 weist ein Spektrum Sa''(f) auf, das mit steigender Frequenz f über der Rauschgrenze RG bleibt. Das Spektrum Sa''(f) wird beispielsweise mittels Fouriertransformation bestimmt, so dass gilt Sa''(f)=Fourier(d2(Sa(t)/dt2))=(j2πf)2·Sa(t). Das Spektrum Sa''(f) der zweiten Ableitung d2(Sa(t))/dt2 kann sehr grob mit einer einhüllenden Kurve mit einem initialen Anstieg und anschließend weitgehend gleichförmiger Magnitude (0 dB/Dekade) gezeichnet werden.
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Nach der Analog-Digital-Wandlung kann die jeweilige Ableitung, vorliegend die zweite digitale Ableitung d2(Sd(t))/dt2, mittels eines oder mehrerer digitaler Integratoren I beaufschlagt werden, wobei die Anzahl der digitalen Integratoren I der Anzahl der zuvor verwendeten analogen Differentiatoren D entsprechen kann. Im vorliegenden Beispiel liegt nach einem ersten Integrator I somit die erste digitale Ableitung d(Sa(t))/dt vor. Nach einem zweiten Integrator I liegt dann das digitale Signal Sd(t) vor. Für das Spektrum Sd(f) des digitalen Signals Sd(t) gilt beispielsweise in Annäherung Sd(f)=(j2πf)2·Sd(f)/(j2πf)2=Fourier(Sd(t)). Das Spektrum Sd(f) des digitalen Signals Sd(t) bleibt mit steigender Frequenz f über der Rauschgrenze RG.
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Durch die Anwendung von zwei Differentiatoren D auf das analoge Signal Sa(t) wird der Abfall von beispielsweise 40dB/Dekade im Frequenzbereich kompensiert, so dass der größte Anteil des Messbereichs im gleichen Aussteuerungsbereich liegt und die schwachen Signale über der Rauschgrenze RG liegen. Wenn die Ableitung erfolgreich digitalisiert wurde, kann sie dann einfach entsprechend oft integriert werden, um das digitale Signal Sd(t) zu erhalten. Dieses Verfahren funktioniert, solange der maximale Frequenzinhalt des Signals Sd(t) weit genug von der Abtastfrequenz entfernt ist. Das digitale Format sollte hinreichend hoch aufgelöst sein, um die schwachen Signale nicht wieder zu verlieren. Die Phasenänderung wird dadurch automatisch kompensiert.
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3 ist eine schematische Ansicht einer Anordnung 1, umfassend mindestens einen Sensor 2, eine Signalvorverarbeitungseinheit 3, die zur Durchführung zumindest von Teilen des oben beschriebenen Verfahrens konfiguriert ist und beispielsweise als eine elektrische Schaltung ausgebildet ist, sowie ein Endgerät 4, beispielsweise ein Smartphone, das ein Signal-Aufnahmegerät 5 und eine Software-Applikation 6 aufweist. Aus dem Sensor 2 wird der Signalvorverarbeitungseinheit 3 ein analoges Signal Sa(t) zugeführt, während die Signalvorverarbeitungseinheit 3 an das Endgerät 4, insbesondere an dessen Signal-Aufnahmegerät 5, beispielsweise eine analoge Ableitung d(Sa(t))/dt, d2(Sa(t))/dt2, eine digitale Ableitung d(Sd(t))/dt, d2(Sd(t))/dt2 oder ein digitales Signal Sd(t) ausgibt. Über die Software-Applikation 6 kann eine Parametrierung der Signalvorverarbeitungseinheit 3 erfolgen.
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In anderen Ausführungsformen kann das Endgerät 4 auch als ein Messfrontend oder als Teil einer Fahrzeugelektronik ausgebildet sein.
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Die Signalvorverarbeitungseinheit 3 kann optional elektrischen Schaltungen zur:
- - Begrenzung des Frequenzbereiches, und/oder
- - Begrenzung der Amplitude, und/oder
- - Anpassung der Amplitude
aufweisen, die vor und/oder nach dem mindestens einen Differentiator D aus 2 geschaltet sein können.
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Die Signalvorverarbeitungseinheit 3 mit ihren Schaltungselementen, insbesondere dem mindestens einen Differentiator D, kann zwischen den analogen Sensor 2 und das für die Signalaufnahme zu nutzende Endgerät 4 geschaltet werden. Optional kann in dieser Signalvorverarbeitungseinheit 3 auch der Analog-Digital-Wandler ADC integriert sein. Ebenso kann in die Signalvorverarbeitungseinheit 3 auch der mindestens eine digitale Integrator I integriert sein.
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Über die Software-Applikation 6, die auf dem Endgerät 4 zur Signalaufnahme installiert ist, kann das Verhalten der Schaltungen in der Signalvorverarbeitungseinheit 3 parametriert und/oder geschaltet und/oder ausgewählt und das Signal gemäß dem oben beschriebenen Verfahren rekonstruiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Sensor
- 3
- Signalvorverarbeitungseinheit
- 4
- Endgerät
- 5
- Signal-Aufnahmegerät
- 6
- Software-Applikation
- ADC
- Analog-Digital-Wandler
- D
- Differentiator
- d(Sa(t))/dt
- Ableitung, erste Ableitung
- d(Sd(t))/dt
- digitale Ableitung, erste digitale Ableitung
- d2(Sa(t))/dt2
- Ableitung, zweite Ableitung
- d2(Sd(t))/dt2
- digitale Ableitung, zweite digitale Ableitung
- f
- Frequenz
- j
- imaginäre Einheit, Wurzel aus (-1)
- I
- digitaler Integrator
- MA
- maximale Amplitude
- RG
- Rauschgrenze
- Sa(f)
- Spektrum des analogen Signals, analoges Spektrum
- Sa(t)
- Signal, analoges Signal
- Sa''(f)
- Spektrum der zweiten digitalen Ableitung
- Sd(f)
- Spektrum des digitalen Signals
- Sd(t)
- digitales Signal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20220101863 A1 [0003]
- DE 1020220040425 [0004]
