DE4134398A1 - Verfahren zum aendern der ansprechzeit eines software-filters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ändern der Ansprechzeit eines Software-Filters und befaßt sich insbesondere mit einem Digitalfilter, vorzugsweise einem amplitudenmittelnden Digitalfilter, das ein schnelles Ansprechvermögen auf empfangene Eingangswerte zeigt.

Digitalfilter sind an sich bekannt. Derartige Filter können bei einem Mehrzweckcomputer vorgesehen sein, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Ein derartiger Mehrzweckcomputer 10 umfaßt eine arithmetische und logische Einheit ALU 12, die einen Teil enthält, der für eine Filtersoftware 14 reserviert ist, die vorher geladen worden ist.

Ein Analog/Digitalwandler 16 empfängt ein analoges Ein­ gangssignal, das über einen Leiter 18 anliegt. Nachdem das Ein­ gangssignal in digitale Werte umgewandelt ist, werden diese Werte auf eine Sammelleitung 20 gegeben und von dort entweder einem Speicher RAM 22 mit direktem Zugriff oder einem Platten­ speicher 24 zugeführt. Die ALU 12 kann in Kombination mit ihrer Filtersoftware dann die empfangenen digitalen Werte entweder in Echtzeit oder verzögert verarbeiten. Das gefilterte Signal wird dann wieder an die Sammelleitung 20 gelegt und über die Eingangs/Ausgangsschnittstelle 26 einer Empfangseinrichtung zugeführt.

Der Analog/Digitalwandler 16 tastet periodisch die analogen Eingangssignale ab, die auf der Leitung 18 auftreten und liefert diskrete digitale Amplitudenwerte dieser Eingangssignale. Die Frequenz, mit der der Analog/Digitalwandler 16 Signale an die Sammelleitung 20 legt, wird über Befehle von der ALU 12 gesteuert. Das Filter wird einmal pro Abtastung oder Abtastwert aktualisiert.

Einer der besser bekannten amplitudenfilternden Software-Al­ gorithmen erfüllt eine Filterfunktion, die als "Filter mit wan­ derndem Mittelwert" bezeichnet wird. Bei einem derartigen Filter wird jeder Abtasteingangswert mit einer Bruchzahl multipliziert, die Filterfaktor genannt wird und anschließend den vorher gemittelten Lese- oder Anzeigenwerten multipliziert mit 1 minus den Filterfaktor zuaddiert, um einen neuen Mittelwert zu bilden. Die Arbeitsweise dieses Filters läßt sich somit ausdrücken als:

AVG_i = (1-x) (AVG)_i-1 + x(RDG)_i (1)

wobei:

AVG_i = i-ter Mittelwert
RDG_i = i-ter Lese- oder Anzeigewert
x = Filterfaktor (kleiner als 1)

Das Ansprechvermögen oder die Empfindlichkeit eines derartigen Filters mit wanderndem Mittelwert ist in Fig. 2 dargestellt. Die Wellenform 30 tritt auf ein stufenförmiges Eingangssignal 32 auf, das von einer Spannung E₁ auf eine Spannung E₂ springt. Die Filterwellenform 30 läßt sich ausdrücken als:

E(n) = (1-x) E (n-1) + xE₂ (2)

Die Gleichung (2) ist des Ergebnis der Anwendung der Gleichung (1) auf die Wellenform von Fig. 2, wobei n die Anzahl der je­ weiligen Spannungswerte wiedergibt, die dem Filter geliefert werden.

Wenn das Filterverfahren mit wanderndem Mittelwert angewandt wird, lassen sich die diskreten Signalamplituden, die eine Folge der Anwendung der Gleichung (2) sind, wie folgt ausdrücken:

E(0) = E₁
E(1) = (1-x) E (0) + xE₂=E₂ - (E₂-E₁) (1-x)₂
E(2) = (1-x) E (1) + xE₂=E₂ - (E₂-E₁) (1-x)₃
E(3) = (1-x) E (2) + xE₂=E₂ - (E₂-E₁) (1-x)
:
E(n)=E₂ - (E₂-E₁) (1-x)ⁿ (3)

Der Kehrwert des Filterfaktors x, der im folgenden als Fil­ terkonstante bezeichnet wird, ist gewöhnlich, aber nicht un­ bedingt, eine ganzzahlige Potenz von 2 aus Gründen der Softwa­ reeffektivität.

Aus Gleichung (3) ist ersichtlich, daß bei einer relativ mode­ raten Filterkonstanten von beispielsweise 64 oder 128 die Zeit, die das Filterausgangssignal benötigt, um 95% seines stabilen Wertes zu erreichen, viele Abfragen in der Größenordnung von einigen hundert erfordern kann. Das führt zu einer unerwünschten Verzögerung in der Weiterverarbeitung des gefilterten Signals und sollte vermieden werden.

Durch die Erfindung soll daher ein Filter mit wanderndem Mit­ telwert geschaffen werden, das einen stabilen Wert schneller als bekannte Filter erreicht.

Durch die Erfindung soll insbesondere ein Filter mit wanderndem Mittelwert geschaffen werden, das seine Bandbreite nach Maßgabe der Eingangssignalcharakteristik ändert.

Im folgenden wird ein Software-Filter beschrieben, das einen Rechner so betreibt, daß er nach dem Filterverfahren mit wan­ derndem Mittelwert arbeitet. Bei dem Verfahren wird eine An­ fangsfilterkonstante bezeichnet, um die Filteransprechzeit zu steuern, wird ein Signalwert mit wanderndem Mittelwert der Signalamplitude beibehalten, wird ein Differenzwert zwischen dem Signalwert mit wanderndem Mittelwert und jeder neuen Signalab­ tastamplitude gebildet, bevor die neue Signalabtastamplitude in den Signalwert mit wanderndem Mittelwert eingeht, wird der Signalwert mit wanderndem Mittelwert dadurch fortgeschrieben, daß bei jedem neuen Signalabtastwert ein Wert zuaddiert wird, der dadurch berechnet wird, daß der Differenzwert, der für einen neuen Signalabtastwert gefunden wird, durch die An­ fangsfilterkonstante dividiert wird, und wird dann, wenn eine Folge von mehreren gefundenen Differenzwerten eine identische Polarität zeigt, die Anfangsfilterkonstante durch einen ganz­ zahligen Faktor dividiert, um eine verringerte Filterkonstante zu bilden, die die Filteransprechzeit herabsetzt. Wenn im Ge­ gensatz dazu ein gefundener Differenzwert eine andere Polarität gegenüber einem unmittelbar vorausgehenden gefundenen Dif­ ferenzwert zeigt, dann wird die Filterkonstante mit einem ganz­ zahligen Faktor multipliziert, um die Filteransprechzeit zu erhöhen.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Rechners zur Durchführung der Filterfunktionen an einem Eingangssignal,

Fig. 2 eine stufenförmige Eingangssignalwellenform und die aus der Filterfunktion mit wanderndem Mittelwert resultierenden Ausgangssignalwerte beim herkömmlichen Verfahren,

Fig. 3a und 3b in Flußdiagrammen die erfindungsgemäße Filter­ funktion bzw. die Arbeitsweise eines Filters gemäß der Erfin­ dung,

Fig. 4 in einer Gruppe von Wellenformen das Ansprechen eines Filters auf eine stufenförmige Eingangssignalform gemäß der Erfindung, und

Fig. 5 in einer Gruppe von Wellenformen das Ansprechen eines Filters auf eine impulsförmige Eingangswellenform gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 macht es das erfindungsgemäße Verfahren notwendig, daß in der ALU 12 zwei Register vorhanden sind, die während des Betriebes der Filtersoftware 14 arbeiten. Das erste derartige Register ist ein Gleichpolaritätszähler 13, der sowohl einen Zähl- als auch einen Rücksetzeingang hat. Das zweite derartige Register ist ein Filterkonstantenregister 15. Die Funktionen dieser Register werden im folgenden anhand der in den Fig. 3a und 3b beschriebenen Flußdiagramme erläutert.

Wie es in Fig. 3a dargestellt ist, liegt am Anfang ein Ein­ gangssignal vor, das die maximale Filterkonstante N_max von bei­ spielsweise 64 oder 128 ergibt (Schritt 50). Danach wird ein laufender Spannungsabtastwert Rdg_i vom Analog/Digitalwandler 16 erfaßt (Schritt 52).

Der vorhergehende wandernde Mittelwert Avg_i-1 wird dann von Rdg_i abgezogen, um einen Differenzwert DIFF_i zu erhalten, der den Unterschied des neuesten Spannungsanzeigewertes vom vorher addierten mittleren Spannungswert angibt (Schritt 54). Der Wert DIFF_i wird nun geprüft, um zu ermitteln, ob er gleich 0 ist (Schritt 56). Wenn er nicht gleich 0 ist, dann wird die Polarität des Wertes DIFF_i geprüft, um zu ermitteln, ob sie gleich der Polarität von DIFF_i-1 ist (Entscheidungsschritt 58).

Es wird insbesondere ermittelt, ob die zwischen dem neuesten Spannungswert und dem vorhergehenden Mittelwert erhaltene Span­ nungsdifferenz die gleiche Polarität wie die Differenzspannung hat, die von dem unmittelbar vorhergehenden Spannungswert er­ halten wurde.

Wenn die Differenzspannungen die gleiche Polarität haben, dann wird der Gleichpolaritätszähler 13 in der ALU 12 um 1 erhöht (Schritt 60), und wird der Wert des Zählers geprüft (Entschei­ dungsschritt 62), um zu ermitteln, ob sein Zählerstand gleich oder größer als 5 ist. Das heißt, daß bei wenigstens 5 oder mehr gleichen Polaritäten in den Werten von DIFF angenommen wird, daß sich das Signal in eine Richtung geändert hat und daß die Filteransprechzeit verringert werden sollte, damit der wandernde Mittelwert den Eingangswert schneller erreichen kann. Der Wert 5 ist etwas willkürlich und hängt in gewissem Maße von dem erwarteten Charakter des ankommenden Signals ab. Das hat zur Folge (Schritt 64), daß das Filterkonstantenregister, das gegenwartig einen Zählerstand von N_i zeigt, seinen Wert dadurch herabsetzt, daß es seinen Zählerstand um einen ganzzahligen Faktor von vorzugsweise 2 dividiert. Der Zählerstand des Filterkonstantenregisters kann daher ersichtlich nicht auf weniger als den Wert 1 verringert werden, der somit den unteren Grenzwert darstellt.

In dieser Phase berechnet die Software einen neuen Wert für AVG_i, indem sie den Wert von DIFF_i durch den neuen Wert N_i di­ vidiert. Das Ergebnis dieser Division wird dann Avg_i-1 zuad­ diert, um einen neuen wandernden Mittelwert zu erhalten (Schritt 66). Es sei darauf hingewiesen, daß durch die Verwendung eines abnehmenden Wertes N_i als Teiler ein größerer Teil von DIFF_i dem vorhergehenden wandernden Mittelwert (Avg_i-1) zuaddiert wird, so daß der Eingangswert schneller erreicht wird.

Wenn im Schritt 62 festgestellt wird, daß die Anzahl gleicher Polaritäten kleiner als 5 ist, dann wird der Wert N_i des Fil­ terkonstantenregisters nicht erhöht und wird die Berechnung des wandernden Mittelwertes gemäß Schritt 66 fortgesetzt, wobei die letzte Filterkonstante als Teiler benutzt wird.

Wenn im Schritt 56 festgestellt wird, daß der Wert von DIFF_i nicht gleich 0 ist, dann geht das Programm unmittelbar auf den Schritt 68 über, indem der N_i-Wert, den das Filterkonstanten­ register 15 zeigt, um einen ganzzahligen Faktor von vorzugsweise 2 erhoht wird- Sein Wert ist so begrenzt, daß N_i einen Wert N_max nicht überschreitet. Dasselbe erfolgt dann, wenn festgestellt wird, daß die Polarität von DIFF_i nicht gleich der Polarität von DIFF_i-1 ist (Schritt 58). In beiden Fällen wird somit angenommen, daß eine Änderung in der Polarität aufgetreten ist und daß der wandernde Mittelwert nahe am Eingangswert liegt, so daß die Filteransprechzeit erhöht werden sollte, um die Rauschamplitude herabzusetzen. Das wird dadurch erreicht, daß der Gleichpolaritätszähler 13 auf 0 rückgesetzt wird (Schritt 70), und daß dann der erhöhte Wert von N_i im Filter­ konstantenregister 15 bei der Berechnung im Schritt 66 benutzt wird.

Durch die Verwendung dieses größeren Wertes für die Fil­ terkonstante wird somit der Wert DIFF_i/N_i herabgesetzt und wird die Filteransprechzeit größer, bis der Gleichpolaritätszählstand wieder einen Wert von mehr als 5 oder wenigstens 5 zeigt. An dieser Stelle wird die Filterkonstante durch einen ganzzahligen Faktor verkleinert.

Anschließend an jede Berechnung des wandernden Mittelwertes Avgi kehrt das Programm zum Schritt 52 zurück, um einen neuen Abfragewert Rdg_i+1 usw. zu erfassen, und wird das Programm fortgesetzt.

In den Fig. 4 und 5 sind Beispiele dargestellt, die die Wirkung eines adaptiven Bandbreitensteuerfilters, das so ar­ beitet, wie es in Fig. 3a und 3b dargestellt ist, mit dem be­ kannten Filter mit wanderndem Mittelwert vergleicht.

In den Fig. 4 und 5 sei angenommen, daß die maximale Fil­ terkonstante N_max bei 128 liegt, und daß die Anzeige- oder Ab­ fragefrequenz bei 2,5 Abfragen oder Anzeigen pro Sekunde liegt (Periode = 400 ms). Es sei weiterhin angenommen, daß das Stu­ fensignal 100 (siehe Fig. 4) der Filterfunktion unterworfen wird. Es ist ersichtlich, daß sich folgende Werte Avg_i für jede der im einzelnen angegebenen Abfragenummern ergeben (berechnet nach der Gleichung im Schritt 70 in Fig. 3b):

(Avg)₁ = 100 + 50/128 = 100,39
(Avg)₂ = 100,39 + 49,61/128 = 100,78
(Avg)₃ = 100,78 + 49,22/128 = 101,163
(Avg)₄ = 101,163 + 48,837/128 = 101,55
(Avg)₅ = 101,55 + 48,45/64 = 102,30
(Avg)₆ = 102,30 + 47,70/32 = 103,79
:
:
(Avg)₁₁ = 135,78 + 14,22/1 = 150

Es ist ersichtlich, daß die Gesamtanzahl von Abfragen für das adaptive Bandbreitenfilter gemäß der Erfindung zum Erreichen eines stabilen Wertzustandes von 100% gleich 11 ist. Die Ge­ samtfilterzeit beträgt dann:

Um die Zeit zu ermitteln, die für das bekannte Filter mit wan­ derndem Mittelwert erforderlich ist, damit es 95% seines sta­ bilen Wertes erreicht, ergibt die Gleichung (3) folgendes:

.95E₂ = E₂ - (E₂ - E₁) (1-1/128)ⁿ)

wobei:

E₂ = 150
E₁ = 100

Die Lösung der obigen Gleichung zeigt, daß n = 242 Abfragen not­ wendig sind und die Zeit, die für den Arbeitsvorgang benötigt wird, t = 97 s beträgt.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, liegt ein impulsförmiges Eingangssignal 102 mit einer Periode von weniger als 400 ms (kleiner als die Periode der Abfragefrequenz) am Filter bei einer gegebenen Filterkonstante von 64 (N_max = 64). Unter Ver­ wendung des Filteralgorithmus gemäß Fig. 3a und 3b ergeben sich die einzelnen Avg_i-Werte wie folgt:

(Avg)_i = 100 + 50/64 = 100,781
(Avg)₂ = 100,78 + -,781/128 = 100,755
:
:
(Avg)₁₂ = 100,22 + -,222/1 = 100

Es ist ersichtlich, daß 12 Abfragen erforderlich sind, damit das Filter 100% seines stabilen Wertes erreicht, und daß die dafür erforderliche Zeit 4,8 s beträgt.

Bei einem bekannten Filter mit wanderndem Mittelwert und einer Filterkonstanten gleich 64 liegt die Zahl der Abfragen, die not­ wendig ist, damit der gefilterte Wert 99,92% des stabilen Wertes erreicht, bei annähernd 144, und beträgt die erforderliche Zeit 58 s.

Claims (9)

1. Verfahren zum Ändern der Ansprechzeit eines Software-Fil­ ters, das einen Computer so betreibt, daß dieser nach dem Fil­ terverfahren mit wanderndem Mittelwert arbeitet, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
eine Anfangsfilterkonstante bezeichnet wird, um die Fil­ teransprechzeit zu steuern,
ein wandernder Mittelwert von Signalabtastamplituden bei­ behalten wird,
ein Differenzwert zwischen dem wandernden Mittelwert und jeder neuen Signalabtastamplitude gebildet wird, bevor die neue Signalabtastamplitude in den wandernden Mittelwert eingeht,
der wandernde Mittelwert dadurch fortgeschrieben wird, daß zum Zeitpunkt jedes neuen Signalabtastwertes ein Wert zuaddiert wird, der dadurch berechnet wird, daß der Dif­ ferenzwert für den neuen Signalabtastwert durch die An­ fangsfilterkonstante dividiert wird, und
festgestellt wird, wenn eine Reihe von mehreren gefun­ denen Differenzwerten eine identische Polarität zeigt, wobei auf eine derartige Feststellung die Anfangsfil­ terkonstante durch einen Faktor dividiert wird, um eine verringerte Filterkonstante zu erzeugen und dadurch die Filteransprechzeit zu verringern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß immer dann, wenn die Folge von mehreren gefundenen Dif­ ferenzwerten eine identische Polarität zeigt, die verringerte Filterkonstante um einen ganzzahligen Faktor dividiert wird, um die Filterkonstante weiter auf einen noch kleineren Wert jedoch niemals auf einen Wert kleiner als 1 zu verringern.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn ein gefundener Differenzwert eine andere Polarität als die des unmittelbar vorhergehenden gefundenen Dif­ ferenzwertes zeigt, die Filterkonstante mit einem Faktor mul­ tipliziert wird, um ihren Wert zu erhöhen, wobei diese Erhöhung niemals die Anfangsfilterkonstante überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn ein gefundener Differenzwert gleich 0 ist, die Fi­ lterkonstante mit einem Faktor multipliziert wird, um ihren Wert zu erhöhen, wobei die Erhöhung niemals die Anfangsfil­ terkonstante überschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ganzzahlige Faktor gleich 2 ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor eine ganze Zahl ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ganzzahlige Faktor gleich 2 ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Folge von mehreren gefundenen Differenzwerten gleich 5 ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Folge mehrerer gefundener Differenzwerte gleich 5 ist.