IT201600071534A1 - Procedimento e dispositivo per la conversione del tasso di campionamento di un flusso di campioni. - Google Patents
Procedimento e dispositivo per la conversione del tasso di campionamento di un flusso di campioni.Info
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Description
"Procedimento e dispositivo per la conversione del tasso di campionamento di un flusso di campioni"
DESCRIZIONE
Campo Tecnico
La presente invenzione si riferisce in generale a procedimenti e dispositivi per la conversione di un flusso di campioni ad una prima frequenza (tasso) di campionamento in un flusso di campioni ad una seconda frequenza (tasso) di campionamento, e, in modo più specifico, ma non esclusivo, ad una conversione adattativa da una prima frequenza di campionamento che è soggetta a deviazione da un valore nominale ad una seconda frequenza di campionamento che rientra in un fattore predeterminato di errore di risincronizzazione da un valore designato.
Sfondo
In sistemi digitali che includono l'elaborazione di dati campionati, può essere necessario convertire i dati campionati da una prima frequenza di campionamento ad un'altra. Ad esempio, un sistema sensore, come un accelerometro in un veicolo, può campionare dati ad una prima frequenza, e questo può essere collegato ad un sistema di elaborazione digitale che elabora campioni di dati ad una frequenza differente. I segnali di orologio per il sensore ed il processore digitale possono essere generati da oscillatori differenti funzionanti l'uno indipendentemente dall'altro, per cui la relazione precisa tra la prima e la seconda frequenza non è nota, e può essere soggetta a variabilità, ad esempio con la temperatura e variabilità tra le unità. In particolare, un sensore può avere un oscillatore interno avente una bassa precisione, che può essere soggetta a deviazione da un valore nominale di /- 10% o più, ad esempio a causa dell'uso di oscillatori RC o LC, ed un sistema di elaborazione digitale può avere un orologio molto accurato ricavato da un oscillatore a cristallo. Allo scopo di elaborare efficacemente i dati campionati, può essere desiderabile produrre dati campionati risincronizzati entro un fattore predeterminato di errore di risincronizzazione da un valore designato.
E' nota la conversione di dati campionati da una prima frequenza di campionamento ad una seconda frequenza di campionamento mediante sovracampionamento ("upsampling") ad una frequenza di campionamento superiore che è un multiplo sia della prima sia della seconda frequenza di campionamento, filtraggio dei dati sovracampionati utilizzando un filtro di interpolazione, e quindi sottocampionamento ("downsampling") alla seconda frequenza di campionamento. Tuttavia, allo scopo di realizzare un tale sistema quando il rapporto tra le frequenze di campionamento è soggetto a variabilità in un ampio campo, potrebbe essere necessario l'adattamento ad un ampio campo di fattori di sovracampionamento e di sottocampionamento, e ciò può condurre ad un'elevata complessità del sistema. In particolare, ogni combinazione di fattori di aumento e riduzione della frequenza di campionamento può richiedere coefficienti di filtro differenti per il filtro di interpolazione, e questo può essere pesante in termini di risorsa di memoria oltre ad aumentare la complessità del sistema.
Sintesi
In accordo con un primo aspetto della presente invenzione, si realizza un procedimento di conversione di un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento in un flusso di campioni ad una seconda frequenza di campionamento, la prima frequenza di campionamento essendo soggetta a deviazione da un valore nominale e la seconda frequenza di campionamento rientrando in un fattore predeterminato di errore di risincronizzazione da un valore designato, il procedimento comprendendo:
la misurazione della prima frequenza di campionamento;
la determinazione di un primo fattore di sovracampionamento da una base comprendente: la prima frequenza di campionamento misurata, il valore designato della seconda frequenza di campionamento, ed un fattore di errore di risincronizzazione, il primo fattore di sovracampionamento essendo vincolato ad essere una potenza intera di un valore intero predeterminato; e
la deduzione, da un insieme di riferimento di coefficienti di filtro e da un rapporto tra il primo fattore di sovracampionamento ed un fattore di riferimento di sovracampionamento, di un primo insieme di coefficienti di filtro per l'uso in un primo filtro di interpolazione, l'insieme di riferimento di coefficienti di filtro essendo predisposto per un fattore di riferimento di sovracampionamento che è una potenza intera del valore intero predeterminato.
Ciò permette una realizzazione avente una complessità ridotta ed avente un fabbisogno ridotto di risorsa di memoria per la memorizzazione di coefficienti di filtro. In particolare, il vincolo del primo fattore di sovracampionamento ad essere una potenza intera di un valore intero predeterminato, tipicamente una potenza di 2, limita il campo di possibili fattori di sovracampionamento, e può di conseguenza ridurre la complessità del sistema, e la deduzione dei coefficienti di filtro per l'uso nel primo filtro di interpolazione da un insieme di riferimento di coefficienti di filtro che sono relativi ad un fattore di riferimento di sovracampionamento che è anche una potenza intera del valore intero predeterminato, può ridurre il fabbisogno di risorsa di memoria per la memorizzazione dei coefficienti di filtro.
In una forma di attuazione dell'invenzione, la deduzione del primo insieme di coefficienti di filtro dall'insieme di riferimento di coefficienti di filtro comprende:
in funzione del fatto che il primo fattore di sovracampionamento sia maggiore del fattore di riferimento di sovracampionamento, un'interpolazione lineare tra l'insieme di riferimento di coefficienti di filtro;
in funzione del fatto che il primo fattore di sovracampionamento sia uguale al fattore di riferimento di sovracampionamento, la loro impostazione in modo che siano uguali all'insieme di riferimento di coefficienti di filtro; e
in funzione del fatto che il primo fattore di sovracampionamento sia minore del fattore di riferimento di sovracampionamento, la decimazione uniforme dall'insieme di riferimento di coefficienti di filtro, un fattore di decimazione della decimazione uniforme essendo uguale al rapporto intero tra il fattore di riferimento di sovracampionamento ed il primo fattore di sovracampionamento.
Ciò fornisce un procedimento efficiente dal punto di vista computazionale per la deduzione di un insieme di coefficienti di filtro per un filtro interpolatore, grazie alla semplicità dell'interpolazione lineare ed al sottocampionamento uniforme, riducendo nello stesso tempo il fabbisogno di risorsa di memoria, per il fatto che soltanto un unico insieme di coefficienti, l'insieme di coefficienti di filtro di riferimento, è contenuto in memoria.
In una forma di attuazione dell'invenzione, il valore intero predefinito è 2.
Ciò fornisce una realizzazione molto efficiente. In una forma di attuazione dell'invenzione, il primo filtro di interpolazione ed il filtro di interpolazione di riferimento sono filtri polifase. Il primo filtro di interpolazione ha un numero di fasi uguale al primo fattore di sovracampionamento e l'interpolazione di riferimento ha un numero di fasi uguale al fattore di riferimento di sovracampionamento.
Ciò fornisce una realizzazione efficiente.
In una forma di attuazione dell'invenzione, il procedimento comprende:
la determinazione di un primo fattore di sottocampionamento da una base comprendente: la prima frequenza di campionamento misurata, il valore designato della seconda frequenza di campionamento, ed il fattore predeterminato di errore di risincronizzazione, il primo fattore di sottocampionamento essendo un numero intero; e
la conversione del flusso di campioni alla prima frequenza di campionamento nel flusso di campioni alla seconda frequenza di campionamento mediante un processo comprendente il sovracampionamento secondo il primo fattore di sovracampionamento, il filtraggio utilizzando il primo insieme di coefficienti di filtro per il primo filtro di interpolazione ed il sottocampionamento secondo il primo fattore di sottocampionamento.
La determinazione del primo fattore di sottocampionamento su una base comprendente il fattore di sovracampionamento permette di selezionare fattori di sovracampionamento e di sottocampionamento che forniscono una conversione della frequenza di campionamento entro il fattore predeterminato di errore di risincronizzazione del valore designato della seconda frequenza di campionamento.
In una forma di attuazione dell'invenzione, la determinazione del primo fattore di sovracampionamento e del primo fattore di sottocampionamento comprende: la determinazione di un rapporto tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento misurata; e
la selezione del valore del primo fattore di sovracampionamento e del primo fattore di sottocampionamento in modo che il fattore di errore tra il rapporto tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento ed il rapporto tra il primo fattore di sovracampionamento ed il primo fattore di sottocampionamento sia inferiore al fattore predeterminato di errore di risincronizzazione.
In una forma di attuazione dell'invenzione il procedimento comprende:
la selezione di un valore di tentativo del primo fattore di sovracampionamento;
la determinazione di un valore di tentativo del primo fattore di sottocampionamento sulla base del rapporto determinato tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento misurata e del valore di tentativo selezionato del primo fattore di sovracampionamento; il calcolo di un fattore di errore di risincronizzazione sulla base dei valori di tentativo del primo fattore di sovracampionamento e del primo fattore di sottocampionamento;
in funzione del fattore di errore di risincronizzazione maggiore di un valore di soglia, l'incremento iterativo del valore di tentativo del primo fattore di sovracampionamento e del valore di tentativo del primo fattore di sottocampionamento ed il calcolo di un fattore di errore di risincronizzazione; e
la selezione di un rispettivo valore del primo fattore di sovracampionamento incrementato e del primo fattore di sottocampionamento che fornisce un fattore di errore di risincronizzazione inferiore o uguale al valore di soglia.
Ciò fornisce un procedimento efficiente di determinazione iterativa dei fattori di sovracampionamento e di sottocampionamento.
In una forma di attuazione dell'invenzione la deviazione dal valore nominale della prima frequenza di campionamento può essere maggiore di /- 1%, e può essere maggiore di /- 10%.
In accordo con un secondo aspetto dell'invenzione, si realizza un dispositivo per convertire un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento in un flusso di campioni ad una seconda frequenza di campionamento, la prima frequenza di campionamento essendo soggetta a deviazione da un valore nominale e la seconda frequenza di campionamento rientrando in un fattore predeterminato di errore di risincronizzazione da un valore designato, il dispositivo essendo configurato in modo da attuare il procedimento rivendicato.
In accordo con un terzo aspetto dell'invenzione, si realizza un sistema di rilevamento per un veicolo, comprendente:
un sensore MEMS predisposto per generare un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento;
un sistema di elaborazione dati atto ad accettare un flusso di campioni ad una seconda frequenza di campionamento; e
il dispositivo rivendicato per convertire un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento in un flusso di campioni ad una seconda frequenza di campionamento.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione seguente di forme di attuazione esemplificative dell'invenzione, che sono fornite soltanto a titolo di esempio.
Breve Descrizione dei Disegni
La figura 1 riporta un diagramma schematico che illustra un sistema di conversione di frequenza di campionamento in una forma di attuazione dell'invenzione;
la figura 2 riporta un diagramma schematico funzionale che illustra un convertitore frazionario adattativo di frequenza di campionamento in una forma di attuazione dell'invenzione;
la figura 3 riporta un diagramma schematico che illustra la deduzione di coefficienti di filtro polifase mediante decimazione per il caso in cui il fattore di sovracampionamento è minore del fattore di riferimento di sovracampionamento in una forma di attuazione dell'invenzione;
la figura 4 riporta un diagramma schematico che illustra la deduzione di coefficienti di filtro polifase per il caso in cui il fattore di sovracampionamento è uguale al fattore di riferimento di sovracampionamento in una forma di attuazione dell'invenzione (in questo esempio: Mref/M = 2);
la figura 5 riporta un diagramma schematico che illustra la deduzione di coefficienti di filtro polifase per interpolazione per il caso in cui il fattore di sovracampionamento è maggiore del fattore di riferimento di sovracampionamento in una forma di attuazione dell'invenzione (in questo esempio: M/Mref= 2);
la figura 6 riporta un diagramma schematico che illustra un'interpolazione in una forma di attuazione dell'invenzione;
la figura 7 riporta un diagramma schematico che illustra il funzionamento di un filtro polifase in una forma di attuazione dell'invenzione;
la figura 8 riporta un diagramma schematico che illustra un sistema di conversione di frequenza di campionamento in una forma di attuazione alternativa dell'invenzione, che può fornire una frequenza di campionamento di uscita flessibile che può essere scalata di un fattore configurabile P;
la figura 9 riporta un diagramma di flusso di un procedimento secondo una forma di attuazione dell'invenzione comprendente la determinazione di un fattore di sovracampionamento e la selezione di un insieme di coefficienti di filtro;
la figura 10 riporta un diagramma di flusso di un procedimento di conversione di frequenza di campiona mento in una forma di attuazione dell'invenzione; e la figura 11 riporta un ulteriore diagramma di flusso di un procedimento di conversione di frequenza di campionamento in una forma di attuazione dell'invenzione.
Descrizione Dettagliata
A titolo di esempio, alcune forme di attuazione dell'invenzione saranno ora descritte nel contesto di un sistema di rilevamento di accelerazione per un veicolo, comprendente un MEMS ("Micro-Electromechanical System" – Sistema Micro-Elettromeccanico) atto a generare un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento ed un sistema di elaborazione dati atto ad accettare un flusso di campioni ad una seconda frequenza di campionamento. Si comprenderà che forme di attuazione dell'invenzione possono riferirsi ad altre applicazioni, e che forme di attuazione dell'invenzione non sono limitate all'uso in veicoli o sistemi di rilevamento MEMS. Forme di attuazione possono riferirsi ad altri sistemi di elaborazione dati che richiedano una conversione della frequenza di campionamento.
La figura 1 mostra un sistema di conversione di frequenza di campionamento in una forma di attuazione dell'invenzione. Un sensore di accelerazione MEMS 2 è collegato attraverso una funzione frazionaria adattativa di conversione di frequenza di campionamento 1 ad una funzione di elaborazione di dati di sistema 3. La funzione di conversione frazionaria adattativa di frequenza di campionamento 1 è rappresentata più in dettaglio nella figura 2. Un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento è sovracampionato 7 secondo un fattore di sovracampionamento M, il flusso sovracampionato di campioni è fatto passare attraverso un filtro di interpolazione 8, che può essere un filtro polifase, e sottocampionato 9 secondo un fattore di sottocampionamento N ad una seconda frequenza di campionamento. In questo modo, un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento è convertito in un flusso di campioni ad una seconda frequenza di campionamento.
La prima frequenza di campionamento è soggetta a deviazione da un valore nominale, che può essere maggiore di /- 1%, e può essere maggiore di /- 10% del valore nominale. La seconda frequenza di campionamento è predisposta in modo da rientrare in un fattore predeterminato di errore di risincronizzazione da un valore designato.
A titolo di esempio, la prima frequenza di campionamento può essere 1344 Hz /- 10%, ed il valore nominale designato della seconda frequenza di campionamento può essere 200 Hz. Il fattore predeterminato di errore di risincronizzazione rispetto al valore nominale può essere, ad esempio, un fattore tra 10 e 100 parti per milione (PPM), ossia tra 10<-5>e 10<-4>. Il fattore di errore non è limitato a questi valori, ma è normalmente specificato inferiore alla deviazione di frequenza dalla prima frequenza di campionamento.
Come è illustrato nella figura 1, il convertitore frazionario adattativo di frequenza di campionamento 1 e l'elaborazione di dati di sistema 3 possono operare con un'elaborazione in tempo reale, ossia l'elaborazione è effettuata su un flusso di dati ricevuto dal MEMS ad una frequenza sufficiente per poter elaborare un flusso continuo alla prima frequenza di campionamento.
Come è anche illustrato nella figura 1, i parametri per il controllo del convertitore frazionario adattativo di frequenza di campionamento 1 possono essere calcolati in un'elaborazione fuori linea, ossia non in tempo reale, comportando potenzialmente l'elaborazione ad una velocità inferiore all'elaborazione in tempo reale. Ad esempio, l'elaborazione in tempo reale può essere realizzata in firmware, ad esempio un insieme di porte programmabile, e l'elaborazione fuori linea può essere realizzata in software, ad esempio software eseguito da un processore di controllo, come un microcontrollore. Un dispositivo di elaborazione di segnali digitali può essere programmato per eseguire le funzioni in tempo reale. Il processore di controllo ed i processori di segnale logici e/o digitali possono essere integrati in un Circuito Integrato Specifico per un'Applicazione ("Application Specific Integrated Circuit" – ASIC). In alternativa, forme di attuazione dell'invenzione possono essere realizzate mediante una varietà di altre tecniche, con l'inclusione di software sotto forma di codice eseguibile contenuto in una memoria, configurato in modo da far sì che uno o più processori attuino i procedimenti secondo forme di attuazione dell'invenzione.
Come è illustrato nella figura 1, i parametri per il controllo del convertitore frazionario adattativo di frequenza di campionamento includono il fattore di sovracampionamento M, il fattore di sottocampionamento N, ed i coefficienti del filtro per il filtro di interpolazione h1– hn. Come è illustrato nella figura 1, la prima frequenza di campionamento è misurata in 4. Questo può essere effettuato, ad esempio, conteggiando i campioni ricevuti dal sensore MEMS entro un intervallo di tempo noto. L'intervallo di tempo noto può essere calcolato sulla base dell'orologio del sistema di elaborazione dati, ad esempio, che può avere un oscillatore preciso controllato a cristallo. Un fattore di sovracampionamento, M, è determinato in 5 da una base comprendente la prima frequenza di campionamento misurata, il valore designato della seconda frequenza di campionamento, ed un fattore di errore di risincronizzazione.
In una forma di attuazione dell'invenzione, il fattore di sovracampionamento è vincolato ad essere una potenza intera di un valore intero predeterminato. Nell'esempio illustrato nella figura 1, il valore intero predeterminato è 2, per cui il fattore di sovracampionamento è vincolato ad essere una potenza di 2. Come sarà spiegato, ciò riduce notevolmente la complessità della realizzazione, riducendo il campo di possibili fattori di sovracampionamento, e riducendo così il campo di variazioni del filtro di interpolazione che potrebbero essere richieste. Il campo di variazioni di coefficienti del filtro che devono essere conservati in memoria è conseguentemente ridotto, il che riduce le esigenze di risorse di memoria del sistema.
Come è anche illustrato nella figura 1, un primo insieme di coefficienti del filtro h1– hnè ricavato per l'uso nel filtro di interpolazione da un insieme di riferimento di coefficienti del filtro. L'insieme di riferimento di coefficienti del filtro è predisposto per un fattore di sovracampionamento di riferimento che è anche una potenza intera del valore intero predeterminato, in questo esempio una potenza di 2. Il procedimento utilizzato per la deduzione del primo insieme di coefficienti del filtro dall'insieme di riferimento di coefficienti del filtro dipende dal rapporto tra il fattore di sovracampionamento ed il fattore di sovracampionamento di riferimento.
Le figure 3, 4 e 5 illustrano la deduzione del primo insieme di coefficienti del filtro dall'insieme di riferimento di coefficienti del filtro per vari casi di rapporto tra il fattore di sovracampionamento ed il fattore di sovracampionamento di riferimento, per l'esempio del caso in cui il fattore intero predeterminato è 2. La figura 3 illustra che, se il fattore di sovracampionamento è maggiore del fattore di sovracampionamento di riferimento, il primo insieme di coefficienti del filtro è determinato per interpolazione lineare tra i coefficienti del filtro di riferimento, ossia l'insieme di riferimento di coefficienti del filtro. La figura 4 illustra che se il fattore di sovracampionamento è uguale al fattore di sovracampionamento di riferimento, il primo insieme di coefficienti del filtro è determinato uguale ai coefficienti di riferimento del filtro. La figura 6 illustra che se il fattore di sovracampionamento è minore del fattore di sovracampionamento di riferimento, il primo insieme di coefficienti del filtro è determinato per decimazione uniforme dai coefficienti del filtro di riferimento, il fattore di decimazione essendo uguale al rapporto intero tra il fattore di sovracampionamento di riferimento ed il fattore di sovracampionamento. Ciò fornisce un procedimento efficiente dal punto di vista computazionale di deduzione di un insieme di coefficienti del filtro per un filtro interpolatore riducendo nello stesso tempo il fabbisogno di risorsa di memoria per memorizzare i coefficienti del filtro.
La figura 6 illustra il funzionamento del filtro di interpolazione. Si può vedere che, in questo esempio, i campioni di ingresso da 10a a 10h sono ad una prima frequenza di campionamento che è più lenta della frequenza di campionamento dei campioni di uscita da 11a ad 11f. Si può vedere che la frequenza di campionamento di ingresso è sovracampionata ad una frequenza intermedia più alta mediante l'aggiunta di campioni di valore nullo tra i campioni di ingresso. L'effetto del filtro di interpolazione è quello di introdurre valori a variazione progressiva tra i campioni di ingresso come illustrato. I campioni di uscita da 11a ad 11f possono allora essere selezionati in modo da includere valori interpolati appropriati alla seconda frequenza di campionamento. Il filtro di interpolazione è tipicamente un filtro a risposta finita all'impulso ("Finite Impulse Response" – FIR) e può essere un filtro polifase.
La figura 7 illustra il funzionamento di un filtro polifase. E' rappresentato un flusso dati sovracampionato 12 che comprende campioni di ingresso S1-S4, tra i quali sono stati aggiunti campioni a valore nullo. Ciascun campione dal flusso dati sovracampionato è moltiplicato in 13 per un rispettivo coefficiente del filtro 14 h1- h14. I risultati di ciascuna moltiplicazione sono accumulati in 15 e formano il flusso di campioni in uscita. Il flusso di campioni in uscita può quindi essere sottocampionato per formare un flusso alla seconda frequenza di campionamento. La figura 7 mostra un'istantanea nel tempo. Al ciclo di orologio seguente alla frequenza dei campioni sovracampionati, il flusso di campioni di ingresso si sposterà di una posizione verso destra. In ogni istante, non tutti i moltiplicatori sono attivi, poiché molti dei moltiplicatori hanno un ingresso nullo. Ciò è equivalente a conservare soltanto i campioni non nulli, ossia: ridurre il registro di campioni richiesto di un fattore M, e modificare i coefficienti h secondo il campione da fornire in uscita. Inoltre, il calcolo di campioni di uscita deve soltanto essere effettuato per il sottoinsieme di campioni che saranno selezionati una volta sottocampionati. Il filtro polifase fornisce così una realizzazione efficiente in termini di utilizzo di risorse di elaborazione di segnale.
In una forma di attuazione dell'invenzione, il primo filtro di interpolazione ed il filtro di interpolazione di riferimento sono filtri polifase. Il primo filtro di interpolazione ha tipicamente un numero di fasi uguale al fattore di sovracampionamento e l'interpolazione di riferimento ha tipicamente un numero di fasi uguale al fattore di sovracampionamento di riferimento. Il numero di fasi è maggiore di uno rispetto al numero di zeri aggiunti per ciascun campione di ingresso. Nell'esempio illustrato nella figura 7, il filtro polifase ha quattro fasi.
In una forma di attuazione dell'invenzione, il fattore di sottocampionamento può essere determinato dalla prima frequenza di campionamento misurata, dal valore designato della seconda frequenza di campionamento, e dal fattore predeterminato di errore di risincronizzazione. Il fattore di sottocampionamento ha un valore intero. Il flusso di campioni alla prima frequenza di campionamento può essere convertito nel flusso di campioni alla seconda frequenza di campionamento mediante un processo comprendente il sovracampionamento secondo il fattore di sovracampionamento, il filtraggio utilizzando il primo insieme di coefficienti del filtro per il primo filtro di interpolazione ed il sottocampionamento secondo il fattore di sottocampionamento.
Il fattore di sovracampionamento ed il fattore di sottocampionamento possono essere determinati determinando il rapporto tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento misurata, e selezionando il valore del fattore di sovracampionamento e del fattore di sottocampionamento in modo che il fattore di errore tra il rapporto tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento ed il rapporto tra il fattore di sovracampionamento ed il fattore di sottocampionamento sia minore del fattore predeterminato di errore di risincronizzazione. Questo può essere realizzato, ad esempio, mediante un processo iterativo come segue. E' possibile selezionare un valore di tentativo del fattore di sovracampionamento, ed è possibile determinare un valore di tentativo corrispondente del fattore di sottocampionamento dal rapporto tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento misurata e dal valore di tentativo selezionato del fattore di sovracampionamento. E' possibile calcolare un fattore di errore di risincronizzazione sulla base dei valori di tentativo del fattore di sovracampionamento e del fattore di sottocampionamento, e se il fattore di errore di risincronizzazione è superiore ad un valore di soglia, il valore di tentativo del fattore di sovracampionamento può essere incrementato, ed il valore di tentativo del fattore di sottocampionamento ricalcolato di conseguenza, ed il fattore di errore di risincronizzazione può quindi essere ricalcolato. Questo incremento del fattore di sovracampionamento può essere ripetuto in modo iterativo fino a selezionare valori del fattore di sovracampionamento incrementato e del fattore di sottocampionamento che forniscono un fattore di errore di risincronizzazione inferiore o uguale al valore di soglia. Poiché i fattori di sovracampionamento sono tipicamente espressi nella forma 2<Q>, l'incremento è tipicamente effettuato aumentando soltanto Q, poiché il calcolo di 2<Q>è un'operazione hardware o software molto semplice. Ciò fornisce un procedimento efficiente per determinare in modo iterativo i fattori di sovracampionamento e di sottocampionamento.
Il fattore di sovracampionamento di riferimento può essere determinato, tipicamente nello stadio di progetto, prendendo in considerazione il campo previsto di valori della prima frequenza di campionamento ed il fattore desiderato di errore di risincronizzazione rispetto alla seconda frequenza di campionamento, dato che il fattore di sovracampionamento di riferimento è vincolato ad essere una potenza intera del numero intero predefinito, che è tipicamente 2. Un insieme specifico di coefficienti del filtro di riferimento per il funzionamento per il fattore di sovracampionamento di riferimento può allora essere predisposto, ed importato nel sistema convertitore di frequenza di campionamento per la memorizzazione.
La figura 8 mostra una realizzazione alternativa, in cui il convertitore frazionario adattativo di frequenza di campionamento è preceduto da un filtro FIR e decimazione, in questo caso decimazione secondo un fattore P configurabile, che può essere ad esempio una decimazione 4:1, e seguito da un ulteriore filtro FIR e decimazione, in questo caso una decimazione che può essere secondo un ulteriore fattore configurabile, in questo esempio una decimazione 2:1. Ciò permette di ridurre il fabbisogno di risorse di elaborazione nel convertitore frazionario adattativo di frequenza di campionamento.
La figura 9 riporta un diagramma di flusso che mostra un procedimento secondo una forma di attuazione dell'invenzione comprendente la determinazione di un fattore di sovracampionamento e la selezione di un insieme di coefficienti del filtro con fasi da S9.1 ad S9.3.
La figura 10 riporta un diagramma di flusso che mostra un procedimento di conversione di frequenza di campionamento in una forma di attuazione dell'invenzione con fasi da S10.1 ad S10.4.
La figura 11 riporta un ulteriore diagramma di flusso per un procedimento di conversione di frequenza di campionamento in una forma di attuazione dell'invenzione con fasi da S11.1 ad S11.5.
Alcune forme di attuazione dell'invenzione possono fornire prestazioni di sincronizzazione che soddisfano una precisione definita designata, anche quando i segnali di ingresso sono caratterizzati da un'elevata dispersione della frequenza di campionamento, dell'ordine di ±10% o più.
Alcune forme di attuazione dell'invenzione possono essere vantaggiose nei sistemi di acquisizione caratterizzati da un'elevata dispersione delle frequenze di campionamento nominali dell'origine, in particolare sensori MEMS, che sono tipicamente affetti da un'elevata variabilità della frequenza di campionamento, dell'ordine di ±10%. Tale elevata variabilità è relativa al tipo di oscillatori utilizzati da sensori MEMS integrati in silicio, tipicamente un tipo LC o RC. Questi tipi di oscillatore sono tipicamente caratterizzati da una bassa precisione rispetto alla precisione di un oscillatore al quarzo e da una dispersione della frequenza generata che tipicamente dipende dalla dispersione del processo nel silicio. Inoltre, la variazione della frequenza di campionamento può essere influenzata dalle condizioni operative come la temperatura, ed anche dall'invecchiamento ed altri fattori. Tali fattori possono non essere facilmente prevedibili.
In una forma di attuazione dell'invenzione, un segnale di uscita risincronizzato può essere fornito ad una certa frequenza fo, corrispondente ad una precisione di risincronizzazione desiderata, ed a partire da un segnale di ingresso campionato ad una frequenza di campionamento fi che può essere interessata da un'elevata deviazione rispetto al valore nominale. Questo può essere realizzato con un algoritmo di bassa complessità, utilizzando risorse hardware e/o software limitate. L'algoritmo può essere scalabile all'architettura disponibile ed alle risorse potenziali hardware e/o software di un'architettura designata, come memoria e risorsa di calcolo disponibile. La tecnica può anche essere facilmente realizzata in firmware e/o software per un'elaborazione in tempo reale, oppure può essere eseguita in post-elaborazione.
In forme di attuazione dell'invenzione, si utilizza un filtro polifase per realizzare un filtro FIR per interpolazione. La tecnica di filtraggio polifase può operare come segue. Da una frequenza di ingresso fi e da una frequenza di uscita fo, vengono identificati due numeri interi coprimi [M, N] in modo che fi/fo = N/M, il filtro polifase comprende un banco di M fasi di filtro. Ciascun banco è applicato in un istante m, attraverso un algoritmo ciclico, in modo che il banco applicabile nell'istante di uscita m-esimo sia funzione di m, N ed M. La larghezza di banda del filtro è 1/max(M,N) (alla frequenza sovracampionata M volte).
In un caso generale, se fi è interessata da un'elevata variabilità, fo essendo fissa e rappresentando la frequenza di uscita desiderata, il rapporto fi/fo potrebbe non essere un unico valore, ma un insieme di valori appartenenti a un certo intervallo. Di conseguenza, può avvenire che la coppia [M, N] non sia definita in modo univoco, per cui non è possibile definire un unico filtro ed un'unica logica di selezione dei banchi. Può essere necessario un insieme di filtri, uno per ciascuna coppia [M, N], ciascuno avente la propria larghezza di banda, e ciascuno gestito da una logica dedicata. Di conseguenza, potenzialmente la complessità di un filtro polifase adattativo può crescere per un'elevata variabilità di fi. Con l'aumento del campo di valori di fi, e con l'aumento del campo dell'insieme di valori [M, N] necessario, la memoria richiesta può anche aumentare a causa della necessità di memorizzare molti filtri polifase, uno per ciascuna coppia [M, N].
In forme di attuazione dell'invenzione, anche se fi/fo è molto variabile, può essere memorizzato un unico filtro polifase di riferimento, corrispondente ad Mref, ed è possibile considerare soltanto un insieme ridotto di [M, N], relativo alla variazione di fi nel campo di ingresso, in modo che sia possibile mantenere la complessità dell'algoritmo sotto controllo ed entro condizioni al contorno ed ancora conforme alla precisione di risincronizzazione richiesta.
Alcune forme di attuazione dell'invenzione possono utilizzare un insieme ridotto di valori M, in cui M = 2<n>, ed n = [1, 2, …, n<max>], dove 2<nmmax>corrisponde alla miglior precisione di risincronizzazione desiderata.
Alcune forme di attuazione dell'invenzione possono configurare il filtro polifase corrispondente ad una certa coppia [M, N] a partire dal filtro polifase di riferimento, e ricostruire campioni con un'elaborazione dati in tempo reale ottenuti per interpolazione lineare o per decimazione intera dei coefficienti del filtro di riferimento, che può tipicamente comportare un'elaborazione molto semplice.
Il processo di conversione di frequenza può richiedere il calcolo dei parametri [M, N], i fattori di sovracampionamento e sottocampionamento. M ed N sono numeri interi coprimi in modo che, idealmente, N/M = f1/f0. In un sistema reale è improbabile che queste due frequenze siano in un rapporto razionale, per cui M ed N possono essere definiti come segue. M ed N sono due numeri interi coprimi, in modo che il rapporto M/N esprima un rapporto tra frequenze fi e frequenze fo con l'approssimazione desiderata.
In questo modo l'errore di risincronizzazione relativo ad una scelta definita di M ed N diventa un parametro di prestazione importante da considerare durante la fase di progetto del dispositivo. L'errore di risincronizzazione espuò essere dato come segue. es= | (f0– (M/N) fi) / f0|
Nel caso di sensori MEMS caratterizzati da un'elevata variabilità della frequenza di campionamento (ad esempio: ±10%), [M, N] sarà variabile, in funzione del tipo di risorsa utilizzata e delle condizioni ambientali come temperatura di lavoro ed invecchiamento.
Alcune forme di attuazione dell'invenzione possono comprendere un modulo di stima di frequenza di origine ed un modulo associato di calcolo di [M, N], un modulo di calcolo di coefficienti del convertitore di frequenza di campionamento, ed un modulo di nucleo convertitore di frequenza di campionamento. Il modulo di stima di frequenza di origine ed il modulo associato di calcolo di [M, N] possono calcolare M nella forma M = 2<n>, essendo M ≤ Mmax, dove Mmaxè selezionato in modo che, variando [M, N], la risincronizzazione sia ottenuta con un errore esinferiore ad un limite fisso. Il modulo di calcolo di coefficienti del convertitore di frequenza di campionamento può calcolare coefficienti quando sono stati calcolati [M, N]. Questo calcolo può essere basato sul filtro prototipo, ossia sul filtro di riferimento, contenuto in memoria. Esso può fornire coefficienti correnti semplicemente per interpolazione lineare o decimazione intera dei coefficienti del filtro polifase. Il modulo di nucleo convertitore di frequenza di campionamento può essere programmato utilizzando i coefficienti ed i parametri calcolati in un modo adattativo, per eseguire il filtraggio.
Le forme di attuazione precedenti devono essere intese come esempi illustrativi dell'invenzione. Si deve comprendere che una qualsiasi caratteristica descritta con riferimento ad una qualsiasi forma di attuazione può essere utilizzata da sola, o in combinazione con altre caratteristiche descritte, e può anche essere utilizzata in combinazione con una o più caratteristiche di qualsiasi altra forma di attuazione, o qualsiasi combinazione di qualsiasi altra forma di attuazione. Inoltre, equivalenti e modifiche non descritti in precedenza possono anche essere utilizzati senza allontanarsi dall'ambito dell'invenzione, che è definito nelle rivendicazioni annesse.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di conversione di un flusso di campioni ad una prima frequenza (tasso) di campionamento in un flusso di campioni ad una seconda frequenza (tasso) di campionamento, la prima frequenza di campionamento essendo soggetta a deviazione da un valore nominale e la seconda frequenza di campionamento rientrando in un fattore predeterminato di errore di risincronizzazione da un valore designato, il procedimento comprendendo: la misurazione della prima frequenza di campionamento; la determinazione di un primo fattore di sovracampionamento ("upsampling") da una base comprendente: la prima frequenza di campionamento misurata, il valore designato della seconda frequenza di campionamento, ed un fattore di errore di risincronizzazione, il primo fattore di sovracampionamento essendo vincolato ad essere una potenza intera di un valore intero predeterminato; e la deduzione, da un insieme di riferimento di coefficienti di filtro e da un rapporto tra il primo fattore di sovracampionamento ed un fattore di sovracampionamento di riferimento, di un primo insieme di coefficienti di filtro da utilizzare in un primo fil tro di interpolazione, l'insieme di riferimento di coefficienti di filtro essendo predisposto per un fattore di sovracampionamento di riferimento che è una potenza intera del valore intero predeterminato.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui la deduzione del primo insieme di coefficienti di filtro dall'insieme di riferimento di coefficienti di filtro comprende: in funzione del primo fattore di sovracampionamento maggiore del fattore di sovracampionamento di riferimento, un'interpolazione lineare tra l'insieme di riferimento di coefficienti di filtro; in funzione del primo fattore di sovracampionamento uguale al fattore di sovracampionamento di riferimento, la loro impostazione in modo che siano uguali all'insieme di riferimento di coefficienti di filtro; e in funzione del primo fattore di sovracampionamento minore del fattore di sovracampionamento di riferimento, una decimazione uniforme dall'insieme di riferimento di coefficienti di filtro, un fattore di decimazione della decimazione uniforme essendo uguale al rapporto intero tra il fattore di sovracampionamento di riferimento ed il primo fattore di sovracampionamento.
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui il valore intero predefinito è 2.
- 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo filtro di interpolazione ed il filtro di interpolazione di riferimento sono filtri polifase.
- 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente: la determinazione di un primo fattore di sottocampionamento ("downsampling") da una base comprendente: la prima frequenza di campionamento misurata, il valore designato della seconda frequenza di campionamento, ed il fattore predeterminato di errore di risincronizzazione, il primo fattore di sottocampionamento essendo un valore intero; e la conversione del flusso di campioni alla prima frequenza di campionamento nel flusso di campioni alla seconda frequenza di campionamento mediante un processo comprendente il sovracampionamento secondo il primo fattore di sovracampionamento, il filtraggio utilizzando il primo insieme di coefficienti di filtro per il primo filtro di interpolazione ed il sottocampionamento secondo il primo fattore di sottocampionamento.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui la determinazione del primo fattore di sovracampionamento e del primo fattore di sottocampionamento comprende: la determinazione di un rapporto tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento misurata; e la selezione del valore del primo fattore di sovracampionamento e del primo fattore di sottocampionamento in modo che il fattore di errore tra il rapporto tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento ed il rapporto tra il primo fattore di sovracampionamento ed il primo fattore di sottocampionamento sia minore del fattore predeterminato di errore di risincronizzazione.
- 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, comprendente: la selezione di un valore di tentativo del primo fattore di sovracampionamento; la determinazione di un valore di tentativo del primo fattore di sottocampionamento sulla base del rapporto determinato tra il valore designato della seconda frequenza di campionamento e la prima frequenza di campionamento misurata e sulla base del valore di tentativo selezionato del primo fattore di sovracampionamento; il calcolo di un fattore di errore di risincronizzazione sulla base dei valori di tentativo del primo fattore di sovracampionamento e del primo fattore di sottocampionamento; in funzione del fattore di errore di risincronizzazione maggiore di un valore di soglia, l'incremento iterativo del valore di tentativo del primo fattore di sovracampionamento e del valore di tentativo del primo fattore di sottocampionamento ed il calcolo di un fattore di errore di risincronizzazione; e la selezione di un rispettivo valore del primo fattore di sovracampionamento incrementato e del primo fattore di sottocampionamento che fornisce un fattore di errore di risincronizzazione inferiore o uguale al valore di soglia.
- 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la deviazione dal valore nominale della prima frequenza di campionamento è maggiore di /- 1%,
- 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui la deviazione dal valore nominale della prima frequenza di campionamento è maggiore di /- 10%.
- 10. Dispositivo per convertire un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento in un flusso di campioni ad una seconda frequenza di campionamento, la prima frequenza di campionamento essendo soggetta a deviazione da un valore nominale e la seconda frequenza di campionamento rientrando in un fattore predeterminato di errore di risincronizzazione da un valore designato, il dispositivo essendo configurato in modo da attuare il procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9.
- 11. Sistema di rilevamento per un veicolo, comprendente: un sensore MEMS predisposto per generare un flusso di campioni ad una prima frequenza di campionamento; un sistema di elaborazione dati atto ad accettare un flusso di campioni ad una seconda frequenza di campionamento; e un dispositivo secondo la rivendicazione 10.
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| ANG C N ET AL: "Virtex FPGA implementation of a polyphase filter for sample rate conversion", SIGNALS, SYSTEMS AND COMPUTERS, 2000. CONFERENCE RECORD OF THE THIRTY- FOURTH ASILOMAR CONFERENCE ON OCT. 29 - NOV. 1, 2000, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, 29 October 2000 (2000-10-29), pages 365 - 369vol.1, XP032142630, ISBN: 978-0-7803-6514-8, DOI: 10.1109/ACSSC.2000.910979 * |
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