KR20170010751A - 가변 반송파 주파수와 고르첼 필터링을 이용하는 센서 장치 - Google Patents

Abstract

특히 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법은, - 상기 신호를 복조하기 위해 계수(c(n))를 계산하는 단계; - 미리 한정된 최대 개수(n_max)의 단계들에 대해 상기 계수에 의해 이산 중간값(s, s1, s2)들을 계산하는 것에 의해 상기 신호를 복조하는 단계, 및 - 상기 중간값들과 계수(c(n))에 기초하여 상기 신호를 계산하는 단계를 포함하고, 고르첼 필터를 사용하여 진폭 성분을 계산하는 것을 특징으로 한다.

Description

가변 반송파 주파수와 고르첼 필터링을 이용하는 센서 장치{SENSOR ARRANGEMENT WITH VARIABLE CARRIER FREQUENCY AND GOERTZEL FILTERING}

본 발명은 본 발명에 따라 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법, 신호 처리 유닛, 및 이 신호 처리 유닛을 구비하는 센서 장치에 관한 것이다.

가변량에 기초하는 센서 신호를 측정하기 위하여, 진폭 변조에 의해 신호를 변조하는 것이 알려져 있다. 나아가 제한된 연산 용량을 갖는 간단한 센서로 진폭 변조를 디지털 형태 또는 이산 형태로 구현하는 것이 알려져 있다. 이를 위해 알려진 하나의 복조 알고리즘은, 예를 들어, 고르첼 알고리즘(Goertzel algorithm)이다(The American Mathematical Monthly, Vol. 65, No. 1 (Jan., 1958), pp. 34-35, "An algorithm for the Evaluation of Finite Trigonometric Series" 참조). 고르첼 필터라는 용어는 종래 기술에서도 찾아볼 수 있다. 두 용어는 동일한 처리에 관한 것이다. 필터라는 용어는 신호 처리 블록으로 구현되는 것에 보다 적용되는 반면, 알고리즘은 기본적으로 이러한 블록에서 일어나는 연산 동작의 시퀀스를 말한다. 구현은 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 선택적으로 수행될 수 있다.

고르첼 알고리즘은, 선택된 반송파 주파수에 유효한, 이산 퓨리에 변환(discrete Fourier transform: DFT)의 복소 계수를 결정하는데, 이에 따라 종종 "주파수에 대한 DFT"라고 언급된다. 이를 사용하는 이유는 계산될 계수들의 개수가 작을 때 DFT에 비해 연산 비용이 더 낮기 때문이다. 전술한 유형에 따라 센서 신호를 측정하기 위하여, 단일 계수를 계산하는 것으로 충분하다. 그리하여 이를 위해 수치적으로 고르첼 알고리즘이 DFT보다 더 효율적이다. 복소 계수 대신에 크기와 위상을 결정하거나 또는 심지어 이 2개의 성분 중 단 하나의 성분만을 결정하는 알고리즘의 변형들이 있다. 이들 변형은 상세에 있어서만 상이하고, 응용에 따라, 즉 측정 목적에 따라 선택된다. 종래 기술과 본 발명 모두에 있어서 이들 변형은 모든 본질적 특징 면에서 하나의 알고리즘으로 고려될 수 있다.

진폭 변조와 고르첼 알고리즘은 신호 주파수 또는 변조 주파수와 간섭하는 특정 교란 주파수에 민감하다는 단점을 가진다. 진폭 변조에 사용되는 주파수 대역에서, 주파수와 위상이 알려지지 않은 강한 협대역 교란이 있는 경우, 이에 의해 야기된 측정 에러는 그 한계를 초과할 수 있다. 측정 시스템에 유리한 최대 공차가 제시될 수 없다. 진폭 변조를 사용하거나, 또는 최대 허용가능한 교란 진폭을 사용하는 것이 이 특성에 의해 제한된다. 특히 안전-관련 자동차 부품, 예를 들어 브레이크 시스템 또는 조향 시스템의 응용 분야에서, 센서 신호의 고장이 낮은 확률로만 일어난다 하더라도, 센서 신호의 고장 확률은 허용될 수 없다.

그리하여 본 발명의 목적은 가능한 한 낮은 연산 비용으로 외부 교란 주파수에 상당히 덜 민감한 변조를 구현할 수 있는 방법, 신호 처리 유닛 또는 센서 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1의 방법에 의해 본 발명의 제1 측면에 따라 달성된다.

본 발명은, 고정된 반송파 주파수 대신에, 가변 반송파 주파수로 변조를 수행하고, 사용된 반송파 주파수의 도움으로 결정된 계수를 사용하여 복조를 수행하는 기본 개념에 기초한다. 이런 방식으로, 반송파 주파수에 걸쳐 상기 신호 또는 사용가능한 신호의 스펙트럼이 분배된다. 가변 반송파 주파수를 사용하면, 실제 신호 또는 사용가능한 신호가 상이한 주파수들로 변조되어서, 이에 의해 신호를 허용가능한 공차 범위 밖으로 손상시키는 강한 교란 주파수에 대한 민감성이 본질적으로 배제될 수 있다는 장점을 제공한다. 그 결과 교란 주파수가 신호에 랜덤하게 발생하는 효과는 증가되지만, 저하되는 크기가 문제를 나타내는 것은 아니다.

이산 형태로 복조하는 것은 상기 반송파 주파수의 함수로 계산된 계수의 도움으로 수행된다. 상기 계수들이 상기 반송파 주파수의 함수로 계산되는 한, 이미 알려진 고르첼 알고리즘에 비해 센서 신호를 복조하는 비용이 증가된다. 상기 계수는 사용되는 반송파 주파수들이 알려질 때 미리 계산될 수 있다. 대안으로서, 상기 계산은 상기 복조를 수행하는 동안 수행될 수 있다. 전자의 경우에, 알려진 고르첼 알고리즘에 비해 연산 비용에 차이가 없다. 그러나, 후자의 경우에도, 추가적인 연산 비용이, 예를 들어, 센서에 사용되는 연산 유닛으로 관리될 수 있다.

상기 반송파 주파수를 수립하는 것은 요구조건에 따라 상이하게 될 수 있다. 일부 가능성이 이런 점에서 아래에 설명된다. 이 반송파 주파수를 수립하는 방식은 개방되어 유지될 수 있다. 복조하기 위해, 변조에 사용된 반송파 주파수는 또한 계수를 계산하기 위한 기초로 사용되는 것만이 필요하다.

변조된 신호를 복조하는 것은 2개의 단계를 포함한다. 제1 단계에서, 변조된 신호는 반송파 주파수의 함수로서 계산된 계수에 의해 처리되거나 필터링되고, 중간값으로 일시적으로 저장된다. 상기 처리는 다수의 샘플링 단계(sampling step)에 대해 반복되고, 새로운 계산 처리가 이전의 중간값에 기초하여 수행된다. 제2 단계에서, 실제 사용가능한 신호는 선택되는 계수값과 중간값의 도움으로 계산된다. 하나의 실시예가 아래에서 보다 상세히 설명된다. 그 결과, 신호값이 획득된다. 연속적인 측정을 수행하기 위하여, 예를 들어, 상기 방법은 각 신호에 대해 또는 각 신호값에 대해 반복적으로 수행된다.

상기 방법은 유리하게는 상기 계수가 반송파 주파수들의 순간 주파수의 함수로 계산된다는 점에서 개선된다. 상기 순간 주파수는 현재 사용되고 있는 반송파 주파수에 대응한다. 이것은 계수들이 사용된 반송파 주파수와 동기적으로 계산되는 것에 의해 변조된 신호가 정확히 복조되는 것을 보장한다.

상기 방법은 유리하게는 상기 반송파 주파수들의 적어도 하나의 대역폭이 미리 한정되고 상기 대역폭은 예측가능한 교란 주파수 밖에 놓여 있다는 점에서 개선된다. 응용 경우에 따라, 특정 주파수들이 특히 교란에 민감한 것으로 밝혀진 경우, 사용가능한 신호에 대한 영향이 이런 방식으로 더 감소될 수 있다. 이에 대한 대안으로, 알려진 교란 주파수, 즉 불연속 주파수 대역을 배제하고 대역폭을 사용하는 것도 고려할 수 있다.

상기 방법은 유리하게는 상기 반송파 주파수들의 대역폭이 미리 한정되고 상기 대역폭은 상기 신호의 주파수 또는 주파수 대역폭의 함수로서 수립된다는 점에서 개선된다. 상기 신호의 주파수 또는 주파수 대역폭은 또한 동작 주파수로도 언급될 수 있다. 이것은 상기 신호의 정보를 생성하는 주파수를 한정한다. 주파수-종속 센서 임피던스의 응용 경우에 대해, 상기 대역폭은 각 센서 임피던스의 동작 주파수와 호환되는 방식으로 한정될 필요가 있다. 각 응용을 위해, 전체 시스템의 특히 유리한 전달 함수를 획득하는 주파수 범위를 체크하는 것이 필요하다. 이런 방식으로 달성된 효과는, 한편으로는, 대역폭이 크면 클수록 교란 주파수의 영향을 더 우수하게 억압함과 동시에, 상기 신호를 신뢰성 있게 복조할 수 있는 것을 보장한다.

상기 방법은 유리하게는 상기 신호가 변조 유닛에 의해 변조되고 상기 변조된 신호를 처리하는 것이 신호 처리 유닛에 의해 수행되고 상기 반송파 주파수 또는 순간 주파수가 상기 변조 유닛과 상기 신호 처리 유닛 간에 동기화된다는 점에서 개선된다. 폐쇄된 시스템에서, 상기 반송파 주파수 또는 순간 주파수를 상기 신호 처리 유닛으로 간단하고 신뢰성 있게 전달하거나 전송하는 것이 이런 방식으로 수행되는 것에 의해, 상기 신호가 올바르게 복조되는 것을 보장할 수 있다.

상기 방법은 유리하게는 상기 계수 또는 계수들의 값이 특히 모든 반송파 주파수에 대해 완전히 상기 신호를 변조하기 전에 계산된다는 점에서 개선된다. 이런 방식으로, 상기 계수들을 계산하는 추가적인 연산 비용이 상기 방법의 업스트림에서 일어날 수 있다. 그러나, 이를 위해, 사용되는 반송파 주파수가 알려지는 것이 필요하다.

상기 방법은 유리하게는 상기 계수의 값이 비휘발성 메모리에 저장된다는 점에서 개선된다. 상기 계수들은 이후 메모리로부터 호출되기만 하면 되어서, 추가적인 계산을 요구하지 않는다.

상기 방법은 유리하게는 상기 계수들이 다음 수식에 의해 계산된다는 점에서 개선된다:

c(n) = 2cos(2π*f_신호(n)/f_샘플).

상기 수식에서 개별 항의 정의는 다음과 같다:

n = 샘플링 단계,

c(n) = 샘플링 단계(n)에 대한 계수,

f_신호(n) = n번째 샘플링 단계에 대한 반송파 주파수 또는 순간 주파수, 및

f_샘플 = 샘플링 주파수.

각 샘플링 단계(n)에 대해, 상기 계수(c)의 값은 상기 수식의 도움으로 계산되고 이 값은 복조를 위한 기초로 사용된다. 이 경우에 각 반송파 주파수 또는 순간 주파수는 각 계수를 위한 기초로 사용되는 것이 핵심이다.

상기 방법은 유리하게는 중간값들이 의사 코드(pseudo-code) 형태로 표현된 다음 절차에 의해 계산된다는 점에서 개선된다:

s1 = 0

s2 = 0

1에서 n_max까지 n을 반복

s = 신호(n) + c(n)*s1 - s2

s2 = s1

s1 = s

종료.

상기 절차에서 개별 항의 정의는 다음과 같다:

s, s1, s2 = 상이한 샘플링 단계의 중간값,

신호(n) = 단계(n)에서 변조된 신호값, 및

n_max = 절차를 위한 샘플링 단계의 총 개수.

상기 중간값(s, s1 및 s2)은 현재 샘플링 값(n)의 중간값 또는 이전의 샘플링 단계(n-1 및 n-2)의 중간값을 나타낸다. 샘플링 단계(1, ..., n_max)에 대한 중간값을 계산하는 것에 의해, 변조된 신호를 필터링하는 것이 원하는 신호를 계산하는데 사용될 수 있는 적응된 계수(c(n))의 도움으로 수행된다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 신호(A)의 진폭이 다음 수식에 의해 계산된다는 점에서 개선된다:

A = 2*sqrt(s2*s2 + s1*s1 - c(n_max)*s1*s2)/n_max.

신호(A)의 진폭을 계산하기 위하여, 마지막 샘플링 단계(n_max)에서 계수의 값을 사용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 그러나, 다른 계수값을 사용하는 것도 고려할 수 있다.

상기 방법은 유리하게는 상기 신호를 변조하는 것이 계수의 미리 계산된 값들을 사용하는 것에 의해 수행된다는 점에서 개선된다. 상기 변조와 복조는 모두 상기 계수들에 기초하여 수행된다. 상기 계수들의 값들은 각각 다수의 샘플링 값에 대해 미리 계산될 수 있다. 이런 방식으로, 상기 변조 유닛과 상기 신호 처리 유닛 간을 동기화하는 것이 특히 간단한 방식으로 달성될 수 있다.

이 경우에 다음과 같이 진행되는 본 발명에 따른 방법의 역(inverse) 절차에 의해 전술한 방법을 수행하는 것이 특히 유리하다:

s1 = 0

s2 = sin(2π*f_신호/f_샘플)

1에서 n_max까지 n을 반복

s = c(n)*s1 - s2

s2 = s1

s1 = s

신호(n) = s

종료.

나아가 본 발명은 제2 독립 청구항의 신호 처리 유닛에 의해 본 발명의 제2 측면에 따라 달성된다.

나아가 본 발명의 목적은 제3 독립 청구항에 따른 특징을 구비하는 센서 장치에 의해 본 발명의 제3 측면에 따라 달성된다.

본 발명은 예시적인 실시예와 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 센서 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 도면;
도 2는 본 발명에 따른 신호 처리 유닛의 예시적인 실시예를 도시하는 도면;
도 3은 계수(c)의 값들의 프로파일을 도시하는 도면;
도 4는 도 3에서 계수의 값들에 따른 진폭 스펙트럼의 프로파일을 도시하는 도면; 및
도 5는 종래 기술의 고르첼 알고리즘에 대해 본 발명에 따른 방법의 교란의 민감성을 비교한 것을 도시하는 도면.

도 1은 알려진 센서에 통합될 수 있는 센서 장치(1)의 개략 구조를 도시한다. 이 센서 장치(1)은 신호 또는 센서 신호를 변조하는 변조 유닛(3)을 포함한다. 센서 신호는 센서 소자(4)에 의해 생성된다. 본 발명은 상이한 유형의 센서 소자, 예를 들어, 옴 저항, 커패시턴스 또는 인덕턴스로 수행될 수 있다. 신호 처리 유닛(5)은 변조된 신호(신호(n))를 복조하거나 또는 본 발명에 따른 방법에 따라 복조의 일부를 수행한다. 변조 유닛(3)과 신호 처리 유닛(5)은 연결(6)을 통해 서로 연결되어서, 이에 의해 반송파 주파수, 순간 주파수(f_신호(n)) 또는 계수(c)를 동기화하는 것이 가능하다.

변조 유닛(2)은, 반송파 주파수를 가지거나 또는 선택된 주파수 대역폭 내에 있는 반송파 신호를 생성한다. 이 신호는 디지털/아날로그 컨버터(도면에 미도시)에 의해 변환된 후 센서에 인가된다. 또한 변조 유닛은 아날로그 발진기로 구성되는 것도 가능하다. 신호 처리 유닛의 일부에서, 아날로그 신호가 아날로그/디지털 컨버터에 의해 다시 변환된다.

도 2는 신호 처리 유닛(5)의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 변조된 센서 신호는 신호 처리 유닛(5)의 입력을 통해 공급된다. 신호 처리 유닛(5)은 샘플링 단계의 개수에 대응하는 복수의 반복에 걸쳐 변조된 입력 신호를 처리한다.

신호 처리 유닛(5)은 2개의 중간 메모리(50, 51)를 포함한다. 상이한 샘플링 단계(n-1 및 n-2)들의 중간값들이 중간 메모리(50, 51)에 저장된다. 중간 메모리(50)는, 한편으로는, 승산기(multiplier)를 통해 계수 블록(52)에 연결되고, 이 계수 블록에 계수(c(n))의 상이한 값들이 저장된다. 중간 메모리(50)의 값은 각 n번째 계수값(c(n))과 승산되고, 입력 신호에 가산된다. 나아가, 중간 메모리(50)는 제2 중간 메모리(51)에 연결된다. 제1 중간 메모리(s2 또는 s(n-2))의 이전의 중간값은 제2 중간 메모리에 저장된다. 제2 중간 메모리(51)로부터 나오는 값은 입력 신호(신호(n))로부터 감산(subtracted)된다. 입력측에서, 제1 중간 메모리는 합산 소자(summation element)(53)의 출력에 연결된다. 각 사이클 후, 합산 소자(53)의 결과는 제1 중간 메모리(50)에 저장된다. 이 값은 신호 처리 유닛(5)의 출력 값에 대응한다.

계수 블록(52)을 구현하는데 복수의 변형이 제공된다. 한편으로, 계수 블록은 사용되는 계수의 값들이 저장되는 간단한 메모리로 구성될 수 있다. 특히, 이 변형은 신호를 변조하기 위해 사용되는 주파수 또는 사용되는 주파수 대역이 고정되거나 또는 알려질 때 유리하다. 이 경우에, 알려진 교란 주파수를 포함하지 않는 방식으로 주파수 또는 주파수 대역을 선택하는 것이 유리하다. 계수들을 계산하는 것은 바람직하게는 다음 수식에 의해 수행된다:

c(n) = 2cos(2π*f_신호(n)/f_샘플),

여기서

n = 샘플링 단계,

c(n) = 샘플링 단계(n)에 대한 계수,

f_신호(n) = n번째 샘플링 단계에 대한 반송파 주파수 또는 순간 주파수, 및

f_샘플 = 샘플링 주파수.

이에 대한 대안으로, 계수 블록(52)을 연산 유닛으로 구성하고, 여기서 각 샘플링 단계(n)에 대한 순간 주파수 또는 반송파 주파수(f_신호(n))에 대한 입력 값에 따라 계수(c(n))의 값들을 연속적으로 계산하는 것도 가능하다.

신호 처리 유닛(5)은, 전술한 바와 같이, 다음 절차에 따라 중간 단계를 계산하기 위하여 회로 기술로 구성될 수 있다. 그러나, 대안으로서, 신호 처리 유닛(5)을 프로그래밍가능한 회로로 구성하고 소프트웨어의 대응하는 프로그래밍에 의해 그 절차를 구현하는 것도 가능하다. 중간값들을 계산하는 절차는 다음 단계로 수행된다:

s1 = 0

s2 = 0

1에서 n_max까지 n을 반복

s = 신호(n) + c(n)*s1 - s2

s2 = s1

s1 = s

종료.

이 절차는 본질적으로 총 개수(n_max)의 샘플링 단계 동안 사이클링되는 루프이다.

초기 조건으로서, 2개의 중간값(s1 및 s2)은 값 0으로 미리 한정된다. 추가적인 중간값(s)은 루프에서 한정되고, 이 중간값은 전술한 수식에 따라 한정된다. 신호(n)라는 용어는 여기서 이산 형태로 존재하는 샘플링 단계(n)에서 변조된 신호에 대응한다.

신호 또는 사용가능한 신호의 진폭을 계산하는 것은 다음 수식에 의해 수행된다:

A = 2*sqrt(s2*s2 + s1*s1-c(n_max)*s1*s2)/n_max.

중간값(s, s1, s2)과 신호(A)의 계수(c(n))를 계산하는 것을 포함하는 전체 절차는 각 경우에 신호값을 복조하기 위해 수행된다. 연속적으로 측정하는 경우에, 예를 들어 센서의 경우에, 전체 절차는 센서에 의해 결정되고 변조된 각 값에 대해 수행된다. 센서의 측정 율 또는 측정 사이클이 수 밀리초의 범위 내에 있기 때문에, 계수들을 미리 계산하는 것이 유리하다.

유리하게는, 변조 유닛과 신호 처리 유닛 간에 반송파 주파수 또는 순간 주파수를 동기화하기 위하여 신호를 변조하는 것이 다음 절차에 의해 수행된다. 여기서 개별 항의 설명은 전술한 정의에 대응한다.

s1 = 0

s2 = sin(2π*f_신호/f_샘플)

1에서 n_max까지 n을 반복

s = c(n)*s1 - s2

s2 = s1

s1 = s

신호(n) = s

종료.

본 발명에 따른 방법으로 시뮬레이션이 수행되었다. 시뮬레이션을 일부 시각화한 것이 도 3 및 도 4에 도시된다. 도 5는, 본 발명에 따른 방법과, 이미 알려진 고르첼 알고리즘에 따른 방법으로 수행된 복조 신호의 편차를 비교한 것을 도시한다.

시뮬레이션을 위해 1 MHz(A/D 컨버터와 D/A 컨버터)의 샘플링 율과 1 ms의 측정 사이클이 선택되었다. 샘플링 단계의 총 개수는 측정 사이클마다 n_max = 1MHz*1ms = 1000개의 샘플링 단계이다. 진폭-변조된 반송파의 주파수와 가변 반송파의 중심 주파수는 200 kHz 주위로 선택된다. 종래의 솔루션에 대한 고르첼 계수는 cAM = 0.6180이다. 본 발명에 따른 솔루션에서는, 순간 주파수가 중심 주파수 주위에서 발진하여야 하므로, 그리하여 계수 필드(coefficient field)(cFM(1, ..., nmax))의 평균 값도 또한 cAM이다. 이것은 형식적으로 주파수 변조에 대응한다.

시뮬레이션을 위해, 계수에 대해 곡선 형상이 선택되었고, 계수들의 곡선 형상의 함수로 반송파 신호가 수립되었다. 삼각형 발진은 결과적으로 발진의 스펙트럼 밀도를 균일화하기 때문에 삼각형 발진이 주파수 변조를 위한 곡선 형상으로 선택되었다. 정현파 발진을 사용하면, 사용된 스펙트럼의 단부(end)들에서의 순간 주파수가 중간에 있는 순간 주파수보다 더 빈번할 수 있지만, 특히 삼각형 형상으로 등분배가 달성될 수 있다. 이 삼각형 형상은 본 발명에 따른 솔루션에 필수 조건은 아니지만, 시스템(응용 시스템, 전송 매체, 예상된 교란, 등)에 대한 정보가 없어서, 사용되는 스펙트럼에서 상이한 주파수들에 상이한 도량형을 사용하는 것을 초래할 때, 사용되는 스펙트럼의 균일한 사용이 유리한 것으로 항상 고려된다. 계수 필드의 값들(cFM(1, ..., nmax))이 자유로이 선택될 수 있어서, 그리하여 삼각형 형상의 진폭이 또한 자유로이 선택가능하다. 더 높은 진폭은 더 넓은 스펙트럼을 사용하는 것을 초래한다. 전술한 이유 때문에, 광대역 구성의 장점과 단점 사이에 평가를 수행하는 것이 필요하다. 이 예시적인 실시예에서 선택된 절충은 도 3에서 그래픽으로 도시된다. cFM 값은 이 도면에서 색인(index)(n)의 함수로 찾아볼 수 있다. 연관된 진폭 스펙트럼은 도 4에 도시된다. 계수 필드를 선택하면 200±30 kHz에서 약 60 kHz의 대략 균일한 대역을 사용할 수 있다.

이제 계수 필드를 사용하여, 역 고르첼 알고리즘의 도움으로 여기 함수(excitation function)의 샘플 값들이 결정된다. 이 결과는 저장되고 이 값들은 D/A 컨버터로 연속적으로 송신된다. (측정 사이클의 단부와 등가인) 필드의 단부에 도달될 때, 시스템이 연속적으로 동작하는 경우에, 필드의 시작 시에 다시 시작이 이루어진다. 여기 신호(excitation signal)는 증폭기를 통해 센서로 송신된다. 예를 들어, 전류는 여기 신호로서 센서에 주어질 수 있고, 전압은 센서로부터 탭핑(tapped)되거나 또는 전압은 인가될 수 있고, 전류는 측정될 수 있다. 센서에 의해 변조된 신호는 A/D 컨버터로 송신된다. 고르첼 필터는 동일한 계수 필드를 사용하는 것에 의해 샘플에 구현된다. 동일한 계수(즉, 동일한 색인을 갖는 계수)가 각 단계(A/D 및 D/A)에 사용되면, 2개의 부분이 도 1에 도시된 바와 같이 순간 주파수 면에서 동기화된다.

정현파 여기(sinusoidal excitation)를 갖는 종래의 AM과 비교하면, 메모리와 색인만이 추가 비용으로 나열된다. 그리하여 낮은 회로 비용으로 교란을 감소시키는 것을 달성하는 요구조건이 만족된다.

몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션에서 신호 처리 단계를 계산하는 것에 의해 장점이 드러날 수 있다. 이를 위해, 각 사이클에서, 랜덤 생성기에 의해 결정된 교란이 센서의 신호에 가산된다. 본 경우에, 교란은 백색 잡음(광대역)과, 위상과 주파수(150 내지 250 kHz)가 랜덤한 정현파 신호(협대역)의 합계이다. 이 신호는 센서 신호의 진폭의 5%인 진폭을 가진다. 잡음도 이와 동등하게 큰 RMS 값을 가진다. 10^6 사이클 후, 도 5의 에러(즉, 센서 신호로부터의 편차)의 주파수 분배가 획득된다.

본 발명에 따른 솔루션(E)은 수치적으로 최대 ±2%의 범위에서 더 높은 수치 편차를 가지지만, 이 편차의 수치는 ±2%를 초과하는 범위에서는 0을 향하는 경향이 있다.

종래 기술에 알려진 고르첼 알고리즘(G)도 또한 ±2%를 넘어서는 낮은 수치의 편차를 가진다. 이 편차는 최대 약 ±6%에 이른다. 측정 기술에 응용하는데 있어, 이것은 본 발명에 따른 방법에 비해 상당한 단점이다. 그러나 본 발명은 센서에 응용하는 것이 특히 유리하다 하더라도 이 센서에 응용하는 것으로 제한되지는 않는다.

Claims (15)

1. 특히 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법으로서,
   - 상기 신호를 복조하기 위해 계수(c(n))를 계산하는 단계,
   - 미리 한정된 최대 개수(n_max)의 단계들에 대해 상기 계수에 의해 이산 중간값(s, s1, s2)을 계산하는 것에 의해 상기 신호를 복조하는 단계, 및
   - 상기 중간값과 계수(c(n))의 도움으로 상기 신호를 계산하는 단계를 포함하되,
   상기 계수(c(n))의 값은 각 단계에 대해 상기 반송파 주파수(f_신호(n))에 기초하여 각각 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 계수는 상기 반송파 주파수들의 순간 주파수(f_신호(n))의 함수로서 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반송파 주파수들의 적어도 하나의 대역폭은 미리 한정되고, 상기 대역폭은 예측가능한 교란 주파수 밖에 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 반송파 주파수의 대역폭은 미리 한정되고, 상기 대역폭은 상기 신호의 주파수 또는 주파수 대역폭의 함수로서 수립되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호는 변조 유닛에 의해 변조되고, 상기 변조된 신호를 처리하는 것은 신호 처리 유닛에 의해 수행되고, 상기 반송파 주파수 또는 순간 주파수는 상기 변조 유닛과 상기 신호 처리 유닛 간에 동기화되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호를 변조하는 계수의 값들은 미리 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 계수의 값들을 비휘발성 메모리에 저장하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 동일한 계수값들을 메모리 위치에 저장하는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계수들은 다음 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법:
   c(n) = 2cos(2π*f_신호(n)/f_샘플),
   식 중,
   n = 샘플링 단계,
   c(n) = 상기 샘플링 단계(n)에 대한 계수,
   f_신호(n) = n번째 샘플링 단계에 대한 반송파 주파수 또는 순간 주파수, 및
   f_샘플 = 샘플링 주파수.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간값은 다음 절차에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법:
    s1 = 0
    s2 = 0
    1에서 n_max까지 n을 반복
    s = 신호(n) + c(n)*s1 - s2
    s2 = s1
    s1 = s
    종료,
    상기 절차 중,
    s, s1, s2 = 상이한 샘플링 단계들의 중간값,
    신호(n) = 단계(n)에서 변조된 신호값, 및
    n_max = 절차를 위한 샘플링 단계들의 총 개수.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호를 변조하는 것은 상기 계수의 미리 계산된 값들을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 신호를 변조하는 것은 다음 절차에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법:
    s1 = 0
    s2 = sin(2πf_신호/f_샘플)
    1에서 n_max까지 n을 반복
    s = c(n)*s1 - s2
    s2 = s1
    s1 = s
    신호(n) = s
    종료.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호의 진폭은 다음 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 장치의 가변 반송파 주파수로 변조된 신호를 처리하는 방법:
    A = 2*sqrt(s2*s2 + s1*s1 - c(n_max)*s1*s2)/n_max,
    식 중,
    s1, s2 = n_max 단계들 후 중간값, 및
    c(n_max) = 단계(n_max)에서 계수값.
14. 특히 센서 장치(1)의 가변 반송파 주파수(신호(n))로 변조된 신호를 처리하는 신호 처리 유닛(5)으로서,
    - 상기 복조된 신호값을 계산하는 합산 소자(55),
    - 계수(c(n))의 적어도 하나의 값을 포함하는 계수 블록(52),
    - 상기 중간값을 저장하는 적어도 하나의 중간 메모리(50, 51)로서, 상기 중간 메모리 중 하나는 상기 계수 블록에 연결된, 상기 적어도 하나의 중간 메모리(50, 51), 및
    - 상기 변경된 신호값에 상기 계수를 승산하는 승산기(56)를 포함하되, 상기 값은 상기 합산 소자로 전달가능하고,
    상기 계수 블록(52)은 상기 계수(c(n))의 복수의 값을 포함하거나, 또는 상기 계수의 복수의 값은 상기 블록에 의해 계산될 수 있는 것을 특징으로 하는 신호 처리 유닛(5).
15. 센서 장치(1)로서,
    - 센서 신호를 변조하는 변조 유닛(3),
    - 상기 센서 신호를 생성하는 센서 소자(4), 및
    - 제14항의 신호 처리 유닛(5)을 포함하는, 센서 장치(1).

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