TWI678889B - 使用投票法的訊號處理方法及相關類比至數位轉換系統 - Google Patents
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Abstract
一種訊號處理方法，用於處理一類比至數位轉換器輸出的一數位訊號，包含判斷該數位訊號的一取樣空間中，多個取樣值的每一者對應的一選項區間，其中該選項區間為多個選項區間中的一者；計算該多個選項區間的每一者對應的取樣值數量，以判斷一代表選項區間；以及根據該代表選項區間對應的取樣值數量及數值，計算該取樣空間的一代表值。
Description
本發明係指一種訊號處理方法及相關類比至數位轉換系統，尤指一種使用投票法的訊號處理方法及相關類比至數位轉換系統。
類比至數位轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)廣泛地應用於微控制器領域，例如嵌入式控制系統。業界通常使用訊號處理器來降低雜訊對輸入訊號的影響，例如常見的訊號處理方法有平均法(Average或mean)、中位數法(Median)、指數加權移動平均法(Exponential weighted moving average，EWMA)等。
申請人注意到上述訊號處理方法存有不同缺失，仍有待改進。例如，由於平均法是將一取樣區間內所有取樣值的大小取平均值而作為輸出值，因此輸出值會受雜訊的大小影響，尤其是雜訊與輸入訊號的落差越大，則影響越大。中位數法是將取樣區間內所有取樣值進行大小排序後，取中位數來作為輸出值，因此需花時間等排序結果，導致反應延遲時間(Latency)較長。
指數加權移動平均法(簡稱EWMA)是將個別取樣值以指數式遞減加權後再取平均值，取樣值的加權隨時間而指數式遞減，越近期的加權越大，但較舊的取樣值也給予一定的加權。然而，在輸入訊號改變訊號準位時，加權計算反而會導致反應延遲時間延長。
第1圖為有無使用EWMA的轉換數值比較圖，其中空心點表示類比至數位轉換器輸出的數位轉換值，實心點表示使用指數加權移動平均法的數位轉
換值，而每一點於一週期產生，且每一週期表示一單位時間區間。於第1圖中，假設一加權指數為0.9，且在第5個週期時，數位訊號數值從「0」轉為「1500」(例如，一壓力感應器在第5個週期感應到一壓力而改變類比訊號，進而改變對應數位訊號數值)。觀察第1圖可知，從第5個週期數位訊號數值發生變化開始，使用EWMA的轉換數值中，直到第41個週期才逼近到正確的數值「1500」。對於某些要求即時反應的嵌入式控制系統而言，過長的反應延遲時間是無法容忍的。
因此，如何改善現有類比至數位轉換器的訊號處理器的缺失，以兼顧處理雜訊需求並盡可能縮短反應延遲時間，實乃本領域的重要課題。
因此，本發明的主要目的即在於提供一種使用投票法的訊號處理方法及相關類比至數位轉換系統，以兼顧訊號處理需求並盡可能縮短反應延遲時間。
本發明揭露一種訊號處理方法，用於處理一類比至數位轉換器輸出的一數位訊號，包含判斷該數位訊號的一取樣空間中，多個取樣值的每一者對應的一選項區間，其中該選項區間為多個選項區間中的一者；計算該多個選項區間的每一者對應的取樣值數量，以判斷一代表選項區間；以及根據該代表選項區間對應的取樣值數量及數值，計算該取樣空間的一代表值。
本發明揭露一種類比至數位轉換器系統，包含一類比至數位轉換器，用來將一類比訊號轉換為一數位訊號；以及一訊號處理器，耦接於該類比至數位轉換器，用來對該數位訊號進行一訊號處理流程，產生一代表值。該訊號處理流程包含判斷該數位訊號的一取樣空間中，多個取樣值的每一者對應的一選項區間，其中該選項區間為多個選項區間中的一者；計算該多個選項區間的每一者對應的取樣值數量，以判斷一代表選項區間；以及根據該代表選項區間對應的取樣值數量及數值，計算該取樣空間的該代表值。
針對一取樣空間中的多個取樣值，本發明使用投票法來判斷包含最多取樣值的代表選項區間，再根據屬於代表選項區間的多個取樣值的數值及數量來計算該取樣空間的代表值，如此可排除非代表選項區間內的取樣值，以避免影響代表值的計算結果，也可避免過長的反應延遲時間。
2‧‧‧類比至數位轉換系統
20‧‧‧類比至數位轉換器
22‧‧‧訊號處理器
220‧‧‧選項列表
222‧‧‧計算單元
3‧‧‧流程
300、301、302‧‧‧步驟
第1圖為使用指數加權移動平均法的轉換曲線圖。
第2圖為本發明實施例一類比至數位轉換系統的功能方塊圖。
第3圖為本發明實施例一訊號處理流程的流程圖。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一類比至數位轉換系統2的功能方塊圖。類比至數位轉換系統2可用於一嵌入式微控制系統，用來將一類比輸入訊號轉換為一數位輸出訊號。類比至數位轉換系統2包含一類比至數位轉換器20以及一訊號處理器22，其中訊號處理器22包含一選項列表(candidate list)220以及一計算單元222。
類比至數位轉換器20耦接於訊號處理器22，用來將類比輸入訊號轉換為數位數值，讓訊號處理器22對在取樣區間內的一組取樣值(例如M個取樣值)進行訊號處理，以產生該組取樣值對應的一代表值，以作為數位輸出訊號。選項列表220用來儲存多個選項區間(例如N個選項區)及其對應的取樣值。計算單元222耦接於選項列表220，用來判斷一取樣值對應的一選項區間，以及統計每一選項區間分別對應的取樣值的數量，以進行投票並統計各選項區間獲得的票數。換個角度而言，訊號處理器22可根據取樣值的大小進行分類，並統計每個類別包含的取樣值數量，以選出數量最大的類別來作為代表類別。
訊號處理器22可進行一訊號處理流程3，以計算一組取樣區間內對應
的一代表值，如第3圖所示，訊號處理流程3包含以下步驟。
步驟300：分別判斷一取樣空間的多個取樣值的每一者對應的一選項區間。
步驟301：統計每一選項區間分別對應的取樣值的數量，以判斷一代表選項區間。
步驟302：根據代表選項區間對應的取樣值的數量及數值，計算一代表值。
舉例來說，假設類比至數位轉換器20可輸出12位元表示的數位轉換訊號，則共可表示4096種數值，若以100個數值為單位，則選項列表220可包含41個選項區間0~99、100~199、…、3900~3999、4000~4095(即，N=41)。假設取樣數為10(即，M=10)，且類比至數位轉換器20輸出一組取樣值「4、17、14、17、5、7、9、3、1500、15」到訊號處理器22，則訊號處理器22的計算單元222可對該組取樣值進行投票(步驟300)，並統計各選項區間獲得的票數(步驟301)。
如下表格1說明選項列表220儲存的投票結果。
由表格1可知，屬於選項區間0~99的取樣值共有9個，而屬於選項區間1500~1599的取樣值有1個，因此可判斷選項區間0~99對應的取樣值數量大於選項區間1500~1599的取樣值數量，進而判斷代表選項區間為0~99(步驟301)。於一實施例中，若有兩個選項區間的取樣值數量相等且大於其他選項區間的取樣值數量，則判斷該兩個選項區間皆為代表選項區間。
於本實施例中，訊號處理器22對屬於代表選項區間0~99的所有取樣
值進行平均計算(步驟302)，以計算該組取樣值對應的代表值，即(4+17+14+17+5+7+9+3+15)/9=91/9=10.1，但不限於此。
換言之，本發明實施例使用投票法來判斷多數取樣值對應的代表選項區間，可排除非代表選項區間內的取樣值，以避免影響代表值的計算結果。
因此，當輸入類比訊號含有跟主要訊號差異較大的雜訊時，透過投票或分類的方式，可直接排除差異較大的雜訊，以避免傳統平均法的計算誤差。在數學理論中，對n個數值進行排序的最佳時間複雜度可用函數BigO(n log n)表示，而對n個數值進行投票的最佳時間複雜度可用函數BigO(n)表示，因此本發明實施例的反應延遲時間短於傳統中位數法的反應延遲時間。
此外，由於本發明實施例採用得到最多票數的代表選項區間來計算代表值(即，代表選項區間對應的取樣值數量大於其他選項區間對應的取樣值數量)，因此當輸入訊號準位發生變化時，以第1圖的輸入訊號準位從數值「0」改為數值「1500」的情況為例，由於第1~4個取樣週期得到的取樣值為四個「0」，第5~9個取樣週期得到的取樣值為五個「1500」而佔多數，因此本發明實施例的訊號處理器22最短可在第9個取樣週期時計算正確的代表值。可見，相較於傳統加權移動平均法直到第41個週期才逼近到正確的數值「1500」，本發明實施例的反應延遲時間較短。
需注意的是，本領域具通常知識者根據實際應用需求，對本發明進行修飾、變化，而不限於上述實施例。例如，設計者可視情況來設定取樣值的數量M以及權重、選項區間的數量N及範圍、取樣週期時間等。除了使用平均法來計算代表值，設計者可使用任何已知的做法來計算代表值，例如從代表選項區間中隨機選擇一取樣值來作為代表值，以加速代表值的產出。
綜上所述，針對一取樣空間中的多個取樣值，本發明使用投票法來判斷包含最多取樣值的代表選項區間，再根據屬於代表選項區間的多個取樣值
的數值及數量來計算該取樣空間的代表值，如此可排除非代表選項區間內的取樣值，以避免影響代表值的計算結果，也可避免過長的反應延遲時間。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
Claims (6)
- 一種訊號處理方法，用於處理一類比至數位轉換器輸出的一數位訊號，包含：從該類比至數位轉換器接收包含多個取樣值的該數位訊號；將該多個取樣值分類到多個選項區間；計算該多個選項區間的每一者對應的取樣值數量；從該多個選項區間中，判斷具有最大數量的取樣值的一選項區間來作為一代表選項區間；以及根據該代表選項區間對應的取樣值的數值，計算該數位訊號的一代表值。
- 如請求項1所述的訊號處理方法，其中根據該代表選項區間對應的取樣值的數值，計算該數位訊號的該代表值的步驟包含：從屬於該代表選項區間的多個取樣值中，隨機選擇一取樣值來作為該代表值。
- 如請求項1所述的訊號處理方法，其中根據該代表選項區間對應的取樣值的數值，計算該數位訊號的該代表值的步驟包含：對屬於該代表選項區間的多個取樣值進行平均計算，以計算該數位訊號的該代表值。
- 一種類比至數位轉換器系統，包含：一類比至數位轉換器，用來將一類比訊號轉換為一數位訊號；以及一訊號處理器，耦接於該類比至數位轉換器，用來對該數位訊號進行一訊號處理流程，產生一代表值，其中該訊號處理流程包含以下步驟：從該類比至數位轉換器接收包含多個取樣值的該數位訊號；將該多個取樣值分類到多個選項區間；計算該多個選項區間的每一者對應的取樣值數量；從該多個選項區間中，判斷具有最大數量的取樣值的一選項區間來作為一代表選項區間；以及根據該代表選項區間對應的取樣值的數值，計算該數位訊號的該代表值。
- 如請求項4所述的類比至數位轉換器系統，其中根據該代表選項區間對應的取樣值的數值，計算該數位訊號的該代表值的步驟包含：從屬於該代表選項區間的多個取樣值中，隨機選擇一取樣值來作為該代表值。
- 如請求項4所述的類比至數位轉換器系統，其中根據該代表選項區間對應的取樣值的數值，計算該數位訊號的該代表值的步驟包含：對屬於該代表選項區間的多個取樣值進行平均計算，以計算該數位訊號的該代表值。
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