WO2009007663A2 - Dispositif de filtrage non lineaire - Google Patents

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filtering device
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Lionel Cordesses
Manoela Ferreira De Araujo
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Renault SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/02—Multiple-port networks
    • H03H11/04—Frequency selective two-port networks
    • H03H11/0405—Non-linear filters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H17/00—Networks using digital techniques
    • H03H17/02—Frequency selective networks
    • H03H17/0248—Filters characterised by a particular frequency response or filtering method
    • H03H17/0261—Non linear filters

Definitions

  • the invention relates to a device for non-linear filtering of a signal comprising a first processing branch comprising in series a subtractor module, receiving an input signal, a fixed gain module, an adder module, an integrating module, generating a output signal, at least a second unity gain return branch, between the output of the integrator module and an input of the subtractor module, and a variable gain module, arranged on a branch in parallel with the gain module branch fixed.
  • the invention applies more particularly, in the field of signal processing, to the filtering of any type of signal on board motor vehicles or offline, in particular an acceleration signal, a speed signal, a position signal or angle, a pressure signal, etc.
  • a classical problem in conditioning and signal processing consists in reducing the amplitude of the unwanted signals while retaining the relevant signals, that is to say, attenuating an imposed value of certain frequency components of a signal, when their amplitude is less than or greater than a threshold, and pass them otherwise.
  • the signal can be represented in analog electrical form or in digital form.
  • the bandwidth of a linear filter being independent of the amplitude of the signal, this type of problem can not therefore be solved by means of a linear filter.
  • the document FR 2 878 030 introduced in particular the concept of an analog and continuous or digital filter and sampled. This concept is based on a first-order filter represented and realized in the form of a feedback integrator with a negative feedback, particularly promoting stability.
  • the gain on the error signal is constant, the obtained system is a low-pass filter of the first linear order.
  • the loop gain that is the gain on the error signal, is modified by a non-linearity.
  • the filter then becomes nonlinear, its bandwidth increases for signals of great amplitude and frequency f, whereas it is low for signals of the same frequency f, but of low amplitude.
  • US Pat. No. 5,799,111 discloses a nonlinear filter applied to two-dimensional image-type signals.
  • the gain of the filter comes from a module outside the filter and this module calculates the gain through statistical values, namely variance and correlation.
  • the described system is non-causal, that is, it requires knowledge of the future to be applied. In this case, this knowledge is achieved by storing the signal in a "buffer" and then processing it, which introduces a delay.
  • the applicant's unpublished French patent application No. 06 51219 introduces an improvement in the concept of no. linearity, for application to filtering a fuel gauge signal.
  • the improvement relates to a soft nonlinearity, as opposed to a non-linearity that lasts as a threshold.
  • the soft nonlinearity has a first derivative defined and not infinite, which is not the case of nonlinearity lasts as the threshold, whose first derivative is not defined at the threshold.
  • the purpose of the invention is to remedy all of the aforementioned drawbacks and to provide a non-linear filtering device that is autonomous, that is to say that does not require the use of a computer, and that can be applied to any type of signal filtering in any frequency range.
  • T e is the sampling period
  • F is the fixed gain
  • NL is the variable gain of the filtering device.
  • variable gain module varies smoothly, the variation is preferably effected by straight lines.
  • variable gain module The variation by lines of the variable gain module is mathematically defined by the sum of the following nonlinear functions "NL": r N ⁇ 7 L 7 ⁇ , ⁇ ⁇ ) - k, if ⁇ ⁇ only .l, 2 k
  • NL ( ⁇ ) 0 if ⁇ ⁇ SeUiI 1 with, for each nonlinearity function "NL”, only threshold, threshold and k parameters, k and F being gains, where ⁇ is the error signal between the incoming signal E in the device and the outgoing signal S filtered and the parameters seuih, threshold2 being the threshold values of the error signal ⁇ where the bandwidth change takes place.
  • the filtering device comprises an oversampling module, placed at the input of the filtering device and intended to interpolate previously the signal entering the filtering device.
  • the filtering device comprises a subsampling module, placed at the output of the filtering device, so that the filtered outgoing signal has the same frequency as the signal entering the filtering device.
  • FIG. 1 represents, in the form of a block diagram, a particular embodiment of a nonlinear filtering device according to the invention.
  • FIGS. 2 and 3 represent, respectively, a block diagram and an interactive interface box of a particular example of application of the nonlinear filtering device according to FIG.
  • FIG. 4 represents in the form of a block diagram another particular example of application of the filtering device according to FIG.
  • FIG. 5 represents in the form of a block diagram an alternative embodiment of a nonlinear filtering device according to the invention.
  • FIG. 6 is a graph illustrating the ratio of the cutoff frequency with the equal coefficient sampling frequency, for the nonlinear filtering device according to FIG. 5.
  • the non-linear filtering device 10 is intended in particular for filtering any type of signal, for example an acceleration signal, a speed signal, a position signal or a signal signal. angle, a pressure signal.
  • the particular embodiment of the non-linear filtering device 10 comprises a first processing branch comprising in series a subtracter module 11, receiving an input signal E, after passing through an oversampling module 16 described subsequently, a fixed gain module 12, an adder module 13 and an integrator module 14, generating a filtered output signal S.
  • the nonlinear filtering device 10 comprises at least a second return branch via a unit gain, between the output of the integrator module 14 and an input of the subtractor module 11. This then results in a signal derived from the output of the adder module 13 and at the input of the integrator module 14.
  • the subtractor module 11 generates an error signal ⁇ , or difference signal, between the input signal E and the filtered output signal S.
  • the filtering device 10 also comprises a variable gain module 15, arranged on a branch in parallel with the branch of the fixed gain module 12, between the error signal ⁇ at the output of the subtractor module 11 and an input of the module adder 13.
  • the variable gain module 15 generates a non-linearity function, called "NL" thereafter.
  • the variable gain of the device is interpolated so as to ensure a continuous non-linearity of the filter device 10 and the variable gain is directly related to the desired bandwidths of the signal to be filtered.
  • the first order derivative of the nonlinearity of the filter is defined. Larger order derivatives can also be defined, depending on the interpolation used. This introduces fewer artifacts in the output signal S.
  • the gain value is statically related to the error between the input signal E and the output signal S of the filter device 10 according to the invention.
  • variable gain is directly related to the desired bandwidths of the signal to be filtered by the cutoff frequency (equivalent to the cut-off pulse with a coefficient close to 2 ⁇ ), defined according to the following equation
  • ⁇ c is the cutoff pulse
  • T e is the sampling period
  • F is the fixed gain
  • NL is the variable gain of the filtering device 10, as shown in FIG.
  • the filtering device 10 is composed of an input signal E and a single signal output S filtered.
  • the interpolation of the cut-off frequency of the filter device 10 is represented by the "NL" function, as described above, of the variable gain module 15.
  • the variable gain module 15 preferably varies smoothly, the variation can be made by sinusoids, tangents or straight lines. More particularly, the variation by lines of the variable gain module 15 is mathematically defined by the sum of the following non-linearity functions "NL":
  • the filtering device 10 thus advantageously comprises the oversampling module 16, arranged at the input of the filtering device 10, before the subtracter module 11, making it possible to interpolate the incoming signal E in advance, in particular to artificially increase the sampling frequency of the signal.
  • the non-linearity function "NL" is then applied to an oversampled input signal E, which in particular makes it possible to minimize the effects of sampling on the filtering device 10 according to the invention.
  • the filtering device 10 according to the invention may also include a subsampling module, placed after the unity gain return loop at the output of the filtering device 10, so that the signal of filtered output S is subsampled, in particular to produce a signal sampled at the output at the same frequency as at the input.
  • Such a non-linear filtering device 10 thus makes it possible to apply and validate signals over all frequency ranges.
  • a non-linear filtering device 10 thus makes it possible to apply and validate signals over all frequency ranges.
  • an accelerator pedal signal smaller than 1 Hz, a butterfly angle signal less than 5 Hz, a longitudinal acceleration signal less than 30Hz and an accelerator pedal signal less than 10000Hz.
  • a signal processing system may comprise several filtering devices 10 according to FIG. 1, with a single input signal E and several filtered output signals S , each output signal S being associated with a variable gain module of an associated device 10.
  • Such a system then makes it possible to provide, for the same input signal E, signals filtered by non-linear filters regulated differently, namely with different bandwidths and / or thresholds, as described in particular with reference to FIGS. 3. It is then possible, for example, to attenuate different types of signals.
  • an analog / digital interface box 17 (FIG. 3), comprising at least one non-linear filtering device 10 according to the invention.
  • the invention can be inserted, for example, between a sensor and a sensor signal acquisition system.
  • the operation of such a housing 17 is shown schematically in FIG. 2.
  • the housing 17 first implements the acquisition of the signal 18 to be processed and comprises a first anti-aliasing analog filter 19, for the required signal, followed in series.
  • the anti-aliasing filter 19 is a low-pass filter, the purpose of which is to better verify the Shannon sampling theorem.
  • the digital signal 18 then passes through a computer, or more particularly a processing processor of the signal DSP ("Digital Signal Processor" in English), for example a microcontroller, which contains the functions of calculation and adjustment of two non-linear filters 21 and 22, placed on two parallel branches of the signal processing circuit.
  • the two filters 21, 22 preferably have identical operation and characteristics to the nonlinear filtering device 10 as previously described.
  • the reconverting of the filtered signals is then effected by means of second analog / digital converters 23, 24, each associated with a non-linear filter 21, 22.
  • the signals then pass through second anti-aliasing analog filters 25, 26, each placed in series with the associated analog-to-digital converters 23, 24, to obtain two separate output signals 27, 28, each associated with a branch of the signal processing circuit above.
  • the housing 17 as schematically shown in FIG. 3 represents a particular example of an interface between a user and the automatic signal processing.
  • the housing 17 comprises connectors 29, 30, for example connectors of the "banana plug” type, for the supply of the housing 17, a connector 31, for example a connector of the BNC bayonet type ("Bayonet Neill-Concelman" in English), for the analog input, a connector 32, for example a BNC connector, for the unfiltered output, i.e. where the output signal is equal to the input signal, and two connectors 33, 34, for example BNC connectors, for the two outputs of the nonlinear filters 21, 22 implanted ( Figure 2).
  • the housing 17 also comprises a first variable adjusting member 35, in particular for setting the value of the positive error threshold, in order to switch between the two cutoff frequencies of each nonlinear filter, and a second variable adjusting member 36, in particular to set the value of the negative error threshold, in order to switch between the two cutoff frequencies of each nonlinear filter.
  • the housing 17 also comprises a third variable control member 37 for adjusting the value of the cutoff frequency, when the error ⁇ is greater than the positive threshold or lower than the negative threshold, and a fourth variable regulating member 38 for adjusting the value of the cut-off frequency, when the error ⁇ is below the positive threshold or above the negative threshold.
  • the adjustment members 35 to 38 are potentiometers.
  • the housing 17 may also comprise a setting confirmation member 39, for example a push button, for the chosen variable values.
  • a confirmation member 39 serves in particular to prevent unintentional displacements of the values during the tests, for example via the potentiometers.
  • the housing 17 may comprise a sensorial "feedback" element 40, for example a luminous display indicator, to confirm the taking into account of the new setting.
  • a light 40 is triggered by the activation of the confirmation member 39, for example by pressing the push button 39.
  • a nonlinear filtering device according to the invention can also be applied to controlling a system 41 of non-linear filters with a variable cut-off frequency and of greater order than the first one. order of the non-linear filtering device shown in FIG. 1. This then results in the production of a non-linear filter system 41 of any order, by cascading systems with variable cutoff frequencies controlled by the first device nonlinear filtering device 10, as shown in FIG.
  • such a system 41 comprises a nonlinear filtering device 42, identical to that described above with reference to FIG. 1, that is to say of the first order.
  • the input signal E passes through the filter 42 and the operation of the system 41 is to calculate, at each instant, switching pulsation ⁇ c of the filter 42 through the above equation governing the filtering device according to Figure 1.
  • a module 43 arranged in parallel, then converts via a predetermined mathematical function the cutoff pulse ⁇ c of the filter
  • Such a processing chain has the main advantage of being able to smooth the signal better, while keeping the nonlinear behavior of the filter 42 of the first order, the adjustment parameters concerning only the nonlinear filter 42.
  • such a system 41 as shown in FIG. 4 offers a possibility of control by the first-order nonlinear filter 42 of other filters 44 of larger orders, cascaded behind it, a any number of filters 44 downstream giving the order of the filtering system 41 thus produced, the system 41 being of order two in FIG.
  • the filter device 10 differs from the embodiment shown in FIG. 1 by the effect of the non-linearity function "NL".
  • the non-linearity function no longer modifies the gain, but the sampling frequency fEch (the inverse of the sampling period T e ).
  • the non-linearity "NL" satisfies the same defined or even continuous derivative properties in order to introduce fewer artifacts into the filtered output signal S.
  • the filtering device 10 comprises the subtractor module 11, associated with the feedback loop via a unit gain, the fixed gain module 12 and the integrating module 14.
  • the device 10 also comprises a frequency modulation module 45. interpolated fEch sampling, by means of an adder module 47, by the variable gain module 15 and a module 46 having the value of the initial sampling frequency fEcho of the device 10.
  • the filtering device 10 according to FIG. 5 has a cutoff frequency defined according to the same equation as before, namely with the equation of the cutoff pulse defined according to the formula
  • variable gain NL is equal to zero
  • the initial sampling period T e o is fixed and the sampling period T e of the filter varies as a function of a linear dependence introduced into the formula of the cut-off pulse ⁇ c .
  • the calculation of the cutoff frequency is then carried out in the same way, by introducing into the calculations a linear dependence between ⁇ c and 1 / T e (since the value of the arccos remains constant).
  • a linear variation of the sampling frequency 1 / T e thus corresponds to a linear variation of the cutoff frequency of the filter, with the limit being the respect of Shannon's sampling theorem.
  • variable gain module 15 the nonlinearity function "NL" summed in the variable gain module 15 is mathematically defined, for example, by the following system of equations:
  • NL ( ⁇ ) fEch 0 (k - 1) - ⁇ - if threshold, ⁇ ⁇ threshold 2 threshold 2 - threshold,
  • NL ( ⁇ ) 0 if ⁇ ⁇ threshold.
  • the parameters seuih, seui ⁇ and k are associated, where k is a gain.
  • ⁇ represents the error between the incoming signal E and the filtered output signal S
  • the threshold parameters, seuib correspond to the two threshold values of the error signal ⁇ where the change of the bandwidth takes place and
  • fEch 0 is the frequency initial sample of the module 46, that is to say the frequency at which is calculated the bandwidth of the filter for a value of the error ⁇ .
  • the filtering device 10 directly links a conventional quantity used in linear filtering, namely the cutoff frequency, to a gain, without going through statistical notions or data. noise characteristics such as distribution, variance.
  • the filtering device 10 operates in real time, without storing the incoming signal E.
  • the filtering device is autonomous, that is to say that it does not require a computer, can operate in a simple manner in time real or offline, accepts digital or analog signals, such as voltage, and produces digital or analog signals, such as voltage.
  • the device can thus fit into an existing system, for example between a sensor and a signal acquisition system of this sensor, and can also be used offline to process digital data files.
  • such a filtering device 10 allows the use of nonlinearities of which the derivatives of order one or more are defined and the use of any type of signals, especially on analog signals, by means of an autonomous device, with an analog input, and at least one analog output.
  • the device can be applied to signals of any frequency range and to any type of signal, including acceleration signal, speed signal, position or angle signal, pressure signal.
  • the optional use of an interpolation system at the input of the nonlinear filtering device according to the invention makes it possible to increase the sampling frequency, to reduce the errors of approximation of the integration, and the Optional use of an output sub-sampling system recreates a signal with the same sampling period as input.
  • the housing 17 implements two non-linear filters 21, 22 with different parameters.
  • Such a housing 17 may implement one or more non-linear filters.
  • the non-linear filtering device 10 may comprise an on-board power supply, of the battery or battery type, or an external power supply.
  • the cut-off frequencies, the values of the threshold parameters, threshold 2 and / or the non-linearity functions "NL" of the filtering device 10 may be adjustable.
  • the filtering device 10 comprises a single incoming signal E and a plurality of filtered outgoing signals S, each filtered outgoing signal being associated with a variable gain module operating a sum of several functions. non-linearity "NL".
  • the device may also include, in addition to the plurality of filtered output signals, an unfiltered outgoing signal corresponding to the incoming signal E of origin.

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Abstract

Le dispositif de filtrage non linéaire (10) selon l'invention comporte une première branche de traitement comprenant en série un module soustracteur (11 ), recevant un signal d'entrée (E), un module de gain fixe (12), un module additionneur (13), un module intégrateur (14), générant un signal de sortie (S), au moins une deuxième branche de retour de gain unitaire, entre la sortie du module intégrateur (14) et une entrée du module soustracteur (11 ), et un module de gain variable (15), disposé sur une branche en parallèle par rapport à la branche du module de gain fixe (12). Le gain variable du dispositif de filtrage (10) est interpolé de manière à assurer une non linéarité continue du dispositif de filtrage (10). Le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer par la pulsation de coupure ωc définie selon l'équation : Dans l'équation ci-dessus, Te est la période d'échantillonnage, F est le gain fixe et NL est le gain variable du dispositif de filtrage (10).

Description

DISPOSITIF DE FILTRAGE NON LINEAIRE
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un dispositif de filtrage non linéaire d'un signal comportant une première branche de traitement comprenant en série un module soustracteur, recevant un signal d'entrée, un module de gain fixe, un module additionneur, un module intégrateur, générant un signal de sortie, au moins une deuxième branche de retour de gain unitaire, entre la sortie du module intégrateur et une entrée du module soustracteur, et un module de gain variable, disposé sur une branche en parallèle par rapport à la branche du module de gain fixe.
L'invention s'applique plus particulièrement, dans le domaine du traitement du signal, au filtrage de tout type de signaux à bord des véhicules automobiles ou hors ligne, notamment un signal d'accélération, un signal de vitesse, un signal de position ou d'angle, un signal de pression, etc.
Etat de la technique
Un problème classique en conditionnement et traitement du signal consiste à réduire l'amplitude des signaux indésirables tout en conservant les signaux pertinents, c'est-à-dire atténuer d'une valeur imposée certaines composantes fréquentielles d'un signal, lorsque leur amplitude est inférieure ou supérieure à un seuil, et les laisser passer sinon. Le signal peut être représenté sous forme électrique analogique ou sous forme numérique.
En traitement du signal, lorsqu'il faut atténuer un signal indésirable, par exemple du bruit, situé dans la même bande de fréquence que le signal désiré, la seule manière de discriminer ces deux signaux est de mesurer leur amplitude. Dans la pratique, ce problème revient à augmenter la bande passante d'un filtre passe bas, lorsqu'un signal de forte amplitude est présent.
La bande passante d'un filtre linéaire étant indépendante de l'amplitude du signal, ce type de problème ne peut donc pas être résolu au moyen d'un filtre linéaire. Plusieurs solutions ont alors été proposées. Le document FR 2 878 030 a introduit notamment le concept d'un filtre analogique et continu ou numérique et échantillonné. Ce concept repose sur un filtre du premier ordre représenté et réalisé sous forme d'un intégrateur rebouclé avec une contre- réaction négative, favorisant notamment la stabilité. Lorsque le gain sur le signal d'erreur est constant, le système obtenu est un filtre passe-bas du premier ordre linéaire. Le gain de boucle, c'est-à-dire le gain sur le signal d'erreur, est modifié par une non linéarité. Le filtre devient alors non linéaire, sa bande passante augmente pour des signaux de grande amplitude et de fréquence f, alors qu'elle est faible pour des signaux de même fréquence f, mais d'amplitude faible.
Le brevet US 3 654 563 décrit également un filtre non linéaire, dont la non linéarité est symétrique. Cependant, ce type de filtre ne permet pas de différencier les temps de réponses montants et descendants.
De même, le brevet US 5 799 111 décrit un filtre non linéaire appliqué aux signaux à deux dimensions du type image. Cependant, le gain du filtre provient d'un module extérieur au filtre et ce module calcule le gain grâce à des valeurs statistiques, à savoir la variance et la corrélation. De plus, le système décrit est non causal, c'est-à-dire qu'il nécessite une connaissance du futur pour être appliqué. En l'occurrence, cette connaissance est réalisée en mettant en mémoire le signal dans un « buffer », puis en le traitant, ce qui introduit un retard.
La demande de brevet français non publiée n° 06 51219 de la demanderesse introduit une amélioration au niveau de la notion de non linéarité, pour une application au filtrage d'un signal de jauge de carburant. L'amélioration porte sur une non linéarité douce, par opposition à une non linéarité dure comme un seuil. Mathématiquement, la non linéarité douce présente une dérivée première définie et non infinie, ce qui n'est pas le cas de la non linéarité dure comme le seuil, dont la dérivée première n'est pas définie au seuil.
Cependant, aucun des documents cités ci-dessus ne permet d'obtenir un filtre non linéaire fonctionnant de façon autonome et de façon optimale pour tout type de signaux.
Objet de l'invention
L'invention a pour but de remédier à l'ensemble des inconvénients précités et a pour objet la réalisation d'un dispositif de filtrage non linéaire qui soit autonome, c'est-à-dire qui ne nécessite pas l'utilisation d'un ordinateur, et qui puisse s'appliquer à tout type de filtrage de signaux sur toutes plages de fréquences.
Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et, plus particulièrement, par le fait que le gain variable du dispositif de filtrage est interpolé de manière à assurer une non linéarité continue du dispositif de filtrage et en ce que le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer par la pulsation de coupure ωc , définie selon l'équation : ft> = — î arccos f 1 + (F + NL)2re 2 (i - io -0 3 )
2((F + NL )Te - l). 10 -0 3
dans laquelle Te est la période d'échantillonnage, F est le gain fixe et NL est le gain variable du dispositif de filtrage. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention peuvent être considérées isolément ou en combinaison :
- Le module de gain variable varie de façon douce, la variation s'effectuant, de préférence, par des droites.
- La variation par des droites du module de gain variable est définie mathématiquement par la somme des fonctions de non linéarité « NL » suivante : r NΛ7L7 {,ε Λ) - k , si ε ≥ seuι .l,2 k
NL(ε) (ε - SeUiI1 ) si SeUiI1 < ε < seuil 2 SeUiI1 — seuil \
NL(ε) = 0 si ε < SeUiI1 avec pour chaque fonction de non linéarité « NL », des paramètres seuih, seui^ et k associés, k et F étant des gains, ε étant le signal d'erreur entre le signal entrant E dans le dispositif et le signal sortant S filtré et les paramètres seuih, seuil2 étant les valeurs de seuil du signal d'erreur ε où a lieu le changement de la bande passante.
- Le dispositif de filtrage comporte un module de sur-échantillonnage, placé en entrée du dispositif de filtrage et destiné à interpoler au préalable le signal entrant dans le dispositif de filtrage.
- Le dispositif de filtrage comporte un module de sous-échantillonnage, placé en sortie du dispositif de filtrage, de sorte que le signal sortant filtré présente la même fréquence que le signal entrant dans le dispositif de filtrage.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente sous forme d'un schéma-bloc un mode particulier de réalisation d'un dispositif de filtrage non linéaire selon l'invention.
Les figures 2 et 3 représentent, respectivement, un schéma-bloc et un boîtier d'interface interactif d'un exemple particulier d'application du dispositif de filtrage non linéaire selon la figure 1.
La figure 4 représente sous forme d'un schéma-bloc un autre exemple particulier d'application du dispositif de filtrage selon la figure 1.
La figure 5 représente sous forme d'un schéma-bloc une variante de réalisation d'un dispositif de filtrage non linéaire selon l'invention.
La figure 6 est un graphique illustrant le rapport de la fréquence de coupure avec la fréquence d'échantillonnage à coefficients égaux, pour le dispositif de filtrage non linéaire selon la figure 5.
Description de modes particuliers de réalisation
En référence aux figures 1 à 6, le dispositif de filtrage non linéaire 10 selon l'invention est destiné notamment au filtrage de tout type de signaux, par exemple un signal d'accélération, un signal de vitesse, un signal de position ou d'angle, un signal de pression.
Sur la figure 1 , le mode particulier de réalisation du dispositif de filtrage non linéaire 10 comporte une première branche de traitement comprenant en série un module soustracteur 11 , recevant un signal d'entrée E, après passage par un module de sur-échantillonnage 16 décrit par la suite, un module de gain fixe 12, un module additionneur 13 et un module intégrateur 14, générant un signal de sortie S filtré. Le dispositif de filtrage non linéaire 10 comporte au moins une deuxième branche de retour via un gain unitaire, entre la sortie du module intégrateur 14 et une entrée du module soustracteur 11. Il en résulte alors un signal dérivé d en sortie du module additionneur 13 et en entrée du module intégrateur 14. Le module soustracteur 11 génère un signal d'erreur ε, ou signal de différence, entre le signal d'entrée E et le signal de sortie S filtré. Le dispositif de filtrage 10 comporte également un module de gain variable 15, disposé sur une branche en parallèle par rapport à la branche du module de gain fixe 12, entre le signal d'erreur ε en sortie du module soustracteur 11 et une entrée du module additionneur 13.
Le module de gain variable 15 génère une fonction de non linéarité, appelée « NL » par la suite. Selon l'invention, le gain variable du dispositif est interpolé de manière à assurer une non linéarité continue du dispositif de filtrage 10 et le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer. Sur la figure 1 , la dérivée d'ordre un de la non linéarité du filtre est définie. Les dérivées d'ordre plus importantes peuvent également être définies, selon l'interpolation utilisée. Cela introduit moins d'artefacts dans le signal de sortie S. La valeur du gain est liée de manière statique à l'erreur entre le signal d'entrée E et le signal de sortie S du dispositif de filtrage 10 selon l'invention.
Plus précisément, le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer par la fréquence de coupure (équivalent à la pulsation de coupure au coefficient 2π près), définie selon l'équation suivante
de la pulsation de coupure : 1 (F + NLY T U\ - \Q→ i ) ω. = — arccos 1 + - — -—
T e 2((F + NL)Te - I).10
Dans cette formule, ωc est la pulsation de coupure, Te est la période d'échantillonnage, F est le gain fixe et NL est le gain variable du dispositif de filtrage 10, comme représenté sur la figure 1.
Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 1 , le dispositif de filtrage 10 est composé d'un signal d'entrée E et d'un seul signal de sortie S filtré. L'interpolation de la fréquence de coupure du dispositif de filtrage 10 est représentée par la fonction « NL », comme décrit ci-dessus, du module de gain variable 15. Le module de gain variable 15 varie, de préférence, de façon douce, la variation pouvant s'effectuer par des sinusoïdes, des tangentes ou des droites. Plus particulièrement, la variation par des droites du module de gain variable 15 est définie mathématiquement par la somme des fonctions de non linéarité « NL » suivante :
NL(ε) = k si ε ≥ seuil2 k
NL(ε) — (ε — SeUiI1 ) si SeUiI1 ≤ ε < seuil2 SeUiI1 - seuil \
NL(ε) = 0 si ε < seuïlx
Dans le système d'équation ci-dessus, pour chaque fonction de non linéarité « NL », les paramètres seuih, seui^ et k sont associés, k et F étant des gains, ε représente l'erreur entre le signal entrant E et le signal de sortie S filtré et les paramètres seuih et seuib correspondent aux deux valeurs de seuil du signal d'erreur ε où a lieu le changement de la bande passante.
Par ailleurs, dans le mode particulier de réalisation de la figure 1 , l'interpolation linéaire effectuée entre seuih et seuib, vérifie l'équation suivante : (seuib - seuih) = 0.1 x (seui^ + seuih), soit une interpolation au dixième de la valeur du seuil équivalent, à savoir (seui^ + seuih)/2.
Sur la figure 1 , le dispositif de filtrage 10 comporte donc avantageusement le module de sur-échantillonnage 16, disposé en entrée du dispositif de filtrage 10, avant le module soustracteur 11 , permettant d'interpoler au préalable le signal entrant E, de manière notamment à augmenter artificiellement la fréquence d'échantillonnage du signal. La fonction de non linéarité « NL » est alors appliquée sur un signal d'entrée E sur-échantillonné, ce qui permet notamment de minimiser les effets de l'échantillonnage sur le dispositif de filtrage 10 selon l'invention. Dans une variante de réalisation non représentée, le dispositif de filtrage 10 selon l'invention peut également comporter un module de sous- échantillonnage, placé après la boucle de retour de gain unitaire en sortie du dispositif de filtrage 10, de sorte que le signal de sortie S filtré est sous- échantillonné, afin de produire notamment un signal échantillonné en sortie à la même fréquence qu'en entrée.
Un tel dispositif de filtrage non linéaire 10 selon l'invention permet ainsi d'appliquer et de valider des signaux sur toutes plages de fréquences. A titre d'exemple, avec l'équation ci-dessus de la pulsation de coupure ωc , il est possible d'obtenir un signal de pédale d'accélérateur inférieur à 1 Hz, un signal d'angle de papillon inférieur à 5Hz, un signal d'accélération longitudinale inférieur à 30Hz et un signal de pédale d'accélérateur inférieur à 10000Hz.
Dans un exemple particulier d'application du dispositif de filtrage 10 selon l'invention, un système de traitement du signal peut comporter plusieurs dispositifs de filtrage 10 selon la figure 1 , avec un unique signal d'entrée E et plusieurs signaux de sortie S filtrés, chaque signal S de sortie étant associé à un module de gain variable d'un dispositif 10 associé. Un tel système permet alors de fournir, pour un même signal d'entrée E, des signaux filtrés par des filtres non linéaires réglés différemment, à savoir avec des bandes passantes et/ou des seuils différents, comme décrit notamment en référence aux figures 2 et 3. Il est alors possible, par exemple, d'atténuer différents types de signaux.
Sur les figures 2 et 3, représentant un exemple particulier d'application du dispositif de filtrage 10 selon l'invention, un boîtier d'interface analogique/numérique 17 (figure 3), comportant au moins un dispositif de filtrage non linéaire 10 selon l'invention, peut être inséré, par exemple, entre un capteur et un système d'acquisition du signal du capteur. Le fonctionnement d'un tel boîtier 17 est représenté schématiquement sur la figure 2. Le boîtier 17 implémente d'abord l'acquisition du signal 18 à traiter et comporte un premier filtre analogique anti-repliement 19, pour le signal requis, suivi en série d'un premier convertisseur analogique/numérique 20. Le filtre anti-repliement 19 est un filtre passe-bas, dont le but est de vérifier au mieux le théorème de l'échantillonnage de Shannon.
Le signal numérique 18 passe ensuite par un calculateur, ou plus particulièrement un processeur de traitement du signal DSP (« Digital Signal Processor » en anglais), par exemple un microcontrôleur, qui contient les fonctions de calcul et de réglage de deux filtres non linéaires 21 et 22, placés sur deux branches en parallèles du circuit de traitement du signal. Les deux filtres 21 , 22 ont, de préférence, un fonctionnement et des caractéristiques identiques au dispositif de filtrage non linéaire 10, comme décrit précédemment.
La reconversion des signaux filtrés s'effectue ensuite par l'intermédiaire de seconds convertisseurs analogiques/numériques 23, 24, associés chacun à un filtre non linéaire 21 , 22. Les signaux passent ensuite par des seconds filtres analogiques anti-repliement 25, 26, placés chacun en série avec le convertisseurs analogique/numérique 23, 24 associés, afin d'obtenir deux signaux de sortie distincts 27, 28, associés chacun à une branche du circuit de traitement du signal ci-dessus.
Le boîtier 17 comme représenté schématiquement sur la figure 3 représente un exemple particulier d'interface entre un utilisateur et le traitement automatique du signal. Le boîtier 17 comporte des connecteurs 29, 30, par exemple des connecteurs du type « fiches bananes », pour l'alimentation du boîtier 17, un connecteur 31 , par exemple un connecteur du type à baïonnette BNC (« Bayonet Neill-Concelman » en anglais), pour l'entrée analogique, un connecteur 32, par exemple un connecteur BNC, pour la sortie non filtrée, c'est- à-dire où le signal de sortie est égal au signal d'entrée, et deux connecteurs 33, 34, par exemple des connecteurs BNC, pour les deux sorties des filtres non linéaires 21 , 22 implantés (figure 2).
Le boîtier 17 comporte également un premier organe de réglage 35 variable, notamment pour régler la valeur du seuil d'erreur positif, afin de basculer entre les deux fréquences de coupure de chaque filtre non linéaire, et un deuxième organe de réglage 36 variable, notamment pour régler la valeur du seuil d'erreur négatif, afin de basculer entre les deux fréquences de coupure de chaque filtre non linéaire. Le boîtier 17 comporte également un troisième organe de réglage 37 variable, pour régler la valeur de la fréquence de coupure, lorsque l'erreur ε est supérieure au seuil positif ou inférieure au seuil négatif, et un quatrième organe de réglage 38 variable, pour régler la valeur de la fréquence de coupure, lorsque l'erreur ε est inférieure au seuil positif ou supérieure au seuil négatif. A titre d'exemple, les organes de réglage 35 à 38 sont des potentiomètres.
Le boîtier 17 peut comporter également un organe de confirmation du réglage 39, par exemple un bouton poussoir, pour les valeurs variables choisies. Un tel organe de confirmation 39 sert notamment à éviter les déplacements non intentionnés des valeurs lors des essais, par exemple via les potentiomètres. Enfin, le boîtier 17 peut comporter un organe de « feedback » sensoriel 40, par exemple un voyant d'affichage lumineux, pour confirmer la prise en compte du nouveau réglage. Un tel voyant 40 est déclenché par l'activation de l'organe de confirmation 39, par exemple par l'appui sur le bouton poussoir 39.
Ainsi, l'utilisation d'un tel boîtier 17 permet de façon très avantageuse de régler les différents paramètres de façon autonome, sans l'utilisation notamment d'un ordinateur, afin d'optimiser le fonctionnement notamment du dispositif de filtrage selon l'invention. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 4, un dispositif de filtrage non linéaire selon l'invention peut également être appliqué au pilotage d'un système 41 de filtres non linéaires à fréquence de coupure variable et d'ordre plus important que le premier ordre du dispositif de filtrage non linéaire représenté sur la figure 1. Il en résulte alors la réalisation d'un système 41 à filtre non linéaire d'ordre quelconque, par la mise en cascade de systèmes à fréquences de coupures variables pilotées par le premier dispositif de filtrage non linéaire 10, comme représenté sur la figure 1.
Comme représenté plus en détail sur la figure 4, un tel système 41 comporte un dispositif de filtrage non linéaire 42, identique à celui décrit ci- dessus en référence à la figure 1 , c'est-à-dire du premier ordre. Le signal d'entrée E passe dans le filtre 42 et le fonctionnement du système 41 consiste à calculer, à chaque instant, la pulsation de coupure ωc de ce filtre 42 grâce à l'équation ci-dessus, régissant le dispositif de filtrage selon la figure 1.
Un module 43, disposé en parallèle, convertit alors par l'intermédiaire d'une fonction mathématique prédéterminée la pulsation de coupure ωc du filtre
42 du premier ordre en fréquence de coupure variable d'un autre filtre 44, situé en aval du filtre non linéaire 42. Le filtre 44 en aval est donc piloté par la pulsation de coupure ωc du filtre non linéaire 42 situé en amont de la chaîne de traitement représentée sur la figure 4.
Une telle chaîne de traitement présente l'avantage principal de pouvoir mieux lisser le signal, tout en gardant le comportement non linéaire du filtre 42 du premier ordre, les paramètres de réglage concernant uniquement le filtre 42 non linéaire.
D'une façon générale, un tel système 41 comme représenté sur la figure 4 offre une possibilité de pilotage par le filtre 42 non linéaire de premier ordre d'autres filtres 44 d'ordres plus importants, mis en cascade derrière lui, un nombre quelconque fini de filtres 44 en aval donnant l'ordre du système de filtrage 41 ainsi réalisé, le système 41 étant d'ordre deux sur la figure 4.
Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 5, le dispositif de filtrage 10 se distingue du mode de réalisation représenté sur la figure 1 par l'effet de la fonction de non linéarité « NL ». Dans cette nouvelle architecture du dispositif de filtrage 10, la fonction de non linéarité ne modifie plus le gain, mais la fréquence d'échantillonnage fEch (soit l'inverse de la période d'échantillonnage Te). Sur la figure 5, la non linéarité « NL » vérifie les mêmes propriétés de dérivée définie, voire continue, afin d'introduire moins d'artefacts dans le signal de sortie S filtré.
Sur la figure 5, le dispositif de filtrage 10 comporte le module soustracteur 11 , associé à la boucle de retour via un gain unitaire, le module de gain fixe 12 et le module intégrateur 14. Le dispositif 10 comporte également un module 45 de fréquence d'échantillonnage fEch interpolé, au moyen d'un module additionneur 47, par le module de gain variable 15 et un module 46 ayant la valeur de la fréquence d'échantillonnage initiale fEcho du dispositif 10.
Plus particulièrement, comme représenté sur la figure 6, il existe un rapport linéaire entre la fréquence de coupure et la fréquence d'échantillonnage des filtres. Ainsi, le dispositif de filtrage 10 selon la figure 5 présente une fréquence de coupure définie selon la même équation que précédemment, à savoir avec l'équation de la pulsation de coupure définie selon la formule
suivante : »,
Figure imgf000014_0001
Dans le mode particulier de la figure 5, le gain variable NL est égal à zéro, la période d'échantillonnage initiale Teo est fixe et la période d'échantillonnage Te du filtre varie en fonction d'une dépendance linéaire introduite dans la formule de la pulsation de coupure ωc . Le calcul de la fréquence de coupure s'effectue alors de la même façon, en introduisant dans les calculs une dépendance linéaire entre ωc et 1/Te (puisque la valeur de l'arccos reste constante). Une variation linéaire de la fréquence d'échantillonnage 1/Te correspond donc à une variation linéaire de la fréquence de coupure du filtre, avec comme limite le respect du théorème de l'échantillonnage de Shannon.
Par ailleurs, dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 5, la fonction de non linéarité « NL », sommée dans le module de gain variable 15, est définie mathématiquement, par exemple, par le système d'équations suivant :
NL(ε) - fEch0 (k - 1) si ε > seuil2
( F — SëUll ^
NL(ε) = fEch0 (k - 1)- ι— si seuil, < ε < seuil 2 seuil2 - seuil,
NL(ε) = 0 si ε < seuil.
Dans le système d'équation ci-dessus, pour chaque fonction de non linéarité « NL », les paramètres seuih, seui^ et k sont associés, k étant un gain. ε représente l'erreur entre le signal entrant E et le signal de sortie S filtré, les paramètres seuih, seuib correspondent aux deux valeurs de seuil du signal d'erreur ε où a lieu le changement de la bande passante et fEch0 est la fréquence d'échantillonnage initiale du module 46, c'est-à-dire la fréquence à laquelle est calculée la bande passante du filtre pour une valeur de l'erreur ε.
Quel que soit le mode de réalisation décrit ci-dessus, le dispositif de filtrage 10 selon l'invention relie directement une grandeur classique utilisée en filtrage linéaire, à savoir la fréquence de coupure, à un gain, sans passer par des notions statistiques ou des caractéristiques de bruit comme la distribution, la variance. Le dispositif de filtrage 10 fonctionne en temps réel, sans mise en mémoire du signal entrant E.
Le dispositif de filtrage selon l'invention est autonome, c'est-à-dire qu'il ne nécessite pas un ordinateur, peut fonctionner de manière simple en temps réel ou hors ligne, accepte des signaux numériques ou analogiques, par exemple la tension, et produit des signaux numériques ou analogiques, par exemple la tension. Le dispositif peut donc s'insérer dans un système existant, par exemple entre un capteur et un système d'acquisition du signal de ce capteur, et peut également être utilisé hors ligne pour traiter des fichiers de données numériques.
Par ailleurs, un tel dispositif de filtrage 10 selon l'invention permet l'utilisation de non linéarités dont les dérivées d'ordre un ou plus sont définies et l'utilisation de tout type de signaux, notamment sur des signaux analogiques, au moyen d'un dispositif autonome, avec une entrée analogique, et au moins une sortie analogique. Le dispositif peut s'appliquer sur des signaux de toutes plages de fréquences et sur tout type de signaux, notamment signal d'accélération, signal de vitesse, signal de position ou d'angle, signal de pression.
De plus, l'utilisation facultative d'un système d'interpolation en entrée du dispositif de filtrage non linéaire selon l'invention permet d'augmenter la fréquence d'échantillonnage, pour diminuer les erreurs d'approximation de l'intégration, et l'utilisation facultative d'un système de sous échantillonnage en sortie permet de recréer un signal de même période d'échantillonnage qu'en entrée.
L'invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation décrits ci-dessus. Dans l'exemple d'application des figures 2 et 3, le boîtier 17 implémente deux filtres non linéaires 21 , 22 avec des paramètres différents. Un tel boîtier 17 peut implémenter un ou plusieurs filtres non linéaires. Le dispositif de filtrage non linéaire 10 peut comporter une alimentation embarquée, du type piles ou batteries, ou une alimentation externe.
Dans des variantes de réalisation non représentées du dispositif de filtrage 10 selon l'invention, les fréquences de coupure, les valeurs des paramètres seuih, seuil2 et/ou les fonctions de non linéarité « NL » du dispositif de filtrage 10 peuvent être réglables.
Dans une autre variante de réalisation non représentée du dispositif de filtrage 10, celui-ci comporte un seul signal entrant E et une pluralité de signaux sortant S filtrés, chaque signal sortant filtré étant associé à un module de gain variable opérant une somme de plusieurs fonctions de non linéarité « NL ». Le dispositif peut également comporter, en plus de la pluralité de signaux de sortie filtrés, un signal sortant non filtré, correspondant au signal entrant E d'origine.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de filtrage non linéaire (10) d'un signal comportant une première branche de traitement comprenant en série un module soustracteur (11), recevant un signal d'entrée (E), un module de gain fixe (12), un module additionneur (13), un module intégrateur (14), générant un signal de sortie (S), au moins une deuxième branche de retour de gain unitaire, entre la sortie du module intégrateur (14) et une entrée du module soustracteur (11 ), et un module de gain variable (15), disposé sur une branche en parallèle par rapport à la branche du module de gain fixe (12), dispositif caractérisé en ce que le gain variable du dispositif de filtrage (10) est interpolé de manière à assurer une non linéarité continue du dispositif de filtrage (10) et en ce que le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer par la pulsation de coupure ωc , définie selon l'équation :
3
Figure imgf000018_0001
dans laquelle Te est la période d'échantillonnage, F est le gain fixe et NL est le gain variable du dispositif de filtrage (10).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le module de gain variable (15) varie de façon douce.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la variation s'effectue par des sinusoïdes, des tangentes ou des droites.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la variation par des droites du module de gain variable (15) est définie mathématiquement par la somme des fonctions de non linéarité « NL » suivante :
NL(ε) - k si ε ≥ seuil 2
NL(ε) (ε - SeUiI1 ) si SeUiI1 < ε < seuil 2
SeUiI1 — SeUiI1
NL(ε) = 0 si ε < seuïlx avec pour chaque fonction de non linéarité « NL », des paramètres seuih, seuil2 et k associés, k et F étant des gains, ε étant le signal d'erreur entre le signal entrant (E) dans le dispositif (10) et le signal sortant (S) filtré et les paramètres seuih, seui^ étant les valeurs de seuil du signal d'erreur ε où a lieu le changement de la bande passante.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un module de sur-échantillonnage (16), placé en entrée du dispositif de filtrage (10) et destiné à interpoler au préalable le signal entrant (E) dans le dispositif de filtrage (10).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un module de sous-échantillonnage, placé en sortie du dispositif de filtrage (10), de sorte que le signal sortant (S) filtré présente la même fréquence que le signal entrant (E) dans le dispositif de filtrage (10).
7. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte un module (45) de fréquence d'échantillonnage variable, interpolée par un gain variable (15) à partir d'un module (46) d'une fréquence d'échantillonnage initiale, de manière à assurer une dérivée continue, le gain variable étant lié aux bandes passantes du signal à traiter par la pulsation de coupure ωc , définie selon l'équation :
1 r ωc = — arccos 1
Figure imgf000019_0001
dans laquelle la gain variable NL est égal à 0, Teo est la période d'échantillonnage fixe initiale et Te varie en fonction d'une dépendance linéaire par rapport à la pulsation de coupure ωc .
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la variation du module de gain variable (15) est définie mathématiquement par la somme des fonctions de non linéarité « NL » suivante : NL(ε) = fEch0 (k - 1) si ε > seuil2
NL(ε) - fEch0 (k - 1) — si SeUiI1 < ε < seuil 2 ,
SeUiI1 - SeUiI1
NL(ε) = 0 si ε < seuilx avec pour chaque fonction de non linéarité « NL », des paramètres seuih, seuU2 et k associés, k étant un gain, fEch0 la fréquence d'échantillonnage initiale, fEch la fréquence d'échantillonnage variable, ε le signal d'erreur entre le signal entrant (E) dans le dispositif (10) et le signal sortant (S) filtré et les paramètres seuih, seuil2 les valeurs de seuil du signal d'erreur ε où a lieu le changement de la bande passante.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fréquences de coupure du dispositif de filtrage (10) sont réglables.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les valeurs de seuil seuih et seuil2 et/ou la fonction de non linéarité « NL » du dispositif de filtrage (10) sont réglables.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un seul signal entrant (E) et une pluralité de signaux sortant (S, 27, 28), chaque signal sortant filtré étant associé à un module de gain variable opérant une somme de plusieurs fonctions de non linéarité
« NL ».
12. Dispositif selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comporte un signal sortant non filtré, correspondant au signal entrant (E) d'origine.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est intégré dans un boîtier (17) d'interface analogique/numérique.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un système (41 ) en cascade comportant au moins un filtre supplémentaire (44), indépendant du signal d'entrée (E), la pulsation de coupure ωc issue du dispositif de filtrage non linéaire (10) étant mise en entrée d'une fonction quelconque (43) et appliquée ensuite sur le filtre supplémentaire (44).
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