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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Mit der Entwicklung von drahtlosen Sensorknoten und Sensoren in tragbaren Textilien stieg der Bedarf für elektronische Schaltungen mit geringem Leistungsverbrauch mehr und mehr an. Beispielsweise besteht das Ziel im Leistungsverbrauch für viele Anwendungen, wie zum Beispiel die Immereingeschalteten-Funktionalität in tragbaren Textilien und bei integrierten Industrie 4.0-Sensoren für die intelligente Signalverarbeitung im Bereich von weniger als einem Mikrowatt.
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Ein erster Schritt für eine digitale Signalverarbeitung von Sensorsignalen ist die Analog-Digital-Wandlung durch das Ausführen einer Abtastung und Quantifizierung, die durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC = engl. Analog-Digital Converter = Analog-Digital-Wandler) ausgeführt wird. Entsprechend dem Nyquist -Kriterium sollte die Taktfrequenz des Analog-Digital-Wandlers (d. h., die Abtastrate) mindestens zweimal so groß sein, wie die optimale bzw. höchste Frequenz in dem analogen Signal, um eine Rekonstruktion des Signals ohne Verlust von Informationen durchführen zu können. Dies kann jedoch zu einer Überabtastung in Zeiten führen, in denen diese maximalen Frequenzen nicht in dem abzutastenden Signal auftreten. Da die Leistungsaufnahme des Analog-Digital-Wandlers direkt mit der Abtastrate zusammenhängt, führt eine solche Überabtastung zu unnötigem Energieverbrauch.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin eine Vorrichtung, dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Mit dem hier vorgestellten Ansatz wird ein Verfahren zum Betreiben eines Analog-Digital-Wandlers zur Wandlung eines Signals vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Ermitteln eines Signalparameters in einem spektralen Teilbereich des zu wandelnden Signals, wobei der spektrale Teilbereich einen Frequenzbereich des möglichen Abtastfrequenzbereichs des Analog-Digital-Wandlers umfasst, der Frequenzen zumindest eines weiteren Teilbereichs des Abtastfrequenzbereichs nicht umfasst; und
- - Bestimmen einer Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers unter Verwendung des Signalparameters und Betreiben des Analog-Digital-Wandlers unter Verwendung der bestimmten Abtastfrequenz.
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Unter einem Signal kann vorliegend analoges Signal verstanden werden. Unter einem Signalparameter kann ein Wert oder Parameter verstanden werden, der eine charakteristische Größe des Signals oder eines Bereichs des Signals repräsentiert oder abbildet. Unter einem spektralen Teilbereich eines Signals kann ein Teilspektrum oder Frequenzbereich des (analogen, zu wandelnden) Signals verstanden werden. Speziell kann der Teilbereich einen zusammenhängenden Frequenzbereich des Signals umfassen, in dem Frequenzen oder Signalanteile aus einem weiteren Teilbereich bzw. Frequenzbereich des Abtastfrequenzbereichs des Analog-Digital-Wandlers nicht enthalten sind. Somit können sich der Teilbereich und der weitere Teilbereich in zumindest einem Frequenzabschnitt oder Frequenzbereich unterscheiden. Unter einem Abtastfrequenzbereich kann ein Frequenzbereich verstanden werden, der durch den Analog-Digital-Wandler abgetastet werden kann. Speziell kann ein (analoges) Signal, welches Frequenzen im Abtastfrequenzbereich aufweist, nach der Analog-Digital-Wandlung ohne Informationsverlust rekonstruiert werden.
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Der hier vorgeschlagene Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass ein Signal, welches analog-digital-gewandelt werden soll, zunächst auf Frequenzanteile untersucht werden kann, welche in dem Signal tatsächlich auftreten und anschließend ein Analog-Digital-Wandler mit einer Abtastfrequenz betrieben wird, die in Abhängigkeit von in dem Signal auftretenden Frequenzanteilen bestimmt wird. Hierzu kann zunächst ein Signalparameter, wie beispielsweise eine Energie, in einem spektralen Teilbereich des Signals ermittelt werden, wobei dieser Signalparameter dann beispielsweise einen Rückschluss ermöglicht, ob Signalanteile des Signals in dem spektralen Teilbereich liegen und somit bei der Abtastung des Signals zur fehlerfreien Rekonstruktion des Signals der verwendete Analog-Digital-Wandler mit einer diesem Teilbereich entsprechenden Abtastfrequenz zu betreiben ist. Hierdurch lässt sich dann gegebenenfalls der Vorteil erreichen, unnötig hohe Abtastfrequenzen bei der Analog-Digital-Wandlung des Signals zu vermeiden und hierdurch einerseits Energie für den Betrieb des Analog-Digital-Wandlers einzusparen und andererseits die Erzeugung einer unnötig großen Datenmenge bei der Wandlung des Signals zu vermeiden, welche wiederum einen erhöhten numerischen Aufwand samt erhöhtem Energieverbrauch bei der nachfolgenden digitalen Verarbeitung erfordern würde.
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Günstig ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Ermittelns als Signalparameter eine Energie des Signals in dem spektralen Teilbereich als Signalparameter ermittelt wird, insbesondere wobei der Schritt des Ermittelns unter Verwendung eines Gleichrichters und/oder eines Tiefpassfilters ausgeführt wird. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, dass eine Energie als Signalparameter technisch einfach und schnell ermittelt werden kann und dennoch eine präzise Aussage über Signalanteile ermöglicht, die im Signal im betreffenden spektralen Teilbereich bzw. Frequenzteilbereich auftreten.
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Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Bestimmens als Abtastfrequenz eine Frequenz des Teilbereichs bestimmt wird, insbesondere wobei als Abtastfrequenz eine Eckfrequenz des Teilbereichs, insbesondere eine maximale Frequenz des Teilbereichs bestimmt wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer einfachen und präzisen Bestimmung von in dem Signal auftretenden Frequenzkomponenten, sodass bei der Auswahl oder Einstellung des zu untersuchenden (spektralen) Teilbereichs auch direkt hieraus die Abtastfrequenz bestimmt werden kann, mit welcher der Analog-Digital-Wandler zu betreiben ist.
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Günstig ist auch eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Bestimmens die Abtastfrequenz in Abhängigkeit von einem Vergleich des Signalparameters oder eines davon abgeleiteten Wertes mit einem Schwellwert bestimmt wird, insbesondere wobei als Abtastfrequenz eine Frequenz des Teilbereiches bestimmt wird, wenn der Signalparameter oder der davon abgeleitete Wert größer als der Schwellwert ist. Eine solche Ausführungsform dieses Ansatzes bietet eine technisch sehr einfache Umsetzungsmöglichkeit, insbesondere um auch bei zeitlich sehr schnell veränderlichen Signalen bzw. in dem Signal auftretenden Frequenzanteilen eine Anpassung der für den Betrieb des Analog-Digital-Wandlers zu verwendenden Abtastfrequenz vornehmen zu können.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes ermöglicht eine sehr präzise Ausnutzung der Quantisierungsfähigkeiten des Analog-Digital-Wandlers. Insbesondere kann hierbei eine Länge eines von Analog-Digital-Wandlers ausgegebenen Digitalwortes (beispielsweise eine Bit-Anzahl des von Analog-Digital-Wandler ausgegebenen Werts) verwendet werden, um den Schwellwert festzulegen, sodass durch den Analog-Digital-Wandler lediglich Signale mit (höchsten) Frequenzanteilen gewandelt werden zu brauchen, die auch durch das von Analog-Digital-Wandler ausgegebene Digitalwort abgebildet werden können. Dies kann gemäß einer Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes dadurch erfolgen, dass im Schritt des Ermittelns ein von einem Quantisierungsparameter des Analog-Digital-Wandlers abhängigen Schwellwert verwendet wird.
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Technisch besonders einfach umsetzbar ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Ermittelns der Signalparameter unter Verwendung eines Bandpassfilters und/oder unter Verwendung eines steuerbaren Hochpassfilters ermittelt wird, insbesondere um den Signalparameter im spektralen Teilbereich zu ermitteln.
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Um unterschiedliche Teilbereiche des Spektrums eines Signals auf das Vorliegen von Signalanteilen in diesem Teilbereich näher untersuchen zu können, können gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes die Schritte des Ermittelns und des Bestimmens wiederholt ausgeführt werden, wobei im wiederholt ausgeführten Schritt des Ermittelns ein weiterer Signalparameter in dem weiteren spektralen Teilbereich des zu wandelnden Signals ermittelt wird und wobei im Schritt des Bestimmens die Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers unter Verwendung des weiteren Signalparameters bestimmt und der Analog-Digital-Wandler unter Verwendung der bestimmten Abtastfrequenz betrieben wird. Speziell kann das Signal in einer Vielzahl von derartigen Teilbereichen hin untersucht werden, sodass eine spektrale Auflösung von dem Signal auftretenden Signalanteilen möglich wird und hierdurch die Abtastfrequenz präzise und genau bestimmt werden kann, um möglichst viel Energie bzw. numerischen Aufwand für die nachfolgende Datenverarbeitung einsparen zu können.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im wiederholt ausgeführten Schritt des Ermittelns ein weiterer Signalparameter in dem weiteren spektralen Teilbereich ermittelt wird, der eine Mittenfrequenz aufweist, die innerhalb eines Toleranzbereichs der Hälfte einer Mittenfrequenz des spektralen Teilbereichs entspricht. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, durch die vorgegebene Verwendung von spektralen Teilbereichen, die sich durch um den Faktor zwei veränderten Mittenfrequenzen auszeichnen, technisch sehr einfach eine Bildung von Teilbereichen vornehmen zu können, in welchen das Vorliegen von entsprechenden Signalanteilen des Signals überprüft wird.
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Um auf sich zeitlich ändernde Signale bzw. in dem Signal auftretende Frequenzanteile durch eine Anpassung der Abtastfrequenz reagieren zu können, können gemäß einer günstigen Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Schritte des Ermittelns und des Bestimmens zeitlich nacheinander folgend wiederholt ausgeführt werden, insbesondere wobei die Schritte des Ermittelns und des Bestimmens zyklisch wiederholt ausgeführt werden.
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Besonders schnell und flexibel anpassbar betreiben lässt sich ein Analog-Digital-Wandler bei der Verwendung einer Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der im Schritt des Bestimmens ein Frequenzsynthesizer und/oder oder ein Frequenzteiler verwendet wird, um die Abtastfrequenz zu bestimmen und den Analog-Digital-Wandler mit der derart bestimmten Abtastfrequenz zu betreiben.
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Die hier vorgestellten Varianten eines Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des Einsatzes einer Vorrichtung zum Betreiben eines Analog-Digital-Wandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes;
- 2A ein Blockschaltbild einer ersten Umsetzung bzw. eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Betreiben eines Analog-Digital-Wandlers;
- 2B ein Blockschaltbild einer zweiten Umsetzung bzw. eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Betreiben eines Analog-Digital-Wandlers; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des Einsatzes einer Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Analog-Digital-Wandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes. Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise Teil eines Sensorknotens 105 sein, der dazu ausgebildet ist, die Funktionsweise einer Maschine 110 in einem Raum 115 autonom zu überwachen. Hierfür kann der Sensorknoten 105 beispielsweise an einer Decke oder Wand 120 angebracht sein und mit elektrischer Energie, beispielsweise aus einer regenerativen Energiequelle wie der Sonne 125, versorgt werden. Zu diesem Zweck umfasst der Sensorknoten 105 beispielsweise eine Solarzelle 130, die elektrische Energie zum Betrieb eines Analog-Digital-Wandlers 135 bereitstellt. Mit dem Analog-Digital-Wandler 135 kann nun beispielsweise ein von einem Sensor 140, beispielsweise einem Mikrofon zur Erfassung von Betriebsgeräusch der Maschine 110, bereitgestelltes analoges Signal 142 analog-digital-gewandelt werden, um dieses dann digital vorliegende Signal 144 in beispielsweise einem digitalen Signalprozessor 145 weiter zu verarbeiten oder analysieren zu können, um beispielsweise über eine entsprechende waren Schnittstelle 150 ein Warnsignal 155 beispielsweise betreffend eine Fehlfunktion der Maschine 110 ausgeben zu können.
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Um zu vermeiden, dass der Analog-Digital-Wandler 135 einem unnötig hohen Energieverbrauch ausgesetzt ist, ist vorliegend die Vorrichtung 100 zum Betreiben des Analog-Digital-Wandlers 135 gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, die eine Bestimmung und/oder Anpassung einer für den Betrieb des Analog-Digital-Wandler 135 verwendeten Abtastfrequenz 160 an ein aktuell vorliegendes Signal 142 vornehmen zu können. Hierfür umfasst die Vorrichtung 100 eine Einheit 165 zum Ermitteln eines Signalparameters 170, beispielsweise der Energie, des zu wandelnden Signals 142 in einem spektralen Teilbereich bzw. Frequenzbereich, der einen Ausschnitt des insgesamt von dem Analog-Digital-Wandler 135 zu erfassenden Abtastfrequenzbereichs repräsentiert. Auf der Basis dieses Signalparameters 170 wird dann in einer Einheit 175 zum Bestimmen die (aktuell für den Betrieb des Analog-Digital-Wandlers 135 zu verwendende) Abtastfrequenz 160 bestimmt und dem Analog-Digital-Wandler 135 zugeführt, der das Signal 142 nun mit der bestimmten Abtastfrequenz 160 abgetastet, um das digitale Signal 144 zu erhalten.
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Durch die Verwendung der Vorrichtung 100 ist es nun möglich, das analoge Signal 142 derart zu untersuchen, dass ein Auftreten von Signalanteilen mit Frequenzen in dem Frequenzbereich bzw. dem spektralen Teilbereich erkannt werden kann, sodass es nun möglich ist, den Analog-Digital-Wandler 135 nur dann mit hohen Abtastfrequenzen, die in einem hohen Energieverbrauch des Analog-Digital-Wandlers 135 sowie in einer Generierung einer hohen Datenmenge durch den Analog-Digital-Wandler 135 resultieren, zu betreiben, wenn auch im (analogen) Signal 132 Signalanteile mit entsprechend hohen Frequenzen auftreten. Ist dies nicht der Fall, kann der Analog-Digital-Wandler auch mit einer geringeren Abtastfrequenz 160 betrieben werden, wodurch dann vorteilhaft der Energieverbrauch des Analog-Digital-Wandlers 135 gesenkt werden kann und eine geringere Datenmenge bei der Ausgabe des digitalen Signals 144 zu erwarten ist, die selbst wiederum zu einer geringeren Energieaufnahme des digitalen Signalprozessors 145 bei der Verarbeitung des digitalen Signals 144 führt.
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In dem hier vorgeschlagenen und beispielhaft vorgestellten Ansatz werden Audiosignale 142 als Anwendungsbeispiele herangezogen. Die Abtastrate der meisten Audiorecorder beträgt 44.100 Hertz, welches Frequenzen bis zu 22.050 Hertz in dem abzutastenden Audiosignal 142 abdeckt, die fehlerfrei rekostruierbar sind. Jedoch wird diese Maximalfrequenz von 44.100 Hertz in Audioanwendungen (beispielsweise im Bereich der Maschinenzustandsüberwachung durch die Verwendung einer Audioanalyse als digitaler Signalverarbeitung) nur für kurze Zeiten oder im Falle von Irregularitäten im Betriebszustand der Maschine 110 erreicht werden. Aus diesem Grund kann eine adaptive Abtastung des Audiosignals 142 eine signifikante Reduktion der aktuellen Abtastrate bzw. Abtastfrequenz erreichen.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann somit beispielsweise zu einer Umsetzung einer adaptiven Analog-Digital-Wandler-Abtastung beitragen, um den Energieverbrauch des Analog-Digital-Wandlers 135 bzw. des digitalen Signalprozessors 1405 und die Menge von zu verarbeitenden Daten zu reduzieren. Als ein Ziel des hier vorgestellten Ansatzes kann die Anpassung der Abtastrate eines Analog-Digital-Wandler 135, beispielsweise während dessen Betriebs, auf der Basis von dem Signalparameter 170, beispielsweise einer Energie in einem bestimmten Frequenzband, oder günstigerweise unter Berücksichtung von Signalparametern 170 wie Energien in unterschiedlichen Frequenzbändern gesehen werden.
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Die Reduktion einer Analog-Digital-Wandler-Abtastrate führt zu einer direkten Reduktion des Energieverbrauchs des Analog-Digital-Wandler 135 wie auch in einem geringeren numerischen Aufwand und einem Energieverbrauch der nachfolgenden Hardware 145 zur digitalen Signalverarbeitung.
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2 stellt je ein Blockschaltbild zur Erläuterung von zwei unterschiedlichen Umsetzungen der adaptiven Abtastung eines Analog-Digital-Wandlers 135 dar.
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Die in der 2A in einem Blockschaltbild dargestellte erste Umsetzung bzw. eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 100 basiert auf einer Realisierung der Einheit 165 zum Ermitteln unter Verwendung einer Filterbank 200 mit n Bandpassfiltern BPF1, BPF2, ..., BPFn und einer Einheit 175 zum Bestimmen auf der Basis eines Frequenzteilers FD. Die Bandpassfilter BPF1 bis BPFn sind derart asugestaltet, dass jeder Bandpassfilter BPF1 bis BPFn einen spektralen Anteil des (analogen) Signals 142, welches beispielsweise von dem Sensor 140 aus der 1 bereitgestellt wird, passieren lässt, so wie es in der Darstellung der Diagramme links der Filterbank 200 aus den Bandpassfiltern BOF1 bis BPFn dargestellt ist. In diesen Diagrammen ist die Filterdämpfung bzw. der Frequenzgang auf der Ordinate über die Frequenz auf der Abszisse schematisch dargestellt, wobei erkennbar ist, dass jedes der Bandpassfilter BOF1 bis BOFn Signalanteile mit Frequenzen aus einem (spektralen) Teilbereich 210 des Abtastfrequenzbereichs 220 des Analog-Digital-Wandlers 135 passieren lässt, während dieser Bandpassfilter Signalanteile aus einem weiteren (spektralen) Teilbereiche 230, 240 des Abtastfrequenzbereichs 220 unterdrückt. Als Abtastfrequenzbereich 220 des Analog-Digital-Wandlers 135 kann hierbei der Dynamikbereich oder derjenige Frequenzbereich verstanden werden, der von 0 Hertz bis zu der maximal möglichen Abtastfrequenz reicht, mit der das Signal 142 abgetastet werden kann und dennoch fehlerfrei rekostruierbar ist. Dabei entspricht die maximale Abtastfrequenz bei der Berücksichtigung des Nyquist-Kriteriums gewöhnlich dem Doppelten der maximalen Frequenz von in dem Signal auftretenden Signalanteilen. Ferner ist erkennbar, dass sich die (spektralen) Teilbereiche 210, 230, 240 nicht oder nur sehr gering überlappen, sodass beispielsweise Signalanteile im Signal bei einer Frequenz, die im Teilbereich 210 liegt, durch das erste Bandpassfilter BPF1 passieren gelassen werden, wogegen diese Signalanteile durch die weiteren Bandpassfilter BPF2 bzw. BPFn gesperrt werden. Auf diese Weise kann eine präzise Analyse von in dem Signal 142 auftretenden Frequenzen von Signalanteilen des Signals 142 ermittelt werden.
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In dem in der 2A dargestellten Ausführungsbeispiel ist nach jedem Bandpassfilter BOF1, BOF2, ..., BPFn ein Gleichrichter R1, R2, ..., Rn sowie hienach ein Tiefpassfilter LPF1, LPF2, ..., LPFn in Reihe geschaltet. Diese Kombination aus Gleichrichter und Tiefpassfilter nach jedem der Bandpassfilter BPF ermöglicht die Ermittlung einer Energie als betreffender Signalparameter 170 in jedem der (spektralen) Teilbereiche 210, 230 bzw. 240. Jeder dieser Signalparameter 170 wird nun der Einheit 175 zum Bestimmen zugeführt, welche beispielsweise ausgebildet ist, um in einem Vergleicher 250 einen Vergleich der betreffenden Signalparameter 170 in den Teilbereichen 210 mit einem Schwellwert 260 auszuführen, und, wenn der Signalparameter 170 diesen Schwellwert 260 überschreitet, beispielsweise die durch den Signalparameter 170 repräsentierte Energie größer als eine durch den Schwellwert 260 repräsentierte minimale Energie in dem betreffenden Frequenzbereich bzw. Teilbereich 210, 230 bzw. 240 ist, eine Abtastfrequenz 160 bestimmt wird, mit der der Analog-Digital-Wandler 135 betrieben wird. Diese Abtastfrequenz 160 kann beispielsweise durch einen Frequenzteiler FD bereitgestellt werden, der von dem Vergleicher 250 angesteuert wird.
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Das Signal 142 wird gemäß dem in der 2A dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Anzahl von Bandpassfiltern (BPF) und Spitzendetektoren (Gleichrichtern und Tiefpassfiltern) geführt. Hierdurch kann die Energie als Signalparameter 170 in jedem Frequenzband 210, 230, 240 des Eingangssignals 142 ermittelt werden. Aus Gründen der Einfachheit können die Bandpassfilter BPF so gewählt werden, dass die Mittenfrequenzen durch die Maximalfrequenz Fs,max der Abtastfrequenz Fs ganzzahligen teilbar sind, beispielsweise Fs,max/2, Fs,max/4, Fs,max/8, ..., Fs,max/n. Eine Steuereinheit (beispielsweise als Teil des Vergleichers 250) beginnt mit der Überprüfung der Energie der Signalanteile des Signals 142 im geringeste Frequenzband (Fs,max/8 bis Fs,max/4). Wenn die Frequenzen der Signalanteile in diesem Frequenzband nur wenig zu der in dem Signal 142 enthaltenen Gesamtsignalenergie beitragen (beispielsweise unterhalb der vollen Skalenamplitude/2^Bit des Analog-Digital-Wandels 135, um Aliasing-Effekte zu vermeiden), kann die Abtastfrequenz 160 durch eine Halbierung der maximalen Abtastfrequenz Fs,max mittels des Frequenzteilers FD erhalten werden. Diese Vorgehensweise kann für die folgenden Frequenzbänder bzw. Teilbereiche 230, 210 wiederholt werden, bis das höchste Frequenzband mit wesentlichen Frequenzen erreicht ist. Die Steuereinheit, die beispielsweise im Vergleicher 250 enthalten ist, sollte die Untersuchung von Energien in den übersprungenen Frequenzbändern 210, 230 bzw. 240 fortführen, sodass neu auftretende hohe Frequenzen nicht ignoriert oder übersehen werden.
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In dem in der 2B dargestellten Ausführungsbeispiel ist statt einer Filterbank 200 mit Bandpassfiltern BPF lediglich ein Filterzweig vorgesehen. In diesem Filterzweig ist jedoch statt dem Bandpassfilter BPF ein steuerbarer Hochpassfilter HPF in Reihe vor einem Gleichrichter R und einem Tiefpassfilter LPF angeordnet. Die in der 2B dargestellte zweite Umsetzung des adaptiven Abtastens basiert auf der Überwachung der Energie als Beispiel für einen Signalparaemter 160 eines durch den Vergleicher 250 elektrisch-gesteuerten Hochpassfilters HPF und eines Frequenzsynthesizers Fsy als Teil der Einheit 175 zum Bestimmen. Die Frequenz dieses Hochpassfilters HPF ist beispielsweise angepasst, sodass die Durchlass-Frequenzen deutlich weniger signifikant sind, als die Frequenzen, die durch den Hochpassfilter HPF herausgefiltert werden. Dies wird iterativ wiederholt durch die Untersuchung der Energie als Signalparameter 160 in dem durchgelassenen Band als Teilbereich und das elektronische Wiederanpassen der Eckfrequenz des Filters HPF, sodass die durchgelassene Energie beispielsweise unterhalb einer als Schwellwert 260 im Vergleicher verwendeten Detektionsschwelle des Analog-Digital-Wanderers 132 liegt (d. h., unterhalb der vollen Skalenamplitude/2^Bit des Analog-Digital-Wanderers, um Aliasing-Effekte zu vermeiden). Schließlich erzeugt der Frequenzsynthesizer Fsy die Abtastfrequenz 2*Fmax.
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Als Vorteile des hier vorgeschlagenen Anstazes kann die Reduktion der Abtastfrequenz genannt werden, die weiterhin in einer direkten Reduktion des Energieverbrauchs des Analog-Digital-Wandlers 135 wie auch in einer Reduktion des numerischen Aufwands der nachfolgenden Signalverarbeitungsschritte und einer Reduktion des Energieverbrauchs in der Hardware 145 zur Signalverarbeitung (DSP, Mikrocontroller, et cetera) resultiert.
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Die hier vorgestellte Architektur kann für den Einsatz beispielsweise in integrierten Sensorknoten für Industrie 4.0-Anwendungen verwendet werden, in welcher der Verbrauch einer geringen Energie sehr kritisch ist. Beispielsweise lässt sich der hier vorgeschlagene Ansatz im Bereich der Überwachung von Maschinen mittels autonomen Sensorknoten anwenden. Autonome Verfahren erfordern hohe Anforderungen an die Ausführung von Schritten bei geringem Energieverbrauch. Intakte Maschinen vibrieren nicht bei hohen Frequenzen. Das Auftreten von Signalen in Tonfrequenzen kann eine mechanische Fehlfunktion anzeigen.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Betreiben eines Analog-Digital-Wandlers zur Wandlung eines Signals, wobei das Verfahren einen Schritt 310 des Ermittelns eines Signalparameters in einem spektralen Teilbereich des zu wandelnden Signals aufweist, wobei der spektrale Teilbereich einen Frequenzbereich des möglichen Abtastfrequenzbereichs des Analog-Digital-Wandlers umfasst, der Frequenzen zumindest eines weiteren Teilbereichs des Abtastfrequenzbereichs nicht umfasst. Ferner umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 320 des Bestimmens einer Abtastfrequenz des Analog-Digital-Wandlers unter Verwendung des Signalparameters und Betreiben des Analog-Digital-Wandlers unter Verwendung der bestimmten Abtastfrequenz.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
