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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalverarbeitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Signalverarbeitungseinrichtung gemäß Anspruch 5.
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Gemessene Signale, die hohe Amplituden im tieffrequenten Bereich und geringe Amplituden im höherfrequenten Bereich aufweisen, können mittels aktuell verfügbarer digitaler Mess- und Analysetechnik nur unzureichend ausgewertet werden, insbesondere dann, wenn der interessierende Frequenzbereich höherfrequent ist, da dann in diesem Frequenzbereich der Signal-Rausch-Abstand gering ist.
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US 2022/0101863 A1 beschreibt einen Analog-Digital-Wandler, umfassend: einen adaptiven Weißfilter, der dazu konfiguriert ist, ein analoges Eingangssignal zu filtern und ein weiß gemachtes analoges Eingangssignal auszugeben; einen ersten Konverter, der so konfiguriert ist, dass er das weiß gemachte analoge Eingangssignal empfängt und ein weiß gemachtes digitales Signal ausgibt; eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, den Weißfilter basierend auf dem empfangenen analogen Eingangssignal anzupassen.
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DE 11 2019 000 243 T5 beschreibt ein Light-Detection-And-Ranging (Lidar)-System, beinhaltend eine Lichtübertragungskomponente, die durch einen Phasengetasteter-Burst-Mustergenerator angesteuert wird, der dazu funktionsfähig ist, eine phasencodierte Tastung zum Aktivieren der Lichtquelle in einer Reihe von Ein/Aus-Pulsen für das übertragene TX-Licht anzuwenden. Die Ein/Aus-Sequenz wird so gewählt, dass die Autokorrelationsfunktion des Musters ein maximiertes Spitze-zu-Nebenkeule-Verhältnis aufweist. Die Ein/Aus-Pulse des empfangenen RX-Lichts, das von dem Objekt oder der Szene reflektiert wird, werden in einen Bitstrom umgewandelt, der mit der phasencodierten Tastung kreuzkorreliert ist. Ein Spitzendetektor findet die Spitze der Kreuzkorrelationsfunktion und erzeugt ein Laufzeitsignal, das die Zeit zwischen der Übertragung des TX-Lichts und der Spitze der Kreuzkorrelationsfunktion angibt.
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US 2017/077938 A1 beschreibt ein System zum Umwandeln zwischen analogen und digitalen Signalen, in einigen Ausführungsformen umfassend: einen Differenzierer, um ein differenziertes Signal basierend auf einem Eingangssignal und einem Rückkopplungssignal zu erzeugen; einen Integrator, der mit dem Differenzierer gekoppelt ist, um das differenzierte Signal zu integrieren; einen Quantisierer, der mit dem Integrator gekoppelt ist, um das integrierte Signal zu quantisieren; und einen Tiefpass-Rückkopplungsfilter, der zwischen einem Ausgang des Quantisierers und einem Eingang des Differenzierers gekoppelt ist, um das Rückkopplungssignal unter Verwendung des quantisierten Signals zu erzeugen, wobei der Tiefpass-Rückkopplungsfilter zumindest einen Teil des Rauschens des quantisierten Signals im Frequenzspektrum unterdrückt.
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DE 10 2020 102 497 A1 beschreibt einen Winkelsensor, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Magnetsensor. Der erste Magnetsensor enthält einen ersten und einen zweiten Detektor sowie einen ersten und einen zweiten Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung der vom ersten und zweiten Detektor erzeugten analogen Erkennungssignale in digitale Erkennungssignale. Der zweite Magnetsensor enthält einen dritten und vierten Detektor sowie einen dritten und vierten Analog- Digital-Wandler zur Umwandlung der vom dritten und vierten Detektor erzeugten analogen Erkennungssignale in digitale Erkennungssignale. Der erste bis vierte Analog-Digital-Wandler führen die Abtastung zur gleichen Zeit durch.
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US 5 442 575 A beschreibt, dass bei einem abtastenden Analog-Digital-Wandler, der nach dem Subranging-Prinzip und mit Interpolationsrestkodierung arbeitet, ein Grobwert des Eingangssignals über einen differenziellen Analog-Digital-Wandler (ADC) und einen Summierer an einen Integrator angelegt wird. Der Rest wird auch diesem Integrator zugeführt, indem der Ausgang des Integrators durch einen DAC in ein analoges Signal umgewandelt und dieses Signal vom Eingangssignal subtrahiert wird, das vorteilhafterweise über eine Zeitverzögerungseinheit dem Subtrahierer zugeführt wird. Der Ausgang des Subtrahierers wird durch einen Analog-Digital-Wandler geleitet, der den zweiten Eingang für den oben erwähnten Summierer liefert. Im Vergleich zu den internen ADCs verfügt die Abtastschaltung über einen größeren Dynamikbereich sowie eine höhere Auflösung und Präzision. Es eignet sich besonders für Eingangssignale mit schnellem Anstieg und langsamem Abfall, wie sie von Halbleiterdetektoren eines Kernspektrometers erhalten werden.
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US 2010/001780 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der zeitlichen Lage eines analogen Triggersignals im Verhältnis zu einem analogen Taktsignal, umfassend einen analogen Kreuzkorrelator, der eine analoge Kreuzkorrelation zwischen Triggersignal und Taktsignal durchführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Signalverarbeitung sowie eine neuartige Signalverarbeitungseinrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Signalverarbeitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Signalverarbeitungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zur Signalverarbeitung wird ein analoges Signal mittels eines Analog-Digital-Wandlers zu einem digitalen Signal gewandelt. Erfindungsgemäß wird das analoge Signal mittels eines oder mehrerer analoger Differentiatoren differenziert, wobei eine infolgedessen erzeugte Ableitung vom Analog-Digital-Wandler in eine digitale Ableitung gewandelt wird, die anschließend mittels eines oder mehrerer digitaler Integratoren integriert werden kann, um das ursprüngliche Signal als digitales Signal zu erhalten.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Anzahl der Integratoren der Anzahl der zuvor verwendeten Differentiatoren entsprechen.
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Erfindungsgemäß werden zwei Differentiatoren und zwei Integratoren verwendet.
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Durch die Anwendung von zwei Differentiatoren auf das analoge Signal wird der Abfall von beispielsweise 40dB/Dekade im Frequenzbereich kompensiert, so dass der größte Anteil des Messbereichs im gleichen Aussteuerungsbereich liegt und die schwachen Signale über der Rauschgrenze liegen. Wenn die Ableitung erfolgreich digitalisiert wurde, ist sie dann einfach entsprechend oft zu integrieren, um das digitale Signal zu erhalten. Das digitale Format sollte hinreichend hoch aufgelöst sein, um die schwachen Signale nicht wieder zu verlieren. Die Phasenänderung wird dadurch automatisch kompensiert.
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In einer Ausführungsform wird das analoge Signal von einem Sensor erfasst.
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In einer Ausführungsform ist der Sensor als ein Mikrofon ausgebildet.
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In einer Ausführungsform wird das Verfahren in einem Fahrzeug verwendet.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgeschlagen, die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens konfiguriert ist. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann Teil eines Fahrzeugs sein. Das Fahrzeug kann ferner einen Sensor zur Erfassung des analogen Signals aufweisen. Der Sensor kann beispielsweise als ein Mikrofon ausgebildet sein.
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Die Verwendung der Integratoren ist möglich, jedoch nicht immer zwingend.
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Die Erfindung kann insbesondere in folgenden Zusammenhängen Anwendung finden:
- (1) Fahrzeug-Geräusch-Messungen im Rahmen der Fahrzeugentwicklung. Die im Stand der Technik verwendete Messtechnik hat Schwierigkeiten, mit dem bestehenden Aussteuerbereich sowohl tief- als auch hochfrequente Signale aufzuzeichnen. Der Aussteuerbereich wird durch die tieffrequenten Anteile (z.B. Rollgeräusch, Motorgeräusch, Strömungsgeräusch) bestimmt und nimmt Dynamik für die hochfrequenten Anteile (z.B. Elektromotoren, Stellmotoren, hochfrequente Verbrennungsgeräusche, Heulgeräusche) weg. Die vorliegende Erfindung umgeht diese Schwierigkeiten.
- (2) Eigendiagnose/Selbstdiagnose von Fahrzeugen (oder anderen Geräten). In Fahrzeugen verbaute Mikrofone können zur Selbstdiagnose auf Basis des Geräusches im Fahrzeug verwendet werden, allerdings sind die bislang eingesetzten Messketten (z.B. Mikrofone, AD-Wandler, Verstärker) weniger hochwertig als die Messtechnik auf Prüfständen. Deshalb eignet sich die vorliegende Erfindung besonders auch für diesen Anwendungsfall, da die gleichen Schwierigkeiten wie in (1) vorliegen.
- (3) Einsatz von Mikrofonen allgemein. Ganz allgemein kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, jegliche Mikrofonsignale zu optimieren, wenn tieffrequente Geräuschanteile die Austeuerung dominieren, z.B. wenn ein Reporter bei Wind in ein Mikrofon spricht und die tieffrequenten Windanteile dominieren.
- (4) Einsatz von Telefonie im Fahrzeug oder außerhalb. Der unter (3) genannte Aspekt der Dominanz tieffrequenter Geräuschanteile kann auch auf die Telefonie im Fahrzeug oder die Telefonie ohne Fahrzeug, beispielsweise in Räumen oder im Freien (z.B. bei Wind/Luftströmen), übertragen werden.
- (5) Einsatz für Spracherkennung. Die oben, insbesondere unter (3), genannten Vorteile können des Weiteren auch die Aufnahmequalität für Systeme verbessern, die zur automatischen Verarbeitung der Stimme, insbesondere von Sprachsignalen, dienen. Beispiele für solche Systeme sind sogenannte smarte Assistenten auf Basis künstlicher Intelligenz.
- (6) Einsatz für Gyro-Sensoren. Auch im Bereich von Gyro-Sensoren (insbesondere Lagesensoren und/oder Beschleunigungssensoren) ist es durch die erfindungsgemäße Lösung denkbar, dominierende tieffrequente Inhalte nicht die Aussteuerung bestimmen zu lassen und auch dort ein höherfrequentes Nutzsignal besser zu erfassen.
- (7) Einsatz für Luftmassensensoren. Durch die vorliegende Idee lässt sich ferner die Messqualität auch bei Luftmassensensoren nach dem Hitzedraht-Prinzip durch Umstellung der Messkette steigern.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Signalverarbeitung gemäß dem Stand der Technik, und
- 2 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Signalverarbeitung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Signalverarbeitung gemäß dem Stand der Technik, beispielsweise im Bereich der Fahrzeugakustik.
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Ein beispielsweise von einem Mikrofon in einem Fahrzeug aufgenommenes Signal Sa(t) weist ein Spektrum Sa(f) auf, das sehr grob mit einer einhüllenden Kurve mit einer abfallenden Charakteristik von 40 dB/Dekade gezeichnet werden kann. Wird das aufgenommene Signal Sa(t) mittels eines Analog-Digital-Wandlers ADC in ein digitales Signal Sd(t) gewandelt, dann zeigt dessen Spektrum Sd(f) im Wesentlichen die gleiche Charakteristik wie das analoge Spektrum Sa(f). Die Aussteuerung von Messapparaten wird zum Beispiel für eine maximale Amplitude MA bei einer Frequenz f von 50Hz gesetzt, obwohl die gemessenen Signale bei 500Hz 40dB und bei 5000Hz 80dB schwächer sind. Dabei wird ein großer Teil der Dynamik von der Messkette nicht richtig benutzt. Das führt dazu, dass schwache Signale Sa(t) bei mittleren und hohen Frequenzen f zwar vom menschlichen Ohr wahrnehmbar sind, jedoch schlecht von der Messkette aufgenommen werden, weil sie an die Rauschgrenze RG kommen.
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2 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Signalverarbeitung, beispielsweise im Bereich der Fahrzeugakustik.
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Ein von einem Sensor, beispielsweise einem Mikrofon in einem Fahrzeug, aufgenommenes Signal Sa(t) weist ein Spektrum Sa(f) auf, das sehr grob mit einer einhüllenden Kurve mit einer abfallenden Charakteristik von 40 dB/Dekade gezeichnet werden kann. Das Spektrum Sa(f) wird beispielsweise mittels Fouriertransformation bestimmt, so dass gilt Sa(f)=Fourier(Sa(t)).
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Um den Signal-Rausch-Abstand im höherfrequenten Bereich zu verbessern, wird das Signal Sa(t) vor der Wandlung in einem Analog-Digital-Wandler ADC mit einem oder mehreren analogen Differentiatoren D beaufschlagt, das heißt es wird differenziert, so dass zumindest eine erste Ableitung d(Sa(t))/dt des Signals Sa(t) und optional eine zweite Ableitung d2(Sa(t))/dt2 und gegebenenfalls weitere Ableitungen entstehen. Die letzte dieser Ableitungen, beispielsweise die zweite Ableitung d2(Sa(t))/dt2 wird vom Analog-Digital-Wandler ADC in eine digitale Ableitung, beispielsweise eine zweite digitale Ableitung d2(Sd(t))/dt2 gewandelt.
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Die zweite Ableitung d2(Sa(t))/dt2 weist ein Spektrum Sa''(f) auf, das mit steigender Frequenz f über der Rauschgrenze RG bleibt. Das Spektrum Sa"(f) wird beispielsweise mittels Fouriertransformation bestimmt, so dass gilt Sa"(f)=Fourier(d2(Sa(t)/dt2))=(j2πf)2·Sa(t). Das Spektrum Sa"(f) der zweiten Ableitung d2(Sa(t))/dt2 kann sehr grob mit einer einhüllenden Kurve mit einem initialen Anstieg und anschließend weitgehend gleichförmiger Magnitude (0 dB/Dekade) gezeichnet werden.
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Nach der Analog-Digital-Wandlung kann die jeweilige Ableitung, vorliegend die zweite digitale Ableitung d2(Sd(t))/dt2, mittels eines oder mehrerer digitaler Integratoren I beaufschlagt werden, wobei die Anzahl der digitalen Integratoren I der Anzahl der zuvor verwendeten analogen Differentiatoren D entsprechen kann. Im vorliegenden Beispiel liegt nach einem ersten Integrator I somit die erste digitale Ableitung d(Sd(t))/dt vor. Nach einem zweiten Integrator I liegt dann das digitale Signal Sd(t) vor. Für das Spektrum Sd(f) des digitalen Signals Sd(t) gilt beispielsweise in Annäherung Sd(f)=(j2πf)2·Sd(f)/(j2πf)2=Fourier(Sd(t)). Das Spektrum Sd(f) des digitalen Signals Sd(t) bleibt mit steigender Frequenz f über der Rauschgrenze RG.
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Durch die Anwendung von zwei Differentiatoren D auf das analoge Signal Sa(t) wird der Abfall von beispielsweise 40dB/Dekade im Frequenzbereich kompensiert, so dass der größte Anteil des Messbereichs im gleichen Aussteuerungsbereich liegt und die schwachen Signale über der Rauschgrenze RG liegen. Wenn die Ableitung erfolgreich digitalisiert wurde, kann sie dann einfach entsprechend oft integriert werden, um das digitale Signal Sd(t) zu erhalten. Dieses Verfahren funktioniert, solange der maximale Frequenzinhalt des Signals Sd(t) weit genug von der Abtastfrequenz entfernt ist. Das digitale Format sollte hinreichend hoch aufgelöst sein, um die schwachen Signale nicht wieder zu verlieren. Die Phasenänderung wird dadurch automatisch kompensiert.
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Bezugszeichenliste
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- ADC
- Analog-Digital-Wandler
- D
- Differentiator
- d(Sa(t))/dt
- Ableitung, erste Ableitung
- d(Sd(t))/dt
- digitale Ableitung, erste digitale Ableitung
- d2(Sa(t))/dt2
- Ableitung, zweite Ableitung
- d2(Sd(t))/dt2
- digitale Ableitung, zweite digitale Ableitung
- f
- Frequenz
- j
- imaginäre Einheit, Wurzel aus (-1)
- I
- digitaler Integrator
- MA
- maximale Amplitude
- RG
- Rauschgrenze
- Sa(f)
- Spektrum des analogen Signals, analoges Spektrum
- Sa(t)
- Signal, analoges Signal
- Sa''(f)
- Spektrum der zweiten digitalen Ableitung
- Sd(f)
- Spektrum des digitalen Signals
- Sd(t)
- digitales Signal
