用于样本流的采样率转换的方法和设备与流程

本发明大体上涉及用于将第一采样率的样本流转换为第二采样率的样本流的方法和设备，更具体地但非排他地，涉及从经历与标称值偏差的第一采样率，自适应转换为在相对于目标值的预定重新同步误差因子内的第二采样率。

背景技术：

在涉及处理采样数据的数字系统中，可能需要将采样数据从一个采样率转换为另一采样率。例如，传感器系统诸如车辆中的加速度计，可以以第一速率对数据进行采样，并且这可以连接到以不同速率处理数据样本的数字处理系统。用于传感器和数字处理器的时钟信号可以由彼此独立操作的不同振荡器生成，使得第一和第二速率之间的精确关系是未知的，并且可能经历变化性，例如随温度，和单元之间的变化性。特别地，传感器可以具有内部振荡器，该内部振荡器具有低精度，其例如由于使用rc或lc振荡器，可能经历与标称值偏差+/-10％或更多；以及数字处理系统，其可以具有从晶体振荡器得到的非常精确的时钟。为了有效地处理采样数据，可能期望产生重新同步的采样数据，以在相对于目标值的预定重新同步误差因子内。

已知通过上采样到为第一和第二采样率的倍数的较高采样率，使用内插滤波器对上采样数据进行滤波，且然后下采样到第二采样率，而将采样数据从第一采样率转换为第二采样率。然而，为了在采样率之间的比率在宽范围内经历变化时实现这样的系统，可能需要适应宽范围的上采样和下采样因子，并且这可能导致高系统复杂度。具体地，上采样和下采样因子的各个组合可能需要用于内插滤波器的不同滤波器系数，并且除了增加系统的复杂度之外，这可能要求存储器资源。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种将第一采样率的样本流转换为第二采样率的样本流的方法，第一采样率经历与标称值的偏差，并且第二采样率在相对于目标值的预定重新同步误差因子内，该方法包括：

测量第一采样率；

根据包括：测量的第一采样率，第二采样率的目标值，以及重新同步误差因子的基础确定第一上采样因子，第一上采样因子被约束为预定整数值的整数幂；以及

根据参考组滤波器系数且根据第一上采样因子与参考上采样因子的比率，得到(导出)用于第一内插滤波器的第一组滤波器系数，参考组滤波器系数用于参考上采样因子，其是预定整数值的整数幂。

这允许实现具有降低的复杂度，并且具有对用于存储滤波器系数的存储器资源的降低的需求。具体地，将第一上采样因子约束为预定整数值的整数幂，通常是2的幂，限制了可能的上采样因子的范围，并且可以相应地降低系统复杂度，并且根据参考组滤波器系数得到用于在第一内插滤波器中使用的滤波器系数，该参考组滤波器系数用于参考上采样因子，其也是预定整数值的整数幂，这可以减小对用于存储滤波器系数的存储器资源的需求。

在本发明的一个实施方式中，根据参考组滤波器系数得到第一组滤波器系数包括：

依赖于第一上采样因子大于参考上采样因子，在参考组滤波器系数之间进行线性内插；

依赖于第一上采样因子等于参考上采样因子，将它们设置为与参考组滤波器系数相同；以及

依赖于第一上采样因子小于参考上采样因子，从参考组滤波器系数进行均匀抽取，均匀抽取的抽取因子等于参考上采样因子与第一上采样因子的整数比率。

由于均匀下采样和线性内插的简单性，这提供了得到用于内插器滤波器的一组滤波器系数的一种计算有效的方法，同时由于事实上只有单一组系数，该组参考滤波器系数存储在存储器中，因此减小了存储器资源需求。

在本发明的一种实施方式中，预定整数值是2。

这提供了非常有效的实现。

在本发明的一种实施方式中，第一内插滤波器和参考内插滤波器是多相滤波器。第一内插滤波器具有等于第一上采样因子的多个相位，并且参考内插具有等于参考上采样因子的多个相位。

这提供了有效的实现。

在本发明的一种实施方式中，该方法包括：

根据包括：所测量的第一采样率，第二采样率的目标值，以及预定重新同步误差因子的基础确定第一下采样因子，第一下采样因子是整数；以及

通过以下过程将第一采样率的样本流转换为第二采样率的样本流，该过程包括：以第一上采样因子进行上采样，使用用于第一内插滤波器的第一组滤波器系数进行滤波，以及以第一下采样因子进行下采样。

基于包括上采样率而确定第一下采样率允许选择上采样和下采样率，其提供采样率转换到第二采样率的目标值的预定重新同步误差因子内。

在本发明的一种实施方式中，确定第一上采样因子和第一下采样因子包括：

确定第二采样率的目标值与测量的第一采样率的比率；以及

选择第一上采样因子和第一下采样因子的值，使得第二采样率的目标值与第一采样率的比率和第一上采样因子与第一下采样因子的比率之间的误差因子小于预定重新同步误差因子。

在本发明的一种实施方式中，该方法包括：

选择第一上采样因子的试验值；

基于确定的第二采样率的目标值与测量的第一采样率的比率和所选择的第一上采样因子的试验值来确定第一下采样因子的试验值；

基于第一上采样因子和第一下采样因子的试验值来计算重新同步误差因子；

依赖于重新同步误差因子大于一阈值，迭代地递增第一上采样因子的试验值和第一下采样因子的试验值，并计算重新同步误差因子；以及

选择递增的第一上采样因子和第一下采样因子的相应值，其给出小于或等于阈值的重新同步误差因子。

这提供了迭代地确定上采样和下采样因子的有效方法。

在本发明的一种实施方式中，第一采样率的与标称值的偏差可以大于+/-1％，并且可以大于+/-10％。

根据本发明的第二方面，提供了用于将第一采样率的样本流转换为第二采样率的样本流的设备，第一采样率经历与标称值的偏差，并且第二采样率在相对于目标值的预定重新同步误差因子内，该设备被配置为执行所要求保护的方法。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于车辆的传感系统，包括：

mems传感器，被配置为生成第一采样率的样本流；

数据处理系统，被配置为接受第二采样率的样本流；以及

所要求保护的设备，用于将第一采样率的样本流转换为第二采样率的样本流。

根据以下对本发明的示例性实施方式的描述，本发明的另外的特征和优点将变得显而易见，本发明的示例性实施方式仅作为示例给出。

附图说明

图1是示出本发明的一种实施方式中的采样率转换系统的示意图；

图2是示出本发明的一种实施方式中的自适应分数采样率转换器的功能示意图；

图3是示出本发明的一种实施方式中的在上采样因子小于参考上采样因子的情况下通过抽取得到多相滤波器系数的示意图；

图4是示出本发明的一种实施方式中的在上采样因子与参考上采样因子相同的情况下得到多相滤波器系数的示意图(在该示例中：m参考/m＝2)；

图5是示出本发明的一个实施方式中的在上采样因子大于参考上采样因子的情况下通过内插得到多相滤波器系数的示意图(在该示例中：m/m参考＝2)；

图6是示出本发明的一种实施方式中的内插的示意图；

图7是示出本发明的一种实施方式中的多相滤波器操作的示意图；

图8是示出本发明的替代实施方式中的采样率转换系统的示意图，其可以提供灵活的输出采样率，其可通过可配置因子p来缩放；

图9是根据本发明的一种实施方式的方法的流程图，其包括确定上采样因子和选择一组滤波器系数；以及

图10是本发明的一种实施方式中的采样率转换的方法的流程图；以及

图11是本发明的一种实施方式中的采样率转换的方法的又一流程图。

具体实施方式

通过示例，现在将在用于车辆的加速度传感系统的背景下描述本发明的实施方式，其包括mems(微机电系统)，其被配置为生成第一采样率的样本流；以及数据处理统，其被配置为接受第二采样率的样本流。应当理解，本发明的实施方式可以与其他应用有关，并且本发明的实施方式不限于在车辆或mems传感系统中使用。实施方式可以与涉及采样率转换的其他数据处理系统有关。

图1示出了本发明的一种实施方式中的采样率转换系统。mems加速度传感器2通过自适应分数采样率转换器功能1连接到系统数据处理功能3。自适应分数采样率转换器功能1在图2中更详细地示出。通过上采样因子m对以第一采样率的样本流进行上采样7，上采样的样本流经过内插滤波器8，其可以是多相滤波器，并且通过下采样因子n下采样9到第二采样率。以这种方式，第一采样率的样本流被转换为第二采样率的样本流。

第一采样率经历与标称值的偏差，其可以大于标称值的+/-1％，并且可以大于标称值的+/-10％。第二采样率被布置在相对于目标值的预定重新同步误差因子内。

作为示例，第一采样率可以是1344hz+/-10％，并且第二采样率的目标标称值可以是200hz。相对于标称值的预定重新同步误差因子可以是例如百万分之(ppm)10到100，即10^-5到10^-4之间的因子。误差因子不限于这些值，但通常指定为低于与第一采样率的频率偏差。

如图1所示，自适应分数采样率转换器1和系统数据处理3可以以实时处理操作，即以足够的速率对从mems接收的数据流执行处理，其可以处理以第一数据速率的连续流。

还如图1所示，用于控制自适应分数采样率转换器1的参数可以在离线处理中计算，即非实时，可能涉及以比实时处理更慢的速率处理。例如，实时处理可以在固件中实现，诸如例如可编程门阵列，而离线处理可以在软件中实现，例如由控制处理器诸如微控制器执行的软件。可以对数字信号处理装置进行编程以执行实时功能。控制处理器和逻辑和/或数字信号处理器可以集成到专用集成电路(asic)中。可替代地，本发明的实施方式可以通过各种其他技术来实现，包括存储在存储器中的可执行代码形式的软件，其被配置为使得一个或多个处理器执行本发明的实施方式的方法。

如图1所示，用于控制自适应分数采样率转换器的参数包括上采样因子m、下采样因子n和用于内插滤波器的滤波器系数h1-hn。如图1所示，测量4第一采样率。例如，这可以通过在已知时间间隔内对从mems传感器接收的样本进行计数来执行。可以基于数据处理系统的时钟来计算已知的时间间隔，例如，其可以具有精确的晶体控制振荡器。根据包括测量的第一采样率、第二采样率的目标值和重新同步误差因子的基础来确定5上采样因子m。

在本发明的一种实施方式中，上采样因子被约束为预定整数值的整数幂。在图1所示的示例中，预定整数值是2，因此上采样因子被约束为2的幂。如将要解释的，这通过减小可能的上采样因子的范围而大大降低了实现的复杂度，并因此减小了所需的内插滤波器的变化范围。相应地减小了需要保持在存储器中的滤波器系数的变化范围，这减小了对系统存储器资源的需求。

还如图1所示，根据参考组滤波器系数得到第一组滤波器系数h1-hn以用于在内插滤波器中使用。参考组滤波器系数用于参考上采样因子，其也是预定整数值的整数幂，在该示例中是2的幂。用于根据参考组滤波器系数得到第一组滤波器系数的方法取决于上采样因子与参考上采样因子的比率。

图3、4和5示出了对于上采样因子与参考上采样因子的比率的各种情况，例如对于预定整数因子是2的情况，根据参考组滤波器系数得到第一组滤波器系数。图3示出了如果上采样因子大于参考上采样因子，则通过参考滤波器系数之间的线性内插，即参考组滤波器系数来确定第一组滤波器系数。图4示出了如果上采样因子等于参考上采样因子，则确定第一组滤波器系数与参考滤波器系数相同。图6示出了如果上采样因子小于参考上采样因子，则通过从参考滤波器系数均匀抽取来确定第一组滤波器系数，抽取因子等于参考上采样因子与上采样因子的整数比率。这提供了得到用于内插器滤波器的一组滤波器系数的一种计算有效的方法，同时减小了用于存储滤波器系数的存储器资源要求。

图6示出了内插滤波器的操作。可以看出，在该示例中，输入样本10a到10h是第一采样率，其慢于输出样本11a到11f的采样率。可以看出，通过在输入样本之间添加零值样本，输入采样率被上采样到更高的中间速率。内插滤波器的效果是在输入样本之间填充平滑变化的值，如图所示。然后可以选择输出样本11a到11f，以适当地包括内插值，以第二采样率。内插滤波器通常是有限脉冲响应(fir)滤波器，并且可以是多相滤波器。

图7示出了多项滤波器的操作。示出了上采样数据流12，其包括输入样本s1-s4，在其之间已添加了零值样本。来自上采样数据流的每个样本乘以13相应的滤波器系数14h1-h14。每个乘法的结果累加15并形成输出样本流。然后可以对输出样本流进行下采样以形成第二采样率的流。图7显示了及时的快照。在上采样的采样率的下一个时钟周期，输入样本流将向右移动一个位置。在任何时候，并非所有乘法器都是活跃的，因为许多乘法器都具有零输入。这相当于仅保留非零样本，即：将所需样本寄存器减少因子m，并相应地将系数h改变为要输出的样本。此外，仅需要对下采样时将选择的样本子集执行输出样本的计算。因此，多相滤波器在信号处理资源的使用方面提供了有效的实现。

在本发明的一种实施方式中，第一内插滤波器和参考内插滤波器是多相滤波器。第一内插滤波器通常具有等于上采样因子的多个相位，并且参考内插通常具有等于参考上采样因子的多个相位。相位的数量比为每个输入样本添加的零的数量大1。在图7的示例中，多相滤波器具有4个相位。

在本发明的一种实施方式中，可以根据测量的第一采样率、第二采样率的目标值和预定重新同步误差因子来确定下采样因子。下采样因子具有整数值。可以将第一采样率的样本流转换为第二采样率的样本流，通过以下过程，包括：通过上采样因子进行上采样，使用用于第一内插滤波器的第一组滤波器系数进行滤波，以及通过下采样因子进行下采样。

可以确定上采样因子和下采样因子，通过：确定第二采样率的目标值与测量的第一采样率的比率，并且选择上采样因子和下采样因子的值，使得第二采样率的目标值与第一采样率的比率和上采样因子与下采样因子的比率之间的误差因子小于预定重新同步误差因子。例如，这可以通过交互过程来实现，如下。可以选择上采样因子的试验值，并且可以根据第二采样率的目标值与测量的第一采样率的比率和上采样因子的所选择的试验值来确定下采样因子的对应的试验值。可以基于上采样因子和下采样因子的试验值来计算重新同步误差因子，并且如果重新同步误差因子大于阈值，则可以递增上采样因子的试验值，并且相应地重新计算下采样因子的试验值，且然后可以重新计算重新同步误差因子。可以迭代地重复上采样因子的这种递增，直到选择递增的上采样因子和下采样因子的值，其给出小于或等于阈值的重新同步误差因子。由于上采样因子通常以形式2^q表示，因此递增通常仅通过递增q来完成，因为计算2^q是非常简单的硬件或软件操作。这提供了迭代地确定上采样和下采样因子的有效方法。

可以通常在设计阶段确定参考上采样因子，考虑第一采样率的值的预期范围和相对于第二采样率的期望的重新同步误差因子，假设参考上采样因子被约束为预定整数的整数幂，其通常为2。然后可以设计用于参考上采样因子的操作的特定组参考滤波器系数，并将其输进采样率转换器系统以存储在存储器中。

图8示出了一种替代实现，其中自适应分数采样率转换器之前是fir滤波器和抽取，在这种情况下通过可配置因子p抽取，其可以是例如4：1抽取，且随后是另外的fir滤波器和抽取，在这种情况下抽取可以通过另外的可配置因子，在该示例中是2：1抽取。这可以减小自适应分数采样率转换器中的处理资源要求。

图9是通过步骤s9.1到s9.3示出根据本发明的一种实施方式的方法的流程图，其包括确定上采样因子和选择一组滤波器系数。

图10是通过步骤s10.1到s10.4示出本发明的一种实施方式中的采样率转换的方法的流程图。

图11是通过步骤s11.1到s11.5的本发明的一种实施方式中的采样率转换的方法的又一流程图。

本发明的实施方式可以提供与定义的目标精确度匹配的同步性能，即使当输入信号的特征为采样率频率的高传播(扩展)时，大约为±10％或更多。

本发明的实施方式在以下中可能是有益的：特征为源的标称采样频率的高传播的采集系统，特别是mems传感器中，其通常受到高采样率可变性的影响，大约±10％。这种高可变性与集成在硅中的mems传感器所使用的振荡器的类型有关，通常为lc或rc类型。这些类型的振荡器的典型特征为与石英振荡器精度的精度相比较低的精度，以及通常取决于硅处理的传播的所生成频率的传播。此外，采样频率变化可能受到操作条件诸如温度以及还有老化和其他因素的影响。这种因素可能不容易预测。

在本发明的一种实施方式中，可以以某种频率fo提供重新同步的输出信号，与期望的重新同步精确度匹配，并且从以采样率fi采样的输入信号开始，其可能受到相对于标称值的高偏差的影响。这可以通过低复杂度算法，使用有限的硬件和/或软件资源实现。该算法可以扩展到可用架构以及目标架构的潜在硬件和/或软件资源，诸如可用存储器和计算资源。该技术还可以通过固件和/或软件容易地实现以用于实时处理，或者可以在后处理中执行。

在本发明的实施方式中，多相滤波器用于实现用于内插的fir滤波器。多相滤波技术可以如下操作。从输入频率fi和输出频率fo，识别出两个互质整数[m，n]，使得fi/fo＝n/m，多相滤波器包括一排m个滤波器相位。各排在时刻m被应用，通过循环算法，使得第m个输出时刻的可应用排是m、n和m的函数。滤波器的带宽是1/max(m，n)(以m倍过采样率)。

在一般情况下，如果fi受高可变性影响，fo固定并且表示期望的输出频率，则fi/fo比率可以不是单个值，而是属于某种间隔的一组值。因此，可能没有唯一定义对[m，n]，因此可能没有定义单个滤波器和单个排选择的逻辑。可能需要一组滤波器，每个[m，n]对一个，每个滤波器具有其自己的带宽，并且每个滤波器由专用逻辑管理。因此，自适应多相滤波器的复杂度可能会由于fi的高可变性而增长。随着fi值的范围的增加，必要的[m，n]组的值的范围增加，并且由于需要存储许多多相滤波器，所需的存储器也可能增加，每个[m，n]对一个。

在本发明的实施方式中，即使fi/fo是高度可变的，也可以存储单个参考多相滤波器，对应于m参考，并且可以仅考虑减小组的[m，n]，与输入范围中的fi变化有关，使得可以在控制下和边界条件内维持算法复杂度，并且仍然符合所需的重新同步精度。

本发明的实施方式可以使用减小组的值m，其中m＝2ⁿ，并且n＝[1,2,...n最大]，其中2^nm最大符合最佳期望的重新同步精度。

本发明的实施方式可以配置对应于从参考多相滤波器开始的某个[m，n]对的多相滤波器，并且利用通过线性内插或通过参考滤波器系数的整数抽取获得的实时数据处理来重建样本，这可以通常涉及非常简单的处理。

速率转换过程可能需要计算参数[m，n]、上采样和下采样因子。m和n是整数互质数，使得理想地，n/m＝f1/f0。在实际系统中，这两个频率不太可能为合理的比率，因此m和n可以定义如下。m和n是两个整数互质数，诸如n/m比率表示具有期望近似值的fi频率和fo频率比率。

以这种方式，与定义的m和n选择相关的重新同步误差成为在装置设计阶段期间要考虑的重要性能参数。重新同步误差es可以如下给出。

es＝|(f0–(m/n)fi)/f0|

在mems传感器，其特征为采样频率速率的高可变性(例如：±10％)的情况下，[m，n]将可变，取决于所用资源的类型和环境条件诸如工作温度和老化。

本发明的实施方式可以包括源频率估计模块和有关的[m，n]计算模块、采样率转换器系数计算模块和采样率转换器核心模块。源频率估计模块和有关的[m，n]计算模块可以以形式m＝2ⁿ来计算m，m≤m最大，其中m最大以这样的方式选择：通过改变[m，n]，实现重新同步，其中误差es低于固定极限。一旦已计算[m，n]，采样率转换器系数计算模块可以计算系数。该计算可以基于原型滤波器，即参考滤波器，存储在存储器中。可以简单地通过线性内插或多相滤波器系数的整数抽取来提供当前系数。可以使用以自适应方式计算的系数和参数对采样率转换器核心模块进行编程，以执行滤波。

以上实施方式应被理解为本发明的说明性示例。应当理解，关于任何一个实施方式描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其他特征组合使用，并且还可以与任何其他实施方式或任何其他实施方式的任何组合的一个或多个特征组合使用，或者与任何其他实施方式的任何组合使用。此外，在不脱离在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，也可以采用上面未描述的等同物和修改。