DE102009005203A1 - Digitized signals smoothing method, involves generating smoothed signal value during scanning by sum of all individual regression coefficients of samples that are multiplied with time interval - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Glättungsverfahren für digitalisierte Signale mittels linearer Regression mit reduzierter Messpunkteanzahl.The The invention relates to a smoothing method for digitized Signals by means of linear regression with reduced number of measuring points.
Gewöhnlich werden zur Glättung von digitalisierten Signalen Filter aller Art eingesetzt um störendes Signalrauschen und Signalspitzen weitgehend zu unterdrücken. Wenn der Bauteile- und Speicheraufwand gering gehalten werden soll, lohnen sich keine aufwendigen Digitalfilter. In solchen Fällen bieten sich Mittelwertbildungen wie gleitender Mittelwert oder das arithmetische Mittel an. Die gleitende Mittelwertbildung benötigt zwar weniger Variablen, der Signalverzug ist aber bedeutend größer als der bei Verwendung der arithmetischen Mittelbildung.Usually will for smoothing of digitized signals Filters of all kinds used for disturbing signal noise and signal peaks largely suppress. When the components and Storage costs to be kept low, worthwhile, no consuming Digital filter. In such cases averaging such as moving average or that offer themselves arithmetic mean. The moving averaging is needed though fewer variables, but the signal delay is significantly larger than when using the arithmetic mean.
Die Signalglättung betreffend, weisen beide Methoden ein entscheidendes Manko auf: die Verbindungen der Abtastpunkte bleiben bei entsprechendem Signalrauschen mit akzeptablem Signalverzug zackig. Die Erfindung erlaubt es nun über die lineare Regression, die im Nutzsignal enthaltenen und durch die Abtastung veränderten Signalstörungen, im Vergleich zu Mittelwertbildungen bei annähernd gleichem Signalverzug, mit wenig Aufwand stärker zu schmälern. Unterschiedliche Abtastzeiten haben wie üblich, Auswirkungen auf den Frequenzverlauf des Nutzsignals.The signal smoothing Both methods have a major shortcoming: the connections of the sample points remain with corresponding signal noise jagged with acceptable signal delay. The invention now allows over the linear regression contained in the payload and by the Scanning changed Signal interference, compared to averaging at approximately the same signal delay, stronger with little effort to belittle. Different sampling times have, as usual, effects on the frequency response the useful signal.
Der gleitende Mittelwert m ergibt sich aus der gleichteiligen Rückrechnung des aktuellen Mittelwerts m[i] beim Schrittindex i, dem anteiligen aktuellen Signalwert z[i] und der Anzahl n der angenommenen Glieder. Bei allen Darstellungen wird ein gleichbleibender Messabstand Δt (Abtastung) vorausgesetzt. Der gleitende Mittelwert m beträgt und (1) umgestellt ergibt den Altwert m[i] plus Zuwachs, als Bruchteil des Abstands vom Signalwert z[i] zum Altwert m[i] The moving average m results from the equal part retroactive calculation of the current mean value m [i] in the step index i, the proportional current signal value z [i] and the number n of the assumed elements. For all representations a constant measuring distance Δt (sampling) is assumed. The moving average m is and (1) converted gives the old value m [i] plus gain, as a fraction of the distance from the signal value z [i] to the old value m [i]
Im Gegensatz dazu beträgt bekanntlich das arithmetische Mittel ma über n Werte z In contrast, it is known that the arithmetic mean ma over n values z
Die Summe der Differenz z[i] – m[i – 1] des gleitenden Mittelwerts in (2) entspricht bei n = 1 dem Ursprungswert z[i] und der Glättungseffekt steigt mit n an. Mit n steigt auch der Signalverzug. Die Signalnachführung geschieht kontinuierlich mit dem aktuellen Mittelwert m[i]. Auch das arithmetische Mittel lässt sich nachführen, indem die jeweils letzten n Werte der Messwertefolge in (3) herangezogen und zwischengespeichert werden.The Sum of the difference z [i] - m [i - 1] of the moving average in (2) corresponds to the original value at n = 1 z [i] and the smoothing effect increases with n. With n also the signal delay increases. The signal tracking happens continuously with the current mean value m [i]. Also the arithmetic Means left to track by taking the last n values of the measured value sequence in (3) and cached.
Z. B. sei das arithmetische Mittel mit n = 2 nachgeführte gemittelte Werte sowie der gleitende Mittelwert, ebenfalls mit n = 2 gegeben. Die Folgewerte seien gleich groß mit z[i] = z[i – 1]. Jeder gleitende Mittelwert m[i] der Folgewerte wird dividiert durch jedes arithmetische Mittel ma[i]. Das ergibt mit n = 2 für jeden Folgewert i und i ≥ n For example, let the arithmetic mean with n = 2 tracked averaged values and the moving average, also given n = 2. The following values are equal to z [i] = z [i - 1]. Each moving average m [i] of the following values is divided by each arithmetic mean ma [i]. This yields with n = 2 for each successor i and i ≥ n
Die Näherung des Quotienten gegen 1 erfolgt bei konstantem z allmählich. Da das arithmetische Mittel dabei wie z konstant ist, eilt der gleitende Mittelwert dem arithmetischen Mittel nach. Das ist auch verallgemeinernd beim Signalverzug der Fall, da beim gleitenden Mittelwert mehr Zyklen nötig sind, die Differenz bis zu einer definierten Istwertnähe zu überbrücken.The approximation the quotient against 1 occurs gradually at constant z. There where the arithmetic mean is constant as z, the moving one rushes Mean according to the arithmetic mean. That is also generalizing in case of signal delay the case, because the moving average more cycles necessary, to bridge the difference up to a defined actual value.
Nach (2) verkleinert sich bei größerem n der Zuwachs und der Pegel des Mittelwerts läuft dem Originalsignal stärker hinterher, der Signalverzug vergrößert sich. Der Zuwachs in (2) lässt sich auch aus einer Punktefolge mit dem konstanten Abstand Δt mit aus der Steigung substituieren.After (2) the increase increases with larger n and the level of the mean value follows the original signal more strongly, the signal delay increases. The increase in (2) can also be obtained from a sequence of points with the constant distance Δt substitute from the slope.
Bringt
man in (4) das n als nt auf die andere Seite, so ist die Steigungsbasis
auf nt Punkte erweitert. Dann lassen sich Schwankungen der Punktewerte,
bezogen auf die erweiterte Steigungsbasis nt·Δt, mindern. Hierzu ist die lineare
Regression bei jedem Punkt über
die jeweils letzten nt Punkte herangezogen (Regressionsfensterbreite).
Der Regressionskoeffizient entspricht nun tanψ und für die Signalglättung ergibt
sich daraus der geglättete
Signalwert mr aus der Summe der Distanzen tanψ[i]·Δt des zugrunde gelegten Regressionskoeffizienten
mit
Allerdings ist nachteilig, dass nt Vergangenheitswerte (z. B. nt = 32) gehalten werden müssen. Nimmt man dagegen einen etwas erhöhten Signalverzug in Kauf (was oft möglich ist), so lässt sich nt stark verkleinern. Dazu ist der jeweils aktuelle Signalwert z[i] für die Regression zum Rechenwert z_neu[i] angepasst, indem sein Abstand zum vorherigen Wert zh[i – 1] der Regressionsgeraden aus den vorangegangenen Signalwerten, mit dem Divisor (nt + nx) verkleinert ist mit However, it is disadvantageous that historical values (eg nt = 32) must be maintained. If, on the other hand, you accept a slightly higher signal delay (which is often possible), nt can be greatly reduced. For this purpose, the respective current signal value z [i] for the regression to the calculated value z_neu [i] is adapted by reducing its distance to the previous value zh [i-1] of the regression line from the previous signal values, with the divisor (nt + nx) With
Der Festwert nx dient der Wirkungserhöhung und er beträgt z. B. nx = 8. Die Anzahl der Regressionspunkte nt beträgt z. B. auch nt = 8 oder kann zum Wechsel der Regressionsfensterbreite verändert werden. Der Festwert nx bleibt hiervon unberührt. zh[i – 1] ist ein äußerer Wert auf der Regressionsgeraden, der für jede Abtastung neu berechnet wird. Der Divisor (nt + nx) > 1 bestimmt den Glättungsgrad.Of the Fixed value nx serves to increase the effect and it is z. B. nx = 8. The number of regression points nt is z. B. nt = 8 or can be changed to change the regression window width. The fixed value nx remains unaffected. zh [i - 1] is an external value on the regression line, which recalculates for each sample becomes. The divisor (nt + nx)> 1 determines the degree of smoothing.
Zur Realisierung sind nur die Signalwerte selbst verwendet, die Zeitebene ist generiert. Dazu werden jeweils die letzten nt Signalwerte des Signaldatenstroms in den Datenfeldelementen y[0] bis y[nt – 1] gehalten, wobei y[0] die Elementeseite mit dem aktuellen Rechenwert z_neu[i] ist. Für die Zeitachse sind zur Vereinfachung ganzzahlige Hilfsparameter genutzt, die allesamt Produkte der konstanten Abtastzeit Δt mit gleichen Faktoren darstellen. Als rechnerisch zugeordnete x-Größen zur linearen Regression, entsprechen sie den Indexwerten 0 bis nt – 1.to Realization uses only the signal values themselves, the time level is generated. In each case the last nt signal values of the Signal data stream in the data field elements y [0] to y [nt - 1] held, where y [0] is the element side with the current calculated value z_neu [i]. For the Timeline are integer auxiliary parameters used for simplicity, all of which represent products of constant sampling time Δt with equal factors. As mathematically assigned x-sizes for linear regression, they correspond to the index values 0 to nt - 1.
Bei der linearen Regression gilt bekanntlich für die Regressionsgerade yr mit dem Regressionskoeffizienten b und dem Koeffizienten a über nt Punkteat The linear regression is known to apply to the regression line yr with the regression coefficient b and the coefficient a over nt points
Die
Lage von zh[i – 1]
auf der Regressionsgeraden yr ist für die Anwendung variierbar.
Der Wert zh[i – 1]
ist dem aktuellen Signalwert z[i] zugeordnet und bereits bei der
vorangegangenen Abtas tung berechnet worden, als bei der aktuellen
Abtastung das Datenelement y[0] mit z_neu[i] überschrieben wurde. Zum Berechnungszeitpunkt
von z_neu[i] gelten zh[i – 1]
und der Regressionskoeffizient b der vorangegangenen Abtastung mit Δt fortgeführt
Der
vorausgreifende Wert ist zh[i] für
die nachfolgende Abtastung und es gilt zur aktuellen Regressionsfensterbreite
Für die Anwendung
geeignet ist zur aktuellen Abtastung
Bei k > 1 macht sich der Signalverzug bereits stärker bemerkbar, sodass sich bei (7) und (8), angewendet in (9) mit 0 ≤ k ≤ i, Glättung und Signalverzug gut einstellen lassen.at k> 1 makes it Signal distortion already stronger noticeable, so that in (7) and (8), applied in (9) with 0 ≤ k ≤ i, smoothing and Set signal delay well.
Bei jeder Abtastung Δt werden nun im ersten Rechenschritt die Rechenwerte der Regressionspunkte mit den abwärts laufenden Datenelementen y[nt – 1] bis y[0] um 1 Stelle verschoben (Schieberegister) und schließlich wird der aktuelle Rechenwert z_neu[i] aus dem Signalwert z[i] nach (6) berechnet und im frei gewordenen Datenelement y[0] gehalten. Dazu steht der aus dem vorherigen Durchgang des zweiten Rechenschritts gemerkte äußere Wert zh[i – 1] auf der Regressionsgeraden yr, zur Verfügung.at every sample Δt Now, in the first calculation step, the calculated values of the regression points become known the downhill current data elements y [nt - 1] until y [0] is shifted by 1 position (shift register) and finally becomes the current calculated value z_new [i] from the signal value z [i] according to (6) calculated and kept in the released data element y [0]. To is the from the previous passage of the second calculation step noted external value zh [i - 1] on the regression line yr.
Der zweite Rechenschritt ermittelt zuerst den Koeffizienten a und den Regressionskoeffizienten b des abwärts durchlaufenen Zeitintervalls Δt·(nt – 1) bis Δt·0 zu den Signalwerten y[nt – 1] bis y[0]. Anschließend wird nach (9) mit Hilfe der Koeffizienten a und b, der äußere Wert zh[i] der aktuellen Regressionsgeraden yr zur nachfolgenden Abtastung berechnet. Für die Zeitwerte x[i] der Signalwerte z[i] ist wie bereits erwähnt, zur linearen Regression der ganzzahlige Index der Datenelemente y[] verwendet.Of the second calculation step first determines the coefficient a and the Regression coefficients b of the down-swept time interval Δt · (nt-1) to Δt · 0 to the Signal values y [nt - 1] to y [0]. Subsequently, will according to (9) with the help of the coefficients a and b, the external value zh [i] of the current regression line yr for subsequent sampling calculated. For the time values x [i] of the signal values z [i] are, as already mentioned, linear Regression uses the integer index of the data elements y [].
Im
dritten Rechenschritt wird nach (5) der geglättete Signalwert mr[i] ermittelt.
Für den
Regressionskoeffizienten b gilt
Wird anstatt (5) das arithmetische Mittel als mr → Σy[i]/nt herangezogen, so ist die Signalglättung im Detail weniger gut.Becomes instead of (5) the arithmetic mean is used as mr → Σy [i] / nt the signal smoothing less well in detail.
Die Indizierung 0 vom aktuellen Signalwert beginnend, bis nt – 1 geschieht rückläufig, weshalb der Regressionskoeffizient b ein negatives Vorzeichen erhält.The Indexing 0 starting from the current signal value until nt - 1 happens declining, which is why the regression coefficient b receives a negative sign.
Die Glättung ist über die Änderung der Pegeldifferenzen je Abtastung Δt mit besonders grafisch vorteilhaft zu vermitteln. Dagegen vergrößert sich der Korrelationskoeffizient in Richtung Nulllinie stark und ist daher als Veranschaulichung der Glättung weniger geeignet. Das Frequenzspektrum gibt zwar die Größenrelationen der Signalveränderungen wieder, der Darstellungsaufwand hierfür ist allerdings größer.Smoothing is indicated by the change of the level differences per sample Δt particularly graphically advantageous to convey. In contrast, the correlation coefficient towards the zero line increases greatly and is therefore less suitable as an illustration of the smoothing. Although the frequency spectrum is the size relations of the signal changes again, but the presentation effort for this is greater.
Es folgen zwei ablauffähige kleine Musterprogramme. Im ersten Muster ist eine Regressionsfensterbreite von nt = 8 Stellen fest eingerichtet und es gibt zur schnelleren Abarbeitung keine Schleifen. Im zweiten Muster werden gleichzeitig jeweils 4 Stellen abgearbeitet. Die freie Wahl von nt ist möglich, soweit nt durch 4 teilbar ist. 1. Muster: 2. Muster: This is followed by two executable small sample programs. In the first pattern, a regression window width of nt = 8 digits is fixed and there are no loops for faster processing. In the second pattern 4 digits are processed simultaneously. The free choice of nt is possible, as far as nt divisible by 4. 1st pattern: 2nd pattern:
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200910005203 DE102009005203A1 (en) | 2009-01-20 | 2009-01-20 | Digitized signals smoothing method, involves generating smoothed signal value during scanning by sum of all individual regression coefficients of samples that are multiplied with time interval |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102009005203A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102009037839A1 (en) | 2009-02-18 | 2010-08-19 | Kress, Rüdiger | Controller provides digital smoothing effect of input signals independent of variable sampling of controller in upstream manner and adjusts text of steepest secondary function i.e. square function, in form of maximum slope indicator |
| US20240001280A1 (en) * | 2022-07-03 | 2024-01-04 | Station10, Llc | Automatic Spray Dispenser |
-
2009
- 2009-01-20 DE DE200910005203 patent/DE102009005203A1/en not_active Withdrawn
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