信号处理系统的结构及在汽车领域的应用

信号处理系统的结构及在汽车领域的应用

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信号处理系统

一.信号处理简介

1.什么是信号处理

信号处理是研究用系统对含有信息的信号进行变换以满足人们想要的信号，进而达到提取信息、便于利用的一种科学。信号处理的内容包括滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等等一系列的加工处理。

2.模拟信号处理与数字信号处理

因为多数科学和工程中遇到的是模拟信号，所以以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。但是模拟信号处理很难做到高精度，其受环境影响较大，可靠性较差，当系统某一参数的改变时，其硬件电路常常需要做出较大改变，很不灵活。随着大规模集成电路以及数字计算机的快速发展，加上20世纪60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已经逐步取代了模拟信号处理。随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已经成为一门及其重要的学科和技术领域。

数字信号处理有一下一些明显的优点：

精度高：模拟网络的精度由元件决定，模拟器件的精度很难达到10-3以上，而数字系统只要14位字长的就能达到10-4精度。在高精度系统中有时只能使用数字信号处理系统。

灵活性高：数字系统的性能主要由乘法器的系数决定，而系数是存放在系数存储器重的，因而只要改变存储器的系数就可以得到不同的系统。

可靠性强：数字系统只有两个信号电平“0”和“1”，因而受周围环境温度及噪声的影响较小。

容易大规模集成：由于数字部件具有高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，因而产品成品率很高。

分时复用：处理器的运算速度越快，能处理的信道数目也就越多。

由于数字信号处理系统的诸多优点以及应用广泛，本文主要以数字信号处理系统的结构为主要内容进行介绍。

二.数字信号处理系统的基本结构

在数字信号处理系统处理信号之前，首先要把输入的模拟量信息转换为数字信号，然后用数字技术进行处理，最后再还原成模拟信号。数字信号处理的简单方框图如图1所示。

图1 数字图像处理的简单方框图

1.前置预滤波器（抗混叠滤波）：

根据奈奎斯特抽样定理，抽样频率必须大于两倍信号的最高频率，否则在抽样信号的频谱将出现混叠效应，抽样信号将不能还原出原信号。在实际系统中，输入信号中常常混有高频噪声，这些噪声使得抽样后信号的频谱出现混叠，不利于对原信号的复原，因此在进行A/D转换前需进行抗混叠滤波，将输入模拟信号中高于抽样频率一半的分量滤除。

2.A/D转换：

在模拟数字变换器(A/D转换器)中每隔一个采样周期T取出一次输入模拟量的幅值，抽样后的信号称为离散时间信号，它只表示一些离散点0,T,1T,2T,3T……的信号值，这样的抽样过程其实就是对模拟信号的时间离散化过程。

3.数字信号处理过程：

经过A/D转换器的信号变为数字信号序列，数字信号序列被输入到数字信号处理器中，数字信号处理器按照预先的要求对其完成一些列的计算转化，最后变为人们希望的输出数据。

4.D/A转换：

由数字信号处理器输出的数字信号需通过D/A转换器，完成冲数字信号到模拟信号的转换，转换后的信号应在抽样点上与输入信号的幅值相同。

5.模拟滤波(平滑滤波)：

由D/A转换器输出的数字信号还要经过模拟滤波器，从而过滤掉一些不需要的高频噪声，平滑成所需要的模拟输出信号。

图1所示为数字信号处理基本框图，实际的系统不一定要包括它的所有部分。例如，有的系统只需要数字输出，可以直接以数字形式显示或打印，就不再需要D/A转换器了；又有一些系统本身输入的就是数字量，因而就不需要A/D转换器；纯粹的数字系统只需要数字信号处理器这一核心部分就行了。

图1中的数字信号处理器可以是数字计算机或者微处理器，通过软件编程对输入信号进行一种预期处理，这是一种软件实现的方法。另一种方法使用基本的数字硬件组成专用处理器或专用数字信号处理芯片作为数字信号处理器，这种方法的优点是可以进行实时处理，但由于是专用的，因此只能完成某一具体的加工处理，而不能完成其他类型的加工处理，这是它的缺点。第三种数字信号处理器就是现在最为流行的通用数字信号处理芯片它是专为信号处理设计的芯片，有专门执行信号处理算法的硬件，如乘法累加器、流水线工作方式、并行处理、多总线硬件等，并有专用的信号处理的指令。由于近年来信息技术的快速发展，数字信号处理芯片已经应用到了很多领域中。

常用数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯片，另一种是通用

DSP芯片。

(1)专用DSP芯片：作为横向滤波器用的有INMOS公司的A100，PLESSY GEC公司的PDSP16256等，作为快速傅里叶变换用的有PLESSY GEC公司的PDSP16510，Austek公司的A41102；还有作为复乘-累加以及求模和相角等用的专用DSP芯片。

(2)通用DSP芯片：有TI公式的TMS320C1X/C2X/C2XX/C54X/C62X系列定点制DSP芯片，ADSP21020/2106X/21160浮点制DSP芯片，有AT&T公司的DSP32C/3210、DSP96002浮点制DSP芯片等芯片，其中我国用得最多的是TI公司和AD公司的产品。

数字信号处理在汽车领域的应用

数字信号处理已经渗透到当今汽车的各个角落，从引擎控制到娱乐系统。全球汽车年销售量迅速增长，对信号处理技术来说汽车应用是一个巨大的市场。本文将探讨汽车信号处理的四个应用领域：引擎和变速控制、安全和便利性、电动转向和刹车，以及“信息娱乐”。针对每一应用领域，我们分析现有和将来的信号处理技术应用，重点集中在几个值得特别关注的应用。我们也突出强调了这些应用背后的驱动力量，比如政府法规、成本压力，以及汽车制造商想标新立异的愿望。

引擎和变速控制

有几个原因促使信号处理在汽车引擎和变速控制方面的应用尤其普遍。欧美政府强制执行的空气净化法规迫使汽车制造商设计开发更为节能的引擎和变速装置。燃料使用效率对消费者也十分重要，特别是在油价高昂的地区。此外，消费者也希望得到强劲的性能。在满足这些需求的同时，汽车制造商也想降低成本及缩短设计周期。信号处理技术有助于实现所有这些目标。

1）引擎控制器

引擎采用电子控制已有多年历史。但直到最近，这些控制器主要依靠静态查找表来确定如何调整引擎参数。现今，引擎控制器采用了更为复杂的算法，比如那些用于检测引擎爆震音的算法。

“爆震”是指未受控制的燃料燃烧，它对尾气排放、燃烧效率和引擎寿命都有负面影响。以前，引擎控制器采用保守的预定义设置来防止爆震的发生。但是，引擎在处于爆震临界状态时工作效率才能达到最高，因此传统的办法限定了引擎的动力。为解决这一问题，现代的引擎控制器采用信号处理算法来检测爆震征兆，这样引擎就可工作于爆震临界状态。

控制器也开始采用差分方程对引擎行为进行建模。这些方程可让引擎控制器针对引擎状态微调其响应，而不是依靠事先设定的查寻表参数。采用行为建模的方法也可减少花费在引擎校准上的时间。采用查寻表方法时，校准需要在一系列条件下对引擎进行测试，这一过程要花费大量的时间和金钱。然而，对于一个基于行为建模的控制器，确定其参数仅需少量测试即可。

由于引擎控制器开始控制越来越多的引擎功能，其设计也变得越来越复杂。对于一个先进的引擎，其阀门由纯粹的机械系统所控制，但是阀门定时开始采用电子控制。将来的引擎可能全部采用电子阀门，每个阀门都由一个螺线管操纵。这些日趋复杂的控制需要额外的信号处理。

信号处理也可为各种电动马达提供了平滑控制。电子启动涡轮增压器就是一个值得关注的马达控制应用。涡轮增压器可提高引擎的效率，但它也会造成“延迟”。亦即，从汽车驾驶者踩下加速器到涡轮增压器产生额外的动力，期间会有一段明显的时间间隔。如果引擎设计人员为涡轮增压器添加一个电动马达，这一延迟现象就会消失。

复杂的电动马达也可用于混合型汽车，这种汽车由内燃机和电动马达混合驱动。现在的汽车仅有一个电动马达，但将来的汽车可能会采用多马达驱动，从而大大增加对马达控制器的需求。电动马达控制对还处于开发阶段的燃料电池驱动汽车也很重要。

2）变速器

变速器也越来越依赖于复杂的信号处理算法。例如，现已有几款车型配有计算机控制的“手动”变速器，不再需要离合器踏板。这些系统采用与现代引擎控制器类似的方式，即基于模型的方法来决定如何及何时换档变速。这种模型根据有关摩擦、传动装置同步速度及其它变速参数等信息来执行相应的变速操作。电动系统要比手动操作快得多，而且在不太恶劣的驾驶条件下可实现超

平滑的变速。

3）降低成本

除了提供更好的性能和效率外，信号处理技术还可降低引擎和变速控制器的成本。例如，这些控制器可采用数字信号处理，而不用模拟信号调节，因为模拟电路成本高且灵活性低。一个为四缸发动机设计的模拟信号调节硬件可能对6缸发动机毫无用途。但是，如果采用数字信号处理，同样的引擎控制器稍做调整即可用于不同的引擎结构，而且改动软件即可。这样就可以大大降低开发成本，并减少汽车制造商的配件库存。此外，数字信号处理也可减少引擎所需配件数量，从而降低成本。

引擎一般都有很多传感器，而且这些传感器的输出都是相互关联的。采用信号处理技术可让引擎设计人员省去一些传感器，因为有些传感器数据可从其它传感器得出。这一点尤其重要，因为传感器是引擎最昂贵的组件之一。

安全和便利性

安全和便利性方面的应用是汽车信号处理技术一大主要驱动力。消费者在购车时往往将安全放在第一位。可想而知，汽车制造商总是使出浑身解数向消费者展示他们的产品在安全性能上如何比其他厂家的产品略胜一筹。

气囊是最常见的电控安全系统之一。汽车制造商在其汽车上安装更多的气囊和传感器的同时，气囊控制器也要求更为复杂的算法。例如，汽车制造商想通过调整乘客的位置来提高气囊的性能。一种方法是利用机器影像来检测乘客位置，这种技术就需要强大的信号处理能力。

防抱死刹车系统是另一个常见的安全应用。如果刹车时车轮打滑(抱死)，防抱死刹车系统就会感应到并暂时释放制动装置。近年来，防抱死刹车系统又扩展成为汽车稳定控制系统。稳定控制系统可以检测到何时驾驶者对汽车的控制有所松弛，最新的系统甚至可以衡量偏航以确定汽车是否有翻车的危险。如果驾驶者放松了对汽车的控制，系统就会根据需要调整引擎动力和刹车装置以确保汽车稳定行使。有些系统还可以绷紧悬架弹簧以阻止翻滚。这些稳定控制系统要分析大量的输入信号，并需要相当复杂的处理。

出于责任方面的考虑，很多最新的汽车安全技术都以“便利”特性为表现方式，而非“安全”特性。例如，一些高档汽车具有自适应巡航控制功能，可

利用雷达或激光感应与前方车辆的距离以及车本身的速度。该系统可调整车的速度以便与前方车辆保持同步，这样驾驶者就可在交通不太拥挤的状况下使用巡航控制。

这种系统的功能还可进一步扩展。比如，当前方车辆突然停下来时，该系统可启动刹车装置以防止碰撞。然而由于责任问题，现今的系统并不提供这一功能。相反，当出现撞车的危险时，这类系统往往做些减少伤害的准备。例如，巡航控制系统可能会向座位控制器发送信号，将座位移动到一个竖直的位置以减少伤害。

有些新款汽车还带有车道偏离警告系统，当汽车非有意识地偏离车道时告警就会触发。这种系统采用机器影像，将于今年晚些时候首先在美国乘客车辆中投入使用。如果检测到非有意偏离车道的情况发生，比如驾驶者换车道时没有打转向信号，这种系统就会通过声音告警或其它方式向驾驶者发出警告。目前，美国的这种告警系统并没有提供阻止偏离车道的功能。然而，日本已开始启用具有这一功能的告警系统，可能是因为日本不像美国那样喜欢打官司的缘故。

电动转向和刹车

电动转向和刹车也是新出现的信号处理应用。电动转向系统正变得越来越流行，因为它比液压转向系统更为有效。高效率可获得明显的节能效果，这对小型车尤其明显。此外，电动转向系统尺寸小，易于安装，而且更加可靠。

基本系统只是简单地用电动液压泵替代传统的传送带驱动液压泵，而较复杂的系统则直接采用电动马达，完全取代了液压系统。这类系统需要信号处理算法来精确控制马达。

即将面世的系统更进一步，用汽车稳定系统来协调电动转向。当汽车偏离正常车道时，这种系统可检测到，并可对转向角度做出适当的调整。再往前看，转向系统将变成全电子化的，驾驶者和转向盘之间将没有任何机械连接。

有些高档刹车系统也开始用电动马达替代液压系统。这种系统利用伺服马达将刹车板推向刹车转向轴。跟电动转向系统一样，这类刹车系统也需要信号处理算法以获得精密的马达控制。

信息娱乐

最后，信号处理也广泛应用于汽车娱乐和信息系统，我们将之统称为“信息娱乐”系统。信号处理可用于实现移动电话和蓝牙信号传输等通信功能，也可实现均衡和MP3解码等音频功能。近日报道称，英特尔公司计划与奔驰公司合作，为后者研制车载娱乐系统。这些配置集成了上网、影视、软件运行、GPS、语音操作等智能功能。目前越来越多的IT硬件商跟汽车合作，比如英伟达，为奥迪开发了虚拟仪表盘，酷似将一块大屏幕手机嵌入方向盘面前一样，非常炫酷，并且能随意变换主题，更加个性化。

今后的汽车将越来越智能。

展望未来

由于政府对尾气排放的要求日益严格，消费者对高性能和高效率的要求也不断提高，复杂信号处理算法的需求将继续增长。政府和消费者也将继续要求更加复杂的安全特性。面对这些需求，汽车制造商无疑会继续用电动系统替代机械系统。此外，消费者也愿意在汽车娱乐及信息产品和服务上花更多的钱。总之，汽车信号处理技术的应用将大有潜力。