Brevet FR2918822A1 — publié le 20090116

Dispositif de filtrage non linéaire Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif de filtrage non linéaire d'un signal comportant au moins une branche de retour de gain unitaire, un module 10 intégrateur, un module de gain fixe et un module de gain variable. L'invention s'applique plus particulièrement, dans le domaine du traitement du signal, au filtrage de tout type de signaux à bord des véhicules automobiles ou hors ligne, notamment un signal d'accélération, un signal de 15 vitesse, un signal de position ou d'angle, un signal de pression, etc. Etat de la technique 20 Un problème classique en conditionnement et traitement du signal consiste à réduire l'amplitude des signaux indésirables tout en conservant les signaux pertinents, c'est-à-dire atténuer d'une valeur imposée certaines composantes fréquentielles d'un signal, lorsque leur amplitude est inférieure ou supérieure à un seuil, et les laisser passer sinon. Le signal peut être représenté 25 sous forme électrique analogique ou sous forme numérique. En traitement du signal, lorsque il faut atténuer un signal indésirable, par exemple du bruit, situé dans la même bande de fréquence que le signal désiré, la seule manière de discriminer ces deux signaux est de mesurer leur 30 amplitude. Dans la pratique, ce problème revient à augmenter la bande passante d'un filtre passe bas, lorsqu'un signal de forte amplitude est présent. 15 La bande passante d'un filtre linéaire étant indépendante de l'amplitude du signal, ce type de problème ne peut donc pas être résolu au moyen d'un filtre linéaire. Plusieurs solutions ont alors été proposées. Le document FR 2 878 030 a introduit notamment le concept d'un filtre analogique et continu ou numérique et échantillonné. Ce concept repose sur un filtre du premier ordre représenté et réalisé sous forme d'un intégrateur rebouclé avec une contre-réaction négative, favorisant notamment la stabilité. Lorsque le gain sur le signal d'erreur est constant, le système obtenu est un filtre passe-bas du premier ordre linéaire. Le gain de boucle, c'est-à-dire le gain sur le signal d'erreur, est modifié par une non linéarité. Le filtre devient alors non linéaire, sa bande passante augmente pour des signaux de grande amplitude et de fréquence f, alors qu'elle est faible pour des signaux de même fréquence f, mais d'amplitude faible. Le brevet US 3 654 563 décrit également un filtre non linéaire, dont la non linéarité est symétrique. Cependant, ce type de filtre ne permet pas de différencier les temps de réponses montants et descendants. De même, le brevet US 5 799 111 décrit un filtre non linéaire appliqué aux signaux à deux dimensions du type image. Cependant, le gain du filtre provient d'un module extérieur au filtre et ce module calcule le gain grâce à des valeurs statistiques, à savoir la variance et la corrélation. De plus, le système décrit est non causal, c'est-à-dire qu'il nécessite une connaissance du futur pour être appliqué. En l'occurrence, cette connaissance est réalisée en mettant en mémoire le signal dans un buffer , puis en le traitant, ce qui introduit un retard. La demande de brevet français non publiée n 06 51219 de la demanderesse introduit une amélioration au niveau de la notion de non linéarité, pour une application au filtrage d'un signal de jauge de carburant. L'amélioration porte sur une non linéarité douce, par opposition à une non linéarité dure comme un seuil. Mathématiquement, la non linéarité douce présente une dérivée première définie et non infinie, ce qui n'est pas le cas de la non linéarité dure comme le seuil, dont la dérivée première n'est pas définie au seuil. Cependant, aucun des documents cités ci-dessus ne permet d'obtenir un filtre non linéaire fonctionnant de façon autonome et de façon optimale pour tout type de signaux. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à l'ensemble des inconvénients précités et a pour objet la réalisation d'un dispositif de filtrage non linéaire qui soit autonome, c'est-à-dire qui ne nécessite pas l'utilisation d'un ordinateur, et qui puisse s'appliquer à tout type de filtrage de signaux sur toutes plages de fréquences. Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et, plus particulièrement, par le fait que le gain variable du dispositif de filtrage est interpolé de manière à assurer une non linéarité continue du dispositif de filtrage et en ce que le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer par la pulsation de coupure wc, définie selon l'équation : z z 0 3 co = 1 arccos 1 + (F + NL) Te (1ù10 ) C Te 2((F + NL)Te -1).10 -0.3 dans laquelle Te est la période d'échantillonnage, F est le gain fixe et NL est le gain variable du dispositif de filtrage. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention peuvent être considérées isolément ou en combinaison : - le module de gain variable varie de façon douce, la variation s'effectuant, de préférence, par des droites. - la variation par des droites du module de gain variable est définie mathématiquement par la somme des fonctions de non linéarité NL suivante : NL(s) = k si s seuilz k NL(s) = (s ù seuil) si seuils s Les figures 2 et 3 représentent, respectivement, un schéma-bloc et un boîtier d'interface interactif d'un exemple particulier d'application du dispositif de filtrage non linéaire selon la figure 1. La figure 4 représente sous forme d'un schéma-bloc un autre exemple particulier d'application du dispositif de filtrage selon la figure 1. La figure 5 représente sous forme d'un schéma-bloc une variante de réalisation d'un dispositif de filtrage non linéaire selon l'invention. La figure 6 est un graphique illustrant le rapport de la fréquence de coupure avec la fréquence d'échantillonnage à coefficients égaux, pour le dispositif de filtrage non linéaire selon la figure 5. Description de modes particuliers de réalisation En référence aux figures 1 à 6, le dispositif de filtrage non linéaire 10 selon l'invention est destiné notamment au filtrage de tout type de signaux, par exemple un signal d'accélération, un signal de vitesse, un signal de position ou d'angle, un signal de pression. Sur la figure 1, le mode particulier de réalisation du dispositif de filtrage non linéaire 10 comporte une première branche de traitement comprenant en série un module soustracteur 11, recevant un signal d'entrée E, après passage par un module de sur-échantillonnage 16 décrit par la suite, un module de gain fixe 12, un module additionneur 13 et un module intégrateur 14, générant un signal de sortie S filtré. Le dispositif de filtrage non linéaire 10 comporte une deuxième branche de retour via un gain unitaire, entre la sortie du module intégrateur 14 et une entrée du module soustracteur 11. Il en résulte alors un signal dérivé d en sortie du module additionneur 13 et en entrée du module intégrateur 14. Le module soustracteur 11 génère un signal d'erreur c, ou signal de différence, entre le signal d'entrée E et le signal de sortie S filtré. Le dispositif de filtrage 10 comporte également un module de gain variable 15, disposé sur une branche en parallèle par rapport à la branche du module de gain fixe 12, entre le signal d'erreurs en sortie du module soustracteur 11 et une entrée du module additionneur 13. Le module de gain variable 15 génère une fonction de non linéarité, appelée NL par la suite. Selon l'invention, le gain variable du dispositif est interpolé de manière à assurer une non linéarité continue du dispositif de filtrage 10 et le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer. Sur la figure 1, la dérivée d'ordre un de la non linéarité du filtre est définie. Les dérivées d'ordre plus importantes peuvent également être définies, selon l'interpolation utilisée. Cela introduit moins d'artéfacts dans le signal de sortie S. La valeur du gain est liée de manière statique à l'erreur entre le signal d'entrée E et le signal de sortie S du dispositif de filtrage 10 selon l'invention. Plus précisément, le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer par la fréquence de coupure (équivalent à la pulsation de coupure au coefficient 2rr près), définie selon l'équation suivante de la pulsation de coupure : = 1 arccos (1 + (F + NL) 2 T 2 (1û10 -0.3 ) c T 2((F + NL)Te -1).10 0 3 e Dans cette formule, wc, est la pulsation de coupure, Te est la période d'échantillonnage, F est le gain fixe et NL est le gain variable du dispositif de filtrage 10, comme représenté sur la figure 1. Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 1, le dispositif de filtrage 10 est composé d'un signal d'entrée E et d'un seul signal de sortie S filtré. L'interpolation de la fréquence de coupure du dispositif de filtrage 10 est représentée par la fonction NL , comme décrit ci-dessus, du module de gain variable 15. Le module de gain variable 15 varie, de préférence, de façon douce, la variation pouvant s'effectuer par des sinusoïdes, des tangentes ou des droites. Plus particulièrement, la variation par des droites du module de gain variable 15 est définie mathématiquement par la somme des fonctions de non linéarité NL suivante : NL(s) = k si s seuilz k NL(s) = seuilz seuih (s ù seuil) si seuils s Un tel dispositif de filtrage non linéaire 10 selon l'invention permet ainsi d'appliquer et de valider des signaux sur toutes plages de fréquences. A titre d'exemple, avec l'équation ci-dessus de la pulsation de coupure wc, il est possible d'obtenir un signal de pédale d'accélérateur inférieur à 1 Hz, un signal d'angle de papillon inférieur à 5Hz, un signal d'accélération longitudinale inférieur à 30Hz et un signal de pédale d'accélérateur inférieur à 10000Hz. Dans un exemple particulier d'application du dispositif de filtrage 10 selon l'invention, un système de traitement du signal peut comporter plusieurs dispositifs de filtrage 10 selon la figure 1, avec un unique signal d'entrée E et plusieurs signaux de sortie S filtrés, chaque signal S de sortie étant associé à un module de gain variable d'un dispositif 10 associé. Un tel système permet alors de fournir, pour un même signal d'entrée E, des signaux filtrés par des filtres non linéaires réglés différemment, à savoir avec des bandes passantes et/ou des seuils différents, comme décrit notamment en référence aux figures 2 et 3. Il est alors possible, par exemple, d'atténuer différents types de signaux. Sur les figures 2 et 3, représentant un exemple particulier d'application du dispositif de filtrage 10 selon l'invention, un boîtier d'interface analogique/numérique 17 (figure 3), comportant au moins un dispositif de filtrage non linéaire 10 selon l'invention, peut être inséré, par exemple, entre un capteur et un système d'acquisition du signal du capteur. Le fonctionnement d'un tel boîtier 17 est représenté schématiquement sur la figure 2. Le boîtier 17 implémente d'abord l'acquisition du signal 18 à traiter et comporte un premier filtre analogique anti-repliement 19, pour le signal requis, suivi en série d'un premier convertisseur analogique/numérique 20. Le filtre anti-repliement 19 est un filtre passe-bas, dont le but est de vérifier au mieux le théorème de l'échantillonnage de Shannon. Le signal numérique 18 passe ensuite par un calculateur, ou plus particulièrement un processeur de traitement du signal DSP ( Digital Signal Processor en anglais), par exemple un microcontrôleur, qui contient les fonctions de calcul et de réglage de deux filtres non linéaires 21 et 22, placés sur deux branches en parallèles du circuit de traitement du signal. Les deux filtres 21, 22 ont, de préférence, un fonctionnement et des caractéristiques identiques au dispositif de filtrage non linéaire 10, comme décrit précédemment. La reconversion des signaux filtrés s'effectue ensuite par l'intermédiaire de seconds convertisseurs analogiques/numériques 23, 24, associés chacun à un filtre non linéaire 21, 22. Les signaux passent ensuite par des seconds filtres analogiques anti-repliement 25, 26, placés chacun en série avec le convertisseurs analogique/numérique 23, 24 associés, afin d'obtenir deux signaux de sortie distincts 27, 28, associés chacun à une branche du circuit de traitement du signal ci-dessus. Le boîtier 17 comme représenté schématiquement sur la figure 3 représente un exemple particulier d'interface entre un utilisateur et le traitement automatique du signal. Le boîtier 17 comporte des connecteurs 29, 30, par exemple des connecteurs du type fiches bananes , pour l'alimentation du boîtier 17, un connecteur 31, par exemple un connecteur du type à baïonnette BNC ( Bayonet Neill-Concelman en anglais), pour l'entrée analogique, un connecteur 32, par exemple un connecteur BNC, pour la sortie non filtrée, c'est-à-dire où le signal de sortie est égal au signal d'entrée, et deux connecteurs 33, 34, par exemple des connecteurs BNC, pour les deux sorties des filtres non linéaires 21, 22 implantés (figure 2). Le boîtier 17 comporte également un premier organe de réglage 35 variable, notamment pour régler la valeur du seuil d'erreur positif, afin de basculer entre les deux fréquences de coupure de chaque filtre non linéaire, et un deuxième organe de réglage 36 variable, notamment pour régler la valeur du seuil d'erreur négatif, afin de basculer entre les deux fréquences de coupure de chaque filtre non linéaire. Le boîtier 17 comporte également un troisième organe de réglage 37 variable, pour régler la valeur de la fréquence de coupure, lorsque l'erreurs est supérieure au seuil positif ou inférieure au seuil négatif, et un quatrième organe de réglage 38 variable, pour régler la valeur de la fréquence de coupure, lorsque l'erreurs est inférieure au seuil positif ou supérieure au seuil négatif. A titre d'exemple, les organes de réglage 35 à 38 sont des potentiomètres. Le boîtier 17 peut comporter également un organe de confirmation du réglage 39, par exemple un bouton poussoir, pour les valeurs variables choisies. Un tel organe de confirmation 39 sert notamment à éviter les déplacements non intentionnés des valeurs lors des essais, par exemple via les potentiomètres. Enfin, le boîtier 17 peut comporter un organe de feedback sensoriel 40, par exemple un voyant d'affichage lumineux, pour confirmer la prise en compte du nouveau réglage. Un tel voyant 40 est déclenché par l'activation de l'organe de confirmation 39, par exemple par l'appui sur le bouton poussoir 39. Ainsi, l'utilisation d'un tel boîtier 17 permet de façon très avantageuse de régler les différents paramètres de façon autonome, sans l'utilisation notamment d'un ordinateur, afin d'optimiser le fonctionnement notamment du dispositif de filtrage selon l'invention. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 4, un dispositif de filtrage non linéaire selon l'invention peut également être appliqué au pilotage d'un système 41 de filtres non linéaires à fréquence de coupure variable et d'ordre plus important que le premier ordre du dispositif de filtrage non linéaire représenté sur la figure 1. Il en résulte alors la réalisation d'un système 41 à filtre non linéaire d'ordre quelconque, par la mise en cascade de systèmes à fréquences de coupures variables pilotées par le premier dispositif de filtrage non linéaire 10, comme représenté sur la figure 1. Comme représenté plus en détail sur la figure 4, un tel système 41 comporte un dispositif de filtrage non linéaire 42, identique à celui décrit ci-dessus en référence à la figure 1, c'est-à-dire du premier ordre. Le signal d'entrée E passe dans le filtre 42 et le fonctionnement du système 41 consiste à calculer, à chaque instant, la pulsation de coupure w, de ce filtre 42 grâce à l'équation ci-dessus, régissant le dispositif de filtrage selon la figure 1. 10 Un module 43, disposé en parallèle, convertit alors par l'intermédiaire d'une fonction mathématique prédéterminée la pulsation de coupure co, du filtre 42 du premier ordre en fréquence de coupure variable d'un autre filtre 44, situé en aval du filtre non linéaire 42. Le filtre 44 en aval est donc piloté par la 15 pulsation de coupure w, du filtre non linéaire 42 situé en amont de la chaîne de traitement représentée sur la figure 4. Une telle chaîne de traitement présente l'avantage principal de pouvoir mieux lisser le signal, tout en gardant le comportement non linéaire du filtre 42 20 du premier ordre, les paramètres de réglage concernant uniquement le filtre 42 non linéaire. D'une façon générale, un tel système 41 comme représenté sur la figure 4 offre une possibilité de pilotage par le filtre 42 non linéaire de premier ordre 25 d'autres filtres 44 d'ordres plus importants, mis en cascade derrière lui, un nombre quelconque fini de filtres 44 en aval donnant l'ordre du système de filtrage 41 ainsi réalisé, le système 41 étant d'ordre deux sur la figure 4. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 5, le dispositif de 30 filtrage 10 se distingue du mode de réalisation représenté sur la figure 1 par l'effet de la fonction de non linéarité NL . Dans cette nouvelle architecture du dispositif de filtrage 10, la fonction de non linéarité ne modifie plus le gain, mais la fréquence d'échantillonnage fEch (soit l'inverse de la période d'échantillonnage Te). Sur la figure 5, la non linéarité NL vérifie les mêmes propriétés de dérivée définie, voire continue, afin d'introduire moins d'artéfacts dans le signal de sortie S filtré. Sur la figure 5, le dispositif de filtrage 10 comporte le module soustracteur 11, associé à la boucle de retour via un gain unitaire, le module de gain fixe 12 et le module intégrateur 14. Le dispositif 10 comporte également un module 45 de fréquence d'échantillonnage fEch interpolé, au moyen d'un module additionneur 47, par le module de gain variable 15 et un module 46 ayant la valeur de la fréquence d'échantillonnage initiale fEcho du dispositif 10. Plus particulièrement, comme représenté sur la figure 6, il existe un rapport linéaire entre la fréquence de coupure et la fréquence d'échantillonnage des filtres. Ainsi, le dispositif de filtrage 10 selon la figure 5 présente une fréquence de coupure définie selon la même équation que précédemment, à savoir avec l'équation de la pulsation de coupure définie selon la formule 1 ~F+NL~~Tô~1ù10-os~~ suivante : w~ = ùarccos1 + T 2 F + NL) eo -1~ 10-os Dans le mode particulier de la figure 5, le gain variable NL est égal à zéro, la période d'échantillonnage initiale Teo est fixe et la période d'échantillonnage Te du filtre varie en fonction d'une dépendance linéaire introduite dans la formule de la pulsation de coupure wc. Le calcul de la fréquence de coupure s'effectue alors de la même façon, en introduisant dans les calculs une dépendance linéaire entre wc, et 1/Te (puisque la valeur de l'arccos reste constante). Une variation linéaire de la fréquence d'échantillonnage 1/Te correspond donc à une variation linéaire de la fréquence de coupure du filtre, avec comme limite le respect du théorème de l'échantillonnage de Shannon.30 Par ailleurs, dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 5, la fonction de non linéarité NL , sommée dans le module de gain variable 15, est définie mathématiquement, par exemple, par le système d'équations suivant : NL(s) = fEcho (k -1) si s seuil, NL(s) = fEcho (k -1) (eù seuil, ) si seuil, s De plus, l'utilisation facultative d'un système d'interpolation en entrée du dispositif de filtrage non linéaire selon l'invention permet d'augmenter la fréquence d'échantillonnage, pour diminuer les erreurs d'approximation de l'intégration, et l'utilisation facultative d'un système de sous échantillonnage en sortie permet de recréer un signal de même période d'échantillonnage qu'en entrée. L'invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation décrits ci-dessus. Dans l'exemple d'application des figures 2 et 3, le boîtier 17 implémente deux filtres non linéaires 21, 22 avec des paramètres différents. Un tel boîtier 17 peut implémenter un ou plusieurs filtres non linéaires. Le dispositif de filtrage non linéaire 10 peut comporter une alimentation embarquée, du type piles ou batteries, ou une alimentation externe. Dans des variantes de réalisation non représentées du dispositif de filtrage 10 selon l'invention, les fréquences de coupure, les valeurs des paramètres seuil1, seuil2 et/ou les fonctions de non linéarité NL du dispositif de filtrage 10 peuvent être réglables. Dans une autre variante de réalisation non représentée du dispositif de filtrage 10, celui-ci comporte un seul signal entrant E et une pluralité de signaux sortant S filtrés, chaque signal sortant filtré étant associé à un module de gain 30 variable opérant une somme de plusieurs fonctions de non linéarité NL . Le dispositif peut également comporter, en plus de la pluralité de signaux de sortie filtrés, un signal sortant non filtré, correspondant au signal entrant E d'origine. 16 Revendications1. 10 15 2. 3. 20 4. 25 30 Dispositif de filtrage non linéaire (10) d'un signal comportant au moins une branche de retour de gain unitaire, un module intégrateur (14), un module de gain fixe (12) et un module de gain variable (15), dispositif caractérisé en ce que le gain variable du dispositif de filtrage (10) est interpolé de manière à assurer une non linéarité continue du dispositif de filtrage (10) et en ce que le gain variable est lié directement aux bandes passantes désirées du signal à filtrer par la pulsation de coupure we, définie selon l'équation : co = 1 arccos l + (F + NL) 2 Te 2 (1ù10 -0.3) Te 2((F + NL)Te -1).10 dans laquelle Te est la période d'échantillonnage, F est le gain fixe et NL est le gain variable du dispositif de filtrage (10). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de gain variable (15) varie de façon douce. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la variation s'effectue par des sinusoïdes, des tangentes ou des droites. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la variation par des droites du module de gain variable (15) est définie mathématiquement par la somme des fonctions de non linéarité NL suivante : NL(s) = k si s seuilz NL(s) = k (s ù seuil) si seuils s