一种数字锁相信号处理采样方法及设备与流程

1.本技术涉及计算机领域，尤其涉及一种数字锁相信号处理采样方法及设备。


背景技术：

2.现有技术中，锁相信号处理是在强噪声背景下检测相关信号的常用有效手段。随着嵌入系统数字处理能力的迅速提高和成本的大幅下降，锁相处理在很多应用中从模拟转向数字。与模拟相比，数字锁相处理在模数转换噪声允许的前提下，在许多应用中，有着众多的优点。首先其具有很好的灵活性，通过编程处理，可以实施复杂的数字信号处理算法，使电路具有较强的通用性，并大大减化了电路硬件的调试过程。同时一些模拟电路固有的问题，如零点漂移等也比较容易解决。这些都是数字锁相处理被广泛采用的原因。
3.目前的数字锁相处理，基本上是对模拟电路的简单移植，并没有充分利用数字处理的灵活性来进一步改善效果。与模拟电路相比，数字处理最突出的弱点除了模数转换噪声外，就是采样数量有限和对嵌入系统的运算能力要求高。
4.因此，如何增加数字锁相处理的灵活性，提高采样效率并减低运算量是本领域人员需要研究的方向。


技术实现要素：

5.本技术的一个目的是提供一种数字锁相信号处理采样方法及设备，以解决现有技术中如何增加数字锁相处理的灵活性，提高采样效率降低噪声和运算量的问题。
6.根据本技术的一个方面，提供了一种数字锁相信号处理采样方法，包括：
7.获取待检测信号，并基于所述待检测信号确定参考信号；
8.保证每个采样点的结果贡献权重相等，根据参考信号值改变采样间距并确定每次采样的采样点；
9.基于所述采样点对所述待检测信号进行信号采样得到检出信号。
10.进一步地，上述数字锁相信号处理采样方法中，所述保证每个采样点的结果贡献权重相等，根据参考信号值改变采样间距并确定每次采样的采样点，包括：
11.获取采样次数和信号衰减周期，并基于所述参考信号计算得到结果贡献权重，公式如下：
[0012][0013]
其中，w为结果贡献权重，m为采样次数，r(t)为参考信号，t为信号衰减周期，r(ti)为每个采样点的参考信号值，ti为第i次采样的采样点，i＝1、2、3......m，di为每次采样的采样间距；
[0014]
基于相同的所述结果贡献权重，并利用所述结果贡献权重、每个所述采样点的所述参考信号值、每次采样的所述采样间距以及采样分界点之间的关系，根据如下公式逐点解出每次采样的采样分界点，
[0015]
其中τi为第i次采样的采样分界点；
[0016]
根据每次采样的所述采样分界点，根据如下公式计算得到每次采样的采样点，
[0017][0018]
进一步地，上述数字锁相信号处理采样方法中，所述基于所述采样点对所述待检测信号进行信号采样得到检出信号，包括：
[0019]
将所述待检测信号作为采样输入，基于所述采样点对所述待检测信号进行采样得到每个采样点的采样信号；
[0020]
将所述采样信号逐项相加减，得到检出信号。
[0021]
进一步地，上述数字锁相信号处理采样方法中，所述获取待检测信号，并基于所述待检测信号确定参考信号，包括：
[0022]
将所述待检测信号利用所述参考信号相关的有用信息和高斯随机白噪声进行表示，确定所述参考信号。
[0023]
根据本技术的另一方面，还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理执行时，使所述处理器实现如上述机器人行为决策方法。
[0024]
根据本技术的另一方面，还提供了一种数字锁相信号处理采样设备，该设备包括：
[0025]
一个或多个处理器；
[0026]
计算机可读介质，用于存储一个或多个计算机可读指令，
[0027]
当所述一个或多个计算机可读指令被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述数字锁相信号处理采样方法。
[0028]
与现有技术相比，本技术通过获取待检测信号，并基于所述待检测信号确定参考信号；保证每个采样点的结果贡献权重相等，根据参考信号值改变采样间距并确定每次采样的采样点；基于所述采样点对所述待检测信号进行信号采样得到检出信号即在数字锁相信号处理中，等权重采样在参考信号绝对值较大的区域增加采样密度，在参考信号绝对值较小的区域减少采样密度，不但可以大大地减少计算量，降低嵌入系统的功耗和成本，还可以提高采样效率，降低噪声。
附图说明
[0029]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0030]
图1示出根据本技术一个方面的一种数字锁相信号处理采样方法的流程示意图；
[0031]
图2示出根据本技术一个方面的一种数字锁相信号处理采样方法的一实施例的采样装置结构框图。
[0032]
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本技术作进一步详细描述。
[0034]
在本技术一个典型的配置中，终端、服务网络的设备和可信方均包括一个或多个处理器(例如中央处理器(central processing unit，cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0035]
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(random access memory，ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(read only memory，rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
[0036]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(phase-change ram，pram)、静态随机存取存储器(staticrandom access memory，sram)、动态随机存取存储器(dynamic randomaccess memory，dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically erasableprogrammable read-only memory，eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(compact disc read-only memory，cd-rom)、数字多功能光盘(digital versatile disk，dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括非暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0037]
图1示出根据本技术一个方面的一种数字锁相信号处理采样方法的流程示意图，该方法可以适用于多种信号采集场景中，同时可以使用于痕量气体探测等多个领域，该方法包括步骤s11、步骤s12及步骤s13，其中，具体包括：
[0038]
步骤s11，获取待检测信号，并基于所述待检测信号确定参考信号。具体地，将所述待检测信号利用所述参考信号相关的有用信息和高斯随机白噪声进行表示，确定所述参考信号。在此，待检测信号s和参考信号r表示如下：
[0039]
s(t)＝αr(t) n(t)
[0040]
其中，α()为参考信号相关的有用信号，α为待检成分，n(t)为高斯白噪声。
[0041]
步骤s12，保证每个采样点的结果贡献权重相等，根据参考信号值改变采样间距并确定每次采样的采样点；在此，模拟锁相信号处理和数字锁相信号处理有很大区别。具体说明如下：
[0042]
模拟锁相信号处理的基本原理。锁相信号处理是通过对待检测信号s和参考信号r乘积来将被检成分转移到基频，再通过低通滤波将移至基频的信号提取出来。一般lc低通滤波电路的频谱可表示为：
[0043][0044]
其中t为衰减周期。
[0045]
检出信号q在频谱域可表示为：
[0046][0047]
如果待检测信号为：
[0048]
s(t)＝αr(t) n(t)
[0049]
其中α为待检成分，n(t)为高斯白噪声，即锁相输出频谱为
[0050][0051]
通过对功率谱密度积分，计算信号和噪声功率。
[0052][0053]
e《 》为频率0到正无穷的期待值，pn＝2π|n(ω)|2为噪声功率谱密度。显然前项α2是信号，后一项是噪声。
[0054]
数字锁相信号处理的基本原理。时间域式表示为：
[0055][0056]
代入式后，得到：
[0057][0058]
当t足够大时，q可近似为
[0059]
此式在数字锁相处理中具有更高的可操作性，为数字锁相的基本算法。
[0060]
将模拟锁相信号处理中q(ω)表达式代入上述q的表达式，并考虑到噪声的波动性，得到
[0061][0062]
其富利叶变化在频谱域表现为：
[0063][0064][0065]
注意到上式中定积分
[0066][0067][0068]
由于公式的近似，数字锁相处理和模拟锁相处理中t的含义已经有了差异，前者为低通滤波器时间常数，代表一个指数衰减采样窗口透过率衰减至1/e的时间。后者则代表一个矩形取样窗口的确切截止时间，在实际中，可远大于一般电子低通滤波器的时间常数。公式表示的数字锁相处理与锁相信号处理过程趋势相同。使用数字采样方式实现时，q(τ)可一般性地表述为：
[0069][0070]
其中,di＝τ
i-τ
i-1
分界点0＝τ0...《τi...《τm＝t。优化采样点ti可由下列公式预先决定
[0071][0072]
显然不同的采样策略决定具体分界点τi和采样点ti值的选取。
[0073]
将式带入公式得到：
[0074][0075][0076][0077]
其中期望值运算e《 》频率积分范围为平均采样频率范围m/t
[0078]
本发明引入等权重采样法，首先，获取采样次数和信号衰减周期，并基于所述参考信号计算得到结果贡献权重，公式如下：
[0079][0080]
其中，w为结果贡献权重，m为采样次数，r(t)为参考信号，t为信号衰减周期，r(ti)为每个采样点的参考信号值，ti为第i次采样的采样点，i＝1、2、3......m，di为每次采样的采样间距；
[0081]
然后，基于相同的所述结果贡献权重，并利用所述结果贡献权重、每个所述采样点的所述参考信号值、每次采样的所述采样间距以及采样分界点之间的关系，根据如下公式逐点解出每次采样的采样分界点，
[0082]
其中τi为第i次采样的采样分界点；
[0083]
最后，根据每次采样的所述采样分界点，根据如下公式计算得到每次采样的采样点，
[0084][0085]
即确保每个采样信号对结果贡献权重相等，在参考信号绝对值较大的区域增加采样密度，即采样间距减小，在参考信号绝对值较小的区域减少采样密度，即采样间距加大，有利于提高采样效率，降低噪音。
[0086]
步骤s13，基于所述采样点对所述待检测信号进行信号采样得到检出信号，包括：将所述待检测信号作为采样输入，基于所述采样点对所述待检测信号进行采样得到每个采样点的采样信号；将所述采样信号逐项相加减，得到检出信号，减少了计算量，从而降低嵌入系统的功耗和成本。
[0087]
本技术的一实际应用场景中，如图2所示，使用的信号发生器为安捷伦33510b两通道trueform波形发生器，高斯白噪声由计算机产生，12位数模转换板输出，叠加到信号发生器第一通道的输出上。第一通道和第二通道输出的待检测信号和参考信号分别由两个12位模数转换器转换成数字。
[0088]
为了避免其他非控制噪声影响结果，采用较大的1v振幅正弦波为待检测信号和参考信号，高斯白噪声的均方根取为1v。这样环境噪声相对较小，基本不影响结果。
[0089]
数模及模数转换板均为10v单极性。为避免负电平引起的误差，分别在参考和噪声上叠加5v直流电压。同时为适应模数转换板有限的采样速率(20k)，将参考和信号正弦波频率定在32hz。在16k的采样速率下1秒间隔内的采样数据。
[0090]
在上述条件下，取积分时间500ms，4096次采样次数，分别进行60秒120点等间距和等权重测量。对全部数据进行统计分析发现，输入噪声均方根为1v引起的测量噪声均方根在等间距时为22.95mv，等权重时为20.94mv。与等间距相比，等权重采样降低了8.75％。
[0091]
取积分时间1000ms，采样次数相应地增加到8192次，120秒，120点测量。同样输入噪声下，等间距和等权重测量噪声均方根分别为15.53mv和14.40mv，等权重噪声低7.29％。
[0092]
采用等间距采样方法主要存在如下两个缺陷：首先采样效率不是最优化，每个采样点对结果贡献的权重受采样点参考信号值r(ti)的影响；其次尽管具体实施时可以逐点预存r(ti)，但还需要逐点对s(ti)
·
r(ti)进行乘法运算，高速采样时要求嵌入系统具有较强的运算能力。使用本方法完全可以克服上述两个缺点，在保证采样质量的同时，不仅提高
了采样效率，降低噪声，而且还减少了采样的计算量。
[0093]
根据本技术的另一个方面，还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行，使所述处理器实现如上述控制用户对垒方法。
[0094]
根据本技术的另一个方面，还提供了一种数字锁相信号处理采样设备，该设备包括：
[0095]
一个或多个处理器；
[0096]
计算机可读介质，用于存储一个或多个计算机可读指令；
[0097]
当所述一个或多个计算机可读指令被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述在设备上控制用户对垒方法。
[0098]
在此，所述设备的各实施例的详细内容，具体可参见上述设备端的控制用户对垒方法实施例的对应部分，在此，不再赘述。
[0099]
综上所述，本技术通过获取待检测信号，并基于所述待检测信号确定参考信号；保证每个采样点的结果贡献权重相等，根据参考信号值改变采样间距并确定每次采样的采样点；基于所述采样点对所述待检测信号进行信号采样得到检出信号即在数字锁相信号处理中，等权重采样在参考信号绝对值较大的区域增加采样密度，在参考信号绝对值较小的区域减少采样密度，不但可以大大地减少计算量，降低嵌入系统的功耗和成本，还可以提高采样效率，降低噪声。
[0100]
需要注意的是，本技术可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(asic)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本技术的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本技术的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，ram存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本技术的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
[0101]
另外，本技术的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本技术的方法和/或技术方案。而调用本技术的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本技术的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本技术的多个实施例的方法和/或技术方案。
[0102]
对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表
示名称，而并不表示任何特定的顺序。