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一种对时脉冲的数字滤波方法及装置与流程

2022-07-30 22:08:18 来源:中国专利 TAG:

1.本发明属于信号处理领域,尤其涉及一种对时脉冲的数字滤波方法及装置。


背景技术:

2.在时间同步应用中,需要一种高速可靠的滤波方案还原对时脉冲。目前对时脉冲的数字滤波方法大体包括延时去抖滤波、滑动窗口滤波和多次采样表决,这些传统方案一般存在以下缺陷:1、在干扰强度大的情况下,为了防止误触发,采用大时间常数滤波器或增加表决次数的方法,导致信号延迟大,即使后期使用相位补偿技术也会因为干扰信号的不确定性导致滤波信号输出信号相位出现抖动;2、没有信号质量评估,不能预测设备运行状态。


技术实现要素:

3.本发明旨在解决上述问题,提供一种高速相位响应、同时具备设备故障预测功能的对时脉冲的数字滤波方法及装置。
4.本发明所述对时脉冲的数字滤波方法,包括对原始对时脉冲信号进行信号质量评估;通过信号质量评估分析可以调整滤波器的滤波参数应对信号干扰,同时根据信号质量可以推测对时设备是否存在故障隐患,提示工作人员进行必要检修。
5.原始对时脉冲信号进入滤波器进行滤波;滤波器根据前述信号质量评估结果调整滤波参数;滤波器根据前述信号质量评估结果调整输出0和1的反转阈值,以及滤波器翻转锁定和解锁时间片参数调整;利用信号质量分析结果,可以预设滤波器的翻转阈值和滤波器时间常数,从而可以提高相位响应速度;同时预设滤波器翻转锁定时间片和解锁时间片,可以杜绝强干扰误触发的情况。
6.根据滤波器输出的对时脉冲的相位进行数字锁相,同时进行相位补偿得到本地同步对时脉冲。
7.进一步,本发明所述对时脉冲的数字滤波方法,所述对原始对时脉冲信号进行信号质量评估包括,对原始对时脉冲信号的干扰次数和脉冲宽度进行统计;对原始对时脉冲信号相位抖动进行统计,进行故障预测。在本技术方案中,故障包括外部信号链路故障和本地设备故障两种,分辨外部故障还是内部故障取决于是否增加信号诊断电路,诊断电路又分为系统级诊断电路和本地诊断电路,系统级诊断电路可以诊断出链路故障位置(比如是线缆故障、信号源故障、本地设备故障),本地诊断电路可以诊断出是设备内部故障还是设备外部故障。
8.进一步,本发明所述对时脉冲的数字滤波方法,所述调整滤波参数包括滤波器滑动窗口大小和采样率的调整;所述滤波器滑动窗口大小大于(最大干扰脉冲宽度/采样率)的2倍;若缺省采样率的情况下不能满足以上条件可动态降低采样率来适应滑动窗口大小的要求。
9.进一步,本发明所述对时脉冲的数字滤波方法,所述阈值等于滑动窗口大小
×
k1
×
信号质量;所述k1
×
信号质量的取值范围0.5~1。其中,k1是一个系统参数需要根据具体设备测试来调整到一个合适的值,类似于pid调节参数。
10.进一步,本发明所述对时脉冲的数字滤波方法,所述相位补偿的等效相位差等于k2
×
相位差;相位差取值范围-180
°
~ 180
°
。其中,k2是一个系统参数需要根据具体设备参数来调整到一个合适的值,这个参数和系统的时钟频率成正比,类似于pid调节参数。
11.本发明所述对时脉冲的数字滤波装置,包括信号质量分析单元、滤波器单元和锁相环/相位同步单元;所述信号质量分析单元、滤波器单元和锁相环/相位同步单元依次相电连接;所述信号质量分析单元和锁相环/相位同步单元相电连接;所述信号质量分析单元用于对原始对时脉冲信号进行信号质量评估;通过信号质量评估分析可以调整滤波器的滤波参数应对信号干扰,同时根据信号质量可以推测对时设备是否存在故障隐患,提示工作人员进行必要检修。
12.所述滤波器单元用于原始对时脉冲信号进入滤波器进行滤波;滤波器根据前述信号质量评估结果调整滤波参数;滤波器根据前述信号质量评估结果调整输出0和1的反转阈值;滤波器翻转锁定和解锁时间片调整;利用信号质量分析结果,可以预设滤波器的翻转阈值和滤波器时间常数,从而可以提高相位响应速度;同时预设滤波器翻转锁定时间片和解锁时间片,可以杜绝强干扰误触发的情况。
13.所述锁相环/相位同步单元用于根据滤波器输出的对时脉冲的相位进行数字锁相,同时进行相位补偿,得到本地对时脉冲。
14.进一步,本发明所述对时脉冲的数字滤波装置,所述信号质量分析单元用于对原始对时脉冲信号进行信号质量评估,包括对原始对时脉冲信号的干扰次数和脉冲宽度进行统计;对原始对时脉冲信号相位抖动进行统计;进行故障预测。
15.进一步,本发明所述对时脉冲的数字滤波装置,所述滤波器单元中的滤波器根据信号质量评估结果调整滤波参数,包括滤波器滑动窗口大小和采样率的调整;所述滤波器滑动窗口大小大于(最大干扰脉冲宽度/采样率)的2倍;若缺省采样率的情况下不能满足以上条件可动态降低采样率来适应滑动窗口大小的要求。
16.进一步,本发明所述对时脉冲的数字滤波装置,所述阈值等于滑动窗口大小
×
k1
×
信号质量;所述k1
×
信号质量的取值范围0.5~1。
17.进一步,本发明所述对时脉冲的数字滤波装置,所述锁相环/相位同步单元包括鉴相器、相位补偿器、环路滤波器、压控振荡器和分频器;所述鉴相器和相位补偿器的输入均与环路滤波器相连接;所述环路滤波器、压控振荡器和分频器依次相连接;所述分频器的输出端与鉴相器的输入端相连接。
18.本发明所述对时脉冲的数字滤波方法及装置,通过进行信号质量评估,使本发明所述滤波方法及装置具备了故障预测能力,同时提高了设备干扰能力、及单一时间源失效后维护周期长的问题。本发明所述滤波方法可以根据外部信号的质量调整滤波运行参数以适应不同环境噪声从而得到最优滤波运行参数。同时,通过实时检测传输路径延迟可以动态调整相位补偿,从而实现提供更高精度的授时。
附图说明
19.图1为本发明实施例所述时间片原理示意图;图2为本发明实施例所述对时脉冲的数字滤波装置结构示意图;图3为本发明实施例所述相位补偿原理示意图。
具体实施方式
20.下面通过附图及实施例对本发明所述对时脉冲的数字滤波方法及装置进行详细说明。
21.实施例一本实施例公开一种对时脉冲的数字滤波方法,包括对原始对时脉冲信号进行信号质量评估;通过信号质量评估分析可以调整滤波器的滤波参数应对信号干扰,同时根据信号质量可以推测对时设备是否存在故障隐患,提示工作人员进行必要检修。
22.原始对时脉冲信号进入滤波器进行滤波;滤波器根据前述信号质量评估结果调整滤波参数;滤波器根据前述信号质量评估结果调整输出0和1的反转阈值;滤波器翻转锁定和解锁时间片调整;在本公开实施例中,信号质量越差翻转阈值越大,状态翻转越难,阈值越大代表滤波器可以滤除更多的信号毛刺;在本公开实施例中,滤波器时间常数调整原则:信号质量越差时间常数越大,时间常数为信号采样间隔时间,采样间隔越长代表滤波器可以滤除更宽的干扰脉冲。利用信号质量分析结果,预设滤波器的翻转阈值和滤波器时间常数,从而可以提高相位响应速度;同时,如图1所示,预设滤波器翻转锁定时间片和解锁时间片,可以杜绝强干扰误触发的情况。
23.根据滤波器输出的对时脉冲的相位进行数字锁相,同时进行相位补偿;具体为:首先鉴相器计算本地脉冲和滤波器输出信号的相位差,然后插入系统补偿相位(简单的加法运算),这个补偿后的数据进入环路滤波器进行运算,然后控制压控振荡器得到高精度时钟脉冲,再经过分频器分频得到本地同步对时脉冲。相位补偿环节可以是加在环路滤波器前,也可以加在环路滤波器之后。
24.本公开实施例所述对时脉冲的数字滤波方法,所述对原始对时脉冲信号进行信号质量评估包括,对原始对时脉冲信号的干扰次数和脉冲宽度进行统计;对原始对时脉冲信号相位抖动进行统计;进行故障预测,可以推测对时设备是否存在故障隐患,提示工作人员进行必要检修。
25.本公开实施例所述对时脉冲的数字滤波方法,所述调整滤波参数包括滤波器滑动窗口大小和采样率的调整;所述滤波器滑动窗口大小大于(最大干扰脉冲宽度/采样率)的2倍;若缺省采样率的情况下不能满足以上条件可动态降低采样率来适应滑动窗口大小的要求。
26.滑动窗口大小根据设备资源使用具体情况确定。例如,系统滑动窗口最大长度为1024。理论上讲窗口越大越好,但是在具体应用中基于成本的考量,滑动窗口大小一般取10~1024。根据尼奎斯特定理得出滑动窗口最小值如下:滑动窗口最小值=(最大干扰脉冲宽度/系统采样间隔时间)
×
2。
27.如果滑动窗口最小值大于系统最大窗口长度时,需要加长系统采样间隔时间,来满足以上公式,当计算后最大系统采样间隔时间依然不能满足以上公式时,系统需要输出
故障信号,提示系统参数调整失败。
28.在本公开实施例中,所述阈值等于滑动窗口大小
×
k1
×
信号质量;所述k1
×
信号质量的取值范围0.5~1。例如在干扰较大的情况下,取值为0.8(在实际应用中取值根据输入信号质量不同、系统精度要求不同、可靠性需求不同而变化,比如民用高精度取值为0.7,而高危高可靠取值为0.8),滑动窗口为1000,则阈值为800,即只有在80%的采样值相同时,才采信输入信号进行输出,否则输出保持之前的状态不变。
29.在实际应用中,k1是一个系统参数需要根据具体设备测试来调整到一个合适的值,类似于pid调节参数。例如:真实信号为低电平,耦合了20%的干扰毛刺(可以是1个宽脉冲干扰,也可以是多个窄脉冲的组合效果),根据以上情况可以推出一个采样窗口内,20%的时间受到干扰采样成1,这样要消除这20%的干扰,滤波器设置如下:阈值=(50% 20%)
×
滑动窗口大小;其中,50%为触发最小门限,k1=1,20%为信号质量,从统计学角度计算采样窗口内70%的信号反应的真实信号的值,因此70%的数值是1,那么结果输出为1,70%的数据为0,那么结果为0,如果0和1的数值都不超过70%则保持现状。
30.k1值没有固定的精确值,这是一个工程测试数据值(满足系统精度的情况下,取值在合理范围内都可以),可以使用信号发生器模拟干扰耦合到理想信号里,通过实际测试调整k1值得到最佳结果;k1最小为1。
31.在本公开实施例中,所述相位补偿的等效相位差等于k2
×
相位差;相位差取值范围-180
°
~ 180
°
;其中,k2=360/压控振荡器工作频率。
32.在实际应用中,k2是一个系统参数需要根据具体设备参数来调整到一个合适的值,这个参数和系统的时钟频率成正比,类似于pid调节参数。以简单数字锁相环为例:k2=360/压控振荡器工作频率。如果是模拟锁相环或复杂锁相环可以通过手动调整k2数值,然后测量输出信号和输入的相位差,相位滞后就增大k2,相位超前就减小k2数值。也可以通过程序配合相位检测装置来自动完成,机理和手动调整一样。k2参数也是一个工程数值(满足系统精度前提下,取值在合理范围内都可以)。
33.实施例二本实施例公开一种对时脉冲的数字滤波装置,如图2所示,包括信号质量分析单元、滤波器单元和锁相环/相位同步单元;所述信号质量分析单元、滤波器单元和锁相环/相位同步单元依次相电连接;所述信号质量分析单元和锁相环/相位同步单元相电连接;所述信号质量分析单元用于对原始对时脉冲信号进行信号质量评估;通过信号质量评估分析可以调整滤波器的滤波参数应对信号干扰,同时根据信号质量可以推测对时设备是否存在故障隐患,提示工作人员进行必要检修。
34.在本公开实施例中,所述滤波器单元用于原始对时脉冲信号进入滤波器进行滤波;滤波器根据前述信号质量评估结果调整滤波参数;滤波器根据前述信号质量评估结果调整输出0和1的反转阈值;滤波器翻转锁定和解锁时间片调整;利用信号质量分析结果,可以预设滤波器的翻转阈值和滤波器时间常数,从而可以提高相位响应速度;同时预设滤波器翻转锁定时间片和解锁时间片,可以杜绝强干扰误触发的情况。
35.在本公开实施例中,如图3所示,所述锁相环/相位同步单元用于根据滤波器输出的对时脉冲的相位进行数字锁相,同时进行相位补偿,得到本地对时脉冲,包括鉴相器、相
位补偿器、环路滤波器、压控振荡器和分频器;所述鉴相器和相位补偿器的输入均与环路滤波器相电连接;所述环路滤波器、压控振荡器和分频器依次相电连接;所述分频器的输出端与鉴相器的输入端相电连接。在具体工作时,首先,鉴相器计算本地脉冲和滤波器输出信号的相位差,然后插入系统补偿相位(简单的加法运算),这个补偿后的数据进入环路滤波器进行运算,然后控制压控振荡器得到高精度时钟脉冲,再经过分频器分频得到本地同步对时脉冲。
36.在本公开实施例中,所述信号质量分析单元用于对原始对时脉冲信号进行信号质量评估,包括对原始对时脉冲信号的干扰次数和脉冲宽度进行统计;对原始对时脉冲信号相位抖动进行统计;进行故障预测。
37.在本公开实施例中,所述滤波器单元中的滤波器根据信号质量评估结果调整滤波参数,包括滤波器滑动窗口大小和采样率的调整;所述滤波器滑动窗口大小大于(最大干扰脉冲宽度/采样率)的2倍;若缺省采样率的情况下不能满足以上条件可动态降低采样率来适应滑动窗口大小的要求。所述阈值等于滑动窗口大小
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k1
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信号质量;所述k1
×
信号质量的取值范围0.5~1。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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