一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置與方法
2023-04-30 16:39:26 1
專利名稱：一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置與方法
技術領域：
本發明涉及數字陷波的技術領域，具體涉及一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置與方法。
背景技術：
電子設備工作過程中經常面臨著各種幹擾和噪聲，最常見的就是電網的工頻幹擾 (50Hz或60Hz)。濾除工頻幹擾是信號處理領域需要解決的一個重要問題。目前，數字陷波技術已在工頻幹擾的處理上得到較多的應用。但傳統的工頻數字陷波器，陷波中心頻率固定，有效帶寬窄；而實際工頻頻率往往不固定，偏差+/-1Hz，從而偏離數字陷波中心頻率的信號往往衰減不夠。在諸如心電信號檢測等實際應用中，有用信號的頻率範圍與50/60HZ 往往重疊，如果增大工頻數字陷波器的帶寬往往會導致有用信號相應頻率分量損失、信號變形。為了解決上述技術難點，可以使用硬體電路採集實時的50/60HZ信號，提取其頻率，作為數字濾波的輸入參數，實現工頻自適應跟蹤陷波。硬體上業界當前使用的方案主要有從右腿驅動提取工頻信號和從網電源衰減得到工頻信號等方案。利用右腿驅動提取工頻信號的方案，存在信號失真較大、採集頻率精度低、識別時間長等不足；而網電衰減方案應用範圍小，不適合無網電設備(如電池供電設備)的應用。軟體上業界普遍使用過零比較得到與工頻同周期方波信號，再長時間計數統計平均得到工頻頻率，並通過此頻率查表得到工頻陷波的設置參數的方案，這種方案識別工頻採集精度低，更新時間長，且陷波參數調整誤差大。
發明內容
為克服上述缺陷，本發明的目的即在於一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置與方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的 本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置，包括
人體信號採集模塊，所述人體信號採集模塊用於對人體信號進行採集； 工頻信號採集模塊，用於對工頻信號進行採集；
自適應調節模塊，所述自適應調節模塊與工頻信號採集模塊連接，用於對工頻信號幅度進行自適應調節，使其得到穩定的正弦波形工頻信號；
工頻信號分析模塊，所述工頻信號分析模塊與自適應調節模塊連接，用於對工頻信號進行分析，得到工頻頻率；
工頻頻率存儲模塊，所述工頻頻率存儲模塊與工頻信號分析模塊連接，用於對工頻頻率進行存儲；
工頻頻率對比模塊，所述工頻頻率對比模塊與工頻頻率存儲模塊和工頻信號分析模塊連接，用於將本次分析得到的工頻頻率與存儲在工頻頻率存儲模塊中前一次分析得到的工
4頻頻率進行對比；
濾波模塊，所述濾波模塊和人體信號採集模塊連接，包括陷波模塊；所述陷波模塊還與工頻頻率對比模塊連接，當工頻頻率的對比值超過設定的閾值時調整陷波器係數，對人體信號中的幹擾工頻信號進行陷波，並得到濾波結果；
濾波結果輸出模塊，所述濾波結果輸出模塊與濾波模塊連接，用於輸出濾波結果。一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法，包括 對人體信號和工頻信號同時進行獨立的採集；
對工頻信號的幅度進行自適應調節，得到穩定工頻信號； 對該穩定工頻信號進行傅立葉分析，得到對應的工頻頻率； 對該工頻頻率進行儲存，並繼續對工頻信號分別進行採集；
調用前一次分析得到的工頻頻率，將本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率進行對比，若本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差超過設定的閾值，則根據本次分析得到的工頻頻率調整工頻數字陷波器係數對所述人體信號中所含有的幹擾工頻信號進行陷波，若本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差沒超過設定的閾值，則不調整工頻數字陷波器係數，直接進行陷波，得到濾波結果；
對濾波結果進行輸出。本發明要解決的技術問題是提供一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置與方法， 能夠自動檢測工頻波動，實時跟蹤工頻頻率，並快速準確檢測到當前頻率，據此精確調整工頻數字陷波器的參數，使之能夠有效地衰減當前的工頻幹擾，排除業界普遍存在的採集精度低、反應時間長、陷波器參數調整誤差大等問題。本發明可以實時準確地採集空間工頻信號，及時跟蹤陷波，有效衰減工頻信號對有用信號的幹擾，並可以解決工頻頻率波動造成數字陷波衰減幅度不夠等問題，在臨床應用中可以使波形平滑，有利於準確診斷，避免誤診。使用天線採集空間工頻信號，採集到的工頻頻率準確；採用離散傅立葉變換，比用 「正弦信號過零檢測頻率」要準確；採用滑動DFT技術，只需計算50/60HZ附近的有限個離散頻譜，而不需計算無關的頻譜，且滑動DFT是遞歸實現、逐點運算的，運算量比較低；在頻域直接進行加窗，減小頻譜洩漏的同時不影響滑動DFT的高效性；採用頻譜內插的方法，可以在只需少量的離散頻譜的情況下，準確地計算得到實際工頻頻率值；採用公式法計算陷波器係數，比查表法具有存儲量小、精度高的優點。綜上，採用本發明的技術，可以用較少的運算量實現高效、準確的自動頻率跟蹤， 從而有效地衰減工頻幹擾。
為了易於說明，本發明由下述的較佳實施例及附圖作以詳細描述。圖1為本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置一個實施例的示意圖； 圖2為本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置另一個實施例的示意圖； 圖3為本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置中增益單元的一個實施例的
電路原理圖；圖4為本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置中增益單元的另一個實施例的電路原理圖5為本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置中增益單元的另一個實施例的電路原理圖6為本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法一個實施例的示意圖； 圖7為本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法另一個實施例的示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。請參閱圖1，本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置，包括
人體信號採集模塊101，所述人體信號採集模塊101與濾波模塊120連接，用於對人體信號進行採集；所述人體信號中含有幹擾工頻信號； 工頻信號採集模塊102，用於對工頻信號進行採集；
自適應調節模塊103，所述自適應調節模塊103與工頻信號採集模塊102連接，用於對工頻信號幅度進行自適應調節，使其得到穩定的正弦波形工頻信號；
工頻信號分析模塊104，所述工頻信號分析模塊104與自適應調節模塊103連接，用於對工頻信號進行分析，得到工頻頻率；
工頻頻率存儲模塊105，所述工頻頻率存儲模塊105與工頻信號分析模塊104連接，用於對工頻頻率進行存儲；
工頻頻率對比模塊106，所述工頻頻率對比模塊106與工頻頻率存儲模塊105和工頻信號分析模塊104連接，用於將本次分析得到的工頻頻率與存儲在工頻頻率存儲模塊105中前一次分析得到的工頻頻率進行對比；
濾波模塊120，所述濾波模塊120與濾波模塊120連接，包括陷波模塊107 ；所述陷波模塊107與工頻頻率對比模塊106連接，用於當工頻頻率的對比值超過設定的閾值時調整陷波器係數，對人體信號中的幹擾工頻信號進行陷波，並得到濾波結果；
濾波結果輸出模塊108，所述濾波結果輸出模塊108與與濾波模塊120和陷波模塊107 連接，用於輸出濾波結果。進一步，所述自適應調節模塊103包括
信號增益單元112，所述信號增益單元112用於對工頻信號進行增益處理； 所述信號增益單元112可以以三種方式實現
方式一，如圖3所示，圖中Cl、C2構成工頻衰減電路，C3接入電路可以調節衰減倍數， C0NTR0L1控制Ml是否導通，即C3是否接入電路；R9是偏置電阻，提供Ul的偏置電流；Ul 實現信號的增益，Rl、R2決定增益倍數，C0NTR0L2控制M2是否導通，從而控制R3是否接入電路，調節Ul的增益。R4、C4、R5、C5、U2構成多反饋帶通(MFBP)電路，實現帶通濾波電路， 濾除工頻之外的無關頻率；R6、R7、R8實現電壓的偏置，使信號達到A/D的輸入範圍要求。方式二，方式二的電路大體上與方式一相同，不過增益控制部分不一樣。方式一中 Cl、C2、C3、Ml構成的衰減調節電路，Rl、R2、R3、Ml構成的增益調節電路，是使用模擬MOS
6管控制，不利於實現多路增益控制。可以使用多路模擬開關實現。如圖4所示，圖中C1、C2 構成工頻衰減電路，C3接入電路可以調節衰減倍數，C0NTR0L1控制多路模擬開關是接入C2 還是C3，或者更多通路不同容值的電容，實現不同的衰減倍數；R9是偏置電阻，提供Ul的偏置電流；Ul實現信號的增益，RU R2決定增益倍數，C0NTR0L2控制多路模擬開關，調節R2、 R3或者多路不同阻值電阻接入電路，調節Ul的增益，得到合適的輸出信號範圍。方式三，方式三提供更簡單更精確的增益控制實施方案。前端衰減電路和後端偏置電路可以與方式一相同電路實現。但是運放增益控制使用DPP (數字可編程電位器)實現，如圖5所示。當A/D檢測到信號範圍不適宜，不能準確跟蹤頻率時，可以通過C0NTR0L1 精確調節DPP阻值，從而調節信號放大倍數，使A/D準確採集信號，正確跟蹤頻率。此實施例電路可以更簡單，調節更靈敏，精度更高。信號判斷單元113，所述信號判斷單元113與信號增益單元連接，用於判斷工頻信號的採集值，若該採集值過大，則控制信號增益單元降低增益倍數；若該採集值過小，則控制信號增益單元提高增益倍數。進一步，所述工頻信號分析模塊104包括
波形變換單元114，所述波形變換單元114用於利用滑動離散傅立葉變換技術對該正弦波形工頻信號實現離散傅立葉變換；
加窗單元115，所述加窗單元115與波形變換單元114連接，用於對經過離散傅立葉變換的工頻信號進行加漢寧窗操作；
頻譜內插單元116，所述頻譜內插單元116與加窗單元115連接，用於對經過加漢寧窗操作的工頻信號進行頻譜內插得到局部幅頻最大值所對應的工頻頻率。進一步，所述工頻數字陷波裝置還包括濾波選擇模塊109，所述濾波選擇模塊 109與濾波模塊120連接，用於根據用戶的選擇將人體信號發送至濾波模塊120 ；
所述濾波模塊120還包括高通濾波模塊110、低通濾波模塊111，所述高通濾波模塊 110，用於濾除人體信號中的低頻幹擾信號，並得到濾波結果；所述低通濾波模塊，用於濾除人體信號中的高頻幹擾信號，並得到濾波結果。進一步，所述濾波結果輸出模塊108包括 顯示單元117、列印單元118和存儲單元119。請參閱圖6，本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法，主要包括
601.採集工頻信號對工頻信號進行獨立的採集；
602.進行自適應調節
對工頻信號的幅度進行自適應調節，得到穩定工頻信號；
603.分析工頻信號
對該穩定工頻信號進行傅立葉分析，得到對應的工頻頻率；
604.儲存工頻頻率
對該工頻頻率進行儲存，並繼續對工頻信號分別進行採集；
605.判斷頻率差是否超過閾值
調用前一次分析得到的工頻頻率，將本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率進行對比，若本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差超過設定的閾值，則根據本次分析得到的工頻頻率調整工頻數字陷波器係數進行陷波，若本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差沒超過設定的閾值，則不調整工頻數字陷波器係數，直接進行陷波；
606.不調整工頻數字陷波器係數
當判斷結果為本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差沒超過設定的閾值，則不調整工頻數字陷波器係數，直接進行陷波；
607.調整工頻數字陷波器係數
當判斷結果為本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差超過設定的閾值，則根據本次分析得到的工頻頻率調整工頻數字陷波器係數進行陷波；
608.採集人體信號
在對工頻信號採集的同時，對人體信號進行獨立的採集；
609.對人體信號中的幹擾工頻信號進行陷波
對人體信號中的幹擾工頻信號進行陷波，得到濾波結果；
610.對濾波結果進行輸出
對濾波結果進行輸出。 為了能更好的理解本發明，下面以另一個實施例對本發明一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置與方法進行詳細描述，請參看圖7，具體為
701.採集工頻信號
對工頻信號進行獨立的採集；對工頻信號的採集可以採用兩種方法
由於空間存在工頻輻射信號，該工頻輻射信號通過各種途徑能夠耦合到電路的各個部分，對有用信號形成共模幹擾。在本實施例中第一種採集工頻數據的方法為使用差分PCB 天線在PCB板上採集空間工頻信號，使共模信號轉變為可處理的差模信號；
另外，空間的工頻幹擾信號也會耦合到人體上，並混疊在心電信號中，被採集到設備中，所以各個導聯通道上都有共模的的工頻信號。所以在本實施例中第二種採集工頻數據的方法為在一個導聯通道的緩衝器輸出端提取共模的工頻信號；
702.進行增益處理
對工頻信號進行增益處理，先以默認增益倍數對工頻信號進行處理；當收到改變增益倍數的指令時，以指令中的增益倍數進行增益處理，使該工頻信號成為穩定工頻信號；
703.判斷工頻信號的採集值
對工頻信號的採集值進行判斷，如果該採集值過大，則降低增益倍數；如果該採集值過小，則提高增益倍數；使採集到的工頻信號成為完整的正弦波形工頻信號；
704.修改增益倍數
按照對工頻信號的採集值進行判斷的結果修改增益倍數；
705.進行離散傅立葉變換
根據用戶的選擇結果，利用滑動離散傅立葉變換技術對該正弦波形工頻信號實現離散傅立葉變換。取出每次參與滑動DFT計算的點數N，該N值決定了頻率解析度；以及不同頻率所對應的頻率指標k (frequency index)，求得頻率指標k處的復幅(幅度和相位)。本發明實施例所選取的N為M倍的採樣頻率，這樣得到DFT的頻率解析度為(l/M)Hz。為了衰減頻率在50Hz附近波動的工頻幹擾，需要計算X個連續頻點的頻譜值。X的選擇應在包含頻率波動範圍的基礎上，再向左右各擴展至少兩個頻點。進行加漢寧窗操作
對經過離散傅立葉變換的工頻信號繼續加漢寧窗操作，在加漢寧窗後，得到(X-2)個頻點的加窗復幅。頻譜內插
通過頻譜內插得到局部幅頻最大值所對應的工頻頻率。頻譜內插具體為設實際工頻幹擾頻率為fm = (lm + ^tn)^f。其中，4為頻率指標，Xm為頻率偏移指標，Af為頻率解析度。分別取這(χ-幻個復幅的模並比較大小，得到幅頻極大值和次大值。如果極大值對應的頻率指標為iM，次大值對應的頻率指標為『 +1，則>xm0.5
。設+1處的頻譜幅值與處的頻譜幅值的比值為cr,通過α可以確定頻率偏移指標
= (2α-1)Ι(α+ )，由此計算得到工頻幹擾頻率/Μ。儲存工頻頻率
對該工頻頻率進行儲存，並繼續對工頻信號分別進行採集；
709.判斷頻率差是否超過閾值
調用前一次分析得到的工頻頻率，將本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率進行對比；
710.不調整工頻數字陷波器係數
當判斷結果為本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差沒超過設定的閾值，則不調整工頻數字陷波器係數，直接進行陷波；
711.調整工頻數字陷波器係數
當判斷結果為本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差超過設定的閾值，則根據本次分析得到的工頻頻率調整工頻數字陷波器係數進行陷波；
712.採集人體信號並進行濾波處理
在對工頻信號採集的同時，對人體信號進行獨立的採集；
判斷用戶對人體信號的濾波方式的選擇，並根據所選的濾波方式進行高通濾波和/或低通濾波和/或陷波濾波，並得人體信號的濾波結果；在本實施中，可單獨的使用其中的一種濾波方式進行濾波或可使用多種濾波方式進行組合濾波；
713.對人體信號中的幹擾工頻信號進行陷波
對人體信號中的幹擾工頻信號進行陷波，得到濾波結果；
714.對濾波結果進行輸出
對濾波結果進行輸出，該輸出的方法包括對濾波進行顯示、列印和/或存儲。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置，其特徵在於，包括 人體信號採集模塊，所述人體信號採集模塊用於對人體信號進行採集； 工頻信號採集模塊，用於對工頻信號進行採集；自適應調節模塊，所述自適應調節模塊與工頻信號採集模塊連接，用於對工頻信號幅度進行自適應調節，使其得到穩定的正弦波形工頻信號；工頻信號分析模塊，所述工頻信號分析模塊與自適應調節模塊連接，用於對工頻信號進行分析，得到工頻頻率；工頻頻率存儲模塊，所述工頻頻率存儲模塊與工頻信號分析模塊連接，用於對工頻頻率進行存儲；工頻頻率對比模塊，所述工頻頻率對比模塊與工頻頻率存儲模塊和工頻信號分析模塊連接，用於將本次分析得到的工頻頻率與存儲在工頻頻率存儲模塊中前一次分析得到的工頻頻率進行對比；濾波模塊，所述濾波模塊和人體信號採集模塊連接，包括陷波模塊；所述陷波模塊還與工頻頻率對比模塊連接，當工頻頻率的對比值超過設定的閾值時調整陷波器係數，對人體信號中的幹擾工頻信號進行陷波，並得到濾波結果；濾波結果輸出模塊，所述濾波結果輸出模塊與濾波模塊連接，用於輸出濾波結果。
2.根據權利要求1所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置，其特徵在於，所述自適應調節模塊包括信號增益單元，所述信號增益單元用於對工頻信號進行增益處理； 信號判斷單元，所述信號判斷單元與信號增益單元連接，用於判斷工頻信號的採集值， 若該採集值過大，則控制信號增益單元降低增益倍數；若該採集值過小，則控制信號增益單元提高增益倍數。
3.根據權利要求2所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置，其特徵在於，所述工頻信號分析模塊包括波形變換單元，所述波形變換單元用於利用滑動離散傅立葉變換技術對該正弦波形工頻信號實現離散傅立葉變換；加窗單元，所述加窗單元與波形變換單元連接，用於對經過離散傅立葉變換的工頻信號進行加漢寧窗操作；頻譜內插單元，所述頻譜內插單元與加窗單元連接，用於對經過加漢寧窗操作的工頻信號進行頻譜內插得到局部幅頻最大值所對應的工頻頻率。
4.根據權利要求3所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置，其特徵在於，所述工頻數字陷波裝置還包括濾波選擇模塊，所述濾波選擇模塊與濾波模塊連接，用於根據用戶的選擇將人體信號發送至濾波模塊；所述濾波模塊還包括高通濾波模塊、低通濾波模塊，所述高通濾波模塊，用於濾除人體信號中的低頻幹擾信號，並得到濾波結果；所述低通濾波模塊，用於濾除人體信號中的高頻幹擾信號，並得到濾波結果。
5.根據權利要求4所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置，其特徵在於，所述濾波結果輸出模塊包括顯示單元、列印單元和存儲單元。
6.一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法，其特徵在於，包括對人體信號和工頻信號同時進行獨立的採集；對工頻信號的幅度進行自適應調節，得到穩定工頻信號；對該穩定工頻信號進行傅立葉分析，得到對應的工頻頻率；對該工頻頻率進行儲存，並繼續對工頻信號分別進行採集；調用前一次分析得到的工頻頻率，將本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率進行對比，若本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差超過設定的閾值，則根據本次分析得到的工頻頻率調整工頻數字陷波器係數對所述人體信號中所含有的幹擾工頻信號進行陷波，若本次分析得到的工頻頻率與前一次分析得到的工頻頻率的頻率差沒超過設定的閾值，則不調整工頻數字陷波器係數，直接進行陷波，得到濾波結果；對濾波結果進行輸出。
7.根據權利要求6所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法，其特徵在於，所述的對人體信號和工頻信號同時進行獨立的採集後包括判斷用戶對人體信號的濾波方式的選擇，並根據所選的濾波方式進行高通濾波和/或低通濾波和/或陷波濾波。
8.根據權利要求7所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法，其特徵在於，所述對人體信號和工頻信號同時進行獨立的採集包括使用差分PCB天線採集空間工頻信號。
9.根據權利要求7所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法，其特徵在於，所述對人體信號和工頻信號同時進行獨立的採集包括在一個導聯通道的緩衝器輸出端提取共模的工頻信號。
10.根據權利要求8或9所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法，其特徵在於， 所述對工頻信號的幅度進行自適應調節，得到穩定工頻信號包括以默認增益倍數對工頻信號進行處理，硬體濾波電路濾除信號中高頻和低頻幹擾信號供主控單元處理，並對工頻信號的採集值進行判斷，如果該採集值過大，則降低增益倍數; 如果該採集值過小，則提高增益倍數；使採集到的工頻信號成為完整的正弦波形工頻信號。
11.根據權利要求10所述的一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波方法，其特徵在於，所述對該穩定工頻信號進行分析，得到對應的工頻頻率包括利用滑動離散傅立葉變換技術對該正弦波形工頻信號實現離散傅立葉變換後，進行加漢寧窗操作，再通過頻譜內插得到局部幅頻最大值所對應的工頻頻率。
全文摘要
本發明涉及數字陷波的技術領域，具體涉及一種基於頻率跟蹤的工頻數字陷波裝置與方法。本發明包括單獨對工頻信號進行採集，並進行自適應調節，分析和對比，若對比結果超過設定的閾值則調整工頻數字陷波器係數，對人體信號進行陷波，得到濾波結果，並對濾波結果進行輸出。本發明可以實時準確地採集空間工頻信號，及時跟蹤陷波，有效衰減工頻信號對有用信號的幹擾，並可以解決工頻頻率波動造成數字陷波衰減幅度不夠等問題，在臨床應用中可以使波形平滑，有利於準確診斷，避免誤診。
文檔編號H03H17/02GK102176667SQ20111004251
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月22日 優先權日2011年2月22日
發明者向小飛, 肖正文, 魏大雪 申請人:深圳市理邦精密儀器股份有限公司