用於減少噪聲對數字採樣信號的貢獻的方法和裝置的製作方法
2023-05-27 21:45:36 2
專利名稱：用於減少噪聲對數字採樣信號的貢獻的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及採樣數據系統並且更具體地涉及一種用於減少噪聲對數字採樣信號的貢獻的方法和裝置。
背景技術：
採樣數據系統通過按照規律間隔對所需信號的值採樣並且然後使用在數字計算機上實施的數值方法處理這些採樣來處理來自外部模擬世界的信息。可以在過程控制、通信系統或者任何其他適用背景中使用這些採樣數據系統。採樣數據系統用來對傳入信號採樣的頻率確定採樣數據系統能夠辨別的頻率。具體而言，根據奈奎斯特標準，接收器僅可以辨別小於採樣頻率一半的頻率。如果輸入信號包 含具有這一水平以上的頻率的分量，則那些分量將表現為採樣頻帶範圍內的混疊。因而普遍使用防混疊濾波器以在採樣之前衰減來自信號的更高頻率分量。圖I示出了示例接收器10，該接收器10被配置成接收模擬輸入信號12並且將模擬信號轉換成數字形式用於由數字計算機14處理。如圖I中所示，接收器包括防混疊濾波器16和模數轉換器18。根據奈奎斯特標準，數字採樣信號僅可以檢測小於72採樣率的頻率。在這一水平以上的任何頻率將混疊，即不正確地表現為更低頻率分量。因而防混疊濾波器16 —般用來濾除或衰減來自輸入信號12的更高頻率分量。一旦從輸入信號去除更高頻率分量，模數轉換器18就對信號採樣並且生成數字值，該數字值代表信號在採樣時間點的值。向數字計算機14輸入模數轉換器18的輸出用於進一步處理。實施防混疊濾波器增加接收器的複雜度，這增加接收器的成本。此外，由於防混疊在數位化之前對信號操作，所以一般用模擬部件實施防混疊濾波器。這阻止接收器實施為全數字電路並且增加接收器的大小。因而將希望提供一種用於數位化處理信號以避免需要接收器利用防混疊濾波器的方式。
發明內容
這裡提供以下發明內容和在本申請的末尾闡述的摘要以介紹在具體實施方式
中討論的一些概念。發明內容和摘要章節並不全面而且並非旨在於勾畫下文呈現的權利要求所闡述的可保護主題內容的範圍。—種用於減少噪聲對數字採樣信號的貢獻的方法和裝置包括統計處理器和斜率限制器。統計處理器確定濾波信號的平均值(平均和/或標準偏差)，該平均值用來確定與目標信號頻率的預計最大第一導數值對應的斜率限制。施加這一斜率限制以約束模數轉換器的輸出以防止模數轉換器的輸出超過這一最大上升或者下降率。通過約束模數轉換器的輸出，有可能數字採樣模擬信號而不首先利用防混疊濾波器，因為數字採樣信號的後處理限制信號的更高頻率分量的貢獻，從而使得能夠針對接收信號提供全數字採樣和濾波電路。
在所附權利要求書中具體指出本發明的方面。在其中相似標號指示相似元素的以下附圖中通過示例圖示本發明。以下附圖僅出於示例的目的而公開本發明的各種實施例並且未旨在於限制本發明的範圍。為了清楚，可以不在每幅圖中標註每個部件。在圖中
圖I是示出了傳統採樣數據系統的功能框圖，該系統使用防混疊濾波器以在數字採樣之前衰減來自輸入信號的更高頻率；
圖2示出了根據本發明一個實施例的未用防混疊濾波器實施的採樣數據系統的功能框 圖3是用於在圖2中所示實施例中使用的信號限制器的一個實施例的功能框 圖4是用於在圖2中所示實施例中使用的信號限制器的另一實施例的功能框 圖5是不出了不例噪聲信號的時間表； 圖6是示出了示例噪聲脈衝的圖形；
圖7是示出了噪聲脈衝序列和採樣函數的圖形；
圖8是示出了在採樣函數確定的值輸入採樣噪聲脈衝序列的圖形；
圖9是示出了採樣正弦曲線的示例的圖形；
圖10是示出了圖9的示例波形上的一組採樣點並且示出了基於採樣信號計算波形的一階導數的圖形；
圖11是不出了具有聞於圖9中所不波形的頻率的另一不例波形的圖形；
圖12是示出了圖11的示例波形上的一組採樣點並且示出了基於採樣信號計算波形的一階導數的圖形；
圖13-14示出了根據本發明一個實施例的將限制函數應用於輸入信號的一階導數以防止模數轉換器的輸出超過最大上升或者下降率；並且
圖15示出了根據本發明一個實施例的將限制函數應用於輸入信號的一階導數以防止來自模數轉換器的輸出超過最大上升或者下降率的示例過程。
具體實施例方式圖2示出了本發明的一個實施例，在該實施例中，數字計算機22實施信號限制過程而不是使用防混疊濾波器來防止更高頻率信號對輸出信號過度貢獻。這使信號能夠轉換成數字形式而未首先需要模擬信號通過防混疊濾波器。在圖2中所示實施例中，接收器20包括模數轉換器18，該轉換器18連接到輸入信號而未首先讓輸入信號通過防混疊濾波器。向實施信號限制過程的數字計算機22傳遞模數轉換器的輸出，該過程限制模數轉換器的輸出的改變率以防止模數轉換器的輸出在採樣之間上升或者下降太多。這有效減少更高頻率信號的貢獻以使輸出的接收信號能夠被數字採樣而無需信號先通過防混疊濾波器。已經開發許多不同模數轉換電路，並且ADC的特定選擇將依賴於所需解析度、響應類型(線性對非線性)、準確性、容錯性和操作頻率。由於已經隨時間開發了許多不同ADC並且這些類型的電路在本領域中公知，所以已經省略了 ADC電路如何工作的進一步細節以免模糊本發明。一旦ADC已經對信號採樣，就向實施信號限制過程的數字計算機輸入ADC的輸出。信號限制過程操作以防止與ADC的輸出關聯的波形的一階導數超過斜率限制，以約束ADC的輸出的最大改變率。圖3和圖4在概念上示出了可以用來限制ADC電路的輸出的兩個示例信號限制器。在操作中，限制器將實施為對來自ADC的數字值操作的數字電路。然而在概念上，圖3和圖4示出了信號限制器如何操作以防止更高頻率信號不適當地影響ADC的輸出。如圖3中所示，信號限制器28包括斜率限制器40，該限制器40防止來自ADC的輸出值在ADC的採樣之間改變太多。具體而言，斜率限制器從ADC 26接收輸入信號IN並且向輸入信號施加限制以生成輸出信號OUT 34。也向設置限制44的統計過程42傳遞輸出信號34，該限制44由斜率限制器40用來限制允許信號在ADC的相繼採樣之間改變的量。通過限制允許信號改變的量，可以約束噪聲對來自ADC的信號輸出的貢獻。在圖4中所示示例中，信號限制器28如圖3中所示實施例那樣包括斜率限制器40和統計過程。然而，向統計過程提供斜率限制器的輸出信號而不是讓斜率限制器提供輸出信號。既向斜率限制器提供統計過程的輸出又作為來自信號限制器的輸出。設計這一實施例用於在輸入模擬波形包含單極信號時使用，使得統計處理器可以實施平均計算以防止信號改變太快。 統計處理器可以用若干不同方式操作以計算平均值並且防止輸出信號在與先前信號的平均值相比時移動太劇烈。例如統計處理器可以通過將所選數量的先前採樣的相繼值求和並且除以所取採樣數量來計算算術平均。這將經由「移動平均濾波器」來完成，可以使用FIFO或者其他數據結構來實施該濾波器以存儲先前採樣。在接收採樣時，比較它與先前組採樣的平均值以驗證採樣未從先前採樣的平均值偏離多於限制量。如果採樣未超過平均值多於限制，則在平均值加上限制(或者減去限制)處對採樣的值夾持(clamp)以減少噪聲對採樣的貢獻。在比較之後，向FIFO添加採樣並且去除最舊採樣。這使得能夠計算移動平均。FIFO的長度由在平均中使用的採樣數量確定。統計處理器可以替代地計算在固定數量的採樣內的標準偏差以防止信號相對於先前採樣移動多於設置量。這將在平均為零時使用。在一些實例中，可能希望使用兩種計
笪
ο系統在統計上操作並且在待抑制的更高頻率信號不與採樣的函數或者採樣函數相關時特別好地工作。例如，噪聲一般未與採樣函數相關，並且因此系統在從輸入信號過濾噪聲時特別好地工作。具體而言，系統在去除稱合到主體網絡(sub ject network )中的感應噪聲(例如耦合切換噪聲)時工作良好。如果知道已知的更高頻率分量存在於傳入信號中，例如在已知更高頻率信號處有相對高功率，則應當選擇採樣函數的頻率以不與更高頻率信號相關。圖5-8示出了可以如何從時域觀點將信號概念化。具體而言，圖5示出了具有尖峰50所示周期噪聲分量的示例信號。如圖5中所示，典型切換噪聲脈衝序列將具有周期性(例如在每個間隔Tl之後)出現的噪聲脈衝。如圖6中所示，噪聲脈衝通常為無窮小持續時間。類似地，採樣函數的持續時間也是無窮小，使得需要採樣函數與噪聲尖峰的出現很接近地重合以便採樣函數檢測噪聲尖峰的出現。圖7示出了示例噪聲脈衝序列和採樣函數。例如假設噪聲脈衝序列具有比對信號採樣頻繁得多地出現的噪聲脈衝。如果採樣函數恰好在噪聲信號在信號上可見時的時間點處採樣，則噪聲將可為數字計算機所見。如果採樣函數未與噪聲函數重合，則如圖7中所示，模數轉換器的輸出將不表現來自噪聲分量的貢獻。圖8示出了 ADC配準的輸出電壓的示例，其中採樣函數未與噪聲函數重合。如圖8中所示，噪聲未對輸出信號有貢獻，除非採樣函數使數位訊號在與噪聲函數對信號有貢獻的時間相同的時間被採樣。在一些示例電路中，噪聲函數和採樣函數可能未頻繁重合，例如採樣函數可以使噪聲分量每100000個採樣僅一次可見。然而當它做到時，噪聲分量可能對於在數字計算機上執行的數值算法引起問題。因此申請人已經提出利用信號限制器電路中的斜率限制器來在噪聲出現時從信號去除它。通過在時域中分析信號並且防止在採樣之間的驟然增加/減少，申請人發現有可能數字採樣輸入信號並且減少可歸結於更高頻率分量的噪聲貢獻而無需使用防混疊濾波器。圖9-12在概念上示出了斜率限制器如何防止更高頻率對信號限制器輸出的貢獻。具體而言，圖9示出了具有第一頻率的第一信號，該第一頻率允許它在每個周期期間由ADC採樣16次，並且圖11示出了在該頻率的兩倍頻率處的第二信號，該兩倍頻率允許它由以相同速率採樣的ADC採樣8次。圖10和圖12分別示出了 ADC在對圖9和圖11中所示 波形米樣時輸出的電壓。圖10和圖12也示出了 ADC將在對圖9和圖11的波形採樣時測量的最大電壓改變。如圖10中所示，來自ADC的輸出值將改變與在任何一個採樣時段δ T期間的電壓改變S V成比例的量。如果兩個波形具有相同幅度，則更低頻率波形將在給定採樣間隔δ T期間(見圖10)經歷比預計更高頻率波形在相同採樣間隔期間經歷的電壓改變(見圖12)小的電壓改變δν。申請人認識到ADC輸出的後採樣處理可以用來防止ADC的值的改變在目標頻率給定時超過預計輸出改變。具體而言，通過防止輸出改變多於特定量(限制44)，約束了噪聲對信號的貢獻，該貢獻可能非自然地使信號過量增加/減少。因此在這一示例中，如果設置被限制成對應於圖10中所示電壓改變δ V，那麼如果ADC代之以輸出與圖12中所示電壓改變對應的值，則斜率限制器將減少ADC值至圖10中所示值以由此防止更高頻率貢獻影響輸出34。統計過程42用來設置斜率限制，該限制然後由斜率限制器40用來調整ADC的輸出以減少更高頻率分量的貢獻。如上文說明的那樣，通過約束允許ADC的輸出在任何特定採樣間隔中改變的量來限制信號的斜率。約束允許信號上升或者下降的量約束了信號的一階導數(即斜率)，該導數有效限制從ADC輸出的頻率。統計過程基於信號的預計頻率和預計幅度確定斜率限制器將施加的限制。可選地，統計過程42可以規一化信號的幅度以簡化處理。統計函數收集用於計算適用平均值(該值將用來確定斜率限制)的數據。如果預計信號是DC信號，則應當計算平均值(算術平均值)。這一個值可以由圖4的統計處理器用來確定輸出值。如果預計信號是AC信號，則應當計算標準偏差(均方根-RMS)。RMS值然後乘以規一化斜率限制以確定在任何特定採樣間隔期間的最大電壓改變。如果預計信號包含DC和AC分量，則可能需要兩個平均值。圖13示出了可以如何在信號減少時施加限制的示例，並且圖14示出了可以如何在信號增加時施加限制。具體而言，如圖13中所示，當信號減少太快時，ADC測量的電壓改變S V將超過信號限制器施加的δν限制。因而信號限制器將限制在時間T1處的輸出如與在時間Ttl處的輸出的值相比時可以減少的量。類似地，如圖14中所示，如果信號增加太快，則ADC測量的電壓改變δ V將超過信號限制器施加的δν限制。因而信號限制器將限制在時間T1處的輸出如與在時間Ttl處的輸出的值相比時可以增加的量。圖15示出了根據本發明一個實施例的斜率限制器可以實施的示例過程。如圖15中所示，斜率限制器將在時間T1處從ADC接收輸入信號(100)。斜率限制器然後將執行一系列檢查以確定在時間T1處的輸入是否大於在時間Ttl處的輸出加上統計過程42設置的限制(102)。如果是這樣，則斜率限制器將對輸出值夾持，使得在時間T1處的輸出等於在時間Ttl處的輸出加上限制(104)。斜率限制器也將檢查以確定在時間T1處的輸入是否小於在時間Ttl處的輸出減去統計過程42設置的限制(106)。如果是這樣，則斜率限制器將對輸出值夾持，使得在時間T1處的輸入等於在時間Ttl處的輸出減去限制(108)。如果這些條件中的任一條件都沒有應用，則將設置斜率限制器的輸出等於ADC的輸出(110)。一旦已經應用條件之一，則該過程將回到(100)以等待來自ADC的進一步輸入。
在先前示例中，信號限制器通過查看ADC的輸出的緊接先前值來操作。具體而言，信號限制器基於先前輸出加上或者減去限制值為當前輸出設置最大值。限制值基於斜率，例如目標頻率的最大一階導數。也可以指定看起來超出一個採樣周期的其他標準。例如信號限制器可以回溯兩個或者更多採樣周期以在為當前採樣確定ADC的最大輸出時查看多於僅先前輸出值。以這一方式，可以施加更精化的限制以基於目標頻率的預期波形調整ADC的輸出。具體與斜率限制器或者一般與信號限制器關聯的功能可以實施為在計算機可讀存儲器中存儲並且在計算機平臺上的一個或者多個處理器上執行的程序指令集。然而優選地，可以使用分立部件、集成電路(諸如專用集成電路(ASIC))、與可編程邏輯器件(諸如現場可編程門陣列(FPGA)或者微處理器)結合使用的可編程邏輯、狀態機或者包括其任何組合的任何其他設備來實施這些功能。可編程邏輯可以暫時或者持久固定於有形介質(諸如硬體邏輯、只讀存儲器晶片、計算機存儲器、盤或者其他存儲介質)中。所有這樣的實施例旨在於落入本發明的範圍內。應當理解可以在本發明的精神和範圍內做出附圖中示出和說明書中描述的實施例的各種改變和修改。因而旨在於在示例而非限制意義上解釋上文說明書中包含和附圖中示出的所有內容。僅如以下權利要求書及其等效物中限定的那樣限制本發明。
權利要求
1.一種減少噪聲對濾波數字採樣信號的貢獻的方法，所述方法包括以下步驟 接收器接收模擬信號； 模數轉換器對所述模擬信號採樣以產生所述信號的數字表示而不首先經過防混疊濾波器傳遞所述模擬信號； 通過將斜率限制函數應用於所述模數轉換器的輸出以在限制內約束所述模數轉換器的上升率或者下降率來生成約束輸出信號。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述限制與來自所述接收器的輸出信號的最大頻率的最大一階導數值對應。
3.根據權利要求2所述的方法，其中來自所述接收器的所述輸出信號的所述最大頻率是所述模數轉換器對所述模擬信號採樣的採樣頻率的至多V2。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述限制還與所述模擬信號的預計幅度對應。
5.根據權利要求I所述的方法，還包括向數字計算機施加所述約束輸出信號用於由所述數字計算機處理的步驟。
6.根據權利要求I所述的方法，其中如果來自所述模數轉換器的輸出高過所述模數轉換器的先前輸出的少於限制值或者低過所述模數轉換器的所述先前輸出的少於所述限制值，則所述斜率限制函數使所述約束輸出信號與所述模數轉換器的所述輸出相同。
7.根據權利要求6所述的方法，其中如果來自所述模數轉換器的所述輸出高過來自所述模數轉換器的先前輸出的多於所述限制值，則所述斜率限制函數使所述約束輸出信號等於先前約束輸出信號加上所述限制。
8.根據權利要求6所述的方法，其中如果來自所述模數轉換器的所述輸出低過來自所述模數轉換器的先前輸出的多於所述限制值，則所述斜率限制函數使所述約束輸出信號等於先前約束輸出信號減去所述限制。
9.根據權利要求I所述的方法，其中所述斜率限制函數比較所述模數轉換器的所述輸出與使用先前約束輸出信號值的集合計算的移動平均值。
10.根據權利要求9所述的方法，其中使用所述先前約束輸出信號值的集合計算所述移動平均值，並且在應用所述斜率限制函數時，所述約束輸出信號值替代所述集合中的所述先前約束輸出信號值之一。
11.根據權利要求I所述的方法，其中所述斜率限制函數比較所述模數轉換器的所述輸出與使用先前約束輸出信號值的機會計算的標準偏差值。
12.一種接收器，包括 模數轉換器，用於接收模擬信號並且根據採樣函數對所述模擬信號採樣以產生所述信號的數字表示，所述模擬信號包含噪聲分量，所述噪聲分量具有在用於所述採樣函數的奈奎斯特標準以上的頻率分量； 信號限制器，用於按照所述採樣函數的每個採樣間隔接收所述信號的所述數字表示並且相對於所述信號的所述數字表示的先前迭代向所述信號的所述數字表示施加限制以限制所述信號的所述數字表示在採樣間隔之間的改變率。
13.根據權利要求12所述的接收器，其中所述信號限制器施加被確定成與目標頻率的最大一階導數值對應的限制。
14.根據權利要求12所述的接收器，其中所述信號限制器相對於所述信號的所述數字表示的緊接先前迭代向所述信號的所述數字表示施加所述限制。
15.根據權利要求12所述的接收器，其中如果所述信號的所述數字表示高過所述信號的所述數字表示的先前值的少於所述限制值或者低過所述信號的所述數字表示的先前值的少於所述限制值，則所述信號限制器應用斜率限制函數以使所述信號的所述數字表示在由所述模數轉換器輸出之後不變。
16.根據權利要求12所述的接收器，其中如果所述信號的所述數字表示高過所述信號的所述數字表示的先前值的多於所述限制值，則所述信號限制器應用斜率限制函數以使所述信號的所述數字表示等於所述信號的所述數字表示的先前約束值加上所述限制。
17.根據權利要求12所述的接收器，其中如果所述信號的所述數字表示低過所述信號的所述數字表示的先前值的多於所述限制值，則所述信號限制器應用斜率限制函數以使所述信號的所述數字表示等於所述信號的所述數字表示的先前約束值減去所述限制。
18.根據權利要求12所述的接收器，其中所述信號限制器相對於使用所述信號的所述數字表示的先前迭代的集合計算的移動平均值向所述信號的所述數字表示施加所述限制。
19.根據權利要求12所述的接收器，其中所述信號限制器相對於使用所述信號的所述數字表示的先前迭代的集合計算的移動標準偏差向所述信號的所述數字表示施加所述限制。
全文摘要
一種用於減少噪聲對數字採樣信號的貢獻的方法和裝置包括統計處理器和斜率限制器。統計處理器確定濾波信號的平均值(平均和/或標準偏差)，該平均值用來確定與目標信號頻率的預計最大第一導數值對應的斜率限制。施加這一斜率限制以約束模數轉換器的輸出以防止模數轉換器的輸出超過這一最大上升或者下降率。通過約束模數轉換器的輸出，有可能數字採樣模擬信號而不首先利用防混疊濾波器，因為數字採樣信號的後處理限制信號的更高頻率分量的貢獻，從而使得能夠針對接收信號提供全數字採樣和濾波電路。
文檔編號H04B1/10GK102835034SQ201180013221
公開日2012年12月19日 申請日期2011年2月25日 優先權日2010年3月10日
發明者J.戴維, R.瓊斯 申請人:巖星比德科有限公司