CN101350005A - 信号转态区间非单调性的分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号转态区间非单调性的分析系统。该系统包括信号发生器、信号测量仪、测量分析装置及数据库。所述信号发生器产生待测信号。所述信号测量仪具有一高阶图形显示界面，且与信号发生器电连接，接受信号发生器产生的待测信号，并以波形曲线表示待测信号的变化情况。所述测量分析装置与信号测量仪相连，用于对信号测量仪测得的信号转态区间的数据进行自动分析，对信号非单调递增/递减区域的峰值产生点进行精确定位。所述数据库用于储存信号的原始数据资料以及分析过程中产生的数据。本发明还提供一种信号转态区间非单调性的分析方法。

Description

信号转态区间非单调性的分析系统及方法

技术领域

本发明涉及一种信号分析系统及方法，尤其是关于信号转态区间非单调性的分析系统及方法。

背景技术

具有高阶图形界面的测量仪器在信号测量中被广泛应用，如心电图仪、频谱分析仪、示波器等。其中最常用的仪器是示波器，用于观察信号的波形、频率、幅度等。从分析手段来说，当示波器横轴表示时间，纵轴为电压幅度，波形曲线表示电压随时间变化的轨迹时，我们称之为时域测量；当示波器横坐标为频率，纵轴为功率幅，波形曲线表示不同频率点上功率幅度的分布时，我们称之为频域分析。

如图4中所示，是从用于测量IC(integrate circuit)芯片电压信号的示波器上截取的一段反映信号发生转态的波形曲线，观图4可知该波形曲线整体呈现出非单调递增/递减的特性：锯齿形曲线逐步上升至某一点(假设该点为P1)后呈现下降趋势，下降至某一最低点(假设该点P2)后又转而呈现上升趋势。在信号分析过程中，确定转态区间内的峰值点(如所述P1点或P2点)，可以应用在大部份IC(Integrate Circuit)芯片彼此间以模拟方式传输讯号时，IC芯片接收端判定0与1的基准电压(Vhigh & Vlow)附近是否有波动，藉以确定IC芯片是否违反设计规范，以及用于判断IC芯片的参考电压(Vref)附近是否有非单调性之小波存在以对信号进行抖动分析(Jitter Analysis)有重大影响。同时亦可以依据峰值点确定分段区间，对此分段区间进行傅立叶(FFT)转换变时域分析为频域分析，得此小波动高频信号在转态区间内之主频率与频域上之能量分布。

目前，在利用高阶图形界面的测量仪器测量信号的过程中，对于转态区间的非单调性与峰值点，常常依赖于人眼视觉辨别、判定。

然而藉由人工测量转态区间的非单调性及峰值点存在许多问题，诸如：1.大量的量测资料中可能只有很少数的特定波形具备非单调性；2.对峰值点定位不精确可能导致对IC晶片基准电压是否有波动判断错误，以及导致进行FFT转换时的分段区间不精确。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种信号转态区间非单调性的分析系统，可以从大量的信号测量资料中准确查找出少数具备非单调性的波形资料，并对该非单调性转态区间内的峰值发生点进行精确定位。

此外，还有必要提供一种信号转态区间非单调性的分析方法，可以从大量的信号测量资料中准确查找出少数具备非单调性的波形资料，并对该非单调性转态区间内的峰值发生点进行精确定位。

一种信号转态区间非单调性的分析系统，该系统包括信号测量仪及测量分析装置。该信号测量仪接收信号发生装置发出的信号并以波形曲线y(x)显示信号的变化情况。该测量分析装置包括：数据撷取单元，用于从信号测量仪撷取信号波形曲线y(x)的数值资料，包括信号波形曲线y(x)及信号的自变量参数x在一转态区间内的数值集合[y(x_i)]及[x_i]，其中0≤i≤n-1，n为自然数；曲线拟合单元，用于根据上述信号的数值集合[y(x_i)]进行曲线拟合求取波形曲线函数y(x)的最佳逼近函数F_(x)；计算单元，用于对所求得的最佳逼近函数F_(x)相对于该转态区间上的自变参数x进行一阶与二阶微分运算，得到最佳逼近函数F_(x)在该转态区间上的一阶离散微分值集合及二阶离散微分值集合；定位单元，用于检查所述一阶离散微分值集合中是否有零值，若有零值，则表明最佳逼近函数F_(x)在该转态区间上具备非单调性，以该零值所对应的函数F_(x)曲线上的所述峰值点

为中心点，获取该峰值点的曲率半径R，截取2倍于该峰值点

曲率半径R的自变量区间[X_i-R，X_i+R]，对该2R长度区间内的数值[y(x_i)]进行比较，得到波形曲线y(x)在该2R长度区间内的峰值位置及该峰值位置的坐标。

一种信号转态区间非单调性的分析方法，该方法包括以下步骤：(A)信号测量仪接收信号发生装置发出的信号并以波形曲线y(x)显示信号的变化情况；(B)从所述信号测量仪撷取转态区间内信号波形曲线y(x)的数值资料，包括信号波形曲线y(x)及信号的自变量参数x在一转态区间内的数值集合[y(x_i)]及[x_i]，其中0≤i≤n-1，n为自然数；(C)根据上述信号的数值集合[y(x_i)]进行曲线拟合求取波形曲线函数y(x)的最佳逼近函数F_(x)；(D)对所求得的最佳逼近函数F_(x)相对于该转态区间上的自变量参数x进行一阶与二阶微分运算，得到最佳逼近函数F_(x)在该转态区间上的一阶离散微分值集合及二阶离散微分值集合；(E)检查所述一阶离散微分值集合中是否有零值；(F)若有零值，则获取该零值所对应的函数F_(x)曲线上的该峰值点坐标

及该峰值点的曲率；(G)以该峰值点

为中心截取两倍于该峰值点曲率半径R的自变量区间[X_i-R，X_i+R]；及(H)比较该2R长度自变量区间内相应的数值[y(x_i)]，得到信号波形曲线y(x)在该2R长度区间内的峰值位置及该位置的坐标。

相较于现有技术，本发明所提供的信号转态区间非单调性的分析系统及方法能够从大量的信号资料中将少数具备非单调性的的波形资料快速找出来，建立有效样本波形，对信号非单调性转态区间内的峰值发生点进行精确定位，降低人工操作误差。

附图说明

图1是本发明信号转态区间非单调性的分析系统较佳实施例的硬件架构图。

图2是图1中测量分析装置的功能模块图。

图3是本发明信号转态区间非单调性的分析方法较佳实施例的流程图。

图4是从一示波器上所截取的部分信号转态区间的原始波形曲线图。

图5中显示的是应用本发明信号转态区间非单调性的分析系统及方法所求取得到与图4中的原始波形曲线的最佳逼近曲线图。

图6是求取所述最佳逼近曲线的峰值点的示意图。

图7是根据最佳逼近曲线的峰值点及该点的曲率半径确定原始波形曲线上峰值位置的示意图。

具体实施方式

为方便理解，对文中涉及的部分术语作如下定义：

信号转态：泛指信号由低稳态上升至高稳态或高稳态下降至低稳态。

图1是本发明信号转态区间非单调性的分析系统较佳实施例的架构图。该系统包括信号发生器10、信号测量仪20、测量分析装置30及数据库40。

信号发生器10可以为任何产生待测信号的装置。于本实施例中，信号发生器10为一产生待测电压的主板。

信号测量仪20具有一高阶图形显示界面(图中未示出)，且与信号发生器10电连接，接受信号发生器10产生的待测信号，并以波形曲线(也称作波形图)表示待测信号的变化。于本实施例中，信号测量仪20为一示波器，用于监测主板上电压的变化情况。

测量分析装置30与信号测量仪20相连，用于对信号测量仪20测得的信号数据进行自动分析，对信号非单调递增/递减区域的峰值产生点进行精确定位。

数据库40用于储存信号的原始数据资料以及分析过程中产生的数据资料。

如图2所示，是图1中测量分析装置30的功能模块图。该测量分析装置30包括：数据撷取单元100、曲线拟合单元110、计算单元120及定位单元130。

数据撷取单元100用于从信号测量仪20撷取信号波形曲线y(x)(如图4所示)的数值资料，如该波形曲线y(x)所对应的参数及该参数在一转态区间上的离散数值集合。于其它实施例中，数据撷取单元100也可直接撷取数据库40中储存的信号的原始数值资料。

曲线拟合单元110用于利用数学方法，如利用多项式函数、三角函数、对数函数、指数函数，根据所述信号的离散数值集合进行曲线拟合以求取波形曲线函数y(x)的最佳逼近函数F_(x)。本实施例以利用多项式函数进行曲线拟合为例说明，该多项式函数的数学通式为 $F_{\left(x\right)}\≅y_{\left(x\right)}\≡\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·x^i=a_0+a_1\·x^1+a_2\·x^2+...+a_{n-1}{\·x}^{n-1},$ n为自然数，a_n-1为多项式系数。于本实施例中，x为原始信号的自变参数(如时间T)，记x在该转态区间上的离散值的集合为[x_i]；y(x)为信号测量仪20测得的随自变参数变化而变化的因变量(如电压V)，记y(x)在该转态区间上与x的离散值一一对应的离散值的集合为[y(x_i)]；F_(x)为需要求取的最佳逼近函数。曲线拟合单元110求取系数矩阵[a_i]，如利用求方差的方法：令F_(x)与拟合函数y(x)的方差 $D\≡\frac{1}{m}\·\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[F_{\left(x_i\right)}-y_{\left(x_i\right)}\right]}^2$ 为最小以得到最佳逼近函数F_(x)的表达式(如图5所示，曲线F_(x)为波形曲线y(x)的最佳逼近曲线)。

计算单元120用于对所求得的最佳逼近函数F_(x)相对于该转态区间上的自变参数[x_i]进行一阶与二阶微分运算 $F_{\left(x_i\right)}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dx}}=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}<\frac{F_{\left(x_{i+1}\right)}-F_{\left(x_i\right)}}{x_{i+1}-x_i}>,$

$F_{\left(x_i\right)}^{\&prime;\&prime;}=\frac{d{F}^{\&prime;}}{\mathrm{dx}}=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}<\frac{F_{\left(x_{i+1}\right)}^{\&prime;}-F_{\left(x_i\right)}^{\&prime;}}{x_{i+1}-x_i}>,$ 亦即计算曲线F_(x)在转态区间各离散点的斜率及曲率，得到最佳逼近函数F_(x)在该转态区间上的一阶离散微分值集合

及二阶离散微分值集合

定位单元130用于检查一阶离散微分值集合

中是否有零值，若有

则表明最佳逼近函数F_(x)在该转态区间上具有非单调性，定位单元130获取曲线F_(x)上峰值点

处的曲率若

则表明点

为曲线F_(x)在转态区间上的一个波谷(如图6所示的点v2)，若曲线

则表明点

为曲线F_(x)在转态区间上的一个波峰(如图6所示的点v1)。进一步地，定位单元130以曲线F_(x)上的所述峰值点

(如点v1或点v2)为中心点，截取2倍于该峰值点

曲率半径R(R为曲率

绝对值的倒数)的自变量区间[X_i-R，X_i+R]，对该2R长度区间内的数值[y(x_i)]进行比较，得到波形曲线y(x)在该2R长度区间内的峰值位置及该位置的坐标，如图7中的点Pm(Xm，y(Xm))，Pn(Xn，y(Xn))。

如图3所示，是本发明信号转态区间非单调性的分析方法较佳实施例的流程图。首先，在步骤S10，信号测量仪20接收信号发生器10发出的信号，并以波形曲线(记为y(x))于信号发生器10的一显示界面上显示信号的变化情况。

在步骤S12，数据撷取单元100从信号测量仪20撷取信号波形曲线y(x)(如图4所示)的数值资料，如该波形曲线y(x)所对应的参数及该参数在一转态区间上的离散数值集合。于本实施例中，信号测量仪20为一示波器，用于测量主板电压，故图4中坐标轴的横坐标表示时间T，纵坐标表示电压值V，即波形曲线y(x)的自变量参数x＝T，y(x)为信号测量仪20测得的随自变参数变化而变化的因变量。

接下来，在步骤S14，曲线拟合单元110利用数学方法根据所述信号的离散数值集合进行曲线拟合以求取波形曲线y(x)的最佳逼近曲线F_(x)。所述数学方法可以为多项式函数法、三角函数法、对数函数法、指数函数法等等。本实施例以多项式法为例说明，该多项式函数的数学通式为

$F_{\left(x\right)}\&cong;y_{\left(x\right)}\&equiv;\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i\&CenterDot;x^i=a_0+a_1\&CenterDot;x^1+a_2\&CenterDot;x^2+...+a_{n-1}\&CenterDot;x^{n-1},$ n为自然数，a_n-1为多项式系数。曲线拟合单元110求得系数矩阵[a_i]使得F_(x)与函数y(x)的方差 $D\&equiv;\frac{1}{m}\&CenterDot;\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[F_{\left(x_i\right)}-y_{\left(x_i\right)}]}^2$ 为最小以得到最佳逼近函数F_(x)的表达式(如图5所示，曲线F_(x)为波形曲线y(x)的最佳逼近曲线)。

在步骤S16，计算单元120对所求得的最佳逼近函数F_(x)相对于转态区间上的自变参数[x_i]进行一阶与二阶微分运算 $F_{\left(x_i\right)}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dx}}=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}<\frac{F_{\left(x_{i+1}\right)}-F_{\left(x_i\right)}}{x_{i+1}-x_i}>,$

$F_{\left(x_i\right)}^{\&prime;\&prime;}=\frac{{\mathrm{dF}}^{\&prime;}}{\mathrm{dx}}=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}<\frac{F_{\left(x_{i+1}\right)}^{\&prime;}-F_{\left(x_i\right)}^{\&prime;}}{x_{i+1}-x_i}>,$ 亦即计算曲线F_(x)在转态区间上各离散点的斜率及曲率，得到最佳逼近函数F_(x)在转态区间上的一阶离散微分值集合

及二阶离散微分值集合

在步骤S18，定位单元130检查所述一阶离散微分值集合

中是否有零值，若无零值则流程结束，若有零值则表明最佳逼近函数F_(x)在该转态区间上具有非单调性。流程进入步骤S20，定位单元130获取拟合曲线F_(x)上斜率的点

及该点的曲率

若

则表明点

为曲线F_(x)在转态区间上的一个波谷(如图6所示的点v2)，若曲线

则表明则表明点

为曲线F_(x)在转态区间上的一个波峰(如图6所示的点v1)。

在步骤S22，定位单元130以各峰值点

为中心截取两倍于该峰值点曲率半径R(R为曲率绝对值的倒数)的自变量区间[X_i-R，X_i+R](如图6所示)。在步骤S24，定位单元130对各[X_i-R，X_i+R]区间内的数值[y(x_i)]进行比较，得到波形曲线y(x)在各[X_i-R，X_i+R]区间内的峰值位置及该位置的坐标，如图7中的点Pm(xm，y(xm))，Pn(Xn，y(Xn))。在步骤S26，定位单元130保存原始波形曲线y(x)在转态区间的各峰值点的坐标信息至数据库40。

Claims (5)

1.一种信号转态区间非单调性的分析系统，该系统包括信号测量仪及测量分析装置，该信号测量仪接收信号发生装置发出的信号并以波形曲线y(x)显示信号的变化情况，其特征在于，该测量分析装置包括：

数据撷取单元，用于从信号测量仪撷取信号波形曲线y(x)的数值资料，包括信号波形曲线y(x)及信号的自变量参数x在一转态区间内的数值集合[y(x_i)]及[x_i]，其中0≤i≤n-1，n为自然数；

曲线拟合单元，用于根据上述信号的数值集合[y(x_i)]进行曲线拟合求取波形曲线函数y(x)的最佳逼近函数F_(x)；

计算单元，用于对所求得的最佳逼近函数F_(x)相对于转态区间上的自变量参数x进行一阶与二阶微分运算，得到最佳逼近函数F_(x)在转态区间上的一阶离散微分值集合及二阶离散微分值集合；

定位单元，用于检查所述一阶离散微分值集合中是否有零值，若有零值，则表明最佳逼近函数F_(x)在该转态区间上具备非单调性，以该零值所对应的函数F_(x)曲线上的所述峰值点

为中心点，获取该峰值点的曲率半径R，截取2倍于该峰值点

曲率半径R的自变量区间[x_i-R，x_i+R]，对该2R长度区间内的数值[y(x_i)]进行比较，得到波形曲线y(x)在该2R长度区间内的峰值位置及该峰值位置的坐标。

2.如权利要求1所述的信号转态区间非单调性的分析系统，其特征在于，所述峰值点的曲率半径R为该峰值点的曲率的绝对值的倒数。

3.如权利要求1所述的信号转态区间非单调性的分析系统，其特征在于，所述定位单元还用于储存所述波形曲线y(x)的峰值位置信息至数据库。

4.一种信号转态区间非单调性的分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

利用信号测量仪接收信号发生装置发出的信号并以波形曲线y(x)显示信号的变化情况；

从所述信号测量仪撷取信号的数值资料，包括信号波形曲线x及信号的自变量参数[y(x_i)]在一转态区间内的数值集合[x_i]及≤i≤n-1，其中0n，[y(x_i)]为自然数；

根据上述信号的数值集合y(x)进行曲线拟合求取波形曲线函数F_(x)的最佳逼近函数F_(x)；

对所求得的最佳逼近函数x相对于转态区间上的自变量参数F_(x)进行一阶与二阶微分运算，得到最佳逼近函数F_(x)在该转态区间上的一阶离散微分值集合及二阶离散微分值集合；

检查所述一阶离散微分值集合中是否有零值；

若有零值，则获取该零值所对应的函数x_i曲线上的峰值点坐标

及该峰值点的曲率；

以该峰值点为中心截取两倍于该峰值点曲率半径R的自变量区间[x_i-R，[y(x_i)]+R]；及

比较该2R长度自变量区间内相应的数值y(x)，得到信号波形曲线y(x)在该2R长度区间内的峰值位置及该峰值位置的坐标。

5.如权利要求4所述的信号转态区间非单调性的分析方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

储存所述波形曲线的峰值位置信息至数据库。

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