CN102034022A - 一种基于倍频分析的信号处理方法及系统 - Google Patents

一种基于倍频分析的信号处理方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于倍频分析的信号处理方法和系统，通过对采集的信号X(t)进行自相关处理，利用自相关处理具有使能使周期信号得到加强而随机噪声被减弱的特性，减弱了随机噪声对信号的影响；同时通过对自相关后的数据进行包络分析以及倍频分析，有效地消除了非周期和周期噪声的对信号的影响，从而更准确地获取信号周期。再者，通过倍频分析后所获取的信号质量可以为使用者提供借鉴作用，用来了解当时信号的情况。

Description

一种基于倍频分析的信号处理方法及系统
技术领域
本发明涉及一种信号处理方法及系统，尤其涉及一种基于倍频分析的信号处理方法及系统。
背景技术
在实际生活或工程上，随机信号无处不在，为了对信号进行研究，信号最好具有某种平稳的特性，即平稳随机信号；不过严格说来，平稳的随机信号基本不存在, 但实际中, 由于它的非平稳变化不太快, 在一小段时间内可以看成是平稳的，即宽平稳的随机信号，这样就可以借助一些数学手段来处理。
生理信号大多都可以看成宽平稳的随机信号，比如心率、脉率等，这些信号在短时间内信号特征基本不变，但是由于其信号大多比较微弱，在实际中，往往会被某些可预知的和不可预知的干扰淹没，这些干扰的存在就使得对信号的周期检测有一定难度。在这种情况下，需要对信号做一些处理，目前有人利用分组滤波来减少某些干扰对包络信号的影响，起到一定的作用，但是无论如何滤波，总会有些干扰在有效频带内，不能去除，这样就使得信号周期不易求得。
 
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种基于倍频分析的信号处理方法和系统，克服现有技术中进行信号处理时，由于信号干扰导致不易获得准确的信号周期的技术问题。
本发明的技术方案是：提供一种基于倍频分析的信号处理方法，包括如下步骤：
采集信号：对需要处理的信号x（t）进行数据采集；
自相关处理：对采集的信号x（t）进行自相关处理：                                                
Figure 201010572531X100002DEST_PATH_IMAGE001
，得到自相关结果序列；
包络分析：对所述自相关结果序列
Figure 525067DEST_PATH_IMAGE002
进行包络分析得到信号x（t）的主峰序列；
倍频分析：对获取的信号x（t）主峰序列进行倍频分析；
确定信号周期：根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）的周期。
本发明的进一步技术方案是：所述倍频分析步骤中还包括判断信号质量，即：根据信号x（t）与倍频关系的符合程度确定信号x（t）的质量。
本发明的进一步技术方案是：在包络分析步骤中，包括如下步骤：
确定参考周期：确定的信号x（t）的参考周期R；
获取极值点：获取自相关结果序列
Figure 379890DEST_PATH_IMAGE002
的极值点，得到离散数组D；
获取包络序列：将离散数组D中自相关结果序列
Figure 159627DEST_PATH_IMAGE002
的所述主要极值点以直线连接，若相邻的两点距离大于所述参考周期R，则放弃连接，否则执行连接，连接完成后得到一个包络数组E，即包络序列。 
得到信号的主峰序列：重复步骤获取极值点和步骤处理离散数组D直到极值点数目不变，此时，剩余的极值点组成信号x（t）的主峰序列。
本发明的进一步技术方案是：在自相关处理步骤中，包括对采集的信号x（t）进行去噪、排序、滤波的预处理。
本发明的进一步技术方案是：在倍频分析步骤中，极值点数目等于1时，则倍频关系成立，基频主峰所在的位置即为信号x（t）对应的周期；极值点数目大于1时，将第N主峰FN的横坐标MN除以N，取其商与基频主峰之间距离的绝对值为En，若En在误差允许的范围内，则倍频关系成立，基频主峰所在的位置即为信号x（t）对应的周期。
本发明的进一步技术方案是：所述信号x（t）不符合倍频关系时，通过上次周期参数来确定本次周期。
本发明的进一步技术方案是：在进行信号x（t）的质量判断时，取上述误差E2、E3…EN中的最小误差Emin和最大误差Emax，如果最大误差Emax在允许误差范围内，则信号质量较好；如果最小误差Emin在允许范围内，则信号质量中；如果最小误差Emin不在允许误差范围内，则信号质量较差。
本发明的技术方案是：构建一种基于倍频分析的信号处理系统，包括采集信号的数据采集单元、对采集的信号进行自相关处理的自相关处理单元、对自相关结果序列进行包络分析的包络分析单元、对所述包络分析单元分析后的周期主峰序列进行倍频分析的倍频分析单元、根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）周期的周期确定单元、对所述信号处理系统的工作进行控制调节的控制单元，所述自相关处理单元对所述采集单元采集的信号进行自相关处理：
Figure 492520DEST_PATH_IMAGE001
，得到自相关结果序列；所述包络分析单元对自相关结果序列进行包络分析得到信号x（t）的主峰序列，所述倍频分析单元对获取的信号x（t）主峰序列进行倍频分析, 所述周期确定单元根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）的周期。
本发明的进一步技术方案是：所述倍频分析单元还包括信号质量分析模块，所述信号质量分析模块根据信号x（t）与倍频关系的符合程度确定信号x（t）的质量。
本发明的进一步技术方案是：所述周期确定单元包括对周期确认进行后处理的后处理模块，所述后处理模块在所述倍频分析单元的误差不符合倍频关系时通过上次周期参数来确定本次周期。
本发明的进一步技术方案是：所述自相关处理单元还包括数据预处理模块，所述数据预处理模块对所述采集单元采集的数据进行去噪、排序、滤波处理。
本发明的进一步技术方案是：所述信号处理系统还包括显示单元，所述显示单元对所述周期确定单元确定的信号周期显示出来。 
本发明的技术效果是：本发明一种基于倍频分析的信号处理方法和系统，通过对采集的信号X（t）进行自相关处理，利用自相关处理具有使能使周期信号得到加强而随机噪声被减弱的特性，减弱了随机噪声对信号的影响；同时通过对自相关后的数据进行包络分析以及倍频分析，有效地消除了非周期和周期噪声的对信号的影响，从而更准确地获取信号周期。再者，通过倍频分析后所获取的信号质量可以为使用者提供借鉴作用，用来了解当时信号的情况。
 
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明包络分析的流程图。
图3为本发明经过选主要极大值点处理后的离散峰值序列。
图4为本发明经过参考距离处理后的包络序列。
图5为本发明经过包络分析后的周期主峰序列。
图6为本发明基于倍频分析的信号处理系统的结构示意图。
 
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明的具体实施方式是：提供一种基于倍频分析的信号处理方法，包括如下步骤：
步骤100：采集信号，即：对需要处理的信号x（t）进行数据采集。
步骤200：自相关处理，即：对采集的信号x（t）进行自相关处理，即：
Figure 306892DEST_PATH_IMAGE001
，得到自相关结果序列。
具体实施过程中，首先对采集的信号x（t）进行预处理，即对采集的信号x（t）进行去噪、排序、滤波的预处理。然后再对预处理的信号x（t）进行自相关处理，即：
Figure 129354DEST_PATH_IMAGE001
，得到自相关结果序列。
步骤300：包络分析，即：对所述自相关结果序列
Figure 334071DEST_PATH_IMAGE002
进行包络分析得到信号x（t）的主峰序列。
具体实施过程中，
首先，步骤310：确定参考周期，即，确定的信号x（t）的参考周期R。该参考周期可以根据本次信号特征来选定，也可以通过历史周期来确定，该周期记为 R，称作参考周期，也叫参考距离。
步骤320：获取极值点，即：获取自相关结果序列
Figure 532971DEST_PATH_IMAGE002
的极值点，得到离散数组D。具体过程如下：找出自相关结果序列的主要极值点，得到离散的数组D；上述的求取极值是通过牛顿法、黄金分割搜索法、枚举法或一阶导数为零求极值法得到。图3给出了自相关结果序列经过选主要极值点处理后的离散峰值序列。
步骤330：获取包络序列，即：将离散数组D中自相关结果序列
Figure 132897DEST_PATH_IMAGE002
的所述主要极值点以直线连接，若相邻的两点距离大于所述参考周期R，则放弃连接，否则执行连接，连接完成后得到一个包络数组E，即包络序列。图4给出了离散峰值序列经过处理后的包络序列。
步骤340：得到信号的主峰序列，即：重复步骤获取极值点和步骤处理离散数组D直到极值点数目不变，此时，剩余的极值点组成信号x（t）的主峰序列。图5给出了经过包络分析后的周期主峰序列。
步骤400：倍频分析，即：对获取的信号x（t）主峰序列进行倍频分析。如图3、图4、图5所示，具体过程如下：判断得到的信号x（t）的主峰序列极值点数目是否为1，如果为1，则不用再分析下去；如果信号x（t）的主峰序列极值点数目大于1，检查所有的主峰位置，看是否符合倍频关系，判断方法如下：将第N主峰FN的横坐标MN除以N，取其商与基频主峰之间距离的绝对值，得到EN, EN也可称为第N主峰相对基频主峰的误差，将基频主峰后面的所有主峰逐个求误差，得到E2、E3…EN，如果某个误差位于允许的误差范围内，则可以说，在允许误差范围内，倍频关系成立。基频主峰所在位置就是信号对应的周期。由于本例峰值数目N=2，所以只要检查第一主峰F1和第二主峰F2是否存在倍频关系即可，取第二主峰F2的下标M2,第一主峰的下标M1，即判断M2是不是M1的2倍关系，如果E2在允许范围内，说明M2是M1的2倍关系，即符合倍频关系，第一主峰F1所在位置就是所对应的信号周期。
步骤500：确定信号周期，即：根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）的周期。具体来说，在倍频分析过程中，将基频主峰后面的所有主峰逐个求误差，得到E2、E3…EN，如果某个误差位于允许的误差范围内，则可以说，在允许误差范围内，倍频关系成立。基频主峰所在位置就是信号对应的周期。
本发明的优选实施方式是：所述信号x（t）不符合倍频关系时，通过上次周期参数来确定本次周期。具体实施过程：若在允许误差范围内，信号x（t）符合倍频关系，第一主峰就是对应的周期，更新一下相应参数，不对周期进行更改；若在允许误差范围外，信号x（t）不符合倍频关系的，通过上次周期等参数来确定本次周期，具体的方法并不属于本发明的相关内容，在此不进行赘述。
本发明的优选实施方式是：所述倍频分析步骤中还包括判断信号质量，即：根据信号x（t）与倍频关系的符合程度确定信号x（t）的质量。
具体过程如下：判断信号质量，根据步骤400倍频分析步骤中，将第N主峰FN的横坐标MN除以N，取其商与基频主峰之间距离的绝对值，得到EN, EN也可称为第N主峰相对基频主峰的误差，将基频主峰后面的所有主峰逐个求误差，得到E2、E3…EN，取上述误差E2、E3…EN中最小的那一个，得到最小误差Emin；取上述误差E2、E3…EN中最大的那一个，得到最大误差Emax； 如果最大误差Emax在允许误差范围内，则说明在给定误差范围内，信号严格符合倍频关系，可以判断信号质量较好；如果最小误差Emin在允许范围内，而最大误差Emax不在误差允许范围内，则说明在给定误差范围内，信号符合倍频关系，可以判断信号质量中；如果最小误差Emin都不在允许误差范围内，则说明在给定误差范围内，信号不符合倍频关系，可以判断信号质量较差。
本发明一种基于倍频分析的信号处理方法，通过对采集的信号X（t）进行自相关处理，利用自相关处理具有使能使周期信号得到加强而随机噪声被减弱的特性，减弱了随机噪声对信号的影响；同时通过对自相关后的数据进行包络分析以及倍频分析，有效地消除了非周期和周期噪声的对信号的影响，从而更准确地获取信号周期。再者，通过倍频分析后所获取的信号质量可以为使用者提供借鉴作用，用来了解当时信号的情况。
如图3所示，本发明的具体实施方式如下：构建一种基于倍频分析的信号处理系统，包括采集信号的数据采集单元1、对采集的信号进行自相关处理的自相关处理单元2、对自相关结果序列进行包络分析的包络分析单元3、对所述包络分析单元3分析后的周期主峰序列进行倍频分析的倍频分析单元4、根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）周期的周期确定单元5、对所述信号处理系统的工作进行控制调节的控制单元6，所述自相关处理单元2对所述采集单元采集的信号进行自相关处理：
Figure 887226DEST_PATH_IMAGE001
，得到自相关结果序列；所述包络分析单元3对自相关结果序列进行包络分析得到信号x（t）的主峰序列，所述倍频分析单元4对获取的信号x（t）主峰序列进行倍频分析, 所述周期确定单元5根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）的周期。控制单元6对所述信号处理系统的工作进行控制调节。
具体实施过程如下：数据采集单元1对需要处理的信号x（t）进行数据采集。相关处理单元2对采集的信号x（t）进行自相关处理，相关处理单元2中的自相关处理模块21采用
Figure 561921DEST_PATH_IMAGE001
，得到自相关结果序列。具体实施过程中，在进行自相关处理前先对采集的信号x（t）进行预处理，即对采集的信号x（t）进行去噪、排序、滤波的预处理。包络分析单元3对所述自相关结果序列
Figure 85306DEST_PATH_IMAGE002
进行包络分析得到信号x（t）的主峰序列。倍频分析单元4对获取的信号x（t）主峰序列进行倍频分析。倍频分析单元4中的倍频分析模块41具体实施过程如下：判断得到的信号x（t）的主峰序列极值点数目是否为1，如果为1，则不用再分析下去；如果信号x（t）的主峰序列极值点数目大于1，检查所有的主峰位置，看是否符合倍频关系，判断方法如下：将第N主峰FN的横坐标MN除以N，取其商与基频主峰之间距离的绝对值，得到EN, EN也可称为第N主峰相对基频主峰的误差，将基频主峰后面的所有主峰逐个求误差，得到E2、E3…EN，如果某个误差位于允许的误差范围内，则可以说，在允许误差范围内，倍频关系成立。基频主峰所在位置就是信号对应的周期。周期确定单元5根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）的周期。周期确定单元5中的周期计算模块51的工作过程如下：在倍频分析过程中，将基频主峰后面的所有主峰逐个求误差，得到E2、E3…EN，如果某个误差位于允许的误差范围内，则可以说，在允许误差范围内，倍频关系成立，基频主峰所在位置就是信号对应的周期，即第一主峰就是对应的周期；若在允许误差范围内，不符合倍频关系的，则倍频关系不成立，此时，周期的确定要通过后处理模块52来确定。后处理模块52的工作过程如下：若在周期计算模块51中已经得到了信号的周期，那么只需要在这里更新一下对应参数，不对周期进行更改；若在周期计算模块51中没有得到信号的周期，那么就需要通过上次周期等参数来确定本次周期。控制单元6将参数更新模块61中更新的参数传递到自相关处理单元2、包络分析单元3、倍频分析单元4、信号质量判断单元5中，对其相应的参数进行实时控制、调节，保证处理的实时性。
具体实施过程中，包络分析单元3对所述自相关结果序列
Figure 515150DEST_PATH_IMAGE002
进行包络分析得到信号x（t）的主峰序列的具体过程如下：
首先，确定参考周期，即，确定的信号x（t）的参考周期R。该参考周期可以根据本次信号特征来选定，也可以通过历史周期来确定，该周期记为 R，称作参考周期，也叫参考距离。获取极值点，即：获取自相关结果序列
Figure 694459DEST_PATH_IMAGE002
的极值点，得到离散数组D。具体过程如下：找出自相关结果序列
Figure 969583DEST_PATH_IMAGE002
的主要极值点，得到离散的数组D；上述的求取极值是通过牛顿法、黄金分割搜索法、枚举法或一阶导数为零求极值法得到。处理离散数组，即：将离散数组D中自相关结果序列
Figure 550737DEST_PATH_IMAGE002
的所述主要极值点以直线连接，若相邻的两点距离大于所述参考周期R，则放弃连接，否则执行连接，连接完成后得到一个包络数组E。得到信号的主峰序列，即：重复步骤获取极值点和步骤处理离散数组D直到极值点数目不变，此时，剩余的极值点组成信号x（t）的主峰序列。
如图3所示，本发明的优选实施方式是：所述倍频分析单元还包括判断信号质量信号质量分析模块42，即：信号质量分析模块42根据信号x（t）与倍频关系的符合程度确定信号x（t）的质量。具体过程如下：判断信号质量，根据步骤400倍频分析步骤中，将第N主峰FN的横坐标MN除以N，取其商与基频主峰之间距离的绝对值，得到EN, EN也可称为第N主峰相对基频主峰的误差，将基频主峰后面的所有主峰逐个求误差，得到E2、E3…EN，取上述误差E2、E3…EN中最小的那一个，得到最小误差Emin；取上述误差E2、E3…EN中最大的那一个，得到最大误差Emax； 如果最大误差Emax在允许误差范围内，则说明在给定误差范围内，信号严格符合倍频关系，可以判断信号质量较好；如果最小误差Emin在允许范围内，而最大误差Emax不在误差允许范围内，则说明在给定误差范围内，信号符合倍频关系，可以判断信号质量中；如果最小误差Emin都不在允许误差范围内，则说明在给定误差范围内，信号不符合倍频关系，可以判断信号质量较差。
如图3所示，本发明的优选实施方式是：所述信号处理系统还包括显示单元7，所述显示单元7对所述周期确定单元5确定的信号周期显示出来。
本发明一种基于倍频分析的信号处理方法和系统，通过对超声多普勒获取的胎心信号的处理，应用于胎心监护领域。此处，还可以通过对人的生理信号如心率信号、血氧信号的处理，应用在生理信号的监护领域。 
本发明的技术效果是：本发明一种基于倍频分析的信号处理方法和系统，通过对采集的信号X（t）进行自相关处理，利用自相关处理具有使能使周期信号得到加强而随机噪声被减弱的特性，减弱了随机噪声对信号的影响；同时通过对自相关后的数据进行包络分析以及倍频分析，有效地消除了非周期和周期噪声的对信号的影响，从而更准确地获取信号周期。再者，通过倍频分析后所获取的信号质量可以为使用者提供借鉴作用，用来了解当时信号的情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于倍频分析的信号处理方法，包括如下步骤：
采集信号：对需要处理的信号x（t）进行数据采集；
自相关处理：对采集的信号x（t）进行自相关处理： 
Figure 201010572531X100001DEST_PATH_IMAGE002
，得到自相关结果序列；
包络分析：对所述自相关结果序列
Figure 201010572531X100001DEST_PATH_IMAGE004
进行包络分析得到信号x（t）的主峰序列；
倍频分析：对获取的信号x（t）主峰序列进行倍频分析；
确定信号周期：根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）的周期。
2.根据权利要求1所述基于倍频分析的信号处理方法，其特征在于，所述倍频分析步骤中还包括判断信号质量，即：根据信号x（t）与倍频关系的符合程度确定信号x（t）的质量。
3.根据权利要求1或2所述基于倍频分析的信号处理方法，其特征在于，在包络分析步骤中，包括如下步骤：
确定参考周期：确定的信号x（t）的参考周期R；
获取极值点：首先获取自相关结果序列x（t）的极值点，然后通过阈值检测，得到其主要极值点，得到离散数组D；
获取包络序列：将离散数组D中自相关结果序列
Figure 532009DEST_PATH_IMAGE004
的所述主要极值点以直线连接，若相邻的两点距离大于所述参考周期R，则放弃连接，否则执行连接，连接完成后得到一个包络数组E，即包络序列；
得到信号的主峰序列：重复步骤获取极值点和步骤处理离散数组D直到极值点数目不变，此时，剩余的极值点组成信号x（t）的主峰序列。
4.根据权利要求1或2所述基于倍频分析的信号处理方法，其特征在于，在自相关处理步骤中，包括对采集的信号x（t）进行去噪、排序、滤波的预处理。
5.根据权利要求1或2所述基于倍频分析的信号处理方法，其特征在于，在倍频分析步骤中，极值点数目等于1时，则倍频关系成立，基频主峰所在的位置即为信号x（t）对应的周期；极值点数目大于1时，将第N主峰FN的横坐标MN除以N，取其商与基频主峰之间距离的绝对值为En，若En在误差允许的范围内，则倍频关系成立，基频主峰所在的位置即为信号x（t）对应的周期。
6.根据权利要求5所述基于倍频分析的信号处理方法，其特征在于，若En在误差允许的范围外，则倍频关系不成立，通过上次周期参数来确定本次周期。
7.根据权利要求5所述基于倍频分析的信号处理方法，其特征在于，在进行信号x（t）的质量判断时，取上述误差E2、E3…EN中的最小误差Emin和最大误差Emax，如果最大误差Emax在允许误差范围内，则信号质量较好；如果最小误差Emin在允许范围内，则信号质量中；如果最小误差Emin不在允许误差范围内，则信号质量较差。
8.一种基于倍频分析的信号处理系统，其特征在于，包括采集信号的数据采集单元、对采集的信号进行自相关处理的自相关处理单元、对自相关结果序列进行包络分析的包络分析单元、对所述包络分析单元分析后的周期主峰序列进行倍频分析的倍频分析单元、根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）周期的周期确定单元、对所述信号处理系统的工作进行控制调节的控制单元，所述自相关处理单元对所述采集单元采集的信号进行自相关处理：
Figure 42625DEST_PATH_IMAGE002
，得到自相关结果序列；所述包络分析单元对自相关结果序列进行包络分析得到信号x（t）的主峰序列，所述倍频分析单元对获取的信号x（t）主峰序列进行倍频分析, 所述周期确定单元根据信号x（t）的倍频分析结果确定信号x（t）的周期。
9.根据权利要求8所述基于倍频分析的信号处理系统，其特征在于，所述倍频分析单元还包括信号质量分析模块，所述信号质量分析模块根据信号x（t）与倍频关系的符合程度确定信号x（t）的质量。
10.根据权利要求8或9所述基于倍频分析的信号处理系统，其特征在于，所述周期确定单元包括对周期确认进行后处理的后处理模块，所述后处理模块在所述倍频分析单元的误差不符合倍频关系时通过上次周期参数来确定本次周期。
11.根据权利要求8或9所述基于倍频分析的信号处理系统，其特征在于，所述自相关处理单元还包括数据预处理模块，所述数据预处理模块对所述采集单元采集的数据进行去噪、排序、滤波处理。
12.根据权利要求8或9所述基于倍频分析的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统还包括显示单元，所述显示单元对所述周期确定单元确定的信号周期显示出来。
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