CN102164104A - 一种信号基线快速处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速信号基线处理方法及装置。该方法利用采样数据是逐点顺序增加这一重要信息，提供了一种快速中位数计算方法；并在此基础上实现了中值滤波器，利用中值滤波器输出结果和原始数据相减，实现信号基线去除操作。包括如下步骤：a)选取合适的滤波窗口长度k，并以当前处理点为参考点，选取合适的数据序列填充滤波窗口；b)如果当前点是开始点，则对滤波窗口中的数据进行排寻，并输出中位数作为当前处理点的信号基线；c)如果当前点不是开始点，则用快速中位数计算方法计算滤波窗口中的中位数，并作为当前处理点的信号基线输出；d)用采集到的当前处理点值减去当前处理点的信号基线输出值，作为去信号基线的数据输出。

Description

一种信号基线快速处理方法及装置

技术领域

本发明提供一种信号基线快速处理方法及装置。

背景技术

进行信号采集时，由于零点漂移，低频干扰，传感器接触不良等因素，可能导致信号基线产生缓慢的波动。对脉冲信号的幅值进行测量时，这种缓慢的波动将会导致脉冲幅值测量失真。例如在某些粒子检测系统(特别是血液细胞分析仪)中，脉冲幅度测量的失真将会导致较多的测量参数产生严重偏差，显然这种结果不是所期望的。例如在粒子检测系统(尤其是血液细胞分析仪)中，一个粒子(或细胞)经过微孔时，会产生一个幅值与体积成比例的脉冲信号，如图1所示。

在粒子检测系统(特别是血液细胞分析仪)中，由于采样速率较高，且采样时间长，采集的数据总量较大。对于实时性要求较高的产品(例如血液细胞分析仪中)，在数据传输前必须进行数据压缩处理，而通常采用的数据压缩方式是舍去数据中无信号的数据。在实际应用中，其中一种实现方法是设定一个固定阈值，小于阈值的数据都舍去，大于阈值的数据保留，如果没有信号基线波动存在，那么可以达到在信息基本无损的情况下完成数据压缩的目的。但如果在压缩前的数据中存在信号基线波动如图2所 示，采用阈值设定的方法进行数据压缩，将导致压缩后的脉冲幅值信息严重失真，且不可恢复。因此在数据压缩前，通常会采用滤波方式，去除信号基线。中国专利申请号为200610087957.X(公开号CN 1893551A)的公开技术文件中公布了一种中值滤波方法和装置，不过其内容主要是针对图像处理，且未详细公开中位数计算方法；中国专利申请号为200710075884.7(公开号CN 101344475A)的公开技术文件中，详细描述了一种数字滤波方法和装置。其方法的主要思想为基于硬件逻辑的不完全桶排序中值滤波。

桶排序算法要求待排序的数据大小在一个固定的区间内，并把固定区间等分为n个桶，然后把待排序数据根据值的大小放入n个桶中，最后对n个桶中的数据进行排序(也可以在子区间内继续使用桶排序算法)并连接n个桶。中国专利申请号为200710075884.7的公开技术文件中，对N个待排序数据采用了桶排序算法的第一轮排序，并把桶中的数值按照每个桶固有顺序从小到大进行累加，确定累加值第一次大于N/2的数值，此即为中位数。对待信号基线处理的数据序列，选取长度为k的滤波窗口，从大于k/2的序列点开始，当前点的值用滤波窗口内的中位数代替，称之为中值数据序列，如图3所示。若选取大小合适的k值，那么滤波后输出的中值数据序列即为期望得到的信号基线数据。用原始数据序列减去相对应的信号基线数据序列，再采用阈值设定方法进行数据压缩，即能达到理想效果。虽然中国专利申请号200710075884.7公开的技术文件中利用中值滤波的边缘保持特性和优良的噪声抑制特性，解决了信号基线波动的准确跟踪识别问题。但在中位数的计算方法方面还有待进一步改进。

众所周知，桶排序算法在待排序数据序列值均匀分布时，算法复杂度下限接近于O(N)，但当值的分布不均匀时，算法复杂度上限是O(N*logN)。即使按照中国专利申请号200710075884.7技术文件中公开的方法，对于处理N个数据序列点，若使用的窗口长度为k，则至少要2*k*N次比较和(k*N+k*N/2)次加法，对于数据分布不均匀情况，所需运算量更多。虽然算法复杂度量级已是O(N)，但对于数据量大(例如20M以上的数据点)，且实时性要求较高的应用而言，运算量仍然过大，由于有加法运算存在，硬件实现逻辑也较为复杂。

发明内容

本发明公开了一种快速信号基线处理方法及装置。该方法利用采样数据是逐点顺序增加这一重要信息，提供了一种快速中位数计算方法；并在此基础上实现了中值滤波器，利用中值滤波器输出结果和原始数据相减，实现信号基线去除操作。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种快速信号基线处理方法，包括如下步骤：

a)选取合适的滤波窗口长度k，并以当前处理点为参考点，选取合适的数据序列填充滤波窗口；

b)如果当前点是开始点，则对滤波窗口中的数据进行排寻，并输出中位数作为当前处理点的信号基线；

c)如果当前点不是开始点，则用快速中位数计算方法计算滤波窗口中的 中位数，并作为当前处理点的信号基线输出；

d)用采集到的当前处理点值减去当前处理点的信号基线输出值，作为去信号基线的数据输出。

所述步骤c)还包括如下步骤：

e)判别当前处理点对应滤波窗口中最后一个数据，与前一个处理点对应的中位数大小关系；

f)若当前处理点对应的滤波窗口最后一个数据，与前一个处理点对应的中位数相等，则当前处理点对应的中位数即为滤波窗口最后一个数据值；

g)若当前处理点对应的滤波窗口最后一个数据，比前一个处理点对应的中位数小，则当前处理点对应的中位数，为滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数次小的数值，或者为前一个处理点对应的中位数；

h)若当前处理点对应的滤波窗口最后一个数据，比前一个处理点对应的中位数大，则当前处理点对应的中位数，为滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数次大的数值，或者为前一个处理点对应的中位数。

所述步骤g)还包括如下步骤：

i)若当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数小的个数等于(k+1)/2，则用当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数次小的数值，作为当前处理点对应的中位数输出；

j)若当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数小的个数小于(k+1)/2，则当前处理点对应的中位数，与前一个处理点对应的中位数相等。

所述步骤h)还包括如下步骤：

k)若当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数大的个数等于(k+1)/2，则用当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数次大的数值，作为当前处理点对应的中位数输出；

l)若当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数大的个数小于(k+1)/2，则当前处理点对应的中位数，与前一个处理点对应的中位数相等。

一种快速信号基线处理装置，其包括A/D采样单元、数据点位置判别器、滤波窗口数据存储单元、排序单元、最新采样点记录单元、中位数记录单元、比较器一、滤波窗口中位数判别器、信号基线输出单元、相位补偿单元、减法器、阈值设定单元、比较器二和数据输出单元。

其中一种优选的实现方案是，从A/D采集到的数据，其中一路送入相位补偿单元，延迟R个周期后(本单元的存储长度大于R)，作为基线输出的原始比较数据；一路送入位置判别器；一路送入最新数据采集点记录FIFO；一路送入滤波窗口FIFO(窗口长度为K)；若位置判别器判别输出是开始点，则启动全排序单元，并把全排序单元输出的中位数记录到中位数据记录FIFO中；位置判别器判别输出是非开始点，则关闭全排序单元，且打开最新数据采集点记录FIFO和比较器一，允许其存储值送入比较器一中；接下来比较器一对中位数记录FIFO(FIFO的容量为1)的中值和最新采样点值的大小，并把结果输入滤波窗口中位数判别器；滤波窗口中位数判别器根据上述中描述的步骤进行处理并把输出的中位数存入到中位数记录 FIFO中；中位数记录FIFO中的每次结果会被送入到基线输出单元顺序存储；减法器把相位补偿单元中与其对应的中位数相减值作为输出，并使中位数记录FIFO丢弃已经使用过的中位数；比较器二收到减法器的输出值，并与阈值设定FIFO中的数值比较，若减法器输出结果大于阈值则把此值存储到输出FIFO中，否则不存入输出FIFO中；当输出FIFO中数据半满时，则通知后继处理器读取数据，并把减法器输出的数据放入后半段存储空间中，当后半段存储空间数据满时，则使用前半段存储空间，依次循环即可实现数据输出功能。

本发明主要目的就是要根据实际需求解决中位数计算运算量大的问题，使得中位数计算所需的运算量更小，且硬件逻辑实现更简单，达到较为完整去除原始脉冲信号中的信号基线的目的。对于处理N个数据序列点，若选择的窗口长度为k，那么所需的运算仅需(2*k+3)*N次比较，且数据值分布不均匀并不增加运算量。同时，由于不需要加法运算，也减少了硬件逻辑实现的复杂性。在信号基线处理领域具有明显的应用优势。

附图说明

图1现有脉冲信号示意图；

图2现有有信号基线波动的原始脉冲数据示意图；

图3现有中值滤波示意图；

图4本发明实施例采样数据序列点顺序增加示意图；

图5本发明实施例快速中位数计算流程示意图；

图6本发明实施例滤波窗口选取示意图；

图7本发明实施例的结构图；

图8本发明实施例提取的信号基线数据示意图；

图9本发明实施例去信号基线后的数据示意图；

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

如图所示，公开了一种快速信号基线处理方法及装置。该方法利用采样数据是逐点顺序增加(如图4所示)这一重要信息，提供了一种快速中位数计算方法；并在此基础上实现了中值滤波器，利用中值滤波器输出结果和原始数据相减，实现信号基线去除操作。

一种快速信号基线处理方法包括：

获取当前处理点对应的滤波窗口数据序列，用窗口序列中最后一个位置上的点(适时系统中对应最新采样点)，与前一个处理点对应的中位数值进行比较。根据采用数据是逐点顺序可知，若滤波窗口新加入点的值与前一个点的中位数值相等，则当前点对应于滤波窗口数据序列的中位数与前一个数据点对应的中位数相等；若滤波窗口新加入点的值比前一个点的中位数值小，则当前点对应于滤波窗口数据序列的中位数，或者与前一个处理数据点对应的中位数相等，或者是当前滤波窗口中比前一个处理数据点对应的中位数次小的值；若滤波窗口新加入点的值比前一个点的中位数值大，则当前点对应于滤波窗口数据序列的中位数，或者与前一个处理数据 点对应的中位数相等，或者是当前滤波窗口数据序列中比前一个处理数据点对应的中位数次大的值。如图5所示，是本方法的流程示意图。

一种快速信号基线处理装置(如图7所示)包括：

A/D采样单元，用于对模拟数据进行采集，实现模数转换。

数据点位置判别器，用于判别当前采样点是否是需要处理的开始点，且在判别开始点后锁存状态。

滤波窗口数据存储单元，用于存储当前待处理点的滤波窗口内的采集数据。

排序单元，用于对开始点的滤波窗口内数据点进行排序。

最新采样点记录单元，用于记录最新采样数据，采用覆盖记录方式。

中位数记录单元，用于记录前一个处理点对应的中位数值，若当前处理点为开始点，则其内容置为0。

比较器一，用于判别最新采样数据与前一个处理点对应的中位数间的大小或相等关系。

滤波窗口中位数判别器，根据比较器一的结果，快速判别当前点对应的中位数。

信号基线输出单元，用于输出当前点对应的中位数，并作为信号基线值。如图8，对图2所示数据提取的信号基线数据。

相位补偿单元，用于顺序存储采样数据。并按照先入先出的原则存放数据，其存储区的大小为排序模块所需的延时周期。如图2所示数据，为采集后带脉冲的原始数据，在某个时刻其中的一段将存储在相位补偿单元 中。

减法器，用于输入当前点的原始采样数据值和信号基线值，并用原始采样数据减去信号基线值，作为单元输出。如图9，对图2所示数据去掉信号基线后的数据示意图。

阈值设定单元，用于存储数据压缩的阈值。

比较器二，用于判别采样并去信号基线的数据与设定阈值间的大小关系，大于阈值则输出，小于阈值则丢弃。

数据输出单元，用于存储比较器二的输出结果。

如图7所示，是快速信号基线处理方法和装置的一种优选实施实例结构图。主要包括：A/D采样单元，数据点位置判别器，滤波窗口数据存储单元，排序单元，最新采样点记录单元，中位数记录单元，比较器一，滤波窗口中位数判别器，信号基线输出单元，相位补偿单元，减法器，阈值设定单元，比较器二，数据输出单元。以下是优选实施实例的详细描述。

A/D采样单元用于对信号采样，输出采样数据。滤波窗口数据存储单元用于存储当前处理点对应的窗口数据，若选取滤波窗口长度为k(根据滤波频率要求确定的经验值，且一般选择k为奇数)，通常滤波窗口的选取如图6所示。数据点位置判别器，主要判别信号基线处理的开始点，若是开始点，则启动排序单元对滤波窗口内的数据进行一次全排序，并输出中位数记为M0；若不是开始点，则启动比较器一。最新采样点记录单元，以覆盖旧记录的方式存储最新的采样点数据记为X。中位数记录单元，用于记录当前处理点的前一个点对应的中位数记为M。比较器一，用于判别 X和M的大小关系。滤波窗口中位数判别器，结合比较器一的结果，用于判别滤波窗口的中位数，其判别逻辑如图5所示。信号基线输出单元，输出当前点对应的中位数，并作为当前点的信号基线值。相位补偿单元，用于存储采样数据，所述相位补偿单元的补偿宽度为p，可缓存p个数据，且p的大小与排序单元所需的时间周期成比例，同时p≥k/2。减法器，用于输入当前点的原始采样数据值和信号基线值，并用原始采样数据减去信号基线值，作为单元输出。如图9，对图2所示数据去掉信号基线后的数据示意图。阈值设定单元，用于存储数据压缩采用的阈值。比较器二，用于判别采样并去信号基线的数据与设定阈值间的大小关系，大于阈值则输出，小于阈值则丢弃。数据输出单元，用于存储比较器二的输出结果。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (5)

1.一种快速信号基线处理方法，其特征在于包括如下步骤：

a)选取合适的滤波窗口长度k，并以当前处理点为参考点，选取合适的数据序列填充滤波窗口；

b)如果当前点是开始点，则对滤波窗口中的数据进行排寻，并输出中位数作为当前处理点的信号基线；

c)如果当前点不是开始点，则用快速中位数计算方法计算滤波窗口中的中位数，并作为当前处理点的信号基线输出；

d)用采集到的当前处理点值减去当前处理点的信号基线输出值，作为去信号基线的数据输出。

2.根据权利要求1中所述一种快速信号基线处理方法，其特征在于：所述步骤c)还包括如下步骤：

e)判别当前处理点对应滤波窗口中最后一个数据，与前一个处理点对应的中位数大小关系；

f)若当前处理点对应的滤波窗口最后一个数据，与前一个处理点对应的中位数相等，则当前处理点对应的中位数即为滤波窗口最后一个数据值；

g)若当前处理点对应的滤波窗口最后一个数据，比前一个处理点对应的中位数小，则当前处理点对应的中位数，为滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数次小的数值，或者为前一个处理点对应的中位数；

h)若当前处理点对应的滤波窗口最后一个数据，比前一个处理点对应的中位数大，则当前处理点对应的中位数，为滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数次大的数值，或者为前一个处理点对应的中位数。

3.根据权利要求2中所述一种快速信号基线处理方法，其特征在于所述步骤g)还包括如下步骤：

i)若当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数小的个数等于(k+1)/2，则用当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数次小的数值，作为当前处理点对应的中位数输出；

j)若当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数小的个数小于(k+1)/2，则当前处理点对应的中位数，与前一个处理点对应的中位数相等。

4.如权利要求2中所述一种快速信号基线处理方法，其特征在于所述步骤h)还包括如下步骤：

k)若当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数大的个数等于(k+1)/2，则用当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数次大的数值，作为当前处理点对应的中位数输出；

l)若当前滤波窗口中比前一个处理点对应的中位数大的个数小于(k+1)/2，则当前处理点对应的中位数，与前一个处理点对应的中位数相等。

5.一种快速信号基线处理装置，其特征在于：包括A/D采样单元、数据点位置判别器、滤波窗口数据存储单元、排序单元、最新采样点记录单元、中位数记录单元、比较器一、滤波窗口中位数判别器、信号基线输出单元、相位补偿单元、减法器、阈值设定单元、比较器二和数据输出单，所述A/D采集到的数据，其中一路送入所述相位补偿单元，延迟后，与作为基线输出的原始比较数据；一路送入所述位置判别器；一路送入所述最新数据采集点记录单元；一路送入所述滤波窗口中位数判别器；

若所述位置判别器判别输出是开始点，则启动全排序单元，并把全排序单元输出的中位数记录到所述中位数据记录单元中；

所述位置判别器判别输出是非开始点，则关闭全排序单元，且打开最新数据采集点记录单元和比较器一，允许其存储值送入比较器一中；接下来比较器一对中位数记录单元的中值和最新采样点值的大小，并把结果输入滤波窗口中位数判别器；滤波窗口中位数判别器把输出的中位数存入到中位数记录单元中；中位数记录单元中的每次结果会被送入到基线输出单元顺序存储；减法器把相位补偿单元中与其对应的中位数相减值作为输出，并使中位数记录单元，丢弃已经使用过的中位数；比较器二收到减法器的输出值，并与阈值设定单元中的数值比较，若减法器输出结果大于阈值则把此值存储到输出单元中，否则不存入输出单元中；当输出单元中数据半满时，则通知后继处理器读取数据，并把减法器输出的数据放入后半段存储空间中，当后半段存储空间数据满时，则使用前半段存储空间，依次循环即可实现数据输出功能。

Images