CN102176667B - 一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字陷波的技术领域，具体涉及一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置与方法。本发明包括：单独对工频信号进行采集，并进行自适应调节，分析和对比，若对比结果超过设定的阈值则调整工频数字陷波器系数，对人体信号进行陷波，得到滤波结果，并对滤波结果进行输出。本发明可以实时准确地采集空间工频信号，及时跟踪陷波，有效衰减工频信号对有用信号的干扰，并可以解决工频频率波动造成数字陷波衰减幅度不够等问题，在临床应用中可以使波形平滑，有利于准确诊断，避免误诊。
Description
技术领域
本发明涉及数字陷波的技术领域，具体涉及一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置与方法。
背景技术
电子设备工作过程中经常面临着各种干扰和噪声，最常见的就是电网的工频干扰(50Hz或60Hz)。滤除工频干扰是信号处理领域需要解决的一个重要问题。目前，数字陷波技术已在工频干扰的处理上得到较多的应用。但传统的工频数字陷波器，陷波中心频率固定，有效带宽窄；而实际工频频率往往不固定，偏差+/-1Hz，从而偏离数字陷波中心频率的信号往往衰减不够。在诸如心电信号检测等实际应用中，有用信号的频率范围与50/60Hz往往重叠，如果增大工频数字陷波器的带宽往往会导致有用信号相应频率分量损失、信号变形。
为了解决上述技术难点，可以使用硬件电路采集实时的50/60Hz信号，提取其频率，作为数字滤波的输入参数，实现工频自适应跟踪陷波。硬件上业界当前使用的方案主要有从右腿驱动提取工频信号和从网电源衰减得到工频信号等方案。利用右腿驱动提取工频信号的方案，存在信号失真较大、采集频率精度低、识别时间长等不足；而网电衰减方案应用范围小，不适合无网电设备（如电池供电设备）的应用。软件上业界普遍使用过零比较得到与工频同周期方波信号，再长时间计数统计平均得到工频频率，并通过此频率查表得到工频陷波的设置参数的方案，这种方案识别工频采集精度低，更新时间长，且陷波参数调整误差大。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的即在于一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置与方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置，包括：
人体信号采集模块，所述人体信号采集模块用于对人体信号进行采集；
工频信号采集模块，用于对工频信号进行采集；
自适应调节模块，所述自适应调节模块与工频信号采集模块连接，用于对工频信号幅度进行自适应调节，使其得到稳定的正弦波形工频信号；
工频信号分析模块，所述工频信号分析模块与自适应调节模块连接，用于对工频信号进行分析，得到工频频率；
工频频率存储模块，所述工频频率存储模块与工频信号分析模块连接，用于对工频频率进行存储；
工频频率对比模块，所述工频频率对比模块与工频频率存储模块和工频信号分析模块连接，用于将本次分析得到的工频频率与存储在工频频率存储模块中前一次分析得到的工频频率进行对比；
滤波模块，所述滤波模块和人体信号采集模块连接，包括：陷波模块；所述陷波模块还与工频频率对比模块连接，当工频频率的对比值超过设定的阈值时调整陷波器系数，对人体信号中的干扰工频信号进行陷波，并得到滤波结果；
滤波结果输出模块，所述滤波结果输出模块与滤波模块连接，用于输出滤波结果。
一种基于频率跟踪的工频数字陷波方法，包括：
对人体信号和工频信号同时进行独立的采集；
对工频信号的幅度进行自适应调节，得到稳定工频信号；
对该稳定工频信号进行傅里叶分析，得到对应的工频频率；
对该工频频率进行储存，并继续对工频信号分别进行采集；
调用前一次分析得到的工频频率，将本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率进行对比，若本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差超过设定的阈值，则根据本次分析得到的工频频率调整工频数字陷波器系数对所述人体信号中所含有的干扰工频信号进行陷波，若本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差没超过设定的阈值，则不调整工频数字陷波器系数，直接进行陷波，得到滤波结果；
对滤波结果进行输出。
本发明要解决的技术问题是提供一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置与方法，能够自动检测工频波动，实时跟踪工频频率，并快速准确检测到当前频率，据此精确调整工频数字陷波器的参数，使之能够有效地衰减当前的工频干扰，排除业界普遍存在的采集精度低、反应时间长、陷波器参数调整误差大等问题。
本发明可以实时准确地采集空间工频信号，及时跟踪陷波，有效衰减工频信号对有用信号的干扰，并可以解决工频频率波动造成数字陷波衰减幅度不够等问题，在临床应用中可以使波形平滑，有利于准确诊断，避免误诊。
使用天线采集空间工频信号，采集到的工频频率准确；采用离散傅立叶变换，比用“正弦信号过零检测频率”要准确；采用滑动DFT技术，只需计算50/60Hz附近的有限个离散频谱，而不需计算无关的频谱，且滑动DFT是递归实现、逐点运算的，运算量比较低；在频域直接进行加窗，减小频谱泄漏的同时不影响滑动DFT的高效性；采用频谱内插的方法，可以在只需少量的离散频谱的情况下，准确地计算得到实际工频频率值；采用公式法计算陷波器系数，比查表法具有存储量小、精度高的优点。
综上，采用本发明的技术，可以用较少的运算量实现高效、准确的自动频率跟踪，从而有效地衰减工频干扰。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。
图1为本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置一个实施例的示意图；
图2为本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置另一个实施例的示意图；
图3为本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置中增益单元的一个实施例的电路原理图；
图4为本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置中增益单元的另一个实施例的电路原理图；
图5为本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置中增益单元的另一个实施例的电路原理图；
图6为本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波方法一个实施例的示意图；
图7为本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波方法另一个实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置，包括：
人体信号采集模块101，所述人体信号采集模块101与滤波模块120连接，用于对人体信号进行采集；所述人体信号中含有干扰工频信号；
工频信号采集模块102，用于对工频信号进行采集；
自适应调节模块103，所述自适应调节模块103与工频信号采集模块102连接，用于对工频信号幅度进行自适应调节，使其得到稳定的正弦波形工频信号；
工频信号分析模块104，所述工频信号分析模块104与自适应调节模块103连接，用于对工频信号进行分析，得到工频频率；
工频频率存储模块105，所述工频频率存储模块105与工频信号分析模块104连接，用于对工频频率进行存储；
工频频率对比模块106，所述工频频率对比模块106与工频频率存储模块105和工频信号分析模块104连接，用于将本次分析得到的工频频率与存储在工频频率存储模块105中前一次分析得到的工频频率进行对比；
滤波模块120，所述滤波模块120与滤波模块120连接，包括：陷波模块107；所述陷波模块107与工频频率对比模块106连接，用于当工频频率的对比值超过设定的阈值时调整陷波器系数，对人体信号中的干扰工频信号进行陷波，并得到滤波结果；
滤波结果输出模块108，所述滤波结果输出模块108与与滤波模块120和陷波模块107连接，用于输出滤波结果。
进一步，所述自适应调节模块103包括：
信号增益单元112，所述信号增益单元112用于对工频信号进行增益处理；
所述信号增益单元112可以以三种方式实现：
方式一，如图3所示，图中C1、C2构成工频衰减电路，C3接入电路可以调节衰减倍数，CONTROL1控制M1是否导通，即C3是否接入电路；R9是偏置电阻，提供U1的偏置电流；U1实现信号的增益，R1、R2决定增益倍数，CONTROL2控制M2是否导通，从而控制R3是否接入电路，调节U1的增益。R4、C4、R5、C5、U2构成多反馈带通（MFBP）电路，实现带通滤波电路，滤除工频之外的无关频率；R6、R7、R8实现电压的偏置，使信号达到A/D的输入范围要求。
方式二，方式二的电路大体上与方式一相同，不过增益控制部分不一样。方式一中C1、C2、C3、M1构成的衰减调节电路，R1、R2、R3、M1构成的增益调节电路，是使用模拟MOS管控制，不利于实现多路增益控制。可以使用多路模拟开关实现。如图4所示，图中C1、C2构成工频衰减电路，C3接入电路可以调节衰减倍数，CONTROL1控制多路模拟开关是接入C2还是C3，或者更多通路不同容值的电容，实现不同的衰减倍数；R9是偏置电阻，提供U1的偏置电流；U1实现信号的增益，R1、R2决定增益倍数，CONTROL2控制多路模拟开关，调节R2、R3或者多路不同阻值电阻接入电路，调节U1的增益，得到合适的输出信号范围。
方式三，方式三提供更简单更精确的增益控制实施方案。前端衰减电路和后端偏置电路可以与方式一相同电路实现。但是运放增益控制使用DPP（数字可编程电位器）实现，如图5所示。当A/D检测到信号范围不适宜，不能准确跟踪频率时，可以通过CONTROL1精确调节DPP阻值，从而调节信号放大倍数，使A/D准确采集信号，正确跟踪频率。此实施例电路可以更简单，调节更灵敏，精度更高。
信号判断单元113，所述信号判断单元113与信号增益单元连接，用于判断工频信号的采集值，若该采集值过大，则控制信号增益单元降低增益倍数；若该采集值过小，则控制信号增益单元提高增益倍数。
进一步，所述工频信号分析模块104包括：
波形变换单元114，所述波形变换单元114用于利用滑动离散傅立叶变换技术对该正弦波形工频信号实现离散傅立叶变换；
加窗单元115，所述加窗单元115与波形变换单元114连接，用于对经过离散傅立叶变换的工频信号进行加汉宁窗操作；
频谱内插单元116，所述频谱内插单元116与加窗单元115连接，用于对经过加汉宁窗操作的工频信号进行频谱内插得到局部幅频最大值所对应的工频频率。
进一步，所述工频数字陷波装置还包括：滤波选择模块109，所述滤波选择模块109与滤波模块120连接，用于根据用户的选择将人体信号发送至滤波模块120；
所述滤波模块120还包括：高通滤波模块110、低通滤波模块111，所述高通滤波模块110，用于滤除人体信号中的低频干扰信号，并得到滤波结果；所述低通滤波模块，用于滤除人体信号中的高频干扰信号，并得到滤波结果。
进一步，所述滤波结果输出模块108包括：
显示单元117、打印单元118和存储单元119。
请参阅图6，本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波方法，主要包括：
601.采集工频信号
对工频信号进行独立的采集；
602.进行自适应调节
对工频信号的幅度进行自适应调节，得到稳定工频信号；
603.分析工频信号
对该稳定工频信号进行傅里叶分析，得到对应的工频频率；
604.储存工频频率
对该工频频率进行储存，并继续对工频信号分别进行采集；
605.判断频率差是否超过阈值
调用前一次分析得到的工频频率，将本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率进行对比，若本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差超过设定的阈值，则根据本次分析得到的工频频率调整工频数字陷波器系数进行陷波，若本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差没超过设定的阈值，则不调整工频数字陷波器系数，直接进行陷波；
606.不调整工频数字陷波器系数
当判断结果为本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差没超过设定的阈值，则不调整工频数字陷波器系数，直接进行陷波；
607.调整工频数字陷波器系数
当判断结果为本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差超过设定的阈值，则根据本次分析得到的工频频率调整工频数字陷波器系数进行陷波；
608.采集人体信号
在对工频信号采集的同时，对人体信号进行独立的采集；
609. 对人体信号中的干扰工频信号进行陷波
对人体信号中的干扰工频信号进行陷波，得到滤波结果；
610.对滤波结果进行输出
对滤波结果进行输出。
为了能更好的理解本发明，下面以另一个实施例对本发明一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置与方法进行详细描述，请参看图7，具体为：
701.采集工频信号
对工频信号进行独立的采集；对工频信号的采集可以采用两种方法：
由于空间存在工频辐射信号，该工频辐射信号通过各种途径能够耦合到电路的各个部分，对有用信号形成共模干扰。在本实施例中第一种采集工频数据的方法为：使用差分PCB天线在PCB板上采集空间工频信号，使共模信号转变为可处理的差模信号；
另外，空间的工频干扰信号也会耦合到人体上，并混叠在心电信号中，被采集到设备中，所以各个导联通道上都有共模的的工频信号。所以在本实施例中第二种采集工频数据的方法为：在一个导联通道的缓冲器输出端提取共模的工频信号；
702. 进行增益处理
对工频信号进行增益处理，先以默认增益倍数对工频信号进行处理；当收到改变增益倍数的指令时，以指令中的增益倍数进行增益处理，使该工频信号成为稳定工频信号；
703. 判断工频信号的采集值
对工频信号的采集值进行判断，如果该采集值过大，则降低增益倍数；如果该采集值过小，则提高增益倍数；使采集到的工频信号成为完整的正弦波形工频信号；
704. 修改增益倍数
按照对工频信号的采集值进行判断的结果修改增益倍数；
705. 进行离散傅立叶变换
根据用户的选择结果，利用滑动离散傅立叶变换技术对该正弦波形工频信号实现离散傅立叶变换。取出每次参与滑动DFT计算的点数N，该N值决定了频率分辨率；以及不同频率所对应的频率指标k(frequency index)，求得频率指标k处的复幅（幅度和相位）。本发明实施例所选取的N为M倍的采样频率，这样得到DFT的频率分辨率为(1/M)Hz。为了衰减频率在50Hz附近波动的工频干扰，需要计算X个连续频点的频谱值。X的选择应在包含频率波动范围的基础上，再向左右各扩展至少两个频点。
进行加汉宁窗操作
对经过离散傅立叶变换的工频信号继续加汉宁窗操作，在加汉宁窗后，得到(X-2)个频点的加窗复幅。
频谱内插
通过频谱内插得到局部幅频最大值所对应的工频频率。频谱内插具体为：设实际工频干扰频率为 
。其中， 
为频率指标， 为频率偏移指标， 为频率分辨率。分别取这(X-2)个复幅的模并比较大小，得到幅频极大值和次大值。如果极大值对应的频率指标为 ，次大值对应的频率指标为 +1，则 
；反之， 
。设 
+1处的频谱幅值与 
处的频谱幅值的比值为 
，通过 可以确定频率偏移指标 
，由此计算得到工频干扰频率 
。
储存工频频率
对该工频频率进行储存，并继续对工频信号分别进行采集；
709. 判断频率差是否超过阈值
调用前一次分析得到的工频频率，将本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率进行对比；
710. 不调整工频数字陷波器系数
当判断结果为本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差没超过设定的阈值，则不调整工频数字陷波器系数，直接进行陷波；
711. 调整工频数字陷波器系数
当判断结果为本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差超过设定的阈值，则根据本次分析得到的工频频率调整工频数字陷波器系数进行陷波；
712. 采集人体信号并进行滤波处理
在对工频信号采集的同时，对人体信号进行独立的采集；
判断用户对人体信号的滤波方式的选择，并根据所选的滤波方式进行高通滤波和/或低通滤波和/或陷波滤波，并得人体信号的滤波结果；在本实施中，可单独的使用其中的一种滤波方式进行滤波或可使用多种滤波方式进行组合滤波；
713. 对人体信号中的干扰工频信号进行陷波
对人体信号中的干扰工频信号进行陷波，得到滤波结果；
714. 对滤波结果进行输出
对滤波结果进行输出，该输出的方法包括对滤波进行显示、打印和/或存储。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置，其特征在于，包括：
人体信号采集模块，所述人体信号采集模块用于对人体信号进行采集；
工频信号采集模块，用于对工频信号进行采集；
自适应调节模块，所述自适应调节模块与工频信号采集模块连接，用于对工频信号幅度进行自适应调节，使其得到稳定的正弦波形工频信号；
工频信号分析模块，所述工频信号分析模块与自适应调节模块连接，用于对工频信号进行分析，得到工频频率；
工频频率存储模块，所述工频频率存储模块与工频信号分析模块连接，用于对工频频率进行存储；
工频频率对比模块，所述工频频率对比模块与工频频率存储模块和工频信号分析模块连接，用于将本次分析得到的工频频率与存储在工频频率存储模块中前一次分析得到的工频频率进行对比；
滤波模块，所述滤波模块和人体信号采集模块连接，包括：陷波模块；所述陷波模块还与工频频率对比模块连接，当工频频率的对比值超过设定的阈值时调整陷波器系数，对人体信号中的干扰工频信号进行陷波，并得到滤波结果；
滤波结果输出模块，所述滤波结果输出模块与滤波模块连接，用于输出滤波结果；
其中，所述对工频信号进行采集包括：使用差分PCB 天线采集空间工频信号；
所述自适应调节模块包括：
信号增益单元，所述信号增益单元用于对工频信号进行增益处理；
信号判断单元，所述信号判断单元与信号增益单元连接，用于判断工频信号的采集值，若该采集值过大，则控制信号增益单元降低增益倍数；若该采集值过小，则控制信号增益单元提高增益倍数。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置，其特征在于，所述工频信号分析模块包括：
波形变换单元，所述波形变换单元用于利用滑动离散傅立叶变换技术对该正弦波形工频信号实现离散傅立叶变换；
加窗单元，所述加窗单元与波形变换单元连接，用于对经过离散傅立叶变换的工频信号进行加汉宁窗操作；
频谱内插单元，所述频谱内插单元与加窗单元连接，用于对经过加汉宁窗操作的工频信号进行频谱内插得到局部幅频最大值所对应的工频频率。
3. 根据权利要求2 所述的一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置，其特征在于，所述工频数字陷波装置还包括：
滤波选择模块，所述滤波选择模块与滤波模块连接，用于根据用户的选择将人体信号发送至滤波模块；
所述滤波模块还包括：高通滤波模块、低通滤波模块，所述高通滤波模块，用于滤除人体信号中的低频干扰信号，并得到滤波结果；所述低通滤波模块，用于滤除人体信号中的高频干扰信号，并得到滤波结果。
4. 根据权利要求3所述的一种基于频率跟踪的工频数字陷波装置，其特征在于，所述滤波结果输出模块包括：
显示单元、打印单元和存储单元。
5. 一种基于频率跟踪的工频数字陷波方法，其特征在于，包括：
对人体信号和工频信号同时进行独立的采集；
对工频信号的幅度进行自适应调节，得到稳定工频信号；
对该稳定工频信号进行傅里叶分析，得到对应的工频频率；
对该工频频率进行储存，并继续对工频信号分别进行采集；
调用前一次分析得到的工频频率，将本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率进行对比，若本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差超过设定的阈值，则根据本次分析得到的工频频率调整工频数字陷波器系数对所述人体信号中所含有的干扰工频信号进行陷波，若本次分析得到的工频频率与前一次分析得到的工频频率的频率差没超过设定的阈值，则不调整工频数字陷波器系数，直接进行陷波，得到滤波结果；
对滤波结果进行输出；
其中，所述对人体信号和工频信号同时进行独立的采集包括：使用差分PCB 天线采集空间工频信号；
所述对工频信号的幅度进行自适应调节，得到稳定工频信号包括：以默认增益倍数对工频信号进行处理，硬件滤波电路滤除信号中高频和低频干扰信号供主控单元处理，并对工频信号的采集值进行判断，如果该采集值过大，则降低增益倍数；如果该采集值过小，则提高增益倍数；使采集到的工频信号成为完整的正弦波形工频信号。
6. 根据权利要求5所述的一种基于频率跟踪的工频数字陷波方法，其特征在于，所述的对人体信号和工频信号同时进行独立的采集后包括：判断用户对人体信号的滤波方式的选择，并根据所选的滤波方式进行高通滤波和/或低通滤波和/或陷波滤波。
7. 根据权利要求6所述的一种基于频率跟踪的工频数字陷波方法，其特征在于，所述对该稳定工频信号进行分析，得到对应的工频频率包括：
利用滑动离散傅立叶变换技术对该正弦波形工频信号实现离散傅立叶变换后，进行加汉宁窗操作，再通过频谱内插得到局部幅频最大值所对应的工频频率。
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