CN103457539A - 用于压缩高频信号的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于压缩高频信号的系统和方法”。本文某些实施例中描述用于压缩高频信号的系统和方法。根据某些实施例，可以将高频信号转换成较低频信号，以便能够由较低频基础设施中的一个或多个装置来处理该信号。在某些实施例中，可以由某些信号调整组件和计算机处理器执行的算法来压缩高频信号，计算机处理器执行的算法至少接收高频信号、校正高频信号、确定要从高频信号取得的样本的数量（即，对高频信号采样）、存储与采样的信号关联的值以及生成包含可表示原始高频信号的较低频内容的波形。

Description

用于压缩高频信号的系统和方法

技术领域

本文的实施例一般涉及信号处理，以及更具体地来说涉及压缩高频信号中的内容。

背景技术

多种测量系统和设备能够从高频信号捕获内容。但是，处理此类信号可能需要专用且专门的基础设施，包括特殊的布线、高速数据采集装置和大存储装置。此类基础设施可能构造昂贵以及在每次高频信号需要处理时维护昂贵。可能无能力处理高频信号的更多常规基础设施未被充分地利用来提供更多样性且具有成本效率的备选。

发明内容

可以通过本发明的某些实施例来解决一些或所有上文的需求和/或问题。某些实施例可以包括用于压缩高频信号的系统、方法和设备。根据一个实施例，披露一种设备，其包括：开关，其配置成接收至少一个压缩的信号，其中该至少一个压缩的信号部分地通过压缩至少一个测量的信号来创建；耦合到开关的调制器，其配置成调制至少一个压缩的信号；耦合到调制器的滤波器，其配置成滤波至少一个测量的信号；耦合到调制器的至少一个存储器，其配置成存储至少一个压缩的信号；以及耦合到开关、调制器、滤波器或至少一个存储器的至少其中之一的控制接口，其配置成控制开关、调制器、滤波器或至少一个存储器的至少其中之一以压缩至少一个测量的信号。

根据另一个实施例，披露一种系统，其包括存储计算机可执行指令的至少一个存储器和配置成访问该至少一个存储器的至少一个处理器，其中该至少一个处理器配置成执行计算机可读指令以接收信号、校正信号、确定要从校正的信号收集的样本的数量、对于多个分组中的每个分组存储校正的信号的最大值，并至少部分地基于对于多个分组中的每个分组存储的最大值生成波形。

根据又一个实施例，披露一种方法，其用于从监视的机器接收至少约100 kHz的高频信号，通过仅记录高频信号的预定义部分来校正高频信号，确定要从校正的高频信号收集的样本的数量，至少部分地基于样本的数量将高频信号分成多个分组，对于多个分组中的每个分组存储校正的高频信号的最大值，并至少部分地基于对于多个分组中的每个分组存储的最大值生成波形。

从下文的详细描述、附图和所附权利要求，本领域技术人员将显见到本发明的其他实施例、系统、方法、设备、方面和特征。

附图说明

该详细描述是参考附图来进行的，这些附图不一定按比例来绘制。在不同附图中使用相同的引用号来指示相似或完全相同的项。

图1是根据一个实施例的设备的框图，该设备包括但不限于用于压缩高频信号的信号调整组件。

图2a是根据本文的某些实施例采样的高频信号的图形说明。

图2b是根据一个实施例可以通过压缩高频信号得到的示范波形的图形说明。

图3是根据一个实施例的用于压缩高频信号的示范计算环境的框图。

图4是说明根据一个实施例的用于压缩高频信号的方法的细节的流程图。

具体实施方式

现在将在下文参考附图更全面地描述说明性实施例，附图中示出了本发明的一些而非全部实施例。本发明可以采用许多不同的形式来实施，而不应视为局限于本文阐述的实施例；更确切地，提供这些实施例以使本公开将满足适用的法律要求。

本发明的说明性实施例尤其针对高频信号的压缩。正如本文所使用的，如果信号大于或等于约100 KHz，则可以将其视为高频信号。压缩高频信号可以一般指将高频信号转换到较低频信号，即低于约100 KHz的信号。本文某些实施例针对的是将高频信号压缩成较低频信号，以使它们能够被可以处理较低频信号但是不能处理高频信号的基础设施，即如本文使用的较低频基础设施使用。例如，如监视器的某些输入/输出（IO）装置和将此类装置连接到多种高频系统的布线可能无法以其原始形式接收和处理高频信号。

可以使用本文某些实施例中的多种系统和组件来执行高频信号的压缩。作为概述，执行计算机指令的计算机系统可以压缩高频信号。计算机系统能够接收如超声波的高频信号，并校正该信号以供后续处理。例如，可以将高频信号放大以增加高频信号的分辨率。计算机系统还可以滤波高频信号以保持某些频率的数据。根据一个实施例，可以将信号进一步整流，以便能够捕获表示高频信号的沿正弦波形的峰值电平。

在一个实施例中，在校正了高频信号之后，计算机系统可以确定对高频信号采样的速率。可以存储所取每个样本的最大值，并将其用于创建振幅调制的波形，该振幅调制的波形可以将原始高频信号表示为较低频信号。可以通过现场布线将所生成的波形发送到IO装置，现场布线和IO装置二者均在较低频基础设施中，在该较低频基础设施中能够处理或分析所生成的波形。根据某些实施例，在如上文描述的压缩高频信号之前，现场布线和IO装置将无法处理高频信号。计算机系统还能够将多个压缩的高频信号组合成单个较低频信号，并将组合的信号发送到较低频基础设施。本文某些实施例还描述一种也能够实现上文描述的高频信号的压缩的设备。

本文某些实施例的技术效果可以是以使得并非需要处理高频信号的所有情况均必需用于处理这种高频信号的相对昂贵基础设施的方式降低了与处理高频信号关联的成本。

图1描绘了根据一个实施例的能够用于压缩高频信号的设备。该设备可以包括但不限于信号调整器104和IO模块120。在一个实施例中，该设备可以是模数（AD）转换器。信号调整器104可以从一个或多个传感器102接收高频信号。可以将一个或多个传感器102与作为非限制性示例的旋转和往复运动设备上的调整监视系统或其他测量系统设备关联。还可以从可以生成高频信号的多种其他类型的设备接收高频信号。在一个实施例中，该设备可以包括但不限于，可以校正高频，处理校正的信号和以可以表示原始高频信号的较低频率输出波形的组件。

信号调整器104可以包括但不限于最大值检测和保持控制接口112。在一个实施例中，可以将最大值检测和保持控制接口112耦合到开关、调制器、滤波器和至少一个存储器的其中一个或多个。此类接口可以控制这些组件中的每个组件以压缩一个或多个信号，如从测量设备接收的信号，即测量的信号。在实施例的一个方面中，测量的信号可以是至少约100 KHz的高频信号。

在一个实施例中，可以使用一个或多个预放大器106、滤波器108和信号整流器110来校正测量的信号。根据此实施例，预放大器106可以将测量的信号放大以通过例如增加信噪比来增加测量的信号的分辨率。可以将滤波器108耦合到调制器，并将其配置成从测量的信号滤掉无效或非期望的数据点。示范滤波器可以包括但不限于，带通滤波器和抽取带宽滤波器。在一个实施例中，可以将信号整流器110配置成通过仅记录信号的预定义部分来校正测量的信号。在实施例的一个方面中，测量的信号的预定义部分可以是信号的正值部分。在其他实施例中，信号整流器110可以记录信号的其他部分以校正信号或以其他方式准备测量的信号以供压缩。

在某些实施例中，最大值检测和保持控制接口112可以实现计算机算法以压缩测量的信号，如校正的高频信号。在一个实施例中，可以由数字信号处理器（DSP）来实现该计算机算法，该数字信号处理器（DSP）能够在其固件中接收用于执行压缩的计算机可执行的指令。最大值检测和保持控制接口112可以确定从校正的信号获取数字样本的速率。此类确定中的主要因子可以是调制信号所期望的频率。调制的频率可以取决于可以接收和处理调制的信号的基础设施或设备。例如，要处理可以表示原始高频约454 KHz信号的以约20 KHz调制的信号，将需要取得约23个样本。可以通过将原始高频信号（约454 KHz）除以调制的信号的期望频率（约20 Hz）来确定样本的数量。

根据一个实施例，在确定了要获取的样本的数量时，最大值检测和保持控制接口112可以获取这些样本。根据一个示例图2a中的示范信号的较浅阴影部分表示所获取的样本。在一个实施例中，较浅阴影部分可以具有等于采样频率（例如，20 KHz）的倒数乘以样本数量（例如23）的长度。最大值检测和保持控制接口112可以将获取的样本存储在存储器中，该存储器可以耦合到调制器并配置成存储压缩的信号。在实施例的一个方面中，可以存储所获取的数字样本的最大值。在另一个方面中，可以存储多个分组中每个分组的校正的信号的最大值。

可以进一步处理压缩的信号，例如图2b所示的压缩的信号，以使之适于被较低频基础设施接收。在某些实施例中，此类基础设施可能需要模拟信号。在一个实施例中，在实施例的一个方面中，最大值检测和保持控制接口112可以“填充”压缩的信号下方的区域，以使压缩的信号可以包括振幅调制的正弦波形。此类波形可以由最大值检测和保持控制接口112对来自压缩的信号的数据执行某些计算来生成。这些计算可以包括但不限于，基于采样频率确定波形的调制。图2b中示出由这些计算可得到的示范波形。此类波形可以是无高频内容的，并且因此可以在某些较低频基础设施中使用。

在一个实施例中，控制接口112实现的算法可以采用Microsoft® Visual Basic® for Applications（VBA）来实现，并且可以以与VBA兼容的格式存储数据，如从Microsoft® Excel®输出的冒号分隔值（CSV）格式的数据。在其他实施例中，可以使用多种其他编程语言和数据格式来实现该算法。

在一个实施例中，最大值检测和保持控制接口112还可以配置成将压缩的信号分成至少两个分段，这两个分段可以至少部分地基于要从校正的信号收集的样本的确定的数量。在实施例的一个方面中，多个分组的数量可以至少部分地基于至少两个分段。可以将最大值检测和保持控制接口112进一步配置成存储或输出所生成的波形。例如，可以由调制器114经现场布线将所生成的波形传递到较低频基础设施中的IO模块120，调制器114可以耦合到开关并且配置成以例如其正弦波形调制压缩的信号。可以将开关116配置成接收至少一个压缩的信号，根据一个实施例，可以通过压缩一个或多个测量的信号来创建该至少一个压缩的信号。在某些实施例中，开关116可以是多输入单输出开关，如复用开关，其能够将压缩的信号组合成单个信号，然后由调制器114将其传送到较低频基础设施中的IO模块120。在一些实施例中，在能够处理信号之前，可能需要IO模块120中的滤波器122以在IO模块122处将组合的信号分离。

在某些实施例中，压缩高频信号的过程可能引入定时误差，该定时误差反应压缩的信号与测量的高频信号之间的时滞（lag）。在上文的示例中，可能引入约6.3×10^-5秒的定时误差，((23个样本*1.25)/454 KHz，其中1.25是因子，以及454 KHz是高频信号的大约频率。根据某些实施例，此类误差或更小误差能够是可接受的。

图3描绘了用于压缩高频信号的示范计算环境的框图。计算环境300可以包括计算装置，该计算装置可以包括能够与存储器302通信的处理器304。该处理器304可以按需以硬件、软件、固件或其组合的形式来实现。处理器304的软件或固件实现可以包括以任何适合编程语言编写以执行所描述的多种功能的计算机可执行或机器可执行指令。计算装置的示例可以包括个人计算机、主机、Web服务器、移动装置或能够执行指令以执行本文实施例中描述的功能的任何基于处理器的装置。

存储器302可以存储可在处理器304上加载并执行的程序指令，以及这些程序执行期间生成的数据。根据计算环境300的配置和类型，存储器302可以是易失性的（如随机访问存储器（RAM））和/或非易失性的（如只读存储器（ROM），闪存等）。该计算机装置还可以包括附加的可移动存储装置306和/或不可移动存储装置308，包括但不限于磁存储装置、光盘和/或磁带存储装置。磁盘驱动器及其关联的计算机可读介质可以提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和用于计算装置的其他数据的非易失性存储装置。在一些实现中，存储器302可以包括多个不同类型的存储器，如静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）或ROM。

存储器302、可移动存储装置306和不可移动装置308全部是计算机可读存储介质的示例。例如，计算机可读存储介质可以包括以用于存储如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。可能存在的附加类型的计算机存储介质包括但不限于，可编程随机存取存储器（PRAM）、SRAM、DRAM、RAM、ROM、电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）、闪存或其他存储技术、压缩盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储装置、或能够用于存储期望的信息且能够被计算装置访问的任何其他介质。上文任何部分的组合也应被包含在计算机可读介质的范围内。

但是，在其他实施例中，计算机可读通信介质可以包括计算机可读指令、程序模块或数据信号内传送的其他数据，如载波信号或其他传输。但是，正如本文所使用的，计算机可读存储介质不包括计算机可读通信介质。

计算环境300还可以包括一个或多个通信连接310。在一个实施例中，连接310可以使得计算机装置从以高频信号接收内容的一个或多个传感器接收数据。根据多种实施例，计算机装置和设备之间的连接可以是有线的或无线的。计算环境300还可以包括一个或多个输入装置312，如键盘、鼠标、笔、语音输入装置和触摸输入装置。它还可以包括一个或多个输出装置314，如显示器、打印机和扬声器。

转到更详细地描述存储器302的内容，存储器302可以包括但不限于，操作系统316和用于实现本文披露的特征和方面的一个或多个应用程序或服务，包括信号接收模块318、信号校正模块320、样本大小确定模块322、最大值存储模块324和波生成模块326。

在实施例的一个方面中，信号接收模块318可以接收如至少约100 KHz的高频信号的信号。可以由信号校正模块320校正信号。信号的校正可以包括将信号放大以增加信号的分辨率。放大可以与上文描述图1中的预放大器106所执行的放大相似。信号的校正还可以包括滤波信号以移除无效或非期望的数据点。根据一个实施例，滤波可以与滤波器108所执行的滤波相似。在一个实施例中，高频信号的校正还可以包括与信号整流器110所执行的相似的方式仅记录信号的预定义部分。在实施例的一个方面中，信号的预定义部分可以是信号的正值部分。

在校正了信号时，样本大小确定模块322可以确定要从校正的信号收集的样本的数量。在一个实施例中，可以基于调制信号所期望的频率来确定样本的数量。在一个实施例中，样本大小确定模块322还可以将信号分成至少两个分段，这两个分段可以至少部分地基于可从校正的信号收集的样本的确定的数量。

例如，最大值存储模块324可以将校正的信号存储在存储器中。根据多种实施例，可以存储信号的不同表示。在一个实施例中，可以存储多个分组的校正的信号的最大值。在实施例的一个方面中，多个分组的数量可以至少部分地基于信号的至少两个分段。可以使用多个分组的最大值生成波形，例如由波形生成模块326生成的振幅调制的正弦波形。在实施例的一个方面中，波形生成模块326还可以存储和/或输出所生成的波形。

虽然图3中的实施例描述具有包含多种模块的存储器302的计算机装置，但是将认识到，根据其他实施例，可以将与计算机装置关联的某些功能性分布到任何数量和组合的计算机或基于处理器的装置上。可以在计算机可执行指令的常见应用环境中考虑本文描述的多种指令、方法和技术，如一个或多个计算机或其他装置执行的程序模块。一般，程序模块包括，用于执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例行程序、程序、对象、组件、数据结构等。这些程序模块等可以作为本机码来执行，或可以被下载并在虚拟机中或其他适时相容执行环境中执行。典型地，在多种实施例中，可以按期望组合或分布程序模块的功能性。可以这些模块和技术的实现存储在某种形式的计算机可读存储介质上。

图4是说明用于压缩高频信号的方法的细节的示范流程图。在一个示例中，计算装置可以执行过程400的操作中任何一个、一些或全部操作。过程400图示为逻辑流程图，其中每个操作表示能够在以硬件、软件或其组合实现的操作序列。在软件的应用环境中，这些操作可以表示在被一个或多个处理器执行时执行所引述的操作的一个或多个计算机可读存储介质上存储的计算机可执行指令。一般，计算机可执行指令可以包括，执行特定功能或实现特定抽象数据类型的例行程序、程序、对象、组件、数据结构等。描述这些操作的次序无意被视为限制，并且可以以任何次序和/或并行地组合任何数量的所描述的操作以实现该过程。

在此特定实现中，过程400可以开始于框402，其中可以接收高频信号。在一个实施例中，可以由信号调整器104从一个或多个传感器102接收高频信号，如图1所示。还可以由图3中的信号接收模块318来接收高频信号。在框404处，可以通过仅记录高频信号的预定义部分，如上文提到的信号的正值部分，以校正高频信号。此类校正可以由预放大器106、滤波器108或信号整流器110的其中一个或多个来执行，正如与图1结合图示并描述的。在一个实施例中，校正还可以由图3所示的信号校正模块320来执行。

在框406处，可以确定用于从高频信号（例如校正的高频信号）收集多个样本的样本大小。在框408处，还可以将信号分成分组，并且在框410处，可以存储这些分组中每个分组的最大值。在一个实施例中，样本大小确定，将信号分成分组以及存储分组的最大值可以由最大值检测和保持控制接口112来执行，正如与图1结合图示并描述的。在另一个实施例中，还可以由样本大小确定模块322来执行这些过程的每个过程，正如与图3结合图示并描述的。

在412处，可以生成波形。波形可以是无高频内容的原始高频信号的较低频表示。在414处，可以存储所产生的波形，以及在框416处输出所生成的波形。在一个实施例中，波形可以由最大值检测和保持控制接口112生成，存储和输出，正如与图1结合图示并描述的。在另一个实施例中，还可以由波生成模块326来执行这些过程的每个过程，正如与图3结合图示并描述的。

上文描述了用于压缩高频信号的说明性系统和方法。这些系统和方法的其中一些或全部可以但并非一定至少部分地由图1和图3所示的那些配置的配置来实现。应该理解，可以根据具体情况重新布置、修改和/或完全省略这些方法中的某些动作。上文结合任何方法的描述的任何动作可以由任何数量的处理器或其他计算装置基于一个或多个计算机可读存储介质上存储的指令来实现。

部件列表

100　系统

102　传感器

104　信号调整器

106　预放大器

108　滤波器

110　信号整流器

112　最大值检测和保持控制接口

114　调制器

120　I/O模块

122　滤波器

300　计算机环境

302　存储器

304　处理器

306　可移动存储装置

308　不可移动存储装置

310　通信连接

312　输入装置

314　输出装置

316　操作系统

318　信号接收模块

320　信号校正模块

322　样本大小确定模块

325　最大值存储模块

326　波生成模块

400　过程

402、404、406、408、410、412、414、416　框。

Claims (20)

1. 一种设备，包括：

开关，其配置成接收至少一个压缩的信号，其中所述至少一个压缩的信号部分地通过压缩至少一个测量的信号来创建；

耦合到所述开关的调制器，其配置成调制所述至少一个压缩的信号；

耦合到所述调制器的滤波器，其配置成滤波所述至少一个测量的信号；

耦合到所述调制器的至少一个存储器，其配置成存储所述至少一个压缩的信号；以及

耦合到所述开关、所述调制器、所述滤波器或所述至少一个存储器的至少其中之一的控制接口，其配置成：

　　控制所述开关、所述调制器、所述滤波器或所述至少一个存储器的至少其中之一以压缩所述至少一个测量的信号。

2. 如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个测量的信号是至少约100 KHz的高频信号。

3. 如权利要求1所述的装置，其中还配置信号整流器以通过仅记录所述至少一个测量的信号的预定义部分来校正所述至少一个测量的信号。

4. 如权利要求3所述的装置，其中所述至少一个测量的信号的所述预定义部分是所述信号的正值部分。

5. 如权利要求1所述的装置，其中所述控制接口还配置成至少部分地基于要从所校正的信号收集的样本的确定的数量，将所述至少一个压缩的信号分成至少两个分段。

6. 如权利要求5所述的装置，其中多个分组的数量至少部分地基于所述至少两个分段。

7. 如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个压缩的信号包含振幅调制的正弦波形。

8. 如权利要求1所述的装置，其中所述控制接口还配置成以下至少其中之一：存储或输出表示所述至少一个压缩的信号的波形。

9. 一种系统，包括：

存储计算机可执行指令的至少一个存储器；以及

配置成访问所述至少一个存储器的至少一个处理器，其中所述至少一个处理器配置成执行所述计算机可执行指令以：

　　接收信号；

　　校正所述信号；

　　确定要从所校正的信号收集的样本的数量；

　　对于多个分组中每个分组存储所述校正的信号的最大值；以及

　　至少部分地基于对于所述多个分组中每个分组存储的所述最大值来生成波形。

10. 如权利要求9所述的系统，其中所述信号是至少约100 KHz的高频信号。

11. 如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个处理器还配置成执行所述计算机可执行指令以通过仅记录所述信号的预定义部分来校正所述信号。

12. 如权利要求11所述的系统，其中所述信号的预定义部分是所述信号的正值部分。

13. 如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个处理器还配置成执行所述计算机可执行指令以至少部分地基于要从所述校正的信号收集的样本的确定的数量，将所述校正的信号分成至少两个分段。

14. 如权利要求13所述的系统，其中所述多个分组的数量至少部分地基于所述至少两个分段。

15. 如权利要求9所述的系统，其中所述波形包括振幅调制的正弦波形。

16. 如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个处理器还配置成执行所述计算机可执行指令以进行以下至少其中之一：存储或输出所生成的波形。

17. 一种方法，包括：

从监视的机器接收至少约100 KHz的高频信号；

通过仅记录所述高频信号的预定义部分来校正所述高频信号；

确定要从所校正的高频信号收集的样本的数量；

至少部分地基于所述样本的数量将所述高频信号分成多个分组；

对于所述多个分组中每个分组存储所述校正的信号的最大值；以及

至少部分地基于对于所述多个分组中每个分组存储的所述最大值来生成波形。

18. 如权利要求17所述的方法，其中所述信号的所述预定义部分是所述信号的正值部分。

19. 如权利要求17所述的方法，其中所述波形包括振幅调制的正弦波形。

20. 如权利要求17所述的方法，还包括以下至少其中之一：存储或输出所生成的波形。

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