CN103490783B

CN103490783B - 一种将模拟信号转换为数字信息的方法

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Publication number: CN103490783B
Application number: CN201310455727.4A
Authority: CN
Inventors: 付宁; 邓立宝; 宋平凡; 乔立岩; 姚婷婷
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103490783A

Abstract

一种将模拟信号转换为数字信息的方法，属于信号处理领域。本发明为了解决现有的信号采样方法存在的采样率高，采样数据量大，采样结果冗余度大等一些问题。该方法包括如下步骤：配置并保存系统参数；发出开始命令，被测信号模块产生包含多个频点的被测模拟信号；被测信号经过功分器后被分为多路被测信号；触发模块产生矩形脉冲触发信号；产生多路各不相同的伪随机序列；信号调理模块对输入的被测信号和伪随机序列进行随机调制，然后将随机调制后的信号输入到采样模块；采样模块捕捉触发信号的下降沿，对步骤五所述的伪随机序列和步骤六所述的随机调制后的信号进行均匀采样；获取信号中的频谱信息。本发明方法用于实现模拟信号到信息的转换。

Description

一种将模拟信号转换为数字信息的方法

技术领域

本发明涉及一种将模拟信号转换为数字信息的方法，属于信号处理领域。

背景技术

目前常见的将模拟信号转换为数字信息的方法是使用A/D转换器。但是，由于A/D器件采样时必须遵循奈奎斯特采样定律，所以当信号的频率越来越大时，A/D器件的采样率也必须随之增大，从而导致数据量激增，同时后端数据存储、传输、处理压力也会增大。此外，这种高速采样得到的数据很多时候存在较大冗余，即，采集了大量无用数据。近年来出现的压缩感知理论为信号采集提供了新的思路。该理论在数学上证明了通过对信号进行特殊的全局观测，可以实现用较低的采样率获取信号中的有用信息。但是压缩理论提出时针对的是离散时间信号，而我们要采集的信号却是连续的模拟信号。所以要将这一理论的实用化，很有很多问题有待解决。本发明根据压缩感知理论设计了一种高效采集模拟信号的方法，并完成了对应的物理系统，通过实际的实验证明了本方法的可行性。

发明内容

本发明为了解决现有的信号采样方法存在采样率高，采样数据量大，采样结果冗余度大等问题，提供一种将模拟信号转换为数字信息的方法，所述方法是基于LabVIEW和PXIe的模拟/信息转换系统来实现的。

本发明根据这一理论设计了一种高效获取模拟信号中有用信息的信号采样方法，称为模拟/信息转换方法，并开发了一套物理系统，称为模拟/信息转换系统。该方法与传统的奈奎斯特采样方法相比，可以降低对ADC器件采样率的要求，减少采样的数据量。

所述模拟/信息转换系统，其结构如图2所示，主要由以下模块组成：被测信号模块，功分器，伪随机序列模块，触发模块，信号调理模块，采样模块，信号重构，数据显示，数据存储、报表生成等模块组成。

所述被测信号模块的输出端与功分器的被测信号输入端相连。

所述功分器的输出端与信号调理模块的被测信号输入端相连。

所述触发模块的输出端同时与伪随机序列模块的触发信号输入端、采样模块的触发信号输入端相连。

所述伪随机序列模块的输出端同时与信号调理模块的伪随机序列输入端和采样模块的伪随机序列输入端相连。

所述信号调理模块的输出端与采样模块的输入端相连。

所述采样模块的输出端同时与信号重构模块、数据显示模块、报表生成模块和数据存储模块相连。

所述信号调理模块内部结构如图3所示，主要包括乘法器，固定增益运放，模拟低通滤波器。

本发明所述的一种将模拟信号转换为数字信息的方法包括如下步骤：

步骤一：配置所述模拟/信息转换系统（模拟/信息转换系统是指将模拟信号转换为数字信息的转换系统）的软硬件参数，并保存系统参数；

步骤二：发出开始命令，被测信号模块产生包含多个频点的被测模拟信号，该信号包含的频率分量个数为K，其中最大频率分量为f_max；

步骤三：被测信号经过功分器后被分为多路被测信号；第一路被测信号输入到信号调理模块，其余几路留作备用；所述多路被测信号中每一路信号的参数均相同，且它们的频谱与原信号相比，除幅值有所减小外，其余特征均未改变；

步骤四：触发模块产生矩形脉冲触发信号，同时输入到伪随机序列模块和采样模块；所述矩形脉冲触发信号的高电平持续时间为T，T的大小可以根据系统特性进行适当调整；

步骤五：伪随机序列模块捕捉到触发信号的上升沿后，开始产生多路各不相同的伪随机序列；第一路伪随机序列同时输入到信号调理模块和采样模块，其余几路留作备用；所述伪随机序列是一种每个时刻幅值随机取值为±A的二值序列，通过数字到模拟转换（D/A）的方式产生，幅值随机改变的频率为f_p且f_p≥2·fmax；

步骤六：信号调理模块对输入的被测信号和伪随机序列进行随机调制，然后将随机调制后的信号输入到采样模块；所述随机调制包括信号相乘、调理放大和低通滤波；其中信号相乘采用模拟乘法器实现，其带宽为w₁，w₁≥f_p；调理放大采用固定增益运算放大器实现，其带宽为w₂，w₂≥f_p；低通滤波采用模拟低通滤波器实现，且模拟低通滤波器的截止频率为f_c；

步骤七：采样模块捕捉触发信号的下降沿，对步骤五所述的伪随机序列和步骤六所述的随机调制后的信号进行均匀采样；对伪随机序列的采样率为f_p，采样结果为列向量p[n]，n=1,2,...,N；对随机调制后的信号的采样率为f_s，f_s≥2·f_c；采样结果为列向量y[m]，m=1,2,...M；

步骤八：采样模块将采样得到的数据传输到信号重构模块，上位机先根据系统各模块的特性、伪随机序列采样值p[n]、以及傅里叶逆变换矩阵，计算出系统的感知矩阵Θ，即系统的数学模型，其维数为M×N，然后调用信号重构算法，利用感知矩阵Θ和随机调制后的采样结果y[m]获取信号中的频谱信息。采样数据和信号重构结果可以通过数据显示模块在上位机界面上显示出来，并存储到上位机的存储器中，也可以以报表的形式打印出来。

对上述方法进一步限定的技术方案为：所述伪随机序列采用数字到模拟转换（D/A）的方式产生。采用D/A的方式可以利用现有的DAC设备来实现，精度高，可行性好。另外伪随机序列每个时刻的值已经提前计算出来并保存在上位机中，实验时上位机直接输出给DAC设备，产生需要的伪随机序列。

对上述方法进一步限定的技术方案为：本方法设计了高电平持续时间可调整的矩形脉冲触发信号，用来排除系统初始阶段稳定性较差的不良影响。触发信号的上升沿用于触发伪随机序列模块产生伪随机序列，触发信号的下降沿用于触发采样模块开始采样；触发信号的上升沿比下降沿先到来，也就是说伪随机序列模块先产生伪随机序列，输入到信号调理模块，调理模块开始输出随机调制后的信号，但采样模块并没有开始采集这一信号，而是一直在等待捕捉触发信号下降沿，等待的过程中跨过了系统的不稳定期。这样通过自定义的矩形脉冲触发信号就避免了在系统不稳定阶段采集错误数据的可能。

对上述方法进一步限定的技术方案为：所述信号调理模块包括固定增益运算放大器。选用固定增益运算放大器是因为处于其带宽内的任意频率的信号的增益都是固定的，不存在通用运算放大器对不同频率的信号放大倍数不一样的问题，这样就提高了系统参数计算时的精确度。

对上述方法进一步限定的技术方案为：本方法采用集合点的思想同步多个任务。系统需要循环协调伪随机序列的产生、触发信号的产生、数据采样这三大类任务。系统先产生触发信号，伪随机序列模块收到触发信号的上升沿开始持续产生伪随机序列，采样模块收到触发信号的下降沿开始采集数据。触发信号产生结束后，触发模块复位到初始点待命；数据采集任务结束后采样模块也复位到初始点待命；同样，伪随机序列产生结束后也复位到初始点待命，当三个模块都完成复位，进入待命状态时，下一次循环就随即开始进行，如此循环直到用户按下停止按键，或完成规定的循环次数。这一机制是通过编程来控制硬件实现的。

本发明的优势：由于被测信号的频谱是稀疏的，而伪随机序列的频谱很广，通过乘法器相乘后，被测信号的频谱被搬移到频率轴上的每一处，低频部分也包含被测信号的全局信号，然后通过低通滤波过滤出低频部分的信息，再用较低速率来采样。采样时的速率低于被测信号的奈奎斯特频率，也就是说这种方法采集的数据量小于传统方法采集的数据量。由于PXIe模块具有良好的可扩展性、自定义性和多功能的特点，通过用LabVIEW编写不同的控制程序，可以使同一个模块实现不同的功能，也可以方便地添加模块来进行系统扩展，满足不同的要求。PIXe模块的多功能性使得只需要少量的硬件模块就可以完成整个系统的设计。多个PXIe模块置于同一个PXIe机箱中，模块与模块之间通过PXIe机箱中的PXI总线相连，可靠性高、衔接性和同步性好。开发上位机程序时采用LabVIEW这种编程语言和环境，实现了对所有的硬件模块的灵活控制，大大提高了实验自动化程度和实验效率，同时也方便系统的维护和升级。本发明是一种高效获取模拟信号中有用信息的信号采样方法，称为模拟/信息转换方法，可以实现模拟信号到信息的转换。

本发明的创新点体现在以下几个方面：

1、本发明中使用的伪随机序列采用数字到模拟转换（D/A）的方式产生。伪随序列通常是一种数字信号，每个时刻幅值取值是0或A，其中A是一个正数，但是我们需要的伪随机序列要求每个时刻幅值取值必须是在-A或+A。通过平移电路往往难以达到精度要求，而采用D/A的方式就可以利用现有的DAC设备来实现，精度高，可行性好。另外伪随机序列每个时刻的值已经提前计算出来并保存在上位机中，实验时上位机直接输出给DAC设备，产生需要的伪随机序列。

2、本发明设计了高电平持续时间可调整的矩形脉冲触发信号，用来排除系统初始阶段稳定性较差的不良影响。系统的不稳定期指的是信号调理模块最开始输出信号的一小段时间，这段时间内多次重复同一个实验，多个结果彼此存在偏差，表明系统此时不够稳定、可靠。为了避免这一问题的影响，设计了高电平持续时间可调的矩形脉冲触发信号，触发信号的上升沿用于触发伪随机序列模块产生伪随机序列，触发信号的下降沿用于触发采样模块开始采样；触发信号的上升沿比下降沿先到来，也就是说伪随机序列模块先产生伪随机序列，输入到信号调理模块，调理模块开始输出随机调制后的信号，但采样模块并没有开始采集这一信号，而是一直在等待捕捉触发信号下降沿，等待的过程中跨过了系统的不稳定期。这样通过自定义的矩形脉冲触发信号就避免了在系统不稳定阶段采集错误数据的可能。

3、本发明中所述信号调理模块包括固定增益运算放大器。选用固定增益运算放大器是因为处于其带宽内的任意频率的信号的增益都是固定的，不存在通用运算放大器对不同频率的信号放大倍数不一样的问题，这样就提高了系统参数计算时的精确度。我们选用了两种固定增益运算放大器，分别是LT1101和omp3832。LT1101的固定增益可由用户配置为10或100，这里我们选择的是10，LT1101的最大增益误差小于0.04%，最大增益非线性度小于0.0008%，增益带宽积大于250kHz，由于我们选择的增益是10，所以带宽就是25kHz。一片omp3832芯片里面包含3个固定增益为2的运算放大单元，所以一片omp3832的固定增益可以配置为2、4或8，带宽可达80MHz，最大增益误差小于1.7%。

4、本发明采用集合点的思想同步多个任务。系统需要循环协调伪随机序列的产生、触发信号的产生、数据采样这三大类任务。系统先产生触发信号，伪随机序列模块收到触发信号的上升沿开始持续产生伪随机序列，采样模块收到触发信号的下降沿开始采集数据。触发信号产生结束后，触发模块复位到初始点待命；数据采集任务结束后采样模块也复位到初始点待命；同样，伪随机序列产生结束后也复位到初始点待命，当三个模块都完成复位，进入待命状态时，下一次循环就随即开始进行，如此循环直到用户按下停止按键，或完成规定的循环次数。这一机制是通过编程来控制硬件实现的。

附图说明

图1为该模拟/信息转换方法的操作流程图；图2为对应的模拟/信息转换系统的结构图；图3为对应的信号调理模块的内部结构图；

图4～图6为对应的实验，用于证明本发明的效果；

图4(a)为跳变频率为10kHz的伪随机序列p_c(t)图，图4(b)为伪随机序列的频谱图；

图5(a1)～(c2)为实验1的相关附图：图5(a1)为被测信号1的表示图，图5(a2)为被测信号频谱图；图5(b1)为以2kS/s采样率采样后的信号图，图5(b2)为采样后信号的频谱图；图5(c1)为重构信号波形图，图5(c2)为重构信号的频谱图；

图6(a1)～(c2)为实验2的相关附图：图6(a1)为被测信号2的表示图，图6(a2)为被测信号频谱图；图6(b1)为以2kS/s采样率采样后的信号图，图6(b2)为采样后信号的频谱图；图6(c1)为重构信号的波形图，图6(c2)为重构信号的频谱图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述模拟/信息转换方法的具体实施步骤如下：

步骤一：配置所述模拟/信息转换系统的软硬件参数，并保存系统参数。

步骤二：发出开始命令，被测信号模块产生包含多个频点的被测模拟信号；所述被测信号模块采用PXIe-5442任意波形发生器板卡实现。产生的被测信号幅值为1V，包含的频率分量的个数K=1～20，最大的频率分量f_max＜5kHz。

步骤三：被测信号经过功分器后被分为多路被测信号。第一路被测信号输入到信号调理模块，其余几路留作备用；所述多路被测信号中每一路信号的参数均相同，且它们的频谱与原信号相比，除幅值有所减小外，其余特征均未改变。

步骤四：触发模块产生矩形脉冲触发信号，同时输入到伪随机序列模块和采样模块；所述矩形脉冲触发信号的高电平持续时间为T，T的大小可以根据系统特性进行适当调整。所述触发模块采用PXIe-1042机箱的触发功能实现，通过LabVIEW编程控制硬件产生一种高电平持续时间为T=0.5s的矩形脉冲触发信号，并且T的数值可以根据系统特性进行适当调整。

步骤五：伪随机序列模块捕捉到触发信号的上升沿后，开始产生多路各不相同的伪随机序列。第一路伪随机序列同时输入到信号调理模块和采样模块，其余几路留作备用；所述伪随机序列是一种每个时刻幅值随机取值为±A的二值序列，通过数字到模拟转换（D/A）的方式产生，幅值随机改变的频率为f_p（f_p≥2·fmax）。实验时伪随机序列采用10阶最大线性反馈移位寄存器序列，即m序列，其幅值随机改变的频率为f_p=10kHz，幅值变化时取值是+1V，或者是-1V。该m序列通过LabVIEW编程控制PXIe-6368板卡的模拟输出端口来产生。

步骤六：信号调理模块对输入的被测信号和伪随机序列进行随机调制，然后将随机调制后的信号输入到采样模块；所述随机调制包括信号相乘、调理放大和低通滤波，其中信号相乘采用模拟乘法器AD633实现，其带宽为w₁=1MHz≥f_p=10KHz，调理放大采用固定增益运算放大器LT1101实现,其带宽为w₂=250kHz≥f_p=10KHz，低通滤波采用集成模拟滤波器芯片MAX275实现，采用该芯片设计的二阶巴特沃斯模拟低通滤波器的截止频率为f_c=1kHz。由于低通滤波之后信号的幅值较小，所以再加一级放大，采用的固定增益运放为opa3832，其带宽为80MHz。

步骤七：采样模块捕捉触发信号的下降沿，对步骤五所述的伪随机序列和步骤六所述的随机调制后的信号进行均匀采样。采样过程通过LabVIEW编程控制PXIe-6368的模拟输入端口来实现，其采样所用的A/D位数是16位。对伪随机序列的采样率为f_p=10kS/s，采样结果为列向量p[n]（n=1,2,...,N）；对随机调制后的信号的采样率为f_s=2kS/s≥2·f_c，采样结果为列向量y[m]（m=1,2,...M）。

步骤八：采样模块将采样得到的数据传输到信号重构模块，上位机先根据系统各模块的特性、伪随机序列采样值p[n]、以及傅里叶逆变换矩阵，计算出系统的感知矩阵Θ，即系统的数学模型，其维数为M×N，然后调用信号重构算法，如经典的OMP算法（正交匹配追踪算法），利用感知矩阵Θ和随机调制后的采样结果y[m]获取信号中的频谱信息。采样数据和信号重构结果可以通过数据显示模块在上位机界面上显示出来，并存储到上位机的存储器中，也可以以报表的形式打印出来。

具体实施方式二：本实施方式在步骤五中，所述伪随机序列采用数字到模拟转换的方式产生；伪随机序列每个时刻的值已经提前计算出来并保存在上位机中，实验时上位机直接输出给DAC设备，产生需要的伪随机序列。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式在步骤四中，矩形脉冲触发信号为高电平持续时间可调整的矩形脉冲触发信号，用于排除系统初始阶段稳定性较差的不良影响，且触发信号的上升沿用于触发伪随机序列模块产生伪随机序列，触发信号的下降沿用于触发采样模块开始采样。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式在步骤六中，所述信号调理模块包括固定增益运算放大器。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式在步骤一中，所述模拟/信息转换系统需要循环协调伪随机序列的产生、触发信号的产生、数据采样这三大类任务：系统先产生触发信号，伪随机序列模块收到触发信号的上升沿开始持续产生伪随机序列，采样模块收到触发信号的下降沿开始采集数据；触发信号产生结束后，触发模块复位到初始点待命；数据采集任务结束后采样模块也复位到初始点待命；同样，伪随机序列产生结束后也复位到初始点待命，当三个模块都完成复位，进入待命状态时，下一次循环就随即开始进行，如此循环直到用户按下停止按键，或完成规定的循环次数。其他步骤与具体实施方式一、二、三或四相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

结合图4至图6，给出本发明的实验效果：

本实验采用的伪随机序列为图4（a）所示，其幅值改变频率为10kHz，幅值的取值为±1V，其频谱如图4（b）所示，从中可以看出频谱覆盖范围广，分布均匀的特点。

本实验采用的被测信号为图5（a1）、图6（a1）所示，对应的频谱为图5（a2）、图6（a2）。两种被测信号包含的频点数目不同，前者只含有一个频点，后者含有多个频点。两者最大频率分量均为4kHz，即按照传统采样，需要的奈奎斯特采样率为8kS/s。

图5（b1）、图6（b1）所示为，按照所述模拟/信息转换方法，两种被测信号分别经过本专利所述的信号调理模块的随机调制作用后，再被采样模块以2kS/s的采样率采样所得到的结果，图5（b2）、图6（b2）为对应的频谱。

图5（c1）、图6（c1）所示为经过信号重构模块恢复出来的信号波形图，对应的频谱图为图5（c2）、图6（c2），从中可以看出恢复出来的信号的频谱与原来的被测信号是相符合的，但是采样率却只有2kS/s，是传统采样方法要求的的1/4，从而表明无论是单频点的模拟信号还是多频点的模拟信号，均可以通过本方法高效转换为数字信息。

Claims

1.一种将模拟信号转换为数字信息的方法，其特征在于它包括如下步骤：

步骤一：配置模拟/信息转换系统的软硬件参数，并保存系统参数；

步骤二：发出开始命令，被测信号模块产生包含多个频点的被测信号，产生的被测信号幅值为1V，该信号包含的频率分量个数为K＝1～20，其中最大频率分量为f_max＜5kHz；所述被测信号模块采用PXIe-5442任意波形发生器板卡实现；

步骤三：被测信号经过功分器后被分为多路被测信号；第一路被测信号输入到信号调理模块，其余几路留作备用；所述多路被测信号中每一路信号的参数均相同，且它们的频谱与原信号相比幅值减小；

所述触发模块采用PXIe-1042机箱的触发功能实现，通过LabVIEW编程控制硬件产生一种高电平持续时间为T＝0.5s的矩形脉冲触发信号；

步骤五：伪随机序列模块捕捉到触发信号的上升沿后，开始产生多路各不相同的伪随机序列；第一路伪随机序列同时输入到信号调理模块和采样模块，其余几路留作备用；所述伪随机序列是一种每个时刻幅值随机取值为±A的二值序列，通过数字到模拟转换的方式产生，幅值随机改变的频率为f_p且f_p≥2·f_max；

伪随机序列采用10阶最大线性反馈移位寄存器序列，即m序列，其幅值随机改变的频率为f_p＝10kHz，幅值变化时取值是+1V，或者是-1V；该m序列通过LabVIEW编程控制PXIe-6368板卡的模拟输出端口来产生；

步骤六：信号调理模块对输入的被测信号和伪随机序列进行随机调制，然后将随机调制后的信号输入到采样模块；所述随机调制包括信号相乘、调理放大和低通滤波；其中信号相乘采用模拟乘法器AD633实现，其带宽为w₁，w₁≥f_p；调理放大采用固定增益运算放大器LT1101实现，其带宽为w₂，w₂≥f_p；低通滤波采用模拟低通滤波器芯片MAX275实现，且模拟低通滤波器的截止频率为f_c；

w₁＝1MHz，f_p＝10KHz，f_c＝1kHz，采用的固定增益运放为opa3832，其带宽为80MHz；

所述信号调理模块包括固定增益运算放大器；

步骤七：采样模块捕捉触发信号的下降沿，对步骤五所述的伪随机序列和步骤六所述的随机调制后的信号进行均匀采样；采样过程通过LabVIEW编程控制PXIe-6368的模拟输入端口来实现，其采样所用的A/D位数是16位；对伪随机序列的采样率为f_p，采样结果为列向量p[n]，n＝1,2,…,N；对随机调制后的信号的采样率为f_s，f_s≥2·f_c；采样结果为列向量y[m]，m＝1,2,…M；f_p＝10kS/s，f_s＝2kS/s≥2·f_c；

步骤八：采样模块将采样得到的数据传输到信号重构模块，上位机先根据系统各模块的特性、伪随机序列采样值p[n]、以及傅里叶逆变换矩阵，计算出系统的感知矩阵Θ，即系统的数学模型，其维数为M×N，然后调用信号重构算法，利用感知矩阵Θ和随机调制后的采样结果y[m]获取信号中的频谱信息；

在步骤一中，所述模拟/信息转换系统需要循环协调伪随机序列的产生、触发信号的产生、数据采样这三大类任务：系统先产生触发信号，伪随机序列模块收到触发信号的上升沿开始持续产生伪随机序列，采样模块收到触发信号的下降沿开始采集数据；触发信号产生结束后，触发模块复位到初始点待命；数据采集任务结束后采样模块也复位到初始点待命；同样，伪随机序列产生结束后也复位到初始点待命，当三个模块都完成复位，进入待命状态时，下一次循环就随即开始进行，如此循环直到用户按下停止按键，或完成规定的循环次数。

2.根据权利要求1所述的一种将模拟信号转换为数字信息的方法，其特征在于，在步骤五中，所述伪随机序列采用数字到模拟转换的方式产生；伪随机序列每个时刻的值已经提前计算出来并保存在上位机中，实验时上位机直接输出给DAC设备，产生需要的伪随机序列。

3.根据权利要求1所述的一种将模拟信号转换为数字信息的方法，其特征在于，在步骤四中，矩形脉冲触发信号为高电平持续时间可调整的矩形脉冲触发信号，用于排除系统初始阶段稳定性较差的不良影响，且触发信号的上升沿用于触发伪随机序列模块产生伪随机序列，触发信号的下降沿用于触发采样模块开始采样。