CN104702546A

CN104702546A - 一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法

Info

Publication number: CN104702546A
Application number: CN201310670304.4A
Authority: CN
Inventors: 纪秀范
Original assignee: SHANGHAI MOONS' AUTOMATION CONTROL CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI MOONS' AUTOMATION CONTROL CO Ltd
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN104702546B

Abstract

本发明涉及一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法，该方法包括以下步骤：1)利用数字滤波器实现一个带通的希尔伯特变换器和一个带通滤波器，所述的希尔伯特变换器和带通滤波器的响应一致，相位相差90°；2)将上述希尔伯特变换器和带通滤波器的输出作为复数滤波器的两组系数存入复数滤波器；3)根据复数滤波器的输出进行包络解调计算，得到包络信号。与现有技术相比，本发明具有计算简单、计算量小、可实现连续的实时包络等优点。

Description

一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法

技术领域

本发明涉及一种希尔伯特变换实现方法，尤其是涉及一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法。

背景技术

在许多科学领域的信号处理中，都需要提取信号的包络信息，如在齿轮和滚动轴承等机械故障诊断中经常用到包络解调，用振动信号的包络实现诊断是一种行之有效的方法。包络解调是将高频部分的包络解调到低频，便于观察故障现象。目前最常用的信号包络提取方法是采用希尔伯特(Hilbert)变换实现。传统的Hilbert是利用卷积方法实现的，或利用FFT的方法计算，这种方法计算量大，计算时间长，不易实现连续的实时包络。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算简单、计算量小、可实现连续的实时包络的基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法，该方法包括以下步骤：

1)利用数字滤波器实现一个带通的希尔伯特变换器和一个带通滤波器，所述的希尔伯特变换器和带通滤波器的响应一致，相位相差90°；

2)将上述希尔伯特变换器和带通滤波器的输出作为复数滤波器的两组系数存入复数滤波器；

3)根据复数滤波器的输出进行包络解调计算，得到包络信号。

所述的复数滤波器包括输入寄存器、输出寄存器、输入数据存储器和系数存储器，所述的输入寄存器、输入数据存储器、系数存储器、输出寄存器依次连接，希尔伯特变换器和带通滤波器的输出存储在系数存储器中；原始信号通过输入寄存器分区保存至输入数据存储器中，根据原始信号及系数存储器中的系数获得复数滤波器的输出，并保存至输出寄存器中，所述的复数滤波器的输出F(n)通过以下公式获得：

Re (F (n)) = Σ_{i = 0}^{N - 1} Re (H (i)) * Re (x (n - i)) - Im (H (i)) * Im (x (n - i))

Im (F (n)) = Σ_{i = 0}^{N - 1} Re (H (i)) * Im (x (n - i)) - Im (H (i)) * Re (x (n - i))

式中，Re(H(i))为带通滤波器获得的系数，Im(H(i))为希尔伯特变换器获得的系数，Re(x(n-i))为原始信号x(n-i)的实部，Im(x(n-i))为原始信号x(n-i)的虚部，Re(F(n))为输出的实部，Im(F(n))为输出的虚部。

所述的包络信号具体计算公式为：

y (n) = \sqrt{(x (n) * x (n) + x^{'} (n) * x^{'} (n))}

式中，y(n)为包络信号，x(n)＝Re(F(n))，x′(n)＝Im(F(n))。

所述的输入寄存器、输出寄存器、输入数据存储器和系数存储器间的数据传输采用DMA方式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用硬件复数滤波器来实现这个希尔伯特实时解调，计算量小，计算时间短；

2、输入连续采样AD信号，用DMA方法可以产生连续实时的包络信号，不需要CPU参与，将数据传送到显示屏上可以实时显示包络信号，数据传输快，有利于故障的诊断。

附图说明

图1为本发明复数滤波器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1)利用数字滤波器实现一个带通的希尔伯特变换器和一个带通滤波器，所述的希尔伯特变换器和带通滤波器的响应一致，相位相差90°，可采用DSP自带的数字滤波器实现上述功能。

2)将上述希尔伯特变换器和带通滤波器的输出作为复数滤波器的两组系数存入复数滤波器。

如图1所示，复数滤波器包括输入寄存器1、输出寄存器4、输入数据存储器2和系数存储器3，所述的输入寄存器1、输入数据存储器2、系数存储器3、输出寄存器4依次连接，希尔伯特变换器和带通滤波器的输出存储在系数存储器中；原始信号通过输入寄存器1分区保存至输入数据存储器2中，根据原始信号及系数存储器3中的系数(B₀，B₁，…，B_N，N为系数个数)获得复数滤波器的输出，并保存至输出寄存器4中，所述的复数滤波器的输出F(n)通过以下公式获得：

Re (F (n)) = Σ_{i = 0}^{N - 1} Re (H (i)) * Re (x (n - i)) - Im (H (i)) * Im (x (n - i)) - - - (1)

Im (F (n)) = Σ_{i = 0}^{N - 1} Re (H (i)) * Im (x (n - i)) - Im (H (i)) * Re (x (n - i)) - - - (2)

输入寄存器、输出寄存器、输入数据存储器和系数存储器间的数据传输采用DMA方式，不需要CPU参与。

3)根据复数滤波器的输出进行包络解调计算，得到包络信号，具体计算公式为：

y (n) = \sqrt{(x (n) * x (n) + x^{'} (n) * x^{'} (n))} - - - (3)

式中，y(n)为包络信号，x(n)＝Re(F(n))，x′(n)＝Im(F(n))。

振动分析中一般是对低频的包络信号感兴趣，将上述包络数据经过低通滤波器滤出需要的频率，即可得到所需要的包络解调数据。

Hilbert变换可以提供90°的相位变化而不改变频谱分量的幅度，即对信号进行希尔伯特变换就相当于对该信号进行正交移相，构建解析信号，对解析信号求模即可得到包络信号。包络解调是将高频部分的包络解调到低频，便于观察故障现象，可用于齿轮和滚动轴承的故障诊断中。

Claims

1.一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法，其特征在于，所述的复数滤波器包括输入寄存器、输出寄存器、输入数据存储器和系数存储器，所述的输入寄存器、输入数据存储器、系数存储器、输出寄存器依次连接，希尔伯特变换器和带通滤波器的输出存储在系数存储器中；原始信号通过输入寄存器分区保存至输入数据存储器中，根据原始信号及系数存储器中的系数获得复数滤波器的输出，并保存至输出寄存器中，所述的复数滤波器的输出F(n)通过以下公式获得：

Re (F (n)) = Σ_{i = 0}^{N - 1} Re (H (i)) * Re (x (n - i)) - Im (H (i)) * Im (x (n - i))

Im (F (n)) = Σ_{i = 0}^{N - 1} Re (H (i)) * Im (x (n - i)) - Im (H (i)) * Re (x (n - i))

3.根据权利要求2所述的一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法，其特征在于，所述的包络信号具体计算公式为：

y (n) = \sqrt{(x (n) * x (n) + x^{'} (n) * x^{'} (n))}

式中，y(n)为包络信号，x(n)＝Re(F(n))，x′(n)＝Im(F(n))。

4.根据权利要求2所述的一种基于滤波的希尔伯特实时解调实现方法，其特征在于，所述的输入寄存器、输出寄存器、输入数据存储器和系数存储器间的数据传输采用DMA方式。