CN108647661A - 一种完整周期波形的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种完整周期波形的提取方法，属于信号处理领域。本发明采用全局局部极值相结合的技术，成功克服了波形毛刺的干扰，从上升沿起始位置截取完整周期波形，方便了科学研究中对周期信号波形的获取。

Description

一种完整周期波形的提取方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，特别涉及一种完整周期波形的提取方法。

背景技术

脉冲方波、谐波、三角波等广泛应用于电子电路、信息通信、雷达探测以及无损检测等领域，由于波形具有周期性，在科研领域中往往只需要截取一个完整周期的波形进行研究，因此准确截取一个完整周期波形非常重要。

目前常用的截取一个周期波形的方法有斜率法和阈值法。以脉冲方波为例，对这两种方法进行阐述。

斜率法，是将脉冲方波相邻两个下降沿(或上升沿)斜率变化最大的位置作为波形的起点和终点，这样就可以获取一个完整的波形，如图1所示。采用斜率法提取的单周期波形起点是从下降沿(上升沿)斜率变化最大点处开始的，斜率法截取的波形由于起点不在上升沿起始点处，不利于数据分析，且波形带有毛刺时会使结果不稳定。

阈值法，分别设定一个起始阈值和终止阈值，若起始阈值和终止阈值不同，则截取到的波形不一定为一个完整周期的波形；若起始阈值和终止阈值相同且大小不超出波峰波谷值，那么可以截取一个完整周期的波形，如图2所示，但是该完整周期波形的起始点位置可在波形上的任意位置，因此该方法截取的波形同样不利于科学研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种完整周期波形的提取方法，输出从上升沿开始的周期波形，方便科学研究中对周期信号波形的获取。

一种完整周期波形的提取方法，包括以下步骤：

步骤1，获取多周期波形，相邻下降沿处采用阈值触发截取周期为T的单周期第一波形，同时在下降沿处采用阈值触发截取多周期第二波形；

步骤2，获取所述第一波形的最小值min，并得到所述最小值对应的时间t₁，得到第一波形的最小值点(t₁,min)；

步骤3，选取N₀的值，N_i值的范围为其中，T_s为采样周期，0≤i≤I_max，I_max为预设的N_i值的最大调整次数，每对N_i的值调整一次N_i的下标加1；

步骤4，令t₂＝t₁-N_i，获取t∈(t₂,t₁)时间段所述第一波形的最大值max，将所述最大值max和最小值min差值的两倍记为Δ，即Δ＝2×(max-min)；

步骤5，在所述第一波形上，从时间t₁开始，获取Δ对应的时间t₃；

步骤6，在所述第二波形上，从t＝t₃开始，截取周期为T的波形得到第三波形；

步骤7，判断所述第三波形是否满足预设条件；

步骤8，若所述第三波形满足预设条件，将所述第三波形起始点归零，输出所述第三波形。

进一步地，所述步骤7包括以下流程：

对所述第三波形求导，得到y′(t)

式中，C(t)表示所述第三波形，y′(t)表示所述第三波形C(t)对时间的导数，t∈(0,T)；

若t₄∈(T-t′,T)时，y′(t₄)趋近于零，且t₅∈(0，t″)时，y′(t₅)不趋近于零，则所述第三波形满足预设条件，其中，

进一步地，所述步骤8中将所述第三波形起始点归零的方式为：

将所述第三波形的值均减去所述第三波形的初始值，公式为

C₀(t)＝C(t)-C(t₀)

式中，C₀(t)表示归零后的第三波形，C(t₀)表示所述第三波形的初始值，t∈(0,T)。

进一步地，所述方法还包括以下步骤：

步骤9，若所述第三波形不满足预设条件，判断i和I_max大小关系，根据所述大小关系做出处理。

进一步地，所述步骤9包括以下流程：

步骤91，若所述第三波形不满足预设条件，判断i和I_max大小关系；

步骤92，若i<I_max，调整所述步骤3中N_i的值，N_i+1＝N_i+δ₁，其中，δ₁为第一调节因子，

步骤93，若i≥I_max，调整所述步骤5中Δ的值，另Δ＝Δ+δ₂，其中，δ₂为第二调节因子，

本发明的有益效果：本发明提供了一种完整周期波形的提取方法，采用全局局部极值相结合的技术，成功克服了波形毛刺的干扰，从上升沿起始位置截取完整周期波形，方便科学研究中对周期信号波形的获取。

附图说明

图1为斜率法截取的单周期波形图。

图2为阈值法截取的单周期波形图。

图3为本发明的流程图。

图4为阈值法截取的多周期波形图。

图5为本发明的另一流程图。

图6为谐波多周期波形图。

图7为本发明截取的谐波完整周期波形图。

图8为三角波多周期波形图。

图9为本发明截取的三角完整周期波形图。

图10为另一三角波多周期波形图。

图11为本发明截取的另一三角波完整周期波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本实施例中，采样频率，表示每秒从连续信号中提取的信号个数组成离散信号，用f_s表示

式中，f_s表示采样频率，N_T表示一个周期的采集点数，T表示波形周期。

本实施例中，采样周期，为采样频率的倒数，指采样之间的时间间隔

式中，T_s为采样周期。

请参阅图3，本发明提供了一种完整周期波形的提取方法，具体通过以下步骤实现：

步骤1，获取多周期波形，相邻下降沿处采用阈值触发截取周期为T的单周期第一波形，同时在下降沿处采用阈值触发截取多周期第二波形。

本实施例中，获取多周期信号波形，先通过下降沿阈值(阈值设定为0)触发截取包含一个完整上升沿周期的第一波形，如图2所示，利用第一波形以确定波形上升沿起始位置；同时通过下降沿阈值(阈值设定为0)触发截取包含多个周期的第二波形，如图4所示。

步骤2，获取所述第一波形的最小值min，并得到所述最小值对应的时间t₁，得到第一波形的最小值点(t₁,min)。

本实施例中，在截取的第一波形中，获取其最小值min，并得到最小值min所对应的时间t₁，得到第一波形的最小值点(t₁,min)。通过步骤2，粗略确定上升沿起始点位置，且确定毛刺极小值min。

步骤3，选取N₀的值，N_i值的范围为其中，T_s为采样周期，0≤i≤I_max，I_max为预设的N_i值的最大调整次数，每对N_i的值调整一次N_i的下标加1。

本实施例中，选取的值N_i，N_i初始为N₀，每对N_i的值调整一次N_i的下标加1，0≤i≤I_max，I_max为预设的N值所能调整的最大次数，即N_i的值最多只能调整I_max次。

步骤4，令t₂＝t₁-N_i，获取t∈(t₂,t₁)时间段所述第一波形的最大值max，将所述最大值max和最小值min差值的两倍记为Δ，即Δ＝2×(max-min)。

本实施例中，将第一波形中的最小值点沿时间轴向左移动N_i个单位得到点(t₂,m)，t₂＝t₁-N_i，获取t∈(t₂,t₁)时间段内第一波形的最大值max，确定了毛刺极大值max，并将最大值max与最小值min的差值的两倍记为Δ，Δ＝2×(max-min)。

本实施例中，Δ取最大值最小值差值的两倍，是为了避免极大值max是局部最大值情况。

步骤5，在所述第一波形上，从时间t₁开始，获取Δ对应的时间t₃。

本实施例中，根据Δ对应的时间，获取实际的起始点位置，消除了毛刺的影响

步骤6，在所述第二波形上，从t＝t₃开始，截取周期为T的波形得到第三波形。

本实施例中，在以T为周期的多周期波形第二波形中，从时间t＝t₃开始，截取周期为T的完整周期波形，得到第三波形。

步骤7，判断所述第三波形是否满足预设条件。

本实施例中，对第三波形是否满足预设条件的判断依据如下：

对第三波形求导，得到y′(t)

式中，C(t)表示第三波形，y′(t)表示第三波形C(t)对时间的导数，t∈(0,T)；

若t₄∈(T-t′,T)时，y′(t₄)趋近于零，且t₅∈(0，t″)时，y′(t₅)不趋近于零，则所述第三波形满足预设条件，其中，反之，则第三波形不满足预设条件。

本发明的目的是输出从上升沿开始的周期波形，预设条件是第三波形为从上升沿开始的周期波形，根据第三波形的斜率在第三波形的尾部值以及首部值的大小判断第三波形是否满足起始点刚好从上升沿开始这一条件。

步骤8，若所述第三波形满足预设条件，将所述第三波形起始点归零，输出所述第三波形。

本实施例中，将第三波形的起始点归零的方式如下：

将第三波形的值均减去第三波形的初始值，公式为

C₀(t)＝C(t)-C(t₀)

式中，C₀(t)表示归零后的第三波形，C(t₀)表示第三波形的初始值，t∈(0,T)。

本发明还包括以下步骤：

步骤9，若所述第三波形不满足预设条件，判断i和I_max大小关系，根据所述大小关系做出处理。

请参阅图5，步骤9通过以下流程实现：

步骤91，若所述第三波形不满足预设条件，判断i<I_max是否成立。

步骤92，若i<I_max，调整所述步骤3中N_i的值，N_i+1＝N_i+δ₁，其中，δ₁为第一调节因子，

本实施例中，i<I_max，说明N_i的调整次数还未达到其上限I_max，利用第一调整因子δ₁对N_i进行数值调整，调整后N_i下标加1，即N_i+1，以改变第三波形，使其满足预设条件。

步骤93，若i≥I_max，调整所述步骤5中Δ的值，另Δ＝Δ+δ₂，其中，δ₂为第二调节因子，

本实施例中，若i≥I_max，说明N_i的调整次数已经达到其上限I_max，不能再对的N_i值进行调整。此时直接利用第二调整因子δ₂调整的Δ数值，以改变第三波形，使其满足预设条件。

对上述步骤中作出说明：不直接选择最小值点(t₁,min)作为第三波形的起点的原因是，波形存在毛刺，最小值处不一定是上升沿的起始位置，而本发明的目的是输出从上升沿开始的周期波形；当Δ＝0时，起始点从0开始。

综上，若截取的第三波形满足预设条件，则在将第三波形起始点归零后输出第三波形；若截取的第三波形不满足预设条件，则先判断N_i是否调整超过了限定的次数；若N_i未调整超过限定次数，则通过调整N_i的值，来调整截取的第三波形；若N_i调整超过限定次数，则通过调整Δ的值，来调整截取的第三波形，两种调整方式对截取的第三波形进行调整，直到截取到的第三波形满足预设条件，以使截取的第三波形为从上升沿开始的周期波形。

下面是验证对波形的截取效果。

请参阅图6，图6为谐波多周期波形，本发明截取的完整周期如图7所示。

请参阅图8，图8为三角波多周期波形，本发明截取的完整周期如图9所示。

请参阅图10，图10为另一三角波多周期波形，本发明截取的完整周期如图11所示。

本发明适用于不同幅度、频率和占空比的谐波、三角波等多种波形的完整周期波形提取。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种完整周期波形的提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取多周期波形，相邻下降沿处采用阈值触发截取周期为T的单周期第一波形，同时在下降沿处采用阈值触发截取多周期第二波形；

步骤2，获取所述第一波形的最小值min，并得到所述最小值对应的时间t₁，得到第一波形的最小值点(t₁,min)；

步骤3，选取N₀的值，N_i值的范围为其中，T_s为采样周期，0≤i≤I_max，I_max为预设的N_i值的最大调整次数，每对N_i的值调整一次N_i的下标加1；

步骤4，令t₂＝t₁-N_i，获取t∈(t₂,t₁)时间段所述第一波形的最大值max，将所述最大值max和最小值min差值的两倍记为Δ，即Δ＝2×(max-min)；

步骤5，在所述第一波形上，从时间t₁开始，获取Δ对应的时间t₃；

步骤6，在所述第二波形上，从t＝t₃开始，截取周期为T的波形得到第三波形；

步骤7，判断所述第三波形是否满足预设条件；

步骤8，若所述第三波形满足预设条件，将所述第三波形起始点归零，输出所述第三波形。

2.如权利要求1所述的完整周期波形的提取方法，其特征在于，所述步骤7包括以下流程：

对所述第三波形求导，得到y′(t)

式中，C(t)表示所述第三波形，y′(t)表示所述第三波形C(t)对时间的导数，t∈(0,T)；

若t₄∈(T-t′,T)时，y′(t₄)趋近于零，且t₅∈(0，t″)时，y′(t₅)不趋近于零，则所述第三波形满足预设条件，其中，

3.如权利要求1所述的完整周期波形的提取方法，其特征在于，所述步骤8中将所述第三波形起始点归零的方式为：

将所述第三波形的值均减去所述第三波形的初始值，公式为

C₀(t)＝C(t)-C(t₀)

式中，C₀(t)表示归零后的第三波形，C(t₀)表示所述第三波形的初始值，t∈(0,T)。

4.如权利要求1所述的完整周期波形的提取方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

步骤9，若所述第三波形不满足预设条件，判断i和I_max大小关系，根据所述大小关系做出处理。

5.如权利要求4所述的完整周期波形的提取方法，其特征在于，所述步骤9包括以下流程：

步骤91，若所述第三波形不满足预设条件，判断i和I_max大小关系；

步骤92，若i<I_max，调整所述步骤3中N_i的值，N_i+1＝N_i+δ₁，其中，δ₁为第一调节因子，

步骤93，若i≥I_max，调整所述步骤5中Δ的值，另Δ＝Δ+δ₂，其中，δ₂为第二调节因子，