CN108957120B - 一种微弱信号提取方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微弱信号提取方法及系统。本发明首先对被测的微弱信号进行FFT变换，通过获取FFT变换后的数据计算被测信号的各个频率分量的频率信息，进而进行互相关检测完成对微弱信号的恢复。本发明专利使用FFT变换和互相关结合的方法完成对微弱信号的提取，相比而言可以避免多次迭代，计算量相对自相关互相关结合的方法低。

Description

一种微弱信号提取方法及系统
技术领域
本发明涉及微弱信号提取领域，特别是涉及一种微弱信号提取方法及系统。
背景技术
在对微弱信号测量的过程中传统的互相关检测法需要知道接收信号的重复周期或者频率信息，于接收端产生同接收信号相同频率的参考信号进而完成对微弱信号的提取。但是对于多音信号或者非周期信号，即微弱信号中包含多个频率分量的情况，则需要取得被测信号的自相关函数逐次迭代进而确定被测信号中的频率信息。当被测信号中含有较多的频率分量时这一过程将十分复杂，且计算量很大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种微弱信号提取方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微弱信号提取方法，所述方法包括：
按照设定的频率采集外部输入的微弱信号，得到采样序列，所述采样序列包括多个信号点以及多个频率分量；
对所述采样序列进行快速傅里叶变换，得到变换序列；
计算所述变换序列中各段幅度绝对值最高的信号点对应的频率；
根据所述变换序列生成标准正余弦序列；
计算所述标准正余弦序列与所述采样序列的相关值；
根据所述相关值，计算各频率分量的相位值以及幅度值；
通过逐次比较法获取所述各频率分量的幅度值的最大幅度值；
通过幅度阈值以及所述最大幅度值更新所有频率分量的幅度值；
根据所述幅度绝对值最高的信号点对应的频率、所述各频率分量的相位值以及更新后的频率分量的幅度值，对微弱信号进行提取。
可选的，所述计算所述变换序列中各段幅度绝对值最高的信号点对应的频率，具体包括：
将所述变换序列分为多段；
通过逐次比较法获取各段中幅度绝对值最高的信号点以及幅度绝对值最高的信号点的位置；
根据各段所述幅度绝对值最高的信号点的位置，计算各段内所述幅度绝对值最高的信号点对应的频率。
可选的，所述根据所述变换序列生成标准正余弦序列，具体包括：
根据各段内所述幅度绝对值最高的信号点对应的频率，生成标准正余弦序列。
可选的，所述根据所述相关值，计算各频率分量的相位值以及幅度值，具体包括：
根据所述相关值，采用四象限反正切法计算各频率分量的相位值；
根据所述相关值以及所述相位值计算各频率分量的幅度值。
一种微弱信号提取系统，所述系统包括：
前置放大采集电路，用于采集并放大外部输入的微弱信号，得到采样序列；
FPGA，与所述前置放大采集电路连接，用于对所述采样序列进行快速傅里叶变换，得到变换序列；
处理器，与所述FPGA连接，用于根据所述变换序列对所述微弱信号进行提取。
可选的，所述前置放大采集电路包括：
低通滤波器，用于对所述微弱信号进行滤波；
程控增益放大器，与所述的低通滤波器连接，用于对滤波后的信号进行放大；
单端差分变换电路，与所述程控增益放大器连接，用于对放大后的信号进行变换；
高精ADC，与所述单端差分变换电路连接，用于采集变换后的信号，得到采样序列；
基准源，分别与所述单端差分变换电路以及所述高精ADC连接，用于提供基准电压源。
可选的，还包括存储器，与所述处理器连接，用于存储提取后的微弱信号。
可选的，还包括缓存器，与所述处理器连接，用于存储所述处理器生成的标准正余弦序列。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明首先对被测的微弱信号进行FFT变换，通过获取FFT变换后的数据计算被测信号的各个频率分量的频率信息，进而进行互相关检测完成对微弱信号的恢复。本发明专利使用FFT变换和互相关结合的方法完成对微弱信号的提取，相比而言可以避免多次迭代，计算量相对自相关互相关结合的方法低。本发明专利的方法尤其适用于对多音信号(即包含大量频率分量)的提取。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例微弱信号提取方法的流程图；
图2为本发明实施例微弱信号提取系统的结构框图；
图3为本发明实施例前置放大采集电路的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例微弱信号提取方法的流程图。如图1所示，一种微弱信号提取方法包括：
步骤101：按照设定的频率采集外部输入的微弱信号，得到采样序列，所述采样序列包括多个信号点以及多个频率分量。设采集系统的采样率为fs，对外部输入信号进行采集并获得采样序列：x[n],n∈[1,N]。x[n]为输入信号x(t)的采样序列；
步骤102：对所述采样序列进行快速傅里叶变换，得到变换序列。对采样序列x[n]进行FFT变换得：x(k),k∈[1,N]。x(k)为采样序列x[n]的FFT变换。
步骤103：计算所述变换序列中各段幅度绝对值最高的信号点对应的频率。
具体的，将所述变换序列分为多段；通过逐次比较法获取各段中幅度绝对值最高的信号点以及幅度绝对值最高的信号点的位置；根据各段所述幅度绝对值最高的信号点的位置，计算各段内所述幅度绝对值最高的信号点对应的频率。
将x(k)的数据区间均匀分成N1段，用逐次比较法取得每段数据的最大值x(ki)及相应数据最大值的位置ki，
Figure BDA0001664060520000041
根据每段数据最大值的位置ki计算该段内主能量的对应频率值
Figure BDA0001664060520000042
主能量指每段区间能量最大的那个点频信号，能量最大即幅度绝对值最高。
Figure BDA0001664060520000043
N代表采样点的个数，N1为将x[k]数据分成的区间数，fs为采样率，ki每段数据最大值的位置，
Figure BDA0001664060520000044
该段内主能量的对应频率值。
步骤104：根据所述变换序列生成标准正余弦序列。根据各段内所述幅度绝对值最高的信号点对应的频率，生成标准正余弦序列。根据计算得到的主能量频率值
Figure BDA0001664060520000051
于系统存储空间中生成长度为N的标准正余弦序列。
Figure BDA0001664060520000052
N代表采样点的个数，N1为将x[k]数据分成的区间数。fs为采样率，ki每段数据最大值的位置，
Figure BDA0001664060520000053
该段内主能量的对应频率值。yi[n]生成的标准正弦序列，zi[n]生成的标准余弦序列。
步骤105：计算所述标准正余弦序列与所述采样序列的相关值。
Figure BDA0001664060520000054
Rxyi[0]为生产的标准正弦序列与采样序列的相关值；
Rxzi[0]为生产的标准余弦序列与采样序列的相关值。
步骤106：根据所述相关值，计算各频率分量的相位值以及幅度值。
根据所述相关值，采用四象限反正切法计算各频率分量的相位值；
Figure BDA0001664060520000055
Figure BDA0001664060520000056
为各频率分量的相位值。
根据所述相关值以及所述相位值计算各频率分量的幅度值；
Figure BDA0001664060520000061
Figure BDA0001664060520000062
各频率分量的幅度值
步骤107：通过逐次比较法获取所述各频率分量的幅度值的最大幅度值，
Figure BDA0001664060520000063
Ak_max所述各频率分量的幅度值的最大幅度值。
步骤108：通过幅度阈值以及所述最大幅度值更新所有频率分量的幅度值。设置阈值AMP并对每个频率分量的幅度依照下述规则进行更新，
Figure BDA0001664060520000064
步骤109：根据所述幅度绝对值最高的信号点对应的频率、所述各频率分量的相位值以及更新后的频率分量的幅度值，对微弱信号进行提取，
Figure BDA0001664060520000065
根据本发明提供的具体实施例，本发明具有以下技术效果：本发明首先对被测的微弱信号进行FFT变换，通过获取FFT变换后的数据计算被测信号的各个频率分量的频率信息，进而进行互相关检测完成对微弱信号的恢复。本发明专利使用FFT变换和互相关结合的方法完成对微弱信号的提取，相比而言可以避免多次迭代，计算量相对自相关互相关结合的方法低。本发明专利的方法尤其适用于对多音信号(即包含大量频率分量)的提取。
图2为本发明实施例微弱信号提取系统的结构框图；图3为本发明实施例前置放大采集电路的结构框图。
如图2所示，一种微弱信号提取系统，所述系统包括：
前置放大采集电路201，用于采集并放大外部输入的微弱信号，得到采样序列。前置放大采集电路201的实时方案如图3所示。输入被测信号首先经过RC/LC低通滤波器2011进行滤波，滤波后的信号送入程控增益放大器2012(AD8250)中进行放大，放大完成后的信号经过单端差分变换电路2013(AD8475)将单端信号转换为差分信号，转换后的差分信号送入高精ADC2014(24位高精ADC，ADS1271)，进行采集以获得采样序列x[n]。高精度基准源2015(REF5020)为整个前置放大采集电路提供基准电压源。前置放大采集电路201中所选用的器件仅仅是该前置放大采集电路的一种具体实施方案，根据不同的应用场景该前置放大采集电路的实施将不仅仅局限于上文描述的器件。
FPGA202，与所述前置放大采集电路201连接，用于对所述采样序列进行快速傅里叶变换，得到变换序列；
处理器203，与所述FPGA202连接，用于根据所述变换序列对所述微弱信号进行提取。
还包括存储器204，与所述处理器203连接，用于存储提取后的微弱信号。
缓存器205，与所述处理器203连接，用于存储所述处理器203生成的标准正余弦序列。
首先使用前置放大采集电路201对被测微弱信号进行放大并采集以获取采样序列x[n]。使用FPGA202完成步骤102中的FFT运算。步骤103到步骤109于图2中的ARM处理器203中实现，其中步骤104中生成的标准正余弦序列存入系统的SDRAM缓存器205中。最终提取后的微弱信号存入FLASH存储器204中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种微弱信号提取方法，其特征在于，所述方法包括：
按照设定的频率采集外部输入的微弱信号，得到采样序列，所述采样序列包括多个信号点以及多个频率分量；
对所述采样序列进行快速傅里叶变换，得到变换序列；
计算所述变换序列中各段幅度绝对值最高的信号点对应的频率；
根据所述变换序列生成标准正余弦序列；
计算所述标准正余弦序列与所述采样序列的相关值；
根据所述相关值，计算各频率分量的相位值以及幅度值；
通过逐次比较法获取所述各频率分量的幅度值的最大幅度值；
通过幅度阈值以及所述最大幅度值更新所有频率分量的幅度值；
根据幅度绝对值最高的信号点对应的频率、所述各频率分量的相位值以及更新后的频率分量的幅度值，对微弱信号进行提取。
2.根据权利要求1所述的微弱信号提取方法，其特征在于，所述计算所述变换序列中各段幅度绝对值最高的信号点对应的频率，具体包括：
将所述变换序列分为多段；
通过逐次比较法获取各段中幅度绝对值最高的信号点以及幅度绝对值最高的信号点的位置；
根据各段所述幅度绝对值最高的信号点的位置，计算各段内所述幅度绝对值最高的信号点对应的频率。
3.根据权利要求2所述的微弱信号提取方法，其特征在于，所述根据所述变换序列生成标准正余弦序列，具体包括：
根据各段内所述幅度绝对值最高的信号点对应的频率，生成标准正余弦序列。
4.根据权利要求1所述的微弱信号提取方法，其特征在于，所述根据所述相关值，计算各频率分量的相位值以及幅度值，具体包括：
根据所述相关值，采用四象限反正切法计算各频率分量的相位值；
根据所述相关值以及所述相位值计算各频率分量的幅度值。
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