CN1091904C - 信号的数字化混合装置和方法 - Google Patents

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Abstract

由传感器获取的模拟信号被过取样且在本地被转换为例如1位的数字字流，且它们未经预格式化便在传输通道上被送至一个中央站。所述中央站包括储存装置及用于对这些1位字进行混合及直接加权的装置，以及用于使来自混合装置的信号重新构成高分辩率数字字的装置。本发明可应用于音响或地震信号的聚集。

Description

信号的数字化混合装置和方法
本发明涉及能把来自多个传感器的信号互相混合的数字处理方法及其装置。
更精确地说，本发明的目的在于提供一种用过取样型式的模—数转换装置来混合已转换为低分辨率的数字字，以及以数字形式产生混合信号的方法及其装置。
目前常用的通过过取样进行模—数转换的技术是通过增量—总和调制器来实现的，该调制器通过以一相当高的取样频率fs(例如fs＝512×FNyquist)对模拟信号进行取样来传送低分辨率数字字例如1位字，所产生数字字的平均幅值与所取样模拟信号的幅值成正比例地随时间变化。在调制器的输出端连接有一数字滤波器以显著地滤去量化噪声，所述滤波器产生其有较高分辨率(例如16至24位)及较低频率的数字字，这便是已知的抽取的方法。这种型式的转换器在例如美国专利4,866,442、4,943,807、4,994,804等中均已描述。
在音响及地震勘探领域内的一些典型应用中需对由传感器接收到的信号进行混合。在对多个信号可能进行加权和/或滤波或移相后，可以完成例如对所述信号进行累加或对所述多个信号进行更为复杂的混合。尤其是在地震勘探的情况下，把非常多的接收器分布在某一待探测区域中以接收响应于地震波源触发的摇动而产生的由底土层间断面反射的地震波。最常见的所述接收器是由多个电气互连且放置在探测区域内以对一组有序的表面噪声进行滤波的基本传感器所组成。每一接收器提供一个相当于由互连基本传感器所产生信号之电学平均值的“地震轨迹”。
众所周知，构成单个“轨迹”的各个传感器的相对布置对于较好地抑制表面噪声具有很大影响。同样众所周知的是，通过把信号混合前形成单个轨迹的各个信号分别产生的信号幅度和/或频谱形成帧，将可能大大地抑制噪声电平，并使数字化装置保持较好的动态性能而用于有用的信号。
例如在美国专利2698927、2747172、3400783、3863200、3863201中对用来在混合之前改变由传感器接收到的幅度、频谱或信号相位且安装在所述传感器附近的有源或无源型的加权装置进行了描述。
所有模拟处理装置的主要缺点在于其无法变通的结构。滤波参数必须预先知道，假设所述接收装置已被有效地设置成可允许对参数进行修改，在设置了本地处理装置的地方同样必须进行调整，这就扩大了设置工作的范围。同时，在记录所拾取的信号期间将不能轻易地改变在使用前可能已经完成的调整。
现有的混合信号的技术是将需混合的模拟信号转换为例如8位、16位或32位的数字字和使用为实现所需混合而编程的数字计算机。
这一方法适用于数量有限的信号，但对于数量相当多的信号而言，这种方法显得相当复杂且成本较高。在某些应用范围内，尤其是在地球物理学中，需计及例如500至4000个不同信道上的信号，则一个能够以足够的动态性能(例如20至24位)获得所有这些信道信号的记录实验室将是一笔过高的花费。
本发明的方法可在花费低廉的有利条件下实现对来自数量相当多的传感器的模拟信号进行全然不同的混合，它包括：
将每一个需混合的模拟信号转换为低分辨率的数字信号；
混合所述低分辨率的数字信号；且
将由所述混合后产生的数字信号转化为高分辨率的数字信号。
所述方法还可包括在混合低分辨率数字信号前对其中至少一部分进行加权并在所述混合之前在一个或数个传输信道上传输数字信号。
用于实现此方法的装置包括将每一个模拟信号转换为低分辩率过取样数字信号的装置，用于混合所形成的各个数字信号的装置及用于将来自混合装置的数字信号转化为高分辨率数字信号的滤波装置。它还可包括在来自转换装置的数字信号中之至少一部分被馈入所述混合装置之前对其进行修正的加权装置，以及中间传输装置(传输线、赫兹波道、光纤等)，这些装置适合于例如低分辨率数字信号的传输。所述用于将模拟信号转换为低分辨率与高速率的数字信号的装置包括例如产生位流的过取样增量—总和调制器以及用于分别与不同信号相对应的位流的可寻址存储部件，所述混合装置包括累加装置和一个用于将从各个存储中所选择的地址上读得的数字信号有选择地馈入累加装置的控制单元，以及用于将来自叠式存储器(stacker)的低分辨率数字信号转变为高分辨率数字信号的滤波装置。
所述加权装置可包括数字倍增装置，它对来自存储部件的数字信号进行倍增，从而在其被加到所述叠式存储器前可在任何时候修改其相互之间的权值。
根据本发明的方法和装置提供了相当简单且成本低廉的本地组件，所述组件安置在信号接收区域的附近，能把所述信号分别传送至接收站且用比现有技术更为简便的方法随意加以混合，从而形成具有较好的背景噪声抑制的信号。就信号混合之可能的选择而言，所述方法及装置具有相当的灵活性且成本低廉，当使用大而复杂的信号传感器阵列时，例如用在地震勘探的情况下，这一点便尤其占有优势。
本发明的其它特性及优点将参照附图通过阅读以下对以非限制性的举例的方式提供的实施例所作的描述而更为明确。
图1示出了用于传感器例如地震传感器的装置的一个第一实施例。
图2示出了上述实施例的一种变化形式，它包括了加权装置。
根据图1的实施例，所述装置与至少一个传感器阵列G1、G2……Gn相关联，所述传感器传送可在任何时刻随意改变的、以特殊方式混合的模拟信号。为达到这一效果，一个本地组件LM1…LMk与每一个传感器阵列相关联。每个组件LMI至LMK包括分别与不同传感器G1至Gn相关联的元件DS1、DS2……DSn。这些元件在由本地同步元件H1、H2……Hn设置的高取样频率下，将来自传感-器G1至Gn的信号转换为一串数字信号或低分辨率的数字字。元件DS1至DSn可以是例如以一等于512×FNyquist的频率产生1位数字字的增量—总和型调制器。所述来自于每一本地组件LM1……LMk的调制器DS1至DSn的各个数字字流被发送至一相隔多少有些遥远的采集或集中站AU。当所述站的距离很远时，传输信道可使用例如传输线或光纤L1、L2……Ln或赫兹波道，如在例如被转让给同一受让人的法国专利92/10427中所描述的那样。以位流方式传输信号可以用简化的传输装置。
每一本地组件LM1……LMk在中央站AU中与一CAM1……CAMk阵列相关联。所述每个阵列包括一分别接收来自不同调制器DS1至DSn的字流的多个可寻址存储部件M1、M2……Mn。存储部件M1至Mn的输出端连接到一个用来叠放同时从不同存储部件M1至Mn中取出字的叠式存储器1的n个输入端上。叠式存储器1的n个输入端可单独地被控制从而可在任何时刻选择在其中所传输的不同的字的数目。
在规定地址对不同存储部件的读取顺序以及在叠式存储器1中在所述这些地址上被读出的字的传递均由同步单元2来产生。叠式存储器传送代表每个堆积的数字字且与所堆积之各个字码有相同的分辨率。如果数字化的字是1位型式的，收到堆积的信号便集中在叠式存储器1的输出端。
叠式存储器的输出端连接到一抽取数字滤波器型的变换装置3上，所述滤波器可用作将来自叠式存储器的高取样频率(过取样)下的低分辨率字转化为高分辨率的字(例如16位或24位字)，并将其传送到总线4上以便将它们传送到中央储存单元5中，站AU包括例如一个DSP型的可编程处理器6，它用来执行对中央存储器5中所包含数字字的各种处理。
可对每一存储部件M1至Mn的规格进行挑选以使它能够包含代表某一事件的所有数字化字，例如在地震发送—接收循环期间即几秒钟内由地震探测器接收到的模拟信号。可使用例如一种“流水线(pipeline)”式的写—读方式，叠式存储器1中在每一次读操作时被释放的存储单元被用于储存新的数字字。
每一组件CAM1……CAMk的由同步单元2控制的存储器M1至Mh的读取方式可用中央处理器6来改变。对所读地址的合适的选择可以简便地在每一叠式存储器1中所混合的信号之间产生相移。这种布置可用于对处于不同地点的几个基本传感器之信号进行电混合。在存储器中所读的字之间引入适当的相移，可以获得与所有的基本传感器都被安置在单个地区时得到的信号相似的混合信号。
图2的实施例与图1相类似。其区别在于每个采集或集中组件例如图中所示的组件CAMi还包括一个插在存储部件M1至Mn与叠式存储器1之间的加权单元7。所述加权单元可向每个已储存的信号的幅值提供一个可变的增益以改变其对于其它由存储部件M1至Mn中抽取且传送至叠式存储器1的信号的相对权重。所述相移和/或加权的参数由例如处理器6(DSP)产生。通过数字乘法提供给加权单元7的不同输入端的增益用同步单元2由中央处理器6来决定。这样，操作员可以控制中央处理器6从而使加权单元7向需累加的不同信号提供合适的增益，从而在需要时，改善所产生的信号。
叠式存储器1的输入端可加以单独控制，采用处理器6，操作员也可控制从存储部件M1至Mn经叠式存储器1选择抽取的数字字，和把所抽取的字用作各种处理，例如相关。

Claims (10)

1.一种生成高精度数字信号的方法，所述数字信号对应于不同模拟信号的组合，包括使用适合在抽取低分辨率的数字字之前形成低分辨率的过取样数字字的过取样模数转换器，以获得高分辨率的数字字，其特征在于，所述方法包含：
-通过过取样，生成具有不同的要混合的每一模拟低分辨率数字字，
-直接将所述低分辨率的数字字相互叠加，以形成混合的低分辨率的数字字，随后
-通过抽取，将所述混合的低分辨率的数字字转换成与所述混合的模拟信号对应的高分辨率的数字字。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包含通过在混合低分辩率数字字前对至少部分低分辩率数字字进行加权而进行的修改。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，它还包含在所述混合前先在几个传输信道上将不同的低分辨率数字字发送到另一处。
4.一种通过混合不同的模拟信号产生数字字的装置，它包括过取样模数转换器，所述转换器中的每一个包括形成低分辨率的过取样数字字的调制器(DS)和抽取所述数字字以获取高分辨率的数字字的滤波装置(3)，其特征在于，所述装置包含：
-直接与所述调制器耦合的加和装置(1)，用来将通过对所述模拟信号进行过取样而得到的低分辨率的数字字进行相互混合；以及
-与所述加和装置耦合的抽取数字滤波器(3)，用来通过抽取，将经加和的数字字转换成高分辨率的数字字。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，它还包含将来自调制器(DS)的数字信号在施加到所述抽取装置之前对其中至少一部分进行加权的加权装置。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，它还包含插入的传输装置(L1-Ln)，所述插入的传输装置将所述调制器与至少一个包括抽取装置的模块(CAM)相连。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，用于将模拟信号转换为低分辩率数字信号的调制器(DS)是增量—总和调制器，它产生位流和可寻址存储部件(M1-Mn)，用于储存分别相应于不同信号之位流，所述加和装置包括叠式存储器和一个可以将从不同存储部件中的经选择的地址上读出的数字信号有选择地传送到累加装置内，而所述滤波装置包括用于将来自叠式存储器的低分辩率数字信号转化为高分辩率数字信号。
8.如权利要求5或7所述的装置，其特征在于，所述加权装置包括用于使来自存储部件(M1-Mn)的数字信号倍增的数字倍增装置，以便在将其用于所述叠式存储器之前的任何时刻修正其相互间的相对权值。
9.如权利要求4或7所述的装置，其特征在于，它包括用于传输未格式化位流的传输信道(L)和传输装置。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，它包括用于传输未格式化位流的传输信道(L)和传输装置。
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