CN110096963A - 一种有用信号提取电路、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有用信号提取电路、方法及装置，本发明先对输入信号进行滤波处理去除有用信号的三倍及以上的倍频以得到第一输入信号；再将第一输入信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并经过低通滤波处理以获取得到两个包含有用信号的幅值信息和相位信息的直流量信号，第一方波信号和第二方波信号的相位差为90度，有用信号的频率与第一方波信号的频率、第二方波信号的频率相同；接着将两个直流量信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并进行低通滤波处理以获取第一信号和第二信号；最后将第一信号和第二信号进行相加以获取到有用信号；克服现有技术中存在有用信号提取困难的技术问题。

Description

一种有用信号提取电路、方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其是一种有用信号提取电路、方法及装置。

背景技术

为了衡量电声设备的质量，常用“信噪比”这个技术指标，所谓信噪比就是指有用信号的功率S和噪声功率N的比值，记作S/N。例如，收音机听广播或录音机放音乐时，扬声器里除了广播声和音乐声外，总还含有各种杂声。这些杂声有的是雷电、电机、电器设备等产生的干扰；有的是电声设备本身的元件、器件所产生的。所有这些杂声都称为噪声。噪声越小，信噪比越大，广播和音乐听起来就越清晰。

然而，已知现有技术中，对于信噪比很低、有用信号完全淹没在噪声信号中的信号，无法从中获取到有用信号，因此，需要对此技术进行改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种有用信号提取电路、方法及装置，用于提取有用信号。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种有用信号提取电路，包括用于输入输入信号的信号输入端、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、用于提供第一方波信号的第一方波信号提供电路、用于提供第二方波信号的第二方波信号提供电路、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第五低通滤波器和加法电路，所述第一方波信号和所述第二方波信号的相位差为90度，所述输入信号的频率与所述第一方波信号的频率、所述第二方波信号的频率相同；

所述信号输入端与所述第一低通滤波器的输入端连接，所述第一低通滤波器的输出端、所述第一方波信号提供电路的输出端分别与所述第一乘法器的输入端连接，所述第一低通滤波器的输出端、所述第二方波信号提供电路的输出端分别与所述第三乘法器的输入端连接，所述第一乘法器的输出端与所述第二低通滤波器的输入端连接，所述第二低通滤波器的输出端、所述第一方波信号提供电路的输出端分别与所述第二乘法器的输入端连接，所述第二乘法器的输出端与所述第三低通滤波器的输入端连接，所述第三乘法器的输出端与所述第四低通滤波器的输入端连接，所述第四低通滤波器的输出端、所述第二方波信号提供电路的输出端分别与所述第四乘法器的输入端连接，所述第四乘法器的输出端与所述第五低通滤波器的输入端连接，所述第三低通滤波器的输出端、所述第五低通滤波器的输出端分别与所述加法电路的输入端连接。

进一步地，所述有用信号提取电路还包括信号放大电路，所述加法电路的输出端与所述信号放大电路的输入端连接。

进一步地，所述有用信号提取电路还包括滤波电路，所述加法电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接。

进一步地，所述第一乘法器、所述第二乘法器、所述第三乘法器或所述第四乘法器为电子开关。

进一步地，所述电子开关包括晶闸管或继电器。

第二方面，本发明提供一种有用信号提取方法，包括：

滤波步骤：对输入信号进行滤波处理去除有用信号的三倍及以上的倍频以得到第一输入信号；

幅值相位信息获取步骤：将所述第一输入信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并经过低通滤波处理以获取两个包含有用信号的幅值信息和相位信息的直流量信号，所述第一方波信号和所述第二方波信号的相位差为90度，所述有用信号的频率与所述第一方波信号的频率、所述第二方波信号的频率相同；

频率信息获取步骤：将两个所述直流量信号分别与所述第一方波信号、所述第二方波信号相乘并进行低通滤波处理以获取第一信号和第二信号；

有用信号获取步骤：将所述第一信号和所述第二信号进行相加以获取有用信号。

进一步地，所述有用信号提取方法还包括：

信号放大步骤：对所述有用信号进行放大处理。

进一步地，所述有用信号提取方法还包括：

滤波步骤：对所述有用信号进行滤波处理。

第三方面，本发明提供一种有用信号提取装置，包括：

滤波模块，用于对输入信号进行滤波处理去除有用信号的三倍及以上的倍频以得到第一输入信号；

幅值相位信息获取模块，用于将所述第一输入信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并经过低通滤波处理以获取两个包含有用信号的幅值信息和相位信息的直流量信号，所述第一方波信号和所述第二方波信号的相位差为90度，所述有用信号的频率与所述第一方波信号的频率、所述第二方波信号的频率相同；

频率信息获取模块，用于将两个所述直流量信号分别与所述第一方波信号、所述第二方波信号相乘并进行低通滤波处理以获取第一信号和第二信号；

有用信号获取模块，用于将所述第一信号和所述第二信号进行相加以获取有用信号。

进一步地，所述有用信号提取装置还包括：

信号放大模块，用于对所述有用信号进行放大处理。

本发明的有益效果是：

本发明先对输入信号进行滤波处理去除有用信号的三倍及以上的倍频以得到第一输入信号；再将第一输入信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并经过低通滤波处理以获取得到两个包含有用信号的幅值信息和相位信息的直流量信号，第一方波信号和第二方波信号的相位差为90度，有用信号的频率与第一方波信号的频率、第二方波信号的频率相同；接着将两个直流量信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并进行低通滤波处理以获取第一信号和第二信号；最后将第一信号和第二信号进行相加以获取到有用信号；克服现有技术中存在有用信号提取困难的技术问题。

附图说明

图1是本发明中一种有用信号提取电路的一具体实施例结构框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

一种有用信号提取方法，包括：

S1、滤波步骤：对输入信号x(t)进行滤波处理去除有用信号的三倍及以上的倍频以得到第一输入信号x’(t)；其中，x(t)＝A(t)+B(t)，A(t)是待提取的有用信号，f是有用信号的频率，A₀为有用信号的幅值，为有用信号的相位，B(t)是强度很大的噪声信号。值得注意的是，有用信号要么是A(t)的形式，要么是若干个A(t)相加的形式；本实施例中，以有用信号为一个A(t)的形式为例进行说明；具体地，利用低通滤波器对输入信号x(t)进行滤波处理，低通滤波器的截止频率设定在f～3f之间，防止噪声中的高频分量与后续的第一方波信号或第二方波信号的奇次倍频积化和差后也产生直流量而造成干扰，导致无法实现滤波。例如，假设输入信号x(t)中含有有用信号A(t)的3倍频的噪声分量：它与方波信号相乘会得到两个直流量。经过积化和差推导，此时其中的直流量是这样便分不出与A₀、有关的直流量，达不到滤波的效果。因此需要先对输入信号x(t)进行滤波，去除3f及其以上的频率分量。对输入信号x(t)进行滤波后得到第一输入信号x’(t)，其中B’(t)是小于低通滤波器的截止频率的噪声信号的频率分量。

S2、幅值相位信息获取步骤：将第一输入信号x’(t)分别与第一方波信号y(t)、第二方波信号y*(t)相乘并经过低通滤波处理以获取两个包含有用信号的幅值信息和相位信息的直流量信号，第一方波信号y(t)和第二方波信号y*(t)的相位差为90度，有用信号A(t)的频率与第一方波信号y(t)的频率、第二方波信号y*(t)的频率相同；具体地，第一方波信号y(t)和第二方波信号y*(t)的傅里叶级数分别为：

则第一输入信号x’(t)分别和第一方波信号y(t)、第二方波信号y*(t)相乘可以得到：

第一输入信号x’(t)和方波信号通过积化和差的方式，可以消去时间变量t得到对应的直流量，直流量指式子中的第一项和第一输入信号中，只有与第一方波信号y(t)、第二方波信号y*(t)频率相同的信号分量，才可以通过积化和差消去时间变量t得到直流量，从而将频率为f的信号分量单独区分出来，以达到滤波的效果。再利用低通滤波器进行滤波处理，由于低通滤波器的截止频率很低，则对x’(t)y(t)和x’(t)y*(t)进行低通滤波处理可以滤出两个直流量和

更进一步地，本实施例中通过方波信号控制电子开关，第一输入信号通过该电子开关的方式实现第一输入信号与方波信号相乘，利用电子开关作为乘法器，可以有效降低电路的复杂度和有用信号的提取成本。电子开关比如晶闸管、继电器等，对应的，第一方波信号y(t)控制第一电子开关，第二方波信号y*(t)控制第二电子开关，第二电子开关的通断比第一电子开关落后1/4f，即1/4个周期，相差90。

S3、频率信息获取步骤：将和两个直流量信号分别与第一方波信号y(t)、第二方波信号y*(t)相乘并进行低通滤波处理以获取第一信号和第二信号，以获取到有用信号的频率信息，为后续有用信号的还原做准备；与幅值相位信息获取步骤类似地，和两个直流量信号通过第一电子开关和第二电子开关，第一方波信号y(t)控制第一电子开关，第二方波信号y*(t)控制第二电子开关，以实现信号相乘，可以得到：

相乘后的信号再次通过低通滤波器，该低通滤波器的截止频率设在2f～6f之间，相当于只得到上面两式的第一项。得到：和

S4、有用信号获取步骤：将第一信号和第二信号进行相加以获取有用信号；即：

至此，可以得到信号幅度较小的有用信号A(t)，达到滤波的效果。

S5、信号放大步骤：对幅度较小的有用信号进行放大处理以放大有用信号；

S6、滤波步骤：对有用信号进行滤波处理以进一步滤除干扰。

本方法利用积化和差的原理，利用一组正交的第一方波信号和第二方波信号(方波信号的频率与有用信号的频率相同)，可以从信噪比很低的信号中提取出有用信号，克服现有技术中有用信号提取困难的技术问题。另外，采用电子开关作为乘法器，可以有效降低有用信号的提取成本。

实施例2

基于实施例1提供一种有用信号提取装置，包括：

滤波模块，用于对输入信号x(t)进行滤波处理去除有用信号的三倍及以上的倍频以得到第一输入信号x’(t)；其中，x(t)＝A(t)+B(t)，A(t)是待提取的有用信号，f是有用信号的频率，A₀为有用信号的幅值，为有用信号的相位，B(t)是强度很大的噪声信号。值得注意的是，有用信号要么是A(t)的形式，要么是若干个A(t)相加的形式；本实施例中，以有用信号为一个A(t)的形式为例进行说明；

幅值相位信息获取模块，用于将第一输入信号x’(t)分别与第一方波信号y(t)、第二方波信号y*(t)相乘并经过低通滤波处理以获取两个包含有用信号的幅值信息和相位信息的直流量信号，第一方波信号和第二方波信号的相位差为90度，有用信号的频率与第一方波信号的频率、第二方波信号的频率相同；

频率信息获取模块，用于将两个直流量信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并进行低通滤波处理以获取第一信号和第二信号；

有用信号获取模块，用于将第一信号和第二信号进行相加以获取有用信号；

信号放大模块，用于对有用信号进行放大处理。

滤波模块，用于对有用信号进行滤波处理。

值得注意的是，幅值相位信息获取模块和频率信息获取模块中，利用电子开关和方波信号实现信号相乘。有用信号提取装置的具体工作过程参照实施例1的描述，不再赘述。

实施例3

参考图1，图1是本发明中一种有用信号提取电路的一具体实施例结构框图，有用信号提取电路包括用于输入输入信号x(t)的信号输入端、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、用于提供第一方波信号y(t)的第一方波信号提供电路、用于提供第二方波信号y*(t)的第二方波信号提供电路、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第五低通滤波器、加法电路、信号放大电路和滤波电路，第一方波信号y(t)和第二方波信号y*(t)的相位差为90度，输入信号x(t)的频率与第一方波信号y(t)的频率、第二方波信号y*(t)的频率相同；输入信号x(t)＝A(t)+B(t)，A(t)是待提取的有用信号，f是有用信号的频率，A₀为有用信号的幅值，为有用信号的相位，B(t)是强度很大的噪声信号。值得注意的是，有用信号要么是A(t)的形式，要么是若干个A(t)相加的形式；本实施例中，以有用信号为一个A(t)的形式为例进行说明；其中：

信号输入端与第一低通滤波器的输入端连接，第一低通滤波器的输出端、第一方波信号提供电路的输出端分别与第一乘法器的输入端连接，第一低通滤波器的输出端、第二方波信号提供电路的输出端分别与第三乘法器的输入端连接，第一乘法器的输出端与第二低通滤波器的输入端连接，第二低通滤波器的输出端、第一方波信号提供电路的输出端分别与第二乘法器的输入端连接，第二乘法器的输出端与第三低通滤波器的输入端连接，第三乘法器的输出端与第四低通滤波器的输入端连接，第四低通滤波器的输出端、第二方波信号提供电路的输出端分别与第四乘法器的输入端连接，第四乘法器的输出端与第五低通滤波器的输入端连接，第三低通滤波器的输出端、第五低通滤波器的输出端分别与加法电路的输入端连接；加法电路的输出端与信号放大电路的输入端连接；加法电路的输出端与滤波电路的输入端连接。具体地，本实施例中，第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器或第四乘法器采用电子开关来实现，分别对应第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关，电子开关包括晶闸管或继电器。本实施例通过利用方波信号控制电子开关，原信号通过该电子开关，可以实现原信号与方波信号的信号相乘，以电子开关作为乘法器，有效降低了电路的复杂度，以及降低了有用信号的提取成本。而第一方波信号提供电路、第二方波信号提供电路采用信号发生源来实现，实现简单且成本低。

参考图1，参照实施例2的描述，第一低通滤波器作为滤波模块，第一电子开关、第二低通滤波器、第一方波信号提供电路、第三电子开关、第四低通滤波器和第二方波信号提供电路作为幅值相位信息获取模块，而第二电子开关、第三低通滤波器、第一方波信号提供电路、第四电子开关、第五低通滤波器和第二方波信号提供电路作为频率信息获取模块，加法电路作为有用信号获取模块，则有用信号提取电路的具体工作过程参考实施例1的描述，不再赘述。从实施例1的描述可以得出，模块Ⅰ利用积化和差的方法达到滤波的效果，得到含A₀、信息的直流量(只有与方波信号频率一致的信号分量才可以通过积化和差得到直流量，这样便达到了特异性滤波的效果)。模块Ⅱ是通过乘法(即电子开关)和加法电路，使直流量还原成要提取的有用信号

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种有用信号提取电路，其特征在于，包括用于输入输入信号的信号输入端、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器、第四乘法器、用于提供第一方波信号的第一方波信号提供电路、用于提供第二方波信号的第二方波信号提供电路、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第五低通滤波器和加法电路，所述第一方波信号和所述第二方波信号的相位差为90度，所述输入信号的频率与所述第一方波信号的频率、所述第二方波信号的频率相同；

所述信号输入端与所述第一低通滤波器的输入端连接，所述第一低通滤波器的输出端、所述第一方波信号提供电路的输出端分别与所述第一乘法器的输入端连接，所述第一低通滤波器的输出端、所述第二方波信号提供电路的输出端分别与所述第三乘法器的输入端连接，所述第一乘法器的输出端与所述第二低通滤波器的输入端连接，所述第二低通滤波器的输出端、所述第一方波信号提供电路的输出端分别与所述第二乘法器的输入端连接，所述第二乘法器的输出端与所述第三低通滤波器的输入端连接，所述第三乘法器的输出端与所述第四低通滤波器的输入端连接，所述第四低通滤波器的输出端、所述第二方波信号提供电路的输出端分别与所述第四乘法器的输入端连接，所述第四乘法器的输出端与所述第五低通滤波器的输入端连接，所述第三低通滤波器的输出端、所述第五低通滤波器的输出端分别与所述加法电路的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的有用信号提取电路，其特征在于，所述有用信号提取电路还包括信号放大电路，所述加法电路的输出端与所述信号放大电路的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的有用信号提取电路，其特征在于，所述有用信号提取电路还包括滤波电路，所述加法电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的有用信号提取电路，其特征在于，所述第一乘法器、所述第二乘法器、所述第三乘法器或所述第四乘法器为电子开关。

5.根据权利要求4所述的有用信号提取电路，其特征在于，所述电子开关包括晶闸管或继电器。

6.一种有用信号提取方法，其特征在于，包括：

滤波步骤：对输入信号进行滤波处理去除有用信号的三倍及以上的倍频以得到第一输入信号；

幅值相位信息获取步骤：将所述第一输入信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并经过低通滤波处理以获取两个包含有用信号的幅值信息和相位信息的直流量信号，所述第一方波信号和所述第二方波信号的相位差为90度，所述有用信号的频率与所述第一方波信号的频率、所述第二方波信号的频率相同；

频率信息获取步骤：将两个所述直流量信号分别与所述第一方波信号、所述第二方波信号相乘并进行低通滤波处理以获取第一信号和第二信号；

有用信号获取步骤：将所述第一信号和所述第二信号进行相加以获取有用信号。

7.根据权利要求6所述的有用信号提取方法，其特征在于，所述有用信号提取方法还包括：

信号放大步骤：对所述有用信号进行放大处理。

8.根据权利要求6或7所述的有用信号提取方法，其特征在于，所述有用信号提取方法还包括：

滤波步骤：对所述有用信号进行滤波处理。

9.一种有用信号提取装置，其特征在于，包括：

滤波模块，用于对输入信号进行滤波处理去除有用信号的三倍及以上的倍频以得到第一输入信号；

幅值相位信息获取模块，用于将所述第一输入信号分别与第一方波信号、第二方波信号相乘并经过低通滤波处理以获取两个包含有用信号的幅值信息和相位信息的直流量信号，所述第一方波信号和所述第二方波信号的相位差为90度，所述有用信号的频率与所述第一方波信号的频率、所述第二方波信号的频率相同；

频率信息获取模块，用于将两个所述直流量信号分别与所述第一方波信号、所述第二方波信号相乘并进行低通滤波处理以获取第一信号和第二信号；

有用信号获取模块，用于将所述第一信号和所述第二信号进行相加以获取有用信号。

10.根据权利要求9所述的有用信号提取装置，其特征在于，所述有用信号提取装置还包括：

信号放大模块，用于对所述有用信号进行放大处理。