CN112019190A - 一种平稳信号的组合滤波方法及系统 - Google Patents

一种平稳信号的组合滤波方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于信号滤波处理技术领域，提供了一种平稳信号的组合滤波方法及系统，包括步骤：获取平稳信号的采样点数据作为输入数据；获取预设组合滤波器中的滤波器个数、预设输入窗口长度作为滤波器滤波窗口和预设输出窗口长度；将所述输入数据中的部分采样点数据求和后取平均值得到所述滤波数据；将所述滤波数据通过组合滤波器中的各个滤波器在预设输出窗口长度内进行依次轮流输出，得到滤波输出数据。本发明的优点在于采用了组合滤波器的方式，滤波器的组合个数可根据平稳信号的数据长度需求进行设置，无需缓存历史数据点；将原有需要很大的数据缓存空间大大降低，从而减少了所需的运算内存，加快了对于数据的处理和运算过程。

Description

一种平稳信号的组合滤波方法及系统
技术领域
本发明涉及信号滤波处理技术领域，尤其涉及一种平稳信号的组合滤波方法及系统。
背景技术
滑动加权平均滤波是数据信号处理中常见的滤波方法，其原理是设置一个固定长度时间窗，对时间窗内的数据进行平均或取不同权值进行平均，然后移动窗口，继续进行平均运算。
在一些处理平稳信号的场合，为了提高信噪比，往往采用“过采样+滑动平均滤波”的方式剔除干扰和噪声等，但通常过采样的情况下，时间窗内的数据点数非常多，需要较大的缓存空间，不满足低成本的硬件方案。
根据上述滑窗加权平均滤波的原理，算法所需的缓存空间与点数以及数据位数有关，如1000点4 bytes大小的数据需要4000 bytes的缓存空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题目的在于提供一种平稳信号的组合滤波方法，用以解决数据缓存空间过大的问题；
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种平稳信号的组合滤波方法，包括步骤：
S1、获取平稳信号的采样点数据作为输入数据；
S2、获取预设滤波器个数作为组合滤波器中的滤波器的数量；
S3、获取预设输入窗口长度，作为组合滤波器中的各个滤波器的输入窗口长度；
S4、获取预设输出窗口长度，作为组合滤波器中的各个滤波器的输出窗口长度；
S5、将所述输入数据分别通过每个滤波器的累加求和后取平均得到滤波数据；
S6、将所述滤波数据通过组合滤波器中的各个滤波器在预设输出窗口长度内进行依次轮流输出，得到滤波输出数据。
进一步的，得到所述滤波数据的公式为：
Figure 900290DEST_PATH_IMAGE001
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，a为输入数据的起始计数点，n为滤波器步数，x(i)为输入数据，N为预设输入窗口长度。
进一步的，得到所述滤波数据的公式还可以是：
Figure 878610DEST_PATH_IMAGE002
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，n为滤波器步数，
Figure 5966DEST_PATH_IMAGE003
为上一个采样点 输入数据的滤波数据，x(n)为该采样点的输入数据，N为预设输入窗口长度。
进一步的，从所述滤波数据得到所述滤波输出数据公式为：
Figure 843472DEST_PATH_IMAGE004
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，v为输入数据的计数序号，
Figure 111380DEST_PATH_IMAGE005
为组合滤 波器中某个滤波器的滤波数据，N为预设输入窗口长度，L为预设输出窗口长度，u为循环次 数且
Figure 819573DEST_PATH_IMAGE006
。
一种平稳信号的组合滤波系统，包括：
第一获取模块，用于获取平稳信号的采样点数据；
第二获取模块，用于获取预设输入窗口长度和预设输出窗口长度；
滤波模块，用于将平稳信号的采样点数据进行滤波得到滤波输出数据。
进一步的，所述滤波模块包括：
平均滤波单元，用于将所述输入数据分别通过每个滤波器的累加求和后取平均得到滤波数据；
组合滤波单元，用于将所述滤波数据通过组合滤波器中的各个滤波器在预设输出窗口长度内进行依次轮流输出，得到滤波输出数据。
进一步的，通过所述平均滤波单元得到所述滤波数据的公式为：
Figure 117830DEST_PATH_IMAGE007
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，a为输入数据的起始计数点，n为滤波器步数，x(i)为输入数据，N为预设输入窗口长度。
进一步的，通过所述平均滤波单元得到所述滤波数据的公式还可以是
Figure 911474DEST_PATH_IMAGE008
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，n为滤波器步数，
Figure 78013DEST_PATH_IMAGE009
为上一个采样点 输入数据的滤波数据，x(n)为该采样点的输入数据，N为预设输入窗口长度。
进一步的，通过所述组合滤波单元得到所述滤波输出数据的公式为：
Figure 676266DEST_PATH_IMAGE010
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，v为输入数据的计数序号，
Figure 411003DEST_PATH_IMAGE011
为组合滤 波器中某个滤波器的滤波数据，N为预设输入窗口长度，L为预设输出窗口长度，u为循环次 数且
Figure 957522DEST_PATH_IMAGE012
。
本发明与现有技术相比，至少包含以下有益效果：
采用了组合滤波器的方式，滤波器的组合个数可根据平稳信号的数据长度需求进行设置；
采用了窗口长度可变的平均滤波方式，与传统的滑窗平均滤波方式相比，滤波后的数据结果基本一致；
将原有需要很大的数据缓存空间大大降低，从而减少了所需的运算内存，加快了对于数据的处理和运算过程。
附图说明
图1是本发明一种平稳信号的组合滤波方法的流程图。
图2是本发明一种平稳信号的组合滤波方法中组合滤波的示意图。
图3是本发明一种平稳信号的组合滤波系统的示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1所示，本发明一种平稳信号的组合滤波方法，包括步骤：
S1、获取平稳信号的采样点数据作为输入数据；
S2、获取预设滤波器个数作为组合滤波器中的滤波器数量；
S3、获取预设输入窗口长度，作为组合滤波器中的各个滤波器的输入窗口长度；
S4、获取预设输出窗口长度，作为组合滤波器中的各个滤波器的输出窗口长度；
S5、将所述输入数据中的部分采样点数据分别通过每个滤波器的累加求和后取平均得到滤波数据；
S6、将所述滤波数据通过组合滤波器中的各个滤波器在预设输出窗口长度内进行依次轮流输出，得到滤波输出数据。
其中，得到所述滤波数据的公式为：
Figure 537539DEST_PATH_IMAGE013
（1）
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，a为输入数据的起始计数点，n为滤波器步数，x(i)为输入数据，N为预设输入窗口长度。
对于每一个滤波器，n个采样点的数据平均值
Figure 718860DEST_PATH_IMAGE014
只与n-1个采样点的数据平均 值
Figure 624499DEST_PATH_IMAGE015
和最新数据x(n)有关，该平均滤波方法不需要对前n-1个输入数据进行缓存，只 需记录上一次滤波结果
Figure 392735DEST_PATH_IMAGE016
和当前点数n，所以得到所述滤波数据的公式还可以是：
Figure 901077DEST_PATH_IMAGE017
（2）
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，n为滤波器步数，
Figure 703947DEST_PATH_IMAGE018
为上一个采样点 输入数据的滤波数据，x(n)为该采样点的输入数据，N为预设输入窗口长度。
S5、将所述滤波数据通过组合滤波器中的各个滤波器在预设输出窗口长度内进行依次轮流输出，得到滤波输出数据。
其中，从所述滤波数据得到所述滤波输出数据公式为：
Figure 279023DEST_PATH_IMAGE019
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，v为输入数据的计数序号，
Figure 268976DEST_PATH_IMAGE020
为组合滤 波器中某个滤波器的滤波数据，N为预设输入窗口长度，L为预设输出窗口长度，u为循环次 数且
Figure 721954DEST_PATH_IMAGE021
。
根据用户需要滤波的数据长度选择m+1个滤波器，每个滤波器
Figure 379331DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 485828DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 727191DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 452701DEST_PATH_IMAGE025
、...、
Figure 964585DEST_PATH_IMAGE026
的起点a分别为1、1L、2L、3L、...、mL；根据公式（3）将各个滤波器组成组合滤波 器，其中包含滤波器
Figure 117349DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 105728DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 493984DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 125954DEST_PATH_IMAGE028
、...、
Figure 449619DEST_PATH_IMAGE026
，组合滤波器y的输出将根据当前输入数 据的序号在哪个滤波器的输出窗口内，就切换到对应滤波器进行输出。
结合图2说明组合滤波器的具体输出过程为：
在初始化阶段（输入数据为x(1)到x(N)时），组合滤波器的第一个滤波器
Figure 901460DEST_PATH_IMAGE029
投入使 用，因此输出
Figure 93407DEST_PATH_IMAGE030
；
当输入数据分别达到1L、2L、3L、...、mL时，分别进入组合滤波器的
Figure 78418DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 572985DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 777701DEST_PATH_IMAGE028
、...、
Figure 507760DEST_PATH_IMAGE032
的输入窗口内，但输入数据序号未达到其输出窗口内时，仅在后台运算，滤波数据不 输出；
当输入数据到N点时，即
Figure 114321DEST_PATH_IMAGE033
滤波器的步数n=N时，进入
Figure 278324DEST_PATH_IMAGE034
滤波器的输出窗口，组合滤 波器使用
Figure 704758DEST_PATH_IMAGE035
滤波器完成输出后，y切换到
Figure 645032DEST_PATH_IMAGE036
滤波器的输出，此时
Figure 840521DEST_PATH_IMAGE037
滤波器的步数n1=N-L，
Figure 801524DEST_PATH_IMAGE038
滤波器进行重置，n0=0。当输入数据到N+L点时，即
Figure 213788DEST_PATH_IMAGE039
滤波器的步数n1=N-L时，进入
Figure 692174DEST_PATH_IMAGE040
滤波器的输出窗口，组合滤波器使用
Figure 742170DEST_PATH_IMAGE041
滤波器完成输出后，y切换到
Figure 15019DEST_PATH_IMAGE042
滤波器的输出，此 时
Figure 275099DEST_PATH_IMAGE043
滤波器的步数n2=N-L，
Figure 795991DEST_PATH_IMAGE039
滤波器进行重置，n1=0；
依次类推，当输入数据到N+(m-1)L点时，进入
Figure 700493DEST_PATH_IMAGE044
滤波器的输出窗口，组合滤波器使用 ym-1滤波器完成输出后，y切换到最后一个滤波器
Figure 144244DEST_PATH_IMAGE045
的输出，此时
Figure 32566DEST_PATH_IMAGE046
滤波器的步数nm=N- L，
Figure 711809DEST_PATH_IMAGE047
滤波器进行重置，nm-1=0；
当输入数据到N+mL点时，组合滤波器使用
Figure 234932DEST_PATH_IMAGE048
滤波器完成输出后，完成一次所有滤波 器的切换，y重新切换到
Figure 849584DEST_PATH_IMAGE049
滤波器的输出，此时
Figure 959622DEST_PATH_IMAGE050
滤波器的步数n=N-L，
Figure 583502DEST_PATH_IMAGE044
滤波器进 行重置，nm=0；并继续依次按照过程，随着数据的输入，推动组合滤波器的依次轮回切换输 出。
在组合滤波器运算过程中所需要记录的参数有窗口长度N、轮换滤波器的输出窗 口长度L、组合滤波器中滤波器的数量m，以及m个滤波器的历史输出
Figure 321650DEST_PATH_IMAGE051
和各滤波器 当前滤波器步数n。
通过不断的循环滤波输出，滤波输出结果剔除了大量的噪声干扰，使得平稳信号能够更好的进行传输。
与以往传统的采用“过采样+滑动平均滤波”方式剔除干扰和噪声等相比，用于缓存数据的空间大大减少，也使得数据在剔除干扰和噪声的过程中运算速度会大大加快。
实施例二
一种平稳信号的组合滤波系统，包括：
第一获取模块，用于获取平稳信号的采样点数据；
第二获取模块，用于获取预设输入窗口长度和预设输出窗口长度；
滤波模块，用于将平稳信号的采样点数据进行滤波得到滤波输出数据。
其中，滤波模块包括：
平均滤波单元，用于将所述输入数据中的部分采样点数据求和后取平均值得到所述滤波数据；
通过所述平均滤波单元得到所述滤波数据的公式为：
Figure 871318DEST_PATH_IMAGE052
（1）
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，a为输入数据的起始计数点，n为滤波器步数，x(i)为输入数据，N为预设输入窗口长度。
对于每一个滤波器，n个采样点的数据平均值只与n-1个采样点的数据平均值和最新数据x(n)有关，该平均滤波方法不需要对前n-1个输入数据进行缓存，只需记录上一次滤波结果和当前点数n，所以通过所述平均滤波单元得到所述滤波数据的公式还可以是：
Figure 468653DEST_PATH_IMAGE053
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，n为滤波器步数，
Figure 365065DEST_PATH_IMAGE054
为上一个采样点 输入数据的滤波数据，x(n)为该采样点的输入数据，N为预设输入窗口长度。
组合滤波单元，用于将所述滤波数据通过组合滤波器中的各个滤波器在预设输出窗口长度内进行依次轮流输出，得到滤波输出数据。
通过所述组合滤波单元得到所述滤波输出数据的公式为：
Figure 488878DEST_PATH_IMAGE055
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，v为输入数据的计数序号，
Figure 84814DEST_PATH_IMAGE056
为组合滤 波器中某个滤波器的滤波数据，N为预设输入窗口长度，L为预设输出窗口长度，u为循环次 数且
Figure 294078DEST_PATH_IMAGE012
。
本发明一种平稳信号的组合滤波系统采用了组合滤波器的方式，滤波器的组合个数可根据平稳信号的数据长度需求进行设置，采用了窗口长度可变的平均滤波方式，与传统的滑窗平均滤波方式相比，滤波后的数据结果基本一致，并将原有需要很大的数据缓存空间大大降低，从而减少了所需的运算内存，加快了对于数据的处理和运算过程。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种平稳信号的组合滤波方法，其特征在于，包括步骤：
S1、获取平稳信号的采样点数据作为输入数据；
S2、获取预设滤波器个数作为组合滤波器中的滤波器数量；
S3、获取预设输入窗口长度，作为组合滤波器中的各个滤波器的输入窗口长度；
S4、获取预设输出窗口长度，作为组合滤波器中的各个滤波器的输出窗口长度；
S5、将所述输入数据分别通过每个滤波器的累加求和后取平均得到滤波数据；
S6、将所述滤波数据通过组合滤波器中的各个滤波器在预设输出窗口长度内进行依次轮流输出，得到滤波输出数据。
2.根据权利要求1所述的一种平稳信号的组合滤波方法，其特征在于，得到所述滤波数据的公式为：
Figure 615537DEST_PATH_IMAGE001
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，a为输入数据的起始计数点，n为滤波器步数，x(i)为输入数据，N为预设输入窗口长度。
3.根据权利要求1所述的一种平稳信号的组合滤波方法，其特征在于，得到所述滤波数据的公式还可以是：
Figure 905704DEST_PATH_IMAGE002
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，n为滤波器步数，
Figure 379411DEST_PATH_IMAGE003
为上一个采样点输 入数据的滤波数据，x(n)为该采样点的输入数据，N为预设输入窗口长度。
4.根据权利要求1所述的一种平稳信号的组合滤波方法，其特征在于，从所述滤波数据得到所述滤波输出数据的公式为：
Figure 987984DEST_PATH_IMAGE004
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，v为输入数据的计数序号，
Figure 611864DEST_PATH_IMAGE005
为组合滤波 器中某个滤波器的滤波数据，N为预设输入窗口长度，L为预设输出窗口长度，u为循环次数 且
Figure 490958DEST_PATH_IMAGE006
。
5.一种用于实现平稳信号的组合滤波方法的系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取平稳信号的采样点数据作为输入数据；
第二获取模块，用于获取预设输入窗口长度和预设输出窗口长度；
滤波模块，用于将平稳信号的采样点数据进行滤波得到滤波输出数据；
所述滤波模块包括：
平均滤波单元，用于将所述输入数据分别通过每个滤波器的累加求和后取平均得到滤波数据；
组合滤波单元，用于将所述滤波数据通过组合滤波器中的各个滤波器在预设输出窗口长度内进行依次轮流输出，得到滤波输出数据。
6.根据权利要求5所述的一种用于实现平稳信号的组合滤波方法的系统，其特征在于，通过所述平均滤波单元得到所述滤波数据的公式为：
Figure 276512DEST_PATH_IMAGE007
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，a为输入数据的起始计数点，n为滤波器步数，x(i)为输入数据，N为预设输入窗口长度。
7.根据权利要求5所述的一种用于实现平稳信号的组合滤波方法的系统，其特征在于，通过所述平均滤波单元得到所述滤波数据的公式还可以是
Figure 998480DEST_PATH_IMAGE008
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，n为滤波器步数，为上一个采样点 输入数据的滤波数据，x(n)为该采样点的输入数据，N为预设输入窗口长度。
8.根据权利要求5所述的一种用于实现平稳信号的组合滤波方法的系统，其特征在于，通过所述组合滤波单元得到所述滤波输出数据的公式为：
Figure 664046DEST_PATH_IMAGE010
其中，m为组合滤波器中某个滤波器的序号，v为输入数据的计数序号，
Figure 151659DEST_PATH_IMAGE005
为组合滤波 器中某个滤波器的滤波数据，N为预设输入窗口长度，L为预设输出窗口长度，u为循环次数 且
Figure 970710DEST_PATH_IMAGE011
。
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