CN112367083A - 多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统，该系统针对两个及以上多通道的模拟输入信号，在模拟部分以矩阵结构的形式根据指令进行包括加、减、乘、除、移相时域处理，数字部分进行相关的频域计算处理。系统包括以下部分：信号调理，模拟信号输入控制矩阵，模拟信号处理单元组，模拟信号输出控制矩阵，数字采集单元组，数字处理控制单元，输出与控制接口和数据存储。该系统可以有效解决多通道模拟信号的实时处理与运算问题，避免了模拟信号在数字化过程中的信息丢失，降低了数字化噪声等带来的运算误差，大幅度提高了实时处理的速度和效率，降低了后端数字电路的功耗与性能要求。

Description

多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统

技术领域

本发明涉及一种信号处理系统，尤其涉及一种多通道信号模拟数字处理系统。

背景技术

信号处理技术在声、电、光学测量等多学科领域具有广阔的应用前景和重要的研究意义。例如，在运用海洋声呐、线列阵等水下声波信号采集系统时，通常需要将接收到的多通道声波信号进行多种运算处理，得到需要的声波相位、传播时间、传播距离、信号幅值等关键信息，这对信号的处理效率与运算精度都有很高的要求。

在信号处理领域中，多通道信号的互相关特性处理是一项很重要的内容。传统的研究过程需要把多通道信号逐一的进行数字化以后，通过高性能处理器进行各种所需要的计算与处理。由于数字化过程的会带入采样噪声，并且采用带宽与分辨率也受不同性能AD的限制，模拟信号的数字化后的带宽、精度与细节都存在较大的损失。直接采样数字化后的信号，在数字处理的过程中，多通道时域信号处理时间耗费大量计算，会导致较大的响应延迟，这在要求速度与精度的系统中，是一个凸出的矛盾。

目前针对多通道模拟信号的数据处理，通常采取将多通道模拟信号数字化后，在数字端进行的实时处理运算。现有数字信号处理方法虽然较为成熟，但是需要耗费大量的处理内存，并且会引入数字化噪声，从而降低了信号处理的效率和精度，产生了一定的运算误差。多通道信号的数字化处理方法存在以下缺点：多通道的模拟信号在数字化过程会导致原始信号的部分信息丢失，并且带入数字化噪声。对于高速高精度信号的要求，需要耗费大量带宽，对数字系统的性能要求很高。实时处理多通道的数据对于后端的计算量要求非常高，速度上的响应会受制于数字系统的计算能力等；虽然可以采取提高数字系统的性能来弥补，但带来的高功耗依然非常可观。而在多通道模拟信号端进行实时处理，可以解决数字信号处理存在的效率差和精度低等问题。目前，尚缺乏针对多通道模拟信号的实时处理与运算技术。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统。多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统是针对传统技术的缺点而设计的一种新型信号处理系统，由于模拟电路的时域响应速度不存在延迟与采样损失，因此把信号的时域处理功能采用模拟电路来实现，大大提高了响应速度，并且通过模拟处理后的各类信号可以采用不同性能的AD采样电路，针对速度，精度，带宽等不同需求而优化数字化的后的信号质量，最大限度的保留了有效信息，数字部分只需要做必要的后期数字处理工作从而大幅降低数字部分的功耗与难度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统，该系统对两个及以上多通道的模拟输入信号，在模拟部分以矩阵结构的形式根据指令进行包括加、减、乘、除、移相时域处理，数字部分进行相关的频域计算处理。

进一步地，所述系统按信号处理过程依次包括信号调理，模拟信号输入控制矩阵，模拟信号处理单元组，模拟信号输出控制矩阵和数字采集单元组；所述系统还包括数字处理控制单元，所述数字处理控制单元与所述信号调理，模拟信号输入控制矩阵，模拟信号输出控制矩阵和数字采集单元组分别信号相连；所述数字处理控制单元还分别与输出与控制接口和数据存储部分信号相连；其中，

所述信号调理部分用于对多路输入的模拟信号进行包括放大、整形、滤波预处理；

所述模拟信号输入控制矩阵用于分配进入到所述模拟信号处理单元组的各单元的信号；

所述模拟信号处理单元组用于实时地对输入的信号进行包括加，减、乘、除以及相移的模拟计算处理；

所述模拟信号输出控制矩阵用于分配进入到所述数字采集单元组的各单元的信号；

所述数字采集单元组用于将输入的各路模拟信号数字化；

所述数字处理控制单元用于数据采集、处理，以及系统控制；

所述输出与控制接口用于系统的数据输出和接受外部指令。

进一步地，所述系统的处理过程为，多路输入信号传送到所述信号调理部分用于对多路输入的模拟信号进行包括放大、整形、滤波预处理；调理后的信号接着由所述数字处理控制单元数控的所述模拟信号输入控制矩阵分配到相应的模拟信号处理单元组的单元，进行包括加、减、乘、除、移相、调制解调的相关运算，然后由所述数字处理控制单元数控的所述模拟信号输出控制矩阵将各路运算结果输出到所述数字采集单元组进行数字化处理，数字化后的各路信号由所述数字处理控制单元采集并进行包括信号计算与识别处理，并根据需要传送到所述数据存储部分进行存储，或通过输出与控制接口输出数据。

本发明的有益效果是：

(1)在模拟部分就实时处理，速度快，不存在时域延迟的现象。

(2)由于数字化过程会带入采样噪声，加上信号输入滤波的带宽限制，模拟信号的带宽、精度与细节都存在较大的损失。

(3)直接采样数字化后的信号，在数字处理的过程中，多通道时域信号处理时间耗费大量计算，会导致较大的延迟。

(4)采用模拟矩阵处理后的信号，可以根据需求只配置必要的采样通道，而由于多通道的数字化过程需要耗费大量带宽，对数字系统的性能要求很高，通过模拟矩阵电路实时处理后的信号，只需要针对处理后有效的信号采样处理，大幅降低了数字化通道数量，从而可以用更高速度与精度的采样方式，进一步提高信号质量。

(5)对处理过的模拟信号进行数字化后，最大限度的保留了有效信息，数字部分只需要做必要的后期数字处理工作从而大幅降低数字部分的功耗与难度。

(6)现代模拟电路技术已经进入超低功耗，超精密的时代，采用模拟矩阵处理的方式，要远低于数字系统的功耗，二者结合，可对多通道的实时信号，进行高速有效的综合处理。

总之，该系统可以有效解决多通道模拟信号的实时处理与运算问题，避免了模拟信号在数字化过程中的信息丢失，降低了数字化噪声等带来的运算误差，大幅度提高了实时处理的速度和效率，降低了后端数字电路的功耗与性能要求。

附图说明

图1是本发明的电路原理框架图；

图2是本发明信号调理部分原理示意图；

图3是本发明模拟信号输入控制矩阵原理示意图；

图4是本发明模拟信号处理单元组原理示意图；

图5是本发明模拟信号输出控制矩阵原理示意图；

图6是本发明数字采集单元组原理示意图。

图中标号的名称为：1-信号调理，2-模拟信号输入控制矩阵，3-模拟信号处理单元组，4-模拟信号输出控制矩阵，5-数字采集单元组，6-数字处理控制单元，7-输出与控制接口，8-数据存储；EN为数字处理控制单元的数字控制端。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，如图1所示，一种多通道水听器接收信号的模拟数字实时处理矩阵系统，系统包括以下部分：信号调理1，模拟信号输入控制矩阵2，模拟信号处理单元组3，模拟信号输出控制矩阵4，数字采集单元组5，数字处理控制单元6，输出与控制接口7和数据存储8。

多通道水听器接收的多路信号首先传送到信号调理1，如图2所示，从S1到Sn的多路信号，输入后独立进行包括阻抗变换、放大、整形、滤波与输出驱动处理，对于相同性质的采集信号，采用统一参数处理；对于不同性质的信号，可以针对性的采用不同参数以适用最佳的处理电平，通过参数调整控制接口由数字控制系统调整，因此对复杂的多路不同性质信号的系统具有很强的适应性。

信号调理1输出的多路信号接着传送到模拟信号输入控制矩阵2，如图3所示，通过数控的多路模拟开关阵列选择进入到模拟信号处理单元组3的各模拟处理单元，如图4所示，每路信号既可以同时进入多个处理单元，可以灵活选择从单路到多路的信号各模拟处理单元进行实时计算处理。模拟信号处理单元负责实时信号的模拟计算处理，通过输入矩阵，每个功能单元可以任意选择输入的信号通道并进行相应的计算功能，模拟计算的功能单元可以根据实际需求配置。例如，常用的加法，减法，乘法，除法以及相移等功能单元。

然后数控的模拟信号输出控制矩阵4的模拟开关阵列把运算处理后的信号输出到数字采集单元组5进行数字化处理，如图5所示；根据实际需求，每路运算单元的结果分别可以送到不同性能的采集单元进行数字化。各数字采集单元AD1-ADn通过模拟信号输出控制矩阵4灵活选择不同模拟处理单元的信号，如图6所示，AD1-ADn的数字采集单元可以根据需要配置不同性能的芯片电路，例如32bit超高精度ad或者超高速ad芯片。

数字采集后的信号数据通过高速数据接口进入数字处理控制单元6，数字处理控制单元6是系统控制与数字计算的中心，具有数据采集，数据处理，数据存储，逻辑控制，与外部设备通讯等功能，通过数字采集后的数据经过相应的计算处理，由数字处理控制单元6传送到数据存储部分8进行存储，也可通过输出与控制接口7与外部设备通讯；数字处理控制单元6的逻辑控制功能负责模拟矩阵与模拟电路参数以及整体设备的控制。

上述过程在传统的多通道信号模拟全数字化处理系统中，会耗费大量计算任务，时间延迟明显；而在本系统中把直接实时处理后的信号再进行数字处理，可以直接对信号中的有效成分进行识别，有效的提高了系统响应速度，这在要求高精尖的任务中，具有巨大的实时优势。

以上内容仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统，其特征在于：该系统对两个及以上多通道的模拟输入信号，在模拟部分以矩阵结构的形式根据指令进行包括加、减、乘、除、移相时域处理，数字部分进行相关的频域计算处理。

2.根据权利要求1所述的多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统，其特征在于：所述系统按信号处理过程依次包括信号调理，模拟信号输入控制矩阵，模拟信号处理单元组，模拟信号输出控制矩阵和数字采集单元组；所述系统还包括数字处理控制单元，所述数字处理控制单元与所述信号调理，模拟信号输入控制矩阵，模拟信号输出控制矩阵和数字采集单元组分别信号相连；所述数字处理控制单元还分别与输出与控制接口和数据存储部分信号相连；其中，

所述信号调理部分用于对多路输入的模拟信号进行包括放大、整形、滤波预处理；

所述模拟信号输入控制矩阵用于分配进入到所述模拟信号处理单元组的各单元的信号；

所述模拟信号处理单元组用于实时地对输入的信号进行包括加，减、乘、除以及相移的模拟计算处理；

所述模拟信号输出控制矩阵用于分配进入到所述数字采集单元组的各单元的信号；

所述数字采集单元组用于将输入的各路模拟信号数字化；

所述数字处理控制单元用于数据采集、处理，以及系统控制；

所述输出与控制接口用于系统的数据输出和接受外部指令。

3.根据权利要求2所述的多通道信号模拟数字实时处理矩阵系统，其特征在于：所述系统的处理过程为，多路输入信号传送到所述信号调理部分用于对多路输入的模拟信号进行包括放大、整形、滤波预处理；调理后的信号接着由所述数字处理控制单元数控的所述模拟信号输入控制矩阵分配到相应的模拟信号处理单元组的单元，进行包括加、减、乘、除、移相、调制解调的相关运算，然后由所述数字处理控制单元数控的所述模拟信号输出控制矩阵将各路运算结果输出到所述数字采集单元组进行数字化处理，数字化后的各路信号由所述数字处理控制单元采集并进行包括信号计算与识别处理，并根据需要传送到所述数据存储部分进行存储，或通过输出与控制接口输出数据。

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