CN113395070B - 一种模拟信号处理方法、装置及计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模拟信号处理方法、装置及计算机设备，属于计算机技术领域，特别涉及一种模拟信号处理方法，包括，采用硬件设备对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号；以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中；根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号。本发明通过采用硬件的滤波和整型处理，将模拟信号转换成稳定可靠的数字信号，以过滤掉底噪。在此基础上，通过软件算法处理，解读出需要的信息。硬件处理与软件算法相结合的方式，使得从信号中解读出来的信息更加准确。
Description
技术领域
本发明属于计算机技术领域，特别涉及一种模拟信号处理方法、装置及计算机设备。
背景技术
模拟信号的应用非常广泛，不论是在工业、农业、国防建设，还是日常生活、教育事业以及科学研究等领域，处处可见模拟信号的身影。
在工业生产和数据处理等各种领域中，经常需要将所采集的模拟信号转换为数字信号，从而方便各种计算机等具有数据处理能力的设备进行相应的处理，进而得到人们所需要的各种结果。例如，在视频监控领域中，摄像机或摄像头等设备所采集的视频信息可以为模拟信号形式的信息，该信息需要转换为数字信号后，再由处理器等设备进行处理，如对图像进行转换、识别等处理。
本发明人发现，现有技术中，模拟信号的使用过程中，存在众多的干扰因素影响着模拟信号的精度。
发明内容
为了至少解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟信号处理方法、装置及计算机设备。
根据本发明第一方面，提供了一种模拟信号处理方法，包括：
采用硬件设备对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号。
以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中。
根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号。
所述以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中，包括：
采样符合预设条件的信号，采用预设频率的时钟对数字信号捕捉边沿类型，将捕捉边沿的时间作为采集时间，将捕捉到的边沿类型和采集时间保存至环形缓冲区中。
所述采样符合预设条件的信号，采用预设频率的时钟对数字信号捕捉边沿类型，包括：
设置采样频率大于等于两倍输入信号的频率，采用预设频率的时钟捕捉数字信号的上升沿和下降沿。
所述方法还包括，采用两个计数器分别记录采集的边沿数量以及已经处理的边沿位置。
所述根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号，包括：
从缓冲区中获取边沿类型，根据边沿类型还原信号。
根据设定条件查找第一个有效的上升沿，依据边沿检测算法查找符合要求的边沿信号，根据数字信号中上升沿与下降沿成对出现，并且每个上升沿的后面必将有一个下降沿与其相匹配的原则，对处理后的波形进行重新整理，得到第一中间数字信号；根据信号的占空比特征，对于第一中间数字信号中不满足要求的占空比脉冲进一步滤除，得到第二中间数字信号；将完成滤波的第二中间数字信号存入一个预先开辟的缓冲区中，对于经过滤波处理的信号，再进行一次均值滤波处理；最后提取出稳定可靠的频率信息，得到最终可靠的信号。
进一步地，所述采用硬件设备对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号，包括：
对输入的模拟信号进行滤波处理，去除输入的模拟信号中的干扰信号，在不改变频率信息的基础之上，将模拟信号转换为数字信号，以去除底噪。
进一步地，所述对输入的模拟信号进行滤波处理，去除输入的模拟信号中的干扰信号，包括：
对输入的模拟信号将信号频率大于预设阈值的信号作为干扰信号，滤除干扰信号。
根据本发明第二方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
所述处理器执行所述程序时实现如上任一项所述方法的步骤。
根据本发明第三方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被执行时，能够实现如上任一项所述的模拟信号处理方法。
本发明的有益效果：通过采用硬件的滤波和整型处理，将模拟信号转换成稳定可靠的数字信号，以过滤掉底噪。进一步地，硬件整型操作过程中，采用自适应的阈值技术，根据信号的变化自动适应信号，从而计算出一个更为合适的阈值进行整型处理，确保能准确地从多种信号中提取出稳定可靠的信息。在此基础上，通过软件算法处理，从整形后的数字信号中进行信号采集与处理，最终解读出需要的信息。硬件处理与软件算法相结合的方式，使得从信号中解读出来的信息更加准确，进而提高模拟信号抗干扰能力。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
图1为本发明提供的一种模拟信号处理方法流程图；
图2-图6为本发明提供的数字信号波形图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在本发明的第一方面，提供一种模拟信号处理方法，如图1所示，包括：
步骤201：采用硬件设备对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号；
在本发明实施例中，系统对输入的模拟信号进行滤波处理，去除输入的模拟信号中的干扰信号，在不改变频率信息的基础之上，将模拟信号转换为数字信号，以去除底噪，分离得到实际信号。，
系统对于任意类型的模拟信号输入的情形下，先对模拟信号进行硬件的滤波和整行处理，滤除模拟信号中的高频干扰，然后经过自适应阈值比较整形处理将模拟信号转换成数字信号
进一步地，系统对输入的模拟信号将信号频率大于预设阈值的信号作为干扰信号，滤除干扰信号。然后，以将模拟信号转换为数字信号的方式，将底噪去除，得到实际信号。
本实施例中，输入的模拟信号为5khz以下频率的无规律模拟信号，采用硬件处理方法滤除信号频率大于50khz的干扰信号；然后，从包含底噪的信号中分离得到实际信号。
采用本发明方法，能够有效克服模拟信号中掺杂有底噪的问题。本发明技术方案能有效的分离出实际的信号和底噪，为从模拟信号中提取出有用的信息做好辅助工作。
在另一层面上，本发明技术方案只关注信号的频率信息，在不改变频率信息的基础之上，将模拟信号转换成数字信号，以此，将实际信号与底噪分类开来。
本发明通过硬件的滤波和整型处理，将模拟信号转换成稳定可靠的数字信号。硬件整型采用自适应的阈值技术，根据信号的变化自动适应信号，从而计算出一个更为合适的阈值，以确保能准确地从多种信号中提取出稳定可靠的信息。
步骤202：以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中；
在本发明实施例中，采样符合预设条件的信号，具体的采样频率大于等于两倍输入信号的频率，采用预设频率的时钟对数字信号捕捉边沿类型，具体捕捉数字信号的上升沿和下降沿，将捕捉到的边沿类型和捕捉边沿的时间也就是采集时间一并保存至环形缓冲区中。
在本发明的另一个实施例中，采用两个计数器分别记录采集的边沿数量以及已经处理的边沿位置。
本发明根据采样定理得到，采样频率f应满足：
f≥2*fs；
其中fs为输入信号的频率，本方法以信号最大频率为5khz进行举例说明，与之相对应的，采样频率至少为10khz，以此保证采集到的信号的完整性。
另外，本发明方法中避免直接对信号进行逐点采集，充分利用处理器的性能，以160Mhz的时钟对信号进行上升沿捕捉和下降沿捕捉。并将捕捉到的边沿类型(上升沿或下降沿)、边沿时间同步存储到一块预先开辟好的环形缓冲区中。本技术方案能有效减少信号的数据量和算法的复杂度，加快系统处理速度，提高工作效率。
步骤203：根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号。
在本发明中，从缓冲区中获取边沿类型，根据边沿类型还原信号如图2所示，具体的，可以根据上升沿或下降沿来还原信号。
根据设定条件查找第一个有效的上升沿如图3所示，依据边沿检测算法查找符合要求的边沿信号如图4所示，根据数字信号中上升沿与下降沿成对出现，并且每个上升沿的后面必将有一个下降沿与其相匹配的原则，对处理后的波形进行重新整理，得到全新的数字信号波形如图5所示。根据信号的占空比特征，对于不满足要求的占空比脉冲进行进一步滤除，得到一个全新的信号如图6所示。将完成滤波的信号存入一个预先开辟的缓冲区中，对于经过滤波处理的信号，再进行一次均值滤波处理。最后提取出稳定可靠的频率信息，得到最终可靠的信号。
在本发明的另一实施例中，一种模拟信号处理方法，包括：
采用硬件处理信号，包括：
输入信号为5kkz以下频率的无规律模拟信号，因为模拟信号都是伴有底噪的，如果不能有效的分离出实际的信号和底噪，后期便无法从模拟信号中提取出有用的信息。所以模拟信号处理的重中之重就是分离出实际的信号和底噪。首先通过硬件处理方法滤除信号频率大于50khz的干扰信号；第二步便是从底噪中分离出实际信号。由于本项目中只关注信号的频率信息，因此，可通过在不改变频率信息的基础之上，将模拟信号转换成数字信号。这样便可以将实际信号与底噪分类开来。
采用软件算法处理可以分成两大部分：信号采集和信号处理。其中，信号采集部分只负责将采集的信号数据不断地压入缓冲区；信号的处理部分则不断地从缓冲区中取出信号数据并处理，最后提取出所需的频率信息。
a)信号采集：
由采样定理可知，采样频率f应满足：
f≥2*fs
其中fs为信号的频率，本方法中信号最大频率为5khz，则采样率至少为10khz以上才能保证信号的完整性。为了有效减少信号的数据量和算法的复杂度，本方法中避免直接对信号进行逐点采集，充分利用处理器的性能，以160Mhz的时钟对信号进行上升沿捕捉和下降沿捕捉。将捕捉到的边沿类型(上升沿或下降沿)、边沿时间同步存储到一块预先开辟好的环形缓冲区中。于此同时，声明两个计数器分别用于记录采集的边沿数量和已经处理的边沿位置。
b)信号处理：
信号处理共分为如下几步：
第一步：取处缓存区中的边沿数据，根据边沿的类型(上升沿或下降沿)还原信号，如图2所示。
第二步：根据设定条件找寻第一个有效的上升沿，如图3所示。
第三步：依据边沿检测算法(计算当前边沿距离前一个边沿的时间宽度，满足宽度要求的为有效边沿，记录下来，否则直接删除)，找出满足要求的边沿信号，处理后的信号如下图4所示。
第四步：数字信号必然要满足上升沿与下降沿成对出现，每个上升沿的后面必将有一个下降沿与其相匹配，则根据此原则对处理后的波形进行重新整理处理。得到一个全新的数字信号波形，如下图所示5所示。
第五步：根据信号的占空比特征，对于不满足要求的占空比脉冲进行进一步滤除，得到一个全新的信号下图6所示。
第六步：将完成滤波的信号存入一个预先开辟的缓冲区中，对于经过滤波处理的信号，再进行一次均值滤波处理。最后提取出稳定可靠的频率信息。
在本发明的另一个实施例中，提供一种模拟信号处理装置，包括：
硬件处理模块，用于对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号；
在本发明实施例中，本装置的硬件处理模块对输入的模拟信号进行滤波处理，去除输入的模拟信号中的干扰信号，在不改变频率信息的基础之上，将模拟信号转换为数字信号，以去除底噪，分离得到实际信号。
进一步地，本装置对输入的模拟信号将信号频率大于预设阈值的信号作为干扰信号，滤除干扰信号。然后，以将模拟信号转换为数字信号的方式，将底噪去除，得到实际信号。
本实施例中，输入的模拟信号为5khz以下频率的无规律模拟信号，采用硬件处理模块滤除信号频率大于50khz的干扰信号；然后，从包含底噪的信号中分离得到实际信号。
采用本发明技术方案，能够有效克服模拟信号中掺杂有底噪的问题。本发明技术方案能有效的分离出实际的信号和底噪，为从模拟信号中提取出有用的信息做好辅助工作。
在另一层面上，本发明技术方案只关注信号的频率信息，在不改变频率信息的基础之上，将模拟信号转换成数字信号，以此，将实际信号与底噪分类开来。
本发明通过硬件的滤波和整型处理，将模拟信号转换成稳定可靠的数字信号。硬件整型采用自适应的阈值技术，根据信号的变化自动适应信号，从而计算出一个更为合适的阈值，以确保能准确地从多种信号中提取出稳定可靠的信息。
采集模块，用于以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中；
在本发明实施例中，采集模块，用于采样符合预设条件的信号，具体的采样频率大于等于两倍输入信号的频率，采用预设频率的时钟对数字信号捕捉边沿类型，具体捕捉数字信号的上升沿和下降沿，将捕捉到的边沿类型和捕捉边沿的时间也就是采集时间一并保存至环形缓冲区中。
在本发明的另一个实施例中，采集模块采用两个计数器分别记录采集的边沿数量以及已经处理的边沿位置。
本发明根据采样定理得到，采样频率f应满足：
f≥2*fs；
其中fs为输入信号的频率，本发明以信号最大频率为5khz进行举例说明，与之相对应的，采样频率至少为10khz，以此保证采集到的信号的完整性。
另外，本发明采集模块避免直接对信号进行逐点采集，充分利用处理器的性能，以160Mhz的时钟对信号进行上升沿捕捉和下降沿捕捉。并将捕捉到的边沿类型(上升沿或下降沿)、边沿时间同步存储到一块预先开辟好的环形缓冲区中。本技术方案能有效减少信号的数据量和算法的复杂度，加快装置处理速度，提高工作效率。
信号处理模块，用于根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号。
在本发明中，信号处理模块，用于从缓冲区中获取边沿类型，根据边沿类型还原信号，具体的，可以根据上升沿或下降沿来还原信号。
信号处理模块，还用于根据设定条件查找第一个有效的上升沿，依据边沿检测算法查找符合要求的边沿信号，根据数字信号中上升沿与下降沿成对出现，并且每个上升沿的后面必将有一个下降沿与其相匹配的原则，对处理后的波形进行重新整理，得到全新的数字信号波形。根据信号的占空比特征，对于不满足要求的占空比脉冲进行进一步滤除，得到一个全新的信号。将完成滤波的信号存入一个预先开辟的缓冲区中，对于经过滤波处理的信号，再进行一次均值滤波处理。最后提取出稳定可靠的频率信息，得到最终可靠的信号。
在本发明第二方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
所述处理器执行所述程序时实现如下任一项所述方法的步骤，包括：
采用硬件设备对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号；
以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中；
根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号。
进一步地，所述采用硬件设备对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号，包括：
对输入的模拟信号进行滤波处理，去除输入的模拟信号中的干扰信号，在不改变频率信息的基础之上，将模拟信号转换为数字信号，以去除底噪。
进一步地，所述对输入的模拟信号进行滤波处理，去除输入的模拟信号中的干扰信号，包括：
对输入的模拟信号将信号频率大于预设阈值的信号作为干扰信号，滤除干扰信号。
进一步地，所述以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中，包括：
采样符合预设条件的信号，采用预设频率的时钟对数字信号捕捉边沿类型，将捕捉边沿的时间作为采集时间，将捕捉到的边沿类型和采集时间保存至环形缓冲区中。
进一步地，所述采样符合预设条件的信号，采用预设频率的时钟对数字信号捕捉边沿类型，包括：
设置采样频率大于等于两倍输入信号的频率，采用预设频率的时钟捕捉数字信号的上升沿和下降沿。
进一步地，所述方法还包括，采用两个计数器分别记录采集的边沿数量以及已经处理的边沿位置。
进一步地，所述根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号，包括：
从缓冲区中获取边沿类型，根据边沿类型还原信号；
根据设定条件查找第一个有效的上升沿，依据边沿检测算法查找符合要求的边沿信号，根据数字信号中上升沿与下降沿成对出现，并且每个上升沿的后面必将有一个下降沿与其相匹配的原则，对处理后的波形进行重新整理，得到第一中间数字信号；根据信号的占空比特征，对于第一中间数字信号中不满足要求的占空比脉冲进一步滤除，得到第二中间数字信号；将完成滤波的第二中间数字信号存入一个预先开辟的缓冲区中，对于经过滤波处理的信号，再进行一次均值滤波处理；最后提取出稳定可靠的频率信息，得到最终可靠的信号。
根据本发明第三方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被执行时，能够实现如上任一项所述的模拟信号处理方法。
通过采用硬件的滤波和整型处理，将模拟信号转换成稳定可靠的数字信号，以过滤掉底噪。进一步地，硬件整型操作过程中，采用自适应的阈值技术，根据信号的变化自动适应信号，从而计算出一个更为合适的阈值进行整型处理，确保能准确地从多种信号中提取出稳定可靠的信息。在此基础上，通过软件算法处理，从整形后的数字信号中进行信号采集与处理，最终解读出需要的信息。硬件处理与软件算法相结合的方式，使得从信号中解读出来的信息更加准确。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种模拟信号处理方法，其特征在于，包括：
采用硬件设备对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号；
以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中；
根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号；
所述以捕捉信号边沿类型的方式对数字信号进行采集，并将采集到的边沿类型及采集时间保存至缓冲区中，包括：
采样符合预设条件的信号，采用预设频率的时钟对数字信号捕捉边沿类型，将捕捉边沿的时间作为采集时间，将捕捉到的边沿类型和采集时间保存至环形缓冲区中；
所述采样符合预设条件的信号，采用预设频率的时钟对数字信号捕捉边沿类型，包括：
设置采样频率大于等于两倍输入信号的频率，采用预设频率的时钟捕捉数字信号的上升沿和下降沿；
所述方法还包括，采用两个计数器分别记录采集的边沿数量以及已经处理的边沿位置；
所述根据缓冲区中的边沿类型以及采集时间进行信号处理，得到最终可靠的信号，包括：
从缓冲区中获取边沿类型，根据边沿类型还原信号；
根据设定条件查找第一个有效的上升沿，依据边沿检测算法查找符合要求的边沿信号，根据数字信号中上升沿与下降沿成对出现，并且每个上升沿的后面必将有一个下降沿与其相匹配的原则，对处理后的波形进行重新整理，得到第一中间数字信号；根据信号的占空比特征，对于第一中间数字信号中不满足要求的占空比脉冲进一步滤除，得到第二中间数字信号；将完成滤波的第二中间数字信号存入一个预先开辟的缓冲区中，对于经过滤波处理的信号，再进行一次均值滤波处理；最后提取出稳定可靠的频率信息，得到最终可靠的信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述采用硬件设备对输入的模拟信号进行滤波和整形处理，转换为数字信号，包括：
对输入的模拟信号进行滤波处理，去除输入的模拟信号中的干扰信号，在不改变频率信息的基础之上，将模拟信号转换为数字信号，以去除底噪。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述对输入的模拟信号进行滤波处理，去除输入的模拟信号中的干扰信号，包括：
对输入的模拟信号将信号频率大于预设阈值的信号作为干扰信号，滤除干扰信号。
4.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，
所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3任一项所述方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序被执行时，能够实现如权利要求1-3任一项所述的模拟信号处理方法。
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