CN114422039A - 一种能够去除信号中噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够去除信号中噪声的方法，包括：S1、对参考信号锁相；通过过零检测、三角转换，分解参考信号，分解出参考信号的sin向量和cos向量；S2、将测试信号和分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号，分离第一混合信号中的噪声；S22、根据噪声信号非时间相干特性，使用低通滤波器过滤第一混合信号中的噪声；S3、根据已知的参考信号数值，对第一混合信号进行计算，获得没有噪声的通信信号的sin向量和cos向量，即通信信号的sin向量和cos向量；S4、根据通信信号的sin向量和cos向量，计算测试信号不含噪声的振幅、测试信号不含噪声的初相。本发明分离了通信信号与噪声信号，减低了噪声对车地通信信号的干扰，提高了通信信号的质量。

Description

一种能够去除信号中噪声的方法

技术领域

本发明涉及机车通信领域，尤其涉及一种能够去除信号中噪声的系统及方法。

背景技术

随着智能运维系统应用于列车，需要将大量列车数据通过车-地无线传输方式发送给地面服务器。目前在列车上实现车-地无线传输依然通过载波通信，其传输环境容易收到噪声干扰。传统的列车网络通信锁相放大借助模拟锁相放大技术从嘈杂的信号中甄别出指定的通信信号，花费时间长且甄别出的通信信号会有缺漏、通信信号中间仍包含大量噪声。

发明内容

本发明提供一种能够去除信号中噪声的系统及方法，以克服以上问题。

本发明包括以下步骤：

S1、对参考信号锁相；通过过零检测、三角转换，分解参考信号，分解出参考信号的sin向量和cos向量；

S2、将测试信号和分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号，分离第一混合信号中的噪声：

S21、对含有噪声的测试信号锁相，将测试信号和分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号；

S22、根据噪声信号非时间相干特性，使用低通滤波器过滤第一混合信号中的噪声；

S3、根据已知的参考信号，对第一混合信号进行计算，获得没有噪声的通信信号的sin向量和cos向量，即通信信号的sin向量和cos向量；

S4、根据通信信号的sin向量和cos向量，计算测试信号不含噪声的振幅、测试信号不含噪声的初相。

进一步地，S1中分解参考信号包括：

S11、参考信号的初始计算公式为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·sin(ω_参考t+θ_参考) (1)

其中，Referenzsignal_参考信号为参考信号，V_参考为参考信号振幅；ω_参考为参考信号频率；t为参考信号持续的时间；θ_参考为参考信号相位；

S12、通过过零检测，消除当参考信号受到干扰时，参考信号波形产生抖动导致的过零误差：

S121、将16位二进制参考信号的最高位设置为正负位：

当最高位为‘1’表示数字信号的数值为正，当最高位为‘0’表示数字信号的数值为负；

S122、数字信号过零后，判断当前数字信号的最高位与数字信号过零前一时刻的最高位是否一致，

若是，则判断为参考信号产生过零误差，删除当前时刻的参考信号，并发出报警；

若否，则执行S121，直至参考信号持续的时间t内所有参考信号均被判断，结束过零检测；

S13、调用参考信号频率信息，根据正弦查找表，对参考信号进行三角转换，生成参考信号的sin向量和cos向量：

参考信号的sin向量为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·sin(ω_参考t+θ_参考) (2)

参考信号的cos向量为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·cos(ω_参考t+θ_参考) (3)

其中，Referenzsignal_参考信号为参考信号，V_参考为参考信号振幅；ω_参考为参考信号频率；t为参考信号持续的时间；θ_参考为参考信号相位。

进一步地，S21中将测试信号与分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号：

S211、测试信号计算公式为：

Messsignal_测试信号＝V_测试·sin(ω_测试t+θ_测试) (4)

其中，Messsignal_测试信号为测试信号，V_测试为测试信号振幅；ω_测试为测试信号频率；t为参考信号持续的时间；θ_测试为测试信号相位；

S212、将测试信号与分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号的第一计算公式为：

其中，V_DC为测试信号与参考信号相乘后的直流积分信号。

进一步地，步骤S22中使用低通滤波器对第一混合信号中的噪声进行过滤，则第一混合信号的第二计算公式为：

其中，V_DC2为进行噪声过滤后的直流积分信号。

进一步地，S3中获得没有噪声的通信信号的sin向量和cos向量，即通信信号的sin向量和cos向量，包括：

通信信号的cos向量的计算公式为：

通信信号的sin向量的计算公式为：

其中，V_DC2为进噪声过滤后的直流积分信号；θ_通信为通信信号相位；θ_通信＝θ_测试。

进一步地，S4包括：

通信信号进行振幅简化，即测试信号不含噪声的振幅的计算公式为：

其中，V_{测试真实值}为测试信号不含噪声的振幅，即通信信号的初相；

通信信号进行相位简化，即测试信号不含噪声的初相的计算公式为：

Δθ_{相位真实值}＝arctan(sinθ_测试/cosθ_测试) (10)

其中，Δθ_{相位真实值}为测试信号不含噪声的初相，即通信信号的初相。

本发明通过算法分离了通信信号与噪声信号，而不是现有技术中使用装置进行简单分离，现有技术中在经过噪声过滤后，仍存在部分噪声，但是本发明通过算法过滤噪声，对噪声的过滤更彻底；本发明减低了噪声对车地通信信号的干扰，提高了通信信号的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法步骤流程图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明信号分解流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1、图2所示，本发明方法，包括以下步骤：

S1、对参考信号锁相；通过过零检测、三角转换，分解参考信号，分解出参考信号的sin向量和cos向量；

S2、将测试信号和分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号，分离第一混合信号中的噪声；

S3、根据已知的参考信号，对第一混合信号进行计算，获得没有噪声的通信信号的sin向量和cos向量，即通信信号的sin向量和cos向量；

S4、根据通信信号的sin向量和cos向量，计算测试信号不含噪声的振幅、测试信号不含噪声的初相。

具体而言，sin向量和cos向量在“三角转换”步骤中分离，然后与测试信号进行计算，以此求出直流信号的带cos表达式和带sin表达式，最终计算出测试信号的振幅和相位，还原测试信号；锁相是通过负反馈原理使信号稳定，比如测试信号发生器收到干扰，使参考信号发生偏移，通过锁相可以减少偏移，使信号稳定。如图3所示，将参考信号进行分解，分解出参考信号的sin向量和cos向量，通过“过零检测”和“三角转换”实现参考信号的分解。

优选的，S1中分解参考信号包括：

S11、参考信号的初始计算公式为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·sin(ω_参考t+θ_参考) (1)

其中，Referenzsignal_参考信号为参考信号，V_参考为参考信号振幅；ω_参考为参考信号频率；t为参考信号持续的时间；θ_参考为参考信号相位；

S12、通过过零检测，消除当参考信号受到干扰时，参考信号波形产生抖动导致的过零误差：

S121、将16位二进制参考信号的最高位设置为正负位：

当最高位为‘1’表示数字信号的数值为正，当最高位为‘0’表示数字信号的数值为负；

S122、数字信号过零后，判断当前数字信号的最高位与数字信号过零前一时刻的最高位是否一致，

若是，则判断为参考信号产生过零误差，删除当前时刻的参考信号，并发出报警；

若否，则执行S121，直至参考信号持续的时间t内所有参考信号均被判断，结束过零检测；

具体而言，过零检测：一种防止信号抖动造成误差的检测措施，目的是确定波形在零点的正负变化。实现原理是将当前数字化信号的“最高有效”位与前一位进行比较(负值最高位为“1”(二进制补码)，正值则为“0”)。

当前数字化信号的“最高有效”位与前一位进行比较(负值最高位为“1”(二进制补码)，正值则为“0”)。可以看出，当当前的“最高位”为0，旧的为1时，有一个从负到零再到正的过渡，即有一个正斜率。与此相反，如果当前“最高有效”位为“1”而前一位为“0”，则存在从正到零再到负的过渡，因此存在负斜率。

最高位由0变成1，正弦波由正“过零点”变成负

最高位由1变成0，正弦波由负“过零点”变成正

此时，参考信号经过过零检测，排除了抖动带来的正负误差，优化后参考信号的方程式保持不变。

S13、调用参考信号频率信息，根据正弦查找表，对参考信号进行三角转换，生成参考信号的sin向量和cos向量：

参考信号的sin向量为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·sin(ω_参考t+θ_参考) (2)

参考信号的cos向量为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·cos(ω_参考t+θ_参考) (3)

其中，Referenzsignal_参考信号为参考信号，V_参考为参考信号振幅；ω_参考为参考信号频率；t为参考信号持续的时间；θ_参考为参考信号相位。

具体而言，三角转换：调用参考信号频率信息，然后生成参考信号匹配的正弦和余弦信号。

三角转换原理：

1)直接数字合成器(Direct Digital Synthesis,DDS)：

直接数字合成器产生两个均为10位宽的计数值并被发送到生成正弦波查找表，参考信号分解为参考信号的10bit正弦计数值和10bit余弦计数值；

2)查找表

如表1所示，查找表提供一个10位宽(9到0)输入和提供一个从0到2¹⁰-1＝1023的有符号值输出对应关系，将正弦和余弦信号计数器转化为与参考信号匹配的正弦和余弦信号。查找表提供正负值，这些值被转换：最高有效位2¹⁰对于正半波设置为“0”，对于负半波设置为“1”(二进制补码)。

表1三角转换代码表

.......
	When 0＝>sine_out<＝0
When 1＝>sine_out<＝6
	When 2＝>sine_out<＝13
...
	When 255＝>sine_out<＝1024

此时，正弦计数值转化带正弦因子的参考信号；余弦计数值转化带余弦因子的参考信号。

优选的，S2分离测试信号中的噪声包括：

S21、对含有噪声的测试信号锁相，将测试信号和参考信号相乘，获得第一混合信号；

具体而言，锁相是通过负反馈原理使信号稳定，比如测试信号发生器收到干扰，使参考信号发生偏移，通过锁相可以减少偏移，使信号稳定。

S22、根据噪声信号非时间相干特性，使用低通滤波器将第一混合信号中的进行噪声过滤；

S23、根据已知的参考信号数值，对第一混合信号进行计算，获得没有噪声的通信信号的sin向量和cos向量；

具体而言，将进行复杂三角函数计算，通过噪声的非时间相干特效，将噪声从测试信号中剥离；

具体而言，通过对参考信号锁相后与测试信号进行相乘，得到的结果包含通信信号和噪声信号，因为噪声信号具有非时间相干特征，所以通过低通滤波器时噪声信号会被过滤，剩下通信信号。

优选的，S21中将测试信号与参考信号相乘，获得第一混合信号：

测试信号计算公式为：

Messsignal_测试信号＝V_测试·sin(ω_测试t+θ_测试) (4)

其中，Messsignal_测试信号为测试信号，V_测试为测试信号振幅；ω_测试为测试信号频率；t为时间；θ_测试为测试信号相位；

将测试信号与参考信号相乘，获得第一混合信号的计算公式为：

其中，V_DC为测试信号与参考信号相乘后的直流积分信号。

优选的，步骤S22中使用低通滤波器对第一混合信号中的噪声进行过滤，则第一混合信号的第二计算公式为：

其中，V_DC2为进行噪声过滤后的直流积分信号。

优选的，S3中获得没有噪声的通信信号的sin向量和cos向量，即通信信号的sin向量和cos向量，包括：

通信信号的cos向量的计算公式为：

通信信号的sin向量的计算公式为：

其中，V_DC2为进噪声过滤后的直流积分信号；θ_通信为通信信号相位；θ_通信＝θ_测试。

优选的，S4包括：

通信信号进行振幅简化，即测试信号不含噪声的振幅的计算公式为：

其中，V_{测试真实值}为测试信号不含噪声的振幅，即通信信号的初相；

通信信号进行相位简化，即测试信号不含噪声的初相的计算公式为：

Δθ_{相位真实值}＝arctan(sinθ_测试/cosθ_测试) (10)

其中，Δθ_{相位真实值}为测试信号不含噪声的初相，即通信信号的初相。

本实施例以3.3V正弦信号作为测试信号为例：

第一步、由信号发生器生成正弦波，峰峰值为1.44V，振幅0.72V，频率是500Hz，加载同频率(1000HZ)的测试信号和参考信号，测试信号加载500HZ的干扰噪声。

第二步、添加LED信号指示灯，观察信号采集过程。

第三步、通过LCD显示屏幕显示通信信号参数，并进行数据对比；在LCD显示屏幕上显示实时的测量振幅(信号发生器产的是0.72V)，测量值在0.717～0.723之间，误差很小，约为4％。

本发明通过前述算法有效分离了通信信号与噪声信号，而不是现有技术中使用装置进行简单分离，现有技术中在经过噪声过滤后，仍存在部分噪声，但是本发明通过算法过滤噪声，对噪声的过滤更彻底。综上所述，本发明减低了噪声对车地通信信号的干扰，提高了通信信号的质量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种能够去除信号中噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对参考信号锁相；通过过零检测、三角转换，分解参考信号，分解出参考信号的sin向量和cos向量；

S2、将测试信号和分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号，分离第一混合信号中的噪声：

S21、对含有噪声的测试信号锁相，将测试信号和分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号；

S22、根据噪声信号非时间相干特性，使用低通滤波器过滤第一混合信号中的噪声；

S3、根据已知的参考信号，对第一混合信号进行计算，获得没有噪声的通信信号的sin向量和cos向量，即通信信号的sin向量和cos向量；

S4、根据通信信号的sin向量和cos向量，计算测试信号不含噪声的振幅、测试信号不含噪声的初相。

2.根据权利要求1所述的一种能够去除信号中噪声的系统，其特征在于，所述S1中分解参考信号包括：

S11、参考信号的初始计算公式为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·sin(ω_参考t+θ_参考) (1)

其中，Referenzsignal_参考信号为参考信号，V_参考为参考信号振幅；ω_参考为参考信号频率；t为参考信号持续的时间；θ_参考为参考信号相位；

S12、通过过零检测，消除当参考信号受到干扰时，参考信号波形产生抖动导致的过零误差：

S121、将16位二进制参考信号的最高位设置为正负位：

当最高位为‘1’表示数字信号的数值为正，当最高位为‘0’表示数字信号的数值为负；

S122、数字信号过零后，判断当前数字信号的最高位与数字信号过零前一时刻的最高位是否一致，

若是，则判断为参考信号产生过零误差，删除当前时刻的参考信号，并发出报警；

若否，则执行S121，直至参考信号持续的时间t内所有参考信号均被判断，结束过零检测；

S13、调用参考信号频率信息，根据正弦查找表，对参考信号进行三角转换，生成参考信号的sin向量和cos向量：

参考信号的sin向量为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·sin(ω_参考t+θ_参考) (2)

参考信号的cos向量为：

Referenzsignal_参考信号＝V_参考·cos(ω_参考t+θ_参考) (3)

其中，Referenzsignal_参考信号为参考信号，V_参考为参考信号振幅；ω_参考为参考信号频率；t为参考信号持续的时间；θ_参考为参考信号相位。

3.根据权利要求1所述的一种能够去除信号中噪声的系统，其特征在于，所述S21中将测试信号与分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号：

S211、测试信号计算公式为：

Messsignal_测试信号＝V_测试·sin(ω_测试t+θ_测试) (4)

其中，Messsignal_测试信号为测试信号，V_测试为测试信号振幅；ω_测试为测试信号频率；t为参考信号持续的时间；θ_测试为测试信号相位；

S212、将测试信号与分解后的参考信号相乘，获得第一混合信号的第一计算公式为：

其中，V_DC为测试信号与参考信号相乘后的直流积分信号。

4.根据权利要求1所述的一种能够去除信号中噪声的系统，其特征在于，步骤S22中使用低通滤波器对第一混合信号中的噪声进行过滤，则第一混合信号的第二计算公式为：

其中，V_DC2为进行噪声过滤后的直流积分信号。

5.根据权利要求1所述的一种能够去除信号中噪声的系统，其特征在于，所述S3中获得没有噪声的通信信号的sin向量和cos向量，即通信信号的sin向量和cos向量，包括：

通信信号的cos向量的计算公式为：

通信信号的sin向量的计算公式为：

其中，V_DC2为进噪声过滤后的直流积分信号；θ_通信为通信信号相位；θ_通信＝θ_测试。

6.根据权利要求1所述的一种能够去除信号中噪声的系统，其特征在于，所述S4包括：

通信信号进行振幅简化，即测试信号不含噪声的振幅的计算公式为：

其中，V_{测试真实值}为测试信号不含噪声的振幅，即通信信号的初相；

通信信号进行相位简化，即测试信号不含噪声的初相的计算公式为：

Δθ_{相位真实值}＝arctan(sinθ_测试/cosθ_测试) (10)

其中，Δθ_{相位真实值}为测试信号不含噪声的初相，即通信信号的初相。

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