CN117192344A - 一种数字滤波器的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据处理技术领域，提出了一种数字滤波器的检测方法及系统，获取离散时间信号；将离散时间信号输入数字滤波器得到频域信号，根据频域信号各采样点的频率增益得到各采样点的频率增益差异矩阵，获取频率增益差异矩阵的增益偏移序列，根据增益偏移序列得到各采样点的增益偏移波动系数，根据频域信号的能量分布得到能量差异系数，根据频域信号的增益偏移波动系数及能量差异系数得到数字滤波器的频率失真程度，根据数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度及非线性失真程度得到数字滤波器的故障程度指标，实现数字滤波器的检测。本发明旨在提高数字滤波器的检测性能，实现数字滤波器的精确检测。

Description

一种数字滤波器的检测方法及系统

技术领域

本发明涉及数据处理领域，具体涉及一种数字滤波器的检测方法及系统。

背景技术

数字滤波器是通过对输入信号进行处理实现去除噪声、提取信号和调整频率响应等目的的系统。为保证经过数字滤波器处理的信号质量，对数字滤波器的性能进行评估是必要的。通过性能评估可以了解数字滤波器对噪声的抑制能力，确保数字滤波器可以稳定正常的工作。为了能够更准确的评估数字滤波器的性能，对数字滤波器输出波形进行检测是非常重要的一环。

常规技术通常仅依赖于人的主观判断或经验，而无法提供客观的量化指标。这种主观性容易导致不准确的判断或对问题的忽视。常规技术在分析数字滤波器时常常需要具备丰富的经验和专业知识。对于非专业人士而言，往往无法准确快速的判断数字滤波器的故障情况。

综上所述，本发明提出一种数字滤波器的检测方法及系统，通过对数字滤波器的输入输出信号在各方面进行对比，得到数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度以及非线性失真程度，结合各个指标得到数字滤波器的故障程度指标，从而实现数字滤波器的故障检测，提高了数字滤波器的检测精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种数字滤波器的检测方法及系统，所采用的技术方案具体如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种数字滤波器的检测方法，该方法包括以下步骤：

采集离散时间信号；

将离散时间信号作为数字滤波器的输入信号获取数字滤波器的频域输出信号；将离散时间信号转换为频域作为频域输入信号，根据频域输入信号与频域输出信号在各采样点的差异度得到输出信号的频率增益值序列；根据频域输出信号频率增益值序列各采样点的波动性得到各采样点的频率增益差异矩阵；根据各采样点的频率增益差异矩阵得到各采样点的增益偏移序列；

根据增益偏移序列中元素值的浮动程度得到频域输出信号的增益偏移波动值；根据频域输入信号与频域输出信号的能量差异得到频域输出信号的主频能量差异值；根据频域输出信号的增益偏移波动值及主频能量差异值得到数字滤波器的频率失真程度；

获取数字滤波器的幅度失真程度及非线性失真程度；根据数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度及非线性失真程度得到数字滤波器的故障程度指标；根据数字滤波器的故障程度指标实现数字滤波器的故障检测。

优选的，所述根据频域输出信号频率增益值序列各采样点的波动性得到各采样点的频率增益差异矩阵，包括：

将各采样点的频域输出信号与频域输入信号的比值作为各采样点的频率增益值，将所有采样点的频率增益值构成的序列作为频率增益值序列，在频率增益值序列中针对各采样点构建邻域窗口，将邻域窗口内任意两个频率增益值的差值作为频率增益差异矩阵的各元素值。

优选的，所述根据各采样点的频率增益差异矩阵得到各采样点的增益偏移序列，包括：将频率增益差异矩阵的各行求和取平均得到增益偏移序列。

优选的，所述根据增益偏移序列中元素值的浮动程度得到频域输出信号的增益偏移波动值，表达式为：

式中，为第/>个采样点的增益偏移波动系数，/>为增益偏移序列中的元素值个数，/>为采样点/>的增益偏移序列中第/>个元素，/>数字滤波器输出信号的频率，为采样点/>的增益偏移序列中第/>个元素，/>为调节参数；

将所述各采样点的增益偏移波动系数求和取平均作为频域输出信号的增益偏移波动值。

优选的，所述根据频域输入信号与频域输出信号的能量差异得到频域输出信号的主频能量差异值，包括：频域输出信号的主频能量差异值为数字滤波器频域输出信号的主频能量与频域输入信号的主频能量的比值。

优选的，所述根据频域输出信号的增益偏移波动值及主频能量差异值得到数字滤波器的频率失真程度，包括：数字滤波器的频率失真程度为增益偏移波动值与主频能量差异值的和值。

优选的，所述获取数字滤波器的幅度失真程度及非线性失真程度，包括：

将频域输出信号与频域输入信号的幅度差值的均方差作为数字滤波器的幅度失真程度；将频域输出信号各谐波分量幅度与主频分量幅度比值的和值作为数字滤波器的非线性失真程度。

优选的，所述根据数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度及非线性失真程度得到数字滤波器的故障程度指标，包括：

将数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度及非线性失真程度求和得到数字滤波器的故障程度指标。

优选的，所述根据数字滤波器的故障程度指标实现数字滤波器的故障检测，包括：

若数字滤波器的故障程度指标大于阈值，则判证数字滤波器存在故障，若数字滤波器的故障程度指标小于阈值，则判证数字滤波器不存在故障。

第二方面，本发明实施例还提供了一种数字滤波器的检测系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述方法的步骤。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明主要通过分析数字滤波器输入信号与输出信号的频率、幅度等特征，得到数字滤波器的故障程度指标，实现数字滤波器的故障检测，精确检测数字滤波器的滤波性能。本发明结合数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度以及非线性失真程度对数字滤波器的性能进行检测，提高了数字滤波器性能检测的准确率；

进一步，本发明计算数字滤波器输出信号在频域的频率增益值，通过分析各频率增益值的浮动性得到频率增益差异矩阵，从而得到输出信号的增益偏移波动值，同时对数字滤波器输出信号与输入信号的主频能量差异进行计算，得到输出信号的主频能量差异值，结合信号的增益偏移波动值与主频能量差异值得到数字滤波器的频率失真程度，将频率失真程度与幅度失真程度、非线性失真程度相结合，得到数字滤波器的故障程度指标，进而更加精确的判断数字滤波器是否存在故障问题，提高数字滤波器的可靠性和稳定性。本发明具有准确率高的有益效果。

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和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种数字滤波器的检测方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种智能台灯的控制方法及系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一个或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种智能台灯的控制方法及系统的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种数字滤波器的检测方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S001，通过信号采集装置获取数字滤波器的输入信号，并进行预处理。

具体的，首先本实施例将通过利用麦克风作为录音设备获取一段音频信号，然后通过模数转换器将模拟声音信号转换为数字信号，需要说明的是，音频信号的获取方法以及模拟信号转为数字信号的方法有很多，具体的音频获取方法及模数转换方法可通过现有技术实现，不在本实施例保护范围内，不做相关详细阐述；

然后，对数字音频信号进行重采样，确保信号不失真，本实施例的重采样频率为16Hz，实施者可根据实际情况进行调整，本实施例对此不做限制。

至此，即可根据本实施例上述方法获取数字滤波器的输入信号，作为后续数字滤波器检测的数据依据。

步骤S002，根据输出信号的频率特性以及幅度特性得到数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度以及非线性失真程度。

具体的，本实施例将根据数字滤波器的输出信号对数字滤波器的性能进行评估，判断数字滤波器是否存在故障，首先获取数字滤波器输出信号的频率增益值序列，为评判频率增益值序列整体的波动性构建频率增益差异矩阵，然后针对频率增益差异矩阵进行行求和得到增益偏移序列，根据增益偏移序列相邻元素值之间的关系得到各采样点的增益偏移波动系数，从而得到输出信号的增益偏移波动值，同时对数字滤波器输入信号与输出信号的主频能量进行分析，得到输出信号的主频能量差异值，结合信号的增益偏移波动值与主频能量差异值得到数字滤波器的频率失真程度，对数字滤波器输出信号的幅度进行分析，得到数字滤波器的幅度失真程度以及非线性失真程度，从而实现数字滤波器的检测，确保数字滤波器的性能符合要求，优化数字滤波器的性能。因此，本实施例对数字滤波器进行检测，提高数字滤波器的可靠性和稳定性。所述数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度及非线性失真程度的构建过程具体为：

首先，针对数字滤波器的输出信号，将其变换到频域进行分析，以固定的采样率同时对频域输入信号及输出信号进行采样，本实施例中采样率为1HZ，实施者可根据实际情况进行调整，本实施例对此不做限制。根据输出信号与输入信号对应采样频率点处的差异得到频率增益值序列，所述频率增益值序列具体表达式为：

式中，为第/>个频率采样点的频率增益值，/>为数字滤波器输出信号的频率，/>为频域输出信号在第/>个频率采样点处的幅值，/>为频域输入信号在第/>个频率采样点处的幅值，所有采样点的频率增益值构成的序列为频率增益值序列。

针对频率增益值序列，对其中的各采样点，构建邻域窗口，本实施例中邻域窗口长度为31，实施者可根据实际情况进行调整，本实施例对此不做限制，以各采样点邻域窗口内的频率增益值为行和列，构建频率增益差异矩阵，所述频率增益差异矩阵的具体表达式为：

式中，为第/>个采样点构建的/>行/>列的频率增益差异矩阵， />为频率增益值序列/>中第/>个采样点邻域内中第/>个频率增益值；/>为频率增益值序列中第/>个采样点邻域内的第/>个频率增益值。

频率增益差异矩阵中的每个元素，表示该采样点的频率邻域内对应位置的增益差异性。由于频率增益差异矩阵代表着频段内的频率增益特性，而在数字滤波器的通带范围内增益是稳定的，因此，频率增益差异矩阵的稳定性则与数字滤波器的性能有着正相关的关系。

根据频率增益差异矩阵计算各采样点的增益偏移序列，通过增益偏移序列反映出每个频率增益值偏离整体的程度，所述增益偏移序列的具体表达式为：

式中，为第/>个采样点的增益偏移序列中第/>个值；/>为频率增益差异矩阵的行数，/>为频率增益差异矩阵中第/>行第/>列的元素值。

增益偏移序列表示采样点邻域内每个元素值相对于其他元素值的增益偏移量，偏移越大，代表该采样点的增益波动越大。

根据增益偏移序列，计算各采样点的增益偏移波动系数，所述增益偏移波动系数的具体表达式为：

式中，为第/>个采样点的增益偏移波动系数，/>为增益偏移序列中的元素值个数，/>为采样点/>的增益偏移序列中第/>个元素，/>数字滤波器输出信号的频率，为采样点/>的增益偏移序列中第/>个元素，/>为调节参数，避免分母为零，本实施例中/>，实施者可根据情况自行设定，本实施例对此不做限制。

当增益偏移波动系数越大时，表明相邻元素增益偏移越大，即增益偏移序列越不稳定，反之，增益偏移序列则越稳定。

根据增益偏移波动系数计算数字滤波器输出信号的增益偏移波动值，所述增益偏移波动值的具体表达式为：

式中，为数字滤波器输出信号的增益偏移波动值；/>为数字滤波器输出信号频域的采样点个数，/>为第/>个采样点的增益偏移波动系数。

针对输入信号的频谱图以及输出信号的频谱图，通过计算输入信号与输出信号主频分量之间的能量占比，分析经过数字滤波器的信号在主频上能量有无缺失，输入信号的主频能量值具体表达式为：

式中，表示输入信号主频分量的能量；/>为输入信号频谱图中主频分量与横轴的左侧坐标，/>为输入信号频谱图中主频分量与横轴的右侧坐标。

同理可得，数字滤波器输出信号主频分量的能量为，由此计算输出信号与输入信号主频分量的主频能量差异值，所述主频能量差异值的具体表达式为：

式中，为数字滤波器输出信号的主频能量差异值；/>为数字滤波器输入信号主频分量的能量；/>为数字滤波器输出信号主频分量的能量。

由于本实施例获取的信号为语音信号，其主频分量包含着比较重要的信息，故经过数字滤波器后过滤后，其主频分量应被完整的保留下来，理想状态下是接近1的值。因此，当/>越大时表明输出和输入信号主频能量差异越大，即重要信号失真越严重，反之重要信号保留较为完整。

根据输出信号的增益偏移波动值与主频能量差异值，计算数字滤波器的频率失真程度，所述频率失真程度具体表达式为：

式中，为数字滤波器的频率失真程度；/>为归一化函数；/>为数字滤波器输出信号的增益偏移波动值；/>为数字滤波器输出信号的主频能量差异值。

当增益偏移波动值越大时，表示在数字滤波器的通带范围内，频率增益越不稳定，则相应的频率失真越严重，反之，频率失真程度越轻；当主频能量差异值越大时，表明经过数字滤波器之后包含的主要信息失真越严重，反之，信号失真程度越轻。

至此，通过上述步骤可以针对输入信号以及输出信号的信息差异得到数字滤波器的频率失真程度。

除此之外，数字滤波器的故障程度与幅度失真程度和非线性失真程度同样密切相关。本实施例中将输出信号与输入信号在各采样点幅度差值的均方差作为数字滤波器的幅度失真程度。而非线性失真程度主要通过谐波分量失真程度来计算，具体为针对数字滤波器频域输出信号，对于每个谐波分量，计算其幅度与主频分量幅度的比值，记为谐波分量的相对幅度。然后，将频域信号所有谐波分量的相对幅度求和，将得到的和值作为数字滤波器的非线性失真程度。

步骤S003，根据数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度以及非线性失真程度实现数字滤波器的检测。

得到数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度以及非线性失真程度后，为了进一步分析数字滤波器是否有故障发生，本实施例对上述指标进行量化，评估数字滤波器故障程度，所述数字滤波器的故障程度指标的具体表达式为：

式中，为数字滤波器的故障程度指标。/>为数字滤波器的频率失真程度；/>为数字滤波器的幅度失真程度；/>为数字滤波器的非线性失真程度，/>为归一化函数。数字滤波器的故障程度指标量化在（0，1）范围之内，然后设定阈值，当故障程度指标/>值大于阈值时，则判别为数字滤波器存在故障，当故障程度指标/>值小于等于阈值时，则判证数字滤波器为正常，本实施例中/>，实施者可根据实际情况进行调整，本实施例对此不做限制。

基于与上述方法相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种数字滤波器的检测系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种数字滤波器的检测方法中任意一项所述方法的步骤。

综上所述，本发明实施例解决了常规人为进行数字滤波器检测存在主观性强，误差率高的问题，本发明通过分析数字滤波器输入输出信号前后的频域特征，从不同方面对数字滤波器的性能进行评估，得到数字滤波器的故障程度指标，实现数字滤波器检测。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

采集离散时间信号；

将离散时间信号作为数字滤波器的输入信号获取数字滤波器的频域输出信号；将离散时间信号转换为频域作为频域输入信号，根据频域输入信号与频域输出信号在各采样点的差异度得到输出信号的频率增益值序列；根据频域输出信号频率增益值序列各采样点的波动性得到各采样点的频率增益差异矩阵；根据各采样点的频率增益差异矩阵得到各采样点的增益偏移序列；

根据增益偏移序列中元素值的浮动程度得到频域输出信号的增益偏移波动值；根据频域输入信号与频域输出信号的能量差异得到频域输出信号的主频能量差异值；根据频域输出信号的增益偏移波动值及主频能量差异值得到数字滤波器的频率失真程度；

获取数字滤波器的幅度失真程度及非线性失真程度；根据数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度及非线性失真程度得到数字滤波器的故障程度指标；根据数字滤波器的故障程度指标实现数字滤波器的故障检测。

2.根据权利要求1所述的一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，所述根据频域输出信号频率增益值序列各采样点的波动性得到各采样点的频率增益差异矩阵，包括：

将各采样点的频域输出信号与频域输入信号的比值作为各采样点的频率增益值，将所有采样点的频率增益值构成的序列作为频率增益值序列，在频率增益值序列中针对各采样点构建邻域窗口，将邻域窗口内任意两个频率增益值的差值作为频率增益差异矩阵的各元素值。

3.根据权利要求1所述的一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，所述根据各采样点的频率增益差异矩阵得到各采样点的增益偏移序列，包括：将频率增益差异矩阵的各行求和取平均得到增益偏移序列。

4.根据权利要求1所述的一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，所述根据增益偏移序列中元素值的浮动程度得到频域输出信号的增益偏移波动值，表达式为：

式中，为第/>个采样点的增益偏移波动系数，/>为增益偏移序列中的元素值个数，为采样点/>的增益偏移序列中第/>个元素，/>数字滤波器输出信号的频率，为采样点/>的增益偏移序列中第/>个元素，/>为调节参数；

将所述各采样点的增益偏移波动系数求和取平均作为频域输出信号的增益偏移波动值。

5.根据权利要求1所述的一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，所述根据频域输入信号与频域输出信号的能量差异得到频域输出信号的主频能量差异值，包括：频域输出信号的主频能量差异值为数字滤波器频域输出信号的主频能量与频域输入信号的主频能量的比值。

6.根据权利要求1所述的一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，所述根据频域输出信号的增益偏移波动值及主频能量差异值得到数字滤波器的频率失真程度，包括：数字滤波器的频率失真程度为增益偏移波动值与主频能量差异值的和值。

7.根据权利要求1所述的一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，所述获取数字滤波器的幅度失真程度及非线性失真程度，包括：

将频域输出信号与频域输入信号的幅度差值的均方差作为数字滤波器的幅度失真程度；将频域输出信号各谐波分量幅度与主频分量幅度比值的和值作为数字滤波器的非线性失真程度。

8.根据权利要求1所述的一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，所述根据数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度及非线性失真程度得到数字滤波器的故障程度指标，具体方法为：

将数字滤波器的频率失真程度、幅度失真程度及非线性失真程度求和得到数字滤波器的故障程度指标。

9.根据权利要求1所述的一种数字滤波器的检测方法，其特征在于，所述根据数字滤波器的故障程度指标实现数字滤波器的故障检测，包括：

若数字滤波器的故障程度指标大于阈值，则判证数字滤波器存在故障，若数字滤波器的故障程度指标小于阈值，则判证数字滤波器不存在故障。

10.一种数字滤波器的检测系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述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计算机程序时实现如权利要求1-9任意一项所述方法的步骤。