SE469154B - Saett att eliminera repetitiva stoersignaler ur en samplad insignal - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 469 'š54 2 för varje sampel i en period av störningen hos insignalen definiera ett sampelvärde i en störsignalpuls, varvid antalet sampel i störsignalpulsen motsvarar antalet sampel i en period av störningen hos insignalen; detektera att en ny period av störningen hos insig- nalen har inletts; subtrahera störsignalpulsens sampelvärden från insig- nalens motsvarande sampelvärden; modifiera störsignalpulsens sampelvärden utifrån in- signalens sampelvärden, så att störsignalpulsen adaptivt justeras till störningens aktuella utseende; upprepa subtraktionen och modifieringen tills det detekteras att en ny period av störningen hos insignalen har inletts eller tills hela störsignalpulsen gåtts igenom.

Uppfinningen skall nu beskrivas med hänvisning till de bifogade ritningarna som visar ett exempel på hur sättet enligt uppfinningen kan användas.

Fig 1 visar schematiskt hur en anordning som kon- kretiserar sättet enligt uppfinningen kan vara uppbyggd.

Fig 2a visar ett exempel på hur en insignal S kan se ut. 2b 2c 2d 3a 3b 4 visar en uppsättning störsignalpulser BO till Fig visar en nätfrekvenssignal N.

Fig visar nätfrekvenspulserna P.

Fig visar en utsignal U.

Fig visar insignalen S i samplad form.

Fig visar samplen i en störsignalpuls B.

Fig B med inbördes olika faslägen. 3 Fig 1 visar schematiskt ett exempel på en kretslös- ning som konkretiserar sättet enligt uppfinningen. I detta exempel kommer störsignalen från elnätet och kallas nät- frekvenssignal N. Insignalen S utgörs av en simulerad EKG- -signal som är distorderad av störningen från elnätet. In- signalen S går till en A/D-omvandlare 1, där den samplas.

Nätfrekvenssignalen N, dvs en signal som är synkron med nätfrekvensen och som åstadkommits genom t ex nedtrans- 10 15 20 25 30 35 469 154 3 formering av nätspänningen, går till en schmittrigger 3.

Schmittriggern åstadkommer pulser P som går vidare till en tidskrets 4. Ett statiskt läs- och skrivminne RAM 7, ett programmerbart läsminne PROM 6, en centralenhet CPU 5 och en D/A-omvandlare 8 som ger en utsignal U är anslutna till en buss 2.

Härnäst följer en beskrivning av hur sättet enligt uppfinningen fungerar för exemplet med störsignal från elnätet och insignal i form av en EKG-signal.

Insignalen S A/D-omvandlas med en samplingsfrekvens av t ex 500 sampel per sekund. Det första samplet av insignalen benämns S(1), det andra samplet S(2) osv, såsom visas i Fig 3a. Schmittriggern 3 alstrar nätfrekvenspulser P, såsom visas i Fig 2c, med en puls varje gång nätfrek- venssignalens N nedåtgående flank kommit ner till ett visst spänningsvärde. Nätfrekvenspulserna matas till en tidskrets 4 som härigenom detekterar början av en ny period av störning hos insignalen. Schmittriggern kan naturligtvis ställas in till att istället trigga på annat läge på nätfrekvenssignalen, t ex på toppvärdet, varvid perioden kommer att räknas från topp till topp. Tidskret- sens funktion kommer att beskrivas mer detaljerat senare.

Tidpunkterna för början av en ny period benämns tn_l, t t nl osv.

A/D-omvandlarens 1 samplingsfrekvens väljs till ett värde som är lämpligt med tanke på hur den förväntade n+l' insignalen ser ut. Tidskretsen uppräkningsfrekvens måste vara högre än A/D-omvandlarens samplingsfrekvens och gärna lika med en jämn tvåpotens gånger samplingsfrekvensen.

I läs- och skrivminnet 7 finns avdelat en buffert där en störsignalpuls B, se Fig 3, lagras. Från början finns ingen störsignalpuls B i bufferten, utan denna skapas efter hand utifrån insignalens sampelvärden med eventuell inblandning av störsignalens tidigare sampelvärde(n).

Störsignalpulsen är en period lång och innehåller lika många sampel som en period av störningen hos insignalen.

Om nätfrekvensen är ca 50 Hz och samplingsfrekvensen är 10 15 20 25 30 35 -hu ND UW Jß 4 500 sampel/s innehåller störsignalpulsen således ca 10 sampel. Bufferten måste sålunda vara tilltagen för att rymma minst 10 sampel.

Från tidpunkten tn till nästa gång en ny period av störsignalen detekteras, dvs till tidpunkten t sub- traheras samplen i störsignalpulsen B ett efte:+:tt från samplen i insignalen S, som sålunda blir befriad från störningen och kan matas ut som utsignalen U via D/A- -omvandlaren 8. Utsignalen U som är befriad från stör- ningen visas i Fig 2d.

Eftersom störsignalpuls B saknas vid ingångsättning av förfarandet uppstår ett insvängningsförlopp tills störsignalpulsen hunnit upp i ett lämpligt värde. I det följande utgår vi från att insvängningsförloppet har passerats.

Subtraktionen av störsignalpulsen B från insignalen S påbörjas alltså vid tn och pågår till tn+1, start av subtraktionen sker från början av B. Med hän- varefter ny- visning till Fig 3 utgörs utsignalen U således av [S(2)-B(l)], [S(3)-B(2)], [S(l0)-B(9)], [S(ll)-B(l)], [S(l2)-B(2)],..., [S(l9)-B(9)], ...osv.

Störsignalpulsen B måste alltså innehålla en period Detta non, av störsignalen med rätt amplitud och rätt fasläge. åstadkommes genom att störsignalpulsen B modifieras eller adaptivt uppdateras, så att medelvärdet av de icke störsignalsynkrona komponenterna i insignalen blir väsentligen noll för varje sampelpositition. Detta kan ske på olika sätt.

Ett sätt är att modifiera störsignalpulsen B utifrån insignalens sampelvärden. Störsignalpulsen kan t ex utgö- ras av ett medelvärde av insignalens sampelvärden enligt: 1 M-1 Z S(1,n-i) M i=O B(1,n) = 10 15 20 25 30 35 469 154 5 där B(l,n) betecknar sampel 1 i störsignalpulsen efter uppdatering med nätfrekvenspuls n osv. S(1,n-i) betecknar insignalens första sampel efter det att nätfrekvenspuls n-i har anlänt. M är en adaptionstidskonstant som kommer att förklaras mer detaljerat nedan. Detta sätt att modi- fiera störsignalpulsen kräver tillgång till en ganska lång sekvens av insignal S.

Ett annat sätt att modifiera störsignalpulsen, vilket sätt inte kräver så lång sekvens av insignalen S, är att involvera även störsignalpulsens tidigare sampelvärde eller sampelvärden i modifieringen. Lämpligt är att byta ut en andel av störsignalpulsens föregående värde mot en andel av insignalens värde enligt följande.

B(l,n-1) S(2) B(l,n) = (M-l)+ --- M M B(2,n-1) S(3) B(2,n) = (M-1)+ --- M M B(9,n-1) S(lO) B(9,n) = (M-l)+ ---- M M 10 15 20 25 30 35 6 B(l,n) S(l1) B(l,n+1) = (M-l)+ ---- M M B(9,n) S(l9) B(9,n+l) = (M-l)+ ---- M M där M är adaptionstidskonstanten som väljs som ett posi- tivt heltal som är större än O. Genom ett lämpligt val av M, t ex 32, kan de icke nätfrekvenssynkrona komponenterna i insignalen S fås att medelvärdesbildas till approxi- mativt O. Alltför stort M ger onödigt lång adaptionstid vid förändringar i störningen, medan alltför litet M ger distorsion på grund av rester av insignalen S i stör- signalpulsen B.

Om insignalen innehåller en likspänningskomponent eller mycket lågfrekventa komponenter kan dessa slå igenom i störsignalpulsen B, och elimineras då samtidigt med störningen. Detta är inte önskvärt eftersom likspännings- komponenten eller de mycket lågfrekventa komponenterna förmodligen inte tillhör störningen utan ingår i den intressanta signalen. Eliminering av dessa komponenter kan undvikas om uppdateringen av störsignalpulsen B komplet- teras med eliminering av medelnivån enligt följande.

B(l,n-1) S(2) _ B(1,n) = (M-1)+ ___-_- - B M M _ 1 K B = z- 10 15 20 25 30 35 469 154 7 där K är antalet sampel i störsignalpulsen. I det givna exemplet är således K=9.

Tidskretsens 4 funktion skall nu beskrivas. kretsen ställs och avläses mjukvarumässigt och är initialt nollställd. Den börjar räkna upp, med en frekvens av t ex 16 kHz, då den får en puls från schmittriggern 3 på in- gången. Eftersom schmittriggern 3 ger en puls på utgången varje gång nätfrekvenssignalens nedåtgående flank kommit Tids- ner till ett visst spänningsvärde, börjar tidskretsen räkna upp varje gång en ny period av störningen hos insignalen inleds.

Varje gång ett sampel av insignalen S tages, avläses tidskretsen 4. Om dess värde är skilt från noll innebär detta att en ny period hos nätfrekvenssignalen N, och sålunda också nätfrekvensstörningen i insignalen, har in- letts sedan föregående sampel av insignalen S togs. Se fig 3. Tidpunkten då en ny period inleddes, dvs då schmittriggern gav en puls på utgången, kallas alltså tn.

Tidskretsens 4 värde lagras, varefter tidskretsen omedel- bart nollställs. Nästa gång en ny period detekteras kallas tidpunkten tn+l osv.

Enligt Fig 3, där störsignalens frekvens är ca 50 Hz och samplingsfrekvensen är 500 sampel per sekund, omfattar störsignalpulsen ca 10 sampel, och amplitudskillnaden mel- lan två sampel är relativt stor. Eftersom samplingen inte är synkroniserad med störsignalen erhålles stora rester av störsignal i utsignalen U vid subtraktion enligt ovan.

Detta problem kan övervinnas genom att flera t ex fyra versioner av störsignalpulsen BO, Bl, BZ och B3, såsom visas i Fig 4, med sinsemellan åtskilda faslägen, hålls i olika buffertar. Då en nätfrekvenspuls har anlänt, och en ny subtraktion skall inledas väljs den störsignal- puls vars fasläge bäst överensstämmer med aktuellt fasläge hos störningen i insignalen. Detta detekteras med hjälp av tidskretsen 4 på följande sätt. lO 15 20 25 30 35 8 Genom att tidskretsen 4 startar sin uppräkning då nätfrekvenspulsen anländer kan tiden från detta ögonblick till dess nästföljande sampel i insignalen S tas, uppmä- tas. Detta kan också uttryckas som tiden från tn till första insignalsamplet i den aktuella perioden. Valet av aktuell störsignalpuls avgörs alltså av det lagrade värdet hos tidskretsen 4. Med en klockfrekvens på 16 kHz och en samplingsfrekvens hos A/D-omvandlaren 1 på 500 Hz kan tidskretsen 4 alltså räkna upp till maximalt 31 mellan två sampel i insignalen S. Genom att dividera värdet hos tidskretsen med 8 och ta heltalsdelen av resultatet er- - B som skall O 3 utnyttjas. Det tal som värdet hos tidskretsen skall hålls numret på den störsignalpuls B divideras med erhålles ur de ingående parametrarna på följande sätt.

Klockfrekvens antal störsignalpulser x samplingsfrekvensen Med siffrorna enligt det aktuella exemplet: 16 kHz _______ = 3 4 x 500 Hz Naturligtvis kan bättre upplösning erhållas genom att fler störsignalpulser används, men det blir i så fall på bekostnad av adaptionstid eller undertryckningen av insig- nalen S i störsignalpulserna B. Parallellt med att sub- traktionen med hjälp av en av störsignalpulserna BO - B3 sker, sker uppdatering av den använda störsignalpulsen enligt ovan.

Med benämningen repetitiva störsignaler avses att sättet enligt uppfinningen också kan användas då stör- signalen inte har jämn frekvens, t ex som då störningen utgörs av mer pulsformiga signaler, under förutsättning fi 10 15 20 25 30 35 154 9 att störningens ankomst kan detekteras t ex ur insignalen eller ur en signal som är synkron med störningen. Tiden mellan två störningar behöver alltså inte vara konstant.

För att sättet skall fungera tillfredsställande bör stör- ningens amplitud inte variera alltför snabbt, eftersom systemet "lär sig" dess utseende.

Sättet enligt uppfinningen kan också användas då störsignalen är kraftigare än den egentliga signalen.

Detektering av störningens ankomst kan då med lätthet göras direkt i insignalen.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 Jb. O\ \O -m. 10 PATENTKRAV

1. Sätt att eliminera repetitiva störsignaler ur en samplad insignal genom subtraktion av störsignalen, k ä n n e t e o k n a t av stegen att för varje sampel i en period av störningen hos insignalen definiera ett sampelvärde i en störsignalpuls, varvid antalet sampel i störsignalpulsen motsvarar antalet sampel i en period av störningen hos insignalen; detektera att en ny period av störningen hos insigna- len har inletts; subtrahera störsignalpulsens sampelvärden från insig- nalens motsvarande sampelvärden; modifiera störsignalpulsens sampelvärden utifrån in- signalens sampelvärden, så att störsignalpulsen adaptivt justeras till störningens aktuella utseende; upprepa subtraktionen och modifieringen tills det detekteras att en ny period av störningen hos insignalen har inletts eller tills hela störsignalpulsen gåtts igenom.

2. Sätt enligt kravet 1, av att störsignalpulsens sampelvärden modifieras utifrån k ä n n e t e c k n a t insignalens sampelvärden och störsignalpulsens tidigare sampelvärde.

3. Sätt enligt kravet 2, av att störsignalpulsen modifieras enligt k ä n n e t e c k n a t B(1,n-1) s(z) B(1,n) = i: (M-1)+ M M B(z,n-1) s(3) B(z,n) = (M-1)+ --- M M 469 154 ll B(9,n-1) S(lO) B(9,n) = (M-1)+ ---- M M B(1,n) S(l1) B(l,n+1) = (M-1)+ ---- M M B(9,n) S(l9) B(9,n+1) = ---- (M-1)+ ---- M M där M är en adaptionstidskonstant.

4. Sätt enligt krav 2 eller 3 k ä n n e t e c k - n a t av att störsignalpulsen modifieras enligt B(1,n-1) s(2) _ B(1,n) = --_- (M-1)+ ___- - B M M _ 1 K B = z B(j*n) K j=1 där K är antalet sampel i störsignalpulsen.

5. Sätt enligt något av ovanstående krav k ä n - n e t e o k n a t av att inledning av en ny period hos störningen detekteras antingen direkt i insignalen eller i en signal som är synkron med störningen.

6. Sätt enligt något av ovanstående krav k ä n n e - t e c k n a t av att åtminstone två störsignalpulser med inbördes olika faslägen definieras; .lim 10 15 20 25 30 35 C'\ kO 01 12 att den störsignalpuls vars fasläge bäst motsvarar fas- läget hos aktuell störperiod subtraheras från insignalen; , att bestämning av störsignalens fasläge sker genom upp- mätning av tiden från början av en ny period hos stör- O» ningen till ett nytt sampel av insignalen tas.