多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法，设计方法包括以下步骤：确定陷波器的M个陷波频率为ωN1、ωN2、...、ωNM及每个陷波频率的‑3dB带宽Ω1、Ω2、...、ΩM，其中，(ωN1＜ωN2＜...＜ωNM)；根据陷波频率和带宽获取频点ωi以及相位函数θA(ωi)；根据ωi以及θA(ωi)获取向量P和矩阵Q；根据p和Q获取滤波器系数a；根据a获取陷波器的传递函数H(z)，因此，本发明专利技术的陷波器是根据多个陷波频率设计出来的，易于控制精度，可滤除多次谐波，且在低频部分不污染或破坏信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数据处理
，尤其是涉及一种多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法。
技术介绍
人类生活所处空间中存在大量各种周期性电磁波，这类电磁波通过一定的耦合途径，会窜入到电子线路与仪器中。例如，在野外进行数据采集的地质电磁信号接收系统、人体体表电子测量系统(如心电图)以及配电网载波通信系统等等，其传感器所接收到的电子信号中，会掺入大量的周期性谐波成分，常见的是工频50Hz或60Hz及其谐波，且能量远大于待观测信号成分。这会对数据采集及信号观测带来大大困难，因此需要在这类系统中数据采集前端加入陷波器，以抑制周期性谐波干扰。陷波滤波器可以模拟电路实现，也可以用数字信号处理。但是单个模拟陷波器一般为单点陷波，对元器件参数的精度和稳定度要求高，不容易控制精度和一致性，对谐波的处理能力也有限。常用的数字陷波滤波器可以滤除单个频点成分，但通常要消除的谐波成分是在相对采集频率的低频段中，而现有技术的陷波器在低频段的系数灵敏度高，量化后陷波频点容易发生偏移。梳状陷波器可以滤除周期性高次谐波，但其极低频，如小于0.5Hz的频率下性能极差，会污染、破坏有用信号，这更使得它无法适应在需要分析信号多频率特性尤其是极低频率的数据采集系统中。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法，易于控制精度，可滤除多次谐波，且在低频部分不污染或破坏信号。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种陷波器的设计方法，该设计方法包括以下步骤：确定陷波器的M个陷波频率为ωN1、ωN2、…、ωNM及每个陷波频率的-3dB带宽Ω1、Ω2、…、ΩM，其中，(ωN1<ωN2<…<ωNM)；根据所述陷波频率和带宽获取频点ωi以及相位函数θA(ωi)，所述ωi以及θA(ωi)满足以下公式：ωi=ωN[(i+1)/2]-12(1-(-1)mod(i,2))*Ω[(i+1)/2]2,]]>θA(ωi)=-(2*[i+12]-1)π+12(1-(-1)mod(i,2))*π2;]]>其中，i＝1,2,…2M，表示不大于的最大整数，mod(i,2)表示i被2除的余数；根据所述ωi以及θA(ωi)获取向量P和矩阵Q，其表达式分别为：p＝[tan(β1)tan(β2)...tan(β2M)]T，Qik＝sin(kwi)-tan(βi)cos(kwi)；其中，βi＝[θA(ωi)+2*M*ωi]/2，k＝1,2,...,2M；根据所述p和Q获取滤波器系数a，其表达式为：a＝Q-1p；根据a获取所述陷波器的传递函数H(z)，其中所述H(z)满足：H(z)=((a2M+1)+(a2M-1+a1)z-1+...+(a1+a2M-1)z-2M+1+(1+a2M)z-2M1+a1z-1+...+a2M-1z-2M+1+a2Mz-2M)/2.]]>其中，H(z)满足：H(z)＝(1+A(z))/2，其中，所述A(z)为传递函数，其表达式为：A(z)=a2M+a2M-1z-1+...+a1z-2M+1+z-2M1+a1z-1+...+a2M-1z-2M+1+a2Mz-2M.]]>其中，设计方法还包括：对所述传递函数的相位函数θA(ω)进行如下设计，以得到所述全通滤波器的传递函数A(z)：θA(ωNi)＝-(2i-1)π，θA(ωNi-Ωi/2)＝-(2i-1)π+π/2，θA(ωNi+Ωi/2)＝-(2i-1)π-π/2；其中，在所述陷波器的陷波频率为M个时，所述全通滤波器的传递函数A(z)为2M阶。为解决上述技术问题，本专利技术采用的另一个技术方案是：提供一种陷波器，其中，陷波器应用在多通道数据采集系统中，其中，陷波器包括：数据输入端，其包括通道编号输入接口、通道数据输入接口以及通道数据有效标记输入接口三个输入接口，用于分别接收各通道的通道编号、原始通道数据以及通道数据有效标记三个信号；数据输出端，其包括通道编号输出接口、通道数据输出接口以及通道数据有效标记输出接口三个输出接口，用于分别输出各通道的通道编号、最终通道数据以及通道数据有效标记三个信号；乘加器，用于对所述原始数据进行乘法和加法运算，以得到所述最终通道数据。其中，陷波器还包括：各通道的x(n)、y(n)多阶缓存单元，用于缓存各通道的数据。其中，乘加器的运算满足：y(n)=Σi=12Mai*y(n-i)+Σi=02Mbi*x(n-i)]]>其中，M为陷波器的陷波频率点数，ai、bi为陷波器系数，x(n-i)、y(n-i)为x(n)、y(n)多阶缓存值。为解决上述技术问题，本专利技术采用的又一个技术方案是：提供一种多通道数据采集系统，其中，多通道数据采集系统包括：与通道数量相等的数据采集单元，用于采集对应通道的信号；陷波器，陷波器包括前文所述的陷波器，其中，陷波器的输入端接收所述采集单元的采集到的信号；存储器，存储器存储所述陷波器输出的信号。其中，多通道数据采集系统还包括：控制单元，用于控制所述数据采集单元同步采集信号；缓存器，用于缓存所述数据采集单元采集到的信号并输送给所述陷波器。其中，每个所述数据采集单元包括模拟采集器以及模数转换器，其中：模拟采集器用于采集模拟信号；模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号。其中，模数转换器进行两次数模转换之间的时间为TADC,缓存器缓存数据时间为TBuf，所述陷波器处理完一个通道的原始通道数据所需要时间为TNotch，所述多通道数据采集系统中的通道总数为NCHs，所述存储器存储一个通道的所述最终通道数据的时间为TStore，则TADC、TBuf、TNotch、NCHs以及TStore满足以下关系：TADC>TBuf+NCHs*(TNotch+TStore)。本专利技术的有益效果是：区别于现有技术的情况，本专利技术提供了一种多通道数据采集系统、陷波器以及陷波器的设计方法，设计方法包括以下步骤：首先确定陷波器的M个陷波频率为ωN1、ωN2、…、ωNM及每个陷波频率的-3dB带宽Ω1、Ω2、…、ΩM，其中，(ωN1<ωN2<…<ωNM)；然后根据陷波频率和带宽获取频点ωi以及相位函数θA(ωi)，ωi以及θA(ωi)满足以下公式：其中，i＝1,2,…2M，表示不大于的最大整数，mod(i,2)表示i被2除的余数，进而根据ωi以及θA(ωi)获取向量P和矩阵Q，其表达式分别为：p＝[tan(β1)tan(β2)...tan(β2M)]T；Qik＝sin(kwi)-tan(βi)cos(kwi)，其中，βi＝[θA(ωi)+2*M*ωi]/2，k＝1,2,...,2M，进一步的，根据p和Q获取滤波器系数a，其表达式为：a＝Q-1p；最后根据a获取陷波器的传递函数H(z)，其中H(z)满足：因此，本专利技术的陷波器是根据多个陷波频率设计出来的，易于控制精度，可滤除多次谐波，且在低频部分不污染或破坏信号。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种陷波器的设计方法的流程图；图2是本专利技术实施例提供的一种数据采集系统的结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种陷波器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：确定所述陷波器的M个陷波频率为ωN1、ωN2、…、ωNM及每个陷波频率的‑3dB带宽Ω1、Ω2、…、ΩM，其中，(ωN1<ωN2<…<ωNM)；根据所述陷波频率和带宽获取频点ωi以及相位函数θA(ωi)，所述ωi以及θA(ωi)满足以下公式：ωi=ωN[(i+1)/2]-12(1-(-1)mod(i,2))*Ω[(i+1)/2]2,]]>θA(ωi)=-(2*[i+12]-1)π+12(1-(-1)mod(i,2))*π2;]]>其中，i＝1,2,…2M，表示不大于的最大整数，mod(i,2)表示i被2除的余数；根据所述ωi以及θA(ωi)获取向量p和矩阵Q，其表达式分别为：p＝[tan(β1) tan(β2) ... tan(β2M)]T，Qik＝sin(kwi)‑tan(βi)cos(kwi)；其中，βi＝[θA(ωi)+2*M*ωi]/2，k＝1,2,...,2M；根据所述p和Q获取滤波器系数a，其表达式为：a＝Q‑1p；根据a获取所述陷波器的传递函数H(z)，其中所述H(z)满足：H(z)=((a2M+1)+(a2M-1+a1)z-1+...+(a1+a2M-1)z-2M+1+(1+a2M)z-2M1+a1z-1+...+a2M-1z-2M+1+a2Mz-2M)/2.]]>...

【技术特征摘要】
1.一种陷波器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：确定所述陷波器的M个陷波频率为ωN1、ωN2、…、ωNM及每个陷波频率的-3dB带宽Ω1、Ω2、…、ΩM，其中，(ωN1<ωN2<…<ωNM)；根据所述陷波频率和带宽获取频点ωi以及相位函数θA(ωi)，所述ωi以及θA(ωi)满足以下公式：ωi=ωN[(i+1)/2]-12(1-(-1)mod(i,2))*Ω[(i+1)/2]2,]]>θA(ωi)=-(2*[i+12]-1)π+12(1-(-1)mod(i,2))*π2;]]>其中，i＝1,2,…2M，表示不大于的最大整数，mod(i,2)表示i被2除的余数；根据所述ωi以及θA(ωi)获取向量p和矩阵Q，其表达式分别为：p＝[tan(β1)tan(β2)...tan(β2M)]T，Qik＝sin(kwi)-tan(βi)cos(kwi)；其中，βi＝[θA(ωi)+2*M*ωi]/2，k＝1,2,...,2M；根据所述p和Q获取滤波器系数a，其表达式为：a＝Q-1p；根据a获取所述陷波器的传递函数H(z)，其中所述H(z)满足：H(z)=((a2M+1)+(a2M-1+a1)z-1+...+(a1+a2M-1)z-2M+1+(1+a2M)z-2M1+a1z-1+...+a2M-1z-2M+1+a2Mz-2M)/2.]]>2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述H(z)满足：H(z)＝(1+A(z))/2，其中，所述A(z)为传递函数，其表达式为：A(z)=a2M+a2M-1z-1+...+a1z-2M+1+z-2M1+a1z-1+...+a2M-1z-2M+1+a2Mz-2M.]]>3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括：对所述传递函数的相位函数θA(ω)进行如下设计，以得到所述传递函数A(z)：θA(ωNi)＝-(2i-1)π，θA(ωNi-Ωi/2)＝-(2i-1)π+π/2，θA(ωNi+Ωi/2)＝-(2i-1)π-π/2；其中，在所述陷波器的陷波频率为M个时，所述全通滤波器的传递函数A(z)为2M阶。4.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨永友，王中兴，底青云，张文秀，陈彬彬，张天信，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11