分数标度数字信号处理制造技术

一种用于产生频率和/或相位经修改的数字信号输出的数字信号合成器，包括输入缓冲器、变换模块、处理模块和输出缓冲器。所述输入缓冲器接收在频域表示中表示的数字输入。所述变换模块存储由至少一个滤波器组件的组合件限定的对所需要的频率和/或相位响应进行建模的分数阶控制系统。通过拉普拉斯函数限定每个滤波器组件，对拉普拉斯函数进行了修改以使其包含具有可变分数标度指数的非整数控制阶。所述处理模块使所述数字输入与存储在所述变换模块中的所述分数阶控制系统相乘或相除。另外，所述输出缓冲器存储所述输入的合成输出，所述输入由所述处理模块根据所需要的频率和/或相位响应在所述频域、相域或两者中进行修改。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】分数标度数字信号处理
本公开大体上涉及数字信号处理，且具体来说，本公开涉及利用滤波器组件的组合件的信号处理系统的构建，通过拉普拉斯函数限定至少一个滤波器组件，其中所述拉普拉斯函数包含具有可变分数标度指数的非整数控制阶。
技术介绍
存在用于对所关注系统的数字表示进行滤波或另外建模的众多信号处理技术。然而，由于处理技术的人为因素，此类信号处理技术在准确地对所关注系统进行滤波和重建的能力方面受到限制。人为因素常常表现为波纹、较宽的过渡带宽、缓慢滚降等。人为因素还可以混淆或更改被滤波的数据集合内的相关信号，从而导致来自所述信号的信息的损失。
技术实现思路
根据本公开的方面，用于处理数字信号的方法包括：识别在频域表示中表示的所需要的频率和/或相位响应；以及构建对所需要的频率和/或相位响应进行建模的分数阶控制系统。分数阶控制系统通过从滤波器组件库中组装至少一个滤波器组件构建而成，滤波器组件库包括积分器组件、微分器组件、低通滤波器组件、高通滤波器组件、高频率放大器组件、低频率放大器组件，和共振滤波器组件。通过拉普拉斯函数限定至少一个滤波器组件，其中所述拉普拉斯函数包含具有可变分数标度指数的非整数控制阶。方法还包括：接收处于数字频域的输入；基于分数阶控制系统处理所述输入以产生数字输出；以及传送所产生的数字输出信号。根据本公开的其它方面，提供了用于产生频率和/或相位修改的数字信号输出的数字信号合成器。数字信号合成器包括输入缓冲器、变换模块、处理模块，和输出缓冲器。输入缓冲器接收在频域表示(例如，Bode空间)中表示的数字输入。变换模块存储由至少一个滤波器组件的组合件限定的对所需要的频率和/或相位响应进行建模的分数阶控制系统，所述至少一个滤波器组件包括积分器组件、微分器组件、低通滤波器组件、高通滤波器组件、高频率放大器组件、低频率放大器组件，和共振滤波器组件。通过拉普拉斯函数限定至少一个滤波器组件，其中所述拉普拉斯函数包含具有可变分数标度指数的非整数控制阶。处理模块利用存储在变换模块中的分数阶控制系统对数字输入进行乘或除。另外，输出缓冲器存储输入的合成输出，该合成输出根据存储在变换模块中的分数阶控制系统在频域、相域或两者中被修改。附图说明图1A是包含幅值相关滤波器组件的滤波器组件库的框图，其中示意性地示出了正频率；图1B是为了包含二阶幅值相关滤波器组件而对图1A中的库进行的扩展，其中示意性地示出了正频率；图2A是包含相位相关滤波器组件的滤波器组件库的框图，其中示意性地示出了正频率；图2B是为了包含二阶相位相关滤波器组件而对图2A中的库进行的扩展，其中示意性地示出了正频率；图3是说明使用至少一个滤波器组件处理数字信号的方法的流程图，通过拉普拉斯函数限定至少一个滤波器组件，其中所述拉普拉斯函数包含具有可变分数标度指数的非整数控制阶；图4是说明与图3的方法协作的校正相位的方法的流程图；图5是说明使用就图1至图4阐述的特征中的一个或多个的数字信号合成器的框图；图6A是在频域表示中表示为分数标度低通滤波器响应的实例性所需要的频率响应；图6B是来自图1A的滤波器组件库的低通滤波器组件的实例性响应；图6C是来自图1A的滤波器组件库的高频率放大器组件的实例性响应，和当高频率放大器组件与图6B的低通滤波器组件组合从而实现分数阶控制系统时的结果的响应；图6D是来自图1A的滤波器组件库的积分器组件的实例性响应；图6E是演示在设计滤波器时选择组件值的实例性方法的图表；图6F是构建成经由图6C的分数阶控制系统实施图6A的所需要的频率响应的实例性系统；图7是使用现场可编程门阵列来实施数字滤波器的示意性实例性实施方案，通过拉普拉斯函数限定至少一个滤波器组件，其中所述拉普拉斯函数包含具有可变分数标度指数的非整数控制阶；图8是能够实行本文就上图更全面地描述的系统和方法的计算机的示意性表示。具体实施方式本公开的方面提供了分数标度方法、系统和计算机程序产品，其利用基于非整数的分数微积分来实施分数滤波(例如，分数标度、分数相移、分数积分、分数微分等)，以执行需要处理存在于频域中或可以被转换为频域的数字信号的解决方案。分数标度滤波器组件库介绍如将在本文中更详细地描述，系统、方法和计算机程序产品利用了分数标度数字滤波器组(即，滤波器组件库)，其包括以各种配置组装以构建复杂信号处理系统的基本构造块(在本文被称作分数标度数字滤波器组件)。至少一个分数标度数字滤波器组件将分数幂标度指数(fractionalpowerscalingexponent)(在本文标示为β)并入到对应的预定义传递函数的非整数控制阶中。在下文列出的滤波器组件形式中，下标指示在解出所描述的传递函数的幅值和相位之后引入标度指数的形式，且提供所述下标是为了使解出相关联的幅值和相位方程会相对更加简单。而且，在整个说明书中，在复数离散傅里叶变换的正频率中依据β写出传递函数方程，β表示在绘制为功率谱时斜率的负数，其中功率在纵坐标轴上，而频率在横坐标轴上。因此，标度指数在表示幅度谱时是β/2，其为功率谱的斜率的一半。本文的传递函数全部是呈幅度谱的形式。第一实例性构造块是具有形式且对输入信号执行分数积分的积分器组件。相应地，实例性微分器组件具有形式并对输入信号执行分数微分。实例性低通滤波器组件具有形式其使低频率通过且使高频率衰减。出于方便起见，低通滤波器组件还可以通过二阶形式写为同样地，实例性高通滤波器组件具有形式其使高频率通过且使低频率衰减。对应的二阶高通滤波器具有形式高频率放大器组件具有形式其放大高频率且使低频率通过。出于方便起见，高频率放大器组件还可以通过二阶形式写为同样地，低频率放大器组件具有形式其放大低频率且使高频率通过。对应的二阶低频率放大器组件具有形式实例性共振滤波器组件具有形式共振滤波器使低频率通过且使高频率衰减。阻尼系数'd'控制共振峰行为。还可以修改共振滤波器以得到“反共振”滤波器，其基本上是相同的共振滤波器，使用输入对其去卷积。这通过在复数频域中时进行除法而非乘法来完成。本公开独特之处在于，可以在共振方程内对标度指数进行微调(tweak)，以允许调整共振峰的底部处的宽度，从而允许更精细的调谐。值得注意的是，这种能力对于常规共振滤波器是不实际的，常规共振滤波器在常规的基于二阶整数的共振方程的情况下或多或少是固定宽度。值得注意的是，标度指数还可能影响峰的高度，其可能需要在针对特定应用进行设计时考虑进去。由于本文更全面地陈述的分数标度数字滤波器是可逆的，因此本文的滤波器组件可以用于修改信号。然后，可以通过利用相同滤波器组件将经修改的信号去卷积而将该信号转换回到原始信号。在以下论述中，参考图1A、图1B、图2A和图2B，提供了基于分数标度拉普拉斯传递函数的系统，其中可以彼此独立地对幅值和相位进行处理。然而，实际上，对于给定的分数标度拉普拉斯传递函数，实现了幅值和相位传递响应。因此，设计者可以基于来自相同分数标度拉普拉斯传递函数、仅来自幅值、仅来自相位、来自幅值与完全不相关的相位的混合、其组合等的幅值和相位进行设计，以产生所需要的滤波效果。然而，为了模拟具有幅值和相位变化两者的系统，随后应该使用来自相同分数标度拉普拉斯传递函数的幅值和对应的相位。由于本文系统中的幅值和相位的独立性，脱离相位而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理数字信号的方法，包括：识别在频域表示中表示的所需要的频率和/或相位响应；通过组装来自滤波器组件库的至少一个滤波器组件来构建对所述所需要的频率和/或相位响应进行建模的分数阶控制系统，所述滤波器组件库包括：积分器组件；微分器组件；低通滤波器组件；高通滤波器组件；高频率放大器组件；低频率放大器组件；以及共振滤波器组件；其中，通过拉普拉斯函数限定至少一个滤波器组件，其中所述拉普拉斯函数包含具有可变分数标度指数的非整数控制阶；接收处于数字频域中的输入；基于所述分数阶控制系统处理所述输入以产生数字输出；以及传送所述所产生的数字输出信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.20 US 62/039,6841.一种用于处理数字信号的方法，包括：识别在频域表示中表示的所需要的频率和/或相位响应；通过组装来自滤波器组件库的至少一个滤波器组件来构建对所述所需要的频率和/或相位响应进行建模的分数阶控制系统，所述滤波器组件库包括：积分器组件；微分器组件；低通滤波器组件；高通滤波器组件；高频率放大器组件；低频率放大器组件；以及共振滤波器组件；其中，通过拉普拉斯函数限定至少一个滤波器组件，其中所述拉普拉斯函数包含具有可变分数标度指数的非整数控制阶；接收处于数字频域中的输入；基于所述分数阶控制系统处理所述输入以产生数字输出；以及传送所述所产生的数字输出信号。2.如权利要求1所述的方法，其中：构建分数阶控制系统包括：在跨越所述频域表示中的频率范围的单个方向上逐步工作，且对于所述所需要的频率和/或相位响应中的每个变化，装配来自所述滤波器组件库的至少一个相关联的滤波器组件以与所述所需要的频率和/或相位响应中的所述对应变化匹配。3.如权利要求2所述的方法，还包括：将所述滤波器组件库中的所述滤波器组件中的每一个限定为具有在所述频域表示中的所述整个频率范围延伸的响应；其中：在跨越所述频域表示中的所述频率范围的单个方向上逐步工作，还包括：针对所述所需要的频率和/或相位响应中的每个变化，从所述滤波器组件库选择至少一个滤波器组件，使得构建到所述分数阶控制系统中的所有滤波器组件的响应的总和遵循跨越所述所需要的频率和/或相位响应的频谱的所述变化。4.如权利要求1所述的方法，其中，构建分数阶控制系统包括：构建分数标度数字滤波器以对所述输入的选择频率进行滤波，使得滤波包括所述输入的幅值和相位修改，其中，所述幅值修改利用与用于相位修改的滤波器组件不同的至少一个滤波器组件。5.如权利要求1所述的方法，其中，构建分数阶控制系统包括以下选定一个：构建分数标度数字滤波器以对所述输入的选择频率进行滤波，使得滤波包括具有无相位失真和线性相位中的选定一个的唯幅值频率修改；以及构建分数标度数字滤波器，使得滤波包括对所述输入的唯相位频率修改。6.如权利要求1所述的方法，其中，构建分数阶控制系统包括：构建分数标度数字滤波器以对所述输入的选择频率进行滤波，使得滤波包括对所述输入的幅值频率修改和对应的相位频率修改。7.如权利要求1所述的方法，还包括：接收至少一个参数，对所述至少一个参数进行主动监视，以控制对分数阶控制系统的修改，使得所述输入的频率含量的分数标度和相移中至少之一发生变化。8.如权利要求1所述的方法，还包括：限定具有形式的积分器组件；以及限定具有形式的微分器组件；其中：β是非整数控制阶的变量，其表示与所述所需要的频率响应的对应区段相关联的功率谱的斜率。9.如权利要求1所述的方法，还包括：限定具有形式的低通滤波器组件；以及限定具有形式的高通滤波器组件；其中：β是非整数控制阶的变量，其表示与所述所需要的频率响应的对应区段相关联的功率谱的斜率；以及k表示增益。10.如权利要求1所述的方法，还包括：限定具有形式的高频率放大器组件；限定具有形式的低频率放大器组件；其中：β是非整数控制阶的变量，其表示与所述所需要的频率响应的对应区段相关联的功率谱的斜率；以及k表示增益。11.如权利要求1所述的方法，还包括：限定具有形式的共振滤波器组件；其中：β是非整数控制阶的变量，其表示与所述所需要的频率响应的对应区段相关联的功率谱的斜率；d表示所述阻尼系数；以及k表示增益。12.如权利要求1所述的方法，还包括：依据以下各项限定所述积分器组件：幅值相位：依据以下各项限定所述微分器组件：幅值相位：其中：β是非整数控制阶的变量，其表示与所述所需要的频率响应的对应区段相关联的功率谱的斜率，且ω是角频率。13.如权利要求1所述的方法，还包括：依据以下各项限定所述低通滤波器组件：幅值相位：依据以下各项限定所述高通滤波器组件：幅值相位：其中：β是非整数控制阶的变...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·R·斯米杰尔斯基，
申请(专利权)人：美国莱特州立大学，
类型：发明
国别省市：美国,US