基于参量模型的周期信号等效采样方法技术

一种基于参量模型的周期信号等效采样方法，目的是提出一种硬件简单的等效时间采样方法，既降低硬件设计难度，又缩短波形重建时间并使重建完善。技术方案是设计一个由模拟通道、触发电路、高速ＡＤＣ、高速先入先出存储器ＦＩＦＯ、可程控时基电路、数字信号处理器ＤＳＰ组成的等效采样硬件平台，该平台对模拟的带限周期信号进行三轮采样获得三组欠采样数据序列，对欠采样数据序列由运行在ＤＳＰ中的基于参量模型的等效采样软件进行处理，估计出信号的真实参数，根据信号模型重构出信号波形。本发明专利技术采用可程控时基电路和ＤＳＰ，在ＤＳＰ中编入基于参量模型的等效时间采样软件，实现了对欠采样周期信号的频率检测和波形重构，简化了硬件设计，降低了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数据采集中周期信号在欠采样情况下通过参数估计重构波形的等效采样方法。
技术介绍
世界已进入数字化、信息化时代，数据采集技术作为连接模拟域和数字域的“桥梁”日益显出它的重要性。现实世界中的真实信号的频谱覆盖了很宽的频带，从较低频的机械信号到微波段的电磁信号。随着人类认识世界范围的扩展，更高的频段将被不断认识。由于计算机技术日新月异的发展，计算机已成为人类认识世界和改造世界的不可替代的工具。信息必须通过数据采集数字化后才能进入计算机进行处理。信号频段愈高，对采集的速度要求愈高。在已有的电子元器件的基础上，要提高采集速度，数据采集系统可以采用并行方法。但这种方法对速度的提高有限，且使硬件系统复杂，成本增加。因此，长期以来人们致力于寻找一种硬件系统简单成本较低的新方法，来实现对较高频段信号的数据采集。应运而生的等效采样方法就是一种来降低硬件成本的新的数据采集方法。等效采样方法是指针对周期信号的时域重复的特点，在不同的时间段进行多次较低采样率的采样，然后将这些低采样率的样本复合成高采样率的数据样本，从而真实重构出原始信号波形的数据采集方法。常规等效采样方法是指针对周期信号的时域重复的特点，在不同的时间段进行多次较低采样率的采样，然后以触发点为基点，根据每次采样的第一个采样点到每次采样的触发点之间的时间差将这些低采样率的数据序列拼合成高采样率的数据序列，从而真实重构出原始信号波形的数据采集方法。常规等效采样方法分为时序等效时间采样方法和随机等效时间采样方法。时序时间等效采样又分为步进、步退、差频方式。以步进方式为例来说明时序等效时间采样。采集周期信号时，每一次触发启动一轮采样，得到一组采样数据序列，这组数据序列对应信号一个周期内的一些点的幅度值。多次触发后进行多轮采样，在每次信号触发之后，利用相位延时不断累计变化的采样时钟进行采样。然后以触发点为时间基点，按每轮采样时钟相位延迟导致的每轮采样第一个采样点与触发点的时间差将多轮采样序列拼合到一个数据序列中，这组数据序列的等效的采样率高于各轮采样的采样率。该方法的关键是必须具备精确的定时电路，以确保每个触发点与触发后第一个采样点有准确的时间间隔。步退、差频方式也需要产生准确的定时或频差。因此，时序等效时间采样方法必须具备准确的模拟触发和精确的纳秒级定时电路。而且模拟触发的精确度，纳秒级定时电路的定时精度直接影响该方法重构波形的精度。随机等效时间采样方法的原理是采集周期信号时，系统工作在模数转换器ADC(Analog-to-Digital Converter)的最高采样频率，触发信号到来时，通过一个门检测电路获取从触发点到触发后ADC的第1个采样时钟的时间差，这个时间差表明触发点后的初始数据采样时刻。以这个时间差为起点，随后而来的每次采样，对应的时间位置构成了一个递增序列，这个序列的间隔由ADC的采样频率决定。因此完成一轮采样后可以得到一组数据。这组数据的位置由时间序列决定。经过多轮随机采样，得到多组采样数据序列，以触发点为基点，根据从触发点到触发后ADC的第1个采样时钟的时间差把多组采样数据序列组合，就可以重建信号波形。随机等效时间采样与时序等效时间采样的不同点在于采集数据的提取并不是在触发事件之后发生，而是采集过程一直以系统的最高实时采样速率进行。在每次触发事件产生时，不仅触发后的第一个采样点与触发点的时间被准确记录下来，而且触发前的最后一个采样点与触发点的时间关系也能准确知道。因此这种采样方式可以完整获取触发点前后的完整波形。但这种方法信号的重建周期较长，不适应快速显示刷新的需要。在被测信号与采样时钟相关时会出现信号波形只能部分重建的问题。这种方法必须具备准确的模拟触发电路，必须具备精确的纳秒级时长检测电路。而且模拟触发的精确度，纳秒级时长检测电路的测时精度直接影响该方法重构波形的精度。因此，目前常规的等效时间采样方法必须具备准确的模拟触发电路，必须具备精确的定时电路或时长检测电路。这些电路需要复杂的模拟电路来实现，导致电路调试难度增加，模拟电路抗干扰能力差，定时和测时精度很难保证，直接导致重构波形的精度下降。常规的等效时间采样方法还存在波形重建时间长甚至重建不完善的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题就是针对现有的常规的等效时间采样方法的不足，提出一种基于参量模型的周期信号等效时间采样方法，无需准确的模拟触发电路和精确的定时电路或时长检测电路，既降低硬件设计难度，又缩短波形重建时间并使重建完善。技术方案是设计一个等效采样硬件平台，该平台对模拟的带限周期信号进行三轮采样获得三组欠采样数据序列，对欠采样数据序列由运行在DSP中的基于参量模型的等效采样软件进行处理，估计出信号的真实参数，根据信号模型直接重构出信号波形。本专利技术的等效采样硬件平台由模拟通道、触发电路、高速ADC、高速先入先出存储器FIFO(First-In-First-Out)、可程控时基电路、数字信号处理器DSP组成。被测的模拟带限周期信号通过模拟信号输入线输入到模拟通道的输入端，模拟通道的模拟输出端连接到ADC模拟输入端，ADC的并行数据输出口连接到FIFO的并行数据输入口，FIFO的数字输出口连接到DSP的并行数据接口。同时，被测的模拟带限周期信号通过模拟信号输入线连接到触发电路的模拟输入端。触发电路的数字输出端连接到DSP的外部中断输入端。DSP的两个输入输出IO(Input-Output)线连接到可程控时基电路的两个输入端，可程控时基电路的输出端连接到ADC的采样时钟输入端。DSP收到触发信号后发送时基控制信号到可程控时基电路，可程控时基电路产生采样时钟驱动ADC将模拟通道输出的模拟信号转换为数字信号输出到高速FIFO中缓存起来，待一轮采样结束后，DSP将高速FIFO中得采样数据读入内存用基于参量模型的等效采样软件进行处理，重构出被测信号波形。模拟通道由衰减电路和放大电路组成，它对输入的被测模拟带限周期信号进行调理，将模拟信号的幅度调节到ADC输入信号的信号范围内。模拟通道是一个高输入阻抗、低输出阻抗的系统，还具有提高信号驱动能力的作用。模拟通道的带宽根据被采样信号的带宽确定。触发电路由高速模拟比较器组成，它接收模拟带限周期信号后产生触发信号发送到DSP。由于触发电路只是用来启动ADC采样输入信号，因此本专利技术对触发电路精确度要求不高。高速ADC是通用的模数转换器，它对从模拟通道传来的模拟信号进行模数转换。高速ADC的输入模拟带宽与模拟通道的带宽相匹配，ADC的采样率大于等效采样硬件平台的奈奎斯特带宽的两倍。高速FIFO对经高速ADC模数转换的高速数据流进行缓存。高速FIFO的输入接口速度与ADC输出的数据速率相匹配，输出接口速度与DSP输入的数据速率相匹配。高速FIFO消除高速ADC与DSP之间的接口速率的差异，保证高速采样数据流从ADC正确进入DSP处理。可程控时基电路产生三个频率两两互质的采样时钟信号，驱动ADC进行采样。可程控时基电路由三个高精度晶体振荡器(晶振)、一个2-4译码器和三个三态门组成。DSP的两个IO线连接到2-4译码器的输入线，2-4译码器的输出线中的三个分别连接到三个高精度晶体振荡器的使能端和三个三态门的使能端。三个高精度晶体振荡器的输出线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于参量模型的周期信号等效采样方法，其特征在于设计一个由模拟通道、触发电路、高速ＡＤＣ、高速先入先出存储器ＦＩＦＯ、可程控时基电路、数字信号处理器ＤＳＰ组成的等效采样硬件平台，该平台对模拟的带限周期信号进行三轮采样获得三组欠采样数据序列，对欠采样数据序列由运行在ＤＳＰ中的基于参量模型的等效采样软件进行处理，估计出信号的真实参数，根据信号模型直接重构出信号波形。

【技术特征摘要】
1.一种基于参量模型的周期信号等效采样方法，其特征在于设计一个由模拟通道、触发电路、高速ADC、高速先入先出存储器FIFO、可程控时基电路、数字信号处理器DSP组成的等效采样硬件平台，该平台对模拟的带限周期信号进行三轮采样获得三组欠采样数据序列，对欠采样数据序列由运行在DSP中的基于参量模型的等效采样软件进行处理，估计出信号的真实参数，根据信号模型直接重构出信号波形。2.如权利要求1所述的基于参量模型的周期信号等效采样方法，其特征在于被测的模拟带限周期信号通过模拟信号输入线输入到模拟通道的输入端，模拟通道的模拟输出端连接到ADC模拟输入端，ADC的并行数据输出口连接到FIFO的并行数据输入口，FIFO的数字输出口连接到DSP的并行数据接口；同时，被测的模拟带限周期信号通过模拟信号输入线连接到触发电路的模拟输入端；触发电路的数字输出端连接到DSP的外部中断输入端；DSP的两个输入输出IO线连接到可程控时基电路的两个输入端，可程控时基电路的输出端连接到ADC的采样时钟输入端；DSP收到触发信号后发送时基控制信号到可程控时基电路，可程控时基电路产生采样时钟驱动ADC将模拟通道输出的模拟信号转换为数字信号输出到高速FIFO中缓存起来，待一轮采样结束后，DSP将高速FIFO中得采样数据读入内存用基于参量模型的等效采样软件进行处理。3.如权利要求1所述的基于参量模型的周期信号等效采样方法，其特征在于3.1所述模拟通道由衰减电路和放大电路组成，它对输入的被测模拟带限周期信号进行调理，将模拟信号的幅度调节到ADC输入信号的信号范围内，且模拟通道是一个高输入阻抗、低输出阻抗的系统，还具有提高信号驱动能力的作用，模拟通道的带宽根据被采样信号的带宽确定；3.2所述触发电路由高速模拟比较器组成，它接收模拟带限周期信号后产生触发信号发送到DSP；3.3所述高速ADC是通用的模数转换器，它对从模拟通道传来的模拟信号进行模数转换，高速ADC的输入模拟带宽与模拟通道的带宽相匹配，ADC的采样率大于等效采样硬件平台的奈奎斯特带宽的两倍；3.4所述高速FIFO对经高速ADC模数转换的高速数据流进行缓存，高速FIFO的输入接口速度与ADC输出的数据速率相匹配，输出接口速度与DSP输入的数据速率相匹配，高速FIFO消除高速ADC与DSP之间的接口速率的差异，保证高速采样数据流从ADC正确进入DSP处理；3.5所述可程控时基电路产生三个频率两两互质的采样时钟信号，驱动ADC进行采样，它由三个高精度晶体振荡器(晶振)、一个2-4译码器和三个三态门组成DSP的两个IO线连接到2-4译码器的输入线，2-4译码器的输出线中的三个分别连接到三个高精度晶体振荡器的使能端和三个三态门的使能端；三个高精度晶体振荡器的输出线分别连接到三个三态门的输入端，三个三态门的输出端连接在一起后连到ADC的采样时钟信号输入端；DSP的两个IO信号发送到2-4译码器，经2-4译码器译码后输出，控制三个晶振工作使能和三个三态门的输出使能，使得在一个时刻只有一个高精度晶振工作产生时钟信号，并且只有该晶振的时钟输出端连接的一个三态门打开，输出该晶振的采样时钟信号；3.6所述DSP控制可程控时基电路产生采样时钟，根据触发信号启动采样，然后从高速FIFO读入采样数据，由运行在DSP中的基于参量模型的等效时间采样软件对采样数据进行处理。4.如权利要求1或3所述的基于参量模型的周期信号等效采样方法，其特征在于所述三个高精度晶振产生的时钟信号频率大于系统的实时采样率，并且是两两互质的。5.如权利要求1或3所述的基于参量模型的周期信号等效采样方法，其特征在于所述DSP...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏绍景，王跃科，胡斌强，张玘，郭熙业，吕喜在，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]