1.本发明涉及模拟信号处理技术领域,特别是涉及一种模拟信号中噪声强度估计方法、装置、设备以及计算机可读存储介质。
背景技术:2.模拟信号(analog signal)是指在时域上数学形式为连续函数的信号。与模拟信号对应的是数字信号,后者采取分立的逻辑值,而前者可以取得连续值。模拟信号的概念常常在涉及电的领域中被使用,但在经典力学、气动力学(pneumatic)、水力学等学科有时也会使用模拟信号的概念。模拟信号利用对象的一些物理属性来表达、传递信息。例如,非液体气压表利用指针螺旋位置来表达压强信息。在电学中,电压是模拟信号最普遍的物理媒介,除此之外,频率、电流和电荷也可以用来表达模拟信号。由此可见模拟信号应用涉及的领域非常广泛。
3.但是,在实际在采集获得的模拟信号中,不可避免的因为各种各样的原因导致采样信号中存在噪声,而对采样信号中噪声信号提取的准确性与否,直接影响了对模拟信号中目标信号的信息的提取,由此可见,如何提升确定模拟信号中的噪声信号的准确性,直接影响分析目标信号中包含信息的准确性。
技术实现要素:4.本发明的目的是提供一种模拟信号中噪声强度估计方法、装置、设备以及计算机可读存储介质,在一定程度上提升了确定模拟信号中噪声信号强度的准确性,从而有利于准确提取模拟信号中的目标信号。
5.为解决上述技术问题,本发明提供一种模拟信号中噪声强度估计方法,包括:
6.通过模数采样系统对模拟信号进行采样,获得采样信号;
7.将采样时间间隔不大于预设时间段的两次采样获得的采样信号进行差分运算,获得差分信号;其中,所述预设时间段为所述模数采样系统的采样精度和所述模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值;
8.根据所述差分信号,确定所述模拟信号中噪声强度。
9.在本技术的一种可选地实施例中,通过模数采样系统对模拟信号进行采样,获得采样信号,包括:
10.每间隔预设周期,在同一个所述预设周期中的所述预设时间段内连续采集至少两次所述采样信号;其中,所述预设周期满足nyquist准则,且所述预设周期大于所述预设时间段。
11.在本技术的一种可选地实施例中,所述预设时间段小于其中,lsb为所述模数采样系统的采样精度;f
b
为所述目标信号的参照带宽;a
s
为所述目标信号的参照最大幅值。
12.在本技术的一种可选地实施例中,将采样时间间隔不大于预设时间段的两次采样
获得的采样信号进行差分运算,包括:
13.对同一个所述预设周期内的所述预设时间段相邻两次采样获得的所述采样信号进行差分运算;
14.根据所述差分信号,确定所述模拟信号中噪声强度,包括:
15.根据滤波公式对所述差分信号进行滤波处理,并基于滤波后的差分信号,确定所述模拟信号中噪声强度;其中,n
‑
1为第n个所述预设周期中所述预设时间段内的总采样次数,i∈(1,n
‑
1),n≥3,s
n,i
为所述预设时间段内第i次采样获得的所述采样信号。
16.在本技术的一种可选地实施例中,还包括:
17.预先基于历史模拟信号数据估算获得所述目标信号的参照最大变化率。
18.在本技术的一种可选地实施例中,在确定所述模拟信号中噪声强度之后,还包括:
19.根据所述噪声强度去除所述采样信号中的噪声信号,获得所述模拟信号中的目标信号。
20.本技术还提供了一种模拟信号中噪声强度估计装置,包括:
21.信号采集模块,用于通过模数采样系统对模拟信号进行采样,获得采样信号;
22.差分运算模块,用于将采样时间间隔不大于预设时间段的两次采样获得的采样信号进行差分运算,获得差分信号;其中,所述预设时间段为模数采样系统的采样精度和所述模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值;
23.噪声分析模块,用于根据所述差分信号,确定所述模拟信号中噪声强度。
24.在本技术的一种可选地实施例中,所述信号采样模块用于每间隔预设周期,在同一个所述预设周期中的所述预设时间段内连续采集至少两次所述采样信号;其中,所述预设周期满足nyquist准则,且所述预设周期大于所述预设时间段。
25.本技术还提供了一种模拟信号中噪声强度估计设备,包括:
26.模数采样系统,用于对模拟信号进行采样获得采样信号;
27.存储器,用于存储计算机程序;
28.处理器,用于根据所述采样信号执行所述计算机程序,以实现如上任一项所述的模拟信号中噪声强度估计方法的步骤。
29.本技术还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被执行以实现如上任一项所述的模拟信号中噪声强度估计方法的步骤。
30.本发明所提供的一种模拟信号中噪声强度估计方法,包括通过模数采样系统对模拟信号进行采样,获得采样信号;将采样时间间隔不大于预设时间段的两次采样获得的采样信号进行差分运算,获得差分信号;其中,预设时间段为模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值;根据差分信号,确定模拟信号中噪声强度。
31.本技术中在对模拟信号中的噪声信号强度进行分析估计时,以两次采样时间间隔不大于模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值的采样信号进行差值运算获得差分信号,使得这一时间间隔的两次差分信号中主要体现的是噪声信号的变化量,即便是目标信号在变化率最大的时刻采集的采样信号,获得的差分信号中
噪声信号也仅仅是和目标信号的强度相当;也即是说对于采集到的大部分采样信号而言,其中噪声信号部分基本都大于目标信号部分,那么对于采样信号对应的差分信号,则更贴近于噪声信号的变化量;由此,本技术中即可直接将这一差分信号视为噪声信号的变化量的样本,分析获得噪声信号强度,能够在一定程度上保证噪声信号强度估计的准确性,有利于后续对模拟信号中目标信号的分析和研究。
32.本技术还提供了一种模拟信号中噪声强度估计装置、设备以及计算机可读存储介质,具有上述有益效果。
附图说明
33.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案,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他的附图。
34.图1为本技术实施例提供的模拟信号中噪声强度估计方法的流程示意图;
35.图2为本技术实施例提供的采集模拟信号的采样信号的时间间隔示意图;
36.图3为本发明实施例提供的模拟信号中噪声强度估计装置的结构框图。
具体实施方式
37.在常规的模拟信号采集过程中,模拟信号中除了包括真实反映目标量变化的目标信号,还不可避免的存在对目标信号产生干扰的噪声信号。而在实际基于模拟信号进行数据分析获得目标量相关信息时,显然要保证基于模拟信号获得的信息的准确性,就需要将模拟信号中的目标信号剥离出来或者去除模拟信号中的噪声信号。
38.目前去除模拟信号中的噪声信号的方式存在多种,但不同的去噪声信号的方法或多或少都存在一定的弊端,不能保证提取的噪声信号的准确性。
39.为此,本技术中提出一种能够在一定程度上提升确定模拟信号中噪声强度的准确性的技术方案。
40.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
41.如图1所示,图1为本技术实施例提供的模拟信号中噪声强度估计方法的流程示意图,该方法可以包括:
42.s11:通过模数采样系统对模拟信号进行采样,获得采样信号。
43.在实际进行模拟信号采集时,如果模数采样系统允许,可以实时采集获得该采样信号。也可以按照预定的采集周期采集模拟信号的样本数据,对此本技术中不具体限制。
44.本实施中的信号采样主要是使用模数采样系统对模拟信号进行模数转换采样。
45.s12:将采样时间间隔不大于预设时间段的两次采样获得的采样信号进行差分运算,获得差分信号;其中,预设时间段为模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值。
46.如前所述,采集模拟信号的样本数据可以是按照预定周期进行数据采集,也可以实时采集,但无论是哪一种采集方式,应当保证存在多个采样信号之间的采样时间间隔不大于预设时间段。
47.s13:根据差分信号,确定模拟信号中噪声强度。
48.设采样信号可以表示为:s
i
=s
i
+e
i
;其中,i=1,2,3......n,i为采样次数;s
i
为第i次采集的采样信号中的目标信号;e
i
为第i次采集的采样信号中的噪声信号。
49.因此两个相邻的采样信号之间的差分信号为:
50.δs=s
i+1
‑
s
i
=(s
i+1
‑
s
i
)+(e
i+1
‑
e
i
)。
51.由此,在强噪声环境下,即(e
i+1
‑
e
i
)远大于(s
i+1
‑
s
i
),由此差分信号δs可以近似的视为噪声信号的变化量,因此可以将该差分信号即可作为分析确定噪声信号强度的噪声样本。
52.而在弱噪声环境下,即(e
i+1
‑
e
i
)远小于(s
i+1
‑
s
i
),差分信号δs更近似的等同于目标信号的变化量。由此可见,该差分信号在噪声强度较弱时,难以分析获得噪声信号的信息。
53.为此,本技术中进行差值运算的差分信号是采用两次采样时间间隔不大于模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值的采样信号进行差分运算获得的差分信号。
54.需要说明的是,模数采样系统的采样精度,即模数采样系统两次对模拟信号采样获得的模拟信号的差值,例如该模拟信号为电压值时,则为两次采样获得的电压值的差值。
55.对于模数采样系统而言,如果其模数转换精度为1mv,其对模拟信号采样后会将模拟信号转换为数字信号输出,例如模数采样系统会把[199.5,200.5)mv范围内的模拟信号都转换成数字200mv;[200.5,201.5)mv都转换成201。显然,200.2mv的模拟信号在模数转换的时候就会就近转换成200,200.7mv就近转换成201。这样模数转换系统中就不可避免地引入了误差,这是数字信号表示的离散性决定的,是不可避免的,跟输入的模拟信号是否有其他噪声无关。
[0056]
在上面例子中,前者误差是200.2
‑
200=0.2mv,后者误差是200.7
‑
201=
‑
0.3mv。在数字信号处理中,称这种误差是量化噪声,因为这种误差就跟真实的噪声一样无法避免,由此可见量化噪声虽然不可避免,但不同于常规意义的噪声,它幅度是受限的,只能在[
‑
0.5,+0.5)*采样精度之间,是由采样精度决定的。因此,本技术中为了更准确的提取噪声信息,将该部分的量化噪声也考虑在内。
[0057]
以目标信号为余弦信号为例,设目标信号为:f(t)=a
s cos(2πf
b
t);则对于目标信号而言,在有限带宽f
b
内变化最剧烈时刻的信号强度变化率可以通过求导算得为2πf
b
a
s
;设定两次采样时间间隔为δt,则两次采样信号中目标信号的变化量即为2πf
b
a
s
δt。
[0058]
如果该目标信号的变化量小于模数采样系统的采样精度lsb;也即是目标信号的变化量小于噪声信号的变化量,即有2πf
b
a
s
δt<lsb,相应的
[0059]
由此,在实际对模拟信号进行差分运算时,显然,若是;两次采样信号的采样时间间隔小于即模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的
比值,即可使得即便在目标信号变化率最大时刻左右采集的最大变化量都与模数采样系统的量化噪声的幅度相当,也就可以保障在目标信号的周期内其他时刻采集的采样信号对应的差分信号中噪声信号的变化量大于目标信号的变化量,由此即可保证采样信号的差分信号更大程度上反映的是噪声信号变化的信息,从而减小了目标信号对噪声信号信息的提取产生的干扰。由此使得以采样时间间隔小于模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值的两次采样信号的差分信号作为分析确定噪声信号强度的数据样本依据,从而提升了确定出的噪声信号强度的准确性。
[0060]
需要说明的是,对于这一最大的采样时间间隔,是基于目标信号大体上为余弦信号推导确定的,而在实际应用中目标信号并不必然完全满足余弦信号。但是以预设时间段小于作为设定预设时间段的标准,能够满足绝大多模拟信号中的噪声检测,可以考虑在实际应用时,无论目标信号的变化规律但是什么样的,都可以按照预设时间段小于作为设定预设时间段的标准,最终确定出的噪声强度也能达到较高精度,其中,lsb为模数采样系统的采样精度;f
b
为目标信号的参照带宽;a
s
为目标信号的参照最大幅值。
[0061]
另外,上述举例说明中是以相邻两次采集的采样信号之间的采样时间间隔不大于模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值为例进行说明的,但显然在实际应用中,只需要两次采样信号的采样时间间隔不大于模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值即可,这两次采样信号可以并不是相邻两次采样获得的采样信号。
[0062]
此外,还需要说明的是,对于模拟信号中的目标信号的周期以及满足的强度函数理论上而言是未知的。但是要确定预设时间段,也即是模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值,需要确定目标信号的频率、幅值以及满足的函数式等等信息。
[0063]
为此在本技术的一种可选地实施例中,还可以包括:
[0064]
预先基于历史模拟信号数据估算获得目标信号的参照最大变化率。
[0065]
具体地,可以基于历史模拟信号进行计算机学习,确定出目标信号大概满足的函数式并对此进行求导,最终确定出目标信号强度的参照最大变化率。当然也可以采用该目标信号理论上满足的函数关系式确定出其信号强度的参照最大变化率,对此本技术中不做具体限制。
[0066]
可以理解的是,上述实施例中基于以预设时间段小于作为设定预设时间段的标准时,f
b
和a
s
也可以基于历史数据预估获得。
[0067]
针对上述确定目标信号的信号强度对应的参照最大变化率都是大致估计出目标信号满足的函数而确定的。在实际应用中估计确定的目标信号满足的函数并不需要过于精确,大致精确即可。为了使得差分信号更能够体现噪声信号的变化量,可以采用两次采样信号的采样时间间隔远小于预设时间段的差分信号,例如该采样时间间隔可以是预设时间段
的一半等等。
[0068]
对于基于该差分信号确定噪声信号强度的方法,可以将该差分信号代入常用的噪声信号强度函数中,通过该噪声信号函数的运算获得噪声强度,这属于基于差分信号确定噪声信号强度的常用方法,对此本技术中不再详细介绍。
[0069]
可以理解的是,在确定出模拟信号中噪声信号强度,显然,即可基于噪声信号强度去除采样信号中的噪声信号,由此获得模拟信号中的目标信号,基于该目标信号即可分析获得该目标信号反映的被测对象的信息。
[0070]
综上所述,本技术在分析模拟信号中包含的噪声信号的信号强度时,以两次采样时间间隔不大于模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值对应的采样信号之间的差分信号作为分析噪声信号强度的样本数据,从而获得主要体现噪声信号的变化量的差分信号,由此保证了以该差分信号分析确定出的噪声信号强度的准确性,为后续分析研究模拟信号中的目标信号提供良好的数据依据,有利于后续基于目标信号分析出的信息的准确性。
[0071]
基于上述实施例。本技术中要获得采样时间间隔不大于模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值,就要求采集模拟信号时,采集模拟信号时的时间间隔必然需要满足一定的要求。为此在本技术的一种可选的实施例中,该模拟信号进行采样,获得采样信号的过程可以包括:
[0072]
每间隔预设周期,在预设时间段内连续采集至少两次采样信号;其中,预设周期满足nyquist准则,且预设周期大于所述预设时间段。
[0073]
nyquist准则(奈氏准则)也即是说采样频率大于信号带宽的2倍,相应地,预设周期满足nyquist准则,则该预设周期对应的频率大于目标信号的带宽的2倍。
[0074]
参照图2,图2为本技术实施例提供的采集模拟信号的采样信号的时间间隔示意图。每间隔预设周期t
g
存在一个信号采集时间段t
s
,该信号采集时间段t
s
也即是进行信号采集的时间段,本实施例中设定该信号采集时间段t
s
等于预设时间段,也即是模数采样系统的采样精度和模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值。那么在这一信号采集时间段t
s
内至少采集两次模拟信号获得的采样信号之间的采样时间间隔必然不大于预设时间段。由此即可获得满足采样时间间隔不大于预设时间段的至少两个采样信号。
[0075]
当然在实际应用中,每个预设周期t
g
内信号采集时间段t
s
也可以是时长大于预设时间段的时间段,只要保证每个信号采集时间段t
s
中至少存在两个采样信号之间的采样时间间隔小于预设时间段即可。
[0076]
另外,之所以在每个预设周期t
g
内仅仅在一个信号采集时间段t
s
内进行信号的采集,是因为在实际应用中处理器除了需要对模拟信号进行采集之外,还需要完成其他运算程序。可以理解的是,在实际应用中也可以采用专门用于采集模拟信号的处理器,在进行信号采集时,无需间隔一段时长才在一个小的信号采集时间段t
s
内多次采集模拟信号,可以按照小于预设时间段的时间间隔连续采集大量的采样信号,那么相邻两次采集获得采样信号间均满足采样时间不大于预设时间段的要求,由此可以将相邻两次测得的采样信号均进行差值运算,获得的差分信号确定噪声信号强度。
[0077]
此外,对于预设周期t
g
的时长可以基于目标信号的频率确定。按照奈氏(nyquist)准则,以模拟信号最大带宽2倍以上的频率进行采样,获得的采样信号就包含了原模拟信号
的全部信息。因此,该预设周期t
g
应当小于原模拟信号的信号周期的一半。
[0078]
基于上述实施例,为了进一步的提升差分信号作为分析噪声信号强度的噪声信号样本数据的准确性。在本技术的另一可选地实施例中,还可以对差分信号进行滤波处理。
[0079]
以在每个预设周期内仅仅一个预设时段内连续采集至少两次模拟信号的实施例为例。在本技术的一种可选地实施例中,获得差分信号的过程可以包括:
[0080]
对同一个预设周期内的预设时间段相邻两次采样获得的采样信号进行差分运算,获得差分信号;
[0081]
对上述差分信号进行滤波的过程可以包括:
[0082]
根据滤波公式对差分信号进行滤波处理,并基于滤波后的差分信号,确定噪声强度;其中,n
‑
1为第n个预设周期中预设时间段内的总采样次数,i∈(1,n
‑
1),n≥3,s
n,i
为预设时间段内第i次采样获得的采样信号。
[0083]
本实施例中对差分信号进行滤波,主要是对同一个预设周期内的预设时间段内,采集的多个依次相邻的采样信号之间。进行差值运算获得的多个差分信号,进行求平均值,从而获得该预设周期内的一个差分信号平均值,作为该预设周期内采集获得的差分信号。
[0084]
当然,可以理解的是,在实际应用中也可以考虑采用其他滤波公式进行滤波运算,对此本技术中不一一列举。
[0085]
并且,在实际应用中,显然上述滤波公式针对预设周期内采集信号的时间段大于预设时间段,而同一预设周期内多个采样信号的采样时间间隔小于预设时间段的实施例同样也适用,对此本技术中不详细赘述。
[0086]
下面对本发明实施例提供的模拟信号中噪声强度估计装置进行介绍,下文描述的模拟信号中噪声强度估计装置与上文描述的模拟信号中噪声强度估计方法可相互对应参照。
[0087]
图3为本发明实施例提供的模拟信号中噪声强度估计装置的结构框图,参照图3的模拟信号中噪声强度估计装置可以包括:
[0088]
信号采集模块100,用于通过模数采样系统对模拟信号进行采样,获得采样信号;
[0089]
差分运算模块200,用于将采样时间间隔不大于预设时间段的两次采样获得的采样信号进行差分运算,获得差分信号;其中,所述预设时间段为模数采样系统的采样精度和所述模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值;
[0090]
噪声分析模块300,用于根据所述差分信号,确定所述模拟信号中噪声强度。
[0091]
在本技术的一种可选地实施例中,所述信号采样模块100用于每间隔预设周期,在同一个所述预设周期中的所述预设时间段内连续采集至少两次所述采样信号;其中,所述预设周期满足nyquist准则,且所述预设周期大于所述预设时间段。
[0092]
在本技术的一种可选地实施例中,所述预设时间段小于其中,lsb为所述模数采样系统的采样精度;f
b
为所述目标信号的参照带宽;a
s
为所述目标信号的参照最大幅值。
[0093]
在本技术的一种可选地实施例中,所述差分运算模块200用于对同一个所述预设周期内的所述预设时间段相邻两次采样获得的所述采样信号进行差分运算;
[0094]
所述噪声分析模块300用于根据滤波公式对所述差分信号进行滤波处理,并基于滤波后的差分信号,确定所述噪声强度;其中,n
‑
1为第n个所述预设周期中所述预设时间段内的总采样次数,i∈(1,n
‑
1),n≥3,s
n,i
为所述预设时间段内第i次采样获得的所述采样信号。
[0095]
在本技术的一种可选地实施例中,还包括第一运算模块,用于预先基于历史模拟信号数据估算获得所述目标信号的参照最大变化率。
[0096]
在本技术的一种可选地实施例中,还包括第二运算模块,用于在确定所述模拟信号中噪声强度之后,根据所述噪声强度去除所述采样信号中的噪声信号,获得所述模拟信号中的目标信号。
[0097]
本实施例的模拟信号中噪声强度估计装置用于实现前述的模拟信号中噪声强度估计方法,因此模拟信号中噪声强度估计装置中的具体实施方式可见前文中的模拟信号中噪声强度估计方法的实施例部分,在此不再赘述。
[0098]
本技术还提供了一种模拟信号中噪声强度估计设备的实施例,该设备可以包括:
[0099]
模数采样系统,用于对模拟信号进行采样获得采样信号;
[0100]
存储器,用于存储计算机程序;
[0101]
处理器,用于根据所述采样信号执行所述计算机程序,以实现如上任一项所述的模拟信号中噪声强度估计方法的步骤。
[0102]
本技术中的模拟信号中噪声强度估计设备,通过对采集时间间隔不大于模数采样系统的采样精度和所述模拟信号中目标信号的参照最大变化率的比值的采样信号之间进行差分运算,获得能够更准确的反映噪声信号变化量的差分信号,并以此作为分析确定噪声信号强度函数的数据依据,在一定程度上提升了噪声信号强度函数的准确性,有利于后续准确分析模拟信号中的目标信号。
[0103]
本技术还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被执行以实现如上任一项所述的模拟信号中噪声强度估计方法的步骤。
[0104]
该计算机可读存储介质可以包括:随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
[0105]
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个
……”
限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外,本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明,以免过多赘述。
[0106]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进
和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。