单音信号过载的补偿方法及装置

摘要

本发明公开一种单音信号过载的补偿方法及装置，其中方法包括以下步骤：获得周期采样信号，所述周期采样信号包括预设周期内的采样点，及各采样点对应的数据值；基于所述数据值和预设的过载值判断所述采样点为过载点或正常点，获得第一判断结果；基于所述第一判断结果和预设的过载值计算获得第一峰值和直流分量；基于所述第一峰值、所述直流分量和任一正常点的相位及数据值计算获得初始相位；基于所述第一峰值、所述直流分量和所述初始相位生成相对应的补偿信号，获得第一补偿信号。在保证测量精度的前提下，所获得的周期采样信号有一定范围的过载，本发明所提出的方法能够实现对周期采样信号中过载数据的恢复。

说明书

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种单音信号过载的补偿方法及装置。

背景技术

现有电阻抗成像技术中通常采用单一频率实现信号测量，所采集的信号数据为单音信号。且其通常以模拟数字转换的方式进行信号传输，但模拟数字转换器都有速度、数据位的限制，故现有技术中为使传输信号不过载(超过一定电压的信号都是数字转换的最大值)，往往会采用将模拟放大器将所采集的单音信号放大到电源电压。

如将模数转换器将单音信号转换0到电源电压的范围，能够避免单音信号过载，但会损失测量精度。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种单音信号过载的补偿方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

本发明提出一种单音信号过载的补偿方法，包括以下步骤：

获得周期采样信号，所述周期采样信号包括预设周期内的采样点，及各采样点对应的数据值；

基于所述数据值和预设的过载值判断所述采样点为过载点或正常点，获得第一判断结果；

基于所述第一判断结果和预设的过载值计算获得第一峰值和直流分量；

基于所述第一峰值、所述直流分量和任一正常点的相位及数据值计算获得初始相位；

基于所述第一峰值、所述直流分量和所述初始相位生成相对应的补偿信号，获得第一补偿信号。

作为一种可实施方式，基于所述第一峰值、所述直流分量和所述初始相位生成相对应的补偿信号后还包括补偿信号的修正步骤，具体步骤为：

按照预设的修正规则提取一正常点的相位及数据值，并结合初始相位计算第二峰值，基于第二峰值、直流分量和初始相位生成第二补偿信号。

作为一种可实施方式：

基于所述第一判断结果和所述数据值计

算获得第一峰值前，基于所述数据值判断是否存在直流偏置，具体判断步骤为：

所述过载值包括正过载值和负过载值，其中正过载值和负过载值的绝对值相等；

统计数据值达到预设的正过载值的数量，获得正过载点数，统计数据值达到预设的负过载值的数量，获得负过载点数；

当正过载点数和负过载点数相等时，判定无直流分量，记直流分量为0，否则判定存在直流偏置。

作为一种可实施方式：

当判定存在直流偏置时：

基于正过载点数和采样点的数量计算第一正弦值，基于负过载点数和采样点的数量计算第二正弦值；

基于所述第一正弦值、第二正弦值、正过载值和负过载值计算第一峰值和直流分量；

基于所述第一峰值、所述直流分量和任一正常点的相位及数据值计算获得初始相位；

基于所述第一峰值、所述初始相位和所述直流分量生成相对应的补偿信号，获得第一补偿信号。

作为一种可实施方式：

基于所述第一正弦值、第二正弦值、正过载值和负过载值计算第一峰值和直流分量的计算公式为：

D+A sin(θ

D+A sin(θ

其中，A为峰值，D为直流分量，d

sin(θ

其中，m为采样点的数量，m

sin(θ

其中，m

作为一种可实施方式：

当判定无直流偏置时：

基于所述第一判断结果统计过载点的数量，基于过载点的数量和采样点的数量计算第三正弦值；

基于预设的正过载值和第三正弦值计算获得补偿信号的峰值。

作为一种可实施方式，基于预设的过载值和第一正弦值计算获得补偿信号的峰值的计算公式为：

其中，A为峰值，d

sin(θ

其中，m为采样点的数量，n为过载点的数量。

本发明还提出一种单音信号过载的补偿装置，包括：

信号获取模块，用于获得周期采样信号，所述周期采样信号包括预设周期内的采样点，及各采样点对应的数据值；

过载判断模块，用于基于所述数据值和预设的过载值判断所述采样点为过载点或正常点，获得第一判断结果；

第一计算模块，用于基于所述第一判断结果和预设的过载值计算获得第一峰值和直流分量；

第二计算模块，用于基于所述第一峰值、所述直流分量和任一正常点的相位及数据值计算获得初始相位；

补偿信号生成模块，用于基于所述第一峰值、所述直流分量和所述初始相位生成相对应的补偿信号，获得第一补偿信号。

作为一种可实施方式，还包括修正模块，所述修正模块被配置为：

按照预设的修正规则提取一正常点的相位及数据值，并结合初始相位计算第二峰值，基于第二峰值、直流分量和初始相位生成第二补偿信号。

作为一种可实施方式，过载判断模块包括直流偏置判断单元和求和单元，所述直流偏置判断单元被配置为：

所述过载值包括正过载值和负过载值，其中正过载值和负过载值的绝对值相等；

统计数据值达到预设的正过载值的数量，获得正过载点数，统计数据值达到预设的负过载值的数量，获得负过载点数；

当正过载点数和负过载点数相等时，判定无直流分量，记直流分量为0，否则判定存在直流偏置。

所述求和单元用于计算正过载点和负过载点的总数，获得过载点的数量。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

1、在保证测量精度的前提下，所获得的周期采样信号有一定范围的过载，本发明根据过载点和正常点的数据值，计算获得相应第一峰值及初始相位，从而生成相应的第一补偿信号，实现对过载数据的恢复。

2、由于实际测量中初次达到过载值的采样点对应的电压可能已超过模数转换的参考电压，导致最终计算的峰值偏小，故本发明通过对修正步骤的设计，利用正常点的数据值和相位再次计算峰值，获得第二峰值，此时第二峰值与第一峰值相比更贴近实际峰值，提高恢复后补偿信号的准确度。

3、本发明对直流偏置判断步骤的设计，能够在计算峰值前自动判断是否存在直流偏置，当无直流偏置时，直接记直流分量为0，简化计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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。

图1是本发明一种单音信号过载的补偿方法的流程示意图；

图2是有直流偏置和初始相位时过载补偿示意图；

图3是无直流偏置和初始相位时过载补偿示意图；

图4是本发明一种单音信号过载的补偿装置的模块连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1、一种单音信号过载的补偿方法，如图1所示，包括以下步骤：

S100、获得周期采样信号，所述周期采样信号包括预设周期内的采样点，及各采样点对应的数据值；

所述周期采样信号为单音信号通过模数转换后的数字信号，即，在先进行信号测量，获得设周期内指定频率下的单音信号，再将单音信号通过模数转换为相应的数字信号，获得周期采样信号，此为现有技术，故本实施中不对其进行详细介绍。

S200、基于所述数据值和预设的过载值判断所述采样点为过载点或正常点，获得第一判断结果；

数据值的绝对值达到预设过载值(正过载值)的点为过载点，否则为正常点。

S300、基于所述第一判断结果和预设的过载值计算获得第一峰值和直流分量；

S400、基于所述第一峰值、所述直流分量和任一正常点的相位及数据值计算获得初始相位；

S500、基于所述第一峰值、所述直流分量和所述初始相位生成相对应的补偿信号，获得第一补偿信号。

如，信号测量的动态范围为0～3V，即，电源电压为3V，所采用的模数转换器的位数为8，其最大数据量为256；

当设置模数转换器参考电压为3V(即转换范围0～3V)时，为测量精度为3V/256＝11.72mV，此时转换获得的数字信号不过载；

当设置模数转换器参考电压为1.25V时(即转换范围0～1.25V)，测量精度为1.25V/256＝4.88mV，测量精度被提升，但电压超过1.25V转换获得的数据值均为256，即，出现过载；

转换后的数字信号往往根据实际需要进行分析、计算、处理等工作，当数字信号过载后，后续基于该数字信号所得的处理结果存在较大偏差，故本领域技术人员往往舍弃对测量精度的提升，直接将单音信号转换0到电源电压的范围。

由于单音信号为正弦信号，故，转换后未过载的数字信号也为正弦信号，本实施例根据过载点和正常点的数据值，计算获得相应第一峰值及初始相位，从而生成相应的第一补偿信号，例如可在测量精度为4.88mV的情况下，实现对动态范围为0～3V的单音信号的测量。

进一步的，于步骤S300基于所述第一判断结果和预设的过载值计算获得第一峰值和直流分量之前，基于所述数据值判断是否存在直流偏置，具体判断步骤为：

所述过载值包括正过载值和负过载值，其中正过载值和负过载值的绝对值相等；

统计数据值达到预设的正过载值的数量，获得正过载点数，统计数据值达到预设的负过载值的数量，获得负过载点数；

当正过载点数和负过载点数相等时，判定无直流偏置，记直流分量为0，否则判定存在直流偏置。

上述正过载值和负过载值由转换单音信号的模数转换器的位数确定，本实施例中采用位数为8的模数转换器，其正过载值为256，负过载值为-256。

进一步地：

当判定存在直流偏置时，生成第一补偿信号的具体步骤为：

基于正过载点数和采样点的数量计算第一正弦值，基于负过载点数和采样点的数量计算第二正弦值；基于所述第一正弦值、第二正弦值、正过载值和负过载值计算第一峰值和直流分量；

基于所述第一峰值、所述直流分量和任一正常点的相位及数据值计算获得初始相位；

基于所述第一峰值、所述初始相位和所述直流分量生成相对应的补偿信号，获得第一补偿信号。

由于第一补偿信号为一各周期的正弦信号，故第一补偿信号峰值对应的正弦值为1，基于正弦信号的特性，本实施例对周期采样信号中各采样点进行重构，获得无初始相位的重构信号，再根据正过载点和负过载点的分布情况，计算相应的峰值A和直流分量D。

已知峰值A和直流分量D后，从提取任一正常点的相位和数据值，基于正弦函数即可计算周期采样信号的初始相位；

即，y＝A sin(x+β)+D；

其中x为相位，β为初始相位，已知峰值A和直流分量D，代入某正常点的相位和数据值后即可计算获得初始相位β。

已知峰值A和直流分量D和初始相位后，生成相应的正弦信号作为第一补偿信号。

即，基于y＝A sin(x+β)+D生成相应的补偿信号。

进一步地：

基于所述第一正弦值、第二正弦值、正过载值和负过载值计算第一峰值和直流分量的计算公式为：

D+A sin(θ

D+A sin(θ

其中，A为峰值，D为直流分量，d

本实施例针对正过载值和第一正弦值，负过载值和第二正弦值，分别构建两个正弦函数，从而消除直流分量的影响，能够同时计算出峰值A和直流分量D。

上述sin(θ

其中，m为采样点的数量，m

sin(θ

其中，m

参照图2，图2为单音信号通过8位模数转换器转换获得的过载信号(即，周期采样信号)，通过上述补偿方法获得的过载补偿(即，第一补偿信号)，以及与该单音信号相对应的原始信号(用于评判补偿效果)。

由图2可知，原始信号的直流分量为20，初始相位为π/6；过载补偿与原始信号存在较小偏差，从而证明本实施例所提出补偿方法能够实现对过载信号的补偿，以便于减低模数转换的范围以提高测量精度后，输出相应过载信号的补偿信号，便于后续技术人员利用该补偿信号完成数据处理和分析等工作。

进一步地：

当判定无直流偏置时，生成第一补偿信号的具体步骤为：

基于所述第一判断结果统计过载点的数量，基于过载点的数量和采样点的数量计算第三正弦值；

基于预设的正过载值和第三正弦值计算获得补偿信号的峰值，计算公式为：

其中，A为峰值，d

sin(θ

其中，m为采样点的数量，n为过载点的数量。

由于无直流偏置，故仅需构建一个正弦函数即可。

例如：

模数转换器是8位的，则正过载值为256，一个周期测量获得64个采样点(m＝64)，周期采样信号如图3中过载信号所示，其中30个采样点数据值的绝对值大于256(n＝30)，将m和n代入上述计算公式，结果如下：

A＝345.4791

获得峰值后，本领域技术人员可选择任一正常点，该正常点为第a个采样点，则其相位为2π/64*a，基于正弦特性，根据该正常点的相位和数据值即可计算获得初始相位，参照图3，本案例中初始相位为0；

基于初始相位和峰值生成的第一补偿信号如图3中过载补偿所示。

综上，本实施例提出的单音信号过载的补偿方法，能够补偿所述单音信号模数转换后的过载信号，恢复出相应的数字信号；在实际使用中，本领域技术人员可根据实际测量精度的要求降低模数转换器的参考电压，以提高测量精度，然后利用本方法对周期采样信号进行补偿，从而在提高测量精度的前提下获取单音信号对应的数字信号。

实施例2，于实施例1中增加补偿信号的修正步骤(S600)，用于修正第一补偿信号，其余均等同于实施例1；

S600、补偿信号的修正步骤，具体为：

按照预设的修正规则提取一正常点的相位及数据值，并结合初始相位计算第二峰值，基于第二峰值、直流分量和初始相位生成第二补偿信号。

第一峰值的获取方式为基于重构信号中，初次发生过载的相位计算正弦值，再基于过载值和正弦值计算峰值，但实际采样过程中，采样率将会对角度分辨率造成影响，且实际测量中初次达到过载值的采样点对应的电压可能已超过模数转换的参考电压，故，对应相位的采样点已发生过载，导致最终计算的峰值偏小。

故通过利用任一正常点的数据值和相位再次计算峰值，获得第二峰值，此时第二峰值与第一峰值相比更贴近实际峰值。

但未避免重复计算，故本领域技术人员可根据实际需要自行设定修正规则，令提取的正常点与步骤S400中选择的正常点不同。

本实施例步骤S400中，剔除数据值最大的正常点后，于剩余正常点中随机选择一点的相位和数据值计算初始相位；然后在步骤S600中，利用数据值最大的正常点，该正常点对应的相位和在先计算的初始相位重新计算峰值，获得第二峰值。

即，步骤S600中已知初始相位β和直流分量D，将正常点的相位代入x，数据值代入y，基于y＝A′sin(x+β)+D计算获得第二峰值A′。

基于第二峰值、初始相位和直流分量，生成第二补偿信号。

由于正常点的相位和数据值较为准确，统一测试条件下第二峰值更为接近实际峰值，故通过上述补偿步骤能够进一步提高补偿信号的准确性。

实施例3、一种单音信号过载的补偿装置，如图4所示，包括：

信号获取模块100，用于获得周期采样信号，所述周期采样信号包括预设周期内的采样点，及各采样点对应的数据值；

过载判断模块200，用于基于所述数据值和预设的过载值判断所述采样点为过载点或正常点，获得第一判断结果；

第一计算模块300，用于基于所述第一判断结果和预设的过载值计算获得第一峰值和直流分量；

第二计算模块400，用于基于所述第一峰值、所述直流分量和任一正常点的相位及数据值计算获得初始相位；

补偿信号生成模块500，用于基于所述第一峰值、所述直流分量和所述初始相位生成相对应的补偿信号，获得第一补偿信号。

进一步地，还包括修正模块600，所述修正模块600被配置为：

按照预设的修正规则提取一正常点的相位及数据值，并结合初始相位计算第二峰值，基于第二峰值、直流分量和初始相位生成第二补偿信号。

进一步地，过载判断模块200包括直流偏置判断单元和求和单元，所述直流偏置判断单元被配置为：

所述过载值包括正过载值和负过载值，其中正过载值和负过载值的绝对值相等；

统计数据值达到预设的正过载值的数量，获得正过载点数，统计数据值达到预设的负过载值的数量，获得负过载点数；

当正过载点数和负过载点数相等时，判定无直流偏置，记直流分量为0，否则判定存在直流偏置。

进一步地，所述第一计算模块300包括第一计算单元和第二计算单元；

所述第一计算单元，用于在存在直流偏置时计算第一峰值和直流分量；

所述第二计算单元，用于在无直流偏置时计算第一峰值。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是：

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。