专利名称：强噪声背景下调参随机共振微弱信号增强传输系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种强噪声背景下的微弱信号增强传输方法与系统，特别适用于低信噪比条件下机电系统早期故障诊断中微弱特征频率信号的检测。
背景技术：
随机共振技术于上世纪八十年代由意大利学者巴兹等人在研究地球古气候变化时提出。随机共振利用噪声增强微弱信号传输的机制，使其与其它微弱信号检测方法相比具有独特的优势，因而在生物信号处理、视觉图像与听觉识别、电磁系统及光信号处理等领域得到广泛重视，但有两方面的问题制约了随机共振在工程实践中的应用第一，高频信号检测问题，通常的随机共振理论针对的是极低频信号(频率f＜＜1)，而在工程实际中，信号频率往往与此要求有很大差别，比如机电系统中，特征频率一般在几十、几百赫兹到几千赫兹；第二，目前常用的数值仿真算法对采样频率有较高要求，信号需要过采样，随机共振发生时要求采样频率达到信号频率的100倍甚至更高才有较好的效果，此外该方法需要有信号频率的先验知识，对于一定频率范围内未知频率信号的自适应增强传输是一个难题，而机电系统中微弱特征信号往往只知道大致的频率范围。
发明内容
本实用新型目的在于解决以上现有技术存在的问题，提供一种可以实现微弱信号自适应增强传输的调参随机共振微弱信号增强传输系统，该系统可用以增强机电系统微弱特征频率信号的传输。
为了实现上述发明目的，本实用新型首先通过一种归一化尺度变换，证明调参随机共振可以实现高频信号的增强传输，利用模拟电路求解双稳系统模型，克服数值仿真方法中信号需要过采样的问题；其次利用高速数字信号处理器的运算与处理自动识别有用信号的频率，调节双稳系统模拟电路的相应参数，使双稳系统达到随机共振状态，实现信号的自适应增强传输。为此，本实用新型采用如下技术方案本实用新型系统包括程控放大器，用以将低信噪比混合输入信号进行信号放大；参数可调双稳系统随机共振电路，电连接于程控放大器，用以对程控放大器输出信号实现随机共振模型求解；第一A/D转换器，其一端电连接于程控放大器；第二A/D转换器，其一端电连接于双稳系统随机共振电路；高速数字信号处理子系统，电连接于第一A/D转换器的另一端和第二A/D转换器的另一端，用以计算经第一A/D转换器的程控放大器输出信号的统计特征，估算信号的大小，并输出增益控制信号，通过电平转换器，调节程控放大器增益，控制程控放大器输出信号大小，同时用以对经第二A/D转换器的双稳系统随机共振电路输出信号进行多次重复采样及FFT分析，找出各次采样信号的最大频率分量，判断微弱特征频率信号是否存在，并输出控制信号，控制信号通过电平转换器进行电平转换后控制双稳系统随机共振电路参数的调节，使微弱信号通过双稳系统随机共振电路时实现随机共振，达到增强微弱信号传输的目的；第一电平转换器，其一端电连接于高速数字信号处理子系统，其另一端电连接于程控放大器，用以将高速数字信号处理子系统输出控制信号进行电平转换，进而控制程控放大器的增益。
第二电平转换器，其一端电连接于高速数字信号处理子系统，其另一端电连接于双稳系统随机共振电路，用以将高速数字信号处理子系统输出控制信号进行电平转换，进而控制双稳系统随机共振电路参数的调节。
所述高速数字信号处理子系统包括高速数字信号处理器DSP，其作为本子系统的核心元件，并主要通过其发挥上述的本子系统在本实用新型系统中的作用；电源模块，与高速数字信号处理器DSP电连接，用以提供高速数字信号处理器DSP所需的电源；监控复位模块，与高速数字信号处理器DSP电连接，用以做为高速数字信号处理器DSP的“看门狗”，确保在程序跑飞的情况下能有效复位；Flash存贮器，与高速数字信号处理器DSP电连接，用以存贮高速数字信号处理器DSP的程序及重要数据；逻辑控制模块，与高速数字信号处理器DSP电连接，用以完成高速数字信号处理器DSP与各外围器件数据交换的逻辑控制。
本实用新型系统的工作原理传感器拾取混有噪声的低信噪比混合输入信号送到程控放大器进行信号放大，程控放大器输出一路经第一A/D转换器送至高速数字信号处理子系统，由DSP计算程控放大器输出信号的统计特征，估算信号的大小，并输出增益控制信号，通过第一电平转换器，调节程控放大器增益，控制程控放大器输出信号的大小。程控放大器输出的另一路作为参数可调双稳系统模拟电路的输入，通过模拟电路实现双稳系统随机共振模型的求解，输出信号经第二A/D转换器送至高速数字信号处理子系统，由DSP通过多次重复采样及FFT分析，找出各次采样信号的最大频率分量，判断微弱特征频率信号是否存在，并输出控制信号，控制信号通过第二电平转换器进行电平转换后控制双稳系统模拟电路参数的调节，使微弱信号通过双稳系统模拟电路时实现随机共振，达到增强微弱信号传输的目的。
所述参数可调双稳系统随机共振电路包括由运算放大器构成的积分器、反向器、第一乘法器、第二乘法器、电阻网络、模拟开关等。电阻网络3个一组，每一组的阻值相同，3个电阻一端接在一起，连接到模拟开关的输入，3个电阻另外一端分别接程控放大器输出信号、乘法器2输出经分压后的信号、系统输出信号(运算放大器U2输出)经分压后的信号，模拟开关输出连接到积分器的输入，通过模拟开关切换8通道中的不同通道，构成一个闭环非线性系统。同时控制双稳系统模拟电路的参数，不同的参数适用于不同频率段的信号，对于不同频率段的信号可以通过切换不同的通道实现增强传输的目的。
本实用新型的特点在于利用DSP调节双稳电路参数和程控放大器增益能够使一定频率范围内频率值未知的微弱信号在通过双稳系统模拟电路时实现随机共振，得到自适应增强传输。较好地解决了目前高频信号检测和对于一定频率范围内未知频率微弱信号的自适应增强传输问题，为调参随机共振技术的工程应用提供了必要的手段和技术保障。
以下结合附图进一步说明本实用新型系统的技术方案。
图1为本实用新型系统原理框图图2为参数可调双稳系统模拟电路图图3为检测算法的流程图图4为含有噪声的输入信号图5为参数可调双稳系统随机共振电路的输出信号图6为图4所示信号的FFT谱图图7为图5所示信号的FFT谱图
具体实施方式
本实用新型系统结构原理如图1所示，主要由程控放大器1、参数可调双稳系统随机共振电路2、第一A/D转换器3、第二A/D转换器5、第一电平转换器6、第二电平转换器4、高速数字信号处理子系统7电连接构成。高速数字信号处理子系统7包括高速数字信号处理器(DSP)701、电源模块702、监控复位模块705、Flash存贮器703及逻辑控制模块704构成。其中的高速数字信号处理器701是本系统的主控CPU，实现信号程控增益调节、双稳系统电路参数的控制。
系统具体连接如下见图1，机电系统的微弱特征频率信号由传感器拾取，通常混杂有噪声干扰，使得信号信噪比较低。将此混合输入信号送到程控放大器1，程控放大器1的输出接到第一A/D转换器3，第一A/D转换器3与高速数字信号处理器701相连，高速数字信号处理器701计算信号的统计特征，估算信号的大小，输出的控制信号通过第一电平转换器6控制程控放大器1的增益K3，K3共可以设置14级增益分别为0、1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048、4096，通过增益调节最终使程控放大器1输出信号大小在要求的范围内。程控放大器1的输出同时接到参数可调双稳系统随机共振电路2，参数可调双稳系统随机共振电路2的输出接到第二A/D转换器5，第二A/D转换器5与高速数字信号处理器701相连。高速数字信号处理器701通过FFT计算分析相应的频率段内是否存在微弱特征频率信号，如果该频率段范围内没有发现微弱特征信号，则高速数字信号处理器701输出控制信号经过第二电平转换器4控制参数可调双稳系统随机共振电路2中的模拟开关CD4051切换到下一通道以改变电路的参数，相应地也改变了双稳系统模拟电路2所适合的信号频率段。不断反复这一过程，直到切换到适合于此微弱特征频率信号增强传输的电路参数。见图2，参数可调双稳系统随机共振电路2中电阻网络3个一组，每一组的阻值相同，3个电阻一端接在一起，连接到模拟开关的输入，3个电阻另外一端分别接程控放大器输出信号、乘法器2输出经分压后的信号、系统输出信号(运算放大器U2输出)经分压后的信号，模拟开关输出连接到积分器的输入；积分器由运算放大器U1及反馈电容C构成，其中反馈电容C一端连接到运算放大器U1的输出端，一端连接到U1的反向输入端；以运算放大器U2及电阻R构成反向放大器，U1的输出接到U2的反向端，同时接到乘法器2的一个输入端，U2的输出为双稳系统模拟电路的输出信号x(t)，一路经分压接到电阻网络，另一路接到乘法器1的两个输入端，乘法器1的输出作为乘法器2的另一路输入，乘法器2输出为-x3(t)，经分压接到电阻网络。在高速数字处理子系统7中，电源模块702用来提供高速数字信号处理器701所需的2.5V与1.8V电源；复位监控模块705用做高速数字信号处理器701的“看门狗”，确保在程序跑飞的情况下能有效复位；Flash存贮器703用来存贮高速数字信号处理器701的程序及重要数据；高速数字信号处理器701与各外围器件数据交换的逻辑控制由逻辑控制模块704完成。
所述技术方案中有关元器件具体可选用程控放大器LTC6915，高速数字信号处理器(DSP)TI公司的TMS320VC54系列，如TMS320VC5402、TMS320VC5409、TMS320VC5410等；第一电平转换器74LVC4245；第二电平转换器74LVC4245；模拟开关CD4051；电源模块与DSP配套的电源芯片，如TPS767D325；复位监控模块MAX706；Flash存贮器AM29LV200B；逻辑控制模块逻辑控制器件，如GAL16LV8、GAL20LV8，或CPLD器件。
参数可调双稳系统随机共振电路是系统中的一个核心单元，该电路在较高频率信号的作用下能否实现随机共振从而达到增强微弱信号传输的目的是一个关键。本发明通过一种尺度变换，从理论上分析了如图2所示的双稳系统模拟电路能够在高频信号的作用下实现随机共振，增强微弱信号的传输，并且通过调节电路参数来适应不同频率的微弱信号。
一般双稳系统的数学模型为x·=ax-bx3+Acosωt+Γ(t)---(1)]]>其中x代表系统输出，Acosωt代表微弱特征频率信号，Γ(t)是均值为0，强度为D的白噪声，满足<Γ(t)>＝0；<Γ(t)Γ(t′)>＝2Dδ(t-t′) (2)Acosωt+Γ(t)代表作用于系统的混合输入信号，该系统有两个稳态 根据随机共振理论，当a＝b＝1时，随机共振仅适用于极低频的信号(ω＜＜1)。当a，b不为1时，引入变换令y=xba,τ=at---(3)]]>代入(1)得aabdydt=aaby-aaby3+Acosωaτ+Γ(τa)---(4)]]>上式中噪声 满足<Γ(τ/a)Γ(0)>＝2Daδ(τ)即有Γ(τa)=aDaξ(τ)⟨ξ(τ)⟩=0,⟨ξ(τ),ξ(0)⟩=δ(τ)---(5)]]>将(5)代入(4)，整理得到dydt=y-y3+ba3Acosωaτ+2Dba2ξ(τ)---(6)]]>
由此可见(6)式与(1)式是等价的，且信号频率为原来信号频率的1/a。因此，对于高频信号，可以通过选取适当的参数a将高频信号转化为低频信号来进行处理，通过选取适当的参数b可以适应强弱不同的输入信号。
假定图1混合输入信号中的微弱特征频率信号幅度为U0，频率为ω(ω＝2πf)，噪声为W(t)，模拟开关CD4051所切换的一组电阻阻值为R。根据运算放大电路的相关原理，可以得到描述图2所示双稳系统电路的方程x=∫[K1RCx-K2M1M2RCx3+K32U0cosωt+W(t)RC]dt---(7)]]>其中K1为输出信号x(t)的分压系数，K2为乘法器2输出信号的分压系数，K3为程控放大器增益，M1、M2分别为乘法器1，2的系数。
两边微分得x·=K1RCx-K2M1M2RCx3+K32U0cosωt+W(t)RC---(8)]]>将式(8)与式(1)比较，有a=K1RC,b=K2M1M2RC,A=2U0K3RC,Γ(t)=K3W(t)RC---(9)]]>当取参数R＝15kΩ，C＝168pf，K1＝0.0785，K2＝0.4676，K3＝1，M1＝M2＝0.1，可以计算出a＝31150.79，b＝1855.56。由式(9)可见通过改变其中R的值可以改变参数a，b的大小，从而能够适应不同频率的微弱特征信号。
见图3，程序算法流程具体说明如下第一步，程序开始后，首先DSP系统进行初始化工作，先假定所要增强传输的微弱特征信号的频率在第一档频率范围；
第二步，DSP根据信号频率f的大小，预先设置程控放大器的增益K3的大小，并输出相应的控制信号，通过电平转换器转换输出；第三步，DSP启动A/D转换器1采样程控放大器的输出信号，采样8192点数据，DSP计算采样数据的统计特征(均方根值)；第四步，判断采样数据的统计特征(均方根值)是否在要求的范围内。如果在要求范围内则转到第五步，如果不在要求范围内则转第二步；第五步，根据预设的频率档，确定需要切换的一组电阻的通道号，DSP输出控制信号，通过电平转换器控制模拟开关切换对应通道的电阻；第六步，DSP启动A/D转换器2采样参数可调双稳系统随机共振电路的输出信号，先后采样三次，对每一次的采样数据进行FFT分析。
第七步，根据FFT分析，分别计算得到每次采样信号中所对应的最大频率分量值fmax1，fmax2，fmax3；第八步，参数可调双稳系统模拟电路在含噪信号的作用下如果达到随机共振状态，那么其输出信号中的最大频率成分是一致的，为微弱特征信号的频率f。如果没有达到随机共振状态，则参数可调双稳系统模拟电路输出信号中的最大频率分量是变化的，不固定的。因而先判断fmax1，fmax2，fmax3是否一致？如果一致则表明系统达到随机共振状态，输出为得到增强传输的微弱特征频率信号，否则表明微弱特征信号频率f不在当前所预设的频率档，DSP将预设频率档调节到下一档，转到第三步继续执行。
下面用一个具体实例来说明本实用新型的有益效果机电系统的微弱特征信号往往混有很强的背景噪声，图4所示为150Hz的微弱特征频率信号淹没在均方根值为955.2mV白噪声中的波形。信号频率为150Hz，通过尺度变换后，相当于频率为0.004815Hz，频率远小于1，满足随机共振理论的要求。微弱正弦信号的幅值U0＝100mV，将含有噪声的混合信号送至程控放大器，经A/D转换器1输入至TMS320VC5410，当TMS320VC5410调节程控放大器增益K3＝1，程控放大器输出达到要求。双稳系统随机共振电路输出经A/D转换器2输入至TMS320VC5410，TMS320VC5410通过多次重复采样及FFT分析，计算每次采样数据中的最大频率分量。如果所调节的电路参数适合于混合输入中的微弱频率信号的频率，则该频率将是双稳系统模拟电路输出信号中的最大频率分量，那么多次采样并计算得到的最大频率分量将一致，否则多次采样计算得到的是大频率分量将不同，此时DSP输出的控制信号经电平转换器控制模拟开关CD4051切换到下一频率档。该实例中，当图2中R11，R12，R13(R11＝R12＝R13＝15kΩ)被切换选通时，多次重复采样数据中的最大频率分量均一致，说明此时所调节的电路参数使双稳系统达到随机共振状态，能够增强150Hz微弱特征频率信号的传输。图5所示是参数可调双稳系统随机共振电路输出信号的时域波形，可见输出信号在两状态间周期地翻转，原本淹没在噪声中的微弱信号得到了增强传输。图6为图4所示混合输入信号的FFT谱图，由于强背景噪声干扰，从图中不能分辨出150Hz的微弱频率分量；图7为图5所示输出信号的FFT谱图，其中150Hz的频率分量在图中非常突显，更加清楚地表明，原本微弱的150Hz特征频率信号得到显著增强传输。
权利要求1.一种强噪声背景下调参随机共振微弱信号增强传输系统，其特征在于它包括程控放大器，用以将低信噪比混合输入信号进行信号放大；参数可调双稳系统随机共振电路，电连接于程控放大器，用以对程控放大器输出信号实现随机共振模型求解；第一A/D转换器，其一端电连接于程控放大器；第二A/D转换器，其一端电连接于双稳系统随机共振电路；高速数字信号处理子系统，电连接于第一A/D转换器的另一端和第二A/D转换器的另一端，用以计算经第一A/D转换器的程控放大器输出信号的统计特征，估算信号的大小，并输出增益控制信号，通过电平转换器，调节程控放大器增益，控制程控放大器输出信号大小，同时用以对经第二A/D转换器的双稳系统随机共振电路输出信号进行多次重复采样及FFT分析，找出各次采样信号的最大频率分量，判断微弱特征频率信号是否存在，并输出控制信号，控制信号通过电平转换器进行电平转换后控制双稳系统随机共振电路参数的调节，使微弱信号通过双稳系统随机共振电路时实现随机共振，达到增强微弱信号传输的目的；第一电平转换器，其一端电连接于高速数字信号处理子系统，其另一端电连接于程控放大器，用以将高速数字信号处理子系统输出控制信号进行电平转换，进而控制程控放大器的增益。第二电平转换器，其一端电连接于高速数字信号处理子系统，其另一端电连接于双稳系统随机共振电路，用以将高速数字信号处理子系统输出控制信号进行电平转换，进而控制双稳系统随机共振电路参数的调节。
2.根据权利要求1所述的强噪声背景下调参随机共振微弱信号增强传输系统，其特征在于高速数字信号处理子系统包括高速数字信号处理器DSP，其作为本子系统的核心元件，并主要通过其发挥上述的本子系统在本实用新型系统中的作用；电源模块，与高速数字信号处理器DSP电连接，用以提供高速数字信号处理器DSP所需的电源；监控复位模块，与高速数字信号处理器DSP电连接，确保在程序跑飞的情况下能有效复位；Flash存贮器，与高速数字信号处理器DSP电连接，用以存贮高速数字信号处理器DSP的程序及重要数据；逻辑控制模块，与高速数字信号处理器DSP电连接，用以完成高速数字信号处理器DSP与各外围器件数据交换的逻辑控制。
3.根据权利要求1或2所述的强噪声背景下调参随机共振微弱信号增强传输系统，其特征在于参数可调双稳系统随机共振电路包括由运算放大器构成的积分器和反向器、乘法器1、乘法器2、电阻网络、模拟开关，电阻网络3个一组，每一组的阻值相同，3个电阻一端接在一起，连接到模拟开关的输入，3个电阻另外一端分别接程控放大器输出信号、乘法器2输出经分压后的信号、系统输出信号经分压后的信号，模拟开关输出连接到积分器的输入。
专利摘要本实用新型公开了一种强噪声背景下调参随机共振微弱信号增强传输系统，它包括程控放大器、参数可调双稳系统随机共振电路、第一A/D转换器、第二A/D转换器、高速数字信号处理子系统、第一电平转换器及第二电平转换器。本实用新型系统的特点，在于利用DSP调节双稳电路的参数和程控放大器增益能够使一定频率范围内频率值未知的微弱信号在通过双稳系统模拟电路时实现随机共振，得到自适应增强传输。较好地解决了目前高频信号检测和对于一定频率范围内未知频率微弱信号的自适应增强传输问题，为调参随机共振技术的工程应用提供了必要的手段和技术保障。
文档编号G01R23/00GK2872497SQ200520052219
公开日2007年2月21日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者温熙森, 胡茑庆, 杨定新, 秦国军, 陈敏 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学