一种全数字化的随机采样方法
【专利摘要】本发明全数字化的随机采样方法，针对在触发点附近波形呈单调变化的待采集信号，利用在待采集信号单调变化波形区域的触发点前后分别采样到的一个采样数据dn、dn+1，然后根据采样数据dn、dn+1进行曲线拟合，拟合曲线与触发电平AT相互交叉点Tr，并且计算出交叉点Tr与其后的第一个采样数据即采样数据dn+1之间的时间距离tL，然后根据各次采集的时间距离tLi进行波形重建，这样，去除了传统等效采集系统中的模拟触发与时间间隔测量电路，简化数据采集系统的电路设计，减小了硬件的复杂度，同时，实现对待采集信号的高采样率采样，得到更多的波形细节。
【专利说明】一种全数字化的随机采样方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数据采集【技术领域】，更为具体地讲，涉及一种全数字化的随机采样方 法。
【背景技术】
[0002] 数据采集技术已广泛地应用于电子测量、通信、雷达、航空航天、工业等各个领域。 随着科技和工程应用的发展，各个应用系统的复杂度越来越大，同时待采集信号的频率也 越来越高，这就要求数据采集系统的采样率越来越高。但受限于模数转换器的性能，数据采 集系统的实时采样频率很难获得极大提高以获取足够多的待采集信号的波形信息，这将丢 失部分待采集信号的信息而导致恢复出的信号波形与原信号的相比存在失真现象。对此通 常可以采用随机采样方法以多次取样的方式来获取超高采样频率的周期性信号的波形信 肩、。
[0003] 随机采样是一种等效采样方法，属于非实时采样。它是利用采样时刻相对于待采 集信号与触发事件的随机性对多次采样后的数据进行拼合处理以获得高采样率的方法。在 实现方式上，随机采样是利用了触发时刻与其到来之后的第一个采样时刻之间时间间隔的 随机性，通过高精度时间间隔测量来获取各个触发时刻与其到来之后的第一个采样时刻之 间时间间隔，然后在终端屏幕上，根据各时间间隔来重建出更高采样率的原始信号波形，其 具体的波形采集、存储与重建过程的原理如图1所示。
[0004] 如图1所示，随机采样方法通过多次（假定为N次）以Ts为周期的采样时钟（即 模数转换器的取样周期）对待采集信号进行波形采样，获得多组采样数据du其中，i为采 样次数标号，j为每次采样数据的标号，并分次存储。同时根据第i次采样的触发时刻Tri与其到来之后的第一个采样时刻之间时间间隔h的测量值来重建存储，然后重建波形，构 建出原始的待采集信号波形。
[0005] 若该测量值的分辨率为Ts/M，则重建波形的等效采样率为原取样频率的M倍，即 M/Ts。这最终使得整个数据采集系统具有了与ADC采样率高得多的等效采样率，且该采样 率与ADC器件本身的采样率无关，只与时间间隔&测量的精度有关，精度越高，等效采样率 越1?。
[0006] 图2是传统随机米样系统的原理框图。
[0007] 传统的随机采样方式是以模拟电路和逻辑器件为基础来实现的，传统随机采样系 统的原理框图如图2所示，主要包括：信号调理电路、模拟触发通道、模数转换器（ADC)、现 场可编程逻辑阵列（FPGA)、数字信号处理器（DSP)、采样时钟产生模块和时间间隔测量模 块等。
[0008] 待采集信号经过信号调理电路送给ADC进行采集量化，将采样数据SDATA及其同 步时钟（DCLK)送给FPGA处理；同时模拟触发通道根据设定的触发条件向FPGA发送触发事 件信号。FPGA在每次信号采集开始时接收并开启写使能wen来存储一段预触发深度的采样 数据至FIFO(先进先出存储器）中，然后始终保持预触发深度的数据量（同时开启FIFO的 写使能和读使能ren)且等待触发信号的到来。当模拟触发通道根据触发条件（如上升沿 或下降沿）的设置发送有效触发信号至FPGA时，FPGA关闭FIFO的读使能ren直至FIFO存 满存储深度要求的数据量，同时对如图1所示的触发时刻与其后第一个采样时刻之间的时 间间隔t形成待测脉冲，并发送至时间间隔测量模块进行测量。在一次采集完成后关闭写 使能，并根据时间间隔h测量值大小计算出这组数据存储到重建波形的存储空间中相应的 位置以供显示时绘制波形使用。如此重复进行多次采集与时间间隔测量过程，然后把所有 的采样数据根据时间间隔测量结果进行相应的排列就可以完成整个数据系统的波形重建。 其中采样时钟与待采集信号在频率上是不相关的，所以时间间隔测量模块所得的测量值就 具有随机性，于是存储器中的采样数据经过一定时间后可以覆盖全部位置，最后在显示时 可以重建完整的原始待采集信号，如图1中下端波形。以上这些过程都是由DSP作为中心 控制器来控制的。
[0009] 上述等效采样方式能够解决采集较高频率信号时不满足奈奎斯特采样率的问题， 但是硬件电路过于复杂。对于待采集信号频率相对于采样时钟频率不是很高，但需要对待 采集信号进行更为精确地采样，以观察待采集信号的波形细节的情况时，现有的上述等效 采样方式就没有必要。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于克服现有等效采样方法的不足，提供一种全数字化的随机采样 方法，以减小硬件的复杂度，实现对待采集信号的高采样率获取，得到更多的波形细节。
[0011] 为实现以上目的，本发明全数字化的随机采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0012] (1)、随机采集存储
[0013] 数据采集系统的ADC对在触发点附近波形呈单调变化的待采集信号进行采样，并 且能够在单调变化波形区域的触发点前后分别采样到一个采样数据；
[0014] 数据采集系统的中心控制器随机地发出数据采集开始命令，开启FIFO(先进先出 存储器）的写使能（wen)来存储来自ADC的采样数据；
[0015] 当FIFO里的采样数据存储至数据采集系统设定的预触发深度Lp时，开启FIFO的 读使能（ren)，以保持Lp长度的采集数据量在FIFO中，同时实时检测采样数据是否满足 触发条件；当检测到有效的触发信号后，则关闭FIFO的读使能，然后存储满足单次存储深 度Ls要求后，再关闭FIFO的写使能，此时，FIFO里的采样数据范围为K-，其中 1彡Lp彡Ls，触发点位于采样数据dn与dn+1之间区域，其中，n为触发点前采样数据位置， n+1为触发点后采样数据位置；
[0016] ⑵、曲线拟合与触发重定位
[0017] 根据采样数据dn、dn+1进行曲线拟合，得到采样数据d n、dn+1之间的拟合曲线与触发 电平At相互交叉点Tr，并且计算出交叉点Tiy与其后的第一个采样数据（即采样数据d n+1) 之间的时间距离 [0018] (3)、波形重建
[0019] 根据步骤（1)、（2)，得到每次采集存储、曲线拟合与触发重定位后获取的时间距离 ，其中i为采集序列号，i e N，N为等效采样采集次数，并按照从小到大的顺序，依次将各 次采集得到的各组采样数据&交错重组并存储（即重建存储），然后重建波形，构建出原 始的待采集信号波形，其中，i为采样次数标号，j为每次采样数据的标号。
[0020] 本发明的目的是这样实现的。
[0021] 本发明全数字化的随机采样方法，针对在触发点附近波形呈单调变化的待采集信 号，利用在待采集信号单调变化波形区域触发点前后分别采样到的一个采样数据dn、dn+1， 然后根据采样数据dn、dn+1进行曲线拟合，拟合曲线与触发电平AT相互交叉点Tr，并且计算 出交叉点Tr与其后的第一个采样数据即采样数据dn+1之间的时间距离然后根据各次采 集的时间距离tu进行波形重建。这样，去除了传统等效采集系统中的模拟触发与时间间隔 测量电路，简化数据采集系统的电路设计，减小了硬件的复杂度，同时，实现对待采集信号 的高采样率获取，得到更多的波形细节。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是传统随机采样方法的波形采集、存储与重建原理图；
[0023] 图2是传统随机采样系统的原理框图；
[0024] 图3是采用本发明全数字化的随机采样方法的数据采集系统一种【具体实施方式】 原理框图；
[0025] 图4数字触发与数据存储控制的原理图；
[0026] 图5是基于线性拟合的触发重定位原理图；
[0027] 图6是基于正弦拟合的触发重定位原理图；
[0028] 图7是本发明全数字化的随机采样方法数据处理过程（正弦波）的原理图；
[0029] 图8是本发明全数字化的随机采样方法数据处理过程（方波）的原理图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0031] 随机采样是一种能有效提升等效采样率来获取更多周期性信号波形信息的技术， 它根据采样时钟与待测信号间的不相关特性而采用以较低采样率来多次获取波形数据，然 后根据这些采样数据间的顺序关系来重建恢复出更高（等效）采样率的待采集信号波形。
[0032] 本发明全数字化的随机采样方法是在传统模拟随机采样技术基础上去除了较为 复杂的模拟触发电路与时间间隔测量电路两部分，而采用数字信号处理（随机采集存储、 曲线拟合和触发重定位）的方法来确定采样数据间的顺序关系来进行波形重建，构建出原 始的待采集信号波形。
[0033] 图3是采用本发明全数字化的随机采样方法的数据采集系统一种【具体实施方式】 原理框图。
[0034] 在本实施例中，如图3所示。待采集信号经模拟的信号调理电路后直接送至模数 转换器（ADC)进行采集量化，ADC将采样数据SDATA送给FPGA与DSP进行存储与数字化处 理。其中数字化处理过程包括随机采集存储、曲线拟合与触发重定位、波形重建等步骤，可 以运行在FPGA或DSP中。相比于图1所示的数据采集系统，本发明中移除了模拟触发通道 和在数据获取时的时间间隔测量模块，但在数据采集存储前增加了数字触发控制模块以提 供有效触发信号，同时在数据存储后增加了曲线拟合与触发重定位模块来寻找采样数据间 重建的顺序关系，以最终完成高采样率的波形重建功能。
[0035] 本发明全数字化的随机采样方法包括以下步骤：随机采集存储、曲线拟合与触发 重定位、波形重建等过程。
[0036] 1.随机采集存储
[0037] 随机采集存储过程包括数字触发控制与数据存储两个部分，数字触发控制为数据 存储提供了重要的依据，其原理如图4所示。
[0038] 数据采集系统的中心控制器，在本实施例中为DSP随机地发出数据采集开始命 令，开启在FPGA内部FIFO (先进先出存储器）的写使能（wen)来存储来自ADC的采样数据。
[0039] 当FIFO里的采样数据存储至数据采集系统设定的单次预触发深度Lp时，开启 FIFO的读使能（ren)以保持Lp长度的采集数据量在FIFO中，同时数字触发控制模块实时 检测采样数据是否满足触发条件。例如，设置触发电平为At，当触发条件设定为下降沿，则 采样数据dn、dn+1满足触发条件的判断依据为：
[0040] dn>ATidn+1〈AT， （1);
[0041] 同理，若触发条件设定为上升沿，则采样数据dn、dn+1满足触发条件的判断依据为：
[0042] dn< AT，且 dn+1>AT， （2)。
[0043] 在数字触发控制模块检测到有效的触发信号后，数据采集系统则关闭FIFO的读 使能ren，然后存储满足单次存储深度Ls要求后，再关闭FIFO的写使能wen。此时，FIFO里 的采样数据范围为，其中1彡Lp彡Ls。在图4中表示出了触发条件为下降沿 的情况，于是数字触发控制模块对采样数据进行查找分析后可得d3与d4之间区域为触发位 置，此时，n = 3, d3为触发点前采样数据，d4为触发点后采样数据，且FIFO里的数据范围可 表不为[4-V 4+4-iJ。
[0044] 经过以上随机采集存储的过程，所存储的采样数据不仅满足了随机采样的存储深 度的要求，而且获得了采样数据中触发点的初步位置，为后端的数据处理提供了可靠的保 障。
[0045] 2?曲线拟合与触发重定位
[0046] 触发位置初步确认后，把每次获取的采样数据作曲线拟合以尽可能准确（接近） 地还原出待测信号波形，然后触发重定位来寻找出更精确的触发位置，为重建出更高等效 采样率的待测信号波形提供准确的依据。
[0047] 曲线拟合的方式可根据待测波形的特征来具体设定，常用的方法有线性拟合和正 弦拟合。在图4的触发位置初步确认的基础上，通过曲线拟合进一步精确分析触发点在采 样数据中的具体位置，如图5和图6所示。
[0048] 图5表示出了基于线性拟合的触发重定位原理。在采样数据d3与d4之间作直线 连接，可以得到该线段与触发电平At相互交叉的点并且计算交叉点与其后的第一个采 样数据d4之间的距离\为：
[0049]
【权利要求】
1. 一种全数字化的随机采样方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 、随机采集存储 数据采集系统的ADC对在触发点附近波形呈单调变化的待采集信号进行采样，并且能 够在单调变化波形区域的触发点前后分别采样到一个采样据； 数据采集系统的中心控制器随机地发出数据采集开始命令，开启FIFO(先进先出存储 器）的写使能（wen)来存储来自ADC的采样数据； 当FIFO里的采样数据存储至数据采集系统设定的预触发深度Lp时，开启FIFO的读 使能（ren)，以保持Lp长度的采集数据量在FIFO中，同时实时检测采样数据是否满足触 发条件；当检测到有效的触发信号后，则关闭FIFO的读使能，然后存储满足单次存储深 度Ls要求后，再关闭FIFO的写使能，此时，FIFO里的采样数据范围为]，其中 1 <Lp <Ls，触发点位于采样数据dn与dn+1之间区域为触发位置，其中，n为触发点前采样 数据位置，n+1为触发点后采样数据位置； (2) 、曲线拟合与触发重定位 根据采样数据dn、dn+1进行曲线拟合，得到采样数据dn、dn+1之间的拟合曲线与触发电平AT相互交叉点Tiy，并且计算出交叉点Tiy与其后的第一个采样数据即采样数据dn+1之间的 时间距离\; (3) 、波形重建 根据步骤（1)、（2)，得到每次采集存储、曲线拟合与触发重定位后获取的时间距离tu， 其中i为采集序列号，ieN，N为等效采样采集次数，并按照从小到大的顺序，依次将各次 采集得到的各组采样数据&交错重组并存储即重建存储，然后重建波形，构建出原始的待 采集信号波形，其中，i为采样次数标号，j为每次采样数据的标号。
2. 根据权利要求1所述的全数字化的随机采样方法，其特征在于，所述实时检测采样 数据是否满足触发条件为： 设置触发电平为AT，当触发条件设定为下降沿，则采样数据dn、dn+1满足触发条件的判 断依据为： dn 彡AT，且dn+1〈AT (1)； 同理，若触发条件设定为上升沿，则采样数据dn、dn+1满足触发条件的判断依据为： dn 彡AT，且dn+1>AT (2)。
3. 根据权利要求1所述的全数字化的随机采样方法，其特征在于，所述的曲线拟合为 线性拟合或正弦拟合。
【文档编号】G01R13/00GK104407190SQ201410692582
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】黄武煌, 王厚军, 叶芃, 田书林, 曾浩, 邱渡裕, 蒋俊, 张沁川, 杨扩军 申请人:电子科技大学