数模混合自适应陷波器的制作方法

本发明涉及信号处理技术领域，尤其是涉及一种数模混合自适应陷波器。

背景技术：

由于在很多应用场景中，例如生理信号(心电信号，肌电信号，脉搏波信号等)的采集过程，生理信号的带宽与50hz工频干扰非常接近，甚至重叠，由于模拟陷波器具有较大的带宽，因而通过模拟滤波器的方法很难将其滤除，而通过共模抑制的方法往往会需要增加一个电极，例如心电信号采集的右腿驱动电极。

抑制单一频率噪声最为有效的是陷波器，在传统的数字陷波器设计中，为了能使某一频率号得到足够大的衰减，通常的做法就是把阶数选的足够高来达到很大的衰减但同时计算量也变得更大了。而且设计的过程复杂，不利于动态的调整。自适应陷波器就很好的解决了上述存在的问题。

目前当采集到的原始信号中的信噪比非常低时(信号非常弱，噪声非常大)，原始信号经过前级模拟放大器就会达到饱和。因此在很多应用场景中，需要在模拟端就对特定噪声，如工频干扰，进行有效的抑制。由于现有的自适应陷波器都是在数字端通过算法对数字信号进行处理，使得自适应陷波器无法适用于信噪比非常低的应用场景，极大的限制了自适应陷波器的应用范围。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种数模混合自适应陷波器，以避免了信号处理时大噪声造成的放大器饱和问题，拓宽自适应陷波器的应用范围。

第一方面，本发明实施例提供了一种数模混合自适应陷波器，包括：叠加电路、模数转换器adc、数模转换器dac及处理芯片；其中，所述叠加电路包括第一输入端、第二输入端及输出端；所述叠加电路的输出端通过所述adc连接至所述处理芯片的输入端；所述处理芯片的输出端通过所述dac连接至所述叠加电路的第二输入端；

所述处理芯片计算拟合噪声数字信号，并对所述拟合噪声数字信号进行取反得到反拟合噪声数字信号；通过所述dac将所述反拟合噪声数字信号转换为反拟合噪声模拟信号；

将外部采集的原始信号输入至所述叠加电路的第一输入端，所述原始信号包括有效信号和噪声信号；将所述反拟合噪声模拟信号输入至所述叠加电路的第二输入端；

所述叠加电路输出所述原始信号和所述反拟合噪声模拟信号的叠加信号，并通过adc将所述叠加信号转换为叠加数字信号，将所述叠加数字信号输入至所述处理芯片；

所述处理芯片通过自适应算法调节所述拟合噪声数字信号的若干权重参数；根据调节后的若干权重参数计算新的反拟合噪声数字信号，以减小所述反拟合噪声数字信号与所述叠加数字信号的相关性；并输出所述新的反拟合噪声数字信号至所述dac的输入端。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述处理芯片包括定时器；

所述处理芯片对所述定时器进行初始化，为所述定时器设置定时时间及定时中断时间，以控制所述adc和所述dac根据所述定时器的输出进行采样。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述adc与所述dac的采样频率相同。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述处理芯片还用于：根据已知的噪声信号的频率，确定若干正弦信号和若干余弦信号；为每个正弦信号和每个余弦信号配置初始权重参数；根据所述若干正弦信号、若干余弦信号及权重系数，得到初始的拟合噪声数字信号；对所述初始的拟合噪声数字信号进行取反，得到初始的反拟合噪声数字信号；

所述dac还用于将初始的反拟合噪声数字信号转换成初始的反拟合噪声模拟信号，并将所述初始的反拟合噪声模拟信号输入至所述叠加电路的第二输入端。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述处理芯片还用于：预先存储所述拟合噪声数字信号中各个正弦分量和余弦分量在一个周期内每个采样点处的值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述叠加电路包括第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端作为所述叠加电路的第一输入端；

所述第二电阻的第一端作为所述叠加电路的第二输入端；

所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第二端，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第二端之间的连接点作为叠加电路的输出端。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述叠加电路包括模拟放大器；

所述模拟放大器的正极作为所述叠加电路的第一输入端；

所述模拟放大器的负极作为所述叠加电路的第二输入端；

所述模拟放大器的输出端作为所述叠加电路的输出端。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述自适应算法包括最小均方lms算法和递推最小二乘rls算法。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述处理芯片还用于：将得到的所述叠加数字信号转换为电压信号。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述拟合噪声数字信号表示为：

y(n)＝w(1)×sin(2πω0n)+w(2)×cos(2πω0n)+w(3)×sin(2πω1n)+w(4)×cos(2πω1n)

其中，n为正整数，ω0和ω1为已知的噪声信号的频率，w(1)、w(2)、w(3)及w(4)为权重参数。

本发明实施例带来了以下有益效果：

在本发明实施例中，该数模混合自适应陷波器包括叠加电路、模数转换器adc、数模转换器dac及处理芯片；首先由数字端的处理芯片计算拟合噪声数字信号，对该你和噪声数字信号取反后得到反拟合噪声数字信号，其中拟合噪声数字信号是拟合的待滤除噪声数字信号；通过dac将该反拟合噪声数字信号转换成模拟信号后，与原始信号通过模拟端的叠加电路进行叠加，将叠加的信号通过adc转换成数字信号后输入至处理芯片，由处理芯片应用自适应算法根据叠加数字信号调整拟合噪声数字信号的权重参数，从而得到新的反拟合噪声数字信号，将该新的反拟合噪声数字信号转换成模拟信号后送入叠加电路开始新的循环，从而使处理芯片通过自适应算法反复调整拟合的噪声数字信号，使得拟合噪声模拟信号逐渐逼近原始信号中噪声信号，从而在两者通过叠加电路叠加后，得到期望的有效信号，实现在模拟端对原始信号滤波；避免了大噪声引起的模拟放大器的饱和问题，这使得自适应陷波器对信噪比较低的信号的采集成为可能，相比于现有技术，这种模数混合方法极大的拓宽了自适应陷波器的应用范围，同时弥补了模拟陷波器的宽带宽缺陷。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种数模混合自适应陷波器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数模混合自适应陷波器的信号处理流程示意示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种数模混合自适应陷波器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种实际应用时滤波前后信号对比示意图；

图5为本发明实施例提供的一种实际应用时滤波前后信号的快速傅里叶变换结果对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

目前由于模拟陷波器具有较大的带宽难以对采集到的原始信号进行噪声滤除，一般采用自适应陷波器进行去噪处理。但是当原始信号中的信噪比非常低时，需要在模拟端就对特定噪声，如工频干扰，进行有效的抑制。由于现有的自适应陷波器都是在数字端通过算法对数字信号进行处理，使得自适应陷波器无法适用于信噪比非常低的应用场景，极大的限制了自适应陷波器的应用范围。

基于此，本发明实施例提供的一种数模混合自适应陷波器，可以实现在模拟端对采集到的原始信号滤波；避免了大噪声引起的模拟放大器的饱和问题，这使得自适应陷波器对信噪比较低的信号的采集成为可能，相比于现有技术，这种模数混合方法极大的拓宽了自适应陷波器的应用范围；同时也弥补了模拟陷波器的宽带宽缺陷。

实施例一

图1示出了本发明实施例提供的一种数模混合自适应陷波器的结构示意图。如图1所示，该数模混合自适应陷波器包括：叠加电路、模数转换器adc(analogtodigitalconverter)、数模转换器dac(digitaltoanalogconverter)及处理芯片；其中，该叠加电路包括第一输入端、第二输入端及输出端；叠加电路的输出端通过adc连接至处理芯片的输入端；处理芯片的输出端通过dac连接至叠加电路的第二输入端。

其中处理芯片可以是mcu(microcontrollerunit，微控制单元)或者其他数字处理器，具体如atmelsam4sxplainedpro开发板。

在该自适应陷波器的工作过程中，具体包括以下步骤：

拟合噪声计算步骤：处理芯片计算拟合噪声数字信号，并对该拟合噪声数字信号取反得到反拟合噪声数字信号，并输出至dac；其中该拟合噪声数字信号是拟合的待滤除噪声数字信号。

数模转换步骤：通过将反拟合噪声数字信号转换为反拟合噪声模拟信号，并将上述反拟合噪声模拟信号输入至叠加电路的第二输入端；

上述dac将新的反拟合噪声数字信号转换为新的反拟合噪声模拟信号；将该新的反拟合噪声模拟信号再次输入至叠加电路的第二输入端。

信号叠加步骤：将外部采集的原始信号输入至叠加电路的第一输入端，其中原始信号为在模拟端采集的模拟信号，具体包括有效信号和噪声信号。该原始信号可以是通过相关感应元件采集到的带有噪声的信号，例如带有噪声的心电信号、肌电信号、脉搏信号等。

模数转换步骤：叠加电路输出上述原始信号和反拟合噪声模拟信号的叠加信号，并通过adc将该叠加信号转换为叠加数字信号，将叠加数字信号输入至处理芯片。

参数调整步骤：处理芯片通过自适应算法调节当前采样点处的拟合噪声数字信号的若干权重参数，以减小反拟合噪声数字信号与叠加数字信号的相关性。然后重新并计算新的反拟合数字信号并输出至dac，即重新执行上述拟合噪声计算步骤。

这样通过上述数模混合自适应陷波器中形成的环路，该数模混合自适应陷波器会依次重复执行上述拟合噪声计算步骤、数模转换步骤、信号叠加步骤、模数转换步骤、参数调整步骤，从而不断调整权重参数，使得反拟合噪声模拟信号逐渐逼近原始信号中负的噪声信号。

基于本发明实施例提供的数模混合自适应陷波器，处理芯片通过自适应算法反复调整拟合的噪声数字信号，使得拟合噪声模拟信号逐渐逼近原始信号中噪声信号，从而在两者通过叠加电路叠加后，得到期望的有效信号，实现在模拟端对原始信号滤波；避免了大噪声引起的模拟放大器的饱和问题，这使得自适应陷波器对信噪比较低的信号的采集成为可能，相比于现有技术，这种模数混合方法极大的拓宽了自适应陷波器的应用范围，同时弥补了模拟陷波器的宽带宽缺陷。

实施例二

本申请实施例提供了另一种数模混合自适应陷波器，在上述实施例一的基础上，参见图2，上述模拟端的叠加电路可以包括第一电阻和第二电阻；第一电阻的第一端作为叠加电路的第一输入端；第二电阻的第一端作为叠加电路的第二输入端；第一电阻的第二端连接第二电阻的第二端，第一电阻的第二端与第二电阻的第二端之间的连接点作为叠加电路的输出端。

另外，在上述叠加电路中，也可以利用放大器来替代上述第一电阻和第二电阻。基于此，上述叠加电路还可以包括模拟放大器(未示出)；该模拟放大器的正极作为叠加电路的第一输入端；模拟放大器的负极作为叠加电路的第二输入端；模拟放大器的输出端作为叠加电路的输出端。

参见图3，在实际应用过程中，上述处理芯片包括定时器。该数模混合自适应陷波在进行信号处理之前，首先执行初始化步骤，该初始化过程包括初始化adc、dac和定时器，为定时器设置定时时间及定时中断时间，以控制该adc和dac根据定时器的输出进行采样，其中，adc与dac的采样频率相同。具体的定时时间和定时中断时间可以根据实际的采样频率需求进行设置。

然后由处理芯片拟合噪声信号，用于抵消原始信号中的噪声信号。基于此，在已知原始信号中噪声信号的频率后，该处理芯片还用于：根据已知的噪声信号的频率，确定若干正弦信号和若干余弦信号；为每个正弦信号和每个余弦信号配置初始权重参数；根据该若干正弦信号、若干余弦信号及权重系数，得到初始的拟合噪声数字信号；对初始的拟合噪声数字信号进行取反，得到初始的反拟合噪声数字信号。

例如，处理器通过正弦波、余弦波的加权组合拟合出待滤除噪声，即得到初始的拟合噪声数字信号。假设已知的噪声信号的频率为ω0和ω1，则该拟合噪声数字信号可以表示为：

y(n)＝w(1)×sin(2πω0n)+w(2)×cos(2πω0n)+w(3)×sin(2πω1n)+w(4)×cos(2πω1n)(1)

其中，n为正整数，w(1)、w(2)、w(3)及w(4)为权重参数。该权重参数的初始值可以但不限于设置为1。

根据上述式(1)，执行上述实施例一中的拟合噪声计算步骤，并对初始的拟合噪声数字信号进行取反得到-y(n)。

需要说明的是，由于需要计算拟合噪声数字信号中的各个采样点y(n)的值，因此需要在处理芯片中预先存储该拟合噪声数字信号各个正弦分量和余弦分量在一个周期内各采样点处的值。如一个周期内采样点为1000个，则需记录n＝1至1000时，sin(2πω0n)、cos(2πω0n)、sin(2πω1n)、cos(2πω1n)的值，以便后续在计算y(1)至y(1000)时，直接调用即可。

在可能的实现方式中，为了使拟合噪声数字信号能够与模拟的噪声信号进行叠加，以滤除原始信号中的噪声信号，需要对该拟合噪声数字信号进行数模转换，此时将该-y(n)换算为dac对应的输入值。例如，该dac为b位，则换算式表示为：

d(n)＝-y(n)×2^b-1+2^b-1(2)

该d(n)即为实际使用时，处理芯片输出初始的反拟合噪声数字信号，并将该d(n)通过dac通道输入至dac。

然后dac执行上述实施例一中的数模转换步骤，将上述初始的反拟合噪声数字信号d(n)转换成初始的反拟合噪声模拟信号d(t)，并将该初始的反拟合噪声模拟信号d(t)输入至叠加电路的第二输入端。

由此使得叠加电路执行上述实施例一中的信号叠加步骤：将该d(t)与第一输入端输入的原始信号x(t)进行叠加得到叠加模拟信号e(t)。其中x(t)是有效信号s(t)和噪声信号n(t)的加和，可以表示为x(t)＝s(t)+n(t)，由此e(t)＝d(t)+s(t)+n(t)。

得到叠加模拟信号e(t)之后，adc执行上述实施例一中的模数转换步骤：按照预先设置的采样中断时间对上述进行采样，将上述叠加模拟信号e(t)转换为叠加数字信号e(n)，将该e(n)通过adc通道输入至处理芯片。

处理芯片接收到上述e(n)后，执行上述参数调整步骤：处理芯片通过自适应算法，例如最小均方lms算法和递推最小二乘rls算法，调整上述式(1)中的权重参数，以减小反拟合噪声数字信号与叠加数字信号的相关性，即使d(t)逐渐逼近-n(t)，从而在叠加后得到的e(t)即为期望的有效信号s(t)。

然后该处理芯片重复执行上述实施例一中拟合噪声计算步骤，计算参数调整后的新的反拟合数字信号，在得到新的反拟合数字信号后，将该新的反拟合数字信号输入至dac的输入端。

dac接收到新的反拟合数字信号后，重复执行上述实施例一中的数模转换步骤：将新的反拟合噪声数字信号转换为新的反拟合噪声模拟信号；将该新的反拟合噪声模拟信号再次输入至叠加电路的第二输入端。

由于该数模混合自适应陷波器中的回路，如此按照设置的定时器终端时间，可以循环执行上述信号叠加步骤、模数转换步骤、参数调整步骤及数模转换步骤，使得拟合噪声数字信号逐渐原始信号中的噪声信号，从而在叠加之后掉原始信号中的噪声信号，从而实现在模拟端对该原始信号的去噪过程，即实现对原始信号的滤波。因此，相比于现有技术，本发明提供的数模混合自适应陷波器可以实时的对模拟信号进行滤波，并且其滤波参数能根据原始信号中噪声的变化实时进行调整。

其中，在上述参数调整步骤中，在得到叠加数字信号e(n)后，将该e(n)转化为电压信号，该电压信号即为去噪后得到数字的有效信号s(n)。而信号叠加步骤中输出的叠加模拟信号即为去噪后得到的模拟的有效信号s(t)。

综上所述，本发明提供的技术方案，通过数模混合的方式实现了自适应算法，将自适应算法产生的拟合噪声反向再通过dac转换成模拟信号，通过模拟电路来实现原始信号与反向噪声的叠加，从模拟信号的最原始端将噪声进行滤除。且滤波参数能根据信号中噪声的变化实时进行调整。

在结构上，相比与数字自适应陷波器，并未增加很多结构，adc及dac均是常规微处理器自有的结构，而在模拟电路中，只需添加两个电阻就可以实施本发明的技术方案，结构简单，易于实现。另外能实时实现对原始信号的模拟端滤波，从而避免了大噪声引起的模拟放大器的饱和，这使得采集信噪比为负的信号成为可能；同时该数模混合自适应陷波器弥补了模拟陷波器的宽带宽缺陷。另外，根据自适应算法的特点，滤波参数能根据信号中噪声的变化实时进行动态调整。

本发明的技术方案在atmelsam4sxplainedpro开发板上进行了验证，结果如图4所示，图中虚线为原始信号x(t)，实线为数模混合自适应陷波器滤波后的信号e(t)，可以看出经过该数模混合自适应陷波器后，信号得到了很大程度的抑制。图5为上述两个信号的fft(快速傅氏变换)结果，从图中可以算出，该数模混合自适应陷波器的衰减量为33.7db。

本发明实施例提供的数模混合自适应陷波器，与上述实施例一中提供的数模混合自适应陷波器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的数模混合自适应陷波器的具体工作过程，可以参考前述实施例一的数模混合自适应陷波器中的对应过程，在此不再赘述。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。