一种自适应下采样低通滤波器、数字锁相放大器及其处理方法

本发明涉及一种自适应下采样低通滤波器、数字锁相放大器及其处理方法，属于低通滤波器。

背景技术：

1、锁相放大器是一种可从极大干扰的环境中分离出特定载波频率信号的放大器。它利用和被测信号具有相同频率的参考信号作为基准，只对与被测信号本身、参考信号同频的噪声有相应，因此可以大幅度抑制其余频率的噪声，提高信号检测的灵敏度和信噪比，是微弱信号检测中的一种非常有效和广泛应用的仪器。

2、锁相放大器可分为模拟锁相放大器和数字锁相放大器。近年来，随着各种芯片的计算能力不断上升，数字锁相放大器被广泛应用于各种领域的检测中。

3、数字式双相锁相放大器是对于数字式锁相放大器改进后的放大器。传统的锁相放大器(单相)存在最终输出受输入信号与参考信号之间的相位差影响严重的缺点，并对测量精度带来诸多的应用局限性。针对于这一问题，采用两组相敏检测器构成双相锁相放大器，进而消除输入与参考信号之间相位差的影响是当前的一种主流设计方式，其基本结构如图2所示。

4、数字式双相锁相放大器通过输入信号与参考信号、移项后的参考信号分别相乘，通过理想低通滤波器可以得到两个输出信号i(t)和q(t)。低通滤波器的设计是数字锁相放大器设计的关键，其性能直接影响到锁相放大器的信噪改善比与输出信号质量。

5、将双相锁相放大器所得到的两个输出信号i(t)和q(t)进行矢量合成运算处理，即可得到不受相位影响的输出信号与相位差：

6、

7、a-c＝tan-1(q/i)

8、其中，v为输出信号幅值，a为待测信号幅值，c为参考信号幅值，a为待测信号相位，c为参考信号相位。

9、数字式双相锁相放大器的优点在于可以根据两个输出分量的正交性直接计算出被测信号的幅值和相位，避免了单相锁相放大器中对参考相位进行更改的步骤，同时也减少了相位更改对于测量结果准确性的影响。

10、数字低通滤波器在整个锁相放大器算法中非常重要，锁相放大器的等效噪声带宽取决于低通滤波器的带宽，故数字低通滤波器的性能直接影响到锁相放大器的信噪比改善率与输出信号质量。在微弱信号检测中，高采样频率和强噪声背景是常见的测试条件，其对低通滤波器的设计提出了很高的要求。

11、由于滤波器在进行设计阶数、系数等参数时，需要以信号采样频率作为单位“1”进行归一化，所以在采样频率较高时(≥500khz)，锁相放大器运算中需要截止频率非常低的低通滤波器(≤10hz)的情况下，低通滤波器的设计困难。使用常规方法设计(如fir滤波器)的滤波器存在着阶数过大的问题，进而导致计算复杂、实时性差的缺点，且设计出的滤波器在通带与阻带间的过渡区间会导致滤波器无法完全滤除噪声，导致锁相放大器输出的信号仍然存在较大波动性的缺点。

12、在强噪声背景下，系统存在着大量噪声，甚至存在着大量与信号同频的噪声，会严重影响到锁相放大器输出的结果。在进行锁相放大器运算中，当环境条件一定时，常规的滤波器设计可以滤除一定信噪比的噪声，得到相对稳定的结果。但当噪声环境改变时，环境影响加剧，噪声幅值、功率变大，原先设计的滤波器会随着噪声功率增大而失效，使得锁相放大器输出信号波动性增大，输出信号失真。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种自适应下采样低通滤波器、数字锁相放大器及其处理方法，能够使用一组固定的参数在不同环境、系统、采样频率、待测信号频率下实现滤波功能，根据信号的波动性大小自适应调节滤波器通带带宽，最终实现锁相放大器运算输出幅值信号近似直流的效果。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供一种自适应下采样低通滤波器的运算方法，包括：接收待滤波信号及相关参数，其中，所述相关参数包括输出信号最大方差；

4、将所述待滤波信号通过第一组下采样低通滤波器组进行滤波，得到滤波后信号；

5、当所述滤波后信号的数据位达到预设有效位数时，基于滤波后信号数据进行方差计算，并将计算出的方差与所述输出信号最大方差作比较；

6、若计算出的方差小于输出信号最大方差，则输出当前滤波后信号；

7、若计算出的方差大于输出信号最大方差，则通过下一组下采样低通滤波器组对当前滤波后信号进行再滤波，直至滤波后信号的方法小于所述输出信号最大方差，输出相应的滤波后信号。

8、进一步的，所述相关参数还包括待滤波信号频率；

9、运算开始前进行预编程，设定自适应下采样低通滤波器结构，其中：下采样低通滤波器组的下采样阶数为2≤n≤10的整数，若待测信号频率为f，f＝a×10n，0<a<10，n为正整数；

10、当a为2≤n≤10的整数时，则设定第一组下采样低通滤波器组的下采样阶数值为a，否则设定第一组下采样低通滤波器组的下采样阶数值为10；

11、其余各组下采样低通滤波器组的下采样阶数值均设定为10。

12、第二方面，本发明提供一种上述任一项自适应下采样低通滤波器，包括输入单元、输出单元、滤波单元和方差运算单元；

13、所述滤波单元由多组下采样低通滤波器组串联而成，每组所述下采样低通滤波器由下采样器及与下采样器对应的子低通滤波器串联构成，第一组下采样低通滤波器的输入端与输入单元连接；

14、所述方差运算单元用于对每个下采样低通滤波器组滤波后的信号数据进行方差运算，并根据方差运算结果控制所述滤波后的信号经下一个下采样低通滤波器组进行滤波或传输至输出单元，使得输出单元输出的滤波后信号的方差在预设的信号方差范围内。

15、可选的，所述下采样低通滤波器组的下采样阶数为2≤n≤10的整数，若待测信号频率为f，f＝a×10n，0<a<10，n为正整数；

16、当a为2≤n≤10的整数时，则设定第一组下采样低通滤波器组的下采样阶数值为a，否则设定第一组下采样低通滤波器组的下采样阶数值为10；

17、其余各组下采样低通滤波器组的下采样阶数值均设定为10。

18、可选的，所述下采样低通滤波器组的下采样阶数和其子低通滤波器的通带、阻带呈对应关系，所述对应关系为：

19、若下采样低通滤波器组的下采样阶数为n，则子低通滤波器的通带设置为阻带设置为

20、可选的，还包括数据选择单元，其用于：

21、获取下采样低通滤波器组滤波后的信号传输至方差运算单元；

22、获取方差运算单元得到的方法运算结果；

23、当所述方差运算结果在预设的信号方差范围外，从所述下采样低通滤波器组滤波后的信号数据中选择部分连续稳定的信号数据，并复制信号数据到下次需执行的下采样阶数次，组成新的一段信号数据后传输至下一组下采样低通滤波器组进行滤波；

24、当所述方差运算结果在预设的信号方差范围内，将滤波后的信号传输至输出单元。

25、第三方面，本发明提供一种自适应调节输出信号波动性的数字锁相放大器，所述数据锁相放大器包括上述任一项所述的自适应下采样低通滤波器。

26、第四方面，本发明提供一种自适应调节输出信号波动性的数字锁相放大器的信号处理方法，包括以下步骤：

27、a、接收待测信号及待测信号参数，所述待测信号参数包括待测信号频率和输出信号最大方差；

28、b、生成两相信号相位差为90°且与待测信号频率相同的参考信号；

29、c、将待测信号与两相参考信号进行相敏检波运算，得到两相中间输出信号；

30、d、将两相中间输出信号通过所述自适应下采样低通滤波器进行低通滤波，得到滤波后的两相信号；

31、e、将所述滤波后的两相信号通过矢量运算合成一个幅值信号；

32、f、将所述幅值信号通过所述自适应下采样低通滤波器进行低通滤波，得到滤波后的幅值信号并输出；

33、其中，所述自适应下采样低通滤波器进行低通滤波包括：

34、将信号的方差与输出信号最大方差进行比较；

35、若信号的方差大于输出信号最大方差，则将信号再次通过自适应下采样低通滤波器进行低通滤波，直至信号的方差小于输出信号最大方差，则输出滤波后信号。

36、进一步的，还包括对自适应下采样低通滤波器进行阶数设置，具体为：

37、若待测信号频率为f，f＝a×10n，0<a<10，n为正整数；

38、当a为2≤n≤10的整数时，则设定第一组下采样低通滤波器组的下采样阶数值为a，否则设定第一组下采样低通滤波器组的下采样阶数值为10；

39、其余各组下采样低通滤波器组的下采样阶数值均设定为10。

40、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

41、本发明提供的自适应下采样低通滤波器可以根据信号的波动性大小自适应调节滤波器通带带宽，能够实现使用一组固定的参数在不同环境、系统、待滤波信号频率下实现滤波功能，且在高采样频率和强噪声背景下，可以很好地完成低通滤波，解决了高采样频率和强噪声背景下低通滤波器设计困难的问题；

42、将该自适应下采样低通滤波器运用于数字锁相放大器中，在进行滤波运算时，只需要输入待滤波信号频率和输出信号最大方差，就可以实现自适应滤波器功能，即根据信号的波动性大小自适应调节滤波器通带带宽，最终实现锁相放大器运算输出幅值信号近似直流的效果。