数据采集与信号处理中的重要概念及多核高精度数采仪研究【精品论文】 .pdf

数据采集与信号处理中的重要概念及多核高精度数采仪研究 6 7 数据采集与信号处理中的重要概念 及多核高精度数采仪研究 应怀樵沈松刘进明应 明杜峰李毅民 ( 北京东方振动和噪声技术研究所，北京，1 0 0 0 8 5 ) 摘要：本文阐述了数据采集和信号处理中的一些重要概念，介绍了东方所( c o i n v ) 首创的基于f p g a 和2 4 位一a a d 的双核高精度数采仪，提出了混叠频率计算公式和滤 波陡度计算公式。文内介绍了频率精度和幅值精度( 1 0 进制1 4 位) 和超低频快速测量 ( 1 0 5 h z ) 以及一键自动化测试等6 项技术创新突破，以供国内外同行参考。 关键词：数据采集；信号处理；一a a d ；f p g a ；双核；高精度 a b s t r a c t ：t h i sp a p e ro u t l i n e ss o m ei m p o r t a n tc o n c e p ti nd a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s - i n g ；p r e s e n t sd u a l c o r eh i s hp r e c i s ed a t aa c q u i s i t i o na p p a r a t u sb a s e do nf p g a & 2 4b i t 一a d ，w h i c hi so r i g i n a t e db yc o i n v ；a n dp u t sf o r w a r dt h ef o r m u l ao fa l i a sf r e q u e n c ya n df i l t e r i n gg r a d i e n t t h ep a p e rp r e s e n t ss i xi t e m so ft e c h n i c a li n n o v a t i o ni nt h ea r e ao ff r e q u e n c yp r e c i s i o na n d a m p l i t u d ep r e c i s i o na n ds u p e rl o wf r e q u e n c yt e s ta n dr o b o t i c i z e dt e s t k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；一a a d ；f p g a ；d u a l - c o r e ；h i g h p r e c i s i o n 1 引言 随着数码( 数字化) 时代的到来，测控技术的发展，数采和信号处理技术已日益普及， 但是，数采与信号处理中仍然存在一些很重要但容易被忽视的问题，如：混叠、泄漏、抗混 滤波、测量精度 如何应对日新月异的新技术( 如：一a a d 、d s p 、f p g a ) ，真正理解并迅速投入到 实际应用中，已成为当今测试与研发人员应首要考虑的问题。如何提高我国测试技术与仪器 研发的整体水平，更是我们仪器仪表与测控技术专家们责无旁贷的责任和需要重点关注的内 容。 本文创新性地提出了国内首创的应用2 4 位一a a d 和基于f p g a 芯片所构成的2 4 位双核高精度数采和专业信号分析技术，使我国的数据采集和信号分析技术达到了国际 领先水平。 现代振动与噪声技术( 第5 卷) 2 数采与信号分析仪( 虚拟仪器) 的构成 2 1 常规的数采与信号分析卡泰仪器及虚拟仪器m 6 1 ( v i ) 的构造金字塔 常规的数采与信号分析卡泰仪器及虚拟仪器( v i ) 的构造金字塔如图1 所示。 图1v i 构造金字塔 2 2 数采与信号分析仪( ) 处理过程 数采与信号分析仪( v i ) 处理过程如图2 所示。 图2 数采与信号分析仪( v i ) 处理过程框图 3 数据采集和信号处理中的一些关键名词 3 1 采样、采集、离散、量化 采样( s a m p l i n g ) ：把模拟信号数字化的过程； 采集( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q ) ：把模拟信号采样并把数据收集保存的过程； 离散( d i s c r e t e ) ：模拟信号在时间轴上用梳状函数离散抽样的过程； 量化( q u a n t i z i n g ) ：抽样信号在纵向幅值域的量化过程。 3 2 混叠( a l i a s i n g ) 参见振动与冲击“数据采集中频率混叠在时域和频域现象的研究”和“奇妙的 数据采集与信号处理中的重要概念及多核高精度数采仪研究 6 9 混叠现象”两文 7 】。 混叠是数采中的特有现象，是信号离散采样过程中发生的，使得时域、频域图形产生严 重失真。奇妙的混叠现象举例。 例1 测得频率1 ，2 ，3 ，4 ，5 h z ；采样频率s f = 1 3 h z ( 原信号频率为l ，5 ，1 0 ，5 0 ，1 0 0 h z 复合波) 。 例2 测得频率1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 h z ；采样频率s f = 1 7 h z ( 原信号频率为1 0 ，5 0 ，1 0 0 ，1 5 0 ，2 0 0 ，2 5 0 ，3 0 0 h z 复合波) 。 混叠频率计算公式如式( 1 ) 一( 3 ) 所示 混叠频率五= i ，一n s fi( 1 ) 式中， ，l = i n t ( 南+ 0 5 ) ( 2 ) 混叠次数 m = i n t ( 点) = i n t ( 姜) ( 3 ) 采样定理：采样频率s f 两倍最高分析频率。 3 3 泄漏( l e a k a g e ) 参见振动与冲击“恼人的泄漏一 8 】一文基于f f r 技术的时域数据截断，产 生频域泄漏( 渗漏) 。频域离散产生栅栏效应，谱线位置不同、窗函数不同，对泄漏的影响 不同。 压谱线( 后a s ) ：泄漏最小； 压半谱线( 矗- 1 - 1 2 ) a f ：泄漏最大。 幅值在频率坐标上产生波动变化，一个v 内，误差在0 一3 6 3 之间变化( 如：采 样点数为1 0 2 4 点，波动变化5 1 2 次) 。 例：采样频率s f = 1 0 2 4 0 h z ，采样点数n = 1 0 2 4 ，频率分辨率a f = 1 0 h z ，信号频率从 1 0 0 变到11 0 h z ，频率间隔l h z 的测试结果如表l 所示。 不同频率信号在应用矩形窗、汉宁窗、平顶窗的误差显示如图3 所示。 表l 测试结果 频彰i i zi 1 0 0 i 1 0 1 i 1 0 2 i 1 0 31 0 4 i 1 0 5 i 1 0 6 i 1 0 7 i 1 0 8 i 1 0 9 l 1 1 0 i 幅值误差l o i 1 6 7i 一6 3 9l 1 4 1 6 i 一2 3 2 3 l 一3 6 3l 一2 5 5 i 1 4 7i 一6 2 9i 1 3 lio 1 7 326 457 599 71 5199 657 526 4 7 4 01幅值误差 i o 1 一o 1 一i 一i 一i 一1 一i 一1 一1 一o i 一 平顶窗 0 09 919 629 138 537 72818 509 20 频率误差li 一1 一i 一1 一1 4 7 6 1 1 i i 幅值误差i 一0 0 7i 一0 0 6i 一0 0 4i 一0 0 4l 一0 0 7 l 一0 1 7 l 一0 0 7i 一0 0 4l o 0 4i o 0 6i 一0 0 7 7 0现代振动与噪声技术( 第5 卷) i l ， l ii “3 种窗 f i 吨，i 。f i“k 1 1i t 7f 1 孓1 r1 f j 1 穸 r 1 1 罗 r 。1 鬟 1 r1 7 r 频率误差 b l 1l | i u _ l 1l i _一 i e ， 、 i l7 j 。| 17 + 矩形窗 _ h 一 | 。| 幅值误差 。f | 眦 l f - 。 + 汉宁窗 ) 7 幅值误差 _ i + 平顶窗 幅值误差 lil 9 09 51 0 01 0 51 1 01 1 51 2 0 图3 不同频率信号在应用矩形窗、汉宁窗、平顶窗的误差图 4 数字信号分析仪的时域频域幅域精度探讨 4 1 时域的幅值精度和频率精度 时域幅值精度取决于a d 位数和满量程基准电压。 1 2 位( 4 0 9 6 点、4 0 9 5 等份) ，1 6 位( 6 5 5 3 6 点、6 5 5 3 5 等份) ，2 4 位( 1 6 7 7 7 2 1 6 点、 1 6 7 7 7 2 1 5 等份) 。 如果满量程为1 0 v ， 1 2 位分辨率：4 8 8 4 m v ，最大误差2 4 4 2 m v ； 1 6 位分辨率：0 3 0 5 m v ，最大误差0 1 5 3 m v ； 2 4 位分辨率：1 1 9 2 1 - l v ，最大误差0 5 9 6 斗v 。 时域的频率精度决定于采样频率s f 以及采样步长血、采样点数和时钟精度和稳定 度。一般到6 位( 十进制) ，c o i n v 达8 位( 十进制) 。 误差与血、分析点数及计算方法、逻辑判别有关。 4 2 频域的幅值精度和频率精度 频域的幅值精度决定于算法( 软件) 。 ( 1 ) d f t 、f f - i 1 1 1 频率误差：最大可达i i t 妖 - 幅值误差：最大可达一3 6 3 ( 矩形窗) ； f f r 测量受2 的整次幂点数( 5 1 2 ，1 0 2 4 ，2 0 4 8 ，2 “) 的限制； ( 2 ) c o i n v y l s 算法 频率精度可达1 4 位( 十进制) ； 幅值精度可达1 4 位( 十进制) ； 数据采集与信号处理中的重要概念及多核高精度数采仪研究 7 1 突破f f t 分析中频率分辨率的限制；测量点很少，仍然可以实现高精度分析。 4 3c o i n v6 项重大技术突破 ( 1 ) 使数采卡硬件的频率精度从国内外常规的6 位( 十进制) 提高到8 位( 十进制) ， 提高了1 0 0 倍； ( 2 ) 硬件幅值精度提高到双2 4 位a d ( 二进制) ，首创2 4 位一a a d 双核数采仪理 论误差 1 6 0 d b ，一档量程可以满足高精度的全部测试要求，是自主民族知识产权的研究 成果。国内首创，达到国际领先水平。 7 模拟滤波、数字滤波、抗混滤波、低通滤波及过采样b d f w p s 滤波 7 1 模拟滤波器 一般由模拟器件( 如r l c 和运算放大器等阻、感、容、芯片等) 构成，常规一阶阻容 滤波是一6 d b o c t 。 7 2 数字滤波 通过软件，采用相应的不同的算法( f i r ，i i r ，卷积等) 实现。 7 3 低通滤波 低频通过，高频受阻的滤波器。 7 4 抗混滤波 由可选不同频率的模拟低通滤波器构成，高级的可与采样频率程控挂钩，滤波陡度 要求达到一8 0 d b o c t 以上，一般仪器制造复杂，价格昂贵，东方所的抗混滤波器达到 15 0 d b o c t 。 数据采集与信号处理中的重要概念及多核高精度数采仪研究 7 3 7 5 过采样b d f w p s 滤波 “过采样( 6 4 2 5 6 倍s f ) ”+ 数字选抽滤波+ 数据波形压缩还原技术的方式( 一 b d f w p s 技术) 可降低抗混滤波中模拟滤波部分的要求，有时用一两阶甚至不用模拟滤波 器也可以满足相应的要求，且大大提高了滤波陡度( 达一3 0 0 d b o c t ) ，改善了通带的平坦度 和性能。 8 滤波陡度与阻带衰减的研讨 8 1 一a 2 4 位a d 过采样+ 数字选抽滤波+ 数据选抽压缩还原( b d f w p s ) 滤波陡度可超过- 3 0 0 d b o c t ，美国n i 公司和中国东方所的2 4 位数据采集仪均可达到 此指标。 8 2 所谓“模拟+ 数字滤波“ 的方式 有人提出所谓“模拟+ 数字”的方式，宣称滤波陡度约一1 5 0 d b o c t 。实际上是采用约 1 2 8 k h z 的固定采样频率的1 6 位a d + d s p 数字滤波、波形选抽压缩+ 4 阶模拟滤波器的方 法来实现，甚至广告宣传说这是一a 方式，其实这并非真正意义上的过采样一系统。 这是一种概念性的误导。 8 3 降低抗混滤波模拟部分要求的关键是“过采样“ 技术 它极大地( 2 5 6 倍) 提高了实际采样频率，把可能混叠的频率区间远远推到分析区域之 外，显著地降低了对模拟滤波器的要求，而不是简单的说是模拟+ 数字滤波器，所以两者性 能差别显著，按照某企业的最高采样频率( 1 2 8 k h z ) ，实际信号频率很容易超过它，这时就 产生混叠，因此可以说“模拟+ 数字”说法是不合适的。 8 4 滤波陡度的计算与阻带衰减的概念 东方所采用的新技术是基于2 4 位的一a a d 和f p g a 、d s p 来实现的。 目前可以使用f p g a 、d s p 及一a a d 芯片实现，其中f p g a + 一a a d 芯片的方式 最佳，d s p 的应用较早，f p g a 是目前信号处理的新的技术革命，正在逐步取代d s p 。 c o i n v 采用2 4 位一a a d2 5 6 倍过采样+ f p g a 或d s p 数字滤波+ 8 阶模拟滤波器保 护，由于陡度超过3 0 0 d b o c t ，所以不能常规地用一个倍频程的测试方法来计算。由于陡度 1 5 0 3 0 0 d b o c t ，只能采用0 1 一o 3 倍频程测量，因此应该采用式( 4 ) 来计算。 衰减陡度计算公式为 2 0 1 9 石a 12 0 l g 石a l6 0 2 0 l g 鲁， a = = 了子= 了三( 4 ) l 0 9 2j 7 2 l g 孝l 1 9 2 l gj 7 2 8 5 阻带衰减的概念 由于仪器信噪比和动态范围的影响，实际阻带衰减达不到3 0 0 d b ，被信噪比和动态范围 7 4现代振动与噪声技术( 第5 卷) 所控制。目前国际上最好的阻带衰减一般为一9 0 一一1 1 0 d b ，它取决于信噪比、动态范围及 芯片的滤波特性。 9 双核、多核数据采集仪与单a d 、多a d 的比较 9 1 单a d 一个a d ，多路分频采样，经常用多路采样保持器，多路同时工作时每通道实际最高 采样频率s f 受采样通道数的限制，其结果为s f n 。 9 2 多a d 每通道采用一个a d 。理论上，最高采样频率与采样通道数无关，但实际受计算机传 输速率( 总线速度、内存、硬盘读写速度) 的影响。 9 3 双核& 多核 c o i n v 提出每路采样通道采用两个或多个2 4 位的一a a d 并行工作及结合f p g a 技 术的高精度数据采集仪( 东方所国内首创、国际领先) 。量程范围大、测量精度高、自动化 操作。目前，世界上只有b & k 与东方所两家有2 4 位双核数据采集仪，量程范围 1 6 0 d b 。 幅值分辨率 4 6 n v ( 1 n v = 1 0 曲v ) ，c o i n v 正在研发2 4 位多核采集仪，已经成功推 出i n v 3 0 1 8 e 硬件产品，属国内首创，目前正在研发国际领先水平的多核高精度数采仪，不 久将推出。 1 0 信号分析仪、卡泰仪器、虚拟仪器的发展过程 1 9 6 5 年以前的频谱分析仪采用多路滤波器来完成，对瞬态波形不合适。 1 9 6 5 年，f f t 问世以来，信号分析仪如雨后春笋发展，甚至被称之为f f l r 分析仪。 1 9 8 5 年，c o i n v ( 东方所) 提出了“p c 卡泰( c o m p u t e ra c q u i s i t i o nt e s ta n a l y s i si n s t r u - m e n t ，c a t a i ) 微机卡式采集测试分析仪器”及“d a s p 软件”课题。 1 9 8 6 年国外提出虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 概念。 目前，虚拟( 卡泰) 仪器应用日益广泛。 1 1 “把试验室拎着走“ 的实现 1 9 8 5 年东方所( c o i n v ) 提出p c 卡泰( 微机卡式仪器) 概念；首先推出d a s p 达世普软件；核心“用软件制造仪器”，“用软硬件相结合”来取代传统的单纯由硬件组成 的模拟式仪器；把集成了众多仪器功能的软件安装在便携式或笔记本电脑内，这就相当于 “把试验室拎着走”。 技术背景如下。 1 9 6 5 年参加国家重大核试验项目，开始从事信号处理，接触f f - i 和m e m 、a r m a 等方法； 数据采集与信号处理中的重要概念及多核高精度数采仪研究 7 5 1 9 7 5 年研究软件制造仪器，解决核试验振动位移测量； 1 9 8 5 年提出虚拟仪器思想( p c 卡泰) 和d a s p 软件；接着提出“把试验室拎着 走”的远大的创新思路； 1 9 9 3 年实现“把试验室拎着走”的理念，i n v 虚拟仪器赴北美展出，赢得高度赞 誉( 表扬名单为第一名；第二名：王选的汉字激光排版系统；第三名：瑞星防病毒卡) 。 2 0 0 6 年研发成功i n v 3 0 1 8 e 双核2 4 位一a a d 高精度数采仪，在软硬件技术上 取得划时代进步。 1 2 数采及v i 与传统仪器的比较 数采及v i 与传统仪器的比较见表2 。 表2 数采及与传统仪器的比较 虚拟仪器( 卡泰仪器) v i传统仪器 1 软件是关键硬件是关键 2 价格低( 成本低) 价格昂贵( 成本高) 3 小巧，轻便、省电 庞大、繁重、费电 特 4 开放、灵活与p c 机同步，可修改和重定义仪器功能一般同定 5 自动化，智能化、多功能( 六高)功能单一，操作不便 点 6 可用网络联络周边各仪器远距离传输测试只可连有限设备 7 技术更新周期短( 0 2 5 1 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 8 开发和维护费用低 开发和维护费用高 弱 1 有基于f 盯的“泄漏”和“混叠”现象 一般无 2 因操作方式和采样或分析频率不同。结果和精度会不同。 一般不变 点 有时差别会很大 1 3 结束语 从仪器仪表和测控技术的发展前景展望，“六高”的虚拟仪器库时代即将到来! 即： 高智能高度的智能化，高精度计算分析、智能逻辑思维，能解决传统仪器很难解 决的技术难题或实现一些传统仪器无法实现的功能。 高自动“一键操作”的高度自动化。 高精度提高测试数据的精度，超过了传统仪器测试分析精度。 高速度提高计算分析速度，实现快速实时分析，尤其是超低频和超高频的分析。 高集成多功能综合化测试分析，模块化管理，采用数据库技术管理试验数据具 有各种仪器功能，能达到“应有尽有”、“各取所需”的理想境界。 高技术各种高技术，低功耗、小型化的先进的电子器件和芯片的使用，一a d 、d s p 、f p g a 、s o c 等嵌入式系统多核并行技术及网络的应用。 人们的思想目前还不能遗传和继承，但是软件和芯片却可以保存和继承，这也是v i 的 一个重要特点和优点。通过软件和芯片的“传承”，人们会获得最好的思想、智慧和技术， 7 6 现代振动与噪声技术( 第5 卷) 科技发展可以通过软件和芯片走“捷径”。- 这样会提高人类社会整体的效率和效益，减少低 档的重复和浪费。东方所首创研发的双核2 4 位高精度数据采集仪是一个典型的实例，是我 国具有自主知识产权的划时代意义的进步。 中国仪器仪表和测控技术行业内部应加强团结、分工协作，向标准化