專利名稱：信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，特別涉及需要實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在計(jì)算、通信、控制等電子系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對(duì)連續(xù)或者離散的信號(hào)流進(jìn)行平滑處理。比如，在實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)中，需要對(duì)處理器的占用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，首先將統(tǒng)計(jì)信號(hào)平滑去噪，然后上報(bào)給系統(tǒng)，以調(diào)整處理器資源的分配或進(jìn)行性能分析；在通信系統(tǒng)中，通常需要對(duì)連續(xù)的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，得到離散的信號(hào)流，由于信號(hào)噪聲和系統(tǒng)抖動(dòng)的干擾，經(jīng)常需要進(jìn)行平滑處理；在控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)量的實(shí)時(shí)采集處理中，也會(huì)用到對(duì)采樣信號(hào)的平滑處理。
事實(shí)上，信號(hào)流的平滑處理方法就是一種低通濾波方法，主要是為了去除噪聲干擾對(duì)有用信號(hào)的影響，在抖動(dòng)較大的信號(hào)流中提取有用信號(hào)。這樣不但可以提高信號(hào)流中信息量承載效率，而且可以降低噪聲干擾對(duì)信號(hào)的影響。
在數(shù)字系統(tǒng)中，往往對(duì)連續(xù)的信號(hào)流進(jìn)行采樣，得到離散信號(hào)流，然后進(jìn)行數(shù)字處理。在模擬系統(tǒng)中，如果采用數(shù)字處理器進(jìn)行處理，則同樣地進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)流。
現(xiàn)有的幾種信號(hào)流的平滑處理方法都是周期性地對(duì)采樣之后的信號(hào)流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平滑。主要有直接法、累加法和窗口法等。
直接法就是不對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行任何處理，直接將每個(gè)采樣值輸出給后期處理器或者上報(bào)給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這種方法，并沒(méi)有進(jìn)行平滑處理，因此不能對(duì)信息量進(jìn)行有效地提取，也不能去除噪聲的干擾。應(yīng)用面狹窄，一般只能用在采樣數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的低噪聲系統(tǒng)中。
累加法是一種周期統(tǒng)計(jì)方法。按照一定的周期，在每個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)處理，用累加器對(duì)周期內(nèi)所有的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行直接累加或取平均，然后輸出或上報(bào)這個(gè)累加值或者平均值。這種處理方法的處理器開(kāi)銷很小，容易實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于每次采樣僅僅需要計(jì)算一次加法。而且得到的平滑信號(hào)也是相對(duì)的數(shù)據(jù)量較小的，相當(dāng)于對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)提取，得到有效的信號(hào)流。但是這樣也帶來(lái)丟失信息量的情況，比如當(dāng)原始采樣數(shù)據(jù)變化比較快的時(shí)候，就會(huì)丟失高頻信息，這一點(diǎn)用信息論的奈奎斯特采樣定理可以解釋。而如果將周期取得很短，則向直接法靠近，又會(huì)產(chǎn)生不容易去除噪聲抖動(dòng)的缺點(diǎn)。
窗口法的思想是采用卷積運(yùn)算將一定窗口內(nèi)的采用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最簡(jiǎn)單的窗口法就是滑動(dòng)窗口法。
滑動(dòng)窗口法采用一個(gè)先進(jìn)先出(First In First Out，簡(jiǎn)稱″FIFO″)的環(huán)型緩沖區(qū)(滑動(dòng)窗口)，緩沖最近一段時(shí)間的采樣數(shù)據(jù)。每次采樣，當(dāng)前最新的采樣數(shù)據(jù)都將最老的數(shù)據(jù)淘汰，并且上報(bào)緩沖區(qū)中所有數(shù)據(jù)的平均值。為了保證速度，當(dāng)然不能每一次采樣都將所有的數(shù)據(jù)重新求和一次，而是將上一次采樣時(shí)的累加結(jié)果減去最老的數(shù)據(jù)再加上最新的數(shù)據(jù)作為本次累加結(jié)果。相對(duì)于累加法，這種方法可以連續(xù)地上報(bào)采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均值，效果較好，不會(huì)丟失像突發(fā)變化這樣的高頻信息，并且也能夠?qū)×叶秳?dòng)抹平，達(dá)到去除噪聲的效果。存在的缺點(diǎn)是如果采樣數(shù)據(jù)中偶爾出現(xiàn)一個(gè)狹窄劇烈的抖動(dòng)時(shí)，造成的波動(dòng)會(huì)一直持續(xù)到這個(gè)尖峰的數(shù)據(jù)被完全淘汰出緩沖區(qū)，并且在該抖動(dòng)離開(kāi)緩沖區(qū)的時(shí)候再次產(chǎn)生一個(gè)假的統(tǒng)計(jì)突跳，而事實(shí)上這個(gè)抖動(dòng)已經(jīng)過(guò)去了。另外，當(dāng)某些波動(dòng)周期是窗口尺寸的整數(shù)倍時(shí)，此方法的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可能會(huì)完全看不出來(lái)有任何波動(dòng)，這一點(diǎn)用奈奎斯特定理也可以解釋。
可見(jiàn)，滑動(dòng)窗口法事實(shí)上就是一個(gè)窗口函數(shù)為矩形框的卷積方法，而其他的窗口法也類似地進(jìn)行卷積，只不過(guò)窗口函數(shù)不同。事實(shí)上，窗口法都需要管理一個(gè)FIFO緩沖區(qū)，占用的空間還和時(shí)間窗口的長(zhǎng)度成正比，因此，空間復(fù)雜度較高，當(dāng)采用其他形狀復(fù)雜的窗口函數(shù)時(shí)，還會(huì)增加時(shí)間復(fù)雜讀，不能滿足實(shí)時(shí)處理的要求，對(duì)于大多數(shù)普通的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。另外，根據(jù)信息處理理論，當(dāng)窗口函數(shù)是矩形框等突跳函數(shù)的時(shí)候，不可避免的會(huì)對(duì)原始采樣信號(hào)的截?cái)嗵幚韼?lái)扭曲的效果。
圖1給出了上述幾種信號(hào)流統(tǒng)計(jì)平滑方法的示意圖。
在實(shí)際應(yīng)用中，上述方案存在以下問(wèn)題不能有效地去除噪聲的影響以達(dá)到平滑的目的，容易丟失有用高頻信息，時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度較高，不易實(shí)現(xiàn)。
造成這種情況的主要原因在于，直接法和累加法都采用簡(jiǎn)單的方法對(duì)信號(hào)流進(jìn)行處理，不能達(dá)到理想的去噪和提取信息的效果；窗口法采用卷積運(yùn)算，使得實(shí)現(xiàn)復(fù)雜占用存儲(chǔ)空間較大，時(shí)間復(fù)雜度也很高，另外窗口截?cái)嘈?yīng)必然會(huì)對(duì)信號(hào)加上扭曲處理的效果。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法及其系統(tǒng)，使得在較低的時(shí)間和空間復(fù)雜度前提下，實(shí)現(xiàn)高速高效的統(tǒng)計(jì)平滑處理，達(dá)到去除噪聲和提取有用信息的理想效果。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，包含以下步驟，對(duì)于離散信號(hào)流，采用阻尼函數(shù)作為權(quán)值函數(shù)，進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)平均，得到統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流；對(duì)于連續(xù)信號(hào)流，先經(jīng)過(guò)采樣得到離散信號(hào)流，然后采用所述阻尼函數(shù)作為權(quán)值函數(shù)，進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)平均，得到所述統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流；其中，所述離散信號(hào)流是由多個(gè)不同時(shí)刻的離散信號(hào)量組成的序列，所述統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流是由多個(gè)不同時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量組成的序列。
其中，采用遞推算法進(jìn)行所述加權(quán)統(tǒng)計(jì)平均處理，還包含以下步驟，設(shè)置所述統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流的初始值；在當(dāng)前時(shí)刻，根據(jù)遞推公式，由當(dāng)前時(shí)刻的離散信號(hào)量以及前一時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量，計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量。
所述阻尼函數(shù)為隨時(shí)間長(zhǎng)度指數(shù)次衰減的函數(shù)；所述統(tǒng)計(jì)加權(quán)平均的計(jì)算公式為an＝(1-r)(r0sn+r1sn-1+r2sn-2+…)，其中，an為第n時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量，sn為第n時(shí)刻的離散信號(hào)量，0＜r＜1是所述阻尼函數(shù)衰減的時(shí)間因子。
所述遞推公式為，an+1＝(1-r)sn+1+ran其中，an為所述第n時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量，an+1為第n+1時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量，sn+1為第n+1時(shí)刻的所述離散信號(hào)量，0＜r＜1。
所述阻尼函數(shù)衰減的時(shí)間因子為，r=e-1L,L>0,]]>其中L為統(tǒng)計(jì)特征時(shí)間，反映了所述阻尼函數(shù)的下降斜率。
所述阻尼函數(shù)衰減的時(shí)間因子為，r≈L-1L,L≥1,]]>其中L為統(tǒng)計(jì)特征時(shí)間，反映了所述阻尼函數(shù)的下降斜率，所述統(tǒng)計(jì)特征時(shí)間可以根據(jù)噪聲最低頻率和信號(hào)最高頻率的大小進(jìn)行設(shè)定。
還包含以下步驟將所述阻尼函數(shù)衰減的時(shí)間因子放大為滿足精度要求的定點(diǎn)數(shù)，在最后再除以放大倍數(shù)，以避免浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算。
被統(tǒng)計(jì)的所述信號(hào)流可以是需要實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)，包含實(shí)時(shí)系統(tǒng)的處理器占用率。
本發(fā)明還提供了一種信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑系統(tǒng)，包含第一乘法器、加法器和乘法寄存器所述第一乘法器用于對(duì)輸入的離散信號(hào)流乘以系數(shù)(1-r)后輸出到所述加法器；所述乘法寄存器用于保存所述加法器前一時(shí)刻的輸出結(jié)果乘以系數(shù)r后的結(jié)果，并輸出到所述加法器；所述加法器用于把來(lái)自所述第一乘法器和所述乘法寄存器的離散信號(hào)流相加后輸出當(dāng)前時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)信號(hào)量；其中，r是0到1之間的一個(gè)實(shí)數(shù)。
其中，所述系統(tǒng)還包含采樣模塊，用于從輸入的連續(xù)信號(hào)流通過(guò)采樣獲得離散信號(hào)流，輸出到所述第一乘法器。
通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于，采用了連續(xù)阻尼函數(shù)作為權(quán)值對(duì)信號(hào)流進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)平均，采用了遞推算法代替直接卷積運(yùn)算實(shí)現(xiàn)阻尼統(tǒng)計(jì)平均，靈活設(shè)定阻尼函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征長(zhǎng)度等參數(shù)。
這種技術(shù)方案上的區(qū)別，帶來(lái)了較為明顯的有益效果，即由于阻尼函數(shù)的連續(xù)性和合理的權(quán)值分配特性，大大提高了統(tǒng)計(jì)平滑的去噪聲和信息提取性能；遞推算法的極低時(shí)間和空間復(fù)雜度，大大提高了阻尼統(tǒng)計(jì)平均實(shí)現(xiàn)可能性，降低了實(shí)現(xiàn)成本，能夠在簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的得到應(yīng)用；阻尼函數(shù)參數(shù)的靈活設(shè)定提高了統(tǒng)計(jì)平滑系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。


圖1是現(xiàn)有的各種信號(hào)流統(tǒng)計(jì)平滑方法示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的采用阻尼方法進(jìn)行信號(hào)流統(tǒng)計(jì)平均示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的采用阻尼方法的信號(hào)流統(tǒng)計(jì)平滑系統(tǒng)框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的阻尼統(tǒng)計(jì)平滑方法與現(xiàn)有方法的性能比較示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
本發(fā)明參考阻尼函數(shù)對(duì)信號(hào)流進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理，使得被統(tǒng)計(jì)的采樣數(shù)據(jù)根據(jù)參加價(jià)值大小進(jìn)行加權(quán)處理，同時(shí)采用了巧妙的遞推算法實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)求和，時(shí)間和空間復(fù)雜度都很低，同時(shí)能很好的去除噪聲的影響和提取有用信息。
參考電子儀器中的阻尼方法。比如在機(jī)電式的電學(xué)儀表通常利用電容、電感、電阻等電子元件的組合，使儀表達(dá)到臨界阻尼狀態(tài)。在此狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，儀表的指針就能夠最迅速地指向測(cè)量值，能夠平滑所測(cè)量的電流、電壓信號(hào)的微小噪聲。當(dāng)被測(cè)量的信號(hào)量發(fā)生一次劇烈的波動(dòng)時(shí)，儀表的指針也會(huì)相應(yīng)的出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)，但是該波動(dòng)過(guò)去之后，它的影響會(huì)以指數(shù)形式迅速減小，指針再次向正常測(cè)量值靠攏，能在保證測(cè)量值正確的情況下，同時(shí)反映出信號(hào)波動(dòng)等高頻信息量。
根據(jù)阻尼函數(shù)的特性，本發(fā)明采用阻尼方法對(duì)離散信號(hào)或者連續(xù)信號(hào)的采樣信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平滑，即將整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的信號(hào)量用阻尼函數(shù)作為權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，離開(kāi)當(dāng)前時(shí)刻越遠(yuǎn)或越老的信號(hào)量將有越小的權(quán)值，該權(quán)值按指數(shù)次衰減?？梢?jiàn)，由于采用了阻尼函數(shù)的指數(shù)次快速衰減特性，使得在一定精度的數(shù)字處理系統(tǒng)中，離開(kāi)一定長(zhǎng)度的信號(hào)量將不會(huì)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻統(tǒng)計(jì)量提供任何貢獻(xiàn)。阻尼方法雖然在數(shù)字系統(tǒng)中還是相當(dāng)于一定窗口長(zhǎng)度的窗口截?cái)?，但在精度范圍?nèi)相當(dāng)于連續(xù)函數(shù)的卷積運(yùn)算，沒(méi)有窗口截?cái)嘈?yīng)。另外阻尼方法的權(quán)值分配的合理性也大大提高了統(tǒng)計(jì)平滑處理的去噪聲和信息提取的性能。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的采用阻尼方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均的原理。假設(shè)一個(gè)離散或者采樣得到的原始信號(hào)流為sn，統(tǒng)計(jì)后的信號(hào)流為an，其中n為信號(hào)量的序號(hào)，越小表示時(shí)間越靠前。由阻尼函數(shù)特性，可以得到權(quán)值隨時(shí)間長(zhǎng)度成指數(shù)下降的統(tǒng)計(jì)平均的表達(dá)式an＝(1-r)(r0sn+r1sn-1+r2sn-2+…)，其中0＜r＜1，是指數(shù)衰減的時(shí)間因子，指示了權(quán)值隨時(shí)間長(zhǎng)度下降的速度，而前面的(1-r)為歸一化因子，保證所有權(quán)值之和為1，達(dá)到取平均的效果?？梢?jiàn)這是一個(gè)卷積運(yùn)算，相對(duì)于窗口卷積不同的是這里的阻尼函數(shù)沒(méi)有截?cái)嘈?yīng)。
根據(jù)分析，關(guān)于時(shí)間因子r有以下結(jié)論r=e-1L,L>0,]]>其中L為統(tǒng)計(jì)特征時(shí)間，即反映了阻尼函數(shù)的下降斜率，如圖2中所示，阻尼函數(shù)在當(dāng)前時(shí)刻的切線在時(shí)間軸上的交點(diǎn)到離開(kāi)當(dāng)前時(shí)刻的距離。L反映了阻尼方法統(tǒng)計(jì)平均的時(shí)間范圍長(zhǎng)短，顯然L越大統(tǒng)計(jì)的范圍越長(zhǎng)，去噪聲的能力相對(duì)增強(qiáng)，同時(shí)也容易忽略較高頻率的有用信息，這相當(dāng)于在調(diào)節(jié)低通濾波的頻率范圍。當(dāng)L→0的時(shí)候，r→0，阻尼方法退化為前述直接法。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，L值可以根據(jù)噪聲最低頻率和信號(hào)最高頻率的大小進(jìn)行設(shè)定。
在本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例中，設(shè)定的L值比原始信號(hào)流中的需要去除的噪聲信號(hào)周期長(zhǎng)，而比系統(tǒng)有用信號(hào)的變化周期相當(dāng)，達(dá)到既能去除噪聲又能保留有用信息的目的。
如前所述，考慮到卷積運(yùn)算的復(fù)雜度，如果采用現(xiàn)有的窗口法的思想進(jìn)行卷積，則其可實(shí)現(xiàn)的低時(shí)間和空間復(fù)雜度并不能得到保證。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，給出了一種高效的遞推算法，簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了阻尼方法的統(tǒng)計(jì)平均運(yùn)算。
考慮阻尼平均的表達(dá)式，可以寫(xiě)出n+1時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)信號(hào)量為an+1=(1-r)(sn+1+r1sn+r2sn-1+r3sn-2+···)]]>=(1-r)[sn+1+r(sn+r1sn-1+r2sn-2+···)]]]>=(1-r)[sn+1+ran1-r]]]>=(1-r)sn+1+ran,]]>易得，前后兩個(gè)統(tǒng)計(jì)信號(hào)量之間存在遞推公式an+1＝(1-r)sn+1+ran，0＜r＜1。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)該遞推公式計(jì)算阻尼平均的統(tǒng)計(jì)信號(hào)量，只需要兩次乘法一次加法即可實(shí)現(xiàn)，大大減少了時(shí)間和空間復(fù)雜度。
考慮到某些嵌入式系統(tǒng)不提供浮點(diǎn)運(yùn)算，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，將下降因子r放大為滿足精度要求的定點(diǎn)數(shù)，在最后再除上放大倍數(shù)，即假設(shè)放大R倍，則遞推公式變?yōu)?R為整數(shù)， 為取整運(yùn)算。
考慮到某些嵌入式系統(tǒng)不提供指數(shù)運(yùn)算，這樣就對(duì)由L設(shè)置r帶來(lái)不方便，因此在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，采用近似值r≈L-1L,L≥1,]]>易見(jiàn)，當(dāng)L＝1時(shí)，即退化為直接法。
另外，遞推算法中用到的統(tǒng)計(jì)信號(hào)流的初始值a0可以合理的設(shè)定一個(gè)值，只要在一定的特征時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)信號(hào)量即可迅速收斂。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的采用所述阻尼方法和遞推算法進(jìn)行信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑系統(tǒng)框圖。在該系統(tǒng)中，由采樣器31、乘法器32、加法器33、寄存器34和乘法器35組成。其中，采樣器31用于從輸入的連續(xù)信號(hào)流通過(guò)采樣獲得離散信號(hào)流。在本發(fā)明的另一個(gè)較佳實(shí)施例中，輸入的直接是離散信號(hào)流，因此省略了采樣器31。
乘法器32用于對(duì)來(lái)自于采樣器31的離散信號(hào)流作乘以固定系數(shù)(1-r)的處理，并將處理后的離散信號(hào)流輸出，其中r是一個(gè)在0到1之間的實(shí)數(shù)。
加法器33用于把來(lái)自乘法器35和乘法器32的兩路離散信號(hào)流相加后輸出。
寄存器34用于保存加法器33上一次的輸出結(jié)果。寄存器34具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可以使用若干個(gè)移位寄存器并聯(lián)，每個(gè)移位寄存器保存加法器33輸出結(jié)果的一個(gè)比特，通過(guò)脈沖的上升沿或者下降沿控制各個(gè)移位寄存器對(duì)加法器33當(dāng)前的輸出結(jié)果進(jìn)行保存，同時(shí)向乘法器35輸出加法器33上一次的輸出結(jié)果。
乘法器35用于把來(lái)自寄存器34的加法器33上一次的輸出結(jié)果乘以固定系數(shù)r，讓后把處理結(jié)果輸出到加法器33。
熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，可以把寄存器34和乘法器35的位置交換一下，也同樣可以達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果。
為了敘述方便，也可以把寄存器34和乘法器35合成為一個(gè)功能部件，本發(fā)明稱為“乘法寄存器”，作用是保存加法器33上一次輸出結(jié)果乘以r后的數(shù)值。
下面描述該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，采樣器31對(duì)連續(xù)信號(hào)流采樣后得到離散信號(hào)流，該離散信號(hào)流經(jīng)乘法器32乘以系數(shù)(1-r)后輸出到加法器33。寄存器34中保存有加法器33上一次的輸出結(jié)果，乘法器35把寄存器34中保存的數(shù)值乘以r后輸出到加法器33。加法器33把兩路信號(hào)相加輸出即得到本次的統(tǒng)計(jì)信號(hào)量。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述阻尼統(tǒng)計(jì)平均法被用于對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)中的處理器占用率的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的平滑處理。
熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明中采用的遞推算法通過(guò)適當(dāng)修改也可達(dá)到減少?gòu)?fù)雜度的目的，或者采用其他近似的阻尼函數(shù)也能實(shí)現(xiàn)平滑去噪的目的，而不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
最后，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)現(xiàn)有的累加法、滑動(dòng)窗口法和本發(fā)明提出的阻尼法進(jìn)行了對(duì)比，圖4示出了對(duì)于相同的信號(hào)流采用三種方法得到的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流?？梢?jiàn)，三種方法在時(shí)間空間復(fù)雜度以及平滑性能上對(duì)比如下表所示。

雖然通過(guò)參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例，已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了圖示和描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于，包含以下步驟，對(duì)于離散信號(hào)流，采用阻尼函數(shù)作為權(quán)值函數(shù)，進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)平均，得到統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流；對(duì)于連續(xù)信號(hào)流，先經(jīng)過(guò)采樣得到離散信號(hào)流，然后采用所述阻尼函數(shù)作為權(quán)值函數(shù)，進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)平均，得到所述統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流；其中，所述離散信號(hào)流是由多個(gè)不同時(shí)刻的離散信號(hào)量組成的序列，所述統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流是由多個(gè)不同時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量組成的序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于，采用遞推算法進(jìn)行所述加權(quán)統(tǒng)計(jì)平均處理，還包含以下步驟，設(shè)置所述統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)流的初始值；在當(dāng)前時(shí)刻，根據(jù)遞推公式，由當(dāng)前時(shí)刻的離散信號(hào)量以及前一時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量，計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于，所述阻尼函數(shù)為隨時(shí)間長(zhǎng)度指數(shù)次衰減的函數(shù)；所述統(tǒng)計(jì)加權(quán)平均的計(jì)算公式為an＝(1-r)(r0sn+r1sn-1+r2sn-2+…)，其中，an為第n時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量，sn為第n時(shí)刻的離散信號(hào)量，0＜r＜1是所述阻尼函數(shù)衰減的時(shí)間因子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于，所述遞推公式為，an+1＝(1-r)sn+1+ran其中，an為所述第n時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量，an+1為第n+1時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量，sn+1為第n+1時(shí)刻的所述離散信號(hào)量，0＜r＜1。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于，所述阻尼函數(shù)衰減的時(shí)間因子為，r=e-1L,]]>L＞0，其中L為統(tǒng)計(jì)特征時(shí)間，反映了所述阻尼函數(shù)的下降斜率。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于，所述阻尼函數(shù)衰減的時(shí)間因子為，r≈L-1L,]]>L≥1，其中L為統(tǒng)計(jì)特征時(shí)間，反映了所述阻尼函數(shù)的下降斜率，
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于所述統(tǒng)計(jì)特征時(shí)間可以根據(jù)噪聲最低頻率和信號(hào)最高頻率的大小進(jìn)行設(shè)定。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于，還包含以下步驟將所述阻尼函數(shù)衰減的時(shí)間因子放大為滿足精度要求的定點(diǎn)數(shù)，在最后再除以放大倍數(shù)，以避免浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一條所述的信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法，其特征在于，被統(tǒng)計(jì)的所述信號(hào)流是需要實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)，包含實(shí)時(shí)系統(tǒng)的處理器占用率。
10.一種信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑系統(tǒng)，其特征在于，包含第一乘法器、加法器和乘法寄存器所述第一乘法器用于對(duì)輸入的離散信號(hào)流乘以系數(shù)(1-r)后輸出到所述加法器；所述乘法寄存器用于保存所述加法器前一時(shí)刻的輸出結(jié)果乘以系數(shù)r后的結(jié)果，并輸出到所述加法器；所述加法器用于把來(lái)自所述第一乘法器和所述乘法寄存器的離散信號(hào)流相加后輸出當(dāng)前時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)平滑信號(hào)量；其中，r是0到1之間的一個(gè)實(shí)數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包含采樣模塊，用于從輸入的連續(xù)信號(hào)流通過(guò)采樣獲得離散信號(hào)流，輸出到所述第一乘法器。
全文摘要
本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，公開(kāi)了一種信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法及其系統(tǒng)，使得在較低的時(shí)間和空間復(fù)雜度前提下，實(shí)現(xiàn)高速高效的統(tǒng)計(jì)平滑處理，達(dá)到去除噪聲和提取有用信息的理想效果。這種信號(hào)流的統(tǒng)計(jì)平滑方法及其系統(tǒng)采用了連續(xù)阻尼函數(shù)作為權(quán)值對(duì)信號(hào)流進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)平均，采用了遞推算法代替直接卷積運(yùn)算實(shí)現(xiàn)阻尼統(tǒng)計(jì)平均，可以靈活設(shè)定阻尼函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征長(zhǎng)度等參數(shù)。
文檔編號(hào)G06F17/00GK1696928SQ20041004445
公開(kāi)日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者鄭本銀 申請(qǐng)人:華為技術(shù)有限公司