一種信號統(tǒng)計方法及其系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，特別涉及需要實時采集的數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計方法，屬于數(shù)據(jù)統(tǒng)計技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在計算、通信、控制等電子系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對連續(xù)或者離散的信號流進行平滑處理。比如，在實時計算系統(tǒng)中，需要對處理器的占用率進行統(tǒng)計，首先將統(tǒng)計信號平滑去噪，然后上報給系統(tǒng)，以調(diào)整處理器資源的分配或進行性能分析；在通信系統(tǒng)中，通常需要對連續(xù)的輸入信號進行采樣，得到離散的信號流，由于信號噪聲和系統(tǒng)抖動的干擾，經(jīng)常需要進行平滑處理；在控制系統(tǒng)中，控制信號量的實時采集處理中，也會用到對采樣信號的平滑處理。
[0003]事實上，信號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有用信號的影響，在抖動較大的信號流中提取有用信號。這樣不但可以提高信號流中信息量承載效率，而且可以降低噪聲干擾對信號的影響。
[0004]在數(shù)字系統(tǒng)中，往往對連續(xù)的信號流進行采樣，得到離散信號流，然后進行數(shù)字處理。在模擬系統(tǒng)中，如果采用數(shù)字處理器進行處理，則同樣地進行采樣轉(zhuǎn)換為離散信號流。
[0005]現(xiàn)有的幾種信號流的平滑處理方法都是周期性地對采樣之后的信號流進行統(tǒng)計平滑。主要有直接法、累加法和窗口法等。
[0006]直接法就是不對采樣信號進行任何處理，直接將每個采樣值輸出給后期處理器或者上報給監(jiān)測系統(tǒng)。這種方法，并沒有進行平滑處理，因此不能對信息量進行有效地提取，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。
[0007]累加法是一種周期統(tǒng)計方法。按照一定的周期，在每個周期內(nèi)進行一次統(tǒng)計處理，用累加器對周期內(nèi)所有的采樣數(shù)據(jù)進行直接累加或取平均，然后輸出或上報這個累加值或者平均值。這種處理方法的處理器開銷很小，容易實現(xiàn)，相對于每次采樣僅僅需要計算一次加法。而且得到的平滑信號也是相對地數(shù)據(jù)量較小的，相當(dāng)于對采樣數(shù)據(jù)進行的統(tǒng)計提取，得到有效的信號流。但是這樣也帶來丟失信息量的情況，比如當(dāng)原始采樣數(shù)據(jù)變化比較快的時候，就會丟失高頻信息，這一點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，又會產(chǎn)生不容易去除噪聲抖動的缺點。
[0008]窗口法的思想是采用卷積運算將一定窗口內(nèi)的采用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，最簡單的窗口法就是滑動窗口法。
[0009]滑動窗口法采用一個先進先出(First In First Out，簡稱"FIFO")的環(huán)型緩沖區(qū)(滑動窗口)，緩沖最近一段時間的采樣數(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。相對于累加法，這種方法可以連續(xù)地上報采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計平均值，效果較好，不會丟失像突發(fā)變化這樣的高頻信息，并且也能夠?qū)×叶秳幽ㄆ剑_到去除噪聲的效果。存在的缺點是如果采樣數(shù)據(jù)中偶爾出現(xiàn)一個狹窄劇烈的抖動時，造成的波動會一直持續(xù)到這個尖峰的數(shù)據(jù)被完全淘汰出緩沖區(qū)，并且在該抖動離開緩沖區(qū)的時候再次產(chǎn)生一個假的統(tǒng)計突跳，而事實上這個抖動已經(jīng)過去了。另外，當(dāng)某些波動周期是窗口尺寸的整數(shù)倍時，此方法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可能會完全看不出來有任何波動，這一點用奈奎斯特定理也可以解釋。
[0010]可見，滑動窗口法事實上就是一個窗口函數(shù)為矩形框的卷積方法，而其他的窗口法也類似地進行卷積，只不過窗口函數(shù)不同。事實上，窗口法都需要管理一個FIFO緩沖區(qū)，占用的空間還和時間窗口的長度成正比，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，還會增加時間復(fù)雜讀，不能滿足實時處理的要求，對于大多數(shù)普通的系統(tǒng)來說沒有應(yīng)用價值。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)的時候，不可避免的會對原始采樣信號的截斷處理帶來扭曲的效果。
[0011]在實際應(yīng)用中，上述方案存在以下問題:不能有效地去除噪聲的影響以達到平滑的目的，容易丟失有用高頻信息，時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度較高，不易實現(xiàn)。
[0012]造成這種情況的主要原因在于，直接法和累加法都采用簡單的方法對信號流進行處理，不能達到理想的去噪和提取信息的效果；窗口法采用卷積運算，使得實現(xiàn)復(fù)雜占用存儲空間較大，時間復(fù)雜度也很高，另外窗口截斷效應(yīng)必然會對信號加上扭曲處理的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種信號統(tǒng)計方法及其系統(tǒng)，使得在較低的時間和空間復(fù)雜度前提下，實現(xiàn)高速高效的統(tǒng)計平滑處理，達到去除噪聲和提取有用信息的理想效果。
[0014]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種信號的統(tǒng)計方法，包含以下步驟:
對于離散信號流，采用阻尼函數(shù)作為權(quán)值函數(shù)，進行加權(quán)統(tǒng)計平均，得到統(tǒng)計平滑信號流；
對于連續(xù)信號流，先經(jīng)過采樣得到離散信號流，然后采用所述阻尼函數(shù)作為權(quán)值函數(shù)，進行加權(quán)統(tǒng)計平均，得到所述統(tǒng)計平滑信號流；
其中，所述離散信號流是由多個不同時刻的離散信號量組成的序列，所述統(tǒng)計平滑信號流是由多個不同時刻的統(tǒng)計平滑信號量組成的序列。
[0015]其中，采用遞推算法進行所述加權(quán)統(tǒng)計平均處理，還包含以下步驟，
設(shè)置所述統(tǒng)計平滑信號流的初始值；
在當(dāng)前時刻，根據(jù)遞推公式，由當(dāng)前時刻的離散信號量以及前一時刻的統(tǒng)計平滑信號量，計算得到當(dāng)前時刻的統(tǒng)計平滑信號量。
[0016]其中，所述阻尼函數(shù)為隨時間長度指數(shù)次衰減的函數(shù)；所述統(tǒng)計加權(quán)平均的計算公式為:
an= (1-r) (r 0S^r1Sn ^r2Sn 2+…)，
其中，an為第η時刻的統(tǒng)計平滑信號量，sn為第η時刻的離散信號量，O < r < I是所述阻尼函數(shù)衰減的時間因子。
[0017]其中，所述遞推公式為，an+1= (1-r) s n+1+ran 其中，an為所述第η時刻的統(tǒng)計平滑信號量，an+Ι為第n+1時刻的統(tǒng)計平滑信號量，sn+Ι為第n+1時刻的所述離散信號量，O < r < I。
[0018]優(yōu)選的，還包含以下步驟:
將所述阻尼函數(shù)衰減的時間因子放大為滿足精度要求的定點數(shù)，在最后再除以放大倍數(shù)，以避免浮點數(shù)的運算。
[0019]其中，被統(tǒng)計的所述信號流是需要實時采樣的數(shù)據(jù)，包含實時系統(tǒng)的處理器占用率。
[0020]一種信號統(tǒng)計系統(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輸入的離散信號流乘以系數(shù)(Ι-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自所述第一乘法器和所述乘法寄存器的離散信號流相加后輸出當(dāng)前時刻的統(tǒng)計平滑信號量；
其中，r是O到I之間的一個實數(shù)。
[0021]其中，所述系統(tǒng)還包含采樣模塊，用于從輸入的連續(xù)信號流通過采樣獲得離散信號流，輸出到所