一種可調(diào)參數(shù)的隨機共振模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號檢測與處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可調(diào)參數(shù)的隨機共振模擬系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的不斷發(fā)展，信號檢測與處理技術(shù)逐步形成和得到了發(fā)展?，F(xiàn)在，信號檢 測與處理技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代化信息理論的一個重要環(huán)節(jié)。社會的不斷發(fā)展，科學技術(shù)的 不斷創(chuàng)新，也就更加需要先進的信號檢測和處理技術(shù)。在測量、電子、通信、控制等領(lǐng)域，線 性和非線性系統(tǒng)的噪聲被認為是一種多余且具有干擾的因素。傳統(tǒng)的檢測與處理技術(shù)都是 要求最大可能的抑制噪聲的產(chǎn)生，這也會導致在抑制噪聲的同時，也會使一些信號受到了 不同程度的影響，更有可能使一些與噪聲頻率相近的微弱信號無法得到檢測。在此背景下， 人們發(fā)現(xiàn)有些特殊的非線性系統(tǒng)中，噪聲也有著有利于信號檢測的作用，所以也就誕生了 利用非線性理論在強噪聲背景下檢測微弱信號的設(shè)想。
[0003] 在1981年，邦齊和他的團隊在研究第四紀冰川問題時，巧合的發(fā)現(xiàn)地球的暖氣候 期和冰川期與地球繞太陽轉(zhuǎn)動的偏心率變化周期是一樣的。在非線性條件下，加入對周期 微弱的刺激后，地球的氣候發(fā)生了明顯的改變，當隨機噪聲到達某一值時，地球的氣候就會 發(fā)生暖期和冰川期的巨大轉(zhuǎn)變。隨即他們提出了進行微弱信號檢測的隨機共振理論。
[0004] 隨機共振理論被運用到很多不同機理的系統(tǒng)當中去，但這些系統(tǒng)都有一個共同的 特點，那就是為了在一個最好的電平作用下，使整個系統(tǒng)中的信號、噪聲、非線性達到一個 最佳的匹配狀態(tài)，這也就是我們所謂的隨機共振現(xiàn)象。而從信號處理的角度來說，在非線性 系統(tǒng)中，當輸入噪聲信號的時候，以最佳的物理量來衡量系統(tǒng)特性，通過調(diào)節(jié)輸入噪音強度 或系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)特性達到一個最大值，這個時候，我們就把信號、噪音、非線性隨機系統(tǒng) 產(chǎn)生的協(xié)同作用稱之為隨機共振。
[0005] 噪聲是一個信號也是一種能量，它不僅僅可以擾亂我們的信號，也可以增強我們 的信號。在非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)隨機共振現(xiàn)象時，有一部分的噪聲成為了有用信號的幫手，可 以提高整個系統(tǒng)的輸出信噪比，所以噪聲是可以提高整個系統(tǒng)的檢測處理信號的能力。
[0006] 隨機共振理論能夠涉及的領(lǐng)域是非常廣泛的，在很多的系統(tǒng)中都可以找到隨機共 振現(xiàn)象的出現(xiàn)。比如說有光學系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)視覺圖像與聽覺識別等等領(lǐng)域。這些都可以證 明隨機共振在非線性系統(tǒng)中是一個非常普遍的現(xiàn)象，所以說隨機共振理論是一個很值得研 究與發(fā)展的方向。
[0007] 例如，在視覺圖像領(lǐng)域，隨機共振有著許多的研究發(fā)現(xiàn)。Ditzinger在三維立體畫 視覺實驗中發(fā)現(xiàn)了噪聲有著能夠幫助人們測度和感覺立體圖形距離的作用。而在聽覺識別 中隨機共振也有著很多的應(yīng)用。比如說隨機共振原理已經(jīng)用于了耳蝸助聽器的研發(fā)當中， Morse團隊利用隨機共振的原理去刺激神經(jīng)來設(shè)計結(jié)構(gòu)，向耳蝸元音中加入了噪聲因素，可 以提高耳蝸助聽器輸出信號的頻率的檢測作用，加強了語言信息時間的表象。
[0008] 在機械故障診斷的領(lǐng)域，胡蔦慶教授在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩故障微信號檢測中就應(yīng)用了 隨機共振理論，并且取得了很好的效果。在滾動軸發(fā)生故障的時候，故障部位就會出現(xiàn)滾子 和滾道的周期性的沖擊，所以需要判斷振動信號中軸承故障特征頻率振動分量是否是存在 的。但是因為受到了各種噪聲和干擾信號的信號，傳統(tǒng)的方法是很難檢測出這種微弱的故 障信號的，此時可調(diào)參數(shù)隨機共振的方法無疑是解決微弱信號檢測的最佳辦法。
[0009] 在不同的應(yīng)用領(lǐng)域里，隨機共振系統(tǒng)已經(jīng)有了很多的設(shè)計，但在之前很多的隨機 共振系統(tǒng)的數(shù)值仿真中，它對步長有著很高的要求，如果步長太長，數(shù)值的仿真就會發(fā)散開 來，導致準確度下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可調(diào)參數(shù)的隨機共 振模擬系統(tǒng)，無需考慮步長，在實現(xiàn)信號去噪功能的前提下完成對隨機共振參數(shù)的優(yōu)化。
[0011] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0012] -種可調(diào)參數(shù)的隨機共振模擬系統(tǒng)，包括控制部分和模擬部分；
[0013] 所述控制部分用于在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生系統(tǒng)所需的隨機共振參數(shù)，并將所述隨 機共振參數(shù)輸入所述模擬部分；
[0014] 所述模擬部分用于根據(jù)所述隨機共振參數(shù)對待測信號進行去噪，并根據(jù)去噪結(jié)果 確定所述隨機共振參數(shù)的最優(yōu)取值。
[0015] 優(yōu)選地，所述控制部分包括ARM微處理器和數(shù)字電位器，所述ARM微處理器與所述 數(shù)字電位器電連接；
[0016] 所述ARM微處理器用于在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)隨機生成各個待優(yōu)化的隨機共振參數(shù)的取值 及其組合，所述數(shù)字電位器用于根據(jù)所述取值及其組合調(diào)節(jié)輸入到所述模擬部分中的電位 值。
[0017] 優(yōu)選地，所述ARM微處理器與所述數(shù)字電位器之間通過串行外圍設(shè)備接口進行數(shù) 據(jù)傳輸。
[0018] 優(yōu)選地，所述ARM微處理器為基于STM32內(nèi)核的微處理器。
[0019]優(yōu)選地，所述數(shù)字電位器為MCP42系列的數(shù)字電位器。
[0020] 優(yōu)選地，所述控制部分還包括按鍵、顯示屏和指示燈；
[0021]所述按鍵的數(shù)量與待優(yōu)化的所述隨機共振參數(shù)的個數(shù)一致，所述按鍵與所述ARM 微處理器相連，每按下一次所述按鍵，所述ARM微處理器生成的與該按鍵相對應(yīng)的所述隨機 共振參數(shù)的取值變化預(yù)定步長；
[0022] 所述顯示屏與所述ARM微處理器及所述模擬部分相連，用于顯示各個所述隨機共 振參數(shù)的預(yù)設(shè)范圍、最優(yōu)取值、以及待測信號的輸入波形和輸出波形；
[0023] 所述指示燈與所述ARM微處理器相連，用于標識所述ARM微處理器與所述數(shù)字電位 器之間通訊正常。
[0024] 優(yōu)選地，所述模擬部分包括由仿真軟件實現(xiàn)的隨機共振模擬電路，所述隨機共振 模擬電路用于根據(jù)所述隨機共振參數(shù)對所述待測信號進行去噪，并根據(jù)去噪結(jié)果確定所述 隨機共振參數(shù)的最優(yōu)取值。
[0025] 優(yōu)選地，所述隨機共振模擬電路根據(jù)總諧波失真值確定所述隨機共振參數(shù)的最優(yōu) 取值，所述總諧波失真值為所述待測信號的輸出信號與輸入信號相比增加的諧波成分，當 所述總諧波失真值最小時，相應(yīng)的所述隨機共振參數(shù)的取值為最優(yōu)取值。
[0026]優(yōu)選地，所述仿真軟件為MATLAB軟件。
[0027]優(yōu)選地，所述模擬部分包括電路設(shè)計模塊和人機交互模塊；
[0028] 所述電路設(shè)計模塊用于實現(xiàn)對所述待測信號進行去噪，并根據(jù)去噪結(jié)果確定所述 隨機共振參數(shù)的最優(yōu)取值；
[0029] 所述人機交互模塊用于供用戶設(shè)定各個所述隨機共振參數(shù)的預(yù)設(shè)范圍，并向用戶 反饋各個所述隨機共振參數(shù)的最優(yōu)取值以及所述待測信號的輸入波形和輸出波形。
[0030] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，通過控制部分隨機產(chǎn)生相應(yīng)的隨機共振參數(shù)，把所述 隨機共振參數(shù)輸入到模擬部分中，在實現(xiàn)對待測信號去噪的功能的前提下完成對隨機共振 參數(shù)的優(yōu)化功能。
[0031] 此外，本發(fā)明還具有以下有益效果：由于電路模擬輸出是實時的，因此無需考慮步 長的問題;本發(fā)明可通過實驗直接清楚地驗證系統(tǒng)相關(guān)的模型、算法是否是正確的；如果實 驗驗證系統(tǒng)是可行的，那就可以為實際的工程應(yīng)用提供一種可靠的將微弱信號放大的傳輸 模塊;電路模擬部分具有成本低，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明實施例中隨機共振模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明實施例中MCP42010數(shù)字電位器的引腳圖；
[0034]圖3為本發(fā)明實施例中MCP42010數(shù)字電位器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖4為SPI的輸入時序圖；
[0036]圖5為本發(fā)明實施例中隨機共振模擬電路的示意圖；
[0037]圖6為本發(fā)明實施例中人機交互界面的示意圖；
[0038]圖7a_圖7c是本發(fā)明實施例中三次仿真結(jié)果的示意圖。
[0039]圖中：11、ARM微處理器;12、數(shù)字電位器;21、隨機共振模擬電路。
【具體實施方式】
[0040] 下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的