过采样技术在428XL系统中的应用

� 2009 年 4 月 � � � � � � � � � � � � � � 物 � 探 � 装 � 备 第 19 卷 � 第 2 期 过采样技术在 428XL系统中的应用 刘 � 存* � 于圣慧 � 聂木杰 � 成新选 (东方地球物理公司装备事业部仪器服务中心, 河北涿州 072751) 摘 � � � 要 刘存,于圣慧, 聂木杰,成新选. 过采样技术在 428XL系统中的应用. 物探装备, 2009, 19( 2) : 76~ 82 � � 本文首先对常规 A/ D 转换和过采样技术进行了对比 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,阐述了过采样技术在抑制噪声、抗假频、噪声修整、 扩大动态范围等方面的技术优势;然后详细介绍了过采样技术在 428XL 系统中的实现: 428XL 采用四阶增量调制 器,过采样频率 256kHz,以此为基础, 构成了 428XL 地震信号采集通道,即输入滤波� 256kHz 的模数转换�数字 滤波 ,其中,数字滤波分两级进行,第一级设在采集站内部, 产生 24位的 4kHz 的数字信号, 第二级滤波设在电源站 和交叉站内部,完成 4kHz 数字信号的存储、去除采样时滞,同时完成去假频滤波、根据实际的采样率抽取数据完成 数据采集。最后分析了过采样等技术在 FDU- 428、LAU- 428 中的典型应用。 关键词 � 过采样技术 � 428XL � 数字滤波 � 抗假频 � 噪声修整 � 采集迟滞处理 ABSTRACT Liu Cun, Yu Shenghui, Nie Mujie and Cheng Xinxuan. Application of over�sampling technique in 428XL system. EGP, 2009, 19(2) : 76~ 82 � � The paper firstly compared the conventional A / D technolog y w ith the over�sampling techno log y, expounded the technical advantag es o f o ver sampling techno lo gy in aspects o f eliminating noise, anti�aliasing , no ise shaping and ex� panding dynamic range; then int roduced the implementation o f o ver� sampling technique in 428XL system: the 428XL adopts 4�step incr ement modulato r and 256kH z over�sampling rate, based on w hich the seism ic signal acqui� sit ion channel is str uctured in the 428XL: input filter� 256kH z A / D convert er � digital filter, among w hich the dig it� al filter is composed of tw o pa rts: the first one is inside FU D and gener ate 24�bit 4kH z digital signal, the second one is inside LAUL and LAUX , finishing t he sto rag e o f 4kH z dig ital signal, eliminating sampling skew processing and finishing anti�aliasing filter ing at the same time, and completing data acquisition by so rting data according act ual sampling r ate, finally analyzed typica l application o f over�sampling technique in FDU�428 andLAU�428. Key words� over�sampling , 428XL, digital filter ing, anti�aliasing , noise shaping , sample skew processing � � 428XL 系统采用全新的过采样技术, 使其动态 范围及性能指标有明显地提升, 成为当今地震仪器 中的佼佼者。过采样技术综合了 ��� 技术和多级 调制技术,对地震信号进行过采样,提升了仪器的动 态范围、噪声、畸变等重要技术指标。 1 � 428XL 系统采集电路的构成 428XL 系统信号采集电路由如下四个部分组成: 1) 输入滤波器: 这个电路设置在 FDU - 428 内部,主要完成初步的高频干扰滤波,为去除数模转 换的假频响应作初步的准备。 2) 调制器: 这个电路设置在 FDU - 428内部, 主要由 ��� 模数转换器组成。 3) 延迟存储器: 这个电路设置在 LAU - 428 (从动)的内部,它主要由一个随机存储器组成, 为信 号的处理提供临时的存储空间, 用采集开始同步消 除采集时滞。 4) 数字信号处理器: 这部分电路分别设置在 FDU- 428和 LAU - 428(从动)的内部。除了完成 数字信号的滤波外,它还完成去除无用信号的任务。 无用信号包括量化噪声和一些高频成分。 * 刘存,女, 1963年出生,高级 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师。1984年毕业于江汉石油学院物探仪器专业,现从事 Ser cel地震仪器设备的维修工作。 � 第 19 卷 � 第 2 期 刘存 等: 过采样技术在 428XL 系统中的应用 77��� � 2 � A /D转换器分析 2. 1 � 常规的模数转换 任何 A/ D转换电路都可获取模拟信号在某一 时刻 t的值,并将其转换成一个数字值, 然后它可以 同样将另一时刻( t+ 1)的模拟信号转换成数字值, 如此类推。ADC 的信号转换见图 1所示。 图 1� ADC 信号转换图 2. 2 � 去假频 ADC 电路对来自地震道的模拟波形顺序地以 固定的时间间隔进行采样,形成一个离散化的波形, 如图 2所示。问题是对图 2所示的波形最少取多少 个样点才能不失真地恢复其原来的波形呢? 因为人 们对离散化的子样重新恢复时, 往往发现伴随产生 了非原信号的频率, 称之为假频信号。采样定理针 对去假频的问题,规定了采样频率必须大于 2 倍的 被采样信号的最高频率。 图 2� 采样及频谱分析图 图2中,采样频率是 Fs,信号的最高频率是 Fmax , Fs 必须大于 2Fmax才能防止假频的产生,原始信号 才能被不失真地恢复出来。从图 2所示的频谱图中 可以看出采样的间隔 Fs 是正确的。如果 F s 小于 Fmax的话,必然会引起假频的干扰,见图 3所示。 2. 3 � 量化误差 假设采样过的信号如图 4所示。从图中可以看 出,信号经过模数转化后,产生了量化误差。量化误 差取决于子样位数, 假如增加一位数,那么量化误差 会减少一半。 图 3 � 产生假频的频谱分析图 图 4 � 量化误差示意图 对于 5V 的信号,若用 8位来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示,那么, 8位的 二进制可以写作 28 , 则在 5V 的数值范围内可以有 256种不同的数值。量化误差可以表示为: 5 256 ! 20mV。 如果用 9位数表示,则可以读取 512 个不同的 值,那么量化误差在 10mV以内。 3 � 过采样 在地震数据采集中,人们感兴趣的最高频率是 500Hz。那么, 按照采样定理, 采样频率不能低于 1kHz( 2Fmax )。428XL 的采样频率是 256kH z,属于 过采样,过采样比率是 256。过采样具有以下两方 面的优势。 ( 1) 抗假频更容易 假定采用的采样频率为 256kHz, 而输入滤波 的截止频率是3kHz, 信号频率是0~ 500Hz,则过采 样对信号根本不会产生混淆现象, 图 5 为过采样抗 假频示意图。 ( 2) 抑制量化噪声 所有 ADC 电路都会产生白噪声, 这个噪声也 就是我们知道的量化噪声, 它均匀分布在 0~ F s/ 2 的频率范围,因此所有这些量化噪声在 Fs/ 2的抗假 频滤波后将全部保留在通频带内。 用 256kHz的过采样频率进行过采样时, 量化 噪声将以一个比较低的水平均匀地分布在 0~ 128kHz频带之间,而其中 0.5~ 128kHz的噪声可以 78��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 物 � 探 � 装 � 备 2009 年 图 5 � 过采样抗假频示意图 图 6 � 过采样量化噪声分布图 在数字处理高切滤波中去除。图 6所示为过采样量 化噪声分布图。 为减少量化噪声, 提高量化信噪比, 可以通过 增加过采样频率和增量调制器的阶数来实现* 。增 加调制器的阶数, 可使量化噪声提升得比采样频率 更快, 提高了系统分辨率, 实现 24 位的分辨率。 428XL 采用四阶的增量调制器, 256kHz 的过采样 频率。 4 � 数字调制在FDU- 428和LAU- 428 的典型应用 4. 1 � 输入保护电路 428XL 的输入保护电路见图 7所示, 它的主要 功能是消除高频噪声, 为防止过采样产生假频干扰 作初始的滤波, 其频率响应见图 7所示。截止频率 3kHz,陡度 12dB。 4. 2 � ��� 模数转换器的原理和构成 首先模数转换器将模拟信号转换成一位数字信 号流,并以串行形式传送给数字信号处理器, 数字信 号处理器将串行的数字信号转换成一个并行的 24 位的数字信号。 采用 ��� 原理进行 A/ D 转换的过程大致分为 两步,首先对模拟信号进行调制,完成这一步功能的 硬件系统叫做增量调制器。第二步是计算调制的离 散值,并将其转换成二进制代码,然后再根据采样率 图 7 � 428XL 道输入保护电路和频率响应 的要求进行抽取滤波, 完成第二步功能的系统叫做 数字滤波器。整个系统的构成如图 8所示,图中的 延迟存储器视为数字滤波器的一部分, 是计算离散 数值必备的设置。 图 8 � ��� 转换器系统框图 增量调制器有单阶、二阶和多阶之分,高阶调制 器具有较高的量化信噪比和分辨率, 为了获取较高 的分辨率(较多的二进制位数) , 必须采用高阶增量 调制器。下面以单阶增量调制器为例简单分析其工 作过程。 图 9 � 单阶增量调制器 单阶增量调制器(图 9)由一个信号积分器和差 分放大器及比较器组成。量化编码的功能由比较器 和 D触发器来承担。积分器的应用使得低频信号 受到抑制,而对高频信号则影响很小。理想的积分 器应当满足如下的传输函数: * 当 ADC电路热噪足够低的条件下, 该结论成立! 当量化误 差足够小时,电路热噪音水平为主要因素。 ∀ ∀ ∀ 编者 � 第 19 卷 � 第 2 期 刘存 等: 过采样技术在 428XL 系统中的应用 79��� � H ( f )= 1/ f � � ( 1) 差分放大器的输出等于同相输出电压与反 向输出端电压之和。 V 1 = V in # Ref � � 式中, Ref为一位由 D/ A转换器产生的反馈电压。 ( 2) 比较器的输出电压 V 2 等于此刻的 V 1 与前 一时刻的 V 2 之和。 ( 3) 产生+ 1或- 1 电平,依据的是比较器 V 2 的符号,即: V 2> 0 � V out= + 1 V 2< 0 � V out= - 1 ( 4) DAC 依据 V out的符号产生一个+ Ref或一 个- Ref : V out> 0 � V 3= - Ref V out< 0 � V 3= + Ref 这是一个简化转换器完成V in的 5位编码的情况。 假设:差分放大器的输入电压 V in为 0.6V, 而参 考电压 V ref= - 1V, 其调制过程如表 1所列。 表 1 � 调制量化编码表 256kHz 时钟( p ) V 1 V 2 V out V 3 0 0 0 0 0 1 0.6 0.6 1 - 1 2 - 0.4 0.2 1 - 1 3 - 0.4 - 0.2 - 1 1 4 1.6 1.4 1 - 1 5 - 0.4 1 1 - 1 6 - 0.4 0.6 1 - 1 7 - 0.4 0.2 1 - 1 8 - 0.4 - 0.2 - 1 1 9 1.6 1.4 1 - 1 10 - 0.4 1 1 - 1 � � 表 1中, 0. 6V 的输入信号被编码成下列 5位二 进制数序列表示: 1 � � 1 � � - 1 � � 1 � � 1 � 从表 1看出, V out即为输出的序列编码。1, 2, 3, 4, 5步为一个循环体,其序列之和的平均值如下: V 2 的平均值为: � 1 5 ∃ 5 p = 1 V 2 = 0.6 + 0.2 + (- 0.2) + 1.4+ 1 5 = 0.6( V) V out的平均值为: � 1 5 ∃5p = 1V out = 1+ 1 + (- 1) + 1+ 15 = 0.6( V) 这个例子简单地说明了 ��� 技术的离散、量化 和编码的全过程。为了提高信噪比、模数转换器的 动态范围以及信号的分辨率,必须提高增量调制器 的阶数和提高过采样比率。图 10所示是 ��� 增量 调制器量化噪声随阶数和过采样比率变化的情况。 � � 过采样比率= 过采样频率奈奎斯特频率 其中,奈奎斯特频率( Nyquist f requency )是离散信 号系统采样频率的一半。采样定理指出, 只要离散 系统的奈奎斯特频率高于采样信号的最高频率或带 宽,就可以避免混叠现象。 从图 10可以看出,一个二阶的增量调制器和过 采样比率是 128 的动态范围为 97dB, 分辨率为 16 位。428XL 系统采用四阶调制器和 256 的过采样 比率,它的动态范围可达到 144dB,分辨率达 24位。 图 10� ��� 增量调制器量化噪声随阶数 和过采样比率变化的情况 4. 3 � 噪声整形 ��� 调制器不但具有抑制量化噪声的功能, 而 且还具有将量化噪声变形的功能, 人们称这种变化 为 ��� 调制器的%量化噪声整形&。由于 ��� 调制 器的作用,将原来均匀分布在( 0~ Fs / 2)上的量化白 噪声变形成函数形式的有色噪声。其在低频端量化 噪声很小, 而在高频段的量化噪声很大, 见图 11所 示。这说明通过噪声整形将量化噪声推向了高频端。 80��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 物 � 探 � 装 � 备 2009 年 图 11 � 噪声整形示意图 图 12 � 噪声整形示意图 而噪声整形的目的就是减少低频信号的噪声, 图 12所示是单阶增量调制器进行噪声整形后的效 果示意图。 5 � 数字信号处理 5. 1 � 428XL地震信号采集流程 首先,从检波器来的模拟信号送到野外数字采 集单元( FDU)的输入滤波器,消除高频成分的噪声 后进入过采样率为 256kHz的模数转换器, 从模数 转换器出来的是一个一位的 256kHz 的数字流信 号,然后进入 FDU 内部的数字滤波器进行第一级 抽取滤波,产生 24位的 4kHz 的数字信号, 这个 24 位的数字信号传给电源站或交叉站的延迟存储器, 延迟存储器为数字信号的处理而存储数据, 并去除 因数字滤波引起的采样时滞, 完成去假频滤波,从延 迟存储器出来的数据被送到大线采集单元 LAU(包 括LAUX、LAUL)内部的数字滤波器对数据进行第 二次抽取滤波, 根据主机确定的采样率抽取的数据 从 4kHz的样点转换成实际采样率。地震信号流程 见图 13所示。 5. 2 � 延迟存储器 延迟存储器( RAM Delay M emory )也叫循环缓 冲器 ( Rotat ing Buf fer ) , 它是 LCI- 428、LAU L - 428和 LAUX- 428 内部的一个关键元件, 它具有 下列三项功能: ∋ 为数字信号处理提供数据存储。 图 13 � 地震信号流程框图 ∋ 去除采样时滞。 ∋ 执行不同的去假频滤波器的滤波特性。 5. 2. 1 � 采样时滞处理 当一个控制字被送到站单元时,在第一个接收 单元和最后一个接收单元之间将产生几毫秒的延 迟;另外, 每一个转发器都有一个 1. 5 s 的延迟; 大 线也会产生 5ns/ m 的延迟。 所以启动采集时所有 FDU 必须进行同步处 理。首先 428XL 在建立排列后,每一台采集站都开 始采集数据, 数据经过 FDU - 428 然后到 LAU - 428并可以显示在 HCI 的屏幕上,但这些数据并不 会马上被记录, 而是在%从&LAU 的存储器中存储, LAU 的环形存储器总是保存最新的几毫秒的采样 数据。 在建立排列期间, %主&LAU- 428或 LCI- 428 的微控制器决定选择的滤波器的延迟时间,加上对 采集模块和采集链之间的传播延迟时间进行修正。 因此,第一个被处理的数据是在接到采集命令之前 被记录的。 5. 2. 2 � 工作原理 有些延迟是为了完成卷积处理所必须的,它们 是根据采样率和滤波类型而决定的。 首先延迟存储器完成有用信号的滤波, 然后完 成数字抽取。滤波处理过程可以由一个信号的卷积 运算来表示,而且每一次滤波过程中在 T 0 时刻都 有最少 64种基本过滤器进行卷积运算,过滤器的过 滤长度由采样率决定。LAU 中的 DSP 通过 FIR过 滤器对 0. 25ms 采样的 FDU 数据卷积, 生成与 T 0 同步的用户设置采样率下的采样数据。 卷积运算实际是一个 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 运算, 由下式表示: y k = ∃i n= 1 an* x k- n � 第 19 卷 � 第 2 期 刘存 等: 过采样技术在 428XL 系统中的应用 81��� � 式中, y k 为 DSP 在 k 点的输出信号; x k- n为 DSP 在 k- n点的输入信号; an 为滤波特性系数; i为滤波特 性系数的数目。 滤波特性是指当给该滤波器输入一个单位脉冲 时,看其输出如何,这个输出就代表了该滤波器的特 性。如图 14左侧(纵坐标轴上的加粗的线段)代表 一个单位脉冲, 把它输入滤波器时得到的是图 14右 侧所示的输出响应,则该脉冲响应就是单位脉冲的 滤波特性。 图 14 � 输入脉冲和滤波脉冲响应 图 15 � 滤波响应示意图 假定滤波器对于单位脉冲的响应函数为 a( k) , 如图15所示,现有函数 x ( k)作为输入信号,求该滤波 器的输出 y ( k)。为求输出数据, 则要进行响应函数 和输入信号二者的卷积计算。y ( k )值的具体计算步 骤如下: y1 = x 0 a1 y2 = x 0 a2+ x 1a1 y3 = x 0 a3+ x 1a2 + x 2 a1 y4 = x 0 a4+ x 1a3 + x 2 a2+ x 3a1 y5 = x 1a4 + x 2 a3+ x 3a2 y6 = x 2 a4+ x 3a3 y7 = x 3a4 y( k) = ∃4 n= 1 an* x ( k - n) 5. 2. 3 � 抽取滤波 抽取滤波包括对过采样的离散值按一定的比例 进行抽取,从而降低采样率,以达到实际采样率的需 要,滤波的同时还要进行相应的去假频滤波。通过 抽取滤波逐渐地降低采样频率, 而不是一次就降到 位。就 428XL 仪器而言, 抽取滤波分两步进行: 第 一步在 FDU 内部,将一位的 256kHz的数字流抽取 成 24 位的 4kHz 的并行数字信号; 第二步设在 LAU(从)内部, 进一步对 4kHz的信号进行抽取,以 达到实际采样率的需要。各级抽取滤波均采用有限 脉冲响应特性,因此不会造成附加的相移。在此,数 字滤波要完成如下三项功能: ∋ 完成高切滤波(去假频) ; ∋ 抽取 256kHz的数字信号流以达到实际的 采样需求; ∋ 应用线性相位滤波或最小相位滤波。 ( 1) 滤波原理 数字滤波器的抽取和去假频滤波是一次完成 的,抽取滤波是一种数字滤波的模式。这种滤波器 的特性可以保证既能抽到所需要的样点值, 又不会 出现假频干扰。然而, 却存在输出信号的延迟反应。 抽取过程如图 16所示。 作为 FDU 的第一级抽取滤波器, 抽取比率为 64,滤波因子为 28 个点, 将 256kHz 的样点降低到 4kHz( 0.25ms)的样点。间隔为 3. 125 s 的输入样 点,代表滤波器特性的脉冲响应函数( Impulse Re� sponse)由 28 个离散的样点组成。滤波操作的具体 步骤是: 首先把输入数据的前 28 个样点与脉冲响应 函数的 28 个点组成 28 个数据对, 然后令每对数据 相乘,并把结果相加,抽取出来的第一个点为: s (0)= e(- 28) h(28)+ e(- 27) h(27) + e( - 26) h( 26)+ (+ e( - 1) h(1) + e( 0) h(0) 在时间上,抽取滤波输出的第一个点 s (0)要比 输入数据的第一个点 e ( - 28 )延迟 28 个数据样点的 间隔( 87.5 s)。 本级的抽取率为 1/ 64,第二个点的计算需要把 脉冲响应函数右移 28 个样点间隔,然后再与输入数 据的相对应点进行同样的乘加运算。第二点与第一 点两点之间的间隔为 8个数据样点间隔( 0.25ms)。 ( 2) 线性相位和最小相位滤波 不论线性相位滤波还是最小相位滤波都必须遵从 采样抗假频定理,即采样频率要大于奈奎斯特频率。 不同采样率的高切滤波器的截止频率见表 2所列。 82��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 物 � 探 � 装 � 备 2009 年 图 16 � 抽取滤波示意图 表 2� 采样奈奎斯特频率( FN )一览表 采样率( ms) 0.8 倍奈奎斯特频率( H z) 4 100 2 200 1 400 0.50 800 0.25 1600 去假频: F > FN � 衰减: > 120dB � � 滤波功能主要靠LAU 内部的 DSP 数据处理器 完成。在此,数字滤波器可以提供两种不同的滤波 特性, 即线性相位滤波和最小相位滤波。其输出特 性如图 17所示,延迟时间如表 3所列。线性相位滤 图 17 � 线性相位和最小相位滤波的特性示意图 表 3 � 延迟时间表 ms 采样率 最小相位滤波延迟 线性相位滤波延迟 4 256 128 2 128 64 1 64 32 0.50 32 16 0.25 16 8 波和最小相位滤波的输出不仅具有不同的延迟时 间,而且具有不同的相位特性,即线性相位滤波器的 输出没有附加的相移, 而最小相位滤波器的输出对 于不同的频率信号则产生不同的相移。 由图 17可见,线性相位滤波和最小相位滤波之 所以存在很大的不同, 是因为它们应用了不同的滤 波函数, 也就是所应用的脉冲响应函数不同。线性 相位滤波函数是完全根据抽取率和去假频的需要设 置的,而最小相位滤波函数则不仅要适应抽取率和 去假频的需要,而且要附加一定的相移,借以仿真模 拟滤波器的特性。线性相位滤波是比较理想的滤波 方式,它没有附加的相移, 因此不会造成信号的畸 变。而最小相位滤波显然不是理想的滤波方式, 因 为它会给信号造成附加的相移, 从而造成信号的畸 变。最小相位滤波是为一些特殊需求而设置的, 通 常情况下均采用线性相位滤波。 6 � 结束语 本文对 428XL 系统数据采集通道的原理进行 了分析, 特别是 428XL 仪器系统采用了过采样技 术,再加上先进的集成电路制作工艺,使采集通道的 电路集成度提高到了相当高的水平, 在扩展仪器的 动态范围、提高噪声、畸变等重要技术指标的同时, 也使系统的功耗大大降低, 稳定性大大提高,成为受 石油公司欢迎的新一代地震仪器。 参 考 文 献 1 � Ser cel. 428XL Training course V3.0. 2006 2� 刘益成,罗维炳 编著. 信号处理与过抽样转换器. 电子工 业出版社, 1997 收稿日期 : 2008�11�25