一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，隨著無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳感器經(jīng)過(guò)的路由或者中繼級(jí)數(shù)增加，同步的誤差將逐漸加大，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在分布式測(cè)量系統(tǒng)中，在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率fmax的2倍時(shí)(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5～10倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。根據(jù)奈奎斯特定理，通過(guò)高速采樣，重構(gòu)模擬波形，再同步抽樣的方法來(lái)同步各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真證明，該方法可靠有效，誤差小。
【專利說(shuō)明】
一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，特別是涉及一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方式。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，分布式測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量距離越來(lái)越大，且測(cè)試點(diǎn)之間越來(lái)越分散，各個(gè)分布測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)性變得越來(lái)越重要。影響整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要根源在于各個(gè)測(cè)試設(shè)備之間的時(shí)鐘差異和測(cè)試數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲及抖動(dòng)。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵就是時(shí)鐘同步，時(shí)鐘同步的目的就是要將時(shí)間基準(zhǔn)信息準(zhǔn)確地傳遞到網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并使各個(gè)節(jié)點(diǎn)調(diào)整和維持自身的時(shí)鐘與基準(zhǔn)時(shí)間保持一致。目前分布式測(cè)試系統(tǒng)中使用的同步方法有:網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議NTP(NetworkTime Protocol)、簡(jiǎn)單時(shí)鐘同步協(xié)議SNTP(SimpleNetwork Time Protocol)、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE1588。
[0003]SNTP使用單播方式(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))和廣播方式(點(diǎn)對(duì)多點(diǎn))操作，也能在IP多播方式下操作。但SNTP時(shí)間精度依賴于客戶端和服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)的情況，采用這種同步方式在分布式系統(tǒng)中可以達(dá)到0.5?2 ms的精度。在同步要求較高的分布式測(cè)試系統(tǒng)中，該協(xié)議的同步精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到測(cè)試系統(tǒng)的要求。PTP協(xié)議用于包含一個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)一定的媒介進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)模型包括一個(gè)本地的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以用于實(shí)時(shí)性相關(guān)的各種用途，如時(shí)間戳的產(chǎn)生以及時(shí)序事件的管理。相比SNTP協(xié)議，PTP協(xié)議提供了一種使分布式系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步到更高的精度機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的超高精度的時(shí)鐘同步。但是該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的硬件要求很高，適用于以太網(wǎng)的工作環(huán)境，當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)需要重新進(jìn)行同步，且完成時(shí)鐘同步的周期較長(zhǎng)。
[0004]針對(duì)PTP時(shí)鐘同步過(guò)程在無(wú)線分布式網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用面臨問(wèn)題，提出了一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方式。在分布式測(cè)量系統(tǒng)中，在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率fmax的2倍時(shí)(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5?10倍;采樣定理又稱奈奎斯特定理。根據(jù)奈奎斯特定理，通過(guò)高速采樣，重構(gòu)模擬波形，再同步抽樣的方法來(lái)同步各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真證明，該方法可靠有效，誤差小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，根據(jù)奈奎斯特定理，通過(guò)高速采樣，重構(gòu)模擬波形，再同步抽樣的方法來(lái)同步各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真證明，該方法可靠有效，誤差小。
[0006]本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn):一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，在一分布式測(cè)量系統(tǒng)中包括一個(gè)唯一的中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，若所述設(shè)備節(jié)點(diǎn)與所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)，則在所述設(shè)備節(jié)點(diǎn)與所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的之間加入若干個(gè)中繼授時(shí)節(jié)點(diǎn)。
[OOO7 ]進(jìn)一步地，所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)每秒固定廣播6 4次時(shí)間信息幀，該幀攜帶該幀發(fā)射出來(lái)時(shí)候的中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，精確度為正負(fù)2us;中繼授時(shí)節(jié)點(diǎn)收到該時(shí)間信息幀后，將中繼節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間校準(zhǔn)為中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而后再發(fā)出一個(gè)新的時(shí)間信息幀，該幀攜帶該幀被發(fā)射出來(lái)時(shí)候的中繼節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間;所述中繼節(jié)點(diǎn)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，該幀時(shí)間誤差為正負(fù)5us，依次每經(jīng)過(guò)一個(gè)中繼器，時(shí)間精度就惡化為正負(fù)5us，設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)刻接收中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的信息幀或中繼信息幀，并用該幀校準(zhǔn)本設(shè)備節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，則設(shè)備本地時(shí)間與中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為5us乘以中繼跳數(shù)并加5us。
[0008]進(jìn)一步地，所述分布式測(cè)量系統(tǒng)中的設(shè)備在采集數(shù)據(jù)時(shí)，每組采集到的數(shù)據(jù)都會(huì)標(biāo)注上該組數(shù)據(jù)采集的起始結(jié)束時(shí)間，該時(shí)間為經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，該系統(tǒng)收到采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的起始結(jié)束時(shí)間后，即將所有的采樣值的具體采樣時(shí)間計(jì)算出來(lái)，并將該采樣序列看做是一組時(shí)間已知的沖擊序列，將此序列通過(guò)一個(gè)時(shí)域有限長(zhǎng)響應(yīng)的低通濾波器后，即求得任意時(shí)間的采樣值，對(duì)所有的傳感器都進(jìn)行相同操作，并求得各個(gè)傳感器在相同的中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻的采樣值，即達(dá)到所有傳感器同時(shí)刻采樣的效果。
[0009]其中，所述沖擊序列通過(guò)一個(gè)時(shí)域有限長(zhǎng)響應(yīng)的低通濾波器后時(shí)，將該序列與低通濾波器時(shí)域響應(yīng)序列卷積;所述任意時(shí)間的采樣值為重建任意時(shí)刻模擬值。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明根據(jù)奈奎斯特定理，通過(guò)高速采樣，重構(gòu)模擬波形，再同步抽樣的方法來(lái)同步各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真證明，該方法可靠有效，誤差小。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明分布式測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明低通示波器低通卷積示意圖。
[0013]圖3(a)是本發(fā)明IHz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)全局仿真示意圖。
[0014]圖3(b)是本發(fā)明IHz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)邊緣仿真示意圖。
[0015]圖4(a)是本發(fā)明0.5Hz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)全局仿真示意圖。
[0016]圖4(b)是本發(fā)明0.5Hz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)邊緣仿真示意圖。
[0017]圖5(a)是本發(fā)明0.1Hz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)全局仿真示意圖。
[0018]圖5(b)是本發(fā)明0.1Hz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)邊緣仿真示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，本實(shí)施例提供一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，在一分布式測(cè)量系統(tǒng)中包括一個(gè)唯一的中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，若所述設(shè)備節(jié)點(diǎn)與所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)，則在所述設(shè)備節(jié)點(diǎn)與所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的之間加入若干個(gè)中繼授時(shí)節(jié)點(diǎn)。
[0020]在本實(shí)施例中，所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)每秒固定廣播64次時(shí)間信息幀，該幀攜帶該幀發(fā)射出來(lái)時(shí)候的中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，精確度為正負(fù)2us;中繼授時(shí)節(jié)點(diǎn)收到該時(shí)間信息幀后，將中繼節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間校準(zhǔn)為中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而后再發(fā)出一個(gè)新的時(shí)間信息幀，該幀攜帶該幀被發(fā)射出來(lái)時(shí)候的中繼節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間；所述中繼節(jié)點(diǎn)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，該幀時(shí)間誤差為正負(fù)5us，依次每經(jīng)過(guò)一個(gè)中繼器，時(shí)間精度就惡化為正負(fù)5us，設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)刻接收中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的信息幀或中繼信息幀，并用該幀校準(zhǔn)本設(shè)備節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，則設(shè)備本地時(shí)間與中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為5us乘以中繼跳數(shù)并加5us。
[0021]在本實(shí)施例中，所述分布式測(cè)量系統(tǒng)中的設(shè)備在采集數(shù)據(jù)時(shí)，每組采集到的數(shù)據(jù)都會(huì)標(biāo)注上該組數(shù)據(jù)采集的起始結(jié)束時(shí)間，該時(shí)間為經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，該系統(tǒng)收到采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的起始結(jié)束時(shí)間后，即將所有的采樣值的具體采樣時(shí)間計(jì)算出來(lái)，并將該采樣序列看做是一組時(shí)間已知的沖擊序列，將此序列通過(guò)一個(gè)時(shí)域有限長(zhǎng)響應(yīng)的低通濾波器后，即求得任意時(shí)間的采樣值，對(duì)所有的傳感器都進(jìn)行相同操作，并求得各個(gè)傳感器在相同的中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻的采樣值，即達(dá)到所有傳感器同時(shí)刻采樣的效果。
[0022]在本實(shí)施例中，如圖2所示，所述基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，所采樣的序列可看作是一組時(shí)間已知的沖擊序列，將此沖擊序列通過(guò)一個(gè)時(shí)域有限長(zhǎng)響應(yīng)的低通濾波器后(即將該序列與低通濾波器時(shí)域響應(yīng)序列卷積)，即可求得任意時(shí)間的采樣值(即重建任意時(shí)刻模擬值)。
[0023]在本實(shí)施例中，如圖3(a)、圖3(b)、圖4(a)、圖4(b)、圖5(a)、圖5(b)所示，采用基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，IHz、0.5Hz和0.1Hz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)全局與信號(hào)邊緣進(jìn)行信號(hào)仿真顯示，在250Hz數(shù)據(jù)采樣率下，對(duì)IHz、0.5Hz和0.1Hz信號(hào)(對(duì)于特大橋來(lái)說(shuō)，主要的頻率信號(hào)在O?5Hz左右)在Matlab上做的誤差分析，利用Matlab的試驗(yàn)分析結(jié)果表明，通過(guò)250Hz采樣，IHz、0.5Hz和0.1Hz信號(hào)的數(shù)據(jù)誤差可以控制在0.005%以內(nèi)。IHz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)邊緣所示在信號(hào)較平緩的地方，產(chǎn)生了較小的毛刺，即之前用較少的濾波系數(shù)觀察到的，經(jīng)過(guò)計(jì)算最小均方根誤差為1.1654e-005，最大歸一化絕對(duì)誤差為2.7845e_005。0.1Hz信號(hào)經(jīng)250Hz頻率采樣后經(jīng)濾波系數(shù)重建后的信號(hào)全局與信號(hào)邊緣所示在信號(hào)較平緩的地方，產(chǎn)生了較小的毛刺，即之前用較少的濾波系數(shù)觀察到的，經(jīng)過(guò)計(jì)算最小均方根誤差為1.0456e-005，最大歸一化絕對(duì)誤差為2.7845e_005。
[0024]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，其特征在于:在一分布式測(cè)量系統(tǒng)中包括一個(gè)唯一的中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，若所述設(shè)備節(jié)點(diǎn)與所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)，則在所述設(shè)備節(jié)點(diǎn)與所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的之間加入若干個(gè)中繼授時(shí)節(jié)點(diǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要去I所述的一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，其特征在于:所述中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)每秒固定廣播64次時(shí)間信息幀，該幀攜帶該幀發(fā)射出來(lái)時(shí)候的中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，精確度為正負(fù)2us;中繼授時(shí)節(jié)點(diǎn)收到該時(shí)間信息幀后，將中繼節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間校準(zhǔn)為中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而后再發(fā)出一個(gè)新的時(shí)間信息幀，該幀攜帶該幀被發(fā)射出來(lái)時(shí)候的中繼節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間；所述中繼節(jié)點(diǎn)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，該幀時(shí)間誤差為正負(fù)5us，依次每經(jīng)過(guò)一個(gè)中繼器，時(shí)間精度就變?yōu)檎?fù)5us，設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)刻接收中心授時(shí)節(jié)點(diǎn)的信息幀或中繼信息幀，并用該幀校準(zhǔn)本設(shè)備節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，則設(shè)備本地時(shí)間與中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間誤差為5us乘以中繼跳數(shù)并加上5us。3.根據(jù)權(quán)利要去I所述的一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，其特征在于:所述分布式測(cè)量系統(tǒng)中的設(shè)備在采集數(shù)據(jù)時(shí)，每組采集到的數(shù)據(jù)都會(huì)標(biāo)注上該組數(shù)據(jù)采集的起始結(jié)束時(shí)間，該時(shí)間為經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，該系統(tǒng)收到采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的起始結(jié)束時(shí)間后，即將所有的采樣值的具體采樣時(shí)間計(jì)算出來(lái)，并將該采樣序列看做是一組時(shí)間已知的沖擊序列，將此序列通過(guò)一個(gè)時(shí)域有限長(zhǎng)響應(yīng)的低通濾波器后，即求得任意時(shí)間的采樣值，對(duì)所有的傳感器都進(jìn)行相同操作，并求得各個(gè)傳感器在相同的中心標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻的采樣值，即達(dá)到所有傳感器同時(shí)刻采樣的效果。4.根據(jù)權(quán)利要去3所述的一種基于高速采樣重構(gòu)波形的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)同步方法，其特征在于:所述沖擊序列通過(guò)一個(gè)時(shí)域有限長(zhǎng)響應(yīng)的低通濾波器后時(shí)，將該序列與低通濾波器時(shí)域響應(yīng)序列卷積;所述任意時(shí)間的采樣值為重建任意時(shí)刻模擬值。
【文檔編號(hào)】H04W56/00GK106068022SQ201610531327
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年7月7日
【發(fā)明人】倪振松, 倪蔡熔, 蔡曙日
【申請(qǐng)人】福建師范大學(xué)福清分校