基于瞬时相位差分特性的数据传输系统丢点检测方法*

刘祖鹏，陈学锋

（河南机电高等专科学校，河南　新乡　453000）

基于瞬时相位差分特性的数据传输系统丢点检测方法*

刘祖鹏，陈学锋

（河南机电高等专科学校，河南新乡453000）

针对数据传输系统丢点问题，依据连续正弦信号瞬时相位差分特性，探讨了一种自动检测数据传输系统丢点方法。首先在数据传输系统采集前端加入正弦信号；然后将解包好的数据通过希尔伯特变换求取数据瞬时相位，并从前向后进行相位补偿，使数据瞬时相位呈连续递增形式；最后通过相位差分法求得瞬时相位前向差分。由理论分析可知：连续正弦信号未丢点时，当前位置数据相比前一位置数据相位差为2πfc/fs（fc为正弦信号频率，fs为数据传输系统采样率）；连续正弦信号丢点时，当前位置数据相比前一位置数据相位差为2πfc（n+1）/fs（n为传输数据丢失点数）。由此特性，可实现对数据传输系统是否丢点实现自动检测。理论分析和实验结果表明，探讨的数据传输系统丢点检测方法可实现对数据传输系统是否丢点实现自动检测，便于工程应用。

数据传输系统，希尔伯特变换，瞬时相位差分，自动检测

0　引言

一部信号处理设备，通常由数据传输系统（传感器、节点采集器、电缆）、信号处理系统、人机交互系统等几部分组成。在这几部分中，数据传输系统主要实现数据采集和传输，其保真度对该设备起着不可替代的作用，是信号处理系统和人机交互系统的基础。如果不能确保该系统的保真度，将不能确保该设备的可靠性。随着电子技术的快速发展，数据传输系统所能承受的传输量也在不断增加，如果不对数据传输系统上传数据进行丢点检测，信号处理系统接收数据保真度将得不到保障，该部信号处理设备的可靠性也得不到保障［1-3］。通过查阅文献发现，此方面报道较少，对此本文依据连续正弦信号瞬时相位差分特性［5-8］，探讨了一种自动检测数据传输系统丢点方法。

1　数据传输系统

1.1数据传输系统架构

该数据传输系统架构主要包括数据采集系统、数据测试系统、数据处理系统等。该部分通过接口板连接，它担负着采集数据和控制参数在各个单元模块间的流转，其数据传输架构如图1所示。接口板数据流包括：采集数据流和控制参数流。其中，给数据处理系统和数据测试系统的数据和参数分别通过以太网上传，各自控制参数是否下发或数据是否上传。

图1　数据传输系统架构示意

1.2数据采集系统组成

数据采集系统主要由采集节点、中继节点、转换节点等3部分组成。

采集节点可以完成8路交流模拟信号、2路单工RS485接口，并且将A/D采集到的数值通过高速ECL接口进行传输。采集节点具有2个ECL收发接口，节点间以UTP5双绞线形式级联，能够采用双向环路进行数据传输。

中继节点完成UTP5双绞线电信号中继功能，距离小于60m。

转换节点主要完成光纤和UTP5双绞线之间数据的双向转换。

2　丢点检测方法

2.1希尔伯特变换

通过对数据传输系统上传节点数据进行Hilbert变换可求得节点数据瞬时相位，然后对求得的瞬时相位进一步处理，实现对数据传输系统的丢点检测。

2.2检测方法

现假设正弦信号的初始相位为φ0，信号频率为fc，数据传输系统采样率为fs，则一个周期内有M=round（fs/fc）个采样点。如图2所示，正弦信号在M/2与M/2+1间出现了相位符号变化，即第M/2采样点与第M/2+1采样点间相位差不满足2πfc/fs，其他相位点间相位差满足2πfc/fs。

图2　瞬时相位补偿前后相位图

依据连续正弦信号瞬时相位差分特性，图3给出了一种自动检测数据传输系统丢点方法。

图3　数据传输系统丢点检测方法流程图

在图3所示的检测方法中，为了说明本文所述基于瞬时相位差分特性的数据传输系统丢点检测方法，需要对瞬时相位φ（t）进行补偿。如果不对瞬时相位φ（t）进行补偿，当瞬时相位φ（t）＞π，由于φ（t）∈［-π，π］，φ（t）=φ（t）-2π，此时通过前向差分求取相位差分，相位差分会周期性出现-2π大小的毛刺，不便于说明本文所述基于瞬时相位差分特性的数据传输系统丢点检测方法。对此可按式（4）所示流程对瞬时相位φ（t）进行补偿，则经过相位补偿后，正弦信号采样点与采样点之间的相位差为2πfc/fs，即当前位置数据相比前一位置数据相位差为2πfc/fs。

然后，按式（5）对补偿后瞬时相位φc（t）求取相位差分：

最后，按式（6）所示流程对相位差分Δφ（t）进行判别

3　实验结果

实验过程如下：整个信号处理设备数据传输过程为第1节所述。在数据传输系统前端加入频率为fc=500Hz，系统采样频率为fs=5 000Hz。节点采集器采集所得经过光纤接口板进行信号处理系统，信号处理系统通过千兆以太网将节点数据送入光纤测试系统。光纤测试系统对所接收数据进行分析处理，以便得到节点采集器间的相位一致性和幅度一致性，并通过本文所述方法对数据传输系统是否丢点进行检测。图4～图6为本文所述方法所得结果。

由图4～图6可知：在正弦信号不存在丢点时，经相位补偿后的相位差分与第2节理论相一致Δφ（t）=2πfc/fs≈0.628，相位差分间的0.1 rad波动是由于实际节点采集器的采样频率与信号源的信号频率间的频偏所致，并不影响对数据传输系统是否存在丢点的检测。在正弦信号存在丢点时，在丢点处的相位差分Δφ（t）＞3πfc/fs≈0.942，通过图3所示流程，可实现对数据传输系统丢点的自动检测，而无需再进行人工检测。

图4　补偿前瞬时相位及其差分（不存在丢点）

图5　补偿后瞬时相位及其差分（不存在丢点）

图6　补偿后瞬时相位及其差分（存在丢点）

4　结论

为了能够对本文第1节所述的数据传输系统是否丢点进行检测，本文依据连续正弦信号瞬时相位差分特性，提出了一种自动检测数据传输系统丢点方法。该方法首先在数据传输系统采集前端加入正弦信号；然后将解包好的数据通过希尔伯特变换求取数据瞬时相位，并从前向后进行相位补偿，使数据瞬时相位呈连续递增形式；最后通过对相位差分进行门限判别可实现对本文第1节所述的数据传输系统是否丢点进行检测。通过在实际现场实验和存储数据的MATLAB处理均验证本文方法可自动检测数据传输系统是否丢点，而无需再进行人工检测；该方法简单实用，便于工程应用。

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［3］胡治国，张大陆，谷丽丽，等.一种嵌入视频流的丢包自测量方法［J］.软件学报，2013，24（9）：2182-2195.

［4］陈晓威，李彦志，张国毅.干涉仪测LFM信号方向误差分析［J］.四川兵工学报，2015，35（8）：119-123.

［5］张建，关键，董云龙，等.基于局部Hilbert谱平均带宽的微弱目标检测算法［J］.电子与信息学报，2012，34（1）：121-127.

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Detection Method of Data Transm ission System Losing Points Based on Instantaneous Phase Difference Feature

LIU Zu-peng，CHE NXue-feng
（Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China）

According to instantaneous phase difference feature of continuous sinusoidal signal，an automatic detection method is proposed with regard to the problem of data transmission system losing points in this paper.First，sinusoidal signal is added in the entrance end of data transmission system. Then instantaneous phase of unpacked data through Hilbert transform is obtained，carrying out phase compensation from first to last for all instantaneous phase，and making instantaneous phase continuously increase.Finally before the instantaneous phase difference is obtained.According to theory analysis，we can get that when continuous sinusoidal signal does not lose points，the phase difference between the current position data and the previous position data is 2πfc/fs（fcis sinusoidal signal frequency，fs is sampling rate of data transmission system），when continuous sinusoidal signal loses points，the phase difference between the current position data and the previous position data is 2πfc（n+1）/fs（n is the number of losing points）.According to those，we can achieve automatically detect whether data transmission system lose points or not.Theory analysis and experimental results both show that this proposed method can automatically detect whether data transmission system lose points or not，which can be easily applied to engineering application.

data transmission system，hilbert transform，the instantaneous phase difference，automatic detection

TB565

A

1002-0640（2016）08-0025-03

2015-06-03

2015-07-14

国家自然科学基金资助项目（61372180）

刘祖鹏（1980-），男，河南新乡人，硕士，讲师。研究方向：电子信息工程。