本发明涉及数字信号处理，特别是涉及一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置及方法。
背景技术：
1、在数字信号处理领域，滤波技术是一项关键技术，用于去除信号中的噪声并提取所需的信息。许多传感器的输出信号为方波，如：光电编码器、旋转编码器、超声波传感器、压力传感器等，方波信号的特点是在两个状态之间以固定频率或变化的频率进行切换，这种类型的信号通常需要进行滤波以消除可能存在的噪声或干扰。光纤电流传感器或光纤陀螺中光电探测器的输出信号是一种频率较高，幅值变化的方波信号，这类传感器通常在电磁干扰较大的环境下工作，因此输出信号会受到较大的干扰，使其输出的方波信号存在较大的噪声，如果不经过滤波，方波信号再经过后级处理器计算时会造成输出结果的较大误差。目前常见的高实时性滤波方法包括：限幅滤波法、中位值滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法等，这类方法实现起来简单，运算量小，因此实时性较高，但在处理方波信号的时候效果往往不佳，这主要是因为方波信号具有急剧变化的特性，这类传统的方法无法有效的跟踪这类变化，使得方波信号失真严重。较为复杂的滤波方法如：小波降噪；lms自适应滤波法对滤波效果较好，但实现复杂，运算量大，最重要的是在光纤电流传感器这类对滤波实时性要求较高的场景下无法满足滤波需求。
2、现有专利公开一种数字滑动平均低通滤波器及其滤波方法，包含数字滤波器，所述数字滤波器包括a/d转换单元、第一计算单元、第二计算单元、第一存储单元以及第二存储单元；a/d转换单元将采样模拟信号转换成数字信号并发送至第一计算单元；第一存储单元存储第一计算单元输出的数据累加和；第二存储单元存储第一计算单元输出的数字滤波器输出值；第一计算单元分别读取第一存储单元与第二存储单元的数据并计算出当前周期的数据累加值；第二计算单元接收所述第一计算单元发送的数据并将数字滤波器输出值更新存储至第二存储单元。该现有技术能将传统滤波方法对芯片内存空间的大量依赖优化为只需要仅仅2个存储单元的滤波方法，极大减少了方法对系统资源的依赖成度。但该现有技术在处理频谱成分较复杂的方波信号时，会导致方波信号失真；且无法有效的跟踪方波信号快速跳变的变化。
技术实现思路
1、本发明的首要目的是克服现有技术存在的问题，提供一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，本发明能够对带有周期性噪声干扰的方波信号进行很好的滤波，滤波结果平滑度较好、实时性较强、能很好的保留方波的特征、占用逻辑资源较少、实现方法简单易操作。
2、作为本发明的另一目的，也基于前述目的的装置而提供与之相适应的方法。
3、为了实现上述目的，本发明提供了一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，包括：a/d转换单元、第一缓存单元、减法器、第二缓存单元、跳变沿判断单元和计算单元，
4、所述a/d转换单元用于将接收到的模拟方波信号转换为数字方波信号；
5、所述第一缓存单元用于根据所述数字方波信号获取第一信号，并将所述第一信号传输给所述减法器，其中，所述第一信号为所述数字方波信号经所述第一缓存单元延迟四个时钟周期后的信号；
6、所述第二缓存单元用于根据上一个时钟周期输入的数字方波信号获取第二信号，并将所述第二信号传输给所述跳变沿判断单元，其中，所述第二信号为所述上一个时钟周期输入的数字方波信号经所述第二缓存单元延迟一个时钟周期后的信号；
7、所述减法器用于对所述第一信号和所述第一信号对应的滤波结果做差分运算，运算结果为滤除的噪声幅值，在滤波过程中，根据所述噪声幅值更新噪声幅值的最大值，将最大噪声幅值的两倍设定为所述边沿阈值，所述边沿阈值用于判断方波信号是否出现跳变沿；
8、所述跳变沿判断单元用于计算所述数字方波信号和第二信号的差值，并根据所述差值和所述边沿阈值给出跳变沿判断结果；
9、所述计算单元用于根据所述跳变沿判断结果和所述数字方波信号输出滤波结果。
10、优选地，所述第一缓存单元、所述减法器、所述第二缓存单元、所述跳变沿判断单元和所述计算单元基于fpga平台。
11、优选地，所述计算单元包括：累加单元、运算单元、窗口大小计数器、第三缓存单元，所述累加单元用于累加输入的数字方波信号并获得累加结果，所述运算单元用于根据所述累加结果获得滤波结果，所述第三缓存单元用于缓存所述输入的数字方波信号，所述窗口大小计数器用于接收所述跳变沿判断结果，
12、若所述跳变沿结果为未出现跳变沿，且所述窗口大小计数器的数值小于预设的窗口大小阈值，则所述窗口大小计数器的数值加一，且所述累加单元累加输入的数字方波信号；若所述窗口大小计数器的数值大于或等于所述预设的窗口大小阈值，则所述窗口大小计数器的数值不变，且累加单元累加输入的数字方波信号并减去所述第三缓存单元中缓存的时钟周期输入的数字方波信号，其中，为当前时钟周期，为预设的窗口大小阈值；
13、若所述跳变沿结果为出现跳变沿，则所述窗口大小计数器的数值变为1，且所述累加单元内的数值清零并累加当前时钟周期输入的数字方波信号，所述运算单元将所述累加单元的累加结果进行处理，获得滤波结果。
14、优选地，所述运算单元为一除法器，所述除法器的除法系数为所述窗口大小计数器的当前时钟周期数值。
15、优选地，所述运算单元为一乘法器，所述乘法器的乘法系数为所述窗口大小计数器的当前时钟周期数值的倒数。
16、优选地，第一缓存单元由fpga内的四个寄存器组成，所述四个寄存器用于将所述a/d转换单元输出的数字方波信号延迟四个时钟周期。
17、一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波方法，所述方法包括以下步骤：
18、初始化，将第一缓存单元、第二缓存单元和第三缓存单元的数值清零，设置窗口大小阈值，初始化边沿阈值；
19、a/d转换单元将采集到的模拟方波信号转换为数字方波信号；
20、在当前时钟周期内，所述第一缓存单元根据所述数字方波信号获取第一信号，并将所述第一信号传输给所述减法器，其中，所述第一信号为所述数字方波信号经所述第一缓存单元延迟四个时钟周期后的信号；所述第二缓存单元根据上一个时钟周期输入的数字方波信号获取第二信号，并将所述第二信号传输给所述跳变沿判断单元，其中，所述第二信号为所述上一个时钟周期输入的数字方波信号经所述第二缓存单元延迟一个时钟周期后的信号；所述第三缓存单元将所述数字方波信号缓存所述窗口大小阈值个时钟周期，并在所述窗口大小阈值个时钟周期输出，其中，为当前时钟周期，为预设的窗口大小阈值；
21、在当前时钟周期内，减法器基于所述第一信号和所述第一信号对应滤波结果计算边沿阈值；
22、在当前时钟周期内，跳变沿判断单元基于所述第二信号、所述a/d转换单元输出的数字方波信号和所述边沿阈值给出跳变沿判断结果；
23、计算单元根据所述跳变沿判断结果和所述数字方波信号输出滤波结果。
24、进一步地，减法器基于所述第一信号和所述第一信号对应滤波结果计算边沿阈值，具体包括：在当前时钟周期内，所述减法器对所述第一信号和所述第一信号对应的滤波结果做差分运算，运算结果为滤除的噪声幅值，在滤波过程中，根据所述噪声幅值更新噪声幅值的最大值，将最大噪声幅值的两倍设定为所述边沿阈值，所述边沿阈值用于判断方波信号是否出现跳变沿，所述边沿阈值的计算方式如下：
25、
26、其中，为边沿阈值，为当前时钟周期，为当前时钟周期的数字方波信号，为当前时钟周期的数字方波信号对应的滤波结果，为上一时钟周期。
27、进一步地，跳变沿判断单元基于所述第二信号、所述a/d转换单元输出的数字方波信号和所述边沿阈值给出跳变沿判断结果，具体包括：跳变沿判断单元计算所述数字方波信号和第二信号的差值，若所述差值大于所述边沿阈值，则判断出现跳变沿，否则没有出现跳变沿，跳变沿判断通过下式确定：
28、
29、其中，为跳变沿判断结果，为边沿阈值。
30、进一步地，计算单元根据所述跳变沿判断结果和所述数字方波信号输出滤波结果，具体包括：窗口大小计数器接收所述跳变沿判断结果，
31、若所述跳变沿结果为未出现跳变沿，且所述窗口大小计数器的数值小于预设的窗口大小阈值，则所述窗口大小计数器的数值加一，且所述累加单元累加输入的数字方波信号；若所述窗口大小计数器的数值大于或等于所述预设的窗口大小阈值，则所述窗口大小计数器的数值不变，且累加单元累加输入的数字方波信号并减去所述第三缓存单元中缓存的时钟周期输入的数字方波信号，其中，为当前时钟周期，为预设的窗口大小阈值；
32、若所述跳变沿结果为出现跳变沿，则所述窗口大小计数器的数值变为1，且所述累加单元内的数值清零并累加当前时钟周期输入的数字方波信号，所述运算单元将所述累加单元的累加结果进行处理，获得滤波结果。
33、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
34、本发明通过可变窗口尺寸的方式，保留方波的特征，从而有效的保证方波波形的不失真，可以对光纤电流传感器或光纤陀螺设备中光电探测器输出的带有周期性噪声干扰的方波信号进行很好的滤波，实现滤波结果平滑度较好、实时性较强、占用逻辑资源较少、实现方法简单易操作；还通过反馈的方式确定边沿阈值，保证了该滤波方式适用性和稳定性。
1.一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，其特征在于，所述装置包括：a/d转换单元（1）、第一缓存单元（2）、减法器（3）、第二缓存单元（4）、跳变沿判断单元（5）和计算单元（6），
2.根据权利要求1所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，其特征在于，所述第一缓存单元（2）、所述减法器（3）、所述第二缓存单元（4）、所述跳变沿判断单元（5）和所述计算单元（6）基于fpga平台。
3.根据权利要求2所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，其特征在于，所述计算单元（6）包括：累加单元（7）、运算单元（8）、窗口大小计数器（9）、第三缓存单元（10），所述累加单元（7）用于累加输入的数字方波信号并获得累加结果，所述运算单元（8）用于根据所述累加结果获得滤波结果，所述第三缓存单元用于缓存所述输入的数字方波信号，所述窗口大小计数器(9)用于接收所述跳变沿判断结果，
4.根据权利要求3所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，其特征在于，所述运算单元（8）为一除法器，所述除法器的除法系数为所述窗口大小计数器（9）的当前时钟周期数值。
5.根据权利要求3所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，其特征在于，所述运算单元（8）为一乘法器，所述乘法器的乘法系数为所述窗口大小计数器（9）的当前时钟周期数值的倒数。
6.根据权利要求2所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，其特征在于，第一缓存单元(2)由fpga内的四个寄存器组成，所述四个寄存器用于将所述a/d转换单元输出的数字方波信号延迟四个时钟周期。
7.一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波方法，基于权利要求1-6任一项所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波方法，其特征在于，减法器基于所述第一信号和所述第一信号对应滤波结果计算边沿阈值，具体包括：在当前时钟周期内，所述减法器对所述第一信号和所述第一信号对应的滤波结果做差分运算，运算结果为滤除的噪声幅值，在滤波过程中，根据所述噪声幅值更新噪声幅值的最大值，将最大噪声幅值的两倍设定为所述边沿阈值，所述边沿阈值用于判断方波信号是否出现跳变沿，所述边沿阈值的计算方式如下：
9.根据权利要求7所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波方法，其特征在于，跳变沿判断单元基于所述第二信号、所述a/d转换单元输出的数字方波信号和所述边沿阈值给出跳变沿判断结果，具体包括：跳变沿判断单元计算所述数字方波信号和第二信号的差值，若所述差值大于所述边沿阈值，则判断出现跳变沿，否则没有出现跳变沿，跳变沿判断通过下式确定：
10.根据权利要求7所述的一种面向方波的高实时性自适应阈值滤波方法，其特征在于，计算单元根据所述跳变沿判断结果和所述数字方波信号输出滤波结果，具体包括：窗口大小计数器接收所述跳变沿判断结果，
