CN102495280A - 一种抗噪音宽带频率测量方法及锁相频率计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抗噪音宽带频率测量方法，包括：1)估测被测信号的频率范围；所述被测信号为数字信号；2)接收被测信号，在所估测的频率范围内，依次改变频率值，搜索使参比信号与被测信号相关度最大的频率值，将该频率值作为所测出的被测信号的频率值，所述参比信号的信号模式与被测信号的信号模式相同。本发明还提供了相应的抗噪音宽带频率计。本发明抗噪音能力强，能够准确测出低信噪比的信号；可测量频率范围宽；并且本发明除了能够测出信号的频率外，还能同步测出信号的相位和幅值。

Description

一种抗噪音宽带频率测量方法及锁相频率计

技术领域

本发明涉及电子与时频测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种抗噪音宽带频率测量方法及锁相频率计。

背景技术

目前，国内外市场流行的频率计的基本原理有三类：i)通过上升沿或下降沿的间隔判断信号周期并由此计算被测信号频率(参考中国专利CN1056582A)；ii)通过对被测信号进行傅立叶变换测量周期信号的频率；iii)使用锁相环电路实现窄带频率的识别(参考欧洲专利EP 0430605B1)。其中，第i)类技术对于信噪比较高的信号有很好的测量效果，然而当被测信号的信噪比较低时，此类测量方案的准确性会明显降低。图1示出了第i)类频率测量方式的测量示意图，其中，a)部分示出了一个无噪声的被测信号，虚线为零电压线，图1所示的时间段内下降沿通过零电压线的次数，即下降沿过零点的个数N＝3。容易看出，此时根据零点的个数和信号时间段的长度即可得出被测信号的频率。而图1的b)部分示出了第i)类频率测量方式在测量噪声较大的被测信号时的示意图，其中空心方点示出了被测信号，向下箭头示出了部分下降沿过零点的位置，可以看出，下降沿过零点的个数N＞＞3，显然，这时使用第i)类频率计难以正确测出被测信号的频率。第ii)类技术虽然具备一定的抗噪音性能，但由于傅立叶变换过程中不可避免地要进行时域的截断，这个截断过程将产生频域信号的泄露，导致变换后的频域信息不能完整反映出原时域信号特征，因此其测量结果的精准度较差。第iii)类技术虽对特定频率具有很强的识别效果，并且该技术除了测量频率外，还能够一并测出信号的相位与幅值。但由于受锁相环的固有频率限制，可测量频率范围非常窄，因此该技术不适合宽频范围周期信号的测量。

综上所述，当前迫切需要一种抗噪音能力强、可测量频率范围宽的频率测量方法及频率计。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗噪音能力强、可测量频率范围宽的频率测量方法及频率计。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种抗噪音宽带频率测量方法，包括下列步骤：

1)估测被测信号的频率范围；所述被测信号为数字信号；

2)接收被测信号，在所估测的频率范围内，依次改变频率值，搜索使参比信号与被测信号相关度最大的频率值，将该频率值作为所测出的被测信号的频率值，所述参比信号的信号模式与被测信号的信号模式相同。

其中，所述步骤2)中，对于每个频率值，通过依次改变参比信号的相位值来找出该频率值下参比信号与被测信号的相关度的最大值。

其中，所述步骤2)包括下列子步骤：

21)接收被测信号，设定一个与被测信号的信号模式相同的参比信号；

22)依次选取所估测的频率范围内的各频点并分别计算各频点下被测信号和参比信号的相关度；

23)将使所述相关度最大的参比信号的频点作为所测出的被测信号的频率值输出。

其中，所述步骤22)中，当选取的频点为f_i时，计算被测信号和参比信号的相关度的过程包括下列子步骤：

221)根据频率f_i将被测信号划分为多个单周期信号；

222)将所划分的多个单周期信号累加平均，得到平均化的被测信号单周期信号S；

223)计算当前频率f_i下的平均化的被测信号单周期信号与当前参比信号的相关度。

其中，所述步骤223)中，在360度范围内选取一系列参比信号相位，对于每个参比信号相位Ψ_j，分别计算当前平均化的被测信号单周期信号与当前参比信号的相关度，并将其中最大值作为当前频率f_i下的平均化的被测信号单周期信号与当前参比信号的相关度。

其中，所述相关度 $R_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[S_k\×S_{\mathrm{ref},k}(f_i,{\mathrm{\Ψ}}_j,1)];$ 或者所述相关度 $R_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[S_k-S_{\mathrm{ref},k}(f_i,{\mathrm{\Ψ}}_j,1)]}^2;$ 或者所述相关度 $R_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[S_k+S_{\mathrm{ref},k}(f_i,{\mathrm{\Ψ}}_j,1)]}^2;$ 其中N表示单个周期的采样点数目，S_k表示平均化的被测信号的单周期信号S的第k个采样点的值，S_ref，k(f_i，Ψ_j，1)表示频率为f_i相位为Ψ_j且幅值归一化的参比信号的第k个采样点的值。

其中，所述步骤23)还包括，将使所述相关度最大的参比信号的相位值作为所测出的被测信号的相位值输出。

其中，所述相关度 $R_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[S_k\×S_{\mathrm{ref},k}(f_i,{\mathrm{\Ψ}}_j,1)],$ 其中N表示单个周期的采样点数目，S_k表示平均化的被测信号的单周期信号S的第k个采样点的值，S_ref，k(f_i，Ψ_j，1)表示频率为f_i相位为Ψ_j且幅值归一化的参比信号的第k个采样点的值；

所述步骤23)还包括，将所述最大相关度作为所测出的被测信号的幅度值输出。

本发明还提供了一种抗噪音宽带频率计，其特征在于，包括：

输入模块，用于接收被测信号的频率范围；以及

频率搜索模块，用于在所述被测信号的频率范围内，搜索使参比信号与被测信号相关度最大的频点，并将该频点作为所测出的被测信号的频率值，所述参比信号的信号模式与被测信号的信号模式相同。

其中，所述频率搜索模块包括移动平均模块和数据处理控制模块；

所述移动平均模块用于接收被测信号，并根据所述数据处理控制模块设置的频点将被测信号划分为多个单周期信号，并将所划分的多个单周期信号累加平均，再将所得到的平均化的被测信号单周期信号传输给所述数据处理控制模块；

数据处理控制模块用于对于每个参比信号频率值通过依次改变参比信号的相位值来找出该频率值下参比信号与被测信号的相关度的最大值。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明抗噪音能力强，能够准确测出低信噪比的信号。

2、本发明可测量频率范围宽。

3、本发明除了能够测出信号的频率外，还能同步测出信号的相位和幅值。

附图说明

图1示出了通过上升沿或下降沿的间隔测量频率的测量示意图；

图2示出本发明一个实施例的流程图；

图3示出本发明一个实施例中的在一定频率范围搜索被测信号的精确频率值的流程图；

图4示出了本发明一个实施例的电学连接方框示意图；

图5示出了本发明一个实施例的一个具体测量实例的示意图；

图6示出了图5的具体测量实例中所得出的以信号幅值强度表示的相关度随频移的变化曲线；

图7示出了本发明一个实施例的另一个具体测量实例的示意图；

图8示出了图7的具体测量实例中所得出的以信号幅值强度表示的相关度随频移的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地叙述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种抗噪音宽带频率测量方法。图2示出了本实施例的流程图，参考图2，本实施例包括下列步骤：

1、输入具有一定时长的原始信号，对原始信号进行预处理得到被测信号。如果被测信号为模拟信号，则还需要对被测信号进行模数转换，当然，如果被测信号本身就是数字信号，那么模数转换可以省略。为方便描述，下文多处将数字信号形式的被测信号简称为被测信号，这不影响本领域技术人员对本文的理解。预处理还包括放大、滤波等步骤。滤波过程可以是模拟滤波，也可以是数字滤波，如果是数字滤波，该滤波过程放在模数转换之后进行。预处理中的滤波主要作用是对特定的低频或高频的干扰信号进行初步滤除。

2、估测被测信号的频率范围。频率范围的估测方法可以灵活选择，例如可以用现有的频率测量方法初步测出一个频率，再把该频率作为中心频率向两边扩展，从而得到一个频率范围。当然，也可以根据观察直接预估被测信号的频率并将其作为中心频率扩展出一个频率范围。在估测频率范围后，即可在下述步骤3中在该频率范围内精确搜索被测信号的频率。

3、设定一个与被测信号的信号模式相同频率可变的参比信号，依次选取所估测的频率范围内的各频点来计算被测信号与参比信号的相关度，搜索使所述相关度最大的参比信号的频点(即频率值)，将该频点作为所测出的被测信号的频率值。

步骤3中，信号模式相同指的是信号形状相同，例如被测信号为三角波，则参比信号也为三角波，被测信号为正弦波，则参比信号也为正弦波，被测信号为方波，则参比信号也为方波。

根据本实施例，图3示出了在一定频率范围搜索被测信号的频率值的具体流程，如图3所示，该流程包括下列子步骤：

步骤301：初始化i＝0，j＝0，最大相关度R_ij，peak＝0。对参比信号的幅值进行归一化处理，即令参比信号的一个周期内的信号最大值为1。

步骤302：令参比信号频率为f_i。

步骤303：根据频率f_i将被测信号划分为多个单周期信号。

步骤304：将所划分的多个单周期信号累加平均，得到平均化的被测信号的单周期信号S。

步骤305：令参比信号的相位为Ψ_j。参比信号记为：S_ref(f_i，Ψ_j，1)。

步骤306：计算当前平均化的被测信号的单周期信号与当前参比信号的相关度

其中N表示单个周期的采样点数目。S_k表示平均化的被测信号的单周期信号S的第k个采样点的值。S_ref，k(f_i，Ψ_j，1)表示参比信号的第k个采样点的值。

步骤307：比较当前相关度R_ij是否大于所存储的最大相关度R_ij，peak，如果是，则继续执行步骤308，如果否，则直接进入步骤309。

步骤308：用当前相关度R_ij赋值给R_ij，peak，即用当前相关度R_ij替换原最大相关度，并记录当前i、j。

步骤309：令j＝j+1。

步骤310：判断360度的相位范围是否均搜索完毕，如果是，执行步骤311，如果否，返回执行步骤305。

步骤311：令i＝i+1。

步骤312：判断所确定的频率范围是否均搜索完毕，如果是，执行步骤313，如果否，返回执行步骤302。

步骤313：在搜索完预估的频率范围以及360度的相位范围后，所记录的R_ij，peak就是相关度R_ij的最大值，将所记录的使得相关度最大的i、j记其为i_p、j_p，i_p、j_p所对应的频率f_i、相位Ψ_j记为f_ip、Ψ_jp。上述f_ip、Ψ_jp与R_ij，peak分别为被测信号的频率、相位与幅值的测量结果。

容易看出，f_i是一些列离散的频率值，这些频率值覆盖了步骤2中所估测的频率范围。Ψ_j是一些列离散的相位值，这些相位值覆盖全部相位范围(即360度的相位范围)。上述频率值之间的间距以及相位值之间的间距决定了测量结果的精度。也就是说，上述测量结果的精度可以通过调整参比信号的f_i与Ψ_j变化幅度大小予以调节，f_i与Ψ_j变化幅度越小，测量结果的精度越高。

另外，本发明中，相关度主要是用来表征被测信号与参比信号的相似程度，因此，本领域技术人员易于理解，两个信号的相关度也可以用二者差平方的相反数，或者二者的和平方等方式来表征。因此，步骤306所给出的相关度计算公式仅仅是一个示例，R_ij也可以定义为本领域技术人员所公知的能够表征两个信号相似程度的表达式。例如：R_ij可以定义为当前平均化的被测信号的单周期信号与当前参比信号的差平方的相反数，即

R_ij还可以定义为当前平均化的被测信号的单周期信号与当前参比信号的和平方，即

当然，在使用差平方的相反数或和平方来计算相关度时，最后只能测出被测信号的频率和相位而不能直接测出幅值。这是本领域技术人员易于理解的。

根据本发明的另一个实施例，还提供了一种抗噪音宽带锁相频率计，图4示出了该锁相频率计的电学连接方框示意图。参考图4，本实施例提供的抗噪音宽带数字锁相频率计包括模数转换模块、移动平均模块、数据处理控制模块、输入模块和显示模块。其中，移动平均模块和数据处理控制模块组成频率搜索模块。

模数转换模块使用宽带数字示波器或功能相当的数据采集装置，实现被测信号的数字化。数字化的被测信号输入移动平均模块。容易理解，可同时设置多路模数转换模块，向移动平均模块并行输入多路被测信号。

移动平均模块用于接收各路被测信号，同时与数据处理控制模块双向连接。移动平均模块受数据处理控制模块控制，负责随着数据处理控制模块中参比信号的频移将被测信号分成多个单周期信号，并累加平均，为后续的精确测量提供经过加工的实测数据，即上文中所述的平均化的被测信号的单周期信号S。其中，移动平均模块可以使用基于累加器等器件的数字电路实现，也可使用FPGA或单片机实现。移动平均模块可对多路被测信号实现并行处理。

输入模块与数据处理控制模块连接，用于用户输入所估测的被测信号频率范围，并将该频率范围提供给所述数据处理控制模块。

数据处理控制模块接收移动平均模块所提供的数据(即上文中所述的平均化的被测信号的单周期信号S)，并对其进行数据处理，得出被测信号的频率、相位、幅值。数据处理控制模块可以使用FPGA或单片机实现。对于每路被测信号，数据处理控制模块的数据处理方法是：设定一个与被测信号的信号模式相同频率可变的参比信号，在所估测的频率范围内计算被测信号和参比信号的相关度，搜索使所述相关度最大的参比信号的频率值，将该频率值作为所测出的被测信号的频率、相位和幅值。其具体过程已在前一实施例中详细叙述，因此此处不再赘述。需注意地是，在使用差平方的相反数或和平方来计算相似度时，最后只能测出被测信号的频率和相位而不能直接测出幅值。

显示模块与所述数据处理控制模块连接，用于输出数据处理控制模块所得出的被测信号的频率、相位和幅值。

在另一实施例中，抗噪音宽带锁相频率计还包括信号调理模块，用于信号放大和滤波。其中用于滤波的子模块即可以连接在模数转换模块的前级，也可以连接在模数转换模块与移动平均模块之间，这是本领域技术人员易于理解的。

下面给出基于上述抗噪音宽带数字锁相频率计进行实际测量的两个具体实例。

实例一：

图5示出了本发明一个实施例的一个具体测量实例的示意图。其中b)部分用空心方点示出了频率为7MHz、信噪比为-20dB的正弦原始被测信号；a)部分示出了与被测信号模式相同的正弦参比信号。使用前述抗噪音宽带数字锁相频率计进行测量，测量过程中使用正弦波做参比信号，测量结果如图6所示，该图示出了以信号幅值强度表示的相关度随频移的变化曲线。容易看出，所测得的被测信号的频率、相位与幅值分别为7MHz、150度与3mV。图3b)部分用实线示出了根据测量结果的频率、相位与幅值所模拟的正弦信号，显然图3b)部分实线所示的信号与原始被测信号吻合很好。

实例二：

图7示出了本发明一个实施例的另一个具体测量实例的示意图。其中b)部分用空心方点示出了频率为3Hz、信噪比为-20dB、上升下降时间比为30％的三角波原始被测信号，a)部分示出了与被测信号模式相同的三角波参比信号。使用前述抗噪音宽带数字锁相频率计进行测量，测量过程中使用上升与下降时间比为30％的三角波信号做参比信号，测量结果如图8所示，该图示出了以信号幅值强度表示的相关度随频移的变化曲线。容易看出，所测得的被测信号的频率、相位与幅值分别为3Hz、159度与167mV。图5b)部分用实线示出了根据测量结果的频率、相位与幅值所模拟的三角波信号，显然图5b)部分实线所示的信号与原始被测信号吻合很好。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗噪音宽带频率测量方法，包括下列步骤：

1)估测被测信号的频率范围；所述被测信号为数字信号；

2)接收被测信号，在所估测的频率范围内，依次改变频率值，搜索使参比信号与被测信号相关度最大的频率值，将该频率值作为所测出的被测信号的频率值，所述参比信号的信号模式与被测信号的信号模式相同。

2.根据权利要求1所述的抗噪音宽带频率测量方法，其特征在于，所述步骤2)中，对于每个频率值，通过依次改变参比信号的相位值来找出该频率值下参比信号与被测信号的相关度的最大值。

3.根据权利要求1所述的抗噪音宽带频率测量方法，其特征在于，所述步骤2)包括下列子步骤：

21)接收被测信号，设定一个与被测信号的信号模式相同的参比信号；

22)依次选取所估测的频率范围内的各频点并分别计算各频点下被测信号和参比信号的相关度；

23)将使所述相关度最大的参比信号的频率值作为所测出的被测信号的频率值输出。

4.根据权利要求3所述的抗噪音宽带频率测量方法，其特征在于，所述步骤22)中，当选取的频点为f_i时，计算被测信号和参比信号的相关度的过程包括下列子步骤：

221)根据频率f_i将被测信号划分为多个单周期信号；

222)将所划分的多个单周期信号累加平均，得到平均化的被测信号单周期信号S；

223)计算当前频率f_i下的平均化的被测信号单周期信号与当前参比信号的相关度。

5.根据权利要求4所述的抗噪音宽带频率测量方法，其特征在于，所述步骤223)中，在360度范围内选取一系列参比信号相位，对于每个参比信号相位Ψ_j，分别计算当前平均化的被测信号单周期信号与当前参比信号的相关度，并将其中最大值作为当前频率f_i下的平均化的被测信号单周期信号与当前参比信号的相关度。

6.根据权利要求5所述的抗噪音宽带频率测量方法，其特征在于，所述相关度表示为 $R_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[S_k\×S_{\mathrm{ref},k}(f_i,{\mathrm{\Ψ}}_j,1)];$ 或者表示为 $R_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[S_k-S_{\mathrm{ref},k}(f_i,{\mathrm{\Ψ}}_j,1)]}^2;$ 或者表示为 $R_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[S_k+S_{\mathrm{ref},k}(f_i,{\mathrm{\Ψ}}_j,1)]}^2;$ 其中N表示单个周期的采样点数目，S_k表示平均化的被测信号的单周期信号S的第k个采样点的值，S_ref，k(f_i，Ψ_j，1)表示频率为f_i相位为Ψ_j且幅值归一化的参比信号的第k个采样点的值。

7.根据权利要求6所述的抗噪音宽带频率测量方法，其特征在于，所述步骤23)还包括，将使所述相关度最大的参比信号的相位值作为所测出的被测信号的相位值输出。

8.根据权利要求5所述的抗噪音宽带频率测量方法，其特征在于，所述相关度表示为

其中N表示单个周期的采样点数目，S_k表示平均化的被测信号的单周期信号S的第k个采样点的值，S_ref，k(f_i，Ψ_j，1)表示频率为f_i相位为Ψ_j且幅值归一化的参比信号的第k个采样点的值；

所述步骤23)还包括，将所述最大相关度作为所测出的被测信号的幅度值输出。

9.一种抗噪音宽带频率计，其特征在于，包括：

输入模块，用于接收被测信号的频率范围；以及

频率搜索模块，用于在所述被测信号的频率范围内，搜索使参比信号与被测信号相关度最大的频点，并将该频点作为所测出的被测信号的频率值，所述参比信号的信号模式与被测信号的信号模式相同。

10.根据权利要求9所述的抗噪音宽带频率计，其特征在于，所述频率搜索模块包括移动平均模块和数据处理控制模块；

所述移动平均模块用于接收被测信号，并根据所述数据处理控制模块设置的频点将被测信号划分为多个单周期信号，并将所划分的多个单周期信号累加平均，再将所得到的平均化的被测信号单周期信号传输给所述数据处理控制模块；

数据处理控制模块用于对于每个参比信号频率值通过依次改变参比信号的相位值来找出该频率值下参比信号与被测信号的相关度的最大值。

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