CN104777355B - 一种快速检测频率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速检测频率的方法和装置，包括：滤波步骤：提高信噪比，滤波器为带通类型，通带中心频点为待检测信号频率；移相步骤；将待检测信号变为复信号，并计算出瞬时相位；计算角度步骤；计算瞬时频率步骤；判决和统计步骤：利用简单区间来做统计分析，判定信号是否存在，区间大小取为第一步滤波器3dB带宽的1/3～1/8。本发明提供一种快速检测频率的方法和装置，通过滤波、移相、计算角度、计算瞬时频率、判决和统计，能够快速检测已知信号的有无，有效降低漏报和误报。

Description

一种快速检测频率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种快速检测频率的方法和装置。

背景技术

弱信号条件下，检测已知频率的信号是否存在。现常用的技术是快速傅里叶变换、过零点计数方式、或者是锁相环跟踪方式，第一种方式比较精确，但计算复杂，后两种计算时间较长，且需要较高的信噪比才能完成。

美国有一种灾难报警系统(National Weather Service NOAA Weather Radio)，该系统是依靠窄带调频做大范围的灾难报警，在没有险情时是作为一般广播，有险情时，解调出的声音会间歇性播1050Hz单音，单音能够持续8～10秒钟，这要求接收终端能够正确识别该单音，从而再进一步警示周围人群。以往对该1050Hz的检测是通过计数方式完成，因为不知道1050Hz 何时发送，计数效果很差。美国Silicon Lab公司依据计数方式实现的芯片往往要到8s的时间才能报警，而且常常1000Hz的单音也会报警。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速检测频率的方法和装置，能够快速检测已知信号的有无，有效降低漏报和误报。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种快速检测频率的方法，步骤如下：

(1)滤波步骤：提高信噪比，滤波器为带通类型，通带中心频点为待检测信号频率；

(2)移相步骤：将待检测信号变为复信号，并计算出瞬时相位；

(3)计算角度步骤；

(4)计算瞬时频率步骤；

(5)判决和统计步骤：利用简单区间来做统计分析，判定信号是否存在，区间大小取为第一步滤波器3dB带宽的1/3～1/8。

优选地，步骤(1)所述滤波器3dB带宽为检测时间倒数的8～15倍。

优选地，步骤(2)所述移相可以通过希尔伯特变换实现。

优选地，步骤(3)所述计算角度通过Cordic算法实现。

一种快速检测频率的装置，模块如下：

滤波模块：提高信噪比，滤波器为带通类型，通带中心频点为待检测信号频率；

移相模块；将待检测信号变为复信号，并计算出瞬时相位；

计算角度模块：

计算瞬时频率模块；

判决和统计模块：利用简单区间来做统计分析，判定信号是否存在，区间大小取为第一步滤波器3dB带宽的1/3～1/8。

优选地，所述滤波器3dB带宽为检测时间倒数的8～15倍。

优选地，所述移相可以通过希尔伯特变换实现。

优选地，所述计算角度通过Cordic算法实现。

本发明提供一种快速检测频率的方法和装置，通过滤波、移相、计算角度、计算瞬时频率、判决和统计，能够快速检测已知信号的有无，有效降低漏报和误报。

附图说明

图1为本发明一种快速检测频率的方法和装置的流程示意图；

图2为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的滤波器的幅频示意图；

图3为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的两滤波器的移相特性示意图；

图4为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的频率与信噪比关系示意图；

图5为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的alert1曲线示意图；

图6为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的频率分布和检测时间曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1为本发明一种快速检测频率的方法和装置的流程示意图。

第一步：滤波

该滤波环节起着提高信噪比的作用，滤波器为带通类型，通带中心频点就是我们要检测的信号的频率，该数值为已知，滤波器带宽劲可能窄，原则是3dB带宽倒数的10倍与检测时间相当即可；

第二步：移相

该环节的目的是把要检测的信号变为一个复信号，以便于计算瞬时相位。移相可 以通过希尔伯特变换实现。假如进入移相单元的点频信号为cos(ωt)，则从该单元输出的 信号为

第三步：计算角度

角度计算可以通过Cordic算法实现，在后面的实例中会对Cordic算法做一个解释。计算角度单元有两个输入，cos(ωt)作为输入的横坐标，sin(ωt)作为输入的纵坐标，要求的输出即为角度θ，从而θ就等于ωt；

第四步：计算瞬时频率，该单元的输入就是第三步中计算出的瞬时相位ωt，很显然在没有干扰且要检测的信号存在时，此处算出的瞬时频率就等于

第五步：判决和统计

考虑到实际是检测弱信号是否存在，这里必定有很多噪声干扰，第四步算出的瞬时频率并不总是等于而应该是一个分布，我们在这里需要做一个判决，我们把瞬时频率在内的样本认为是支持弱信号存在的样本，在这个区间外的是支持弱信号不存在的样本，这里B的大小应考虑为第一步滤波器3dB带宽的1/3～1/8，在得到足够多样本后，区间内和区间外样本比例就会稳定下来，这是若区间内样本比例能占到50％，则我们说要检测的弱信号存在。

这里有一对矛盾，误报和漏报，所谓误报是说弱信号不存在而被判为存在的错误；所谓漏报是弱信号存在而未能检测到的错误。根据上面讨论的判决方式，B越大，漏报概率越小，误报概率就会增加；反之B越小，漏报概率会增加，误报概率会变小。这个需要根据两种错误哪个导致的后果更为严重而定，若对于漏报造成的后果严重，则B相对取得大一些。

实施例1

美国有一种灾难报警系统(National Weather Service NOAA Weather Radio)，该系统是依靠窄带调频做大范围的灾难报警，在没有险情时是作为一般广播，有险情时，解调出的声音会间歇性播1050Hz单音，单音能够持续8～10秒钟，这要求接收终端能够正确识别该单音，从而再进一步警示周围人群。以往对该1050Hz的检测是通过计数方式完成，因为不知道1050Hz 何时发送，计数效果很差。美国Silicon Lab公司依据计数方式实现的芯片往往要到8s的时间才能报警，而且常常1000Hz的单音也会报警。依据本文提到的方式经计算可以实现200ms即可正确报警，频率在1043～1058Hz之间的点频信号才可以报警，有效地降低了误报概率，极大地提高了报警的速度。

实施例2

图2为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的滤波器的幅频示意图；图3为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的两滤波器的移相特性示意图；图4为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的频率与信噪比关系示意图；图5为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的alert1曲线示意图；图6为本发明实施例2提供的一种快速检测频率的方法和装置的频率分布和检测时间曲线示意图。

以1050Hz检测为例，为ADS定点仿真模型，其中相位是17bit量化，幅度为12bit量化，系统主时钟为10KHz。第一步处理滤波，此处滤波器采用4阶IIR滤波器，传递函数为：该滤波器的幅频响应曲线如图2所示；仿真图中hilbert模块为第二步移相，该模块内有两个FIR滤波器；针对1050Hz信号，这两个滤波器输出幅度基本一样，其Q支路相位较I支路落后90度，两个滤波器的相移特性如图3所示；仿真图中rect2polar模块实现的是从直角坐标到极坐标的转换，也就是从I和Q两个量变为包络和相位，这里采用的是Cordic算法，具体的算法理论此处不赘述；利用这个仿真模型仿真，从估算出的频率(仿真图形中estfreq观测口)看，其分布与信噪比如图4所示，从这些估计出的频率的分布看，当信噪比大于-20dB时，其分布就和仅有噪声时不同，在信噪比大于-14dB时，估算出的频率分布与仅有噪声时明显不同。

图5为不同信噪比的alert1曲线，这里根据估计频率落到1050Hz正负10Hz内的样本做了统计，当概率超过50％时，alert1置1，且锁住。从图5可以看到随着信噪比的提升，检测时间也会逐渐变短，此处检测时间由下面这个滤波器决定，当信噪比高时该滤波器的带宽可以再放宽一些，这样检测时间可以进一步缩短。若考虑信噪比有10dB，我们可以将B取为10Hz，滤波器改为下图参数，其余保持不变，这时估计频率的分布和检测时间曲线如图6所示。这时检测时间8.4ms，频率精度5Hz，若按照通常过零计数方式，严格10ms时间计数，精度才可以达到100Hz，由此可以看到本文所述方法有着极大的优势。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种快速检测频率的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)滤波步骤：提高信噪比，滤波器为带通类型，通带中心频点为待检测信号频率；所述滤波器的3db带宽为检测时间倒数的8～15倍；

(2)移相步骤：将待检测信号变为复信号，并计算出瞬时相位；所述移相通过希尔伯特变换实现；

(3)计算角度的步骤；所述计算角度通过Cordic算法实现；

(4)计算瞬时频率的步骤；

(5)判决和统计的步骤：利用简单区间来做判断分析，判定信号是否存在，区间大小取为第一步滤波器3db带宽的1/3～1/8。

2.一种如权利要求1所述的快速检测频率的方法的快速检测频率的装置，其特征在于，模块如下：

滤波模块：提高信噪比，滤波器为带通类型，通带中心频点为待检测信号频率；所述滤波器3db带宽为检测时间倒数的8～15倍；

移相模块：将待检测信号变换为复信号，并计算出瞬时相位；所述移相通过希尔伯特变换实现；

计算角度模块；所述计算角度通过Cordic算法实现；

计算瞬时频率模块；

判决和统计模块：利用简单区间来做判断分析，判定信号是否存在，区间大小取为第一步滤波器3db带宽的1/3～1/8。