CN107064628A - 高精度频率测量系统及方法 - Google Patents

高精度频率测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高精度频率测量系统及方法，该系统包括：模数转换模块，用于将模拟中频信号转换为数字中频信号；混频模块，用于产生两路正交的本地载波将数字中频信号变频到数字基带信号；抽取滤波模块，用于对数字基带信号进行低通滤波与抽取，以降低数据速率；傅立叶变换模块，用于将短数据进行离散傅立叶变换得到频域信号；测频模块，基于频域信号中幅度最大值及相邻的两个计算值，采用三点插值测频得到第一频率测量值；扫描模块，以第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用步进扫描，按照傅立叶变换方式逐点计算幅度最大值，得到扫描的第二频率测量值；选择器，用于选择第一、二频率测量值其中一个测量的结果。提高了频率测量精度。

Description

高精度频率测量系统及方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种基于数字信号处理的短数据高精度频率测量系统及方法。
背景技术
参数估计是信号与信息处理学科的重要组成部分，也是近年来非常活跃、发展迅速的一个研究领域。在时间序列中，信号频率是一个重要的信号参数，测量淹没在噪声中的正弦波频率是现代信号处理中最有实用价值的技术之一，是测试所有谱估计性能的基础，也是信号处理技术的基础。该技术在雷达、电子对抗、声纳等领域有着广泛的应用，频率测量技术的进步必然推动以上应用领域的发展，随着现代通信及信息处理技术的迅猛发展，对频率测量技术的研究必然会提出更高的要求。
然而，现有的经典法(即，频率测量方法)都是以傅立叶变换(DFT)为基础的，快速傅立叶变换(FFT)的发现，促使经典法得到了更广泛的应用。但是经典法的局限性在于其测量分辨率与数据长度成正比，要提高分辨率必须增加数据长度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高精度频率测量系统及方法，用于解决现有技术中测量短数据精度不高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高精度频率测量系统，包括：
模数转换模块，接收模拟中频信号，用于将所述模拟中频信号转换为数字中频信号；
混频模块，其输入端连接所述模数转换模块的输出端，用于产生两路正交的本地载波将数字中频信号变频到数字基带信号；
抽取滤波模块，其输入端连接所述混频模块的输出端，用于对所述数字基带信号进行低通滤波与抽取处理，以降低数据速率；
傅立叶变换模块，其输入端连接于所述抽取滤波模块的输出端，用于将所述短数据进行离散傅立叶变换得到频域信号；
测频模块，其输入端连接所述傅立叶变换模块的输出端，基于傅立叶变换的频域信号中幅度最大值及相邻的两个计算值，采用三点插值测频得到第一频率测量值；
扫描模块，其输入端连接所述测频模块的输出端，以所述第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用步进扫描，按照傅立叶变换方式逐点计算幅度最大值，得到扫描的第二频率测量值；
选择器，其输入端分别连接所述测频模块、及扫描模块的输出端，用于选择第一频率测量值与第二频率测量值中任意一个作为频率测量的结果。
本发明的另一目的在于提供一种高精度频率测量方法，包括：
将模拟中频信号进行模数转换生成数字中频信号；
利用混频模块产生两路正交的本地载波，将数字中频信号变频到数字基带信号；
对所述数字基带信号进行低通滤波与抽取处理，以降低数据速率；
将所述短数据进行离散傅立叶变换得到其对应的频域信号；
基于傅立叶变换中频域信号的幅度最大值及相邻的两个计算值，采用三点插值测频得到第一频率测量值；
以所述第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用小频率步进，按照傅立叶变换方式进行计算，根据幅度最大值得到扫描的第二频率测量值；
选择第一频率测量值与第二频率测量值中任意一个作为频率测量的结果。
如上所述，本发明的高精度频率测量系统及方法，具有以下有益效果：
采用三点插值和精细扫描的方式突破了数据长度对频率测量精度的限制，即使通过短数据也能获取得很高的频率测量精度；同时，通过设置旁路控制和二选一电路，不仅增强了整个系统的灵活性，还避免了资源浪费。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种高精度频率测量系统结构框图；
图2显示为图1中高精度频率测量系统中的抽取滤波模块的结构框图；
图3显示为图1中高精度频率测量系统中的频率信号的DFT幅值样本；
图4显示为本发明提供的一种高精度频率测量方法流程图。
元件标号说明：
1 模数转换模块
2 混频模块
3 抽取滤波模块
4 傅立叶变换模块
5 测频模块
6 扫描模块
7 选择器
8 参数配置模块
9 时钟模块
S1～S7 步骤1至步骤7
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种高精度频率测量系统，包括：
模数转换模块1，接收模拟中频信号，用于将所述模拟中频信号转换为数字中频信号；
混频模块2，其输入端连接所述模数转换模块1的输出端，用于产生两路正交的本地载波将数字中频信号变频到数字基带信号；
根据系统需求可采用过采样或带通采样等采样策略，当采用过采样策略时，载波频率与模拟中频频率相同，当采用带通采样策略时，载波频率需与带通采样后的信号中心频率一致。
另外，所述混频模块包括频率源与乘法器，所述频率源采用直接频率合成器21(DDS)实现，产生两路正交的本地载波；通过两路乘法器分别对应连接第一混频电路22、第二混频电路23，将数字中频信号下变频到数字基带信号。
抽取滤波模块3，其输入端连接所述混频模块2的输出端，用于对所述数字基带信号进行低通滤波与抽取处理，以降低数据速率；
其中，第一抽取滤波模块31与第二抽取滤波模块32对数字基带信号进行低通滤波和抽取，一方面滤除高频噪声；另一方面降低数据率；抽取倍数的选择需保证抽取后的信号频谱不发生混叠。
傅立叶变换模块4，其输入端连接于所述抽取滤波模块3的输出端，用于将所述短数据进行离散傅立叶变换得到频域信号；
其中，采用离散傅里叶变换电路(DFT/FFT)，DFT变换电路采用快速傅里叶变换(FFT)算法，对短时间内经过混频、抽取和滤波后的短数据(速率降低的数据)进行离散傅里叶变换。
测频模块5，其输入端连接所述傅立叶变换模块4的输出端，基于傅立叶变换的频域信号中幅度最大值及相邻的两个计算值，采用三点插值测频得到第一频率测量值；
其中，所述测频模块包括幅值排序电路与三点插值电路，所述幅值排序电路，用于根据离散傅立叶变换所得的幅值大小进行排序得到幅度最大值；所述三点插值电路，用于根据幅度最大值以及其相邻两个计算值为依据，利用三点插值算法，进行多种三点插值算法运算得到第一频率测量值。
扫描模块6，其输入端连接所述测频模块5的输出端，以所述第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用步进扫描，按照傅立叶变换方式逐点计算幅度最大值，得到扫描的第二频率测量值；
其中，所述扫描模块为精细扫描电路，用于根据三点插值测频得到第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用小频率步进，按照傅立叶变换思路进行计算幅值最大点，得到对应的为第二频率测量值。
选择器7，其输入端分别连接所述测频模块5、扫描模块6的输出端，用于选择第一频率测量值与第二频率测量值中任意一个作为频率测量的结果。
所述选择器为二选一电路，其中，在基于三点插值测频模块和扫描模块的精细测量结果中选择一个作为系统的测量结果，该功能增强了系统的灵活性，可根据实际需求进行合适的选择以尽可能的降低系统复杂度。
在本实施例中，通过设置测频模块与扫描模块，相对于以傅立叶变换(DFT)为基础的扫频测量方法，突破了数据长度对频率测量精度的限制，即使通过短数据也能获取得很高的频率测量精度。
具体地，所述高精度频率测量系统还包括：参数配置模块7，其用于根据外部输入的配置信息对所述傅立叶变换模块中数据长度、抽取滤波模块的抽取倍数、滤波系数与旁路选择电路进行参数配置；
时钟模块8，其用于根据外部输入的配置信息产生各个模块所需的时钟信号。
在本实施例中，所述参数配置模块与时钟模块8均是外部输入的配置信息进行配置，提高了整个系统的灵活度。
请参阅图2，为图1中高精度频率测量系统中的抽取滤波模块的结构框图，包括：
所述抽取滤波电路包括积分梳妆滤波器31CIC、半带滤波器32HB(Half-BandFilter)、FIR(Finite Impulse Response)滤波器33、可变抽取器34与多个旁路选择电路A，其中，所述积分梳妆滤波器31、半带滤波器32、FIR滤波器33与可变抽取器34的首位依次相连，且所述积分梳妆滤波器31、半带滤波器32、FIR滤波器33与可变抽取器34均对应并联一个旁路选择电路A。
具体地，在本实施例中，所示CIC滤波器31和HB滤波器32可以对高数据率的信号进行快速抽取，使数据率快速降下来，由于CIC滤波器31的系数都是1，因此，只有加减运算，硬件实现非常简单，但其过渡带和阻带衰减特性不是很好。HB滤波器32的抽取因子固定为2，其滤波器系数近一半为零，可以节省一半的乘法器，非常适合采样率降一半的应用需求。FIR滤波器33的主要用途是对信道进行整形滤波，可变抽取电路34则可以进一步降低数据率。设置旁路选择电路使得系统具有更高的灵活性，满足多种应用需求。
请参阅图3，为图1中高精度频率测量系统中的频率信号的DFT幅值样本，包括：
一个单频点信号的DFT变换的幅值样本，其中，Fk表示DFT运算结果中幅值最大的点所对应的频率，Fk+1和Fk-1是其相邻的两个计算频率，Fpeak表示信号的真实频率，在理想情况下Fpeak位于Fk+1和Fk-1之间，在经典频率估计算法中，通常根据傅里叶变换的结果将Fk作为频率估计的结果，其频率估计精度最高只能达到DFT的物理分辨率，受到数据长度的影响。本发明中利用三点插值算法得出一个小数修正项δ，用以表示Fpeak与Fk之间的距离，最终得到更为精确的信号频率估计值Fpeak，可以完成三点插值的算法包括Jacobsen,Quinn和Macleod等人提出算法：
其中，式(1)至式(4)中Xk、Xk+1和Xk-1分别表示Fk、Fk+1和Fk-1对应的DFT计算结果，Re表示取实部，P和Q表示可变常数，用于调节不同窗函数带来的影响。三点插值的频率估计结果通过下式得到：
Fpeak＝Fk+δfs/N (5)
其中，式(5)中fs为采样频率，N为参与DFT运算的点数，小数修正项δ，Fk表示DFT运算结果中幅值最大的点所对应的频率，Fpeak表示信号的真实频率。
在本实施例中，通过三点插值算法提高了频率测量系统的精度，打破了经典法的局限性，即测量分辨率与数据长度成正比，要提高分辨率必须增加数据长度的手段。
请参阅图4，为本发明提供的一种高精度频率测量方法流程图，包括：
步骤S1，将模拟中频信号进行模数转换生成数字中频信号；
其中，具体可采用模数转换器对输入的模拟中频信号进行转换，如ADC(模数转换电路)。
步骤S2，利用混频模块产生两路正交的本地载波，将数字中频信号变频到数字基带信号；
其中，具体可采用混频模块对数字中频信号进行处理，得到数字基带信号，在此不一一赘述。
步骤S3，对所述数字基带信号进行低通滤波与抽取处理，以降低数据速率；
其中，具体可采用抽取滤波模块，对所述数字基带信号进行滤波和处理，得到短数据。
步骤S4，将所述短数据进行离散傅立叶变换得到其对应的频域信号；
其中，具体可采用傅立叶变换模块进行离散傅立叶变换处理。
步骤S5，基于傅立叶变换中频域信号的幅度最大值及相邻的两个计算值，采用三点插值测频得到第一频率测量值；
其中，具体可采用测频模块进行处理。
步骤S6，以所述第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用小频率步进，按照傅立叶变换方式进行计算，根据幅度最大值得到扫描的第二频率测量值；
其中，具体可采用扫描模块进行处理。
步骤S7，选择第一频率测量值与第二频率测量值中任意一个作为频率测量的结果。
其中，具体可采用二选一电路，选择其中一个作为频率测量的结果。
所述步骤6的具体方式，详述如下：
确定扫描范围和扫描步进m，在扫描范围内以第一频率测量值为中心；按照以下公式进行扫描计算：
式(6)中，x[n]为数据序列，X[m]中幅值最大的点所对应的频率即为测量结果，m为小数，其取值代表所扫描的频率点。
综上所述，本发明采用三点插值和精细扫描的方式突破了数据长度对频率测量精度的限制，即使通过短数据也能获取得很高的频率测量精度；同时，通过设置旁路控制和二选一电路，不仅增强了整个系统的灵活性，还避免了资源浪费。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种高精度频率测量系统，其特征在于，包括：
模数转换模块，接收模拟中频信号，用于将所述模拟中频信号转换为数字中频信号；
混频模块，其输入端连接所述模数转换模块的输出端，用于产生两路正交的本地载波以将所述数字中频信号变频到数字基带信号；
抽取滤波模块，其输入端连接所述混频模块的输出端，用于对所述数字基带信号进行低通滤波与抽取处理以降低数据速率；
傅立叶变换模块，其输入端连接于所述抽取滤波模块的输出端，用于将所述短数据进行离散傅立叶变换得到频域信号；
测频模块，其输入端连接所述傅立叶变换模块的输出端，基于傅立叶变换的频域信号中幅度最大值及相邻的两个计算值，采用三点插值测频得到第一频率测量值；
扫描模块，其输入端连接所述测频模块的输出端，以所述第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用步进扫描，按照傅立叶变换方式逐点计算幅度最大值，得到扫描的第二频率测量值；
选择器，其输入端分别连接所述测频模块及扫描模块的输出端，用于选择第一频率测量值与第二频率测量值中任意一个作为频率测量的结果。
2.根据权利要求1所述的高精度频率测量系统，其特征在于，所述混频模块包括频率源与乘法器，所述频率源采用直接频率合成器实现，产生两路正交的本地载波；通过两路乘法器分别对应连接第一混频电路、第二混频电路，将数字中频信号下变频到数字基带信号。
3.根据权利要求1所述的高精度频率测量系统，其特征在于，所述抽取滤波电路包括积分梳妆滤波器、半带滤波器、FIR滤波器、可变抽取器与多个旁路选择电路，其中，所述积分梳妆滤波器、半带滤波器、FIR滤波器与可变抽取器的首位依次相连，且所述积分梳妆滤波器、半带滤波器、FIR滤波器与可变抽取器均对应并联一个旁路选择电路。
4.根据权利要求1所述的高精度频率测量系统，其特征在于，所述测频模块包括幅值排序电路与三点插值电路，所述幅值排序电路，用于根据离散傅立叶变换所得的幅值大小进行排序得到幅度最大值；所述三点插值电路，用于根据幅度最大值以及其相邻两个计算值为依据，利用三点插值算法计算得到第一频率测量值。
5.根据权利要求1所述的高精度频率测量系统，其特征在于，所述扫描模块为精细扫描电路，用于根据三点插值测频得到第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用小频率步进，按照傅立叶变换方式进行计算，得到对应的幅值最大点为第二频率测量值。
6.根据权利要求1所述的高精度频率测量系统，其特征在于，所述选择器为二选一电路。
7.根据权利要求1所述的高精度频率测量系统，其特征在于，还包括：参数配置模块，其用于根据外部输入的配置信息对所述傅立叶变换模块中数据长度、抽取滤波模块的抽取倍数、滤波系数与旁路选择电路进行参数配置。
8.根据权利要求1所述的高精度频率测量系统，其特征在于，还包括：时钟模块，其用于根据外部输入的配置信息产生各个模块所需的时钟信号。
9.一种高精度频率测量方法，其特征在于，包括：
将模拟中频信号进行模数转换生成数字中频信号；
利用混频模块产生两路正交的本地载波，将数字中频信号变频到数字基带信号；
对所述数字基带信号进行低通滤波与抽取处理，以降低数据速率；
将所述短数据进行离散傅立叶变换得到其对应的频域信号；
基于傅立叶变换中频域信号的幅度最大值及相邻的两个计算值，采用三点插值测频得到第一频率测量值；
以所述第一频率测量值为中心，在扫描范围内采用小频率步进，按照傅立叶变换方式进行计算，根据幅度最大值得到扫描的第二频率测量值；
选择第一频率测量值与第二频率测量值中任意一个作为频率测量的结果。
10.根据权利要求9所述的高精度频率测量方法，其特征在于，所述在扫描范围内采用小频率步进，采用傅立叶变换方式进行计算，根据幅度最大值得到扫描的第二频率测量值的步骤，包括：
确定扫描范围和扫描步进m，在扫描范围内以第一频率测量值为中心；按照以下公式进行扫描计算：
<mrow> <mi>X</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>m</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mi>x</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>n</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>m</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> </msup> </mrow>
式中，x[n]为数据序列，X[m]中幅值最大的点所对应的频率即为测量结果，m为小数，其取值代表所扫描的频率点。
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