CN108918965A

CN108918965A - 多通道信号相位、幅度高精度测量方法

Info

Publication number: CN108918965A
Application number: CN201810500852.5A
Authority: CN
Inventors: 庞豪; 王江; 高祥
Original assignee: Chengdu Jiu Jin Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Jiu Jin Technology Co Ltd
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2018-11-30

Abstract

本发明特别涉及一种多通道信号相位、幅度高精度测量方法，包括如下步骤：(S1)记多通道输入信号为r(k，n)；(S2)将各通道信号进行数字下变频，并进行抽取滤波器得到下变频后的IQ数据r_ddc(k，n)；(S3)将窗函数w(n)与自身做卷积获取卷积窗win(m)；(S4)对下变频后的数据进行加窗；(S5)对加窗后的信号进行折叠相加；(S6)对折叠相加后的信号进行N点FFT计算将信号转换到频域；(S7)求取索引值index；(S8)根据索引值计算各通道的幅度A(k)和相位通过将输入2N点数据转换为N点进行预处理并进行一系列计算，可以大大改善频谱泄露，避免因频谱泄漏造成的幅度和相位测量误差，提高了测量精度，同时，测量步骤中的处理步骤较少，数据的运算量比较小、速度快。

Description

多通道信号相位、幅度高精度测量方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种多通道信号相位、幅度高精度测量方法。

背景技术

传统的通道间的相位差及幅度差测量方法大都是采用快速傅里叶变换(即FFT)进行频域测量，无论是直接进行实数FFT运算还是基带复数FFT的模式，都会存在由于非整数周期的FFT的频谱泄露，从而造成算法本身会引入一定误差，因此会降低幅度差以及相位差测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的多通道信号相位、幅度高精度测量方法，避免了因频谱泄漏造成的幅度及相位测量误差。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种多通道信号相位、幅度高精度测量方法，包括如下步骤：(S1)记多通道输入信号为r(k，n)，其中k＝0，1，2，...，K-1；(S2)将各通道信号进行数字下变频，并进行抽取滤波器得到下变频后的IQ数据r_ddc(k，n)，其中k＝0，1，2，...，K-1；(S3)将窗函数w(n)与自身做卷积，从而获取卷积窗win(m)；(S4)对下变频后的数据进行加窗：r_win(k，m)＝win(m)·r_ddc(k，m)，其中0≤m≤2N-1；(S5)对加窗后的信号进行折叠相加：

(S6)对折叠相加后的信号进行N点FFT计算将信号转换到频域：

其中，m＝0，1，2，...，N-1；k＝0，1，2，...，K-1；(S7)根据公式S_FFT(k，index)＝max(|S_FFT(k，m)|)求取索引值index；(S8)按如下公式计算各通道的幅度A(k)和相位

其中，通道号k＝0，1，2，...，K-1。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过将输入2N点数据转换为N点进行预处理并进行一系列计算，可以大大改善其频谱泄露，从而避免因频谱泄漏造成的幅度和相位测量误差，大大提高了测量精度，同时，测量步骤中的处理步骤较少，数据的运算量比较小，从而运算速度也会比较快。

附图说明

图1是各通道信号的数字下变频处理框图；

图2是各通道下变频数据进行APFFT处理框图；

图3是对各通道数据计算幅度和相位的示意图；

图4a是各通道相对于第0参考通道的幅度差计算示意图；

图4b是各通道相对于第0参考通道的相位差计算示意图；

图5是一阶IIR滤波器结构框图；

图6是本发明的系统框图。

具体实施方式

下面结合图1至图6，对本发明做进一步详细叙述。

参阅图1-6，一种多通道信号相位、幅度高精度测量方法，包括如下步骤：(S1)记多通道输入信号为r(k，n)，其中k＝0，1，2，...，K-1；(S2)将各通道信号进行数字下变频，并进行抽取滤波器得到下变频后的IQ数据r_ddc(k，n)，其中k＝0，1，2，...，K-1；(S3)将窗函数w(n)与自身做卷积，从而获取卷积窗win(m)；在软件实现中卷积窗的计算在初始化时完成，在实际输入数据计算时不再耗费具体的运算时间，而在进行FPGA实现，卷积窗同样需要提前算好，不同的是，将计算好的卷积窗根据需要进行定点量化，并采用FPGA内部的块存储器存放，在实际输入数据流处理时，直接从FPGA存储器中获取即可，因此也不需要消耗运算时间。前级DDC模块的输出数据是连续的，根据需要的结果更新速率选择合适的2N点进行处理，在FPGA实现时，需要放置一个存储器或者是FIFO，当存够2N点时，开始输出，为后续操作提高基带IQ数据。将各通道的基带IQ数据作APFFT处理，如图2所示，其具体处理过程如下：

(S4)对下变频后的数据进行加窗：r_win(k，m)＝win(m)·r_ddc(k，m)，其中0≤m≤2N-1；(S5)对加窗后的信号进行折叠相加：

(S6)对折叠相加后的信号进行N点FFT计算将信号转换到频域：

其中，m＝0，1，2，...，N-1；k＝0，1，2，...，K-1；FFT算法是非常成熟的算法，软件中有相应的库函数可以实现，而FPGA实现则也有成熟的FFT ip-core可以调用，这里不具体讨论其实现流程。

参阅图3，(S7)根据公式S_FFT(k，index)＝max(|S_FFT(k，m)|)求取索引值index；(S8)按如下公式计算各通道的幅度A(k)和相位

其中，通道号k＝0，1，2，...，K-1。在输入频率未知时，采用峰值搜索的方式首先对S_FFT(k，m)求模并取最大值，其最大值所对应的索引值index即所求，在进行具体实现时，可以直接对复数S_FFT(k，m)的实部和虚部的平方和进行搜索，搜索出最大值所对应的索引值即可。幅度的计算可以同幅度搜索相结合，减少运算量。在实际的软件实现时，上述计算可以分解为平方、相加、开方、相除、反正切等基本函数计算，在软件中有相应的库函数可以很直接实现，而在进行FPGA实现时，则可以采用cordic算法直接计算输入复数的幅度以及相位，cordic算法非常成熟且有现成的ip-core可以调用，因此这里不再赘述。

通过将输入2N点数据转换为N点进行预处理并进行一系列计算，可以大大改善其频谱泄露，从而避免因频谱泄漏造成的幅度和相位测量误差，大大提高了测量精度，同时，测量步骤中的处理步骤较少，数据的运算量比较小，从而运算速度也会比较快。

当输入信号的频率f作已知时，可以通过更简单的方案来确定索引值index，为本发明的优选方案，所述的步骤S7改为如下步骤：(S7’)根据输入信号的频率f、经过DDC抽取后的基带采样率f_s，按如下公式求取索引值index：

或

其中round()为四舍五入函数，INT()为取整函数，这里两种函数均可以使用，任选一种即可。通过这样的计算，可以大大减少计算量。

参阅图3、图5，优选地，所述的步骤S8后还包括步骤S9：(S9)各通道的幅度A(k)和相位采用一阶IIR滤波器进行平滑处理后得到平滑后的幅度A′(k)和相位其中一阶IIR滤波器的系统差分方程为：y(n)＝a·y(n-1)+b·x(n)。采用一阶IIR滤波器进行平滑，可以降低幅度和相位的波动，使得测量结果更稳定可靠。一般地，这里可以取a＝0.9，b＝0.1即可。

一般来说，最后的结果都是通过幅度差、相位差来展现的，故进一步地，本实施例中，根据各通道信号的幅度A′(k)和相位按如下步骤计算幅度差和相位差：(S10)选择任何一个通道作为参考通道，记为r(z，n)，其中z取{0，1，2，...，K-1}中任一值；(S11)按如下公式计算幅度差A_Δ(k)和相位差

其中k＝0，1，2，...，K-1且k≠z；这里只所以需要对的结果进行判定，是因为计算过程中，结果可能会跳出-π～+π的范围，根据2π的周期性，对最后的取值进行处理，保证的结果落在-π～+π的范围内。图4a和图4b中所示的是以第0通道r(0，n)作为参考通道时，分别计算幅度差和相位差的示意图。

具体地，所述的步骤S2中，下变频是通过采用常规的级联CIC+HB+FIR滤波器实现的。多级滤波器的实现一方面可以提供可变采样率的数据，另一方面还能提供更纯净的信号，具体下变频实现流程图如图1所示。

优选地，所述的步骤S3中，选择N点的hann窗(这里同样可以选用其它类型的窗函数)，窗函数表达式如下：

其中，n＝0，1，2，...，N-1；其与自身做卷积后的卷积窗表达式如下：

其中，m＝0，1，2，...，2N-1，所述卷积窗计算完成后存储在存储器中，对输入数据流处理时直接从存储器中读取。

优选地，所述的步骤S11中，先对A′(z)求倒数，然后分别与其他各通道相乘。除法运算在FPGA消耗资源多，延时也大，为了满足降低资源消耗，实际实现时可先将A′(0)求倒数，然后分别乘以各通道的A′(k)，从而将多路除法运算简化为多路乘法运算，有利于FPGA实现。另外，在计算幅度差时，有时也采用对数dB来表示，此时只需要计算20·log₁₀[A_Δ(k)]即可。

Claims

1.一种多通道信号相位、幅度高精度测量方法，包括如下步骤：

(S1)记多通道输入信号为r(k，n)，其中k＝0，1，2，...，K-1；

(S2)将各通道信号进行数字下变频，并进行抽取滤波器得到下变频后的IQ数据r_ddc(k，n)，其中k＝0，1，2，...，K-1；

(S3)将窗函数w(n)与自身做卷积，从而获取卷积窗win(m)；

(S4)对下变频后的数据进行加窗：

r_win(k，m)＝win(m)·r_ddc(k，m)，其中0≤m≤2N-1；

(S5)对加窗后的信号进行折叠相加：

(S6)对折叠相加后的信号进行N点FFT计算将信号转换到频域：

其中，m＝0，1，2，...，N-1；k＝0，1，2，...，K-1；

(S7)根据公式S_FFT(k，index)＝max(|S_FFT(k，m)|)求取索引值index；

(S8)按如下公式计算各通道的幅度A(k)和相位

其中，通道号k＝0，1，2，...，K-1。

2.如权利要求1所述的多通道信号相位、幅度高精度测量方法，其特征在于：所述的步骤S7改为如下步骤：

(S7’)根据输入信号的频率f、经过DDC抽取后的基带采样率f_s，按如下公式求取索引值index：

或

其中round()为四舍五入函数，INT()为取整函数。

3.如权利要求1或2所述的多通道信号相位、幅度高精度测量方法，其特征在于：所述的步骤S8后还包括步骤S9：

(S9)各通道的幅度A(k)和相位采用一阶IIR滤波器进行平滑处理后得到平滑后的幅度A′(k)和相位其中一阶IIR滤波器的系统差分方程为：y(n)＝a·y(n-1)+b·x(n)。

4.如权利要求3所述的多通道信号相位、幅度高精度测量方法，其特征在于：根据各通道信号的幅度A′(k)和相位按如下步骤计算幅度差和相位差：

(S10)选择任何一个通道作为参考通道，记为r(z，n)，其中z取{0，1，2，...，K-1}中任一值；

(S11)按如下公式计算幅度差A_Δ(k)和相位差

其中k＝0，1，2，...，K-1且k≠z。

5.如权利要求4所述的多通道信号相位、幅度高精度测量方法，其特征在于：所述的a＝0.9，b＝0.1。

6.如权利要求4所述的多通道信号相位、幅度高精度测量方法，其特征在于：所述的步骤S2中，下变频是通过采用常规的级联CIC+HB+FIR滤波器实现的。

7.如权利要求4所述的多通道信号相位、幅度高精度测量方法，其特征在于：所述的步骤S3中，选择N点的hann窗(这里同样可以选用其它类型的窗函数)，窗函数表达式如下：

8.如权利要求4所述的多通道信号相位、幅度高精度测量方法，其特征在于：所述的步骤S11中，先对A′(z)求倒数，然后分别与其他各通道相乘。