CN109490624B - 脉冲信号频率测量器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲信号频率测量器，主要解决现有技术易受硬件系统精度和杂波干扰的影响，测量准确度较差的问题。其包括：A/D单元、信号处理单元和接口单元。A/D采样单元对输入的中频脉冲信号进行调理送给信号处理单元进行解调处理；信号处理单元包括微处理模块(1)、运算处理模块(2)、变频控制模块(3)、数据传输模块(4)和监测模块(5)，分别用于计算获得中频脉冲信号的脉冲频率、脉冲重复频率、脉冲宽度信息和外部跳频源频率输出值，并送给接口单元；接口单元将信号处理单元输入的计算结果送给外部上位机的显示控制单元使用。本发明具有测量脉冲频率准确度更高，速度更快的优点，可用于气象雷达综合测试设备。

Description

脉冲信号频率测量器

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，尤其涉一种脉冲信号频率测量器,可用于脉冲体制雷达的脉冲频率、脉冲重复频率、脉宽的测量。

背景技术

测量脉冲体制雷达的脉冲频率、脉冲重复频率、脉冲宽度是雷达制造和检测中必要的环节。目前，对脉冲体制雷达的脉冲重复频率、脉宽的测量主要采用峰值检波后对脉冲的上升沿计数得到脉冲的宽度和脉冲的周期。脉冲频率的测量是对根据信号的周期进行测量后得到脉冲信号的频率。

用上述方法进行测量时,会存在以下不足:

由于脉冲频率、脉冲重复频率、脉冲宽度的测量受到硬件系统精度和杂波干扰的影响，准确度较差；

由于脉冲信号较窄，脉冲重复频率较高，测量时难度较大，对硬件电路的设计要求高；

当脉冲宽度较窄时，测量误差较大。

为解决这一问题，现有技术采用频率锁定的方式，模拟产生与脉冲波频率相同的连续波后，对连续波的频率进行测量，如RD301A气象雷达测试仪采用脉冲信号下变频至1GHz，用锁相环电路锁定脉冲频率，用频率源模拟脉冲频率信号发出该频率段的连续波，使用上升沿检测计数的方式获得测量频率。但这种方法在测量窄脉冲时，由于脉冲包含频率信息较少，造成锁定频率时间变长，使得频率源生成连续波的准确度变差，造成测量频率速度较慢。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种新的脉冲频率测量器，以提高测量的速度和准确度。

本发明的技术思路是：通过采样脉冲信号后，对脉冲信号进行软件滤波、整形、通过算法提取脉冲包络后，计算脉冲重复频率、脉冲宽度；通过傅里叶变换计算脉冲的频率。

根据上述思路,本发明提出的脉冲信号频率测量器，包括：A/D单元、信号处理单元和接口单元，A/D单元将采样的含有中频调制信号的脉冲信号送给信号处理单元，信号处理单元对采样信号进行解调运算，得出频率值和脉冲重复频率值，并通过接口单元输出，其特征在于：

信号处理单元包括：

微处理模块，用于为运算处理模块、变频控制模块、数据传输模块和监测模块的运行提供硬件运行平台；

运算处理模块，用于完成对脉冲信号的解调运算，得出频率值序列和脉冲重复频率值序列及脉冲宽度序列，发送给数据传输模块、变频控制模块与检测模块；

变频控制模块，用于实时根据运算处理模块得到的脉冲信号频率测量值、脉冲宽度、脉冲重复频率的变化率判定脉冲信号频率测量是否正确，不正确时，通过RS422通讯方式获读取外部跳频源的工作状态是否正常；当跳频源工作正常时，通过RS422通讯方式向跳频源发出频率跳变指令，直到脉冲信号频率测量值正确后，允许数据传输模块对外输出测量结果；

数据传输模块，用于当变频控制模块判定脉冲频率追踪正常后，对运算处理模块得到的脉冲频率值、脉冲重复频率值和脉冲宽度值进行平滑处理后，通过RS422通讯接口输出；

监测模块，用于对微处理模块、运算处理模块、变频控制模块和数据传输模块的运行状态进行监控，当有测量数据异常或微处理模块出现故障时，发出报警信号。

作为优选，运算处理模块包括：变频时钟子模块、正交分解子模块、第一FIR滤波器子模块、第二FIR滤波器子模块、脉冲信号处理子模块和傅里叶变换子模块；

所述变频时钟子模块，用于将输入时钟变频为40M和160M两路时钟，该40M时钟输出给正交分解子模块、第一FIR滤波器子模块、第二FIR滤波器子模块、脉冲信号处理子模块、傅里叶变换子模块、数据传输模块和监测模块；该160M时钟输出给变频控制模块；

所述正交分解子模块，用于将A/D单元采样后的中频调制信号的脉冲信号进行正交分解运算，输出给第一FIR滤波器子模块；

所述第一FIR滤波器子模块，用于将中频调制脉冲信号的高频率分量进行低通滤波处理，低通滤波处理后的信号输出给脉冲信号处理子模块；

所述第二FIR滤波器子模块，用于提取脉冲信号处理子模块输出的信号，并进行包络检测，得到脉冲信号的包络，再重新输出至脉冲信号处理子模块；

所述脉冲信号处理子模块，用于对第二FIR滤波器子模块将处理后的信号进行运算，判断是否有脉冲信号输入，在有脉冲信号出现时，计算脉冲的重复频率和脉冲宽度并输入至数据传输模块，在没有脉冲信号出现时，将故障信号发送至监测模块；并将第一FIR滤波器子模块输入的数据发送至傅里叶变换子模块；

所述傅里叶变换子模块，用于对脉冲信号处理子模块输入的信号进行傅里叶变换后实时输入给数据传输模块。

本发明以现有技术相比，具有如下优点：

本发明由于通过运算处理模块，完成对脉冲信号的解调运算，得出频率值序列和脉冲重复频率值序列及脉冲宽度序列，即用的第一FIR滤波器子模块有针对性地滤除了采样信号中的随机干扰，保证了采样数据的稳定性，提高了测量脉冲频率的准确度；用第二FIR滤波器子模块提取脉冲包络信号，不需要额外增加硬件脉冲检波电路，降低了硬件设计难度；利用傅里叶变换子模块的运算速度快、运算数据量大的特性，提高了脉冲频率测量分辨率、准确度和测量速度；通过脉冲信号处理子模块采用的脉冲判别机制，提高了弱脉冲信号数据、窄脉冲信号的辨识度，提高了脉冲宽度和脉冲重复频率的测量范围；

本发明由于通过监测模块实时监控脉冲信号频率测量器工作状态，提高了该脉冲信号频率测量器的可靠性和可测试性。

仿真结果表明，本发明的测量脉冲信号脉冲频率、脉冲宽度、脉冲重复频率的方法精度达±20k，测量稳定性好，满足上述气象雷达综合测试设备测试仪的指标要求。

附图说明

图1为本发明使用的气象雷达综合测试设备测试仪系统框图；

图2为本发明的脉冲信号频率测量器结构框图；

图3为本发明中的信号处理单元结构框图；

图4为本发明信号处理单元中的运算处理模块结构框图；

图5为本发明信号处理单元中的变频控制模块结构图；

图6为本发明信号处理单元中的数据传输模块结构框图；

图7为本发明信号处理单元中的监控模块结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，气象雷达综合综合测试设备，主要用于对机载气象雷达的功能测试。该气象雷达综合测试设备测量气象雷达发射信号载波频率、脉冲信号的峰值功率、脉冲信号宽度、脉冲重复频率等信息，并根据测量结果输出同频回波。

气象雷达综合测试设备包括收发前端、变频模块、频综模块、脉冲信号频率测量器、显示控制单元、电源模块和机箱面板等七个部分。气象雷达的射频信号经过收发前端后分别分输出到变频模块、显示控制单元；变频模块根据锁定的射频信号频率产生9260MHz～9480MHz本振信号与输入的射频信号混频下变频得到30MHz中频脉冲信号，该中频脉冲信号经脉冲信号频率测量器处理后得到脉冲频率、脉冲重复频率和脉冲宽度信息数据发送给显示控显示控制单元；显示控制单元通过控制频综模块模拟射频回波信号传输给气象雷达。

本发明主要涉及气象雷达综合测试设备中的脉冲信号频率测量器。

参考图2，本发明的脉冲信号频率测量器，包括A/D单元、信号处理单元和接口单元这三个部分。A/D采样单元对输入的中频脉冲信号进行带通滤波、幅度放大和采样后送给信号处理单元进行解调处理；信号处理单元计算获得该中频脉冲信号的脉冲频率、脉冲重复频率、脉冲宽度信息和外部跳频源频率输出值送入给接口单元。接口单元通过RS422通讯的方式分为两路输出，一路将发送脉冲频率、脉冲重复频率和脉冲宽度数据输出给外部使用，另一路根据外部跳频源频率输出值输出控制外部跳频源指令。

参考图3，所述信号处理单元包括微处理模块1、运算处理模块2、变频控制模块3、数据传输模块4和监测模块5。其中：

微处理模块1，是信号处理单元的核心，用于为运算处理模块2、变频控制模块3、数据传输模块4和监测模块5提供硬件运行平台，其包括：逻辑核心子模块11和DSP核心子模块12，其中：逻辑核心子模块11，用于构成运算处理模块2的硬件电路平台，通过RS422通讯电路与DSP核心子模块进行信息交互；DSP核心子模块12，用于构成变频控制模块3、数据传输模块4、监测模块5的硬件电路平台。本实例采用但不限于使用ZYNQ7020芯片作为微处理模块。

运算处理模块2，通过对输入的30M±5M的中频脉冲信号依次进行滤波、脉冲包络检波、脉冲包络门限调节和高速傅里叶变换，计算出脉冲频率值；通过输入的30M±5M的中频脉冲信号依次进行滤波、脉冲包络检波、脉冲包络门限调节和对脉冲包络信号的持续时间计数，计算出脉冲宽度值；对相邻两个脉冲包络信号的间隔时间进行计数，计算出脉冲重复频率值。

变频控制模块3，通过RS422通讯方式向外部跳频源发出频率跳变指令，通过读取运算处理模块2的频率测量值判读得到30M±2M的中频脉冲信号，并判定运算处理模块2输出的相邻两个脉冲宽度数据、脉冲重复频率数据的变化率的数值是否超过判定门限，当该变化率的数值大于判定门限时，变频控制模块3将判定结果发送至监测模块5，监测模块5对外部发出故障信息；当该变化率的数值小于判定门限时，变频控制模块3发送命令让运算处理模块2将其实时计算的脉冲频率值、脉冲宽度值、脉冲重复频率值传送给数据传输模块4；

数据传输模块4，对运算处理模块2输入的脉冲频率值序列、脉冲重复频率值序列和脉冲宽度值序列分别相加后求其各自的平均值得到脉冲频率结果、脉冲重复频率结果和脉冲宽度结果，并通过RS422通讯接口将这些计算结果输出给气象雷达综合测试设备的显示控制单元；

监测模块5，用于将运算处理模块2的工作模式切换至测试模式，并将标准脉冲样本输入给运算处理模块2，并将变频控制模块3输出控制外部跳频源指令值给监测模块5；运算处理模块2将计算得到的脉冲频率值、脉冲重复频率值、脉冲宽度值也输入给监控模块5；监控模块5判定运算处理模块2输入的脉冲频率值、脉冲重复频率值、脉冲宽度值是否在正常范围；同时判定从变频控制模块3接收到的控制外部跳频源指令值是否正确：

若运算处理模块2输入的脉冲频率值、脉冲重复频率值、脉冲宽度值均在正常范围，且控制外部跳频源指令值正确时，则监测模块5再把运算处理模块2的测试模式切换至工作模式，气象雷达综合测试设备开始对气象雷达发射信号开始测量。

若运算处理模块2输入的脉冲频率值、脉冲重复频率值、脉冲宽度值不在正常范围，或从变频控制模块3发出的控制外部跳频源指令值不正确时，则监测模块5给气象雷达综合测试设备的显示控制单元输出报警信息；

同时，监测模块5对微处理模块1的电压、电流和温度进行监控，当微处理模块1的电压值、电流值、温度值超过监测模块5预先设定的过压门限值、过流门限值、温度门限值时，监测模块5给气象雷达综合综合测试设备的显示控制单元输出故障信息。

参考图4，所述的运算处理模块2包括变频时钟子模块21、正交分解子模块22、第一FIR滤波器子模块23、第二FIR滤波器子模块24、脉冲信号处理子模块25和傅里叶变换子模块26。其中：

变频时钟子模块21将输出的时钟信号稳锁定在40MHz，为正交分解子模块22、第一FIR滤波器子模块23、第二FIR滤波器子模块24、脉冲信号处理子模块25提供时序基准。

正交分解子模块22，对A/D采样单元输入的中频脉冲信号，通过正交分解运算将中频脉冲信号分解为I,Q两路信号输出至第一FIR滤波器子模块23。

第一FIR滤波器子模块23将正交分解模块22输入的I、Q两路信号同时进行软件低通滤波处理，以滤除35MHz以上的频段的干扰信号，并将软件低通滤波后的I、Q两路信号分别输入给FIR滤波器子模块24和脉冲信号处理子模块25。

FIR滤波器子模块24将第一FIR滤波器子模块23输入的I路和Q路的脉冲信号数据分别求平方值后再相加，得到脉冲包络信号输入给脉冲信号处理子模块25。

脉冲信号处理子模块25接收FIR滤波器子模块24输入的脉冲包络信号后进行累加求平均值并放大数倍后，作为脉冲包络信号的门限值；当FIR滤波器子模块24输入的脉冲包络信号的幅度值大于脉冲包络门限值时，脉冲信号处理子模块25的脉冲宽度计数器开始计数；当FIR滤波器子模块24输入的脉冲包络信号的幅度值小于脉冲包络门限值时，脉冲信号处理子模块25的脉冲宽度计数器结束计数，同时将脉冲宽度计数器的值同时输出给变频控制模块3、数据传输模块4和监测模块5，并将FIR滤波器子模块23输入的I路和Q路的脉冲信号数据送给傅里叶变换子模块26；当FIR滤波器子模块24输入的脉冲包络信号的幅度值小于脉冲包络门限值时，脉冲信号处理子模块25的脉冲重复频率计数器开始计数，当FIR滤波器子模块24输入的脉冲包络信号的幅度值大于脉冲包络门限值时，脉冲信号处理子模块25的脉冲重复频率计数器停止计数，同时将脉冲重复频率计数器的值同时输出至变频控制模块3、数据传输模块4和监测模块5。

傅里叶变换子模块26将脉冲信号处理子模块25输入的I路和Q路的4096个脉冲信号数据作为一组进行快速傅里叶变换，再将每组中的每一个快速傅里叶变换后的I路信号的平方值和Q路信号的平方值后相加得到4096个频段的幅度值。

从上述的4096个频段的幅度值找出最大值所处于的频段，得到脉冲频率值，并输出给数据传输模块4和监测模块5。

参考图5，所述的变频处理模块3，包括定时器子模块31、跟踪算法子模块32、变频通讯子模块33；

定时器子模块31，用于产生100ms的时间基准，提供给跟踪算法子模块32和变频通讯子模块33。

跟踪算法子模块32，用于根据定时器子模块31产生的程序运行时间基准，在每一个定时周期计算出外部跳频源在下个定时周期的频率输出值，并送入变频通讯子模块33准备对外发送，其具体实现是：

跟踪算法子模块32先对运算处理模块2输出的两次频率值做差，当频率的差值小于200K时，再将运算处理模块2输入的两次频率值求平均值，再将该平均值与30MHz频率值做差，得到外部跳频源的频率输出值；当频率的差值大于200k时，跟踪算法子模块32保持外部跳频源的频率输出值不变；跟踪算法子模块32将外部跳频源的频率输出值在每个定时周期内发送一次给变频通讯子模块33。

变频通讯子模块33，用于根据定时器子模块31产生的100ms程序运行时间基准，在每一个定时周期获取一次跟踪算法子模块32计算出的外部跳频源频率输出值，并将该频率输出值发送至至气象雷达测试仪的变频模块。

参考图6，所述的数据传输模块4，包括：

频率解算子模块41、脉冲重复频率解算子模块42、脉冲宽度解算子模块43和显示通讯子模块44；

频率解算子模块41，用于对运算处理模块2输入的频率值序列每16个相加后求均方根，并排序累加得到脉冲频率数据送入显示通讯子模块44；

脉冲重复频率解算子模块42，对运算处理模块2输入的脉冲重复频率值序列进行16次累加求均值，得到脉冲重复频率数据送入显示通讯子模块44；

脉冲宽度解算子模块43，对运算处理模块2输入的脉冲宽度序列进行累加16次后求均值，得到得到脉冲宽度数据结果送入显示通讯子模块44；

显示通讯子模块44，用于将频率解算子模块41计算的脉冲频率数据、脉冲重复频率解算子模块42计算的脉冲重复频率数据和脉冲宽度解算子模块43计算的脉冲宽度数据每隔100ms输出至气象雷达测试仪中的显示控制单元。

参考图7，所述的监测模块5，包括：故障报警子模块51、第一控制子模块52、波形存储子模块53，其中：

故障报警子模块51，用于监控微处理模块1的过压、过流及过温故障，检测运算处理模块2、变频控制模块3和数据传输模块4的功能是否正常，并将故障信息和功能检测结果通过RS22通讯接口发送至外部上位机接口，即气象雷达测试仪中的显示控制单元。

第一控制子模块52，用于对运算处理模块2的工作模式和测试模式进行切换。在气象雷达测试仪开始测量气象雷达脉冲频率前，第一控制子模块52向运算处理模块2发出测试模式命令，当第一控制子模块52收到故障报警子模块51发出的测试成功的信息后，第一控制子模块52给运算控制模块2发出切换至工作模式的指令。

波形存储子模块53，用于内存储一个脉冲频率30MHz，脉冲重复频率250ms，脉冲宽度1ms的标准脉冲样本，并将该标准脉冲样本数据输入给运算处理模块2。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脉冲信号频率测量器，包括：A/D单元、信号处理单元和接口单元，A/D单元将采样的含有中频调制信号的脉冲信号送给信号处理单元，信号处理单元对采样信号进行解调运算，得出频率值和脉冲重复频率值，并通过接口单元输出，其特征在于：

信号处理单元包括：

微处理模块(1)，用于为运算处理模块(2)、变频控制模块(3)、数据传输模块(4)和监测模块(5)的运行提供硬件运行平台；

运算处理模块(2)，用于完成对脉冲信号的解调运算，得出频率值序列和脉冲重复频率值序列及脉冲宽度序列，发送给变频控制模块(3)、数据传输模块(4)与监测模块(5)；运算处理模块(2)包括：变频时钟子模块(21)、正交分解子模块(22)、第一FIR滤波器子模块(23)、第二FIR滤波器子模块(24)、脉冲信号处理子模块(25)和傅里叶变换子模块(26)；

所述变频时钟子模块(21)，用于将输入时钟变频为40M和160M两路时钟，该40M时钟输出给正交分解子模块(22)、第一FIR滤波器子模块(23)、第二FIR滤波器子模块(24)、脉冲信号处理子模块(25)、傅里叶变换子模块(26)、数据传输模块(4)和监测模块(5)；该160M时钟输出给变频控制模块(3)；

所述正交分解子模块(22)，用于将A/D单元采样后的中频调制信号的脉冲信号进行正交分解运算，输出给第一FIR滤波器子模块(23)；

所述第一FIR滤波器子模块(23)，用于将中频调制脉冲信号的高频率分量进行低通滤波处理，低通滤波处理后的信号输出给脉冲信号处理子模块(25)；

所述第二FIR滤波器子模块(24)，用于提取脉冲信号处理子模块(25)输出的信号，并进行包络检测，得到脉冲信号的包络，再重新输出至脉冲信号处理子模块(25)；

所述脉冲信号处理子模块(25)，用于对第二FIR滤波器子模块将(24)处理后的信号进行运算，判断是否有脉冲信号输入，在有脉冲信号出现时，计算脉冲的重复频率和脉冲宽度并输入至数据传输模块(4)，在没有脉冲信号出现时，将故障信号发送至监测模块(5)；并将第一FIR滤波器子模块(23)输入的数据发送至傅里叶变换子模块(26)；

所述傅里叶变换子模块(26)，用于对脉冲信号处理子模块(25)输入的信号进行傅里叶变换后实时输入给数据传输模块(4)；

变频控制模块(3)，用于实时根据运算处理模块(2)得到的脉冲信号频率测量值、脉冲宽度、脉冲重复频率的变化率判定脉冲信号频率测量是否正确，不正确时，通过RS422通讯方式获读取外部跳频源的工作状态是否正常；当跳频源工作正常时，通过RS422通讯方式向跳频源发出频率跳变指令，直到脉冲信号频率测量值正确后，允许数据传输模块(4)对外输出测量结果；

数据传输模块(4)，用于当变频控制模块(3)判定脉冲频率追踪正常后，对运算处理模块(2)得到的脉冲频率值、脉冲重复频率值和脉冲宽度值进行平滑处理后，通过RS422通讯接口输出；

监测模块(5)，用于对微处理模块(1)、运算处理模块(2)、变频控制模块(3)和数据传输模块(4)的运行状态进行监控，当有测量数据异常或微处理模块出现故障时，发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的脉冲信号频率测量器，其特征在于，变频控制模块(3)包括：定时器子模块(31)、跟踪算法子模块(32)、变频通讯子模块(33)；

所述定时器子模块(31)，用于产生程序运行的时间基准；

所述跟踪算法子模块(32)，用于根据定时器子模块(31)产生的程序运行时间基准，在每一个定时周期计算出外部跳频源在下个定时周期的频率输出值，并送入变频通讯子模块(33)准备对外发送；

所述变频通讯子模块(33)，用于根据定时器子模块(31)产生的程序运行时间基准，在每一个定时周期获取外部跳频源频率反馈值，并将跟踪算法子模块(32)计算出的频率输出的值发送至外部跳频源。

3.根据权利要求1所述的脉冲信号频率测量器，其特征在于，数据传输模块(4)包括：频率解算子模块(41)、脉冲重复频率解算子模块(42)、脉冲宽度解算子模块(43)和显示通讯子模块(44)；

所述频率解算子模块(41)，用于对运算处理模块(2)输入的频率值序列进行求均方根，并排序累加后将结果送入显示通讯子模块(44)；

所述脉冲重复频率解算子模块(42)，对运算处理模块(2)输入的脉冲重复频率值序列进行累加求均值，并将结果送入显示通讯子模块(44)；

所述脉冲宽度解算子模块(43)，对运算处理模块(2)输入的脉冲宽度序列进行累加求均值，并将结果送入显示通讯子模块(44)；

所述显示通讯子模块(44)，用于将频率解算子模块(41)计算的脉冲频率数据、脉冲重复频率解算子模块(42)计算的脉冲重复频率数据和脉冲宽度解算子模块(43)计算的脉冲宽度数据对外输出。

4.根据权利要求1所述的脉冲信号频率测量器，其特征在于，监测模块(5)包括：

故障报警子模块(51)，用于监控微处理模块(1)的过压、过流及过温故障，检测运算处理模块(2)、变频控制模块(3)和数据传输模块(4)的功能是否正常，并将故障信息和功能检测结果发送至外部上位机接口；

第一控制子模块(52)，用于对运算处理模块(2)的工作模式和测试模式进行切换；

波形存储子模块(53)，用于内存储一个标准脉冲样本，并将该标准脉冲样本数据输入给运算处理模块(2)。

5.根据权利要求1所述的脉冲信号频率测量器，其特征在于，微处理模块(1)包括：

逻辑核心子模块(11)，用于构成运算处理模块(2)的硬件电路平台，通过RS422通讯电路与DSP核心子模块进行信息交互；

DSP核心子模块(12)，用于构成变频控制模块(3)、数据传输模块(4)、监测模块(5)的硬件电路平台。

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