CN109521269A - 一种幅度调制信号数字化测频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种针对幅度调制信号的数字化测频方法。所述方法用于对AM幅度调制信号进行测频；首先对数字信号进行数字下变频，然后计算出幅度和相位，对幅度求平均值，用该幅度平均值对同时段内的相位差值进行判断，根据判断结果决定其可用性。本发明所述方法对AM输入信号具有良好的测频效果。并且，本发明所述方法适合宽带测频，测试范围跨越500kHz～32MHz整个频率区间，测频自动化程度高，测频速度快。

Description

一种幅度调制信号数字化测频方法
技术领域
本发明主要属于测试技术领域，具体涉及一种针对幅度调制信号的数字化测频方法。
背景技术
频域分析是信号分析和测量的重要内容，从严格意义上说，任何信号都是由不同频率、不同幅度的正弦波组成。现代高精度数字接收机要求精确地测量各个正弦波的频率和相位，并把测得的数据应用到后续的工业、医学、科研、军工等领域中。现代高精度测频在军事装备、电子对抗、移动通信领域中，具有广泛的应用。特别是在噪声环境中，频率测试对频率测试方法提出了新的要求。
现有技术中，对AM信号的频率测试方法包括计数法、推算法、傅里叶变换法、差分相位法等。
计数法测频首先利用整流电路处理输入信号，输出对应脉冲信号，利用脉冲数与频率之间的关系测出瞬时频率值。但是频率计数法，在针对频率较高的场合时，需要的频率测试精度越高，需要的时间越长，即在高分辨率测量时，测试时间过长。
推算法利用输入信号的几个采样点即可，利用大量的软件算法求得频率，是一种以软件算法为核心的频率测试方案；但是推算法实现测频的软件算法相对复杂，不适合在以硬件系统为核心的场合实现。
傅里叶变换法，信号频率与FFT信号输入的峰值点具有对应关系，并且FFT点数越多，测得的频率精度越高。但是利用傅里叶变换法测频，为了获得高精度结果，需要增加FFT的点数，因而增加的资源消耗，在要求高精度的场合资源消耗比较大。
差分相位法，是一种短波接收机中比较常用的测频方案，对幅度稳定的信号具有比较可靠的测试效果。现有技术中差分相位法的流程框图如图1所示，首先利用输入信号生成两路正交数据I、Q，利用I、Q数据完成信号鉴相过程，计算当前周期与相邻周期两个采样点之间的相位差，依靠相位差与信号采样率以及中心频率之间的关系即可计算出瞬时频率值。
其中，I和Q为两路正交数据，常用的实现方法：利用输入信号与NCO(数字控制振荡器)的两路正交输出相乘实现；鉴相可以运用CORDIC(坐标旋转数字计算方法)模块实现。频率换算可以利用以下公式：
公式中，f'为幅度调制信号的频率，Δθ'为相邻两个采样数据之间的相差平均值，T为信号的采样周期，A为修正参数，与采样时钟频率相关，f1为DDS产生的信号的频率。
因此，针对幅度稳定的信号，利用现有技术中的差分相位法可以很好地解决等幅度信号的瞬时频率值测量。但是，AM(幅度调制)信号作为一种载波幅度随着调制信号周期性变化的信号，是一种典型的非等幅信号。在信号幅度最小值的附近，部分采样点之间的相位差值不稳定，如果采用传统的差分相位法对AM(幅度调制)信号进行测频，会出现随着调制深度增加频率测试误差增大的现象。因此无法利用传统的差分相位法对幅度调制信号进行测频。
综上，计数法测频精度越高，测试时间越长；推算法测频软件算法复杂、傅里叶变换测频测试精度越高硬件资源消耗越大；差分相位法随着AM调制深度增加误差增加。因此，亟需一种针对幅度调制信号的准确的测频方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明目的在于提供一种幅度调制信号数字化测频方法，在差分相位法的基础上进行了改进，对幅度调制信号最小幅度处相邻采样点之间相位差的可用性进行了判断，不再对输入信号的幅度稳定性做要求，可以快速，准确地测得AM信号的瞬时频率值。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种幅度调制信号数字化测频方法，所述方法用于对AM幅度调制信号进行测频；首先对数字信号进行数字下变频，计算获得幅度数据和相位数据；然后对幅度数据求平均值，采用幅度平均值对同时段内的相位差值进行判断，对幅度平均值小于幅度阈值的时段内的相位差值做丢弃处理，对幅度平均值大于阈值的时段内的相位差值进行相位累加，当累加到一定程度进行相位差平均，获得相位差平均值，基于所述相差平均值计算获得所述幅度调制信号的频率。
进一步地，获得所述幅度数据和所述相位数据的方法具体为：
将AM幅度调制信号经过AD转换完成从模拟信号到数字信号的转换，获得转换后的数字信号；
利用直接数字频率发生器DDS生成两路正交波形，所述两路正交波形包括正弦波形和余弦波形；
采用两个乘法器将转换后的数字信号与所述正弦波形和余弦波形分别相乘，完成数字正交的过程，获得的两路输出信号；
将所述两路输出信号通过两个宽带HB滤波器分别进行处理，所述两个宽带HB滤波器的输出分别作为CORDIC模块的X路和Y路数据输入，所述CORDIC模块输出相位数据和幅度数据。
进一步地，所述相差平均值的获得，具体为：
对于所述幅度数据，将相邻的多个幅值进行求平均，获得幅度平均值；
对所述相位数据延时一个时钟周期缓存，利用相邻数据点的两个相位值计算相位差，并对相位差做延时转存处理，延时的周期取决于对所述幅度数据进行平均的次数，采用每个幅度平均值对相对应时间内的相位差值进行判断，严格同步对齐；
对幅度平均值大于幅度阈值的时段内的相位差值进行相位差累加，同时计数值做加一处理；
对幅度平均值小于幅度阈值的时段内的相位差值做丢弃处理，即相位差不进行累加，计数值保持不变；
然后判断计数值，当计数值达到设定计数值后，进行相位差平均，获得相差平均值；
若计数值未达到设定计数值，则对下一个相位差进行有效性判断，继续执行。
进一步地，所述幅度阈值是在对无调制正弦波测频的情况下测试得到，具体为：
将已知幅度的无调制正弦波经过AD转换完成从模拟信号到数字信号的转换，获得转换后的数字信号；
利用直接数字频率发生器DDS生成两路正交波形，所述两路正交波形包括正弦波形和余弦波形；
采用两个乘法器将转换后的数字信号与所述正弦波形和余弦波形分别相乘，完成数字正交的过程，获得的两路输出信号；
将所述两路输出信号通过两个宽带HB滤波器分别进行处理，所述两个宽带HB滤波器的输出分别作为CORDIC模块的X路和Y路数据输入，所述CORDIC模块输出相位数据和幅度数据；
对于所述幅度数据，将相邻的多个幅值进行求平均，获得已知幅度的无调制正弦波对应的数字化幅度平均值；所述已知幅度的无调制正弦波对应的数字化幅度平均值即为所述幅度阈值。
进一步地，所述正弦波形和所述余弦波形分别为20MHz正弦波形和20MHz余弦波形。
进一步地，所述宽带HB滤波器的带宽要求19.5MHz以上。
进一步地，所述CORDIC模块具体为坐标旋转数字计算模块。
进一步地，基于所述相位差计算获得所述幅度调制信号的频率，具体为：
其中，
当Ai≥AY时，Δθi＝Δθ，i＝i+1；否则，i＝i；
公式中，f'为待测幅度调制信号的频率；T为信号的采样周期；A为修正参数，与采样时钟频率相关；f1为直接数字频率发生器DDS产生的信号的频率；Δθ'为相邻两个采样数据之间的相差平均值，N为设定计数值，AY为设定的幅度阈值，Δθ为相邻两个采样数据点之间的相位差，Δθi为Δθ的转存数据，Ai为与Δθi具有对应关系的幅度值。
进一步地，所述方法的测试范围跨越500kHz～32MHz整个频率区间。
本发明的有益技术效果：
本发明所述方法不要求输入信号幅度稳定，专门应对AM幅度调制信号进行测频，调幅(AM)就是使载波的振幅随着调制信号的变化规律而变化，利用相位差进行测频时需要利用幅度阈值监控各个幅度点，对幅度小于阈值的区域内的相位差做丢弃处理。这样对不同幅度位置的相位差进行了区分利用，可以对AM信号精确测频。
附图说明
图1为现有技术中差分相位法的流程框图；
图2为本发明实施例中获得相位差平均值的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
针对采用传统的差分相位法对AM(幅度调制)信号进行测频，会出现随着调制深度增加频率测试误差增大的现象，无法利用传统的差分相位法对幅度调制信号进行测频。本发明实施例提供一种幅度调制信号数字化测频方法，
如图2所示，所述方法具体包括：
将AM幅度调制信号经过AD(数字模拟)转换完成从模拟信号到数字信号的转换，获得转换后的数字信号；
利用直接数字频率发生器DDS生成两路正交波形，所述两路正交波形包括正弦波形和余弦波形；其中，在本实施例中，优选地，所述正弦波形和所述余弦波形分别为20MHz正弦波形和20MHz余弦波形。
采用两个乘法器将转换后的数字信号与所述正弦波形和余弦波形分别相乘，完成数字正交的过程，获得的两路输出信号；
将所述两路输出信号通过两个宽带HB(半带)滤波器分别进行处理，所述两个宽带HB滤波器的输出分别作为CORDIC模块的X路和Y路数据输入，所述CORDIC模块输出相位数据和幅度数据；优选地，所述宽带HB滤波器的带宽要求19.5MHz以上。所述CORDIC模块具体为坐标旋转数字计算模块。
对于所述幅度数据，将相邻的多个幅值进行求平均，获得幅度平均值；
对所述相位数据延时一个时钟周期缓存，利用相邻数据点的两个相位值计算相位差，并对相位差做延时转存处理，延时的周期取决于对所述幅度数据进行平均的次数，采用每个幅度平均值对相对应时间内的相位差值进行判断，严格同步对齐；
对幅度平均值大于幅度阈值的时段内的相位差值进行相位差累加，同时计数值做加一处理；
对幅度平均值小于幅度阈值的时段内的相位差值做丢弃处理，即相位差不进行累加，计数值保持不变；其中，优选地，所述阈值在等幅度测频的情况下测试得到；
然后判断计数值，当计数值达到设定计数值后，进行相位差平均，获得相差平均值，将相差平均值上传到上位机，进行后续测频计算。
若计数值未达到设定计数值，则对下一个相位差进行有效性判断，继续执行。
其中，所述阈值在对无调制正弦波测频的情况下测试得到。输入信号为已知幅度的无调制正弦波，经过图2的前端处理过程，在幅值平均处得到的数字化幅度值即为该幅度阈值；具体为：
将已知幅度的无调制正弦波经过AD转换完成从模拟信号到数字信号的转换，获得转换后的数字信号；
利用直接数字频率发生器DDS生成两路正交波形，所述两路正交波形包括正弦波形和余弦波形；
采用两个乘法器将转换后的数字信号与所述正弦波形和余弦波形分别相乘，完成数字正交的过程，获得的两路输出信号；
将所述两路输出信号通过两个宽带HB滤波器分别进行处理，所述两个宽带HB滤波器的输出分别作为CORDIC模块的X路和Y路数据输入，所述CORDIC模块输出相位数据和幅度数据；
对于所述幅度数据，将相邻的多个幅值进行求平均，获得已知幅度的无调制正弦波对应的数字化幅度平均值；所述已知幅度的无调制正弦波对应的数字化幅度平均值即为所述幅度阈值。
在本实施例中，基于所述相位差计算获得所述幅度调制信号的频率，具体为：
其中，
当Ai≥AY时，Δθi＝Δθ，i＝i+1；否则，i＝i；
公式中，f'为待测幅度调制信号的频率；T为信号的采样周期；A为修正参数，与采样时钟频率相关；f1为直接数字频率发生器DDS产生的信号的频率；Δθ'为相邻两个采样数据之间的相差平均值，N为设定计数值，AY为设定的幅度阈值，Δθ为相邻两个采样数据点之间的相位差，Δθi为Δθ的转存数据，Ai为与Δθi具有对应关系的幅度值。
本实施例中，上述测频方法的测试范围跨越500kHz～32MHz整个频率区间。
本发明提供了一种500kHz～32MHz接收机的针对幅度调制信号的数字化测频方法，对AM幅度调制信号的频率值测量具有良好的效果，本发明所述方法主要对数字信号的频率进行测量，首先对数字信号进行数字下变频，然后计算出幅度和相位，对幅度求平均值，用该幅度平均值对同时段内的相位差值进行判断，根据判断结果决定其可用性，因此本方案对AM输入信号具有良好的测频效果。并且在本发明中，采用宽带测频方法，测试范围跨越500kHz～32MHz整个频率区间，测频自动化程度高，测频速度快。本发明所述方法对用于计算瞬时频率的可用相位差值进行了取平均处理，优化噪声环境下的测频效果。
本发明所述方法突出优点如下：
1)测频范围大：本发明所述方法能够实现500kHz～32MHz接收机的频率测量功能，利用宽带HB滤波器，整个测频过程自动化程度高，不需要繁琐的参数设置过程。相比较窄带测频的方法，整个测频过程流程更加简洁，易于实现。
2)不要求输入信号幅度稳定：本发明所述方法能够应对AM幅度调制信号进行测频。调幅(AM)就是使载波的振幅随着调制信号的变化规律而变化。利用相位差进行测频时需要利用阈值监控各个幅度点，对幅度小于幅度阈值的区域内的相位差做丢弃处理。这样对不同幅度位置的相位差进行了区分利用，可以对AM信号精确测频。
3)测试速度快：本发明所述方法是一种宽带测频方案，相对于窄带测试方案，可以实现500kHz～32MHz频率范围内的快速测频，方案易于实现，同时，利用多次平均的方法，提升了其在信噪比低的场合的应用。
4)可移植性高：本方案是一种全数字测频方法，易于实现平台间移植，可重复利用性良好。

Claims (9)

1.一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，所述方法用于对AM幅度调制信号进行测频；首先对数字信号进行数字下变频，计算获得幅度数据和相位数据；然后对幅度数据求平均值，采用幅度平均值对同时段内的相位差值进行判断，对幅度平均值小于幅度阈值的时段内的相位差值做丢弃处理，对幅度平均值大于阈值的时段内的相位差值进行相位累加，当累加到一定程度进行相位差平均，获得相位差平均值，基于所述相差平均值计算获得所述幅度调制信号的频率。
2.根据权利要求1所述一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，获得所述幅度数据和所述相位数据的方法具体为：
将AM幅度调制信号经过AD转换完成从模拟信号到数字信号的转换，获得转换后的数字信号；
利用直接数字频率发生器DDS生成两路正交波形，所述两路正交波形包括正弦波形和余弦波形；
采用两个乘法器将转换后的数字信号与所述正弦波形和余弦波形分别相乘，完成数字正交的过程，获得的两路输出信号；
将所述两路输出信号通过两个宽带HB滤波器分别进行处理，所述两个宽带HB滤波器的输出分别作为CORDIC模块的X路和Y路数据输入，所述CORDIC模块输出相位数据和幅度数据。
3.根据权利要求1或2所述一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，所述相差平均值的获得，具体为：
对于所述幅度数据，将相邻的多个幅值进行求平均，获得幅度平均值；
对所述相位数据延时一个时钟周期缓存，利用相邻数据点的两个相位值计算相位差，并对相位差做延时转存处理，延时的周期取决于对所述幅度数据进行平均的次数，采用每个幅度平均值对相对应时间内的相位差值进行判断，严格同步对齐；
对幅度平均值大于幅度阈值的时段内的相位差值进行相位差累加，同时计数值做加一处理；
对幅度平均值小于幅度阈值的时段内的相位差值做丢弃处理，即相位差不进行累加，计数值保持不变；
然后判断计数值，当计数值达到设定计数值后，进行相位差平均，获得相差平均值；
若计数值未达到设定计数值，则对下一个相位差进行有效性判断，继续执行。
4.根据权利要求3所述一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，所述幅度阈值是在对无调制正弦波测频的情况下测试得到，具体为：
将已知幅度的无调制正弦波经过AD转换完成从模拟信号到数字信号的转换，获得转换后的数字信号；
利用直接数字频率发生器DDS生成两路正交波形，所述两路正交波形包括正弦波形和余弦波形；
采用两个乘法器将转换后的数字信号与所述正弦波形和余弦波形分别相乘，完成数字正交的过程，获得的两路输出信号；
将所述两路输出信号通过两个宽带HB滤波器分别进行处理，所述两个宽带HB滤波器的输出分别作为CORDIC模块的X路和Y路数据输入，所述CORDIC模块输出相位数据和幅度数据；
对于所述幅度数据，将相邻的多个幅值进行求平均，获得已知幅度的无调制正弦波对应的数字化幅度平均值；所述已知幅度的无调制正弦波对应的数字化幅度平均值即为所述幅度阈值。
5.根据权利要求2所述一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，所述正弦波形和所述余弦波形分别为20MHz正弦波形和20MHz余弦波形。
6.根据权利要求2所述一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，所述宽带HB滤波器的带宽要求19.5MHz以上。
7.根据权利要求2所述一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，所述CORDIC模块具体为坐标旋转数字计算模块。
8.根据权利要求2所述一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，基于所述相位差计算获得所述幅度调制信号的频率，具体为：
其中，
当Ai≥AY时，Δθi＝Δθ，i＝i+1；否则，i＝i；
公式中，f'为待测幅度调制信号的频率；T为信号的采样周期；A为修正参数，与采样时钟频率相关；f1为直接数字频率发生器DDS产生的信号的频率；Δθ'为相邻两个采样数据之间的相差平均值，N为设定计数值，AY为设定的幅度阈值，Δθ为相邻两个采样数据点之间的相位差，Δθi为Δθ的转存数据，Ai为与Δθi具有对应关系的幅度值。
9.根据权利要求1所述一种幅度调制信号数字化测频方法，其特征在于，所述方法的测试范围跨越500kHz～32MHz整个频率区间。
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