CN110022181B

CN110022181B - 一种提升频谱能量测量精度的方法和装置

Info

Publication number: CN110022181B
Application number: CN201910427794.2A
Authority: CN
Inventors: 马雅男; 徐卫; 刘良春
Original assignee: Chengdu Jovian Technology Exploitation Co ltd
Current assignee: Chengdu Jovian Technology Exploitation Co ltd
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2039-05-22
Also published as: CN110022181A

Abstract

本发明公开了一种提升频谱能量测量精度的方法和装置，所述方法包括：步骤1，幅度提取模块从获取的信号中提取若干信号点；步骤2，信号补偿模块对提取的信号点进行幅度补偿；步骤3，幅度计算模块根据幅度补偿对提取的信号点进行幅度计算。本发明一方面利用信号提取模块和信号补偿模块，解决滤波器的纹波效应导致的不同频率点幅度值不一样的问题；另一方面利用信号提取模块和幅度计算模块，解决由于FFT长度或者采样率等原因，导致的频谱分辨率非所测频点的整数倍时，该频率点信号能量分散，无法测得准确数据的问题。

Description

一种提升频谱能量测量精度的方法和装置

技术领域

本发明涉及频谱能量测量技术领域，尤其是一种提升频谱能量测量精度的方法和装置。

背景技术

如图1所示，仪表着陆系统主要由三部分。其中，航向台(LOC)负责向飞机提供水平引导信息；下滑台(GS)的主要任务是向飞机提供垂直引导信息；而指点信标台(MB)则负责向飞机提供飞机与跑道入口的距离信息。在仪表着陆系统中，航向台设在跑道中心线延长线上。下滑台设在跑道的任一侧。指点信标台设在跑道中心线延长线上。

仪表着陆系统航向台和下滑台的基本工作原理是：航向台和下滑台对空间发射两种信号，一种是由载波和调幅边带波组成的调幅信号，称为CSB信号；另一种是载波抑制，仅由调幅边带波组成，称为SBO信号。CSB信号和SBO信号均是由90Hz和150Hz的正弦波组成的混合波形。信号的特点是：在跑道中心线方向上最强，两边逐渐减弱，而SBO信号在跑道中心线方向上为“0”，在两边逐渐加强。若这两种信号在空中叠加时，将会出现在跑道中心线方向上只剩下CSB信号，SBO信号为“0”，且CSB信号的150Hz和90Hz信号调制度差DDM为“0”。

在跑道中心线左边(正对着飞机滑跑方向)：CSB信号和SBO信号均存在，此两种信号混叠在一起。CSB信号和SBO信号的90Hz分量相位相反，相互抵消而减小，而150Hz分量相位相同，得到加强。所以在跑道中心线左边，150Hz调制信号的幅度大于90Hz调制信号的幅度，所以150Hz信号与90Hz信号调制度差DDM大于0。

进入航向台覆盖区的飞机，利用机载设备对接收到航向信号进行检测，分别检出150Hz与90Hz分量，然后计算出两者的调制度差DDM。若DDM为0，表明飞机在跑道中心线方向上；若DDM值大于0，则150Hz调制信号幅度大于90Hz调制信号幅度，表明飞机偏向跑道中心线左侧(正对飞机滑跑方向，即沿着滑跑方向的右侧)；若DDM值小于0，则90Hz调制信号幅度大于150Hz调制信号幅度，表明飞机偏向跑道中心线右侧(正对飞机滑跑方向，即沿着滑跑方向的左侧)。

仪表着陆系统的原理如下：

当前CSB信号表示如下：

e₁(t)＝[1+msin(2πf₁t+φ)+msin(2πf₂t)]cos(2πf_cart)

当前SBO信号表示如下：

e₂(t)＝[msin(2πf₁t+φ)-msin(2πf₂t)]cos(2πf_cart)

其中f_car是载波频率，f₁＝90Hz，f₂＝150Hz，m表示90Hz和150Hz信号调制度。

接收端得到的是两个信号场的叠加：

其中f₁(θ)＝f_L(θ)+f_R(θ)，是天线系统的归一化“和”方向性函数，天线系统的归一化“差”方向性函数f₂(θ)＝f_L(θ)-f_R(θ)，f_L(θ)标识左侧方向的天线辐射场，f_R(θ)表示右侧方向的天线辐射场，这里定义f_L(θ)+f_R(θ)＝1，f_L(θ)、f_R(θ)∈[0,1]。

最终需要得到的DDM，则是90Hz和150Hz信号的幅度之差，其公式为：

根据DDM的值可得到飞机是否偏移中心航道，偏移量有多少，进而指导飞机飞行。

根据上面的原理所述，如果希望提升系统的测量精确度，DDM的精确求解就显得尤为重要。那么根据上面描述的原理公式，如果希望得到比较准确的DDM值，接收端90Hz与150Hz信号的幅值提取就需要是准确的，不受干扰的。那么我们来看看，接收端的基本构架，如图2所示。

从图中我们看以看出，虽然进入接收机前信号的幅度是能够反映当前CSB和SBO场的叠加情况的，但是随着进滤波器的滤波效应，尤其是滤波器的纹波效应，如图3所示，使得90Hz与150Hz对应的滤波幅度不同，进而影响DDM的计算精度。为了提升精度，也可以做比较理想的滤波器，但是纹波越小，滤波器的阶数越大，所需要的资源也就越多，实现难度越大，价格也越贵。并且最重要的是纹波是无法完全消除的，因此我们希望通过其他方案解决这个问题。

其次，由于需要FFT变换，提取90Hz与150Hz信号的幅度。该幅度的提取就依赖FFT的频率精度，FFT精度表述为：

它是与采样率和信号长度有关的量，如果90Hz与150Hz的频率是频率精度Δf的整数倍，则可在90Hz与150Hz的频点上找到准确的信号能量，如图4所示。但是如果90Hz、150Hz的频率是频率精度Δf的非整数倍，如图5所示，则无法通过频点找到准确信号幅度，因此无法得到正确的DDM值。

虽然目前也有通过修改FFT变换的信号长度，使得频谱分辨率满足信号的整数倍要求，但是由于比较通用的FFT变换信号长度需要符合2ⁿ个点，因此不一定能够满足信号整数倍的要求，因此还需要新的方案解决此类问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种提升频谱能量测量精度的方法和装置。

本发明提供的一种提升频谱能量测量精度的方法，包括：

步骤1，幅度提取模块从获取的信号中提取若干信号点；

步骤2，信号补偿模块对提取的信号点进行幅度补偿；

步骤3，幅度计算模块根据幅度补偿对提取的信号点进行幅度计算。

进一步地，所述步骤1中幅度提取模块从获取的信号中提取若干信号点的方法包括：

步骤1.1，分别计算获取的信号的频率与FFT模块的频率精度的倍数，并判断该倍数是否为整数：若该倍数为整数则执行步骤1.2，否则执行步骤1.3；

步骤1.2，从信号频谱中选定一个频率范围，并从选定的频率范围中寻找峰值点作为提取的信号点；

步骤1.3，从信号频谱中选定一个频率范围，并从选定的频率范围中寻找峰值点，以及峰值点左右两侧的点作为提取的信号点。

进一步地，所述从信号频谱中选定的一个频率范围为[m-detaf，m+detaf]，其中m为获取的信号的频率，detaf>Δf，Δf为FFT模块的频率精度。

进一步地，经步骤1提取的信号点以[频率，第一幅度]的形式表示；所述第一幅度为信号点在信号频谱中对应的幅度。

进一步地，所述步骤2中信号补偿模块对提取的信号点进行幅度补偿的方法包括：

步骤2.1，根据提取的信号点，在滤波器中找到对应的第二幅度；

步骤2.2，根据提取的信号点的频率对应的第一幅度和第二幅度进行幅度补偿，得到的补偿幅度＝第一幅度/第二幅度；

步骤2.3，进行幅度补偿后的信号点以[频率，补偿幅度]的形式表示。

进一步地，所述步骤3中幅度计算模块根据幅度补偿对提取的信号点进行幅度计算的方法包括：

(1)若提取的信号点为峰值点，则执行如下步骤：

(a)将补偿幅度作为第三幅度；

(b)进行幅度计算后的峰值点以[频率，第三幅度]的形式输出至DDM计算模块；

(2)若提取的信号点为峰值点，以及峰值点左右两侧的点，则执行如下步骤：

(b)比较峰值点左右两侧的点的补偿幅度，将其中较大值与峰值点的补偿幅度相加后作为峰值点的第三幅度；

(c)进行幅度计算后的峰值点以[频率，第三幅度]的形式输出至DDM计算模块。

本发明还提供一种提升频谱能量测量精度的装置，包括：依次连接的幅度提取模块、信号补偿模块和幅度计算模块；所述幅度提取模块用于依次经FFT模块和滤波器连接至接收机；所述幅度计算模块用于连接DDM计算模块。

进一步地，所述幅度提取模块包括：90Hz幅度提取模块和150Hz幅度提取模块；所述信号补偿模块包括：90Hz信号补偿模和150Hz信号补偿模块；所述幅度计算模块：包括90Hz幅度计算模块和150Hz幅度计算模块；所述90Hz幅度提取模块、90Hz信号补偿模块和90Hz幅度计算模块依次连接；所述150Hz幅度提取模块、150Hz信号补偿模块和150Hz幅度计算模块依次连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明一方面利用信号提取模块和信号补偿模块，解决滤波器的纹波效应导致的不同频率点幅度值不一样的问题；另一方面利用信号提取模块和幅度计算模块，解决由于FFT长度或者采样率等原因，导致的频谱分辨率非所测频点的整数倍时，该频率点信号能量分散，无法测得准确数据的问题。

2、本发明方法简单，通过算法实现，无需耗费过多的计算单元，可实现性高。

3、本发明对滤波器的要求降低很多，能够匹配多种不同性能的滤波器或其他具有滤波特性的器件，而不会降低计算精度。

4、本发明对系统参数要求低，不需要特定长度的FFT变换，也不需要特定的采样率，能够匹配更多的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为仪表着陆系统原理图。

图2为现有技术的接收端的结构图。

图3为滤波器的纹波效应展示图。

图4为90Hz与150Hz的频率是频率精度Δf的整数倍的信号频谱。

图5为90Hz的频率是频率精度Δf的非整数倍，150Hz的频率是频率精度Δf的整数倍的信号频谱的信号频谱。

图6为包括本发明的数据处理模块的接收端的结构图。

图7为本发明实施例中90Hz频率是频率精度Δf的非整数倍的信号频谱。

图8为本发明实施例中150Hz频率是频率精度Δf的整数倍的信号频谱。

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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

以仪表着陆系统为例，对90Hz和150Hz单音信号进行提取，如图6所示，本实施例提供的一种提升频谱能量测量精度的装置，包括：依次连接的幅度提取模块、信号补偿模块和幅度计算模块；所述幅度提取模块用于依次经FFT模块和滤波器连接至接收机；所述幅度计算模块用于连接DDM计算模块。所述幅度提取模块包括：90Hz幅度提取模块和150Hz幅度提取模块；所述信号补偿模块包括：90Hz信号补偿模和150Hz信号补偿模块；所述幅度计算模块：包括90Hz幅度计算模块和150Hz幅度计算模块；所述90Hz幅度提取模块、90Hz信号补偿模块和90Hz幅度计算模块依次连接；所述150Hz幅度提取模块、150Hz信号补偿模块和150Hz幅度计算模块依次连接。

此时滤波器的波形如图3所示，系统采样率为150KHz，FFT长度为143000，因此频率精度Δf＝1.0490。下面进行信号处理：

步骤1，幅度提取模块从获取的信号中提取若干信号点：

(1)90Hz幅度提取模块：

(a)计算m1＝90/Δf＝85.8，为非整数倍；

(b)选定一个频率范围[90-detaf,90+detaf]，detaf>Δf；

(c)在该频率范围内寻找峰值点F0，以及峰值点F0左右两侧的点F1和F2，如图7所示。F1和F2主要选取峰值点左右两侧的临近值

(d)输出[F0,A0],[F1,A1]和[F2,A2]，其中，F0、F1和F2分别为90Hz信号中的峰值点，以及峰值点左右两侧的点的频率，A0、A1和A2分别为90Hz信号中的峰值点，以及峰值点左右两侧的点的第一幅度；

(2)150Hz幅度提取模块：

(a)计算m2＝150/Δf＝143，为整数倍；

(b)选定一个频率范围[150-detaf,150+detaf]，detaf>Δf；

(c)在该频率范围内寻找峰值点f0,如图8所示；

(d)输出[f0,a0]，其中，f0为150Hz信号中的峰值点的频率，a0为150Hz信号中的峰值点的第一幅度。

步骤2，信号补偿模块对提取的信号点进行幅度补偿：

(1)90Hz信号补偿模块：

(a)根据[F0,A0],[F1,A1]和[F2,A2]，在滤波器中找到对应的幅度值作为第二幅度，记为[F0,B0],[F1,B1]和[F2,B2]，其中，B0、B1和B2分别为90Hz信号中的峰值点，以及峰值点左右两侧的点的第二幅度；

(c)进行信号补偿：C0＝A0/B0；C1＝A1/B1；C2＝A2/B2；

(d)输出[F0,C0],[F1,C1]和[F2,C2]。

(2)150Hz信号补偿模块：

(a)根据[f0,a0]寻找滤波器对应的幅度值，在滤波器中找到对应的幅度值作为第二幅度，记为[f0,b0]，其中，b0为150Hz信号中的峰值点的第二幅度；

(c)进行信号补偿：C0＝a0/b0；

(d)输出[f0,c0]。

步骤3，幅度计算模块根据幅度补偿对提取的信号点进行幅度计算：

(1)90Hz幅度计算模块：

(a)根据[F0,C0],[F1,C1]和[F2,C2]，比较C1和C2；

(b)若C1>C2，D0＝C0+C1；若C1<C2，D0＝C0+C2；其中，D0为90Hz信号的峰值点的第三幅度；

(c)输出[F0,D0],送给DDM计算模块。

(2)150Hz幅度计算模块：

(a)根据[f0,c0],得到d0＝c0；其中，d0为150Hz信号的峰值点的第三幅度；

(b)输出[f0,d0],送给DDM计算模块。

根据上述过程，在DDM计算模块进行DDM计算：DDM＝(D0-d0)/100。如果使用传统方式，计算得到的DDM＝(5-4.6)/100＝0.004；如果使用我们的方式，计算得到的DDM＝(5.4-4.6)/100＝0.008；则，在有非整数倍时，通过本发明计算得到的DDM与发送端输出的数据一致。

需要说明的是，上述过程是以90Hz信号为非整数倍，150Hz信号为整数倍的情况下进行的信号提取、信号补偿和幅度计算，在其余(1)90Hz信号为整数倍，150Hz信号为非整数倍；(2)90Hz信号和150Hz信号均为整数倍；(3)90Hz信号150Hz信号均为整数倍时，依据本发明的整数倍和非整数倍相应的步骤进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提升频谱能量测量精度的方法，包括：

步骤1，幅度提取模块从获取的信号中提取若干信号点；所述步骤1中幅度提取模块从获取的信号中提取若干信号点的方法包括：

步骤1.3，从信号频谱中选定一个频率范围，并从选定的频率范围中寻找峰值点，以及峰值点左右两侧的点作为提取的信号点；经步骤1提取的信号点以[频率，第一幅度]的形式表示；所述第一幅度为信号点在信号频谱中对应的幅度；

步骤2，信号补偿模块对提取的信号点进行幅度补偿；所述步骤2中信号补偿模块对提取的信号点进行幅度补偿的方法包括：

步骤2.3，进行幅度补偿后的信号点以[频率，补偿幅度]的形式表示；

步骤3，幅度计算模块根据幅度补偿对提取的信号点进行幅度计算；所述步骤3中幅度计算模块根据幅度补偿对提取的信号点进行幅度计算的方法包括：

(1)若提取的信号点为峰值点，则执行如下步骤：

(a)将补偿幅度作为第三幅度；

2.根据权利要求1所述的提升频谱能量测量精度的方法，其特征在于，从信号频谱中选定的一个频率范围为[m-detaf，m+detaf]，其中m为获取的信号的频率，detaf>Δf，Δf为FFT模块的频率精度。

3.一种实现如权利要求1或2所述的提升频谱能量测量精度的方法的提升频谱能量测量精度的装置，其特征在于，包括：依次连接的幅度提取模块、信号补偿模块和幅度计算模块；所述幅度提取模块用于依次经FFT模块和滤波器连接至接收机；所述幅度计算模块用于连接DDM计算模块。

4.根据权利要求3所述的提升频谱能量测量精度的装置，其特征在于，所述幅度提取模块包括：90Hz幅度提取模块和150Hz幅度提取模块；所述信号补偿模块包括：90Hz信号补偿模和150Hz信号补偿模块；所述幅度计算模块：包括90Hz幅度计算模块和150Hz幅度计算模块；所述90Hz幅度提取模块、90Hz信号补偿模块和90Hz幅度计算模块依次连接；所述150Hz幅度提取模块、150Hz信号补偿模块和150Hz幅度计算模块依次连接。