CN114629761A - 调频信号反三角测频解调方法 - Google Patents

调频信号反三角测频解调方法 Download PDF

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Abstract

调频信号反三角测频解调方法，涉及电子测控领域，解决现有调频信号测量过程复杂，计算量大，且存在信息损失以误差；导致测量精度低等问题，本发明提供一种快速处理调频信号数据，可以测量得到瞬时频率的方法，对于一个已知振幅的调频信号，只需对数字量化后的数值分析计算，在三角计算区间内，进行反三角计算，可以在不足一个待测信号的周期之内，快速得到瞬时频率；不但测频速度非常快，而且测频精度很高；可以测量出调频信号在半个周期时刻的瞬时频率。

Description

调频信号反三角测频解调方法
技术领域
本发明涉及电子测控技术领域，具体涉及一种调频信号反三角快速测频方法。
背景技术
对电子信号频率的测量在通信等电子技术中具有广泛的应用，对于高频信号来说，通常采用在一个固定时间段内测量这个信号特征点发生次数的计数法，例如常见以过零点作为特征点把正弦信号变成方波之后计数测频；而对于低频信号来说，通常采用测量出这个信号的周期之后，取倒数得到频率的方式的周期法；以及采用傅立叶分解之后分析得到信号频率的博立叶法。
对于上述方法，从测量速度的角度上看，至少都需要测量待测信号的一个完整周期，尤其是博立叶法，不仅需要测量多个待测信号的周期，还存在计算量巨大的问题，更是难以实现快速测量；从测量精度的角度上看，计数法和周期法只能利用到待测信号中孤立的某几个特征点信息，信号中其它信息都被丢弃损失，所以受到模数转换必然存在的量化误差影响，快速测量时精度较低。
发明内容
本发明为解决现有调频信号测量过程复杂，计算量大，且存在信息损失以误差；导致测量精度低等问题，提供一种调频信号反三角测频解调方法。
调频信号反三角测频解调方法，该方法由以下步骤实现：
步骤1、对待测信号的三角区间进行计算；
步骤A1、将待测信号存储在数组S[i]中，取得数组S[i]中序号为i＝P位置的数据S[P]；
步骤A2、采用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
步骤A3、比较S[K]与S[K-1]的值大小，若S[K-1]大于S[K]，则执行步骤A4，否则跳转执行步骤A5；
步骤A4、K＝K-1，返回执行步骤A3；
步骤A5、判断变量K的值是否小于P，如果是，则采用变量U保存此时的K值，然后执行步骤A6，否则执行步骤A12；
步骤A6、设置变量K的初始值等于P；
步骤A7、比较S[K]与S[K+1]的大小，若S[K+1]小于S[K]，则执行步骤A8，否则失败跳转执行步骤A9；
步骤A8、K＝K+1，执行步骤A7；
步骤A9、如果变量K的值大于P，则采用变量D保存此时的K值之后执行步A10，否则失败执行步骤A12；
步骤A10、分别用变量U中数值，U中数值减1，以及U中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，得到S[U]，S[U-1]，以及S[U+1]的值，如果S[U]减去S[U-1]得到数值大于S[U]减去S[U+1]的值，则U＝U+1；
步骤A11、分别用变量D中数值，D中数值减1，以及D中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，得到S[D]，S[D-1]，以及S[D+1]，如果S[D]减去S[D+1]得到数值大于S[D]减去S[D-1]的值，则将D＝D-1；此时变量U和变量D中保存了待测信号三角区间的计算信息，执行步骤二；
步骤A12、采用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
步骤A13、比较S[K]与S[K+1]的大小，若S[K+1]大于S[K]，则执行步骤A14，否则跳转执行步骤A15；
步骤A14、K＝K+1，返回执行步骤A13；
步骤A15、采用变量U保存此时的K值，
步骤A16、用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
步骤A17、比较S[K]与S[K-1]的大小，若S[K-1]小于S[K]，则执行步骤A18，否则，执行步骤A19；
步骤A20、K＝K-1，返回执行步骤A17；
步骤A21、采用变量D保存此时的K值；
步骤A22、分别用变量U中数值，U中数值减1，以及U中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，可得到S[U]，S[U-1]，以及S[U+1]，如果S[U]减去S[U-1]得到数值比S[U]减去S[U+1]小，则变量U＝U-1；
步A23、分别用变量D中数值，D中数值减1，以及D中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，可得到S[D]，S[D-1]，以及S[D+1]，如果S[D]减去S[D+1]得到数值小于S[D]减去S[D-1]的数值，则变量D＝D-1；此时变量U和变量D中保存了信号三角区间的计算信息；执行步骤二；
步骤二、对步骤一计算三角区间后的待测信号进行反三角变换；具体过程为：
步骤B1、定义一个一维数组Q，数组中元素个数用Z表示，Z的计算方法为；
Z＝|U-D|
再定义一个一维数组R，数组中元素个数也为Z；
步骤B2、定义一个变量J，使J的值等于U，然后比较变量U与变量D的大小，若变量U大于变量D，则使变量J等于变量D；
将变量K的初始值为零；
步骤B3、将所述步骤B2中的变量J作为数组S的索引序号，从数组S中的取得数据S[J]，并将得到的数值保存到以K为索引序号的Q[K]中；
步骤B4、设置数组R中以K为索引序号的R[K]中数值等于J；然后累加变量J，并且累加变量K之后，比较变量J是否小于Z，如果是，则执行步骤B3，否则，执行步骤三；
步骤三、对步骤二进行反三角变换后的待测信号，计算瞬时频率f；具体过程为：
步骤C1、计算数组Q中所有元素的平均值E，再计算数组R中所有元素的平均值B；
步骤C2、定义三个变量G，X，Y，并设置初始值均为零；
步骤C3、取得数组R中以G为索引序号的数据R[G]的值，减去平均值B，获得差值W；
取数组Q中以G为索引序号的数据Q[G]的值，减去平均值E，获得差值V；
将差值W与差值V相乘之后得到数值C；
将变量X的数值增加C，即X＝X+C；
步骤C4、对差值W取平方之后得到平方值T；
将变量Y的数值增加T，即Y＝Y+T；
步骤C5、G＝G+1，若G的值小于Z，则返回执行步骤C3，否则，计算从数据输入端输入的待测信号在P点处的瞬时频率f；
Figure BDA0003558979920000041
式中，F为待测信号的固定采样频率；将最终测量获得的瞬时频率f。
本发明的有益效果：本发明采样待测调频信号的数字化信息，在精度方面不仅使用了过零点等特征点信息，而且还充分利用其它所有采样点信息；在速度方面不需要测量一个信号的完整周期，只需测量调频信号中不足半个周期的一部分，就可以分析得出待测信号的频率。
本发明方法测量过程简单且测量精度高，采用本发明方法获得的待测信号的频率，实现了调频信号的解调制，如应用于立体调频解调制系统中。
调频广播解调系统就是用鉴频器测量信号的瞬时频率，变换成为广播节目的声音电压值而还原节目内容；在现代常见的各种数字通信网络、4G、5G、WIFI、以及蓝牙等数字通信系统中存在频移键控调制方式，就是在发送端对载波信号进行数字化的调频调制，在接收端的解码器也可以运用本发明提供的方法，通过测量信号的瞬时频率进行数字化转换还原通信数据；
附图说明
图1为本发明所述的调频信号反三角测频解调方法的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，调频信号反三角测频解调方法，该方法通过调频信号反三角测频解调系统实现，该系统包括数据输入端，存贮器，处理器和输出端；
所述数据输入端输入待测信号数据，若待测信号为模拟信号，则需要用模数转换器转换之后再送入数据输入端；
所述存贮器保存从数据输入端获得的待测信号；在每一次测量过程中存储一批数据有M个数值，在逻辑上连续存贮，形成一个一维数组的数据结构，用S[i]表示；其中S为数组名称，i为下标索引序号；下标索引序号i的最小值为零，最大值为N等于待测信号数据的个数M减1；定义下标索引序号减小的方向为左方向，下标索引序号增加的方向为右方向；
所述处理器对保存在存贮器中的数据通过取得信号三角区间计算，反三角变换，以及计算待测信号频率三个步骤分析下标索引序号为i＝P处瞬时频率f，最终通过输出端输出，并根据获得的瞬时频率f，实现对调频信号的解调。
所述取得信号三角区间计算，反三角变换，以及计算待测信号频率的三个步骤具体如下：
步骤1、信号三角区间计算，其中取得信号三角区间的目标是获得保存在变量D和变量U中的信号三角区间计算，具体步骤为；
A1、取得数组S[i]中序号为i＝P位置的数据S[P]；
A2、用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
A3、比较S[K]与S[K-1]的大小，若S[K-1]大于S[K]，则执行步骤A4，否则跳转执行步骤A5；
A4、把变量K减1之后执行步骤A3；
A5、如果变量K的值小于P，则用变量U保存此时的K值之后执行步骤A6，否则执行步骤A12；
A6、设置变量K的初始值等于P；
A7、比较S[K]与S[K+1]的大小，若S[K+1]小于S[K]，则执行步骤A8，否则失败跳转执行步骤A9；
A8、把变量K加1之后执行步骤A7；
A9、如果变量K的值大于P，则用变量D保存此时的K值之后执行步骤A10，否则失败执行步骤A12；
A10、分别用变量U中数值，U中数值减1，以及U中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，可得到S[U]，S[U-1]，以及S[U+1]，如果S[U]减去S[U-1]得到数值比S[U]减去S[U+1]大，则把变量U加1。
A11、分别用变量D中数值，D中数值减1，以及D中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，可得到S[D]，S[D-1]，以及S[D+1]，如果S[D]减去S[D+1]得到数值比S[D]减去S[D-1]大，则把变量D减1；执行步骤2，此时变量U和变量D中保存了信号三角计算区间信息；
A12、用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
A13、比较S[K]与S[K+1]的大小，若S[K+1]大于S[K]，则执行步骤A14，否则跳转执行步骤A15；
A14、把变量K加一之后执行步骤A13；
A15、用变量U保存此时的K值；
A16、用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
A17、比较S[K]与S[K-1]的大小，若S[K-1]小于S[K]，则执行步骤A18，否则跳转执行步骤A19；
A18、把变量K减一之后执行步骤A17；
A19、用变量D保存此时的K值；
A20、分别用变量U中数值，U中数值减1，以及U中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，可得到S[U]，S[U-1]，以及S[U+1]，如果S[U]减去S[U-1]得到数值比S[U]减去S[U+1]小，则把变量U减1。
A21、分别用变量D中数值，D中数值减1，以及D中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，可得到S[D]，S[D-1]，以及S[D+1]，如果S[D]减去S[D+1]得到数值比S[D]减去S[D-1]小，则把变量D减1；此时变量U和变量D中保存了信号三角区间的计算，执行步骤2；
步骤2、对待测信号进行反三角变换；
B1、定义一个一维数组Q，数组中元素个数用Z表示，Z的计算方法为；
Z＝|U-D|
也就是说，Z等于变量U减去变量D之后的绝对值；
再定义一个一维数组R，数组中元素个数也为Z；
B2、定义一个变量J，使J的值等于U，然后比较变量U与变量D的大小，若变量U大于变量D，则使变量J等于变量D；然后再定义一个变量K，并使变量K的初始值为零；
B3、以变量J作为数组S的索引序号，从数组S中的取得数据S[J]，之后用反三角函数计算，得到的数值保存到数组Q中以K为索引序号的Q[K]中；其中反三角函数即可以用反正弦函数，也可以用反余弦函数；
用反正弦函数的具体计算公式为；
Q[K]＝arcsin(S[J]/A)
用反余弦函数的具体计算公式为；
Q[K]＝arccos(S[J]/A)
其中A为从数据输入端1输入的待测信号振幅；如果意外遇到数组S中的某个数据S[J]的绝对值大于A，则此数据为意外错误，直接丢弃这个数据即可；
B4、设置数组R中以K为索引序号的R[K]中数值等于J；然后累加变量J，并且累加变量K之后，比较变量J是否小于Z，若结果为小于，则执行反三角变换过程的步骤B3，否则就是完成了反三角变换过程，执行步骤3；
步骤3、计算待测信号的瞬时频率；具体步骤为：
C1、计算数组Q中所有元素的平均值E，再计算数组R中所有元素的平均值B；
C2、定义三个变量G，X，Y，并设置它们的初始值都为零；
C3、取得数组R中以G为索引序号的数据R[G]，减去平均值B，得到差值W；
取得数组Q中以G为索引序号的数据Q[G]，减去平均值E，得到差值V；
把差值W与差值V相乘之后得到C；
把变量X的数值增加C；
C4、把差值W取平方之后得到T；
把变量Y的数值增加T；
C5、把变量G累加一之后，若G的值小于Z，则循环执行计算信号频率的步骤C3到步骤C5，否则可计算出待测信号在P点处的瞬时频率f；
Figure BDA0003558979920000091
将所述瞬时频率数f从输出端4输出。
本实施方式中，要求待测信号以固定采样频率F产生；所述待测信号为不含直流成分的正弦交流调频信号，振幅已知为A固定不变，瞬时频率f为变值，f的最大值低于频率上限值H，必须保证固定采样频率F大于上限数值H的4倍以上。
本实施方式中，数据输入端把数据送到存贮器可以采用两种方式，一种方式为数据输入端直接将数据输入存贮器，另一种方式是数据输入端先将数据送给处理器，之后再由处理器转送入存贮器。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.调频信号反三角测频解调方法，其特征是：该方法通过对待测信号进行三角区间的计算，反三角变换以及计算瞬时频率三个步骤实现；具体过程如下：
步骤1、对待测信号的三角区间进行计算；
步骤A1、将待测信号存储在数组S[i]中，取得数组S[i]中序号为i＝P位置的数据S[P]；
步骤A2、采用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
步骤A3、比较S[K]与S[K-1]的值大小，若S[K-1]大于S[K]，则执行步骤A4，否则跳转执行步骤A5；
步骤A4、K＝K-1，返回执行步骤A3；
步骤A5、判断变量K的值是否小于P，如果是，则采用变量U保存此时的K值，然后执行步骤A6，否则执行步骤A12；
步骤A6、设置变量K的初始值等于P；
步骤A7、比较S[K]与S[K+1]的大小，若S[K+1]小于S[K]，则执行步骤A8，否则失败跳转执行步骤A9；
步骤A8、K＝K+1，执行步骤A7；
步骤A9、如果变量K的值大于P，则采用变量D保存此时的K值之后执行步A10，否则失败执行步骤A12；
步骤A10、分别用变量U中数值，U中数值减1，以及U中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，得到S[U]，S[U-1]，以及S[U+1]的值，如果S[U]减去S[U-1]得到数值大于S[U]减去S[U+1]的值，则U＝U+1；
步骤A11、分别用变量D中数值，D中数值减1，以及D中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，得到S[D]，S[D-1]，以及S[D+1]，如果S[D]减去S[D+1]得到数值大于S[D]减去S[D-1]的值，则将D＝D-1；此时变量U和变量D中保存了待测信号三角区间的计算信息，执行步骤二；
步骤A12、采用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
步骤A13、比较S[K]与S[K+1]的大小，若S[K+1]大于S[K]，则执行步骤A14，否则跳转执行步骤A15；
步骤A14、K＝K+1，返回执行步骤A13；
步骤A15、采用变量U保存此时的K值，
步骤A16、用变量K作为循环索引序号，K的初始值等于P；
步骤A17、比较S[K]与S[K-1]的大小，若S[K-1]小于S[K]，则执行步骤A18，否则，执行步骤A19；
步骤A20、K＝K-1，返回执行步骤A17；
步骤A21、采用变量D保存此时的K值；
步骤A22、分别用变量U中数值，U中数值减1，以及U中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，可得到S[U]，S[U-1]，以及S[U+1]，如果S[U]减去S[U-1]得到数值比S[U]减去S[U+1]小，则变量U＝U-1；
步A23、分别用变量D中数值，D中数值减1，以及D中数值加1，作为索引号，从数组S中取得数据，可得到S[D]，S[D-1]，以及S[D+1]，如果S[D]减去S[D+1]得到数值小于S[D]减去S[D-1]的数值，则变量D＝D-1；此时变量U和变量D中保存了信号三角区间的计算信息；执行步骤二；
步骤二、对步骤一计算三角区间后的待测信号进行反三角变换；具体过程为：
步骤B1、定义一维数组Q，数组中元素个数用Z表示，Z的计算方法为；
Z＝|U-D|
再定义一维数组R，数组中元素个数也为Z；
步骤B2、定义变量J，使J的值等于U，然后比较变量U与变量D的大小，若变量U大于变量D，则使变量J等于变量D；
将变量K的初始值为零；
步骤B3、将所述步骤B2中的变量J作为数组S的索引序号，从数组S中的取得数据S[J]，并将得到的数值保存到以K为索引序号的Q[K]中；
步骤B4、设置数组R中以K为索引序号的R[K]中数值等于J；然后累加变量J，并且累加变量K之后，比较变量J是否小于Z，如果是，则执行步骤B3，否则，执行步骤三；
步骤三、对步骤二进行反三角变换后的待测信号，计算瞬时频率f；具体过程为：
步骤C1、计算数组Q中所有元素的平均值E，再计算数组R中所有元素的平均值B；
步骤C2、定义三个变量G，X，Y，并设置初始值均为零；
步骤C3、取得数组R中以G为索引序号的数据R[G]的值，减去平均值B，获得差值W；
取数组Q中以G为索引序号的数据Q[G]的值，减去平均值E，获得差值V；
将差值W与差值V相乘之后得到数值C；
将变量X的数值增加C，即X＝X+C；
步骤C4、对差值W取平方之后得到平方值T；
将变量Y的数值增加T，即Y＝Y+T；
步骤C5、G＝G+1，若G的值小于Z，则返回执行步骤C3，否则，计算从数据输入端输入的待测信号在P点处的瞬时频率f；
Figure FDA0003558979910000031
式中，F为待测信号的固定采样频率；将最终测量获得的瞬时频率f。
2.根据权利要求1所述的调频信号反三角测频解调方法，其特征在于：步骤B3中，采用反三角函数计算，将得到的数值保存到以K为索引序号的Q[K]中；
所述反三角函数采用反正弦函数或采用用反余弦函数；
采用反正弦函数的具体计算公式为；
Q[K]＝arcsin(S[J]/A)
采用反余弦函数的具体计算公式为；
Q[K]＝arccos(S[J]/A)
式中，A为从数据输入端1输入的待测信号的振幅；如果遇到数组S中的某个数据S[J]的绝对值大于A，则此数据为错误值，直接丢弃该数据。
3.根据权利要求1所述的调频信号反三角测频解调方法，其特征在于：所述待测信号为不含直流成分的正弦交流调频信号，振幅为A且固定不变，瞬时频率f为变值，f的最大值低于频率上限值H，要求待测信号的固定采样频率F大于上限数值H的4倍。
4.根据权利要求1-3所述的调频信号反三角快速测频解调方法，其特征在于：该方法通过调频信号反三角快速测频系统实现，该系统包括数据输入端，存贮器，处理器和输出端；
经数据输入端输入待测信号保存在存贮器中，所述存贮器保存从数据输入端获得的待测信号；在每一次测量过程中需要一批数据有M个数值，在逻辑上连续存贮，形成一个一维数组的数据结构，用S[i]表示；其中S为数组名称，i为下标索引序号；下标索引序号i的最小值为零，最大值为N等于待测信号数据的个数M减1；定义下标索引序号减小的方向为左方向，下标索引序号增加的方向为右方向；
所述处理器分析保存在存贮器中的数据，分析下标索引序号为i＝P处瞬时频率f，所述瞬时频率f经输出端输出，实现调频信号的解调。
5.根据权利要求4所述的调频信号反三角测频解调方法，其特征在于：经所述数据输入端输入的待测信号若为模拟信号，则采用模数转换器转换之后再送入数据输入端。
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