CN115616287A - 一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，涉及脉冲信号频率测量技术领域。该一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，包括以下步骤：S1.使用频谱仪的频谱测量功能测量信号的大致频率，设此频率为f0，并通过频谱测量信号带宽以估计f0的误差范围，S2.使用频谱仪的IQ采集功能，中心频率设为f0，解调带宽设置应大于频谱测量的信号带宽，采样时间为T，基于IQ采集获得相位‑时间曲线与幅度‑时间曲线，幅度大于一定门限幅度的时间为脉冲内，其他时间为脉冲外，只需关心脉冲内的相位数据。该方法具有精确测量脉冲调制信号载波频率的优点，同时具备频率测试精度高，和连续波信号的频率测量精度一致的优点。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲信号频率测量技术领域，具体为一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法。
背景技术
脉冲调制信号是雷达和数字通信系统中的一类重要信号，随着电子技术的发展，脉冲调制信号的脉冲重复频率(PRF)不断提高，脉冲宽度也越来越小，脉宽与周期快速变化，进行高精度载波频率测量变得困难。
测量脉冲调制信号载波频率主要有两种方法，一种是频谱仪测量方法，将被测信号经过多次混频变频至中频信号，对中频信号进行FFT变换得到频谱信息，根据频谱信息得到载波信号频率。
频谱仪FFT测量脉冲调制信号载波频率的主要缺点是：1)周期脉冲信号的FFT频谱会有多条梳状谱线，难以判断哪个谱线才是真实的载波频谱，特别是脉宽与周期不规则的脉冲信号，更难以从信号的FFT频谱中获得载波频率。2)频率测量分辨率由FFT的长度决定，测量误差较大。
第二种方法是计数器测频法。计数器测量脉冲调制信号载波频率的主要缺点是：当脉冲宽度很窄时，测量误差较大。
脉冲调制信号是雷达和数字通信系统中的一类重要信号，随着电子技术的发展，脉冲调制信号的脉冲重复频率(PRF)不断提高，脉冲宽度也越来越小，脉宽与周期快速变化，进行高精度载波频率测量变得困难。载波频率是重要的基本射频指标，需要精确的测量。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，解决了传统测量脉冲调制信号载波频率测试不够精确的问题，解决了传统方法不便于对脉宽、周期不规律脉冲信号进行测量的问题，解决了传统方法不便于对高脉冲重复频率、窄脉宽脉冲信号测量的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，包括以下步骤：
S1.使用频谱仪的频谱测量功能测量信号的大致频率，设此频率为f0，并通过频谱测量信号带宽以估计f0的误差范围；
S2.使用频谱仪的IQ采集功能，中心频率设为f0，解调带宽设置应大于频谱测量的信号带宽，采样时间为T，基于IQ采集获得相位-时间曲线与幅度-时间曲线，幅度大于一定门限幅度的时间为脉冲内，其他时间为脉冲外，只需关心脉冲内的相位数据；
S3.选择脉内时间最长的一个脉冲，利用测量连续波频率的方法，计算频率差，记为Δf1，作为Δf的粗略估计；
S4.使用频率差Δf1对相位曲线进行φ(t)进行补偿，得到新的相位曲线φ2(t)，相位曲线φ2(t)在一个脉冲宽度内应该是一条接近水平的直线，但不同脉冲的数值不同；
S5.利用不同脉冲间的相位差与时间差，再次计算频率差，记为Δf2，作为Δf的精细修正；
S6.上述步骤可以进行迭代，不断扩大时间差，直至时间差扩大至最大，此时测量精度在当前采样时间设置达到最高，每次迭代得到的频率精细修正项Δfn应该进行累加。
优选的，所述步骤S1中，基于IQ采集获取相位-时间曲线，由相位-时间曲线获得修正频率Δf，最终测量频率结果为f0+Δf。
优选的，所述步骤S2中，假设待测信号为连续波信号，频谱仪进行IQ采集时，中心频率设置为f0，与待测信号的频率差为Δf，则测得的相位-时间曲线为:
φ(t)＝2π·Δf·t+φ0
由相位-时间曲线的斜率可计算得到频率差Δf，
由于相位测量存在误差，固当测量时间间隔(t2-t1)更大时，频率测量精度更高，当t2-t1超过Δf对应的周期时，对应的相位差会超过2π，使得相位差测量结果出现整数倍2π的相位模糊，为了准确测量频率，必须解决整数倍2π的相位模糊问题，解决整数倍2π的相位模糊的方法：
计算t1至t2时间范围内，相位φ(t)突变的次数N，由-π至π的一次突变应补偿相位变化量为-2π，由π至-π的一次突变应补偿相位变化量为2π，一般情况下相位φ(t)只存在一个方向的突变，考虑相位补偿以后的频率差Δf为：
其中补偿相位的加与减由相位突变的方向决定，当待测信号为脉冲调制信号时，上述解决整数倍2π的相位模糊的方法会遇到问题：无法计算在脉冲关断时间内相位突变了多少次。
优选的，所述步骤S3中，脉冲调制信号在脉宽内可以认为是连续信号，因此可以利用脉冲内的时间范围计算频率差，记为Δf1，作为Δf的粗略估计，
由于脉冲信号的脉宽时间较窄，因此Δf1的测量精度还比较低。
优选的，所述步骤S4中，φ2(t)的计算公式为：
φ2(t)＝-2π·Δf1·t+φ(t)。
优选的，所述步骤S5中，使用频率差Δf2对相位曲线进行φ2(t)进行补偿，得到新的相位曲线φ3(t)，其公式为：
φ3(t)＝-2π·Δf2·t+φ2(t)
此步骤可以进行迭代，不断扩大时间差，不断提高测量精度。每次迭代得到的频率精细修正项Δfn应该进行累加。
优选的，所述步骤S6中，第一次利用不同脉冲间的相位差与时间差计算频率差时，可以选择相邻的两个脉冲，此后依次扩大时间差，例如从相邻脉冲扩大至间隔10个、100个脉冲，最终扩大至第一个脉冲与最后一个脉冲，时间间隔达到最大，测量精度达到最高，最终脉冲调制信号的载波频率测量结果为：
fmeas＝f0+Δf1+Δf2+…+Δfn。
(三)有益效果
本发明提供了一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法。具备以下有益效果：
本发明提供了一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，该方法具有精确测量脉冲调制信号载波频率的优点，同时具备频率测试精度高，和连续波信号的频率测量精度一致的优点。
本发明提供了一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，该方法可以用于脉宽、周期不规律脉冲信号的测量，同时可以用于高脉冲重复频率、窄脉宽的脉冲信号的测量，从而功能多样，实用性能强。
附图说明
图1为本发明的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法的流程图；
图2为本发明的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法的频谱仪进行IQ采集的简化原理图；
图3为本发明的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法的IQ采集的幅度与相位曲线图；
图4为本发明的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法的经过粗略频率补偿后的相位曲线图；
图5为本发明的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法的经过精细频率补偿后的相位曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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：
如图1-5所示，本发明实施例提供一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，包括以下步骤：
S1.使用频谱仪的频谱测量功能测量信号的大致频率，设此频率为f0，并通过频谱测量信号带宽以估计f0的误差范围；
S2.使用频谱仪的IQ采集功能，中心频率设为f0，解调带宽设置应大于频谱测量的信号带宽，采样时间为T，基于IQ采集获得相位-时间曲线与幅度-时间曲线，幅度大于一定门限幅度的时间为脉冲内，其他时间为脉冲外，只需关心脉冲内的相位数据；
S3.选择脉内时间最长的一个脉冲，利用测量连续波频率的方法，计算频率差，记为Δf1，作为Δf的粗略估计；
S4.使用频率差Δf1对相位曲线进行φ(t)进行补偿，得到新的相位曲线φ2(t)，相位曲线φ2(t)在一个脉冲宽度内应该是一条接近水平的直线，但不同脉冲的数值不同；
S5.利用不同脉冲间的相位差与时间差，再次计算频率差，记为Δf2，作为Δf的精细修正；
S6.上述步骤可以进行迭代，不断扩大时间差，直至时间差扩大至最大，此时测量精度在当前采样时间设置达到最高，每次迭代得到的频率精细修正项Δfn应该进行累加。
步骤S1中，基于IQ采集获取相位-时间曲线，由相位-时间曲线获得修正频率Δf，最终测量频率结果为f0+Δf。
步骤S2中，假设待测信号为连续波信号，频谱仪进行IQ采集时，中心频率设置为f0，与待测信号的频率差为Δf，则测得的相位-时间曲线为:
φ(t)＝2π·Δf·t+φ0
由相位-时间曲线的斜率可计算得到频率差Δf，
由于相位测量存在误差，固当测量时间间隔(t2-t1)更大时，频率测量精度更高，当t2-t1超过Δf对应的周期时，对应的相位差会超过2π，使得相位差测量结果出现整数倍2π的相位模糊，为了准确测量频率，必须解决整数倍2π的相位模糊问题，解决整数倍2π的相位模糊的方法：
计算t1至t2时间范围内，相位φ(t)突变的次数N，由-π至π的一次突变应补偿相位变化量为-2π，由π至-π的一次突变应补偿相位变化量为2π，一般情况下相位φ(t)只存在一个方向的突变，考虑相位补偿以后的频率差Δf为：
其中补偿相位的加与减由相位突变的方向决定，当待测信号为脉冲调制信号时，上述解决整数倍2π的相位模糊的方法会遇到问题：无法计算在脉冲关断时间内相位突变了多少次。
步骤S3中，脉冲调制信号在脉宽内可以认为是连续信号，因此可以利用脉冲内的时间范围计算频率差，记为Δf1，作为Δf的粗略估计，由于脉冲信号的脉宽时间较窄，因此Δf1的测量精度还比较低。
步骤S4中，φ2(t)的计算公式为：
φ2(t)＝-2π·Δf1·t+φ(t)。
步骤S5中，使用频率差Δf2对相位曲线进行φ2(t)进行补偿，得到新的相位曲线φ3(t)，其公式为：
φ3(t)＝-2π·Δf2·t+φ2(t)
此步骤可以进行迭代，不断扩大时间差，不断提高测量精度。每次迭代得到的频率精细修正项Δfn应该进行累加。
步骤S6中，第一次利用不同脉冲间的相位差与时间差计算频率差时，可以选择相邻的两个脉冲，此后依次扩大时间差，例如从相邻脉冲扩大至间隔10个、100个脉冲，最终扩大至第一个脉冲与最后一个脉冲，时间间隔达到最大，测量精度达到最高，最终脉冲调制信号的载波频率测量结果为：
fmeas＝f0+Δf1+Δf2+…+Δfn。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.使用频谱仪的频谱测量功能测量信号的大致频率，设此频率为f0，并通过频谱测量信号带宽以估计f0的误差范围；
S2.使用频谱仪的IQ采集功能，中心频率设为f0，解调带宽设置应大于频谱测量的信号带宽，采样时间为T，基于IQ采集获得相位-时间曲线与幅度-时间曲线，幅度大于一定门限幅度的时间为脉冲内，其他时间为脉冲外，只需关心脉冲内的相位数据；
S3.选择脉内时间最长的一个脉冲，利用测量连续波频率的方法，计算频率差，记为Δf1，作为Δf的粗略估计；
S4.使用频率差Δf1对相位曲线进行φ(t)进行补偿，得到新的相位曲线φ2(t)，相位曲线φ2(t)在一个脉冲宽度内应该是一条接近水平的直线，但不同脉冲的数值不同；
S5.利用不同脉冲间的相位差与时间差，再次计算频率差，记为Δf2，作为Δf的精细修正；
S6.上述步骤可以进行迭代，不断扩大时间差，直至时间差扩大至最大，此时测量精度在当前采样时间设置达到最高，每次迭代得到的频率精细修正项Δfn应该进行累加。
2.根据权利要求1所述的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，其特征在于：所述步骤S1中，基于IQ采集获取相位-时间曲线，由相位-时间曲线获得修正频率Δf，最终测量频率结果为f0+Δf。
3.根据权利要求1所述的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，其特征在于：所述步骤S2中，假设待测信号为连续波信号，频谱仪进行IQ采集时，中心频率设置为f0，与待测信号的频率差为Δf，则测得的相位-时间曲线为:
φ(t)＝2π·Δf·t+φ0
由相位-时间曲线的斜率可计算得到频率差Δf，
由于相位测量存在误差，固当测量时间间隔(t2-t1)更大时，频率测量精度更高，当t2-t1超过Δf对应的周期时，对应的相位差会超过2π，使得相位差测量结果出现整数倍2π的相位模糊，为了准确测量频率，必须解决整数倍2π的相位模糊问题，解决整数倍2π的相位模糊的方法：
计算t1至t2时间范围内，相位φ(t)突变的次数N，由-π至π的一次突变应补偿相位变化量为-2π，由π至-π的一次突变应补偿相位变化量为2π，一般情况下相位φ(t)只存在一个方向的突变，考虑相位补偿以后的频率差Δf为：
其中补偿相位的加与减由相位突变的方向决定，当待测信号为脉冲调制信号时，上述解决整数倍2π的相位模糊的方法会遇到问题：无法计算在脉冲关断时间内相位突变了多少次。
4.根据权利要求1所述的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，其特征在于：所述步骤S3中，脉冲调制信号在脉宽内可以认为是连续信号，因此可以利用脉冲内的时间范围计算频率差，记为Δf1，作为Δf的粗略估计，由于脉冲信号的脉宽时间较窄，因此Δf1的测量精度还比较低。
5.根据权利要求1所述的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，其特征在于：所述步骤S4中，φ2(t)的计算公式为：
φ2(t)＝-2π·Δf1·t+φ(t)。
6.根据权利要求1所述的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，其特征在于：所述步骤S5中，使用频率差Δf2对相位曲线进行φ2(t)进行补偿，得到新的相位曲线φ3(t)，其公式为：
φ3(t)＝-2π·Δf2·t+φ2(t)
此步骤可以进行迭代，不断扩大时间差，不断提高测量精度。每次迭代得到的频率精细修正项Δfn应该进行累加。
7.根据权利要求1所述的一种精确测量脉冲调制信号载波频率的方法，其特征在于：所述步骤S6中，第一次利用不同脉冲间的相位差与时间差计算频率差时，可以选择相邻的两个脉冲，此后依次扩大时间差，例如从相邻脉冲扩大至间隔10个、100个脉冲，最终扩大至第一个脉冲与最后一个脉冲，时间间隔达到最大，测量精度达到最高，最终脉冲调制信号的载波频率测量结果为：
fmeas＝f0+Δf1+Δf2+…+Δfn。
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