CN116165432A - 一种数字测频方法、系统、存储介质和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明电子对抗信号侦察技术领域，尤其涉及一种数字测频方法、系统、存储介质和电子设备，按照不同抽取因子对原始输入数字信号进行抽取，得到多路数字信号，得到每路数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，以及所述原始输入数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，得到每路数字信号的幅频特性和原始输入数字信号的幅频特性，得到每路数字信号的频率计算值和所述原始输入数字信号的频率计算值；根据每路数字信号的频率计算值和所述原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到所述原始输入数字信号的最终频率值。测频精度高、测频时间短、运算复杂度低。

Description

一种数字测频方法、系统、存储介质和电子设备

技术领域

本发明电子对抗信号侦察技术领域，尤其涉及一种数字测频方法、系统、存储介质和电子设备。

背景技术

瞬时测频技术在电子对抗应用不可或缺的处理技术，早期以模拟瞬时测频为主，随着数字技术的发展，以及数模转换芯片带宽和采样率越来越高，利用AD与FPGA相结合进行数字瞬时测频逐渐成为当前的主流技术。其中基于单比特傅里叶变换(DFT)的测频方法，因为只需要加减法就可实现频谱分析，在实际中得到广泛应用。但是常规的单比特DFT的测频精度等于信号采集时间的倒数，无法同时满足高精度和超快速。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种数字测频方法、系统、存储介质和电子设备。

本发明的一种数字测频方法的技术方案如下：

按照不同抽取因子对原始输入数字信号进行抽取，得到多路数字信号；

从每路数字信号和所述原始输入数字信号中分别截取局部信号，并进行单比特傅里叶变换，得到每路数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，以及所述原始输入数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，其中，对任一路数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从该路数字信号中截取的局部信号的长度，对所述原始输入数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从所述原始输入数字信号中截取的局部信号的长度；

对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，得到每路数字信号的幅频特性和原始输入数字信号的幅频特性；

根据任一路数字信号的幅频特性，搜索该路数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据该路数字信号的峰值点位置，计算该路数字信号的频率计算值，直至得到每路数字信号的频率计算值；根据所述原始输入数字信号的幅频特性，搜索所述原始输入数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据所述原始输入数字信号的峰值点位置，计算所述原始输入数字信号的频率计算值；

根据每路数字信号的频率计算值和所述原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到所述原始输入数字信号的最终频率值。

本发明的一种数字测频方法的有益效果如下：

一方面，原始输入数字信号与抽取后的每路数字信号同时进行单比特傅里叶变换，相当于粗测频与精测频相结合，相对于现有技术中的“只对原始输出信号进行单比特傅里叶变换”相比，要获得相同的测频精度，本发明的运算量更少，缩短测频时间；另一方面，可获得更高的频谱分析精度，缩短测频时间，由此实现了一种测频精度高、测频时间短和运算复杂度低的数字测频方法。

本发明的一种数字测频系统的技术方案如下：

包括抽取模块、单比特傅里叶变换模块、近似求模模块、第一计算模块和第二计算模块；

所述抽取模块用于：按照不同抽取因子对原始输入数字信号进行抽取，得到多路数字信号；

所述单比特傅里叶变换模块用于：从每路数字信号和所述原始输入数字信号中分别截取局部信号，并进行单比特傅里叶变换，得到每路数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，以及所述原始输入数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，其中，对任一路数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从该路数字信号中截取的局部信号的长度，对所述原始输入数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从所述原始输入数字信号中截取的局部信号的长度；

所述近似求模模块用于：对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，得到每路数字信号的幅频特性和原始输入数字信号的幅频特性；

所述第一计算模块用于：根据任一路数字信号的幅频特性，搜索该路数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据该路数字信号的峰值点位置，计算该路数字信号的频率计算值，直至得到每路数字信号的频率计算值，根据所述原始输入数字信号的幅频特性，搜索所述原始输入数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据所述原始输入数字信号的峰值点位置，计算所述原始输入数字信号的频率计算值；

所述第二计算模块用于：根据每路数字信号的频率计算值和所述原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到所述原始输入数字信号的最终频率值。

本发明的一种数字测频系统的有益效果如下：

一方面，原始输入数字信号与抽取后的每路数字信号同时进行单比特傅里叶变换，相当于粗测频与精测频相结合，相对于现有技术中的“只对原始输出信号进行单比特傅里叶变换”相比，要获得相同的测频精度，本发明的运算量更少，缩短测频时间；另一方面，可获得更高的频谱分析精度，缩短测频时间，由此实现了一种测频精度高、测频时间短和运算复杂度低的数字测频方法。

本发明的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一项所述的一种数字测频方法。

本发明的一种电子设备，其特征在于，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。

附图说明

图1为本发明实施例的一种数字测频方法的流程示意图之一；

图2为本发明实施例的一种数字测频方法的流程示意图之二；

图3为本发明实施例的测频误差仿真结果图。

图4为本发明实施例的一种数字测频系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明实施例的一种数字测频方法，包括如下步骤：

S1、按照不同抽取因子对原始输入数字信号进行抽取，得到多路数字信号，其中，不同抽取因子相互之间不整除，具体地：

例如，按照三个抽取因子对采样率为f_s的原始输入数字信号进行分别进行3路抽取，抽取因子分别为D₁、D₂、D₃，D₁、D₂、D₃相互之间不会被整数，如D₁＝17、D₂＝19和D₃＝27，加上原始输入数字信号，这样就得到了四路不同采样率的数字信号即：原始输入数字信号和抽取的3路数字信号，每路数字信号的抽取因子为D_i,i＝0,1,2,3，其中D₀＝1，为原始输入数字信号的抽取因子。

S2、从每路数字信号和原始输入数字信号中分别截取局部信号，并进行单比特傅里叶变换，得到每路数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，以及原始输入数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，其中，对任一路数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从该路数字信号中截取的局部信号的长度，对原始输入数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从原始输入数字信号中截取的局部信号的长度，具体地：

对四路数字信号分别截取N_i(i＝0,1,2,3)个点，补零后分别进行M_i点的单比特DFT，其中DFT计算点数大于截取信号长度，可缩短等待信号的时间；考虑到实信号频谱的对称性，可只计算索引为[0,M_i/2)范围的DFT结果，可节省一半的计算量。N₀对应原始输入数字信号，N₁对应抽取因子为D₁的数字信号，N₂对应抽取因子为D₂的数字信号，N₃对应抽取因子为D₃的数字信号，M₀对应原始输入数字信号，M₁对应抽取因子为D₁的数字信号，M₂对应抽取因子为D₂的数字信号，M₃对应抽取因子为D₃的数字信号。

S3、对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，得到每路数字信号的幅频特性和原始输入数字信号的幅频特性；

S4、根据任一路数字信号的幅频特性，搜索该路数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据该路数字信号的峰值点位置，计算该路数字信号的频率计算值，直至得到每路数字信号的频率计算值，根据原始输入数字信号的幅频特性，搜索原始输入数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据原始输入数字信号的峰值点位置，计算原始输入数字信号的频率计算值，具体地：

通过查找四组单比特DFT结果中[0,M_i/2)范围内幅度峰值点的位置分别为P_i,i＝0,1,2,3，计算每路数字信号的频率为：

f_i＝(P_if_s)/(D_iM_i)

其中，P₀对应原始输入数字信号，P₁对应抽取因子为D₁的数字信号，P₂对应抽取因子为D₂的数字信号，P₃对应抽取因子为D₃的数字信号，原始输入数字信号的频率计算值f₀无模糊，精度较低；抽取因子为D₁的数字信号的频率计算值f₁、抽取因子为D₂的数字信号的频率计算值f₂、抽取因子为D₃的数字信号的频率计算值f₃精度较高，但存在两种模糊度，一种因为是实信号正负频率的幅频特性一样，一种是因为抽取导致的频率折叠。

S5、根据每路数字信号的频率计算值和原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到原始输入数字信号的最终频率值。

一方面，原始输入数字信号与抽取后的每路数字信号同时进行单比特傅里叶变换，相当于粗测频与精测频相结合，相对于现有技术中的“只对原始输出信号进行单比特傅里叶变换”相比，要获得相同的测频精度，本发明的运算量更少，缩短测频时间；另一方面，可获得更高的频谱分析精度，缩短测频时间，由此实现了一种测频精度高、测频时间短和运算复杂度低的数字测频方法。

可选地，在上述技术方案中，S3中，对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，包括：

采用泰勒展开对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，具体地：

根据DFT的复数输出，计算频谱的幅度，本发明通过泰勒展开近似处理，设W＝I+jQ，则|W|≈max{|I|,|Q|}+min{|I|,|Q|}/2。

可选地，在上述技术方案中，S5中，根据每路数字信号的频率计算值和原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到原始输入数字信号的最终频率值，包括：

S51、利用第一公式计算中间量W的最小值，第一公式为

其中，q₁∈{1,2,3,4}，q₂∈{1,2,3,4}，q₃∈{1,2,3,4}，/>

表示对/>

进行下取整；

S52、利用第二公式计算原始输入数字信号的最终频率值f_out，第二公式为：

其中，中间量W取最小值时对应的q₁的取值为a，中间量W取最小值时对应的q₂的取值为b，中间量W取最小值时对应的q₃的取值为c。

本发明的技术效果如下：

1)原始信号与抽取后信号同时进行多路单比特DFT，相当于粗测频与精测频相结合，与只对原始信号进行单比特DFT相比，要获得相同的测频精度，本方法的运算量更少；

2)输入信号补零后进行单比特DFT计算，可获得更高的频谱分析精度；接收信号用于单比特DFT的时间变短，可缩短测频时间；

3)根据实信号幅频特性的对称性，只计算DFT一半的结果，减少1/2的运算量；

4)根据DFT的复数输出，计算频谱的幅度，本发明通过泰勒展开近似处理，设W＝I+jQ，则|W|≈max{|I|,|Q|}+min{|I|,|Q|}/2；

通过如下实施例对本发明的一种数字测频方法的技术效果进行说明：

若原始信号频率范围200MHz～2200MHz，采样率f_s为4800MHz，其他参数有D₁＝17、D₂＝19、D₃＝27，N₀＝64，N₁＝N₂＝N₃＝32，M₀＝256，M₁＝M₂＝M₃＝512，仿真信噪比为10dB，FPGA处理时钟频率300MHz。

数据采集的时间需要max{D_iN_i/f_s,i＝0,1,2,3}＝180ns；单比特DFT通过累积加减法实现，信号采集完即可得到单比特DFT结果；幅度解算通过求绝对值和加法实现，需要2个FPGA处理时钟周期；对实信号一半的幅度谱进行峰值点搜索，通过两两比较并行处理，需要的FPGA处理时钟周期数为max{ceil(log₂(M_i/2)),i＝0,1,2,3}＝8；模糊度解算中偏差计算需2个时钟周期，最小偏差组合搜索需log₂4³＝6个时钟周期；最终结果求和平均要2个时钟周期；总共需要时间180+(2+9+2+6)×3.3≈250ns，测频的均方根误差不大于450kHz。如图3所示。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图4所示，本发明实施例的一种数字测频系统200，包括抽取模块210、单比特傅里叶变换模块220、近似求模模块230、第一计算模块240和第二计算模块250；

抽取模块210用于：按照不同抽取因子对原始输入数字信号进行抽取，得到多路数字信号；

单比特傅里叶变换模块220用于：从每路数字信号和原始输入数字信号中分别截取局部信号，并进行单比特傅里叶变换，得到每路数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，以及原始输入数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，其中，对任一路数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从该路数字信号中截取的局部信号的长度，对原始输入数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从原始输入数字信号中截取的局部信号的长度；

近似求模模块230用于：对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，得到每路数字信号的幅频特性和原始输入数字信号的幅频特性；

第一计算模块240用于：根据任一路数字信号的幅频特性，搜索该路数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据该路数字信号的峰值点位置，计算该路数字信号的频率计算值，直至得到每路数字信号的频率计算值，根据原始输入数字信号的幅频特性，搜索原始输入数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据原始输入数字信号的峰值点位置，计算原始输入数字信号的频率计算值；

第二计算模块250用于：根据每路数字信号的频率计算值和原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到原始输入数字信号的最终频率值。

可选地，在上述技术方案中，不同抽取因子相互之间不整除。

可选地，在上述技术方案中，近似求模模块230具体用于：

采用泰勒展开对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模。

可选地，在上述技术方案中，第二计算模块250具体用于：

利用第一公式计算中间量W的最小值，第一公式为

其中，q₁∈{1,2,3,4}，q₂∈{1,2,3,4}，q₃∈{1,2,3,4}，

表示对/>

进行下取整；

利用第二公式计算原始输入数字信号的最终频率值f_out，第二公式为：

其中，中间量W取最小值时对应的q₁的取值为a，中间量W取最小值时对应的q₂的取值为b，中间量W取最小值时对应的q₃的取值为c。上述关于本发明的一种数字测频系统200中的各参数和各个单元模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种数字测频方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

本发明实施例的一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取指令时，使计算机执行上述任一项的一种数字测频方法。

本发明实施例的一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，处理器执行存储介质中的指令，电子设备可以选用电脑、手机等。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。

因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种数字测频方法，其特征在于，包括：

按照不同抽取因子对原始输入数字信号进行抽取，得到多路数字信号；

从每路数字信号和所述原始输入数字信号中分别截取局部信号，并进行单比特傅里叶变换，得到每路数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，以及所述原始输入数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，其中，对任一路数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从该路数字信号中截取的局部信号的长度，对所述原始输入数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从所述原始输入数字信号中截取的局部信号的长度；

对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，得到每路数字信号的幅频特性和原始输入数字信号的幅频特性；

根据任一路数字信号的幅频特性，搜索该路数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据该路数字信号的峰值点位置，计算该路数字信号的频率计算值，直至得到每路数字信号的频率计算值；根据所述原始输入数字信号的幅频特性，搜索所述原始输入数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据所述原始输入数字信号的峰值点位置，计算所述原始输入数字信号的频率计算值；

根据每路数字信号的频率计算值和所述原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到所述原始输入数字信号的最终频率值。

2.根据权利要求1所述的一种数字测频方法，其特征在于，不同抽取因子相互之间不整除。

3.根据权利要求1所述的一种数字测频方法，其特征在于，对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，包括：

采用泰勒展开对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模。

4.根据权利要求1所述的一种数字测频方法，其特征在于，根据每路数字信号的频率计算值和所述原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到所述原始输入数字信号的最终频率值，包括：

利用第一公式计算中间量W的最小值，所述第一公式为

其中，q₁∈{1,2,3,4}，q₂∈{1,2,3,4}，q₃∈{1,2,3,4}，/>

j＝1,2,3，/>

表示对/>

进行下取整；

利用第二公式计算所述原始输入数字信号的最终频率值f_out，所述第二公式为：

其中，所述中间量W取最小值时对应的q₁的取值为a，所述中间量W取最小值时对应的q₂的取值为b，所述中间量W取最小值时对应的q₃的取值为c。

5.一种数字测频系统，其特征在于，包括抽取模块、单比特傅里叶变换模块、近似求模模块、第一计算模块和第二计算模块；

所述抽取模块用于：按照不同抽取因子对原始输入数字信号进行抽取，得到多路数字信号；

所述单比特傅里叶变换模块用于：从每路数字信号和所述原始输入数字信号中分别截取局部信号，并进行单比特傅里叶变换，得到每路数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，以及所述原始输入数字信号对应的单比特傅里叶变换结果，其中，对任一路数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从该路数字信号中截取的局部信号的长度，对所述原始输入数字信号进行单比特傅里叶变换的计算点数大于从所述原始输入数字信号中截取的局部信号的长度；

所述近似求模模块用于：对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模，得到每路数字信号的幅频特性和原始输入数字信号的幅频特性；

所述第一计算模块用于：根据任一路数字信号的幅频特性，搜索该路数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据该路数字信号的峰值点位置，计算该路数字信号的频率计算值，直至得到每路数字信号的频率计算值；根据所述原始输入数字信号的幅频特性，搜索所述原始输入数字信号的幅度谱的峰值点位置，根据所述原始输入数字信号的峰值点位置，计算所述原始输入数字信号的频率计算值；

所述第二计算模块用于：根据每路数字信号的频率计算值和所述原始输入数字信号的频率计算值进行解模糊计算，得到所述原始输入数字信号的最终频率值。

6.根据权利要求5所述的一种数字测频系统，其特征在于，不同抽取因子相互之间不整除。

7.根据权利要求5所述的一种数字测频系统，其特征在于，所述近似求模模块具体用于：

采用泰勒展开对每个单比特傅里叶变换结果进行近似求模。

8.根据权利要求5所述的一种数字测频系统，其特征在于，所述第二计算模块具体用于：

利用第一公式计算中间量W的最小值，所述第一公式为

其中，q₁∈{1,2,3,4}，q₂∈{1,2,3,4}，q₃∈{1,2,3,4}，/>

j＝1,2,3，/>

表示对/>

进行下取整；

利用第二公式计算所述原始输入数字信号的最终频率值f_out，所述第二公式为：

其中，所述中间量W取最小值时对应的q₁的取值为a，所述中间量W取最小值时对应的q₂的取值为b，所述中间量W取最小值时对应的q₃的取值为c。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至4中任一项所述的一种数字测频方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和权利要求9所述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。

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