CN116203315B - 频率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率测量方法及装置，所述方法包括：接收待测量信号，并统计待测量信号中幅值超过阈值的周期数量；当周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，并根据第一计数时间估计频率范围，其中，第一预设值大于等于2，第一计数时间为任意两阈值之间的时间；根据频率范围和周期数量得到频率测量结果。由此，该方法，能够提高频率的测量速度和精度，降低资源使用量。

Description

频率测量方法及装置

技术领域

本发明涉及频率测量技术领域，尤其涉及一种频率测量方法及装置。

背景技术

频率测量在电子设计和测量领域中经常用到，尤其是在精密测量、雷达定位、目标识别等领域，以上领域对频率测量的精度和速度都提出了很高的要求，因此对频率测量方法的研究在实际工程应用中具有重要意义。

目前主要的频率测量方法包括以下三种方法：

测频法又叫直接测量法，即在固定时间t内对被测信号的脉冲数进行计数，然后求出单位时间内的脉冲数，即为被测信号的频率。但测频法在信号频率较低时，测量精度不足，测量时间过长。

测周法又叫间接测量法，通过在一个被测信号的周期内，测量基准时钟的个数，得到被测信号的周期，再将其转化为频率。但测周法在测量高频信号时测量精度不足。

多时间窗并行检测法，利用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）并行执行的特点，通过在FPGA内部开辟多个同时执行的进程，每个进程对应一个开窗时间，只要根据频率范围合理地选择进程数以及每个进程中的开窗时间，便可以达到宽范围、高精度、响应速度快的频率。但是这种方法意味着需要测量的频率范围越大，则需要开辟的时间窗口数越多，进而导致资源使用率成倍增长，这对于一些性能较差或者资源使用量比较小的FPGA而言是十分致命的缺点。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种频率测量方法，能够提高频率的测量速度和精度，降低资源使用量。

本发明的第二个目的在于提出频率测量装置。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种频率测量方法，所述方法包括：接收待测量信号，并统计所述待测量信号中幅值超过阈值的周期数量；当所述周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，并根据所述第一计数时间估计频率范围，其中，所述第一预设值大于等于2，所述第一计数时间为任意两所述阈值之间的时间；根据所述频率范围和所述周期数量得到频率测量结果。

根据本发明实施例的频率测量方法，通过统计待测量信号中幅值超过阈值的周期数量，在周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，并根据第一计数时间估计频率范围，其中，第一预设值大于等于2，第一计数时间为任意两阈值之间的时间，进而根据频率范围和周期数量得到频率测量结果，能够提高频率的测量速度和精度，降低资源使用量。

本发明实施例的频率测量方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述统计所述待测量信号中幅值超过阈值的周期数量，包括：在预设时长内按照预设工作时钟统计所述待测量信号中幅值超过阈值的周期数量。

根据本发明的一个实施例，所述根据所述频率范围和所述周期数量得到频率测量结果，包括：根据所述频率范围确定对应的周期门限值；将所述周期门限值与第二预设值进行比较，其中，所述第二预设值大于所述第一预设值；根据比较结果和所述周期数量得到所述频率测量结果。

根据本发明的一个实施例，所述根据比较结果和所述周期数量得到所述频率测量结果，包括：若所述周期门限值大于第二预设值，则在所述周期数量大于或等于所述周期门限值时，获取第二计数时间，并根据所述周期数量和所述第二计数时间得到所述频率测量结果，其中，所述第二计数时间为从接收所述待测量信号开始到当前的时间。

根据本发明的一个实施例，所述根据比较结果和所述周期数量得到所述频率测量结果，包括：若所述第二预设值大于或等于所述周期门限值，则在所述周期数量大于或等于所述第二预设值时，获取第二计数时间，并根据所述周期数量和所述第二计数时间得到所述频率测量结果，其中，所述第二计数时间为从接收所述待测量信号开始到当前的时间。

进一步地，所述根据所述周期数量和所述第二计数时间得到所述频率测量结果，包括：计算所述周期数量与所述第二计数时间的比值，将所述比值作为所述频率测量结果。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种频率测量装置，所述装置包括：时间窗计数单元，用于接收待测量信号，并统计所述待测量信号中幅值超过阈值的周期数量；中值检测单元，用于对所述周期数量进行判断；阈值检测单元，用于在所述周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，其中，所述第一预设值大于等于2，所述第一计数时间为任意两所述阈值之间的时间；频率估计单元，用于根据所述第一计数时间估计频率范围；频率输出单元，用于根据所述频率范围和所述周期数量得到频率测量结果并输出。

根据本发明实施例的频率测量装置，能够提高频率的测量速度和精度，降低资源使用量。

本发明实施例的频率测量装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述阈值检测单元还用于：在所述周期数量小于所述第一预设值时，触发所述中值检测单元继续对所述周期数量进行判断；在所述周期数量大于或等于第二预设值时，允许所述频率输出单元进行频率输出，其中，所述第二预设值大于所述第一预设值。

根据本发明的一个实施例，所述频率估计单元，具体用于根据所述频率范围确定第一取值，并将所述第一取值赋给预设频率参数；所述频率输出单元，具体用于根据所述预设频率参数的取值得到对应的周期门限值，并在所述周期数量大于或等于所述周期门限值，且周期门限值大于所述第二预设值时，获取第二计数时间，并根据所述周期数量和所述第二计数时间得到所述频率测量结果并输出，其中，所述第二计数时间为从接收所述待测量信号开始到当前的时间。

根据本发明的一个实施例，所述时间窗计数单元、所述中值检测单元、所述阈值检测单元、所述频率估计单元和所述频率输出单元基于现场可编程门阵列实现。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明一个实施例的频率测量方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例的根据频率范围和周期数量得到频率测量结果的流程示意图；

图3是本发明一个实施例的频率测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图1-3描述本发明实施例的频率测量方法及装置。

图1是本发明一个实施例的频率测量方法的流程示意图。如图1所示，频率测量方法包括以下步骤：

S101、接收待测量信号，并统计待测量信号中幅值超过阈值的周期数量。其中，统计待测量信号中幅值超过阈值的周期数量，可包括：在预设时长内按照预设工作时钟统计待测量信号中幅值超过阈值的周期数量。

具体地，可通过时间窗计数单元接收待测量信号，并在预设时长T内根据预设工作时钟fc进行计数，当每检测到一次阈值，则待测量信号中幅值超过阈值的周期数量period_count+1。需要说明的是，预设时长T和预设工作时钟fc的大小决定了该频率测量模块能够测量的频率带宽，由于只有检测到两个以上的阈值才会进行频率输出，因此测量频率带宽为2/T~fc/2。其中，最小可测量频率为2/T：因为只有检测到两个以上的阈值才会进行频率输出，在T时间内，只有频率大于2/T的信号才能保证可以检测到至少两个阈值，频率小于2/T的信号意味着其周期大于T/2，在T时间内至多只能检测到1个阈值；最大可测量频率为fc/2：事实上，使用预设工作时钟fc进行采样的话，根据奈奎斯特定理，是可以检测fc/2以下频率的。

需要说明的是，当整个时间窗计数单元计数完成后，会清零预设频率参数freq_range和周期数量period_count的值，并重新开始下一个时间周期的计数。

S102、当周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，并根据第一计数时间估计频率范围，其中，第一预设值大于等于2，第一计数时间为任意两阈值之间的时间。

具体地，可通过中值检测单元对周期数量进行判断，通过阈值检测单元在周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间；在周期数量小于第一预设值时，触发中值检测单元继续对周期数量进行判断。例如：由于预设时长T为2s，工作时钟为100MHz，100MHz对应周期为10ns，此时用10ns周期的频率去计数2s时间长度，得到第一计数时间js_count范围为1~2×10^8。例如：参见表1，当周期数量period_count=1（即第一预设值S1）时，不输出频率并重新对周期数量进行判断。当周期数量period_count=2（即第一预设值S1）时，可通过频率估计单元，根据两阈值之间的时间js_count（即第一计数时间）估计出频率范围。其中，频率范围f=（period_count/js_count）×10^8Hz。由此，通过开辟一个时间窗口就可以估计高带宽的频率范围，大大地减少了FPGA内部的资源消耗，为低性能、资源紧张的FPGA实现高带宽频率估计提供了可能性。

表1

S103、根据频率范围和周期数量得到频率测量结果。

具体地，参见图2，步骤S103可包括步骤S201-S203：

S201、根据频率范围确定对应的周期门限值。

具体地，从频率范围内选一个频率作为第一取值（参见表2中的a1、a2、a3……、an），将第一取值赋给预设频率参数freq_range，依据表2中预设频率参数freq_range与周期门限值period_count1的对应关系，确定预设频率参数freq_range对应的周期门限值period_count1（参见表1-2中的b1，b2，b3……，bn）。需要说明的是，预设频率参数freq_range的位宽取决于频率范围细化精度，可以采用线性划分或者指数划分方式等多种方式。

S202、将周期门限值与第二预设值进行比较，其中，第二预设值大于第一预设值。

S203、根据比较结果和周期数量得到频率测量结果。

作为第一个示例，步骤S203可包括：若周期门限值大于第二预设值，则在周期数量大于或等于周期门限值时，获取第二计数时间，并根据周期数量和第二计数时间得到频率测量结果，其中，第二计数时间为从接收待测量信号开始到当前的时间。另外，根据周期数量和第二计数时间得到频率测量结果，可包括：计算周期数量与第二计数时间的比值，将比值作为频率测量结果。

具体地，参见表2，如果周期门限值period_count1大于第二预设值S2，则在周期数量period_count大于或等于周期门限值period_count1时，获取从接收待测量信号开始到当前的时间（即第二计数时间），并计算周期数量period_count与第二计数时间S2的比值（即period_count/S2），将比值作为频率测量结果。另外，在周期数量period_count大于或等于第二预设值S2时，允许频率测量结果输出。由此，通过根据检测到的周期数量period_count和第二预设值S2判断是否允许将频率测量结果输出。

表2

例如：参见表3，当检测到周期门限值period_count1大于3（即第二预设值S2），且周期数量period_count大于或等于周期门限值period_count1时，可通过频率输出单元计算周期数量period_count与第二计数时间S2的比值（即period_count/S2），将比值作为频率测量结果并输出。

表3

作为第二个示例，步骤S203还可包括：若第二预设值大于或等于周期门限值，则在周期数量大于或等于第二预设值时，获取第二计数时间，并根据周期数量和第二计数时间得到频率测量结果，其中，第二计数时间为从接收待测量信号开始到当前的时间。另外，根据周期数量和第二计数时间得到频率测量结果，可包括：计算周期数量与第二计数时间的比值，将比值作为频率测量结果。

具体地，参见表4，如果第二预设值S2大于或等于周期门限值period_count1，则在周期数量period_count大于或等于周期门限值period_count1时，获取从接收待测量信号开始到当前的时间（即第二计数时间），并计算周期数量period_count与第二计数时间S2的比值，将比值作为频率测量结果。另外，在周期数量period_count大于或等于第二预设值S2时，允许频率测量结果输出。由此，通过根据检测到的周期数量period_count和第二预设值S2判断是否允许将频率测量结果输出。

表4

另外，根据上表1中的参数设置，测量得到的各频率范围的测量速度和精度如表5所示。

表5

需要说明的是，频率测量的速度和精度取决于设置的频率范围、周期门限值period_count1参数，可以灵活的根据不同频带范围内对速度和精度的需求设置这些参数。通过频率范围对应的频率带宽和周期门限值period_count1决定某一频带内的频率是快速输出还是高精度输出，且频率范围对应的频率带宽和周期门限值period_count1的值可以根据实际应用场景进行设置。其中，相同频率范围内，周期门限值period_count1越小，则频率测量速度越快，但精度较低；相反，周期门限值period_count1越大，则测量速度较慢，但精度较高。

综上所述，该频率测量方法，通过统计待测量信号中幅值超过阈值的周期数量，在周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，并根据第一计数时间估计频率范围，其中，第一预设值大于等于2，第一计数时间为任意两阈值之间的时间，进而根据频率范围和周期数量得到频率测量结果，能够提高频率的测量速度和精度，降低资源使用量。

图3是本发明一个实施例的频率测量装置的结构示意图。如图3所示，频率测量装置100包括：时间窗计数单元10，中值检测单元20，阈值检测单元30，频率估计单元40和频率输出单元50。

其中，时间窗计数单元10，用于接收待测量信号，并统计待测量信号中幅值超过阈值的周期数量；中值检测单元20，用于对周期数量进行判断；阈值检测单元30，用于在周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，其中，第一预设值大于等于2，第一计数时间为任意两阈值之间的时间；频率估计单元40，用于根据第一计数时间估计频率范围；频率输出单元50，用于根据频率范围和周期数量得到频率测量结果并输出。

需要说明的是，时间窗计数单元10、中值检测单元20、阈值检测单元30、频率估计单元40和频率输出单元50基于现场可编程门阵列实现。例如：可以采用型号为XC7K325TFFG901-2l的FPGA，工作时钟fc为100MHz，预设时长T为2s，理论上可以测量的频率范围为1Hz~10MHz。由此，可以使用较少的FPGA资源实现高速高精度高带宽的频率测量。

作为一个示例，阈值检测单元30还用于：在周期数量小于第一预设值时，触发中值检测单元20继续对周期数量进行判断；在周期数量大于等于第二预设值时，允许频率输出单元50进行频率输出，其中，第二预设值大于第一预设值。

作为一个示例，频率估计单元40，具体用于根据频率范围确定第一取值，并将第一取值赋给预设频率参数；

作为一个示例，频率输出单元50，具体用于根据预设频率参数的取值得到对应的周期门限值，并在周期数量大于或等于周期门限值，且周期门限值大于等于第二预设值时，获取第二计数时间，并根据周期数量和第二计数时间得到频率测量结果并输出，其中，第二计数时间为从接收待测量信号开始到当前的时间。

需要说明的是，本发明实施例的频率测量装置100的其他具体实施方式，可参见上述本发明上述实施例的频率测量方法的具体实施方式。

综上所述，该频率测量装置，通过统计待测量信号中幅值超过阈值的周期数量，在周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，并根据第一计数时间估计频率范围，其中，第一预设值大于等于2，第一计数时间为任意两阈值之间的时间，进而根据频率范围和周期数量得到频率测量结果，能够提高频率的测量速度和精度，降低资源使用量。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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 (9)

1.一种频率测量方法，其特征在于，所述方法包括：

接收待测量信号，并统计所述待测量信号中幅值超过阈值的周期数量；

当所述周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，并根据所述第一计数时间估计频率范围，其中，所述第一预设值大于等于2，所述第一计数时间为任意两所述阈值之间的时间；

根据所述频率范围和所述周期数量得到频率测量结果；

所述根据所述频率范围和所述周期数量得到频率测量结果，包括：

根据所述频率范围确定对应的周期门限值；

将所述周期门限值与第二预设值进行比较，其中，所述第二预设值大于所述第一预设值；

根据比较结果和所述周期数量得到所述频率测量结果。

2.根据权利要求1所述的频率测量方法，其特征在于，所述统计所述待测量信号中幅值超过阈值的周期数量，包括：

在预设时长内按照预设工作时钟统计所述待测量信号中幅值超过阈值的周期数量。

3.根据权利要求1所述的频率测量方法，其特征在于，所述根据比较结果和所述周期数量得到所述频率测量结果，包括：

若所述周期门限值大于第二预设值，则在所述周期数量大于或等于所述周期门限值时，获取第二计数时间，并根据所述周期数量和所述第二计数时间得到所述频率测量结果，其中，所述第二计数时间为从接收所述待测量信号开始到当前的时间。

4.根据权利要求1所述的频率测量方法，其特征在于，所述根据比较结果和所述周期数量得到所述频率测量结果，包括：

若所述第二预设值大于或等于所述周期门限值，则在所述周期数量大于或等于所述第二预设值时，获取第二计数时间，并根据所述周期数量和所述第二计数时间得到所述频率测量结果，其中，所述第二计数时间为从接收所述待测量信号开始到当前的时间。

5.根据权利要求3或4所述的频率测量方法，其特征在于，所述根据所述周期数量和所述第二计数时间得到所述频率测量结果，包括：

计算所述周期数量与所述第二计数时间的比值，将所述比值作为所述频率测量结果。

6.一种频率测量装置，其特征在于，所述装置包括：

时间窗计数单元，用于接收待测量信号，并统计所述待测量信号中幅值超过阈值的周期数量；

中值检测单元，用于对所述周期数量进行判断；

阈值检测单元，用于在所述周期数量大于等于第一预设值时，获取第一计数时间，其中，所述第一预设值大于等于2，所述第一计数时间为任意两所述阈值之间的时间；

频率估计单元，用于根据所述第一计数时间估计频率范围；

频率输出单元，用于根据所述频率范围和所述周期数量得到频率测量结果并输出；

所述根据所述频率范围和所述周期数量得到频率测量结果，包括：

根据所述频率范围确定对应的周期门限值；

将所述周期门限值与第二预设值进行比较，其中，所述第二预设值大于所述第一预设值；

根据比较结果和所述周期数量得到所述频率测量结果。

7.根据权利要求6所述的频率测量装置，其特征在于，所述阈值检测单元还用于：

在所述周期数量小于所述第一预设值时，触发所述中值检测单元继续对所述周期数量进行判断；

在所述周期数量大于或等于第二预设值时，允许所述频率输出单元进行频率输出，其中，所述第二预设值大于所述第一预设值。

8.根据权利要求7所述的频率测量装置，其特征在于，

所述频率估计单元，具体用于根据所述频率范围确定第一取值，并将所述第一取值赋给预设频率参数；

所述频率输出单元，具体用于根据所述预设频率参数的取值得到对应的周期门限值，并在所述周期数量大于或等于所述周期门限值，且周期门限值大于所述第二预设值时，获取第二计数时间，并根据所述周期数量和所述第二计数时间得到所述频率测量结果并输出，其中，所述第二计数时间为从接收所述待测量信号开始到当前的时间。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的频率测量装置，其特征在于，所述时间窗计数单元、所述中值检测单元、所述阈值检测单元、所述频率估计单元和所述频率输出单元基于现场可编程门阵列实现。