CN117491744B - 一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，涉及信号处理技术领域，包括以下步骤：通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号，且在对参考信号A和被测信号B的采样完成后，分别对参考信号A和被测信号B进行信号降噪处理。本发明提出了一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，保证了在仅使用一台设备的情况下可以轻易地测量时间频率特性和B码误差，包括基于AD采样的数字化相位测量、高精度的脉宽测量和B码同步误差测量，其中数字化相位测量通过信号功分放大、数字混频、数字滤波和数字鉴相，且基于计算的两个信号的相位差，从而计算时频参数特性。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体为一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法。
背景技术
在智能仪表、网络通讯、过程控制等测控系统应用中，经常需要对脉冲信号的频率或周期进行精确测量，现有时频参数测试方式有以下几种：
（1）采用频率计数器直接测量，但是测量精度低；
（2）采用大规模模拟电路实现混频滤波后用电压采样的方式计算相位差，但是整机集成性差，且测量功能单一；
（3）采用锁相环电路锁定参考信号后做差拍信号处理，但是测量范围受限；
（4）采用多台设备逐一测量单个功能，但是测量设备集成性较差；
鉴于以上内容，有必要提供一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，保证了在仅使用一台设备的情况下可以轻易地测量时间频率特性和B码误差，包括基于AD采样的数字化相位测量、高精度的脉宽测量和B码同步误差测量，数字化相位测量通过信号功分放大、数字混频、数字滤波和数字鉴相，计算两个信号的相位差，从而计算时频参数特性，为时频参数测量提供了高精度测量而且可以使仪器整机集成度高，测量功能和测量范围更宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，包括以下步骤：
S1：通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号，且在对参考信号A和被测信号B的采样完成后，分别对参考信号A和被测信号B进行信号降噪处理；
S2：基于步骤S1内获取并经过降噪处理的参考信号A和被测信号B，通过设置的通道处理单元和信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行处理，并分别产生相位信号，且计算出两个相位信号之间的相位差，且通过将参考信号A和被测信号B信号下变频的方式，提高相位差的测量精度；
S3：基于步骤S2得到的相位差数据，进行数值错误判断和时间偏差计算，并通过设置的误差计算单元进行时频特性参数计算。
优选的，所述步骤S1还包括通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号，且在对参考信号A和被测信号B的采样完成后，分别对参考信号A和被测信号B进行信号降噪处理，具体步骤如下：对转换为数字信号的参考信号A和被测信号B进行频谱分析，识别出噪声的频率和幅度，基于噪声的频率和幅度，将数字信号通过滤波器进行降噪，且可以通过对经过降噪后的数字信号进行逆量化的方式得到降噪后的模拟信号。
优选的，所述步骤S1还包括在通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号时，需要对时间交织型ADC通道的失配进行校准，通道失配包括失调失配、增益失配和采样时间失配三种类型，其中时间交织型ADC失调失配和增益失配通过时间交织型ADC各通道子ADC的输出统计学特性以实现误差的估计和校准，根据失调失配和增益失配对时间交织型ADC输出的时域误差效应，通过分别统计均值和方差的方法估计失调误差和增益误差，同时通过加法器和乘法器将失调误差和增益误差从原有通道子ADC的输出端消去。
优选的，其中时间交织型ADC采样时间失配的校准包括采样时间偏差提取和采样时间偏差补偿两个步骤，其中采样时间偏差提取具体在数字域通过一阶泰勒近似的导数滤波器来实现，其中采样时间偏差补偿具体在模拟域通过可变延时线或其他延时器件来实现。
优选的，所述步骤S2还包括基于步骤S1内获取并经过降噪处理的参考信号A和被测信号B，通过设置的通道处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行信号限幅保护和信号放大处理，具体通过二极管钳位和程控衰减器实现对参考信号A和被测信号B的信号限幅保护，具体通过低噪声功率三极管实现对参考信号A和被测信号B的信号放大处理，通过设置的信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行下变频和数字滤波处理，并产生相位信号，具体通过高精度ADC实现对参考信号A和被测信号B进行下变频，具体通过整倍数数字抽取技术实现对参考信号A和被测信号B的数字滤波处理。
优选的，所述步骤S2还包括通道处理单元与信号处理单元之间还设置有混频器、滤波器和下变频器，其中，混频器1的输入端与本振相连接，混频器2的输入端与本振/>相连接，时间交织型ADC正交输出端与混频器相连接，产生两路信号，其中一路I信号代表实部，一路Q信号代表虚部，混频器1输出I信号，混频器2输出Q信号，通过相位计算算法分别计算出参考信号A和被测信号B的相位信号，其具体计算公式如下：
；
式中，表示相位信号，/>表示输入信号的相位，/>表示采样时钟信号的相位，/>表示ADC器件的相位，且参考信号A和被测信号B采用相同的通道模式进行处理，即通过相同的通道处理单元和信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行处理。
优选的，所述步骤S2还包括将参考信号A和被测信号B与内部的本振信号下变频，且下变频信号的相位通过反正切的方式处理得到，通过将参考信号A和被测信号B下变频处理，提高参考信号A和被测信号B之间相位差的测量精度，且信号处理单元的下变频频率、数字滤波带宽、控制方式、滤波方式、抽取速率均可以灵活配置，对于不同频率的时频特性测量而言，可以通过调整本振的频率达到和被测频率一致的特性，同等条件下被测频率有利于获得更好的相位差测量结果，且集成时码转换单元，通过RS422B码/RS232B码/B码（AC）解码电路转换为B码（DC），可以实现对B码的同步误差进行测量。
优选的，所述步骤S3还包括基于步骤S2得到的参考信号A和被测信号B之间的相位差数据，进行数值错误判断和时间偏差计算，数值错误判断具体为如果参考信号A和被测信号B之间的相位差数据大于360度，则该数据视为错误数据并将其过滤掉，且时间偏差的具体计算公式如下：
；
式中，表示时间偏差，/>表示第/>个时间误差的采样值，/>表示第个时间误差，/>表示采样间隔数，/>表示总采样个数，/>表示第/>次采样，并通过设置的误差计算单元进行时频特性参数计算，包括对稳定度、频率偏差和同步误差进行计算，其中频率偏差的具体计算公式如下：
；
式中，表示频率偏差，/>表示采样周期，其中稳定度的具体计算公式如下：
；
式中，表示稳定度，/>表示第/>次取样的相对频率偏差，/>表示第/>次取样，其中同步误差的具体计算公式如下：
；
式中，表示同步误差，/>表示第/>次测量，/>表示第/>次测量的时差数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：本发明提出了一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，保证了在仅使用一台设备的情况下可以轻易地测量时间频率特性和B码误差，包括基于AD采样的数字化相位测量、高精度的脉宽测量和B码同步误差测量，其中数字化相位测量通过信号功分放大、数字混频、数字滤波和数字鉴相，且基于计算的两个信号的相位差，从而计算时频参数特性，这不仅为时频参数测量提供了高精度测量而且可以使仪器整机集成度高、测量功能和测量范围更宽，且因不需要其他设备即可测量时频参数和B码同步误差，因而在测量使用中更加方便，改变传统方式中需要多台设备且计量单一的特性，对于频率标准测量和同步误差测量有极大便利。
附图说明
图1为本发明实施例提供整体方法流程框图；
图2为本发明实施例提供整体方法结构示意图；
图3为本发明实施例提供整体方法原理框图。
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。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，包括以下步骤：
S1：通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号，且在对参考信号A和被测信号B的采样完成后，分别对参考信号A和被测信号B进行信号降噪处理；
S2：基于步骤S1内获取并经过降噪处理的参考信号A和被测信号B，通过设置的通道处理单元和信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行处理，并分别产生相位信号，且计算出两个相位信号之间的相位差，且通过将参考信号A和被测信号B信号下变频的方式，提高相位差的测量精度；
S3：基于步骤S2得到的相位差数据，进行数值错误判断和时间偏差计算，并通过设置的误差计算单元进行时频特性参数计算。
步骤S1还包括通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号，且在对参考信号A和被测信号B的采样完成后，分别对参考信号A和被测信号B进行信号降噪处理，具体步骤如下：对转换为数字信号的参考信号A和被测信号B进行频谱分析，识别出噪声的频率和幅度，基于噪声的频率和幅度，将数字信号通过滤波器进行降噪，且可以通过对经过降噪后的数字信号进行逆量化的方式得到降噪后的模拟信号；
步骤S1还包括在通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号时，需要对时间交织型ADC通道的失配进行校准，通道失配包括失调失配、增益失配和采样时间失配三种类型，其中时间交织型ADC失调失配和增益失配通过时间交织型ADC各通道子ADC的输出统计学特性以实现误差的估计和校准，根据失调失配和增益失配对时间交织型ADC输出的时域误差效应，通过分别统计均值和方差的方法估计失调误差和增益误差，同时通过加法器和乘法器将失调误差和增益误差从原有通道子ADC的输出端消去；
其中时间交织型ADC采样时间失配的校准包括采样时间偏差提取和采样时间偏差补偿两个步骤，其中采样时间偏差提取具体在数字域通过一阶泰勒近似的导数滤波器来实现，其中采样时间偏差补偿具体在模拟域通过可变延时线或其他延时器件来实现；
步骤S2还包括基于步骤S1内获取并经过降噪处理的参考信号A和被测信号B，通过设置的通道处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行信号限幅保护和信号放大处理，具体通过二极管钳位和程控衰减器实现对参考信号A和被测信号B的信号限幅保护，具体通过低噪声功率三极管实现对参考信号A和被测信号B的信号放大处理，通过设置的信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行下变频和数字滤波处理，并产生相位信号，具体通过高精度ADC实现对参考信号A和被测信号B进行下变频，具体通过整倍数数字抽取技术实现对参考信号A和被测信号B的数字滤波处理；
步骤S2还包括通道处理单元与信号处理单元之间还设置有混频器、滤波器和下变频器，其中，混频器1的输入端与本振相连接，混频器2的输入端与本振/>相连接，时间交织型ADC正交输出端与混频器相连接，产生两路信号，其中一路I信号代表实部，一路Q信号代表虚部，混频器1输出I信号，混频器2输出Q信号，通过相位计算算法分别计算出参考信号A和被测信号B的相位信号，其具体计算公式如下：
；
式中，表示相位信号，/>表示输入信号的相位，/>表示采样时钟信号的相位，/>表示ADC器件的相位，且参考信号A和被测信号B采用相同的通道模式进行处理，即通过相同的通道处理单元和信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行处理，经数字变换后两者的相位差为：
；
式中，表示输入参考信号A时的采样时钟信号的相位，/>表示输入被测信号B时的采样时钟信号的相位，/>表示输入参考信号A时的ADC器件的相位，/>表示输入被测信号B时的ADC器件的相位，且由于时钟信号采用无源功分方式产生，所以与/>相等，且参考和被测ADC采用相同型号,所以/>与/>相等，通过计算得知参考信号和被测信号经通道处理单元和信号处理单元后相位差不变，通过变换的相位差代表了信号本生的相位差，变换前后相位差为：
；
式中，表示参考信号A和被测信号B之间相位差，/>表示参考信号A的输入相位，/>表示被测信号B的输入相位；
步骤S2还包括将参考信号A和被测信号B与内部的本振信号下变频，且下变频信号的相位通过反正切的方式处理得到，其具体计算公式如下：
；
式中，表示下变频信号的相位，/>表示/>信号，/>表示/>信号,通过将参考信号A和被测信号B下变频处理，提高参考信号A和被测信号B之间相位差的测量精度，且信号处理单元的下变频频率、数字滤波带宽、控制方式、滤波方式、抽取速率均可以灵活配置，对于不同频率的时频特性测量而言，可以通过调整本振的频率达到和被测频率一致的特性，同等条件下被测频率有利于获得更好的相位差测量结果，且集成时码转换单元，通过RS422B码/RS232B码/B码（AC）解码电路转换为B码（DC），可以实现对B码的同步误差进行测量；
步骤S3还包括基于步骤S2得到的参考信号A和被测信号B之间的相位差数据，进行数值错误判断和时间偏差计算，数值错误判断具体为如果参考信号A和被测信号B之间的相位差数据大于360度，则该数据视为错误数据并将其过滤掉，且时间偏差的具体计算公式如下：
；
式中，表示时间偏差，/>表示第/>个时间误差的采样值，/>表示第个时间误差，/>表示采样间隔数，/>表示总采样个数，/>表示第/>次采样，并通过设置的误差计算单元进行时频特性参数计算，包括对稳定度、频率偏差和同步误差进行计算，其中频率偏差的具体计算公式如下：
；
式中，表示频率偏差，/>表示采样周期，其中稳定度的具体计算公式如下：
；
式中，表示稳定度，/>表示第/>次取样的相对频率偏差，/>表示第/>次取样，其中同步误差的具体计算公式如下：
；
式中，表示同步误差，/>表示第/>次测量，/>表示第/>次测量的时差数据。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
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 (6)
1.一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号，且在对参考信号A和被测信号B的采样完成后，分别对参考信号A和被测信号B进行信号降噪处理；
S2：基于步骤S1内获取并经过降噪处理的参考信号A和被测信号B，通过设置的通道处理单元和信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行处理，并分别产生相位信号，且计算出两个相位信号之间的相位差，且通过将参考信号A和被测信号B信号下变频的方式，提高相位差的测量精度；
所述步骤S2还包括通道处理单元与信号处理单元之间还设置有混频器、滤波器和下变频器，其中，混频器1的输入端与本振相连接，混频器2的输入端与本振/>相连接，时间交织型ADC正交输出端与混频器相连接，产生两路信号，其中一路I信号代表实部，一路Q信号代表虚部，混频器1输出I信号，混频器2输出Q信号，通过相位计算算法分别计算出参考信号A和被测信号B的相位信号，其具体计算公式如下：
式中，表示相位信号，/>表示输入信号的相位，/>表示采样时钟信号的相位，表示ADC器件的相位，且参考信号A和被测信号B采用相同的通道模式进行处理，即通过相同的通道处理单元和信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行处理，经数字变换后两者的相位差为：
式中，表示输入参考信号A时的采样时钟信号的相位，/>表示输入被测信号B时的采样时钟信号的相位，/>表示输入参考信号A时的ADC器件的相位，/>表示输入被测信号B时的ADC器件的相位，且由于时钟信号采用无源功分方式产生，所以/>与/>相等，且参考和被测ADC采用相同型号,所以/>与/>相等，通过计算得知参考信号和被测信号经通道处理单元和信号处理单元后相位差不变，通过变换的相位差代表了信号本生的相位差，变换前后相位差为：
式中，表示参考信号A和被测信号B之间相位差，/>表示参考信号A的输入相位，表示被测信号B的输入相位；
S3：基于步骤S2得到的相位差数据，进行数值错误判断和时间偏差计算，并通过设置的误差计算单元进行时频特性参数计算；
所述步骤S3还包括基于步骤S2得到的参考信号A和被测信号B之间的相位差数据，进行数值错误判断和时间偏差计算，数值错误判断具体为如果参考信号A和被测信号B之间的相位差数据大于360度，则该数据视为错误数据并将其过滤掉，且时间偏差的具体计算公式如下：
式中，表示时间偏差，/>表示第/>个时间误差的采样值，/>表示第/>个时间误差，/>表示采样间隔数，/>表示总采样个数，/>表示第/>次采样，并通过设置的误差计算单元进行时频特性参数计算，包括对稳定度、频率偏差和同步误差进行计算，其中频率偏差的具体计算公式如下：
式中，表示频率偏差，/>表示采样周期，其中稳定度的具体计算公式如下：
式中，表示稳定度，/>表示第/>次取样的相对频率偏差，/>表示第/>次取样，其中同步误差的具体计算公式如下：
式中，表示同步误差，/>表示第/>次测量，/>表示第/>次测量的时差数据。
2.根据权利要求1所述的一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，其特征在于：所述步骤S1还包括通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号，且在对参考信号A和被测信号B的采样完成后，分别对参考信号A和被测信号B进行信号降噪处理，具体步骤如下：对转换为数字信号的参考信号A和被测信号B进行频谱分析，识别出噪声的频率和幅度，基于噪声的频率和幅度，将数字信号通过滤波器进行降噪，且可以通过对经过降噪后的数字信号进行逆量化的方式得到降噪后的模拟信号。
3.根据权利要求1所述的一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，其特征在于：所述步骤S1还包括在通过时间交织型ADC分别对参考信号A和被测信号B进行采样并将其分别转换为数字信号时，需要对时间交织型ADC通道的失配进行校准，通道失配包括失调失配、增益失配和采样时间失配三种类型，其中时间交织型ADC失调失配和增益失配通过时间交织型ADC各通道子ADC的输出统计学特性以实现误差的估计和校准，根据失调失配和增益失配对时间交织型ADC输出的时域误差效应，通过分别统计均值和方差的方法估计失调误差和增益误差，同时通过加法器和乘法器将失调误差和增益误差从原有通道子ADC的输出端消去。
4.根据权利要求1所述的一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，其特征在于：其中时间交织型ADC采样时间失配的校准包括采样时间偏差提取和采样时间偏差补偿两个步骤，其中采样时间偏差提取具体在数字域通过一阶泰勒近似的导数滤波器来实现，其中采样时间偏差补偿具体在模拟域通过可变延时线或其他延时器件来实现。
5.根据权利要求1所述的一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，其特征在于：所述步骤S2还包括基于步骤S1内获取并经过降噪处理的参考信号A和被测信号B，通过设置的通道处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行信号限幅保护和信号放大处理，具体通过二极管钳位和程控衰减器实现对参考信号A和被测信号B的信号限幅保护，具体通过低噪声功率三极管实现对参考信号A和被测信号B的信号放大处理，通过设置的信号处理单元分别对参考信号A和被测信号B进行下变频和数字滤波处理，并产生相位信号，具体通过高精度ADC实现对参考信号A和被测信号B进行下变频，具体通过整倍数数字抽取技术实现对参考信号A和被测信号B的数字滤波处理。
6.根据权利要求1所述的一种宽范围任意频点的时频参数综合测方法，其特征在于：所述步骤S2还包括将参考信号A和被测信号B与内部的本振信号下变频，且下变频信号的相位通过反正切的方式处理得到，且信号处理单元的下变频频率、数字滤波带宽、控制方式、滤波方式、抽取速率均可以灵活配置，且集成时码转换单元，通过RS422B码/RS232B码/B码（AC）解码电路转换为B码（DC），可以实现对B码的同步误差进行测量。
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2024
- 2024-01-02 CN CN202410000460.8A patent/CN117491744B/zh active Active
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|---|---|
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