CN1862263A - 一种快速频率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域一种快速频率测量系统及方法。该快速频率测量系统包括频率调整器、测频器及控制处理器，其通过频率调整器对被测信号及基准信号进行调整，延长被测信号的测试时长，提高基准信号的频率，得到高频计数脉冲，测频器利用高频计数脉冲对调整后的被测信号进行测量。本发明实现了对不同频率信号频率值进行高精度、快速的测量，测试精度只与计数脉冲的测试时长有关，测量速度与被测信号的分频后的频率有关而测量速度的大小不影响测量精度；此方法成本低，易于实现。

Description

一种快速频率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种快速频率测量系统及方法。

背景技术

目前，在测控系统中测频方法的研究越来越受到重视，因为频率信号抗干扰性强、易于传输、可以达到较高的测量精度，因此，多种非频率量的传感信号都要转化为频率量进行测量，常用的测频方法有：直接测频法和多周期同步测频法。

所述的直接测频法是最简单的测频方法，就是在给定的闸门信号中填入脉冲，通过必要的计数线路，得到填充脉冲的个数，从而计算出待测信号的频率或周期。

在测量过程中，依据信号频率的大小，测量方法分为两种：

(1)被测信号频率较高时：通常选用标准频率信号作为闸门信号，而将待测信号作为填充脉冲，设被测信号计数值为N，标准频率信号为f₀，其周期为T₀，则这种测试方法的频率测量值为f_x＝N/T₀，由于存在对被测信号计数的±1个字误差，所以测量的准确度为Δf_x＝±1/T₀。

(2)被测信号频率较低时：通常选用待测信号作为闸门信号，而将标准频率信号作为填充脉冲，设标准频率信号的计数值为N，频率为f₀，周期为T₀，则这种测量方法的频率测量值为f_x＝1/(N*T₀)，由于存在标准频率信号计数的±1个字误差，所以测量的准确度为Δf＝±f_x ²/f₀。

该直接测频法的主要缺点是：由于±1个字误差的存在，难以兼顾低频和高频实现对等准确度的测量，所以测量精度较低。

所述的多周期同步测频方法是在直接测频法的基础上发展的一种测频方法，在目前的测频系统中得到广泛的应用，多周期同步测频计数的闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数产生的±1个字误差，准确度大大提高，而且达到了整个测量频段的等准确度测量，测量原理波形如图1所示，该多周期同步法测频原理如下所述：

首先，由控制线路给出闸门开启信号，此时，计算器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，才真正开始计数，然后，两组计数器分别对被测信号和时基脉冲计数，当控制线路给出闸门关闭信号后，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号下降沿来到的时刻才真正结束计数，完成一次测量过程。可以看出，实际闸门与设定的闸门并不严格相等，但最大差值不超过被测信号的一个周期，测量分辨率为：

Δf_x＝±1/(τ×f₀)，

注：τ为实际闸门时间

由上式可以看出，测量分辨率与被测信号频率的大小无关，仅与闸门及时基频率有关，即实现了被测频带内的等准确度测量。闸门时间越长，时基频率越高，分辨率越高。

在快速测量的要求下，为了达到较高的测量准确度，需要闸门时间缩短，所以必须采用较高的时基频率，这样就可能增加成本，同时，时基脉冲的频率不能无限制的提高，所以所述多周期同步测频法不能兼顾快速、高准确度的测频要求。

为此，需要提供一种方法能够实现高精度的频率准确度的测量，满足高速、高精度的测频要求。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种快速频率测量系统及方法，其通过频率调整器对被测信号及基准信号进行处理，延长被测信号的测试时长同时提高基准信号的频率，测频器利用高频计数脉冲对被测低频信号进行测量，实现高精度、快速的测频效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种快速频率测量系统，包括：频率调整器、测频器和控制处理器，其中，

频率调整器用于对被测信号及基准信号进行处理，延长被测信号的测试时长，提高基准信号的频率；

测频器与频率调整器相连，用于对所述处理后的被测信号进行频率测量；

控制处理器与测频器相连，用于控制测频器工作，获得频率测量数据，计算频率值。

所述频率调整器包括：

分频器，用于对被测信号进行分频处理得到被测低频信号；和/或，

倍频器，用于对基准信号进行倍频处理得到高频计数脉冲。

所述分频器由可编程控制器件实现。

所述测频器包括测频计数器，其用于：

累计高频计数脉冲的个数，控制处理器输出控制信号使测频器工作，当高频计数脉冲来时，测频计数器就加1，当被测信号的上升沿或下降沿到来时，输出一个中断信号，同时输出此时的测频器中的计数值。

本发明还提供一种快速频率测量方法，包括：

A、分别对被测信号及基准信号进行调整，延长被测信号的测试时长，提高基准信号的频率，得到被测低频信号和高频计数脉冲；

B、利用所述高频计数脉冲对被测低频信号进行测量，获得频率测量数据；

C、处理所述频率测量数据，获得被测信号频率值。

所述步骤A具体包括：

将被测信号进行分频处理和/或将基准信号进行倍频处理。

所述步骤B具体包括：

B1、当高频计数脉冲来时，且被测低频信号的上升沿或下降沿到来时，输出一个中断信号给控制处理器，同时输出测量数据。

所述步骤C包括：

C1、控制处理器每收到一个中断信号时，从测频器中读取测量数据，计算一次被测信号的短期和/长期频率准确度的值。

所述被测低频信号的上升和下降沿间隔时间t为：t(t＝(N/(2*f_x))，

其中：

f_x为被测信号的频率；

N为分频器的分频系数。

所述的步骤C1包括：每次收到一个中断信号时，则获得一个测试数据X_i表示当前技术脉冲的个数，则两次中断时间间隔的计数脉冲的个数为：

ΔX_i＝X_i-X_i-1。

步骤C所述的被测信号的频率值为：

f_x＝((ΔX_(i-(M-1))+.....+ΔX_i)*(1/f₀))/((N/2)*M)，其中：

f_x表示被测信号的计算出的频率；

f₀表示计数脉冲的频率；

N表示分频器的分频系数；

M表示计算被测信号频率时，使用的间隔周期t的个数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实现了对不同频率信号进行高精度、快速的测量，使测试精度只与计数脉冲的测试时长有关，测量速度与被测信号的分频后的频率有关，而不影响测量的精度，且成本低，易于实现。

附图说明

图1为现有技术多周期同步法测量原理波形图；

图2为本发明快速频率测量系统架构示意图；

图3为本发明测频器工作原理图；

图4为本发明信号流向图；

图5为本发明所述方法的操作流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想是提供一种快速频率测量系统及方法，其包括频率调整器、测频器及控制处理器，将被测信号及基准信号经过频率调整器进行处理来延长被测信号的测试时长，提高基准信号的频率，再利用高频计数脉冲对被测低频信号进行测量，达到快速、高精度的测频目的。

本发明提供了一种快速频率测量系统，参照图2所示为本发明快速频率测量系统架构示意图，该快速频率测量系统包括频率调整器1、测频器3及控制处理器4；其中频率调整器1用于调整被测信号及基准信号的频率，延长被测信号的测试时长同时提高基准信号的频率，该频率调整器1可以为：分频器10和/或倍频器11，其中分频器10与测频器3连接，用于对被测信号进行分频处理，将处理后得到的被测低频信号传送给测频器3，所述分频器10可采用可编程控制器件PLD或FPGA实现，使分频后的信号都为如1KHz、1Hz等低频信号；所述倍频器11与测频器3连接，用于对基准信号进行倍频处理得到高频计数脉冲，传送给测频器3，所述倍频器11可采用专门的倍频器件将基准信号倍频到较高的频率，可用来提高测量频率的短期准确度；测频器3用于完成频率的测量操作，测频器3也可以采用可编程控制器件(PLD或FPGA)实现，可以和分频器公用一个器件，该测频器3包括一测频计数器(图中未示出)，用于累计高频计数脉冲的个数；控制处理器4与测频器3连接，用于控制测频器3工作，获得频率测量数据，计算频率值。

测频器3的工作原理参照图3所示：控制处理器4输出控制信号(Rst)使测频器3工作，测频器3一直对被测信号(Sig)进行测试，当高频计数脉冲(Clk_b)来时，测频计数器就加1，当被测信号的上升沿或下降沿到来时，输出一个中断信号(Int_r)，同时输出此时的测频器3中的计数值(Cnt_b)，控制处理器4每收到一次中断信号，读取一次测量数据，可计算一次被测信号的短期和/或长期频率准确度的值，所述测量数据即为测频计数器的计数值。

参照图4所示为本发明信号流向图，将被测信号传送到分频器10中分频，同时将基准信号送到倍频器11中进行倍频处理，分频后获得的低频被测信号和倍频后获得的高频计数脉冲送到测频器3中进行测频，测频器3测试过程中，控制处理器4输出控制信号给测频器3，测频器3输出中断信号给控制处理器4，控制处理器4收到中断信号时从测频器3中读取测量数据，每收到一次中断，控制处理器4可计算获得一次被测信号的短期和/或长期频率准确度的值。

本发明还提供一种快速频率测量方法，参照图5所示，该方法具体包括：

步骤10：对被测信号及基准信号进行分频及倍频处理，延长被测信号的测试时长同时提高基准信号的频率，以提高短期测试的精度；

对被测信号进行分频处理可通过将被测信号输送到分频器10进行处理，之后得到被测低频信号；对基准信号进行倍频处理可通过将基准信号输送到倍频器11进行处理，之后得到高频计数脉冲；

步骤11：测频器3利用高频计数脉冲对被测低频信号进行测频；

将上述分频后获得的被测低频信号和倍频后获得的高频计数脉冲输送到测频器3中，测频器3输出中断信号给控制处理器4，控制处理器4收到中断信号时从测频器3中读取测量数据，每收到一次中断，控制处理器4计算一次被测信号的短期和/或长期频率准确度的值；

步骤12：处理测试数据，获得当前信号频率值；

由于控制处理器4接收到的中断信号是由被测信号分频后的上升和下降沿产生，所以此中断的间隔时间是相等的，设时间间隔为：

t(t＝(N/(2*f_x))，

f_x为被测信号的频率，N为分频器的分频系数，2表示上升沿和下降沿都计数，每次中断到来时，控制处理器4都会收到一次测试数据X_i。此段时间间隔的计数脉冲的个数为：

ΔX_i＝X_i-X_i-1，

由于测频计数器的位数是有限的，当测频计数器达到最大值后会从零开始计数，所以存在X_i＜X_i-1的情况，此时X_i需要加上测频计数器的所能记录的最大值(X_M)即：

ΔX_i＝(X_i+X_M)-X_i-1；

将获得的X_i和ΔX_i保存起来为了后续的计算，每获得一次计算脉冲的个数时，即可计算出当前的被测信号的频率值f_x：

f_x＝((ΔX_(i-(M-1))+…+ΔX_i)*(1/f₀))/((N/2)*M)，

其中：

f_x表示被测信号的频率；

f₀表示计数脉冲的频率；

N表示分频器的分频系数；

2表示上升沿和下降沿都计数；

M表示计算频率时，使用的间隔周期t的个数，也就是ΔX参与计算的个数。

在整个测量的过程中，测频器3一直处于有效的状态，当测试的时长较长，即M较大时，±1个字的误差就可以消除，随着M的增大，测试精度会越高。由于计数脉冲的频率很高，测试精度就可以大大提高，同时节约了测试时间(到达相同精度时，M值就较小)。每隔一个时间间隔t，就会又获得新的测试数据，经过计算就获得新的频率准确度数据；由于时间间隔t时间较短，这样频率准确度的更新速率很快，实际使用时此间隔可以根据需要调整，这样可以获得想要的测量速度。在计算的过程中，同时取不同的M值，就可获得被测信号的多个频率准确度的值，实现被测信号的短期、中期和长期频率准确测量。

下表为测量速率和测量准确度的一览表，从表格中可以看出：

测试的精度只与计数脉冲和测试时长有关，测试的准确度随着测试时长的增加和计数脉冲的增加而增加；

测量速度和被测信号的分频后的频率有关，测量速度不影响测量的精度。这一点在高速测量中很重要；

低频和高频信号在测试时长和计数脉冲相同的条件下，具有相同的测量精度和测量速度；

在相同的测量速度的情况下，同一时刻可以计算不同M值下的频率准确度，这样可实现对短期、中期和长期的频率准确度的测量。

被测试频率(Hz)	分频后的频率(Hz)	计数脉冲(Hz)	测量时长(秒)	测量速度(次/秒)	测量的准确度
						10M	1K	100M	100秒(M＝2000,000)	2000	1×10-10

10M	1K	100M	1000秒(M＝2000,000)	2000	1×10-11
						10M	1K	10M	100秒(M＝200,000)	2000	1×10-9
10M	1	100M	100秒(M＝200)	2	1×10-10
						1M	1K	100M	100秒(M＝200,000)	2000	1×10-10
注：M表示测量时，使用的间隔周期t的个数，见上面的计算公式

综上所述，本发明实现了对不同频率信号频率进行高精度、快速的测量，使测试精度只与计数脉冲的测试时长有关，测量速度与被测信号的分频后的频率有关，而不影响测量的精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1、一种快速频率测量系统，其特征在于，包括：频率调整器、测频器和控制处理器，其中，

频率调整器用于对被测信号及基准信号进行处理，延长被测信号的测试时长，提高基准信号的频率；

测频器与频率调整器相连，用于对所述处理后的被测信号进行频率测量；

控制处理器与测频器相连，用于控制测频器工作，获得频率测量数据，计算频率值。

2、如权利要求1所述的快速频率测量系统，其特征在于，所述频率调整器包括：

分频器，用于对被测信号进行分频处理得到被测低频信号；和/或，

倍频器，用于对基准信号进行倍频处理得到高频计数脉冲。

3、如权利要求2所述的快速频率测量系统，其特征在于，所述分频器由可编程控制器件实现。

4、如权利要求2所述的快速频率测量系统，其特征在于，所述测频器包括测频计数器，其用于：

累计高频计数脉冲的个数，控制处理器输出控制信号使测频器工作，当高频计数脉冲来时，测频计数器就加1，当被测信号的上升沿或下降沿到来时，输出一个中断信号，同时输出此时的测频器中的计数值。

5、一种快速频率测量方法，其特征在于，包括：

A、分别对被测信号及基准信号进行调整，延长被测信号的测试时长，提高基准信号的频率，得到被测低频信号和高频计数脉冲；

B、利用所述高频计数脉冲对被测低频信号进行测量，获得频率测量数据；

C、处理所述频率测量数据，获得被测信号频率值。

6、如权利要求5所述的快速频率测量方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

将被测信号进行分频处理和/或将基准信号进行倍频处理。

7、如权利要求5所述的快速频率测量方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1、当高频计数脉冲来时，且被测低频信号的上升沿或下降沿到来时，输出一个中断信号给控制处理器，同时输出测量数据。

8、如权利要求7所述的快速频率测量方法，其特征在于，所述步骤C包括：

C1、控制处理器每收到一个中断信号时，从测频器中读取测量数据，计算一次被测信号的短期和/长期频率准确度的值。

9、如权利要求7所述的快速频率测量方法，其特征在于，所述被测低频信号的上升和下降沿间隔时间t为：t(t＝(N/(2*f_x))，

其中：

f_x为被测信号的频率；

N为分频器的分频系数。

10、如权利要求7或8所述的快速频率测量方法，其特征在于，所述的步骤C1包括：每次收到一个中断信号时，则获得一个测试数据X_i表示当前技术脉冲的个数，则两次中断时间间隔的计数脉冲的个数为：

ΔX_i＝X_i-X_i-1。

11、如权利要求10所述的快速频率测量方法，其特征在于，步骤C所述的被测信号的频率值为：

f_x＝((ΔX_(i-(M-1))+.....+ΔX_i)*(1/f₀))/((N/2)*M)，其中：

f_x表示被测信号的计算出的频率；

f₀表示计数脉冲的频率；

N表示分频器的分频系数；

M表示计算被测信号频率时，使用的间隔周期t的个数。

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