專利名稱：一種用fpga芯片實(shí)現(xiàn)的快速高精度頻率測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的快速高精度頻率測(cè)量的方法，屬于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頻率測(cè)量是電子偵察、雷達(dá)、通信等工程領(lǐng)域中一個(gè)重要問(wèn)題。在不同的信噪比條件下，不同方法所得到的頻率測(cè)量精度各不相同，但是，無(wú)論采用哪種頻率測(cè)量方法，其頻率測(cè)量的均方根誤差(RMSE)都不會(huì)小于一個(gè)下限克拉美-羅界[3] (CLRB)。文獻(xiàn)[3]給出的最大似然頻率測(cè)量方法(ML)能夠達(dá)到此界限，因此被稱為最優(yōu)測(cè)量。但是，ML法要進(jìn)行一維搜索，運(yùn)算量很大，實(shí)時(shí)處理性能差，不便于工程實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]給出的頻率測(cè)量方法，雖然速度很快，但是在信噪比比較低時(shí)(小于6dB)性能很差，無(wú)法達(dá)到工程應(yīng)用要求。 文獻(xiàn)[5]給出的頻率測(cè)量方法是對(duì)ML方法的一種近似解，性能接近CLRB，但在較低信噪比時(shí)會(huì)出現(xiàn)解的發(fā)散現(xiàn)象，計(jì)算量也較大，不易硬件實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1]給出的頻率測(cè)量方法，在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次FFT運(yùn)算后，利用最大譜線及其左邊或右邊的一根次大譜線進(jìn)行插值來(lái)確定真實(shí)頻率位置，即Rife方法。該方法只需要一次FFT運(yùn)算，因此，運(yùn)算量小，容易硬件實(shí)現(xiàn)。Rife方法在量化頻率中心區(qū)域的頻率測(cè)量誤差很小，接近CLRB，但是在FFT量化頻率附近的誤差卻較大。這里給出的MRife方法通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移，使得信號(hào)的頻率始終位于量化頻率的中心區(qū)域，提高了頻率測(cè)量精度。MRife方法頻率測(cè)量精度大大提高，當(dāng)SNR > OdB時(shí)方法頻率測(cè)量的均方根誤差接近CLRB，且在整個(gè)頻帶內(nèi)性能平穩(wěn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述背景技術(shù)的不足，提供了一種應(yīng)用FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)的快速高精度頻率測(cè)量的方法。本發(fā)明通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移，使得信號(hào)的頻率始終位于量化頻率的中心區(qū)域，提高了頻率測(cè)量精度。本方法測(cè)量頻率的精度大大提高，當(dāng)SNR > OdB時(shí)方法頻率測(cè)量的均方根誤差接近CLRB，且在整個(gè)頻帶內(nèi)性能平穩(wěn)。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案—種應(yīng)用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的快速高精度頻率測(cè)量的方法，包括如下步驟步驟1，將輸入信號(hào)分成并行的三路，第一路輸入信號(hào)平移-1/3FFT量化頻率，第二路輸入信號(hào)平移1/3FFT量化頻率，第三路輸入信號(hào)不做頻移；步驟2，對(duì)每一路輸入信號(hào)做FFT運(yùn)算，確定最大譜線值IxGO I、次大譜線值 IX (h+r) I、最大譜線值對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率1 以及平移系數(shù)r的取值，具體包括如下步驟步驟2-1，定義輸入信號(hào)χ (η)，對(duì)χ (η)做FFT運(yùn)算；其中，；φ ) =浙"20'+%)+V(W) η = 0,1, L , N-I
(1)a為振幅、f。為初始頻率、為初相，At為采樣間隔、N為樣本數(shù)，V(X)=浙^27^+ 的實(shí)部和虛部相互獨(dú)立且都服從Ν(0，σ2)分布，。2是常數(shù)表示噪聲
方差；步驟2-2-1，比較頻譜上所有信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)的譜線值；當(dāng)信號(hào)頻率處在量化頻率中心區(qū)域時(shí)，取實(shí)部絕對(duì)值的最大值作為量化頻率中心區(qū)域最大譜線值；當(dāng)信號(hào)頻率處在非量化頻率中心區(qū)域時(shí)，取虛部絕對(duì)值的最大值作為非量化頻率中心區(qū)域最大譜線值；步驟2-2-2，比較量化頻率中心區(qū)域的最大譜線值和非量化頻率中心區(qū)域的最大譜線值，取大者作為整個(gè)頻譜的最大譜線值；步驟2-2-3，取最大譜線值對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率作為1 ；步驟2-2-4，重復(fù)步驟2-2-1至步驟2_2_2確定次大譜線值；步驟2-3，確定平移系數(shù)r的值，當(dāng)IXG^+r)! < X(k0-r)時(shí)，r = -l，否則，r = 1 ；步驟3，按照以下方法分別計(jì)算每一路輸入信號(hào)的頻率插值δ i，根據(jù)δ工的取值范圍確定最終頻率測(cè)量值，具體包括如下步驟步驟3-1，采用以下公式計(jì)算頻率插值S1
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的快速高精度頻率測(cè)量的方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1，將輸入信號(hào)分成并行的三路，第一路輸入信號(hào)平移-1/3FFT量化頻率，第二路輸入信號(hào)平移1/3FFT量化頻率，第三路輸入信號(hào)不做頻移；步驟2，對(duì)每一路輸入信號(hào)做FFT運(yùn)算，確定最大譜線值IXGO |、次大譜線值 IX (h+r) |、最大譜線值對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率1 以及平移系數(shù)r的取值，具體包括如下步驟 步驟2-1，定義輸入信號(hào)χ (η)，對(duì)χ (η)做FFT運(yùn)算；其中， JC( )=浙 jx2Oi^11)+ν( ) η = 0,1, L , N-I(1)a為振幅、f。為初始頻率、為初相，At為采樣間隔、N為樣本數(shù)，v(>) =浙A27rA+a^ 的實(shí)部和虛部相互獨(dú)立且都服從Ν(0，σ2)分布，σ 2是常數(shù)表示噪聲方差； 步驟2-2-1，比較頻譜上所有信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)的譜線值；當(dāng)信號(hào)頻率處在量化頻率中心區(qū)域時(shí)，取實(shí)部絕對(duì)值的最大值作為量化頻率中心區(qū)域最大譜線值；當(dāng)信號(hào)頻率處在非量化頻率中心區(qū)域時(shí)，取虛部絕對(duì)值的最大值作為非量化頻率中心區(qū)域最大譜線值；步驟2-2-2，比較量化頻率中心區(qū)域的最大譜線值和非量化頻率中心區(qū)域的最大譜線值，取大者作為整個(gè)頻譜的最大譜線值；步驟2-2-3，取最大譜線值對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率作為R0 ； 步驟2-2-4，重復(fù)步驟2-2-1至步驟2-2-2確定次大譜線值； 步驟2-3，確定平移系數(shù)r的值，當(dāng)IXG^+iOl < X(k0-r)時(shí)，r = -l，否則，r= 1 ； 步驟3，按照以下方法分別計(jì)算每一路輸入信號(hào)的頻率插值δ ，根據(jù)δ 1的取值范圍確定最終頻率測(cè)量值，具體包括如下步驟 步驟3-1，采用以下公式計(jì)算頻率插值δ工 I 耶0+尸)|1 1^0+^)1+1^0)1 (2) 步驟3-2，當(dāng)δ i e [1/3，1/2]時(shí)，用Rife方法得到測(cè)量頻率值Λ，記該測(cè)量頻率值為最終頻率測(cè)量值^；步驟3-3，當(dāng)S1G
時(shí)，將信號(hào)平移r/3倍量化頻率后用Rife方法計(jì)算頻率插值δ工；然后根據(jù)重新計(jì)算得到的頻率插值δ工進(jìn)行以下操作步驟3-3-1，當(dāng)δ i e [1/3，1/2]時(shí)，用Rife方法得到頻率測(cè)量值Λ，再用頻率測(cè)量值減去r/3倍量化頻率作為最終頻率測(cè)量值& ；步驟3-3-2，當(dāng)S1 e
時(shí)，將r取反，返回步驟3-3 ；步驟4，比較步驟3計(jì)算得到的三路輸入信號(hào)的最終頻率測(cè)量，取最大值作為最后的測(cè)量頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的快速高精度頻率測(cè)量的方法，其特征在于所述步驟3中用Rife方法得到頻率測(cè)量值_/^的計(jì)算公式如下
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的快速高精度頻率測(cè)量方法，屬于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。本方法在FPGA芯片里添加了FFT模塊、Rife模塊、ROM模塊；將輸入信號(hào)分為三路，對(duì)其中的兩路輸入信號(hào)做頻移，另外一路不做頻移，在Rife的基礎(chǔ)上，比較FFT運(yùn)算結(jié)果的實(shí)部絕對(duì)值和虛部絕對(duì)值來(lái)確定頻譜最大值，分別得到三個(gè)頻率測(cè)量結(jié)果，最后選擇最大值作為最終頻率測(cè)量值。本方法有效提高了對(duì)固定長(zhǎng)度接收信號(hào)的頻率測(cè)量精度，加快了處理速度，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
文檔編號(hào)G01R23/16GK102353838SQ20111017972
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者王旭東 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)