一種高精度數(shù)字瞬時測頻方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度數(shù)字瞬時測頻方法及裝置。其中，該方法包括：采用射頻接收前端進行射頻信號變頻、濾波處理，將X波段信號變換為中頻信號；將中頻信號進行AD變換，通過數(shù)字信號處理器件將變換后的中頻信號進行下變頻處理，得到中頻數(shù)字信號；將中頻數(shù)字信號變換為基帶數(shù)字信號；采用基于FFT和信號平方的雙信號估算法，通過FPGA對基帶數(shù)字信號進行計算處理，得到測頻結(jié)果。解決了相關(guān)技術(shù)中X波段脈沖信號的測頻精度不高的問題，本發(fā)明采用基于FFT和信號平方的雙信號頻率估計算法，結(jié)合FFT測頻算法相對快速和一維平方信號譜峰搜索后插值估計頻率間隔的精確性，利用FPGA硬件實現(xiàn)相關(guān)算法，保證了測頻的快速性和準確性。
【專利說明】一種高精度數(shù)字瞬時測頻方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及G01R2300頻率測量測試領(lǐng)域，特別是涉及一種高精度數(shù)字瞬時測頻
方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在20世紀五六十年代，瞬時測頻技術(shù)產(chǎn)生，主要分為模擬瞬時測頻和數(shù)字瞬時測頻兩種。其中，模擬瞬時測頻設(shè)備簡單易于實現(xiàn)，但測頻精度不高，且穩(wěn)定性差。數(shù)字瞬時測頻具有穩(wěn)定、精確度高、實時性好等特點。
[0003]數(shù)字瞬時測頻即用數(shù)字信號處理的方法對信號的載頻進行測量，要求數(shù)字測頻必須可以對大帶寬的信號進行高速、高精度的測量。數(shù)字測頻算法種類繁多，根據(jù)算法所利用的信號不同信息分量，數(shù)字測頻算法可分為:利用幅度信息的測頻算法、利用相位信息的測頻算法、利用頻率信息的測頻算法、利用功率譜信息的測頻算法4類。
[0004]利用頻率信息進行測頻，包括在時域測頻和頻域測頻兩類算法。在時域上對頻率進行推算的典型算法為頻率推算法，而在頻域上對頻率進行推算的典型算法為傅里葉變換法。
[0005]傅里葉變換法是將一段信號進行傅里葉變換，將時域信息轉(zhuǎn)化為頻域信息，在頻域上的峰值點及對應(yīng)該信號的頻率，其測頻精度依賴于采樣點數(shù)的多少。
[0006]對于X波段的載頻快速測量而言，由于X波段脈沖信號是高頻信號，其調(diào)制后的信號最小脈寬為0.2us，在信號工作比小于0.000004時，要求在0.4us時間內(nèi)完成相對精確的頻率測量，基于上述各個因素，最終的測頻精度很難滿足< ±200KHz的要求，即測頻精度不聞。
[0007]針對相關(guān)技術(shù)中X波段脈沖信號的測頻精度不高的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對相關(guān)技術(shù)中X波段脈沖信號的測頻精度不高的問題，本發(fā)明提供了一種高精度數(shù)字瞬時測頻方法及裝置，用以解決上述技術(shù)問題。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種高精度數(shù)字瞬時測頻方法，其中，該方法包括:采用射頻接收前端進行射頻信號變頻、濾波處理，將X波段信號變換為中頻信號；將所述中頻信號進行模數(shù)AD變換，通過數(shù)字信號處理器件將變換后的中頻信號進行下變頻處理，得到中頻數(shù)字信號；將所述中頻數(shù)字信號變換為基帶數(shù)字信號；采用基于快速傅氏變換(Fast Fourier Transformation,簡稱為FFT)和信號平方的雙信號估算法,通過現(xiàn)場可編程門陣列(Field — Programmable Gate Array,簡稱為FPGA)對所述基帶數(shù)字信號進行計算處理，得到測頻結(jié)果。
[0010]優(yōu)選地，通過所述FPGA對所述基帶數(shù)字信號進行計算處理，包括以下步驟:所述FPGA根據(jù)同步觸發(fā)對所述基帶數(shù)字信號進行采集，并采用快進慢出的方式讀取所述信號的數(shù)據(jù)；對讀取的所述數(shù)據(jù)進行有限長單位沖激響應(yīng)濾波器(Finite Impulse Response,簡稱為FIR)帶通濾波處理，并進行緩存；將濾波后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜信息，去除所述頻譜信息中的鏡頻部分，保留正頻率部分，提取最大值為頻譜值，以及其位置；根據(jù)采樣率，頻譜值，以及其位置進行映射運算得到相應(yīng)的頻率值，確定頻率的位置；采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，得到頻率結(jié)果。
[0011]優(yōu)選地，采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，得到頻率結(jié)果，包括以下步驟:根據(jù)信號中兩頻率分量的幅度比，通過一維平方信號譜峰搜索，得到所述信號的和頻與差頻分量的估計值；并利用插值技術(shù)得到頻率結(jié)果。
[0012]優(yōu)選地，在得到所述頻率結(jié)果后，所述方法還包括:按照約定的通訊協(xié)議進行頻率轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的頻率結(jié)果輸出。
[0013]優(yōu)選地，所述方法還包括:在測頻過程中進行狀態(tài)管理和故障上報。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種高精度數(shù)字瞬時測頻裝置，其中，該裝置包括:中頻變換模塊，用于采用射頻接收前端進行射頻信號變頻、濾波處理，將X波段信號變換為中頻信號；模數(shù)變換模塊，用于將所述中頻信號進行模數(shù)AD變換，通過數(shù)字信號處理器件將變換后的中頻信號進行下變頻處理，得到中頻數(shù)字信號；測頻模塊，用于將所述中頻數(shù)字信號變換為基帶數(shù)字信號；采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA對所述基帶數(shù)字信號進行計算處理，得到測頻結(jié)果。
[0015]優(yōu)選地，所述測頻模塊包括:數(shù)據(jù)采集單元，用于根據(jù)同步觸發(fā)對所述基帶數(shù)字信號進行采集，并采用快進慢出的方式讀取所述信號的數(shù)據(jù)；濾波緩存單元，用于對讀取的所述數(shù)據(jù)進行FIR帶通濾波處理，并進行緩存；時頻變換單元，用于將濾波后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜信息，去除所述頻譜信息中的鏡頻部分，保留正頻率部分，提取最大值為頻譜值，以及其位置；頻率計算單元，用于根據(jù)采樣率，頻譜值，以及其位置進行映射運算得到相應(yīng)的頻率值，確定頻率的位置；雙信號估算單元，用于采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，得到頻率結(jié)果。
[0016]優(yōu)選地，所述雙信號估算單元包括:雙信號估算子單元，用于根據(jù)信號中兩頻率分量的幅度比，通過一維平方信號譜峰搜索，得到所述信號的和頻與差頻分量的估計值；并利用插值技術(shù)得到頻率結(jié)果。
[0017]優(yōu)選地，所述裝置還包括:結(jié)果輸出模塊，用于按照約定的通訊協(xié)議進行頻率轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的頻率結(jié)果輸出。
[0018]優(yōu)選地，所述裝置還包括:管理模塊，用于在測頻過程中進行狀態(tài)管理和故障上報。
[0019]本發(fā)明采用射頻接收前端進行射頻信號的變頻、濾波，將X頻段信號變換到中頻；利用寬帶ADC完成變換后經(jīng)過專用的數(shù)字信號處理器件，進行數(shù)字下變頻處理降低數(shù)據(jù)流速率；再將中頻數(shù)字信號變換成基帶數(shù)字信號，最后送入FPGA進行計算處理，完成頻率的快速測量。解決了相關(guān)技術(shù)中X波段脈沖信號的測頻精度不高的問題，本發(fā)明采用基于FFT和信號平方的雙信號頻率估計算法，結(jié)合FFT測頻算法相對快速和一維平方信號譜峰搜索后插值估計頻率間隔的精確性，利用FPGA硬件實現(xiàn)相關(guān)算法，保證了測頻的快速性和準確性。
[0020]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的【具體實施方式】。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的高精度數(shù)字瞬時測頻方法的流程圖；
[0022]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的高精度數(shù)字瞬時測頻裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0023]圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)字測頻組件功能框圖；
[0024]圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)字測頻組件的射頻接收前端原理框圖；
[0025]圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)字測頻組件的硬件電路組成框圖。
【具體實施方式】
[0026]為了解決相關(guān)技術(shù)中X波段脈沖信號的測頻精度不高的問題，本發(fā)明提供了一種高精度數(shù)字瞬時測頻方法及裝置，以下結(jié)合附圖以及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0027]本實施例提供了一種高精度數(shù)字瞬時測頻方法，圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的高精度數(shù)字瞬時測頻方法的流程圖，如圖1所示，該方法包括以下步驟(步驟S102-步驟S106):
[0028]步驟S102，采用射頻接收前端進行射頻信號變頻、濾波處理，將X波段信號變換為中頻信號。
[0029]步驟S104，將中頻信號進行AD變換，通過數(shù)字信號處理器件將變換后的中頻信號進行下變頻處理，得到中頻數(shù)字信號。
[0030]步驟S106，將中頻數(shù)字信號變換為基帶數(shù)字信號；采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，通過FPGA對基帶數(shù)字信號進行計算處理，得到測頻結(jié)果。
[0031]本實施例采用射頻接收前端進行射頻信號的變頻、濾波，將X頻段信號變換到中頻；利用寬帶ADC完成變換后經(jīng)過專用的數(shù)字信號處理器件，進行數(shù)字下變頻處理降低數(shù)據(jù)流速率，再將中頻數(shù)字信號變換成基帶數(shù)字信號，最后送入FPGA進行計算處理，完成頻率的快速測量。解決了相關(guān)技術(shù)中X波段脈沖信號的測頻精度不高的問題，本發(fā)明采用基于FFT和信號平方的雙信號頻率估計算法，結(jié)合FFT測頻算法相對快速和一維平方信號譜峰搜索后插值估計頻率間隔的精確性，利用FPGA硬件實現(xiàn)相關(guān)算法，保證了測頻的快速性和準確性。
[0032]在上述步驟S106中，通過FPGA對基帶數(shù)字信號進行計算處理，可以通過以下優(yōu)選實施方式實現(xiàn)=FPGA根據(jù)同步觸發(fā)對基帶數(shù)字信號進行采集，并采用快進慢出的方式讀取信號的數(shù)據(jù)；對讀取的數(shù)據(jù)進行FIR帶通濾波處理，并進行緩存；將濾波后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜信息，去除頻譜信息中的鏡頻部分，保留正頻率部分，提取最大值為頻譜值，以及其位置；根據(jù)采樣率，頻譜值，以及其位置進行映射運算得到相應(yīng)的頻率值，確定頻率的位置；采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，得到頻率結(jié)果。
[0033]對于采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，得到頻率結(jié)果，可以通過以下優(yōu)選實施方式實現(xiàn):根據(jù)信號中兩頻率分量的幅度比，通過一維平方信號譜峰搜索，得到信號的和頻與差頻分量的估計值；并利用插值技術(shù)得到頻率結(jié)果。[0034]在得到頻率結(jié)果后，該方法還包括:按照約定的通訊協(xié)議進行頻率轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的頻率結(jié)果輸出。
[0035]該方法還包括:在測頻過程中進行狀態(tài)管理和故障上報。
[0036]下面對上述步驟S106中，采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA對基帶數(shù)字信號進行計算處理，得到測頻結(jié)果的具體過程，進行介紹。該過程可通過以下幾個階段實現(xiàn)。
[0037](I)采集控制
[0038]根據(jù)同步觸發(fā)對信號進行采集，連續(xù)采集120us，最多包含24個脈沖，數(shù)據(jù)傳輸采用雙沿DDR方式，降低數(shù)據(jù)傳輸時鐘頻率。FPGA端采用IDDR內(nèi)置雙沿讀取模塊讀取數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)讀取正確率。對接收到的雙沿數(shù)據(jù)進行排序恢復,恢復為一列連續(xù)數(shù)據(jù)。
[0039](2)數(shù)據(jù)緩存
[0040]對輸入數(shù)據(jù)進行緩存，數(shù)據(jù)率高達800MB/S，緩存控制需采取擴位降速，并通過嚴格的布局布線規(guī)則，保證FPGA數(shù)據(jù)緩存正確。
[0041](3)濾波
[0042]數(shù)據(jù)讀取時采用快進慢出的方式進行，高速寫入，讀取時根據(jù)計算需要，慢速讀出數(shù)據(jù)進行FIR帶通濾波，提高信號的信雜比，減少干擾，提高計算準確度。
[0043](4)時頻變換
[0044]將濾波后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜信息，去除鏡頻部分，保留正頻率部分，提取最大值及其位置。
[0045](5)頻率計算
[0046]根據(jù)采樣率，頻譜值，及其位置進行映射運算得到相應(yīng)的頻率值。
[0047]FFT是把信號映射到正交的負指數(shù)空間，仿佛FFT把信號映射到正交的方波空間。比較其系數(shù)的大小就可以估計其所在的頻率空間。
[0048]設(shè)信號為s (n) = cos ( Ω η+ Φ) +e (η) η=1, 2.....N
[0049]其中Ω為數(shù)字頻率，N為樣本空間，e (η)是均值為O,方差為σ 2的高斯白噪聲。
[0050]則取其符號為:
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種高精度數(shù)字瞬時測頻方法，其特征在于，所述方法包括: 采用射頻接收前端進行射頻信號變頻、濾波處理，將X波段信號變換為中頻信號； 將所述中頻信號進行模數(shù)AD變換，通過數(shù)字信號處理器件將變換后的中頻信號進行下變頻處理，得到中頻數(shù)字信號； 將所述中頻數(shù)字信號變換為基帶數(shù)字信號；采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA對所述基帶數(shù)字信號進行計算處理，得到測頻結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過所述FPGA對所述基帶數(shù)字信號進行計算處理，包括以下步驟: 所述FPGA根據(jù)同步觸發(fā)對所述基帶數(shù)字信號進行采集，并采用快進慢出的方式讀取所述信號的數(shù)據(jù)； 對讀取的所述數(shù)據(jù)進行有限長單位沖激響應(yīng)濾波器FIR帶通濾波處理，并進行緩存；將濾波后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜信息，去除所述頻譜信息中的鏡頻部分，保留正頻率部分，提取最大值為頻譜值，以及其位置； 根據(jù)采樣率，頻譜值，以及其位置進行映射運算得到相應(yīng)的頻率值，確定頻率的位置； 采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，得到頻率結(jié)果。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，得到頻率結(jié)果，包括以下步驟: 根據(jù)信號中兩頻率分量的幅度比，通過一維平方信號譜峰搜索，得到所述信號的和頻與差頻分量的估計值；并利用插值技術(shù)得到頻率結(jié)果。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在得到所述頻率結(jié)果后，所述方法還包括: 按照約定的通訊協(xié)議進行頻率轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的頻率結(jié)果輸出。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 在測頻過程中進行狀態(tài)管理和故障上報。
6.一種高精度數(shù)字瞬時測頻裝置，其特征在于，所述裝置包括: 中頻變換模塊，用于采用射頻接收前端進行射頻信號變頻、濾波處理，將X波段信號變換為中頻信號； 模數(shù)變換模塊，用于將所述中頻信號進行模數(shù)AD變換，通過數(shù)字信號處理器件將變換后的中頻信號進行下變頻處理，得到中頻數(shù)字信號； 測頻模塊，用于將所述中頻數(shù)字信號變換為基帶數(shù)字信號；采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA對所述基帶數(shù)字信號進行計算處理，得到測頻結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述測頻模塊包括: 數(shù)據(jù)采集單元，用于根據(jù)同步觸發(fā)對所述基帶數(shù)字信號進行采集，并采用快進慢出的方式讀取所述信號的數(shù)據(jù)； 濾波緩存單元，用于對讀取的所述數(shù)據(jù)進行有限長單位沖激響應(yīng)濾波器FIR帶通濾波處理，并進行緩存； 時頻變換單元，用于將濾波后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜信息，去除所述頻譜信息中的鏡頻部分，保留正頻率部分，提取最大值為頻譜值，以及其位置；頻率計算單元，用于根據(jù)采樣率，頻譜值，以及其位置進行映射運算得到相應(yīng)的頻率值，確定頻率的位置； 雙信號估算單元，用于采用基于快速傅氏變換FFT和信號平方的雙信號估算法，得到頻率結(jié)果。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述雙信號估算單元包括: 雙信號估算子單元，用于根據(jù)信號中兩頻率分量的幅度比，通過一維平方信號譜峰搜索，得到所述信號的和頻與差頻分量的估計值；并利用插值技術(shù)得到頻率結(jié)果。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 結(jié)果輸出模塊，用于按照約定的通訊協(xié)議進行頻率轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的頻率結(jié)果輸出。
10.如權(quán)利要求6至9中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括: 管理模塊，用于在測頻過程中進行狀態(tài)管理和故障上報。
【文檔編號】G01R23/02GK103837740SQ201310728431
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】韓全, 張化良, 唐學術(shù), 盧蘊哲, 楊增順, 李潔, 張志 , 黃珊珊, 陳錳杰, 崔亮 申請人:北京航天測控技術(shù)有限公司