本发明属于消除采样通道信号相位差异、非单频信号移相和多通道信号合成等技术领域，具体涉及一种不受采样率限制的高精度数字移相方法。
背景技术：
所谓移相是指两路同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的移动，即称为是相位的移动。
传统移相主要针对单频信号，通常有两个途径：一是直接对模拟单频信号进行移相，如阻容移相，变压器移相等，早期的移相通常采用这种方式。采用这种方式制造的移相器有许多不足之处，如:输出波形受输人波形的影响，移相操作不方便，移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。
另一个途径是随电子技术的发展，特别是单片机技术的发展而兴起的数字移相技术，是日前移相技术的潮流，数字移相技术是先将模拟单频信号数字化，经移相后再还原成模拟信号。在cpld器件的控制下，用dma方法将ram中保存的两路波形数据发送给高速d/a，经d/a转换后输出。如果ram中存放的是两路正弦波数据，只要一路的数据相对于另一路有一定的相位延迟，就可以同时输出两路有一定相位差的正弦波信号，若要改变两路信号的相位差，只需把其中一路的数据表格循环移位即可。如把数据表格向高地址方向移动，则输出信号相对另一路的相位延迟增加，反之则减少。如前所述，一张数据表格由1024个数据点组成，存储了一个周期的正弦波，所以数据表格循环移位一个ram单元，产生的相位差为：
由于两个通道信号经d/a转换时相差一个时钟脉冲，所以即使两个通道的数据完全相同，输出波形的相位差也会相差0.35°，但这一滞后角可由移相算法进行补偿。在进行具体的移相时，可由设定的相位差值来计算出ram所要循环移位的位数。由于采用了浮点数运算，计算精度可达0.00001，但是ram中的移位必须是整数，因此，产生的相位差的最大绝对误差仍为0.35°。
总之，传统的数字移相技术是在高速可编程器件的基础上，将信号数字量化后，通过移点来实现数字移相的功能，该方法具有较大的局限性，首先使用对象是单频信号，即频率单一的信号，难以对具有一定带宽的非单频信号实施移相；其次移相精度受采样率限制，相位移动的最小单位是360/采样率，难以实现高精度的移相。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服传统数字移相方法要求频率单一、受采样率限制、移相精度不高的不足，提出了一种适合单频信号和非单频信号、不受采样率限制、计算简单、容易利用cpld/fpga等高性能可编程逻辑器件实现的高精度数字移相方法。
本发明所采用的技术方案是：一种不受采样率限制的高精度数字移相方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定移相幅度；
对两路采样通道进行测试，确定两路通道的延迟时间ti，然后将其换算成产品自身采样率的延迟时间ti'+ti，其中ti'为整数部分，ti为小数部分，i取值1或2；
步骤2：同时采集双通道信号数据；
对双通道接收的信号进行调理整形，然后进行双通道同时采集，分别得到两路通道的信号数据data1和data2；
步骤3：信号粗对准；
对采样信号数据data2进行移点操作，使信号平移t2'-1个点(两个通道信号经d/a转换时相差一个时钟脉冲)，得到粗对准信号数据data2'，data2'同data1对准到一个采样分辨率内；
步骤4：信号精对准；
对信号数据data2'进行基于fft-ifft变换的高精度移相算法移相，相位移动大小为2πft2/fs，得到精对准信号数据data2”，data2”同data1达到精确对准；其中f为采样信号的频率，fs为信号的采样率；
步骤5：对数据data1和data2”进行信号合成。
本发明具有如下特点：
1、本发明提出的移相算法克服了传统数字移相算法只对单频信号作用的不足，不仅可以对单频信号，而且可以对具有一定带宽的非单频信号进行高精度数字移相，具有更广泛的使用领域。
2、移相精度不受信号采样率限制。本发明利用傅立叶变换和反变换，对数字量化后的信号进行移相处理，可以实现单频信号和非单频信号的任意相位移动，而不受信号采样率的限制，达到两路信号的精确对准。
3、计算过程简单，易于利用cpld/fpga等高性能可编程逻辑器件实现。本发明算法简洁，运算速度快，非常适合利用cpld/fpga等高性能可编程逻辑器件来实现两路采样信号的高精度合成。
4、提高合成信号的信噪比。本发明针对双通道信号采集电路中产生的通道延迟进行高精度数字移相，使两路采集信号精确对准，合成信号的幅度要高于采用传统移相算法后合成的信号幅度，而噪声信号幅度保持不变，可以提高合成信号的信噪比。
5、提高合成信号的相位精度。传统数字移相算法受采样率限制，两路采集信号只能对准到一个采样分辨率内，导致合成信号的相位会发生改变，而采用本发明设计的高精度数字移相算法可以使两路采集信号精确对准，合成信号的相位不会发生变化，对于需要利用相位因素进行测量的系统来说，本发明具有更强的使用价值。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的信号调理采集电路图；
图3是本发明实施例的波形移相示意图；
图4是本发明实施例的罗兰c标准脉冲波形图；
图5是本发明实施例的罗兰c信号格式示意图；
图6是本发明实施例的十字交叉环路全向磁天线；
图7是本发明实施例的实际双通道采集的罗兰c信号波形图；
图8是本发明实施例的合成信号波形对比图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种不受采样率限制的高精度数字移相方法，包括以下步骤：
步骤1：确定移相幅度；
采用辅助高采样率设备对两路采样通道进行测试(辅助高采样率设备的采样率为被采集信号频率的1000倍)，确定两路通道的延迟时间ti，然后将其换算成产品自身采样率的延迟时间ti'+ti，其中ti'为整数部分，ti为小数部分，i取值1或2；
步骤2：同时采集双通道信号数据；
对双通道接收的信号进行调理整形，然后进行双通道同时采集，分别得到两路通道的信号数据data1和data2；
请见图2，本实施例的同时采集双通道信号数据，是采用信号调理采集电路实现；所述信号调理采集电路由电源单元、电压跟随单元、放大单元、滤波单元、信号采集单元和cpld处理单元组成，其中电压跟随单元、放大单元、滤波单元、信号采集单元和cpld处理单元依次连接成顺序电路，电源单元的输出端分别与电压跟随单元、放大单元、信号采样单元和cpld处理单元电源输入端相连。
步骤3：信号粗对准；
对采样信号数据data2进行移点操作，使信号平移t2'-1个点(两个通道信号经d/a转换时相差一个时钟脉冲)，得到粗对准信号数据data2'，data2'同data1对准到一个采样分辨率内；
步骤4：信号精对准；
对信号数据data2'进行基于fft-ifft变换的高精度移相算法移相，相位移动大小为2πft2/fs，得到精对准信号数据data2”，data2”同data1达到精确对准；其中f为采样信号的频率，fs为信号的采样率；
本实施例的步骤3至步骤4采用verilog硬件语言在cpld处理单元中实现。
本发明的核心在于基于fft-ifft变换的高精度移相算法，其基本原理如下：
假设某一通道的时域信号波形为x1，其相位为
信号x1和x2在进行傅立叶变换后可表示为：
x1＝re[x1]+j*im[x1](1)
x2＝re[x2]+j*im[x2](2)
x1表示信号x1频域数值序列；x2表示信号x2频域数值序列；j表示虚数；
同时，傅立叶变换后还可表示为：
其中，a表示信号频域幅值；
对比(1)、(3)可得：
同理对比(2)、(4)可得：
将(5)、(6)式代入(7)、(8)式可得：
这样，在信号x1已知的情况下，根据(9)、(10)式，可以得到等幅平移后的信号x2傅立叶变换的结果。对信号x2傅立叶变换的结果进行进一步变换处理，即：
其中，n表示频域序号；n表示频率宽度；
即把序列大于nyquist频率的所有部分置为零，此时，再对新的序列x2'进行傅立叶反变换，并将反变换的结果乘以系数2，将得到时域信号x2'，与信号x1相比，它不再是实数型数据点，而是复数型数据，并且有re[x2']＝x2，即将信号x1平移了
步骤5：对数据data1和data2”进行信号合成。
针对罗兰c全向磁天线的设计利用本发明的算法进行两路采集信号的合成。罗兰c信号的工作频率为100khz±10khz，其标准脉冲波形如图4所示，
罗兰c信号格式如图5所示。罗兰c系统由许多发射间隔严格规定的台链组成，每个台链都包含一个主台和若干个副台，主台发射9个脉冲，前8个脉冲之间间隔1ms，第9个脉冲与前一脉冲间隔2ms，每个副台发射8个间隔1ms的脉冲，相邻两个主台信号之间的时间间隔称为脉冲群重复周期gri(grouprepetitioninterval)。在罗兰c全向磁天线设计过程中，由于单根磁棒天线具有方向性，难以通过一根磁棒接收某一台链多个导航台发射的信号，因此，为了使磁天线具有全方位接收信号的能力，必须采用多根磁棒进行组合收信，采用十字交叉环路设计的全向磁天线如图6所示。
针对每根磁棒所接收的信号，利用本发明所设计的高精度移相算法进行罗兰c信号的对准与合成。
第一步：确定移相幅度；
采用辅助高采样率设备对双通道的信号采样率为100m，通过对采集数据的对比分析，得知两路采集通道中的信号相差334个采样点，通过计算可知当采样率为1m时，两路采集通道中的时延应为3.34个点。因此，对于实际罗兰c前端双通道采集部分来说，其信号采样率为1m，此时采得的数据应平移2个点(双通道采集中，由于两个通道信号经d/a转换时相差一个时钟脉冲，所以两路信号实际应平移3-1＝2个点)，剩余的0.34个点的平移通过基于fft-ifft变换的高精度数字移相算法来完成。
第二步：信号双通道同时采集；
双通道a、b实际采集的罗兰c信号波形如图7所示。
第三步：信号粗对准和精对准；
通过传统的数字移相算法，对数据data2进行移点，平移2个点得到粗对准的数据data2’，采用基于fft-ifft变换的高精度数字移相算法，对数据data2’进行0.068π＝12.24°的移相，得到精对准的数据data2”。数据data1同数据data2’的合成信号及数据data1同数据data2”的合成信号如图8所示。
由合成信号的波形可以看出，采用传统数字移相算法进行移相，所得的粗对准信号进行合成后，合成信号的波形幅度较小；而采用基于fft-ifft变换的高精度数字移相算法，在粗对准的情况下，对信号做进一步的处理，所得的精对准信号进行合成后，合成信号的波形幅度较大，可以获得更高的信噪比。
本发明在双通道采集信号精对准中使用的基于fft-ifft高精度数字移相算法可以完成非单频信号的任意角度移相，而不受信号采样率限制，该算法首先对信号进行fft变换，在所得的信号频域内，对信号的频谱进行改变，然后进行ifft变换，获得移相后的时域波形，该算法计算简单，计算量较小，非常适合在fpga/cpld等高性能可编程逻辑器件中实现，具有广泛的使用价值。
本发明在数据分析处理流程中，首先使用外部辅助设备，对采样通道的延迟进行精确测试，然后换算成采集电路自身采样率应移相的幅度，整数部分通过cpld控制采样信号移点完成，达到两路采集信号的粗对准；小数部分则通过基于fft-ifft高精度数字移相完成，达到两路信号的精确对准。该方法思路清晰，有效解决了非单频数字信号的移相难题，提高了数字移相的精度，为获得高信噪比、高相位精度的合成信号奠定了基础。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。