一种基于插值DFT信号同步的数字锁相放大处理方法与流程

一种基于插值dft信号同步的数字锁相放大处理方法
技术领域
1.本发明属于数字锁相放大器技术领域，涉及一种基于插值dft信号同步的数字锁相放大方法。


背景技术：

2.数字锁相放大器(digital lock-in amplifier，dlia)是微弱信号测量领域中一种非常高效的检测技术。因其具有抗干扰能力强等优点被广泛应用于工业生产、化工、大气环境污染监测等领域中。然而当输入信号与参考信号不同步时，会导致数字锁相放大器输出信号非常微弱，甚至无法解调出待测信号。因此，实现输入信号与参考信号的同步对提高数字锁相放大器在微弱信号检测方面的准确性具有重要意义。
3.目前，数字锁相放大器中实现输入信号与参考信号同步的已有研究主要包括两个方面，一方面，当参考信号频率已知时，可采用正交法将待测信号分解至两个正交参考信号上，从而实现相位同步，但是该方法对资源占用比较高，计算量大。此外，当待测信号较弱时，正交法数字锁相放大器的检测效果不如单一相位法的数字锁相放大器。另一方面，当参考信号频率未知时，可采用锁相环实现参考信号与待测信号的同步，但是同样也具有计算量较大的不足之处。
4.因此，实现快速、计算量小的数字锁相放大器的信号同步具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种基于插值dft信号同步的数字锁相放大方法，所述方法可以实现数字锁相放大器信号的同步，且计算量小。
6.一种基于插值dft信号同步的数字锁相放大处理方法，所述方法包括：
7.采集待测信号，采样频率为fs，得到n点离散序列x(n)，n＝0，1，2，
…
，n-1，对离散序列并进行加窗处理，得到加权序列xw(m)，其中m＝0，1，2，
…
，m-1且m《n；
8.对加权序列xw(m)进行离散傅里叶变换得到频谱函数xw(m)；
9.对频谱函数xw(m)使用二谱线插值算法计算待测信号的频率偏移量δ、频率fr及相位
10.构建幅值为1，频率为fr，相位为的参考信号r(n)与离散序列x(n)相乘得到解调后的信号xr(n)；
11.采用低通滤波器滤除信号xr(n)中的高频分量，得到待测信号幅值。
12.进一步的，所述对频谱函数xw(m)使用二谱线插值算法计算待测信号的频率偏移量δ、频率fr及相位具体为：
13.搜索|xw(m)|，其中||表示取模值，得到频谱函数局部峰值谱线的位置k1，k2，且k1≤k0≤k2＝k1+1，其中k0为频率fr在频谱中的真实位置；
14.由插值表达式根据最小二乘法求得函数关系式δ＝
g-1
(η)，定义频率偏差δ＝k
0-k
1-0.5，且δ满足-0.5≤δ≤0.5；
15.由δ＝g-1
(η)计算得到频率偏移量δ，由fr＝(k1+δ+0.5)fs/m得到待测信号的频率fr；
16.待测信号的相角计算公式为：
[0017][0018]
其中phase{}是求相角运算。
[0019]
进一步的，所述频谱函数其中w()为汉宁-切比雪夫卷积窗的离散傅里叶表达式。
[0020]
进一步的，所述对离散序列并进行加窗处理，具体为：用长度为m的汉宁-切比雪夫卷积窗w(m)对离散后的待测信号进行加权截断，得到截断后的序列xw(m)＝x(m)w(m)。所述长度为m的汉宁-切比雪夫卷积窗w(m)是由长度为m/2的汉宁窗和长度为m/2切比雪夫窗进行卷积运算得到。
[0021]
进一步的，上述所有方法中所述离散序列其中a为待测信号的幅值，fr为频率，为相位，σ(n)为噪声。
[0022]
本发明的有益效果为：本方法测量过程快速方便，测量结果准确，可实现数字锁相放大器中待测信号与输入信号的同步，为提高微弱信号参数检测准确性提供技术支持。同时，本发明采用加窗插值方法计算参考信号的频率和相位，降低了dft过程中栅栏效应和频谱泄露对频率、相位计算的影响；采用汉宁-切比雪夫卷积窗对信号进行加权截断，可在非同步采样情况下有效抑制频谱泄露，能准确测量参考信号的参数。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0024]
图1为基于插值dft信号同步的锁相放大处理流程图。
[0025]
图2为待测信号的时域波形。
[0026]
图3为待测信号解调后的幅值。
具体实施方式
[0027]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
[0028]
如图1所示的基于插值dft信号同步的锁相放大处理流程图，包括以下步骤：
[0029]
第一步，采集待测信号，采样频率为fs，得到n点离散序列x(n)，n＝0，1，2，
…
，n-1，对离散序列并进行加窗处理，得到加权序列xw(m)，其中m＝0，1，2，
…
，m-1且m《n。
[0030]
用长度为m的汉宁-切比雪夫卷积窗w(m)对离散后的被测信号进行加权截断，得到
截断后的序列xw(m)＝x(m)w(m)。所述长度为m的汉宁-切比雪夫卷积窗w(m)具体为：采用长度分别为m/2的汉宁窗和切比雪夫窗卷积得到长度为m的汉宁-切比雪夫卷积窗w(m)，计算公式为：
[0031]
w(n)＝w1(n)*w2(n)
[0032]
其中，w1(n)、w2(n)分别为汉宁窗和切比雪夫窗的时域表达式，“*”表示卷积运算。
[0033]
第二步，对加权序列xw(m)进行离散傅里叶变换得到频谱函数xw(m)。
[0034]
对截断后的序列xw(m)进行离散傅里叶变换并忽略其他干扰，可得频谱函数其中w(m)为汉宁-切比雪夫卷积窗的离散傅里叶表达式，为待测信号的相位。
[0035]
第三步，对频谱函数xw(m)使用二谱线插值算法计算待测信号的频率偏移量δ、频率fr及相位
[0036]
首先，搜索|xw(m)|，其中||表示取模值，得到离散频谱局部峰值谱线的位置k1，k2，且频率fr在频谱中的真实位置k0与离散频谱局部峰值谱线的关系满足k1≤k0≤k2＝k1+1。
[0037]
其次，定义频率偏差δ＝k
0-k
1-0.5，且δ满足-0.5≤δ≤0.5，由插值表达式根据最小二乘法求得函数关系式δ＝g-1
(η)。
[0038]
最后，采用δ＝g-1
(η)计算得到频率偏移量δ，采用f0＝(k1+δ+0.5)fs/m计算参考信号的频率fr，采用计算参考信号的相角其中phase{}是求相角运算。
[0039]
第四步，构建幅值为1，频率为fr，相位为的参考信号r(n)与离散序列x(n)相乘得到解调后的信号xr(n)。
[0040]
第五步，采用低通滤波器滤除信号xr(n)中的高频分量，得到待测信号幅值。
[0041]
上述方法中，采用加窗插值方法计算参考信号的频率和相位，从而降低dft过程中栅栏效应和频谱泄露对频率、相位计算的影响，采用汉宁-切比雪夫卷积窗对信号进行加权截断，可在非同步采样情况下有效抑制频谱泄露，准确测量参考信号的参数。
[0042]
具体实施例1采用以下步骤：
[0043]
步骤1：以采样频率fs＝500khz采集待测信号，得到50000点离散序列x(n)，n＝0，1，2，
…
，49999；
[0044]
步骤2：用长度为m＝8192的汉宁-切比雪夫卷积窗w(m)对离散后的被测信号进行加权截断，得到截断后的加权序列xw(m)＝x(m)w(m)，其中m＝0，1，2，
…
，8191；
[0045]
步骤3：对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数xw(m)；
[0046]
步骤4：查找频谱函数|xw(m)|，得到局部频谱峰值位置k1＝164，k2＝165以及对应幅值|xw(k1)|＝637.9706，|xw(k2)|＝1028.3470；
[0047]
步骤5：由频率分量偏移值δ＝g-1
(η)，计算得到δ＝0.3514；
[0048]
步骤6：由频率、相位的计算公式
[0049]fr
＝(k1+δ+0.5)fs/m
[0050][0051]
得到频率fr＝10000.6966，相位
[0052]
步骤7：生成参考信号r(n)＝sin(2π
×
10000.6866
×
n/500000+0.2634)；
[0053]
步骤8：将参考信号r(n)与被测信号x(n)相乘后的信号xr(n)通过2阶巴特沃斯低通滤波器，得到直流分量，得到待测信号幅值，如图2和图3所示，其中图2为待测信号的时域波形，图3为待测信号解调后的幅值。
[0054]
本发明以插值dft算法为基础，可准确进行参考信号频率和幅值地测量。本方法测量过程快速方便，测量结果准确，可实现数字锁相放大器中待测信号与输入信号的同步，为提高微弱信号参数检测准确性提供技术支持。
[0055]
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。