一种高精度数字瞬时测频方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度数字瞬时测频方法及装置。其中，该方法包括：采用射频接收前端进行射频信号变频、滤波处理，将X波段信号变换为中频信号；将中频信号进行AD变换，通过数字信号处理器件将变换后的中频信号进行下变频处理，得到中频数字信号；将中频数字信号变换为基带数字信号；采用基于FFT和信号平方的双信号估算法，通过FPGA对基带数字信号进行计算处理，得到测频结果。解决了相关技术中X波段脉冲信号的测频精度不高的问题，本发明采用基于FFT和信号平方的双信号频率估计算法，结合FFT测频算法相对快速和一维平方信号谱峰搜索后插值估计频率间隔的精确性，利用FPGA硬件实现相关算法，保证了测频的快速性和准确性。
【专利说明】一种高精度数字瞬时测频方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及G01R2300频率测量测试领域，特别是涉及一种高精度数字瞬时测频
方法及装置。
【背景技术】
[0002]在20世纪五六十年代，瞬时测频技术产生，主要分为模拟瞬时测频和数字瞬时测频两种。其中，模拟瞬时测频设备简单易于实现，但测频精度不高，且稳定性差。数字瞬时测频具有稳定、精确度高、实时性好等特点。
[0003]数字瞬时测频即用数字信号处理的方法对信号的载频进行测量，要求数字测频必须可以对大带宽的信号进行高速、高精度的测量。数字测频算法种类繁多，根据算法所利用的信号不同信息分量，数字测频算法可分为:利用幅度信息的测频算法、利用相位信息的测频算法、利用频率信息的测频算法、利用功率谱信息的测频算法4类。
[0004]利用频率信息进行测频，包括在时域测频和频域测频两类算法。在时域上对频率进行推算的典型算法为频率推算法，而在频域上对频率进行推算的典型算法为傅里叶变换法。
[0005]傅里叶变换法是将一段信号进行傅里叶变换，将时域信息转化为频域信息，在频域上的峰值点及对应该信号的频率，其测频精度依赖于采样点数的多少。
[0006]对于X波段的载频快速测量而言，由于X波段脉冲信号是高频信号，其调制后的信号最小脉宽为0.2us，在信号工作比小于0.000004时，要求在0.4us时间内完成相对精确的频率测量，基于上述各个因素，最终的测频精度很难满足< ±200KHz的要求，即测频精度不闻。
[0007]针对相关技术中X波段脉冲信号的测频精度不高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0008]针对相关技术中X波段脉冲信号的测频精度不高的问题，本发明提供了一种高精度数字瞬时测频方法及装置，用以解决上述技术问题。
[0009]根据本发明的一个方面，本发明提供了一种高精度数字瞬时测频方法，其中，该方法包括:采用射频接收前端进行射频信号变频、滤波处理，将X波段信号变换为中频信号；将所述中频信号进行模数AD变换，通过数字信号处理器件将变换后的中频信号进行下变频处理，得到中频数字信号；将所述中频数字信号变换为基带数字信号；采用基于快速傅氏变换(Fast Fourier Transformation,简称为FFT)和信号平方的双信号估算法,通过现场可编程门阵列(Field — Programmable Gate Array,简称为FPGA)对所述基带数字信号进行计算处理，得到测频结果。
[0010]优选地，通过所述FPGA对所述基带数字信号进行计算处理，包括以下步骤:所述FPGA根据同步触发对所述基带数字信号进行采集，并采用快进慢出的方式读取所述信号的数据；对读取的所述数据进行有限长单位冲激响应滤波器(Finite Impulse Response,简称为FIR)带通滤波处理，并进行缓存；将滤波后的数据进行快速傅里叶变换，得到相应的频谱信息，去除所述频谱信息中的镜频部分，保留正频率部分，提取最大值为频谱值，以及其位置；根据采样率，频谱值，以及其位置进行映射运算得到相应的频率值，确定频率的位置；采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，得到频率结果。
[0011]优选地，采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，得到频率结果，包括以下步骤:根据信号中两频率分量的幅度比，通过一维平方信号谱峰搜索，得到所述信号的和频与差频分量的估计值；并利用插值技术得到频率结果。
[0012]优选地，在得到所述频率结果后，所述方法还包括:按照约定的通讯协议进行频率转换，将转换后的频率结果输出。
[0013]优选地，所述方法还包括:在测频过程中进行状态管理和故障上报。
[0014]根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种高精度数字瞬时测频装置，其中，该装置包括:中频变换模块，用于采用射频接收前端进行射频信号变频、滤波处理，将X波段信号变换为中频信号；模数变换模块，用于将所述中频信号进行模数AD变换，通过数字信号处理器件将变换后的中频信号进行下变频处理，得到中频数字信号；测频模块，用于将所述中频数字信号变换为基带数字信号；采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，通过现场可编程门阵列FPGA对所述基带数字信号进行计算处理，得到测频结果。
[0015]优选地，所述测频模块包括:数据采集单元，用于根据同步触发对所述基带数字信号进行采集，并采用快进慢出的方式读取所述信号的数据；滤波缓存单元，用于对读取的所述数据进行FIR带通滤波处理，并进行缓存；时频变换单元，用于将滤波后的数据进行快速傅里叶变换，得到相应的频谱信息，去除所述频谱信息中的镜频部分，保留正频率部分，提取最大值为频谱值，以及其位置；频率计算单元，用于根据采样率，频谱值，以及其位置进行映射运算得到相应的频率值，确定频率的位置；双信号估算单元，用于采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，得到频率结果。
[0016]优选地，所述双信号估算单元包括:双信号估算子单元，用于根据信号中两频率分量的幅度比，通过一维平方信号谱峰搜索，得到所述信号的和频与差频分量的估计值；并利用插值技术得到频率结果。
[0017]优选地，所述装置还包括:结果输出模块，用于按照约定的通讯协议进行频率转换，将转换后的频率结果输出。
[0018]优选地，所述装置还包括:管理模块，用于在测频过程中进行状态管理和故障上报。
[0019]本发明采用射频接收前端进行射频信号的变频、滤波，将X频段信号变换到中频；利用宽带ADC完成变换后经过专用的数字信号处理器件，进行数字下变频处理降低数据流速率；再将中频数字信号变换成基带数字信号，最后送入FPGA进行计算处理，完成频率的快速测量。解决了相关技术中X波段脉冲信号的测频精度不高的问题，本发明采用基于FFT和信号平方的双信号频率估计算法，结合FFT测频算法相对快速和一维平方信号谱峰搜索后插值估计频率间隔的精确性，利用FPGA硬件实现相关算法，保证了测频的快速性和准确性。
[0020]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的【具体实施方式】。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是根据本发明实施例的高精度数字瞬时测频方法的流程图；
[0022]图2是根据本发明实施例的高精度数字瞬时测频装置的结构框图；
[0023]图3是根据本发明实施例的数字测频组件功能框图；
[0024]图4是根据本发明实施例的数字测频组件的射频接收前端原理框图；
[0025]图5是根据本发明实施例的数字测频组件的硬件电路组成框图。
【具体实施方式】
[0026]为了解决相关技术中X波段脉冲信号的测频精度不高的问题，本发明提供了一种高精度数字瞬时测频方法及装置，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
[0027]本实施例提供了一种高精度数字瞬时测频方法，图1是根据本发明实施例的高精度数字瞬时测频方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤(步骤S102-步骤S106):
[0028]步骤S102，采用射频接收前端进行射频信号变频、滤波处理，将X波段信号变换为中频信号。
[0029]步骤S104，将中频信号进行AD变换，通过数字信号处理器件将变换后的中频信号进行下变频处理，得到中频数字信号。
[0030]步骤S106，将中频数字信号变换为基带数字信号；采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，通过FPGA对基带数字信号进行计算处理，得到测频结果。
[0031]本实施例采用射频接收前端进行射频信号的变频、滤波，将X频段信号变换到中频；利用宽带ADC完成变换后经过专用的数字信号处理器件，进行数字下变频处理降低数据流速率，再将中频数字信号变换成基带数字信号，最后送入FPGA进行计算处理，完成频率的快速测量。解决了相关技术中X波段脉冲信号的测频精度不高的问题，本发明采用基于FFT和信号平方的双信号频率估计算法，结合FFT测频算法相对快速和一维平方信号谱峰搜索后插值估计频率间隔的精确性，利用FPGA硬件实现相关算法，保证了测频的快速性和准确性。
[0032]在上述步骤S106中，通过FPGA对基带数字信号进行计算处理，可以通过以下优选实施方式实现=FPGA根据同步触发对基带数字信号进行采集，并采用快进慢出的方式读取信号的数据；对读取的数据进行FIR带通滤波处理，并进行缓存；将滤波后的数据进行快速傅里叶变换，得到相应的频谱信息，去除频谱信息中的镜频部分，保留正频率部分，提取最大值为频谱值，以及其位置；根据采样率，频谱值，以及其位置进行映射运算得到相应的频率值，确定频率的位置；采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，得到频率结果。
[0033]对于采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，得到频率结果，可以通过以下优选实施方式实现:根据信号中两频率分量的幅度比，通过一维平方信号谱峰搜索，得到信号的和频与差频分量的估计值；并利用插值技术得到频率结果。[0034]在得到频率结果后，该方法还包括:按照约定的通讯协议进行频率转换，将转换后的频率结果输出。
[0035]该方法还包括:在测频过程中进行状态管理和故障上报。
[0036]下面对上述步骤S106中，采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，通过现场可编程门阵列FPGA对基带数字信号进行计算处理，得到测频结果的具体过程，进行介绍。该过程可通过以下几个阶段实现。
[0037](I)采集控制
[0038]根据同步触发对信号进行采集，连续采集120us，最多包含24个脉冲，数据传输采用双沿DDR方式，降低数据传输时钟频率。FPGA端采用IDDR内置双沿读取模块读取数据，保证数据读取正确率。对接收到的双沿数据进行排序恢复,恢复为一列连续数据。
[0039](2)数据缓存
[0040]对输入数据进行缓存，数据率高达800MB/S，缓存控制需采取扩位降速，并通过严格的布局布线规则，保证FPGA数据缓存正确。
[0041](3)滤波
[0042]数据读取时采用快进慢出的方式进行，高速写入，读取时根据计算需要，慢速读出数据进行FIR带通滤波，提高信号的信杂比，减少干扰，提高计算准确度。
[0043](4)时频变换
[0044]将滤波后的数据进行快速傅里叶变换，得到相应的频谱信息，去除镜频部分，保留正频率部分，提取最大值及其位置。
[0045](5)频率计算
[0046]根据采样率，频谱值，及其位置进行映射运算得到相应的频率值。
[0047]FFT是把信号映射到正交的负指数空间，仿佛FFT把信号映射到正交的方波空间。比较其系数的大小就可以估计其所在的频率空间。
[0048]设信号为s (n) = cos ( Ω η+ Φ) +e (η) η=1, 2.....N
[0049]其中Ω为数字频率，N为样本空间，e (η)是均值为O,方差为σ 2的高斯白噪声。
[0050]则取其符号为:
[0051]
【权利要求】
1.一种高精度数字瞬时测频方法，其特征在于，所述方法包括: 采用射频接收前端进行射频信号变频、滤波处理，将X波段信号变换为中频信号； 将所述中频信号进行模数AD变换，通过数字信号处理器件将变换后的中频信号进行下变频处理，得到中频数字信号； 将所述中频数字信号变换为基带数字信号；采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，通过现场可编程门阵列FPGA对所述基带数字信号进行计算处理，得到测频结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述FPGA对所述基带数字信号进行计算处理，包括以下步骤: 所述FPGA根据同步触发对所述基带数字信号进行采集，并采用快进慢出的方式读取所述信号的数据； 对读取的所述数据进行有限长单位冲激响应滤波器FIR带通滤波处理，并进行缓存；将滤波后的数据进行快速傅里叶变换，得到相应的频谱信息，去除所述频谱信息中的镜频部分，保留正频率部分，提取最大值为频谱值，以及其位置； 根据采样率，频谱值，以及其位置进行映射运算得到相应的频率值，确定频率的位置； 采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，得到频率结果。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，得到频率结果，包括以下步骤: 根据信号中两频率分量的幅度比，通过一维平方信号谱峰搜索，得到所述信号的和频与差频分量的估计值；并利用插值技术得到频率结果。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在得到所述频率结果后，所述方法还包括: 按照约定的通讯协议进行频率转换，将转换后的频率结果输出。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括: 在测频过程中进行状态管理和故障上报。
6.一种高精度数字瞬时测频装置，其特征在于，所述装置包括: 中频变换模块，用于采用射频接收前端进行射频信号变频、滤波处理，将X波段信号变换为中频信号； 模数变换模块，用于将所述中频信号进行模数AD变换，通过数字信号处理器件将变换后的中频信号进行下变频处理，得到中频数字信号； 测频模块，用于将所述中频数字信号变换为基带数字信号；采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，通过现场可编程门阵列FPGA对所述基带数字信号进行计算处理，得到测频结果。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测频模块包括: 数据采集单元，用于根据同步触发对所述基带数字信号进行采集，并采用快进慢出的方式读取所述信号的数据； 滤波缓存单元，用于对读取的所述数据进行有限长单位冲激响应滤波器FIR带通滤波处理，并进行缓存； 时频变换单元，用于将滤波后的数据进行快速傅里叶变换，得到相应的频谱信息，去除所述频谱信息中的镜频部分，保留正频率部分，提取最大值为频谱值，以及其位置；频率计算单元，用于根据采样率，频谱值，以及其位置进行映射运算得到相应的频率值，确定频率的位置； 双信号估算单元，用于采用基于快速傅氏变换FFT和信号平方的双信号估算法，得到频率结果。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述双信号估算单元包括: 双信号估算子单元，用于根据信号中两频率分量的幅度比，通过一维平方信号谱峰搜索，得到所述信号的和频与差频分量的估计值；并利用插值技术得到频率结果。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 结果输出模块，用于按照约定的通讯协议进行频率转换，将转换后的频率结果输出。
10.如权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括: 管理模块，用于在测频过程中进行状态管理和故障上报。
【文档编号】G01R23/02GK103837740SQ201310728431
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】韩全, 张化良, 唐学术, 卢蕴哲, 杨增顺, 李洁, 张志 , 黄珊珊, 陈锰杰, 崔亮 申请人:北京航天测控技术有限公司