[發明專利]欠采樣下的正弦信號頻率的高效測量方法及實施裝置

有效

• 申請號: 201010162687.0
• 申請日: 2010-05-05
• 公開（公告）號: CN101825660A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發明（設計）人: 黃翔東;王兆華
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01R23/02
• 分類號: G01R23/02;G01R23/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明屬于數字信號處理技術領域。具體涉及在采樣速率不足(相比于信號頻率)的情 況下，一種高精度地估計正弦波頻率的新方法及其相應的實驗裝置，即欠采樣下的正弦信號 頻率的高效測量方法及實施裝置。

背景技術

在通信、儀表、電力、光學應用、故障診斷等工程領域，存在大量對高頻正弦波的頻率 和相位進行高精度、高效、快速的估計問題。例如相干解調是通信中最常見的解調方式[1]， 相干解調需要接收機從接收信號中提取信息，并產生與發送端同頻、同相的本地載波。然而 到達接收機的載頻信號的頻率和相位有可能發生變化，如何用數字化方法高效、精確的測出 其頻率和相位的變化值，一直是無線通信中的一個難題，這是因為無線載波頻率通常很高， 為實現不失真的信號波形采樣，按照香農定理，就必須至少以兩倍信號頻率的采樣速率進行 采樣，這樣對模數轉換器(Analog?to?Digital?Converter，ADC)的要求很高。常用的辦法是將 信號逐級進行下變頻到中頻，然后再采樣。但是這樣做一來需引入變頻措施，二來變頻過程 要依賴非線性元件來實現，這不可避免地會引入非線性失真。另外，目前市場上常用的頻率 計、相位計[2]和功率計等儀表設備大多數都已經數字化，但是任何頻率計都有一個測量范圍， 當所測量的信號頻率很高時，超出了其測量范圍會導致儀器失效。目前的頻率計的測量方法， 還主要是以計數器計數為主，這需要頻率計內部產生一個振蕩頻率非常高的時鐘信號，這對 硬件和工藝要求非常高。事實上，將高效的數字信號處理算法(如基于傳統FFT的頻率估計 內插方法[3])嵌入到頻率計后，可以大大降低儀器成本、提高儀器測量精度和擴大儀器的測 量范圍。由于信號的頻率、幅值和相位的估計問題普遍存在于與國民經濟緊密相關的通信、 測量儀表[4]、故障診斷[5]等多個生產環節中，因此研發出高性能的相位估計法具有很高的工 程價值和經濟價值。而研發欠采樣情況下的正弦波參數測量方案，更可大大提高現有儀器精 度水平的潛力。

正弦波頻率參數測量與估計的方法很多，傳統依靠模擬器件的方法，如：矢量法、二極 管鑒相法、脈沖計數法等，其測量系統復雜，需專用器件，硬件成本高。近年來，頻率估計 逐漸向數字化方向發展，其優點在于硬件成本低、適應性強，只需單片機、DSP(Digital?Signal Processor，數字信號處理器)、FPGA(Field?Programming?Gate?Array，現場可編程門陣列)等通用 器件就可完成，對不同的測量對象僅需改變程序算法即可，且其精度一股高于模擬式測量。 因此，選定一套精確的頻率估計算法是關鍵。

然而，為研發出高精度的頻率測量算法(即參數估計算法)，僅在工程領域中去考慮問題 是遠遠不夠的。因為無論是在哪種應用場合，也無論是測量哪種物理量，采樣后信號的表現 形式都是離散觀測數據，若要精確、快速、有效地從觀測數據中提取出參數信息，這就涉及 很多的理論問題，所涵蓋的知識可延伸到數字信號處理、信號檢測與估計理論、信息論、概 率論與數理統計、隨機過程等多個學科領域，只有加深對這些領域基礎知識的理解，從新的 角度提出一些優化參數估計性能的措施，才有可能研發出性能更為優良的算法。現有的數字 化頻率估計主要包括以下幾種方法：

(1)脈沖計數法

這是最常用的相位測量法，其頻率和相位原理如圖1所示，頻率測量的主要過程為：用 已知頻率的計數脈沖對所測信號進行計數，通過讀取在正弦波半個周期內(兩次過零點的間 隔時間，可用觸發的辦法記錄過零點時刻)計數脈沖的個數來估計信號的頻率值。而相位測 量則需要在本地端產生與所測正弦信號同頻且已知初相的參考正弦波，然后分別對這兩路正 弦波進行脈沖計數(假設其基本計數周期為T₀)，根據其脈沖計數差值(假設n個脈沖差)算 出其延時nT₀，進而測算出其相位差2πfnT₀。若由參考相位加上此相位差，還可得到相位估 計。

這種方法的缺陷在于：(1)需專門產生脈沖計數信號，且測量精度很大程度上取決于基 本脈沖寬度T₀，只有減小T₀才能提高測量精度，擴大儀器測量范圍，這對硬件設備的要求很 高；(2)僅能對單頻信號進行測量估計；(3)需產生參考正弦波才能完成相位計數，且要求 參考信號與所測正弦信號的頻率完全一致，若略有偏離，則會給測量結果帶來很嚴重的偏差。