專利名稱：一種在采樣率限制下數(shù)字測量頻率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在采樣率限制下數(shù)字測量頻率的方法，能夠解決采樣率限制的數(shù)
字精密測頻方法，可以解決現(xiàn)有模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備難以達(dá)到采樣率要求，不能實(shí)現(xiàn)中、高頻段頻率的數(shù)字測量。
背景技術(shù)：
目前，在高精度的頻率測量方法和設(shè)備方面，主要的設(shè)備包括TimeTech(德國)的比相儀和JPL(美國)的振蕩器穩(wěn)定度分析儀。這兩套系統(tǒng)的主要測頻原理是雙混頻時(shí)差測量，其主要結(jié)構(gòu)如圖l所示。雙混頻時(shí)差測量法具有平衡的結(jié)構(gòu)，能夠抵消公共噪聲，但是因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及測量能力受公共振蕩器性能影響，測量設(shè)備造價(jià)高達(dá)幾十萬元。
隨著微處理器和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，在頻率測試系統(tǒng)中，越來越多的傳統(tǒng)的測量方法被數(shù)字化測量方法所取代。基于數(shù)字化技術(shù)的電網(wǎng)頻率測量技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)今的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件能夠容易的實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)50Hz左右頻率信號的數(shù)字化測量轉(zhuǎn)換需求。奈奎斯特采樣定理要求若把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，采樣頻率通常至少為其最大頻率的兩倍，當(dāng)模擬信號的頻率非常高的時(shí)候，按此采樣頻率采樣將在器件價(jià)格和系統(tǒng)復(fù)雜度方面付出高昂的代價(jià)。實(shí)際上一方面由于受到器件工作速度的限制，當(dāng)前ADC的采樣率仍不能做得很高，另一方面，即使信號采樣率達(dá)到很高的程度，采樣后處理器對信號的處理速度也可能達(dá)不到要求。因此為了能夠在一定程度上克服了這兩方面的不足，許多折衷方案被提出，如各種基于譜估計(jì)的欠采樣方法，由于欠采樣使得信號頻譜混疊，必須增加額外的信息解模糊才能得到信號頻率的無模糊估計(jì)?；谧V估計(jì)算法的欠采樣頻率估計(jì)仍是基于恢復(fù)原采樣信號的思想，目前來看，這類方法總的來說設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，并且精度提高潛力并不明顯，進(jìn)一步提高精度對設(shè)備的要求也比較高，因此很難滿足日益增長的時(shí)頻測量精度需求。這樣的一些原因也直接導(dǎo)致了目前的數(shù)字測頻技術(shù)的發(fā)展受到限制，只在電力線(50Hz)等低頻段得到了較好的開發(fā)利用。 鑒于以上兩方面的原因，現(xiàn)有方法中必須解決高精度頻率測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)精簡和中低頻段頻率信號的數(shù)字化測量實(shí)現(xiàn)兩方面的問題。具體要解決三個(gè)方面的關(guān)鍵問題
1)頻率信號特征信息的提取，主要是基于提取頻率信號細(xì)節(jié)信息的欠采樣方法，且能夠?qū)崿F(xiàn)對頻率源瞬時(shí)變化的檢測； 2)基于數(shù)字信號處理技術(shù)的頻率估計(jì)，在欠采樣方法的前提下對頻率的估計(jì)需要設(shè)計(jì)的數(shù)字信號處理方法，要滿足在有限信息條件下實(shí)現(xiàn)對精密頻率源的高精度測量，同時(shí)為了較好的實(shí)時(shí)性需求，算法不宜過于繁復(fù)； 3)量化誤差、隨機(jī)干擾噪聲的抑制方法，對于任何精密測量方案來說，噪聲的分析評估都是至關(guān)重要的，由于進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換引入的誤差，電磁環(huán)境、電力電壓因素等等對測量結(jié)果的影響以及補(bǔ)償方法都是必須的。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供了一種在采樣率限制下數(shù)字測量頻率的方法，可以實(shí)現(xiàn)對5MHz、10MHz等多種頻率值信號的高精度數(shù)字測量。
技術(shù)方案 本發(fā)明的技術(shù)特征在于將頻率標(biāo)稱值已知的待測頻率信號送入數(shù)據(jù)采集卡的輸
入通道，同時(shí)將具有待測信號標(biāo)稱頻率值的參考頻率信號送入分頻設(shè)備的輸入端口 ，采用
以下方法實(shí)現(xiàn)待測頻率信號的分析處理，具體步驟如下 步驟1 :設(shè)定分頻參數(shù)為待測信號標(biāo)稱值除以一個(gè)整倍數(shù)后有一個(gè)固定偏差，偏差可以取1 100赫茲之間的任意值，并將該分頻參數(shù)作為數(shù)據(jù)采集卡中ADC轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘觸發(fā)信號； 步驟2:待測頻率信號在采樣時(shí)鐘觸發(fā)信號的控制下進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的待測信號數(shù)據(jù)按照M個(gè)為一組；所述的M等于每一秒間隔內(nèi)在采樣時(shí)鐘觸發(fā)下待測信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)； 步驟3 :將相連兩秒的兩組數(shù)據(jù)做互相關(guān)，得到互相關(guān)函數(shù)值
&^(0) = + |>,(")>U")，其中yi+1(n) = yi(n+fs); 其中fs為采樣時(shí)鐘觸發(fā)信號的頻率值；yi為相連兩秒數(shù)據(jù)的前一秒M個(gè)數(shù)據(jù)；yi+1為相連兩秒數(shù)據(jù)的后一秒M個(gè)數(shù)據(jù)；n的定義域是
的整數(shù)值。 步驟4 :然后與步驟3相同的兩組數(shù)據(jù)分別用(0) = 4"^^,("U.(")和
1,(0)-7l^+i(")^(")公式計(jì)算出yi和yw的自相關(guān)函數(shù)值/ m、和/ m、 &表示采
樣后待測信號的第i秒的幅度值；
步驟5 :根據(jù)步驟3得到的互相關(guān)量和步驟4得到的&和Ai+1的值計(jì)算頻偏A f :△/ = — crrcos"-^15-- 步驟6 :則待測信號的實(shí)際頻率值為標(biāo)稱值f。與頻偏量A f之和。
有益效果 本發(fā)明提出在采樣率限制下數(shù)字測量頻率的方法，以頻率的數(shù)字化處理技術(shù)為基礎(chǔ)，通過欠采樣手段采集包含頻率信號特征信息的數(shù)據(jù)，研究在目前模數(shù)轉(zhuǎn)換速率水平條件下頻率數(shù)字精密測量的方法，推進(jìn)精密頻率測量儀器的虛擬化進(jìn)程。 本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的數(shù)字化測量，基于欠采樣技術(shù)、相關(guān)處理算法、曲線擬合等
方法結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)高精度頻率數(shù)字化測量，該發(fā)明能對10MHz頻率1秒取樣
的Allan方差穩(wěn)定度優(yōu)于10—13量級，遠(yuǎn)高于現(xiàn)今數(shù)字測頻的技術(shù)指標(biāo)。 本發(fā)明解決頻率數(shù)字化精密測量的理論和技術(shù)問題，為高精度、低成本的基于虛
擬儀器技術(shù)的頻率數(shù)字化測量儀器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供一整套完整解決方案。


圖1 :現(xiàn)有技術(shù)中雙混頻時(shí)差測量方法原理圖
圖2 :本發(fā)明方法的原理圖 圖3 :—種解決采樣率限制的數(shù)字精密測頻方法的硬件結(jié)構(gòu)圖
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述 本實(shí)施例的測頻方法的實(shí)現(xiàn)包括硬件數(shù)據(jù)采集卡、分頻設(shè)備和計(jì)算機(jī)三部分，軟 件實(shí)施測頻算法安裝在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。 數(shù)據(jù)采集卡包括模數(shù)轉(zhuǎn)化器件和PCI接口、通信部分，美國國家儀器公司(NI)的 PCI-6122型數(shù)據(jù)采集卡，具有500KHz采樣率和16位分辨率。 實(shí)施例結(jié)合國家授時(shí)中心的10MHz時(shí)頻基準(zhǔn)信號，通過測量該信號來驗(yàn)證本發(fā)明 的測頻能力。 國家授時(shí)中心的10MHz時(shí)頻基準(zhǔn)信號作為分頻設(shè)備的參考輸入信號，待測頻率是 由銣原子鐘輸出的10MHz頻率信號，幅度范圍約在士1V，需要測量該銣原子鐘的實(shí)際輸出 頻率值。 步驟1 :根據(jù)待測頻率信號的標(biāo)稱頻率值和數(shù)據(jù)采集卡的采樣率上限，確定分頻 倍數(shù)N二 100，即分頻設(shè)備輸出的采樣時(shí)鐘頻率為100KHz-lHz，將該采樣時(shí)鐘信號送入數(shù)據(jù) 采集卡的PFI端口，作數(shù)據(jù)采集卡中ADC轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘用； 步驟2 :根據(jù)步驟1得到的采樣時(shí)鐘在數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)配置表中設(shè)置數(shù)據(jù)采集 卡的采樣時(shí)鐘參數(shù)為100KHz-lHz ; 步驟3:將待測頻率信號接入數(shù)據(jù)采集卡的四個(gè)輸入通道之一，如通道0，信號在 該通道按照采樣時(shí)鐘觸發(fā)信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的待測信號數(shù)據(jù)按照每100K-l個(gè) 一組儲存在磁盤指定的區(qū)域，； 步驟4 :將相連的兩組數(shù)據(jù)做互相關(guān)運(yùn)算，有，及w,+,(0)-^^cos(2;7"A/)本實(shí)施例 的某一組互相關(guān)函數(shù)計(jì)算得^"+, (0) = 丁 ^ X.(")X+, (") = 0.50000000308438;
厶" 步驟5 :另外用與步驟4相同的兩組數(shù)據(jù)分別計(jì)算出yi和yi+1的自相關(guān)函數(shù) i 乂 (0) = 0.50000000517618和i 少+， (0) = 0.50000000101425的值，從而根據(jù)4 - ^2; 乂(0)和 4+1 = ^W0)得至IJ Ai和Ai+1的值； 步驟6 :根據(jù)步驟4得到的互相關(guān)量和步驟5得到的幅度值求頻偏Af，根據(jù)方程 4/~ = *,0"^0《0)(0)=1.0477559271095506-006得到Af值。因?yàn)榇郎y頻率信號標(biāo)
稱值已知為10MHz，因此待測信號的實(shí)際頻率值為le7+l. 047755927109550e-006Hz。
由上述實(shí)施例可以看出，本方法的主要特點(diǎn)是通過設(shè)置采樣時(shí)鐘頻率，提取待測 頻率信號的頻率偏差信息，降低測量中高頻信號的頻率對數(shù)據(jù)采集設(shè)備AD轉(zhuǎn)換速率的要
5求，利用較低采樣率實(shí)現(xiàn)中高頻頻率信號的頻率測量，該方法采樣時(shí)盡管不需要滿足奈奎斯特定理的采樣率采樣待測頻率信號，但是對于待測信號的頻率偏差信號(頻率值表達(dá)式為N+AfHz，N為分頻器的分頻參數(shù)，是整數(shù)，Af是待測信號的頻偏量)需采用高于該信號
2倍頻率的采樣率進(jìn)行采樣，該采樣率的設(shè)置根據(jù)用戶的測量要求確定， 一般情況是高采樣率對應(yīng)高分辨率測量結(jié)果，但是超過100倍以上的采樣率的性價(jià)比較低，建議是10倍 100倍之間。 對于采樣噪聲，每一點(diǎn)的采樣噪聲包含兩個(gè)方面，隨機(jī)噪聲和采樣時(shí)基偏差，采樣后的信號通過相關(guān)估計(jì)估算頻率值，相關(guān)處理對信號噪聲有抑制作用，相關(guān)方法基于整個(gè)周期間相似度的比較，以及其求和平均的算法能有效的平滑外部噪聲和系統(tǒng)隨機(jī)噪聲對采樣數(shù)據(jù)測量結(jié)果的影響。根據(jù)隨機(jī)噪聲之間不相關(guān)性質(zhì)，對隨機(jī)噪聲乘積求均值，噪聲對結(jié)果的影響與采樣率有關(guān)，不會超過采樣點(diǎn)噪聲總和的1/V^ ，例如，對1Hz正弦波進(jìn)行10kHz采樣，即一個(gè)周期內(nèi)采樣10000個(gè)點(diǎn)，能平滑噪聲至原來的1/71^ = 0.01 ，有利于提高測量能力。根據(jù)前文所述的實(shí)例，本方法測量頻率分辨率達(dá)到le-13量級。可以在當(dāng)前工藝水平條件下大幅度提高測量分辨率，并且測量結(jié)果便于使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和保存，后端處理更加靈活。 本發(fā)明提出了一種高精度數(shù)字測頻的解決方案，基于欠采樣技術(shù)的精密數(shù)字測頻。主要是在目前模數(shù)轉(zhuǎn)換速率和數(shù)字信號處理技術(shù)水平下，數(shù)字高精度測頻的實(shí)現(xiàn)方法。目前常用的雙混頻時(shí)差測量方法采用模擬結(jié)構(gòu)，測量精度受電路噪聲和公共源影響較大，依靠電路工藝改進(jìn)提高測量精度是個(gè)緩慢的過程；而數(shù)字測頻受限于采樣率和數(shù)字信號處理能力的限制尚不能用于中高頻信號的測量?；诖朔N現(xiàn)狀，通過研究數(shù)字采樣和精密頻率測量的特點(diǎn)，提出了基于提取特征信息的欠采樣頻率測量方法。以遠(yuǎn)低于原信號頻率的采樣率取樣，通過研究特別的算法實(shí)現(xiàn)頻率測量。并充分開發(fā)數(shù)字信號處理技術(shù)對電路噪聲的平滑作用，在現(xiàn)有工藝水平下提高測量精度。 多通道測量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和虛擬儀器控制面板設(shè)計(jì)降低了設(shè)備成本。
權(quán)利要求
一種在采樣率限制下數(shù)字測量頻率的方法，其特征在于將頻率標(biāo)稱值已知的待測頻率信號送入數(shù)據(jù)采集卡的輸入通道，同時(shí)將具有待測信號標(biāo)稱頻率值的參考頻率信號送入分頻設(shè)備的輸入端口，采用以下方法實(shí)現(xiàn)待測頻率信號的測量，具體步驟如下步驟1設(shè)定分頻參數(shù)為待測信號標(biāo)稱值除以一個(gè)整倍數(shù)后有一個(gè)固定偏差，偏差可以取1～100赫茲之間的任意值，并將該分頻參數(shù)作為數(shù)據(jù)采集卡中ADC轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘觸發(fā)信號；步驟2待測頻率信號在采樣時(shí)鐘觸發(fā)信號的控制下進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的待測信號數(shù)據(jù)按照M個(gè)為一組；所述的M等于每一秒間隔內(nèi)在采樣時(shí)鐘觸發(fā)下待測信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；步驟3將相連兩秒的兩組數(shù)據(jù)做互相關(guān)，得到互相關(guān)函數(shù)值 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mrow><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>f</mi><mi>s</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>其中yi+1(N)＝y(tǒng)i(n+fs)；其中fs為采樣時(shí)鐘觸發(fā)信號的頻率值；yi為相連兩秒數(shù)據(jù)的前一秒M個(gè)數(shù)據(jù)；yi+1為相連兩秒數(shù)據(jù)的后一秒M個(gè)數(shù)據(jù)；n的定義域是
的整數(shù)值。步驟4然后與步驟3相同的兩組數(shù)據(jù)分別用 <mrow><msub> <mi>R</mi> <msub><mi>y</mi><mi>i</mi> </msub></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>f</mi><mi>s</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>和 <mrow><msub> <mi>R</mi> <msub><mi>y</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>f</mi><mi>s</mi> </msub></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi></msub><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>公式計(jì)算出yi和yi+1的自相關(guān)函數(shù)值和Ai表示采樣后待測信號的第i秒的幅度值； <mrow><msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msqrt> <mn>2</mn> <msub><mi>R</mi><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub> </msub> <mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo> </mrow></msqrt> </mrow> <mrow><msub> <mi>A</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><msqrt> <mn>2</mn> <msub><mi>R</mi><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub> </msub> <mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo> </mrow></msqrt> </mrow>步驟5根據(jù)步驟3得到的互相關(guān)量和步驟4得到的Ai和Ai+1的值計(jì)算頻偏Δf <mrow><mi>&Delta;f</mi><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mi>&pi;</mi> </mrow></mfrac><mi>ar</mi><mi>cos</mi><mfrac> <mrow><msub> <mi>R</mi> <mrow><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msqrt><msub> <mi>R</mi> <msub><mi>y</mi><mi>i</mi> </msub></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>R</mi> <msub><mi>y</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub></msub><mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo></mrow> </msqrt></mfrac><mo>;</mo> </mrow>步驟6則待測信號的實(shí)際頻率值為標(biāo)稱值f0與頻偏量Δf之和。F2009100238339C00014.tif,F2009100238339C00015.tif
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在采樣率限制下數(shù)字測量頻率的方法，技術(shù)特征在于待測頻率信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的待測信號數(shù)據(jù)按照M個(gè)為一組；將相連兩秒的兩組數(shù)據(jù)做互相關(guān)，得到互相關(guān)函數(shù)值；計(jì)算兩組數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)值，根據(jù)互相關(guān)量計(jì)算頻偏，則待測信號的實(shí)際頻率值為標(biāo)稱值與頻偏量之和。本發(fā)明解決頻率數(shù)字化精密測量的理論和技術(shù)問題，為高精度、低成本的基于虛擬儀器技術(shù)的頻率數(shù)字化測量儀器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供一整套完整解決方案。
文檔編號G01R23/02GK101713795SQ20091002383
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者劉婭, 張慧君, 李孝輝, 王玉蘭 申請人:中國科學(xué)院國家授時(shí)中心