專利名稱：一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)及鎖相方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是電子信息領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的鎖相技術(shù)，它涉及到一種新的鎖相理論，它 是采用了鎖頻輸出信號倍頻之后的信號為CAD的采樣頻率、然后用快速傅氏變換中特定 輸出子濾波器(特定輸出點輸出信號就是鎖相信號)的方法，稱選擇性快速傅利葉變換即 CFFT (Choose Fast Fourier Transform)，具體地說是一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)及 鎖相方法。
背景技術(shù)：
鎖相技術(shù)已有八十年的歷史，目前已成為一門廣泛應(yīng)用的學(xué)科，從模擬到數(shù)字，從 晶體管到大規(guī)模集成電路，發(fā)展很快，主要是研究實現(xiàn)方法。它們的基本電路如圖1組成 鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LPF)、和壓控振蕩器(VCO)。鑒相器是相位比較器，是輸入信號與 壓控輸出信號進行比相，產(chǎn)生誤差電壓；環(huán)路濾波器是低通濾波，它濾除誤差電壓中的高頻 分量及噪聲，增加環(huán)路的穩(wěn)定性；壓控振蕩器(VCO)是在誤差電壓的作用下改變頻率和相 位，達到跟蹤與鎖定之目的。鎖相是一個動態(tài)過程，有響應(yīng)時間，捕獲特性，穩(wěn)態(tài)相位差等。數(shù)字鎖相一種是數(shù) 字邏輯電路，另一類是數(shù)字信號處理。不管是那種其基本原理是一樣，都是一個閉環(huán)回路， 產(chǎn)生的結(jié)果基本相同。復(fù)雜的數(shù)字鎖相環(huán)，理論上穩(wěn)態(tài)相位誤差可近似為零，實際上是很困 難的?？墒窃谠S多情況下需要穩(wěn)態(tài)相差為零。關(guān)于鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差定義為瞬態(tài)響應(yīng)消失后，控制變量與設(shè)定值之間的偏差。理 論證明它與控制系統(tǒng)中的“積分器”數(shù)目有關(guān)，當(dāng)環(huán)路頻差為零時表明鎖定，其相差Θ Oc= arc sinA co/k+2n π (η 為整數(shù))(1)Δ ω是回路帶寬K是回路增益系數(shù)，也就是說任何鎖相總存在以上誤差。為了達 到更高的要求電路會變得十分復(fù)雜，實現(xiàn)難度更大，因為不能超越理論公式(1)。本發(fā)明就是在這需要的背景下，提出的另一種新的鎖相理論和工程上較易實現(xiàn)的 方法。在鎖相技術(shù)學(xué)科中又增添了一種新的鎖相理論和實施技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對鎖相環(huán)中，當(dāng)環(huán)路頻差為零時其穩(wěn)態(tài)相差難以消除的問題， 提出一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)及鎖相方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，它包括一個m倍頻器，用于對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸出的鎖定頻率fx信號進行m倍頻，得到 采樣頻率fs = mfx，其中2彡m彡N，N為正整數(shù)；一個A/D轉(zhuǎn)換器，對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路的輸入信號進行采樣，采樣頻率為fs ；一個希爾伯特變換器H，用于將采樣后的數(shù)字信號變換成復(fù)數(shù)信號；一個選擇性快速傅里葉變換器CFFT，用于對N/m路子帶濾波器進行選擇得到該子帶濾波器的輸出信號，即對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，計算并選出快速傅里葉變換的 第N/m個輸出點的值F(N/m)；和一個傅里葉逆變換器IFFT，用于對第N/m路的輸出值F(N/m)進行反變換得到與 現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸入信號即待鎖信號同相位或正交的輸出信號。一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，它包括一個m倍頻器，用于對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸出的鎖定頻率fx信號進行m倍頻，得到 采樣頻率fs = mfx，其中2彡m彡N，N為正整數(shù)；一個A/D轉(zhuǎn)換器，對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路的輸入信號進行采樣，采樣頻率為fs ；一個希爾伯特變換器H，用于將采樣后的數(shù)字信號變換成復(fù)數(shù)信號；一個傅里葉變換器FFT，用于對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，得到多路子帶濾波 器的輸出值；一個結(jié)果選擇模塊，用于取出第N/m個子帶濾波器的輸出信號即快速傅里葉變換 的第N/m個輸出點的值F (N/m)；和一個傅里葉逆變換器IFFT，用于對第N/m路的輸出值F(N/m)進行反變換得到與 現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸入信號即待鎖信號同相位或正交的輸出信號。一種基于穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)的鎖相方法，它包括以下步驟(a)、利用現(xiàn)有鎖相環(huán)電路對輸入信號即待鎖信號的頻率fx鎖??；(b)、將其輸出頻率fx進行m次倍頻，以fs = mfx作采樣頻率對待鎖信號進行采 樣；(c)、對采樣后的數(shù)字信號進行希爾伯特變換得到復(fù)數(shù)信號；(d)、若采用選擇性快速傅里葉變換器CFFT 則對復(fù)數(shù)信號進行選擇性快速傅里 葉變換，選擇第N/m路子帶濾波器進行計算，得到第N/m個輸出點的值F (N/m)；若采用傅里葉變換器FFT:則對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，得到多路子帶濾 波器的輸出值；再通過結(jié)果選擇模塊，取出第N/m個子帶濾波器的輸出信號F (N/m)；(e)、對第N/m路的輸出值F(N/m)進行反變換得到與待鎖信號同相位或正交的輸 出信號。本發(fā)明還包括一個現(xiàn)有鎖相環(huán)電路，包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器，對輸 入信號即對鎖信號進行自動跟蹤，達到頻率鎖定狀態(tài)。本發(fā)明的m倍頻器中m = 2、4、8···2Ρ，Ρ為正整數(shù)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明利用快速傅里葉變換(FFT)中采樣頻率fs和采樣點數(shù)N決定各子帶濾波 器中心頻率分布的自然規(guī)律，調(diào)整采樣頻率就會改變子帶濾波器的帶寬和中心頻率的位 置，當(dāng)采樣頻率fs是被鎖信號頻率fx的整數(shù)倍時，采樣點數(shù)為N，則被鎖信號一定落在第 N/m個子帶濾波器中心頻率處，當(dāng)采樣頻率fs又有被鎖信號頻率fx而決定時，第N/m個子 帶濾波器中心就是被鎖信號頻率的位置，該濾波器就是輸入信號的專用匹配濾波器，其輸 出信號的頻率、相位就是被鎖信號的頻率、相位，不存在穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)采樣頻率fs是被鎖信號頻率fx的m倍時，只要算出第N/m個濾波器輸出矢 量，則矢量的初相就是被鎖信號的初相，不斷滑動計算就不斷輸出被鎖信號的相位，其功能 100%等同於鎖相。
本發(fā)明是沒有穩(wěn)態(tài)鎖相誤差的鎖相理論，是利用信號匹配濾波器作為信號分析和 復(fù)原的工具，由於信號通過與它完全匹配的濾波器之后，輸出信號不產(chǎn)生相位遲后或超前， 所以其輸出信號的相位就是輸入信號的相位，反變換后信號得到復(fù)原。這種鎖相用了 CFFT 技術(shù)，所以稱為選擇性快速傅利葉變換(Choose Fast FourieTransform)。只要用復(fù)數(shù)加減 法對第N/m個這一個匹配濾波器計算就能獲得輸入信號的相位。整體技術(shù)中m倍頻和選取 第N/m個濾波器中的輸出值是最關(guān)鍵。


圖1是現(xiàn)有鎖相環(huán)電路的基本框圖。圖2是本發(fā)明的原理框圖之一。圖3是本發(fā)明的原理框圖之二。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖2所示，一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，它包括 一個m倍頻器，用于對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸出的鎖定頻率fx信號進行m倍頻，得到 采樣頻率fs=mfX，其中2彡m彡N，N為正整數(shù)；一個A/D轉(zhuǎn)換器，對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路的輸入 信號進行采樣，采樣頻率為fs ；—個希爾伯特變換器H，用于將采樣后的數(shù)字信號變換成復(fù) 數(shù)信號(也可直接計算實數(shù)的CFFT/FFT，同樣可求出相位但信噪比下降)；一個選擇性快速 傅里葉變換器CFFT，用于對N/m路子帶濾波器進行選擇得到該子帶濾波器的輸出信號，即 對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，計算并選出快速傅里葉變換的第N/m個輸出點的值F(N/ m)；和一個傅里葉逆變換器IFFT，用于對第N/m路的輸出值F(N/m)進行反變換得到與現(xiàn)有 鎖相環(huán)電路輸入信號即待鎖信號同相位或正交的輸出信號。如圖3所示，一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，它包括一個m倍頻器，用于對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸出的鎖定頻率fx信號進行m倍頻，得到 采樣頻率fs = mfx，其中2彡m彡N，N為正整數(shù)；一個A/D轉(zhuǎn)換器，對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路的輸 入信號進行采樣，采樣頻率為fs ；—個希爾伯特變換器H，用于將采樣后的數(shù)字信號變換成 復(fù)數(shù)信號(也可直接計算實數(shù)的CFFT/FFT，同樣可求出相位但信噪比下降)；一個傅里葉變 換器FFT，用于對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，得到多路子帶濾波器的輸出值；一個結(jié)果 選擇模塊，用于取出第N/m個子帶濾波器的輸出信號即快速傅里葉變換的第N/m個輸出點 的值F(N/m)；和一個傅里葉逆變換器IFFT，用于對第N/m路的輸出值F(N/m)進行反變換得 到與現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸入信號即待鎖信號同相位或正交的輸出信號。一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相方法，它包括以下步驟(a)、利用現(xiàn)有鎖相環(huán)電路對輸入信號即待鎖信號的頻率fx鎖住；(b)、將其輸出頻率fx進行m次倍頻，以fs = mfx作采樣頻率對待鎖信號進行采 樣；(c)、對采樣后的數(shù)字信號進行希爾伯特變換得到復(fù)數(shù)信號(也可直接計算實數(shù) 的CFFT/FFT，同樣可求出相位但信噪比下降)；(d)、若采用選擇性快速傅里葉變換器CFFT 則對復(fù)數(shù)信號進行選擇性快速傅里葉變換，選擇第N/m路子帶濾波器進行計算，得到第N/m個輸出點的值F (N/m)；若采用傅里葉變換器FFT:則對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，得到多路子帶濾 波器的輸出值；再通過結(jié)果選擇模塊，取出第N/m個子帶濾波器的輸出信號F (N/m)；(e)、對第N/m路的輸出值F(N/m)進行反變換得到與待鎖信號同相位或正交的輸 出信號。本發(fā)明還包括一個現(xiàn)有鎖相環(huán)電路，包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器，對輸 入信號即對鎖信號進行自動跟蹤，達到頻率鎖定狀態(tài)。本發(fā)明的m倍頻器中m = 2、4、8···2Ρ，Ρ為正整數(shù)。具體實施時1、利用現(xiàn)有的鎖相環(huán)將要被鎖信號的頻率fx鎖住，將其輸出頻率進行m次倍頻， 以fs = mfx作采樣頻率，采樣周期Ts = 1/fs, m = fs/fx ；2、對CAD采樣之后的數(shù)字信號進行“H”變換(希爾伯特變換)變成復(fù)數(shù)信號；3、利用復(fù)數(shù)數(shù)字信號，只對第F(N/m)個輸出點進行的快速傅利葉計算，即用選 擇性FFT(CFFT)，就得到該濾波器的輸出信號，它等同於輸入信號的頻率、相位、且幅度最 大；、4、對第F(N/m)路輸出進行反變換可得到與輸入信號同相(取I(nTs))或正交(取 Q(nTs))的信號。本發(fā)明利用FFT輸出N個點所對應(yīng)各濾波器中心頻率分布與采樣頻率之間的特殊 關(guān)系，這關(guān)系是FFT輸出各點對應(yīng)濾波器的4db帶寬Af= 1/NTs = fs/N(2)而fx/Af = N/m(3)即fx落在第i = N/m個濾波器中，N/m是整數(shù)則fx正好在中心頻率位置，形成“自 然匹配”，不存在動態(tài)跟蹤。這是不產(chǎn)生相位誤差的根源。第i =N/m路濾波器輸出信號計 算公式
N-IF (N/m) =ΣΧ (nTs) e-j2nn/m(4)
n=0其中X(nTs)為輸入信號X (t)在nTs時刻的采樣值n = 0、l、2、3......(N-1)m = 2、4、8…2P，P 為正整數(shù)。N是采樣點數(shù)或參與運算的點數(shù)(也稱時間長度)。這種沒有穩(wěn)態(tài)鎖相誤差的算 法鎖相理論，是利用信號匹配濾波器作為信號分析和復(fù)原的工具，由於信號通過與它完全 匹配的濾波器之后，輸出信號不產(chǎn)生相位遲后或超前，所以其輸出信號的相位就是輸入信 號的相位，反變換后信號得到復(fù)原。這種鎖相用了 CFFT技術(shù)，所以稱為選擇性快速傅利葉 變換(Choose Fast FourieTransform)。只要用復(fù)數(shù)加減法對第N/m個這一個匹配濾波器 計算就能獲得輸入信號的相位?？梢允∪?fù)數(shù)乘法，減少許多工作量。結(jié)論當(dāng)采樣頻率fs是被鎖信號頻率fx的m倍時，只要算出第N/m個濾波器輸出 矢量，則矢量的初相就是被鎖信號的初相，不斷滑動計算就不斷輸出被鎖信號的相位，其功 能100%等同於鎖相。整體技術(shù)中m倍頻和選取第N/m個濾波器中的輸出值是最關(guān)鍵。
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實施例一1，設(shè)定輸入信號X(t)的頻率為fx = 250kHz，幅度為a，初相為Φχ。m = 4，N = 8，輸入信號分兩路，一路到鎖相環(huán)，另一路到A/D變換。第一路經(jīng)鎖相之后將其輸出進入4 倍頻器，得4fx = fs，作為采樣信號；2，A/D輸出為IMHz采樣的數(shù)字信號，進行“H” (希爾伯特)變換成為復(fù)數(shù)信號；3，利用公式(3)求出N/m = 2，即2號濾波器的輸出為
權(quán)利要求
一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，其特征是它包括一個m倍頻器，用于對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸出的鎖定頻率fx信號進行m倍頻，得到采樣頻率fs=mfx，其中2≤m≤N，N為正整數(shù)；一個A/D轉(zhuǎn)換器，對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路的輸入信號進行采樣，采樣頻率為fs；一個希爾伯特變換器H，用于將采樣后的數(shù)字信號變換成復(fù)數(shù)信號；一個選擇性快速傅里葉變換器CFFT，用于對N/m路子帶濾波器進行選擇得到該子帶濾波器的輸出信號，即對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，計算并選出快速傅里葉變換的第N/m個輸出點的值F(N/m)；和一個傅里葉逆變換器IFFT，用于對第N/m路的輸出值F(N/m)進行反變換得到與現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸入信號即待鎖信號同相位或正交的輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，其特征是它還包括一個現(xiàn)有 鎖相環(huán)電路，包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器，對輸入信號即對待鎖信號進行自動跟 蹤，達到頻率鎖定狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，其特征是所述的m倍頻器中 m=2、4、8...2p，P 為正整數(shù)。
4.一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，其特征是它包括一個m倍頻器，用于對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路輸出的鎖定頻率fx信號進行m倍頻，得到采樣 頻率fs=mfx，其中2彡m彡N，N為正整數(shù)；一個A/D轉(zhuǎn)換器，對現(xiàn)有鎖相環(huán)電路的輸入信號進行采樣，采樣頻率為fs ； 一個希爾伯特變換器H，用于將采樣后的數(shù)字信號變換成復(fù)數(shù)信號； 一個傅里葉變換器FFT，用于對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，得到多路子帶濾波器的 輸出值；一個結(jié)果選擇模塊，用于取出第N/m個子帶濾波器的輸出信號即快速傅里葉變換的第 N/m個輸出點的值F (N/m)；和一個傅里葉逆變換器IFFT，用于對第N/m路的輸出值F (N/m)進行反變換得到與現(xiàn) 有鎖相環(huán)電路輸入信號即待鎖信號同相位或正交的輸出信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，其特征是它還包括一個現(xiàn)有 鎖相環(huán)電路，包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器，對輸入信號即對待鎖信號進行自動跟 蹤，達到頻率鎖定狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)，其特征是所述的m倍頻器中 m=2、4、8...2p，P 為正整數(shù)。
7.一種基于權(quán)利要求1或4所述的的穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)的鎖相方法，其特 征是它包括以下步驟(a)、利用現(xiàn)有鎖相環(huán)電路對輸入信號即待鎖信號的頻率fx鎖住；(b)、將其輸出頻率fx進行m次倍頻，以fs=mfX作采樣頻率對待鎖信號進行采樣； (C)、對采樣后的數(shù)字信號進行希爾伯特變換得到復(fù)數(shù)信號；(d)、若采用選擇性快速傅里葉變換器CFFT 則對復(fù)數(shù)信號進行選擇性快速傅里葉變 換，選擇第N/m路子帶濾波器進行計算，得到第N/m個輸出點的值F (N/m)；若采用傅里葉變換器FFT 則對復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉變換，得到多路子帶濾波器的輸出值；再通過結(jié)果選擇模塊，取出第N/m個子帶濾波器的輸出信號F (N/m)；(e)、對第N/m路的輸出值F (N/m)進行反變換得到與待鎖信號同相位或正交的輸出信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相方法，其特征是它還包括一個現(xiàn) 有鎖相環(huán)電路，包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器，對輸入信號即對鎖信號進行自動跟 蹤，達到頻率鎖定狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相方法，其特征是所述的m倍頻器中 m=2、4、8...2p，P 為正整數(shù)。
全文摘要
一種穩(wěn)態(tài)鎖相誤差為零的鎖相系統(tǒng)及鎖相方法，它是利用快速傅里葉變換(FFT)中采樣頻率fs和采樣點數(shù)N決定各子帶濾波器中心頻率分布的自然規(guī)律，調(diào)整采樣頻率就會改變子帶濾波器的帶寬和中心頻率的位置，當(dāng)采樣頻率fs是被鎖信號頻率fx的整數(shù)倍時，采樣點數(shù)為N，則被鎖信號一定落在第N/m個子帶濾波器中心頻率處，當(dāng)采樣頻率fs又有被鎖信號頻率fx而決定時，第N/m個子帶濾波器中心就是被鎖信號頻率的位置，該濾波器就是輸入信號的專用匹配濾波器，其輸出信號的頻率、相位就是被鎖信號的頻率、相位，不存在穩(wěn)態(tài)誤差。
文檔編號H03L7/08GK101986568SQ20101051767
公開日2011年3月16日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者史田元, 胡蛇慶 申請人:江蘇錦豐電子有限公司