[发明专利]正弦信号频率测量方法

说明书

本发明公开了一种正弦信号频率测量方法，该方法包括：对长度为N的正弦信号采样进行级数据加权。利用重排参数σ₀、σ₁和σ₂对加权后的数据进行处理，在保留频域有效谐波分量的前提下将数据长度由N点缩减至N/M点，完成频谱压缩。对频谱压缩得到的三组数据依次进行N/M点FFT运算，然后将三组FFT结果中包含的有效谐波分量进行组间比较，选取谐波分量幅度最接近的两组FFT结果进行模值与位置估计。利用得到的模值和位置估计获取正弦信号频率。本发明的正弦信号频率测量方法，可以准确地估计出被测信号的频率。通过频谱压缩降低了FFT计算长度，频率测量范围较广，显著减小了FFT的计算点数，大大降低了FFT计算时延和复杂度。

技术领域

本发明涉及频率测量技术领域，尤其涉及一种正弦信号频率测量方法。

背景技术

正弦信号频率测量是仪器仪表领域的重要问题，在载波稳定度监测、物理量计量、空间科学等领域都有着广泛应用。直接计数法是进行正弦频率测量的常用方法，根据直接测量量的不同又分为测频法和测周期法。测频法通过测量单位时间内被测信号的重复周期数来等效换算成信号频率，为保证测量精度，需要累积足够数目的重复周期数。这使得当信号频率较低时，测频法所需的测量时间较长，因此测频法通常只用于高频信号的测量。与测频法相对应的是测周期法，其工作原理是测量信号上升沿/下降沿之间的时间并换算成周期，进而得到信号频率。测周期法一方面对信号中叠加的噪声较为敏感，因为噪声会给信号过零点的判断带来一定误差；另一方面当被测信号频率较高时，误差在信号周期中所占的比重较大，频率估计精度显著降低。因此测周期法通常只用于低频信号的测量。此外，不论是测频法还是测周期法，它们都存在个最小计数间隔的误差，这导致它们都难以满足高精度频率测量要求。

随着数字采样芯片的精度和采样速率的不断提升，以及FPGA、DSP等可编程器件计算能力的大大提高，基于FFT的正弦信号数字测量方法开始得到应用，这大大降低了硬件设计复杂度。在基于FFT的正弦信号数字测量方案中，首先对采样得到的N点正弦信号加窗，以避免其频域能量泄露而影响频率估计精度。接着，对加窗信号进行N点FFT运算，最后从FFT计算结果中找到信号峰值及其邻近谐波分量，通过峰值内插的方式得到的被测信号的频率。当信号采样率较高或者频率估计精度要求较高时，需要通过增加FFT点数N的方式来得到更为准确的频率估计结果。例如对于数百KHz乃至MHz量级的高频信号测量，为使得频率测量准确度在1Hz以下，采样点数N将达到10⁵量级以上，这无疑带来了巨大的计算量。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种正弦信号频率测量方法。具体技术方案如下：

一种正弦信号频率测量方法，所述方法包括：

对长度为N的正弦信号采样进行级数据加权；

利用重排参数σ₀、σ₁和σ₂对加权后的数据进行处理，在保留频域有效谐波分量的前提下将数据长度由N点缩减至N/M点，完成频谱压缩；

对频谱压缩得到的三组数据依次进行N/M点FFT运算，然后将三组FFT结果中包含的有效谐波分量进行组间比较，选取谐波分量幅度最接近的两组FFT结果进行模值与位置估计；

利用得到的模值和位置估计获取正弦信号频率。

上述正弦信号频率测量方法中，在采样频率f_s下，对幅度为A，频率为f，相位为θ的正弦频率进行N点采样，得到长度为N的正弦信号采样x(n)：

式中，λ₀表示归一化频率，其表达式为：

对x(n)进行级数据加权处理，获取信号x_w(n)：