频率测量装置和频率测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及频率测量装置和频率测量方法。根据一实施例，一种频率测量方法可包括：接收被测信号；估测所述被测信号的频率范围，并且在所述频率范围内确定多个频点；在所述多个频点中的每个频点处，计算所述被测信号与多个预定相位的参比信号之间的相关性，以确定所述被测信号在多个设定频点上的幅度值；基于所述多个频点的值以及与其对应的所述被测信号的幅度值，拟合所述被测信号的幅度频谱的函数形式；以及确定与所述估测频率范围最接近的、所述函数形式的与极大值点对应的频率值，作为所述被测信号的测量频率。本发明专利技术的装置和方法可以快速并且高精度地测量信号的频率以及相位和幅度等信息。

【技术实现步骤摘要】
频率测量装置和频率测量方法
本专利技术总体上涉及信号测量领域，更特别地，涉及一种频率测量装置和频率测量方法，其能够快速并且高精度地测量信号的频率以及相位、幅度等。
技术介绍
一般而言，目前常用的频率测量方法根据原理大体上可分为三类：i)通过上升沿或下降沿的间隔判断信号周期并由此计算被测信号频率(参考中国专利申请公开CN1056582A)；ii)通过对被测信号进行傅立叶变换测量周期信号的频率以及；iii)使用锁相环电路实现窄带频率的识别(参考欧洲专利EP0430605B1)。其中，第i类技术对于信噪比较高的信号有很好的测量效果，然而当被测信号的信噪比较低时，此类测量方案的准确性会明显降低。第ii类技术虽然具备一定的抗噪音性能，但由于傅立叶变换过程中不可避免地要进行时域的截断，这个截断过程将产生频域信号的泄露，导致变换后的频域信息不能完整反映出原时域信号特征，因此其测量结果的精准度较差。第iii类技术虽对特定频率具有很强的识别效果，并且该技术除了测量频率外，还能够一并测出信号的相位与幅值，但由于受锁相环的固有频率限制，可测量频率范围非常窄，因此该技术不适合宽频范围周期信号的测量。中国专利技术专利申请CN201110380805.X提出了一种频率测量方法，其通过改变参比信号的频率和相位，并且计算参比信号与被测信号之间的相关度，来确定被测信号的频率和相位。这种方法抗噪音能力强，并且可以测量宽频率范围内的信号，但是其也有一定的缺陷。该方法需要在频率范围以及相位范围内进行扫描以确定被测信号的频率和相位，因此测量精度与扫描密度直接相关。如果要进行高精度测量，则必须提高相位扫描和频率扫描的密度，相应的计算量也会巨幅增加。例如，如果相位扫描的密度提高到10倍，频率扫描的密度也提高到10倍，则总扫描次数增加到100倍，相应的计算也增加到100倍。因此，测量精度与测量效率之间存在着固有矛盾。因此，需要一种测量频率的方法和装置，其能够快速并且高精度地测量信号的频率。
技术实现思路
本专利技术的一个方面在于提供一种频率测量装置和频率测量方法，其能够快速并且高精度地测量信号的频率、相位和幅度。在根据本专利技术的频率测量方法中，一方面在相位自由度上，为了避免盲目扫描，利用被测信号与若干预定相位的参比信号之间的相关性计算来获得被测信号的幅度；另一方面在频率自由度上，为了避免盲目扫描，利用若干频点的幅度来拟合被测信号的幅度频谱在预估频带附近的函数关系，从而精确地确定被测信号的实际频率。本专利技术一示例性实施例提供一种频率测量方法，包括：接收被测信号；估测所述被测信号的频率范围，并且在所述频率范围内确定多个频点；在所述多个频点中的每个频点处，计算所述被测信号与多个预定相位的参比信号之间的相关性，以确定所述被测信号的幅度值；基于所述多个频点的值以及与其对应的所述被测信号的幅度值，拟合所述被测信号的幅度频谱的函数形式；以及确定与所述估测频率范围最接近的、所述函数形式的与极大值点对应的频率值，作为所述被测信号的测量频率。在一示例中，所述方法还包括：在所述被测信号的测量频率处，计算所述被测信号与所述参比信号之间的相关性，以确定所述被测信号的相位和幅度。在一示例中，所述参比信号是具有与所述被测信号相同的模式的信号。在一示例中，所述被测信号是正弦信号，所述多个频点包括至少4个频点。在一示例中，所述被测信号是三角波信号或方波信号，所述多个频点包括至少3个频点。在一示例中，当所述被测信号是正弦信号时，所述计算所述被测信号与多个预定相位的参比信号之间的相关性的步骤包括：分别根据下面的公式2和3计算所述被测信号与正弦参比信号和余弦参比信号的相关性，其中Ri,sin是在频点fi处被测信号与正弦参比信号之间的相关性，Ri,cos是在频点fi处被测信号与余弦参比信号之间的相关性，m是所采样的被测信号和参比信号的周期数，N是在m个周期内被测信号和参比信号的采样数，Sk是被测信号在第k个采样点处的值，Sin(2πmk/N)表示正弦参比信号在第k个采样点处的值，Cos(2πmk/N)表示余弦参比信号在第k个采样点处的值；以及根据下面的公式4计算每个频点fi处被测信号的幅度值Ai，在一示例中，所述拟合所述被测信号的幅度频谱的函数形式的步骤包括：将各个频点的值fi和对应的幅度值Ai分别作为x和y代入下面的公式5，通过拟合来确定公式4中的参数A、w、x0和y0的值，y＝A×Sin((w·x+x0)+y0(公式5)。在一示例中，所述确定与所述估测频率范围最接近的、所述函数形式的与极大值点对应的频率值的步骤包括：确定与所述估测频率范围最接近的、使Sin(w·x+x0)等于1的x值，作为所述被测信号的测量频率f0。在一示例中，所述确定所述被测信号的相位和幅度的步骤包括：执行权利要求5描述的步骤以确定在频点f0处被测信号与正弦参比信号之间的相关性R0,sin，以及在频点f0处被测信号与余弦参比信号之间的相关性R0,cos，并且计算复数R0,cos+iR0,sin的相位角和模值作为所述被测信号的相位和幅度。在一示例中，当所述被测信号是三角波信号时，所述参比信号包括参比信号R1、R2、R3和R4，参比信号R1是正斜率零起点三角波参比信号，参比信号R2是最大值起点三角波参比信号，参比信号R3是负斜率零起点三角波参比信号，参比信号R4是最小值起点三角波参比信号，所述计算所述被测信号与多个预定相位的参比信号之间的相关性的步骤包括：根据下面的公式1计算被测信号与参比信号之间的相关性Ri，其中Sk和Sref，k分别是被测信号和参比信号在第k个采样点处的值，N是总采样数；将参比信号R1、R2、R3和R4的相关性值Ri分别记为CF1、CF2、CF3和CF4，以复数(CF1+CF3)+i(CF2+CF4)的相位角作为粗测相位Φmeas；利用多点立方插值法根据下面的公式6-10来拟合粗测相位Φmeas与补偿相位ΔΦ之间的函数关系，其中x是三角波被测信号的一个周期内信号上升时间占信号周期的比值，且x的值在0与0.5之间，Xmid、Xmin、Ymin、Xmax和Ymax是粗测相位Φmeas与补偿相位ΔΦ之间的函数关系的在0至180度范围内的5个特征点P1(0,0)、P2(Xmin，Ymin)、P3(Xmid，0)、P4(Xmax，Ymax)和P5(180,0)的相关坐标值；Xmid＝90+0.5/x(公式6)Xmin＝6.6+500x-1130.48x2(公式7)Ymin＝-78×exp(-x/0.079)(公式8)Xmax＝(90.5/x-180x-91)/(0.5/x-2x)(公式9)Ymax＝79.6-126.95×sqrt(x)(公式10)基于所拟合的粗测相位Φmeas与补偿相位ΔΦ之间的函数关系确定精确相位ΦTrue＝Φmeas-ΔΦ；以及根据公式1计算被测信号与相位为ΦTrue的三角波参比信号之间的相关性Ri，作为所述被测信号的幅度值Ai。在一示例中，所述拟合所述被测信号的幅度频谱的函数形式的步骤包括：将各个频点的值fi和对应的幅度值Ai分别作为x和y代入下面的公式11，通过拟合来确定公式11中的参数a、b和c的值，y＝ax2+bx+c(公式11)。在一示例中，所述确定与所述估测频率范围最接近的、所述函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频率测量方法，包括：接收被测信号；估测所述被测信号的频率范围，并且在所述频率范围内确定多个频点；在所述多个频点中的每个频点处，计算所述被测信号与多个预定相位的参比信号之间的相关性，以确定所述被测信号的幅度值；基于所述多个频点的值以及与其对应的所述被测信号的幅度值，拟合所述被测信号的幅度频谱的函数形式；以及确定与所述估测频率范围最接近的、所述函数形式的与极大值点对应的频率值，作为所述被测信号的测量频率。

【技术特征摘要】
1.一种频率测量方法，包括：接收被测信号；估测所述被测信号的频率范围，并且在所述频率范围内确定多个频点；在所述多个频点中的每个频点处，计算所述被测信号与多个预定相位的参比信号之间的相关性，以确定所述被测信号的幅度值；基于所述多个频点的值以及与其对应的所述被测信号的幅度值，拟合所述被测信号的幅度频谱的函数形式；以及确定与所述估测频率范围最接近的、所述函数形式的与极大值点对应的频率值，作为所述被测信号的测量频率。2.如权利要求1所述的方法，还包括：在所述被测信号的测量频率处，计算所述被测信号与所述参比信号之间的相关性，以确定所述被测信号的相位和幅度。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述参比信号是具有与所述被测信号相同的模式的信号。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述被测信号是正弦信号，所述多个频点包括至少4个频点；或者其中，所述被测信号是三角波信号或方波信号，所述多个频点包括至少3个频点。5.如权利要求2所述的方法，其中，所述被测信号是正弦信号，所述计算所述被测信号与多个预定相位的参比信号之间的相关性的步骤包括：分别根据下面的公式2和3计算所述被测信号与正弦参比信号和余弦参比信号的相关性，其中Ri,sin是在频点fi处被测信号与正弦参比信号之间的相关性，Ri,cos是在频点fi处被测信号与余弦参比信号之间的相关性，m是所采样的被测信号和参比信号的周期数，N是在m个周期内被测信号和参比信号的采样数，Sk是被测信号在第k个采样点处的值，Sin(2πmk/N)表示正弦参比信号在第k个采样点处的值，Cos(2πmk/N)表示余弦参比信号在第k个采样点处的值；以及根据下面的公式4计算每个频点fi处被测信号的幅度值Ai，6.如权利要求5所述的方法，其中，所述拟合所述被测信号的幅度频谱的函数形式的步骤包括：将各个频点的值fi和对应的幅度值Ai分别作为x和y代入下面的公式5，通过拟合来确定公式4中的参数A、w、x0和y0的值，y＝A×Sin(w·x+x0)+y0(公式5)。7.如权利要求6所述的方法，其中，所述确定与所述估测频率范围最接近的、所述函数形式的与极大值点对应的频率值的步骤包括：确定与所述估测频率范围最接近的、使Sin(w·x+x0)等于1的x值，作为所述被测信号的测量频率f0，且其中，所述确定所述被测信号的相位和幅度的步骤包括：执行权利要求5描述的步骤以确定在频点f0处被测信号与正弦参比信号之间的相关性R0,sin，以及在频点f0处被测信号与余弦参比信号之间的相关性R0,cos，并且计算复数R0,cos+iR0,sin的相位角和模值作为所述被测信号的相位和幅度。8.如权利要求2所述的方法，其中，所述被测信号是三角波信号，所述参比信号包括参比信号R1、R2、R3和R4，参比信号R1是正斜率零起点三角波参比信号，参比信号R2是最大值起点三角波参比信号，参比信号R3是负斜率零起点三角波参比信号，参比信号R4是最小值起点三角波参比信号，所述计算所述被测信号与多个预定相位的参比信号之间的相关性的步骤包括：根据下面的公式1计算被测信号与参比信号之间的相关性Ri，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆俊，代小收，熊春生，
申请(专利权)人：北京研创达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11