CN102361452A - 多通道频分信号快速检测装置与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道频分信号快速检测装置与控制方法，微处理器产生预设频率数字信号并按设定的速率由Pz口输出，多通道数模转换器接收并转换为模拟信号用来调制多个被测信号；探测器接收调制后多个被测信号并转换为被测模拟信号；预放大器进行放大并输入到模数转换器，将放大的被测模拟信号转换成数字信号，经由Px口输入到微处理器；根据数字信号的幅值通过Py口控制预放大器的增益；对数字信号进行解调，分离出数字信号中携带的多个被测信号。微处理器控制模数转换器以预设频率最小公倍数的4M倍速度对被测模拟信号进行采样，将采样频率依次下抽样为预设频率的四倍，并计算每次下抽样后对应预设频率数字信号的幅值A和相角θ。

Description

多通道频分信号快速检测装置与控制方法

技术领域

本发明涉及一种多通道频分信号快速检测装置与控制方法。

背景技术

随着技术的发展，测量有用信息需更全面、更准确、更快速，多通道信号的同步检测逐渐成为一种需求。多通道频分复用的调制解调技术能够很好地解决这类问题，已广泛应用于无线电和仪器测量***中。调制方式一般为调幅，解调通常采用锁相解调技术。锁相解调技术通过正交同步解调实现鉴幅和鉴相的目的。模拟锁相解调由于存在温度漂移、噪声大、电路复杂、工艺要求高和***升级能力差等缺点，而采用现代数字处理技术的数字锁相解调克服了以上模拟技术的缺点，且可以灵活控制***中的各种参数，通过软件算法升级来提高***的性能。

王自鑫等提出的发明专利《一种数字锁相放大器》(公开号：CN101060311，公开日：2007年10月24日)采用数字电路给出参考信号，显著地提高了电路的抗干扰性能。

发明人在实现本发明的过程中发现，传统数字锁相技术应用到多通道频分信号解调中至少存在以下缺点和不足：

多通道信号调制解调中控制复杂、计算量大、完成计算的时间长以及严重地限制了信号检测的速度和被检测信号频率的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种多通道频分信号快速检测装置与控制方法，该检测装置与控制方法解决了多通道信号调制解调中控制复杂、计算量大、完成计算的时间长、严重地限制了信号检测的速度和被检测信号频率的问题，详见下文描述：

本发明提供了一种多通道频分信号快速检测装置，所述多通道频分信号快速检测装置包括：多通道数模转换器、探测器、预放大器、模数转换器和微处理器，所述微处理器包括：Px口、Py口和Pz口；

所述微处理器产生预设频率数字信号，并将所述预设频率数字信号按设定的速率由所述Pz口输出，所述多通道数模转换器接收所述预设频率数字信号并转换为模拟信号用来调制多个被测信号；所述探测器接收调制后多个被测信号并转换为被测模拟信号；所述预放大器对所述被测模拟信号进行放大并输入到所述模数转换器；所述模数转换器将放大的被测模拟信号转换成数字信号，经由所述Px口输入到所述微处理器；所述微处理器根据数字信号的幅值通过所述Py口控制所述预放大器的增益；所述微处理器对所述数字信号进行解调，分离出所述数字信号中携带的所述多个被测信号。

所述微处理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。本发明提供了一种多通道频分信号快速检测控制方法，所述方法包括以下步骤：

(1)微处理器产生预设频率数字信号，并将所述预设频率数字信号按设定的速率经由Pz口输出，多通道数模转换器接收预设频率数字信号并转换为多通道预设频率f₁、f₂、…、f_m的模拟信号用来调制多个被测信号；

(2)探测器接收调制后所述多个被测信号并转换为被测模拟信号；

(3)预放大器对所述被测模拟信号进行放大并输入到模数转换器；

(4)所述模数转换器将放大的被测模拟信号转换成数字信号，经由Px口输入到所述微处理器；

(5)所述微处理器根据数字信号的幅值通过Py口控制所述预放大器的增益；

(6)所述微处理器控制所述模数转换器以预设频率f₁、f₂、…、f_m最小公倍数C的4M倍速度f_s＝4M×C对所述被测模拟信号进行采样，获取采样信号x(n)，其中M为大于等于1的正整数；

(7)所述微处理器将采样频率f_s＝4M×C依次下抽样为预设频率f₁、f₂…、f_m的四倍；

(8)根据每次下抽样后的采样频率和所述微处理器产生的相对应的正交参考序列y_S(n)和y_C(n)，计算对应预设频率数字信号上的两个正交分量R_S和R_C；

$R_S=\frac{1}{Q}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}[x(4n+1)-x(4n+3)];$

$R_C=\frac{1}{Q}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}[x\left(4n\right)-x(4n+2)];$

(9)根据所述正交分量R_S和R_C，通过计算获取所述对应预设频率数字信号的幅值A和相角θ，

$A=2\mathrm{\β}\sqrt{R_S^2+R_C^2};$ $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{R_C}{R_S}\right),$ β为下抽样而取的某个常数值。

本发明提供的多通道频分信号快速检测装置与控制方法，与现有技术相比具有如下的优点：

本发明最大限度地实现了多通道频分信号快速数字锁相解调，通过微处理器同步控制数模以及模数转换器实现预设调制频率与采样频率的一致性，因而可实现高精度测量，且电路结构简单、减少了模拟乘法器、积分器等电路器件，电路工艺要求低、调试容易、可靠性高，***控制方便，全部的解调计算仅用软件(数字)实现，而且仅需要极少量的加(减)法，因而计算速度极快，对微处理器的硬件要求极低，计算的时间较短、减少了数字锁相检测的速度和被检测信号的频率限制。

附图说明

图1为本发明提供的多通道频分信号快速检测装置的结构示意图；

图2为本发明提供的多通道频分信号快速检测控制方法的流程图。

附图中各标号所代表的部件列表如下：

1：多通道数模转换器        2：探测器

3：预放大器；              4：模数转换器；

5：微处理器；              Px：I/O口；

Py：I/O口；                Pz：I/O口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

假设需要检测的模拟信号为：

其中，DC为直流分量，u(t)为噪声，A_k(t)为不同通道上的被测信号，f_k为预设频率模拟信号，

为对应预设频率模拟信号的初始相角，m为通道个数。按照采样频率f_s＝4M×C进行采样，其中，C为预设频率f₁、f₂、…、f_m的最小公倍数，M≥1。某一预设频率的采样周期数为N_k，总的采样点数Q，得到的采样信号x(n)为：

n＝0，1，2，......，Q-1         (2)

数字锁相解调时对应某一预设频率的参考序列由微处理器5根据采样频率产生，正交参考序列y_S(n)和y_C(n)分别为：

y_S(n)＝sin(2πf_Cn/f_S)n＝0，1，2，......，Q-1            (3)

y_C(n)＝cos(2πf_Cn/f_S)n＝0，1，2，......，Q-1            (4)

采集得到信号x(n)分别与y_S(n)和y_C(n)的互相关表达式为：

(5)

(6)

n＝0，1，2，......，Q-1

参考信号的频率对应于某一预设频率f_c＝f_k，因此，低通滤波处理之后得出：

从而计算出这一预设频率上的有用信号的幅值和相角分别为：

$A_k=2\sqrt{{R_S}^2+{R_C}^2};$

由(5)、(6)式可知，对于所有通道上的信号采样点均为Q点，而对于各个通道上信号每个周期中采样f_s/f_k＝4MC/f_k个点、共采样N_k个周期的数据。每个通道上进行正交数字锁相运算需要2Q次乘法和2(Q-1)次加法。数字锁相运算中，采集频率f_s＝4×f_k，一个被测信号周期内仅仅有四个采样点，由(3)和(4)式知，对任何n值，y_S(n)和y_C(n)的值只有0、-1和1三种。因而，可以利用这一特点去简化计算R_S和R_C的值。对于N_k个被测信号周期的采样数据，由(5)和(6)式得出：

$R_S=\frac{1}{Q}\underset{k=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\·y_S\left(n\right)=\frac{1}{Q}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}[x(4n+1)-x(4n+3)]---\left(7\right)$

$R_C=\frac{1}{Q}\underset{k=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\·y_C\left(n\right)=\frac{1}{Q}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}[x\left(4n\right)-x(4n+2)]---\left(8\right)$

由(7)和(8)式所知，与经典计算相比减少了(全部的)8N_k次乘法运算和(约占一半的)4N_k次加(减)法运算。为了避免被测信号中存在的高频分量导致频率混叠效应，可以进一步提高采集信号频率f_s＝4M×f_k。然后将采样频率下抽样M倍到4×f_k，再用(7)和(8)式进行计算，结果中的幅值根据下采样倍数乘以一个常数的修正因子可以得到正确的结果，结果中的相位不需要修正。

然而，对于多个通道频分信号的叠加，采样频率不能够仅仅满足对应于某一个通道设定频率的四倍或是四的整数倍，而应相对于所有通道都能够满足这样条件才能够最大限度的实现信号解调的简化。采样频率需满足以下条件：f_s/f₁＝4n₁、f_s/f₂＝4n₂、…、f_s/f_m＝4n_m，且n₁、n₂、…、n_m为正整数。因此，设定采样频率f_s＝4M×C，其中，C为预设频率f₁、f₂、…、f_m的最小公倍数，M≥1。在该采样频率下，解调某一设定频率f_k上的信号时，先采用下抽样技术将采样频率减小为该载波信号的四倍，再利用简化的算法实现被测信号的解调。

一种多通道频分信号快速检测装置，参见图1，该多通道频分信号快速检测装置包括：多通道数模转换器1、探测器2、预放大器3、模数转换器4和微处理器5，微处理器5包括：Px口、Py口和Pz口；

微处理器5产生预设频率数字信号，并将预设频率数字信号按设定的速率由Pz口输出，多通道数模转换器1接收预设频率数字信号并转换为模拟信号用来调制多个被测信号；探测器2接收调制后多个被测信号并转换为被测模拟信号；预放大器3对被测模拟信号进行放大并输入到模数转换器4；模数转换器4将放大的被测模拟信号转换成数字信号，经由Px口输入到微处理器5；微处理器5根据数字信号的幅值通过Py口控制预放大器3的增益；微处理器5对数字信号进行解调，分离出数字信号中携带的多个被测信号。

其中，微处理器5采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。

本发明实施例提供了一种多通道频分信号快速检测控制方法，该方法包括以下步骤：

101：微处理器5产生预设频率数字信号，并将预设频率数字信号按设定的速率经由Pz口输出，多通道数模转换器1接收预设频率数字信号并转换为多通道预设频率f₁、f₂、…、f_m的模拟信号用来调制多个被测信号；

102：探测器2接收调制后多个被测信号并转换为被测模拟信号；

103：预放大器3的信号输入端接转换后的被测模拟信号，预放大器3对被测模拟信号进行放大并输入到模数转换器4；

104：模数转换器4将放大的被测模拟信号转换成数字信号，经由Px口输入到微处理器5；

105：微处理器5根据数字信号的幅值通过Py口控制预放大器3的增益；

其中，通过该步骤使得预放大器3输出的放大的被测模拟信号的幅值在预设范围内，不超出但接近模数转换器4的输入范围，处于合适水平。其中，预设范围根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

106：微处理器5控制模数转换器4以预设频率f₁、f₂、…、f_m最小公倍数C的4M倍速度f_s＝4M×C对被测模拟信号进行采样，获取采样信号x(n)，其中M为大于等于1的正整数；

107：微处理器5将采样频率f_s＝4M×C依次下抽样为预设频率f₁、f₂、…、f_m的四倍；

108：根据每次下抽样后的采样频率和微处理5产生的相对应的正交参考序列y_S(n)和y_C(n)，计算对应预设频率数字信号上的两个正交分量R_S和R_C；

正交分量通过低通滤波保留某一预设频率上携带的被测信号；其中，根据每次下抽样后的采样频率和微处理器产生的相对应的正交参考序列y_s(n)和y_c(n)，下抽样后的采样频率为某一预设频率的四倍，正交参考序列简化为{0，1，0，-1，0，1，0，-1，……}和{1，0，-1，0，1，0，-1，0，……}，只包括0、-1和1，为此正交分量R_S和R_C可以简化为：

$R_S=\frac{1}{Q}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}[x(4n+1)-x(4n+3)];$

$R_C=\frac{1}{Q}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}[x\left(4n\right)-x(4n+2)];$

109：根据正交分量R_S和R_C通过计算获取对应预设频率数字信号的幅值A和相角θ。

其中，

β为下抽样而取的某个常数值，具体的常数值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

综上所述，本发明实施例提供了一种多通道频分信号快速检测装置和控制方法，本发明实施例最大限度地实现了多通道频分信号快速数字锁相解调，通过微处理器同步控制数模以及模数转换器实现预设调制频率与采样频率的一致性，因而可实现高精度测量，且电路结构简单、减少了模拟乘法器、积分器等电路器件，电路工艺要求低、调试容易、可靠性高，***控制方便，全部的解调计算仅用软件(数字)实现，而且仅需要极少量的加(减)法，因而计算速度极快，对微处理器的硬件要求极低，计算的时间较短、避免了数字锁相检测的速度和被检测信号的频率限制。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多通道频分信号快速检测装置，其特征在于，所述多通道频分信号快速检测装置包括：多通道数模转换器、探测器、预放大器、模数转换器和微处理器，所述微处理器包括：Px口、Py口和Pz口；

所述微处理器产生预设频率数字信号，并将所述预设频率数字信号按设定的速率由所述Pz口输出，所述多通道数模转换器接收所述预设频率数字信号并转换为模拟信号用来调制多个被测信号；所述探测器接收调制后多个被测信号并转换为被测模拟信号；所述预放大器对所述被测模拟信号进行放大并输入到所述模数转换器；所述模数转换器将放大的被测模拟信号转换成数字信号，经由所述Px口输入到所述微处理器；所述微处理器根据数字信号的幅值通过所述Py口控制所述预放大器的增益；所述微处理器对所述数字信号进行解调，分离出所述数字信号中携带的所述多个被测信号。

2.根据权利要求1所述的一种多通道频分信号快速检测装置，其特征在于，所述微处理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。

3.一种用于权利要求1所述的一种多通道频分信号快速检测装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)微处理器产生预设频率数字信号，并将所述预设频率数字信号按设定的速率经由Pz口输出，多通道数模转换器接收预设频率数字信号并转换为多通道预设频率f₁、f₂、…、f_m的模拟信号用来调制多个被测信号；

(2)探测器接收调制后所述多个被测信号并转换为被测模拟信号；

(3)预放大器对所述被测模拟信号进行放大并输入到模数转换器；

(4)所述模数转换器将放大的被测模拟信号转换成数字信号，经由Px口输入到所述微处理器；

(5)所述微处理器根据数字信号的幅值通过Py口控制所述预放大器的增益；

(6)所述微处理器控制所述模数转换器以预设频率f₁、f₂、…、f_m最小公倍数C的4M倍速度f_s＝4M×C对所述被测模拟信号进行采样，获取采样信号x(n)，其中M为大于等于1的正整数；

(7)所述微处理器将采样频率f_s＝4M×C依次下抽样为预设频率f₁、f₂、…、f_m的四倍；

(8)根据每次下抽样后的采样频率和所述微处理器产生的相对应的正交参考序列y_S(n)和y_C(n)，计算对应预设频率数字信号上的两个正交分量R_S和R_C；

$R_S=\frac{1}{Q}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}[x(4n+1)-x(4n+3)];$

$R_C=\frac{1}{Q}\underset{n=0}{\overset{N_k-1}{\mathrm{\Σ}}}[x\left(4n\right)-x(4n+2)];$

(9)根据所述正交分量R_S和R_C，通过计算获取所述对应预设频率数字信号的幅值A和相角θ，

$A=2\mathrm{\β}\sqrt{R_S^2+R_C^2};$ $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{R_C}{R_S}\right),$ β为下抽样而取的某个常数值。

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