CN106483376A - 一种无盲区数字相位计算法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可以高精度自适应信号频率的无盲区数字相位计算法及装置。其中包括：低通模拟滤波器、AD转换器、相位测量算法电路及信号输出通信模块。通过相位反馈跟踪模块和信号强度测量模块，可以自动适应信号频率，以实现适应和优化载波调制频率的功能；采用反正弦模块和反余弦模块并行独立地进行相位计算，借助反正弦算法在0度时收敛性好，反余弦算法在90度时收敛性好的特点，以实现正负90度相位范围内高精度、高效率的无盲区相位测量。本发明可广泛用于高精度无盲区的相位差测量。

Description

一种无盲区数字相位计算法及装置

技术领域

本发明涉及一种应用于工业自动化、三维激光扫描、通讯、光学储存、导航定位，航天器定轨、雷达信号处理、天文观测等领域中的相位计，尤其是一种高效无盲区相位计算法及装置。

背景技术

随着科学技术的发展，作为一种常用的信号检测技术一相位差测量技术已成为现代科学研究不可或缺的一部分。通过检测相位信息，相位计在光学、无线电测量、微波、光纤通讯、新一代光学储存、卫星导航定位、航天器定轨、雷达波束合成、信号处理、天文观测等领域具有重要的应用。

我国于60年代开始对相位计进行研究，至今虽然陆续出现了一些不错的相位计算法和产品，但是仍存在各种不足之处，局限了相位计的应用领域。

以专利《基于锁相环技术测量信号间相位计差的数字相位计及其方法》(专利号：201310145977.8)为例，其在相位计算法中，未引入幅值测量算法，因而无法获得待测信号和本地振荡器的幅值，只能利用反正切函数即反正切运算来反算相位，并且只能获得一个相位数据；

同时反正切函数在正负90度附近时因为收敛性差，无论是直接运算还是查表，都不能精确、高效地获得相位值。

而且，该算法采用反正切相位反算的算法，这种算法受到反正切函数在90度相位附近收敛性差的影响，难以保证在90度附近的相位测量精度，无法实现高速度的信息处理需求，存在测量盲区。

例如在被动声学测量阵列过程中，不仅需要测量声波的相位信息，还需要测量声波的强度信息，而该专利《基于锁相环技术测量信号间相位计差的数字相位计及其方法》(专利号：201310145977.8)，不具备信号强度测量功能，无法应用于该领域。

在相位计的应用领域中，如果相位计具有信号频率自动适应能力，将在很大程度上提高激光、微波测距等测量范围和精度，通过一定的判断算法，还可以实现优化载波调制频率的功能，以达到最佳的测量性能；如果可以在正负90度范围能实现均衡的相位测量精度和效率，将可以使雷达等达到无盲区的精确高效的探测能力。

发明内容

本发明专利，公开提供一种可以高精度、高速度、多功能、自适应信号频率的无盲区数字相位计算法及装置。

针对当前相位计及算法存在的缺陷，不仅解决了专利《基于锁相环技术测量信号间相位计差的数字相位计及其方法》(专利号：201310145977.8)在正负90度附近时因为收敛性差，存在测量盲区的问题。同时实现了相位计信号频率自动适应能力和在正负90度范围内实现高精度的、无盲区的均衡相位测量的功能，具体的解决方案如下：

通过加入相位反馈跟踪模块和信号强度测量模块，可以自动适应信号频率，以实现适应和优化载波调制频率的功能；采用反正弦模块和反余弦模块并行独立地进行相位计算，借助反正弦算法在0度时收敛性好，反余弦算法在90度时收敛性好的特点，以实现正负90度相位范围内高精度、高效率的无盲区相位测量。

其中包括：低通模拟滤波器、AD转换器、相位测量算法电路及信号输出通信模块。

所述低通模拟滤波器与所述的AD转换器相连，用于将待测信号的高频噪声滤除，以提高待测信号的信噪比，得到待测模拟信号，发送至AD转换器；

所述AD转换器与所述相位测量算法电路相连，用于将待测模拟信号转化成待测数字信号；

所述相位测量算法电路用于测量所述待测数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与待测数字信号混频、滤波产生直流信号，再经反正弦和反余弦运算得到待测信号与正交信号的相位差Δφ。以及将相位差Δφ发送至所述的信号输出通信模块；

所述数字相位计还包括信号输出通信模块，所述的信号输出通信模块与相位测量算法电路相连，用于将相位测量算法电路得到的待测信号与正交信号的相位差发送至计算机或其它设备。

优选地，所述数字相位计还具有以下特点：

所述相位测量算法电路包括频率计、本地振荡器、第一乘法器、第二乘法器、幅值运算器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一除法器、第二除法器、反正弦运算器、反余弦运算器、频率反馈控制器、第一累加器和第二累加器。其中频率计与本地振荡器相连，本地振荡器分别与第一乘法器、第二乘法器和频率反馈控制器相连，第一乘法器、第一低通滤波器、第一除法器、反余弦运算器和第一累加器依次相连，第二乘法器、第二低通滤波器、第二除法器、反正弦运算器和第二累加器依次相连，反正弦运算器与频率反馈控制器相连。

所述频率计用于对AD转换器发送的待测数字信号进行测量，得到待测数字信号的初始频率，并将所述初始频率反馈至本地振荡器；

所述本地振荡器用于根据所述初始频率产生正交的正弦和余弦信号，将所述的余弦信号发送至第一乘法器，将所述的正弦信号发送至第二乘法器；

所述的第一乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第一低通滤波器及幅值运算器；

所述的第二乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第二低通滤波器；

所述幅值运算器用于计算所述第一乘法器发送的信号的幅值信号，分别发送至第一除法器和第二除法器；

所述第一低通滤波器用于将第一乘法器发送的信号滤波为第一直流信号，并发送至第一除法器；

所述第二低通滤波器用于将第二乘法器发送的信号滤波为第二直流信号，并发送至第二除法器；

所述第一除法器用于将所述第一直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反余弦运算器；

所述第二除法器用于将所述第二直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反正弦运算器；

所述反余弦运算器用于将第一除法器发送的信号进行反余弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号发送至第一累加器；

所述反正弦运算器用于将第二除法器发送的信号进行反正弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号分别发送至第二累加器及频率反馈控制器；

所述频率反馈控制器用于将反正弦运算器发送的相位差信号计算成频率差信号，反馈控制本地振荡器与待测信号实现相位与频率同步，使本地振荡器跟随待测信号变化；

所述第一累加器用于将反余弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

所述第二累加器用于将反正弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

优选地，所述方法还包括：

信号输出通信模块将相位测量运算电路得到的待测信号与本地振荡器生成的正交信号的相位差发送至计算机及其他设备。

优选地，所述方法还包括以下特点：

所述相位测量运算电路包括频率计、本地振荡器、第一乘法器、第二乘法器、幅值运算器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一除法器、第二除法器、反正弦运算器、反余弦运算器、频率反馈控制器、第一累加器和第二累加器；

所述相位测量运算电路测量所述待测数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与待测数字信号混频、滤波为直流信号，再经反正弦和反余弦运算得到待测信号与本地振荡器产生的正交信号的相位差Δφ的步骤包括：

所述频率计用于对AD转换器发送的待测数字信号进行测量，得到待测数字信号的初始频率，并将所述初始频率反馈至本地振荡器；

所述本地振荡器用于根据所述初始频率产生正交的正弦和余弦信号，将所述的余弦信号发送至第一乘法器，将所述的正弦信号发送至第二乘法器；

所述的第一乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第一低通滤波器及幅值运算器；

所述的第二乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第二低通滤波器；

所述幅值运算器用于计算所述第一乘法器发送的信号的幅值信号，分别发送至第一除法器和第二除法器；

所述第一低通滤波器用于将第一乘法器发送的信号滤波为第一直流信号，并发送至第一除法器；所述第一除法器用于将所述第一直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反余弦运算器；

所述第二低通滤波器用于将第二乘法器发送的信号滤波为第二直流信号，并发送至第二除法器；所述第二除法器用于将所述第二直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反正弦运算器；

所述反余弦运算器用于将第一除法器发送的信号进行反余弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号发送至第一累加器；

所述反正弦运算器用于将第二除法器发送的信号进行反正弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号分别发送至第二累加器及频率反馈控制器；

所述频率反馈控制器用于将反正弦运算器发送的相位差信号计算成频率差信号，反馈控制本地振荡器与待测信号实现相位与频率同步，使本地振荡器跟随待测信号变化；

所述第一累加器用于将反余弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

所述第二累加器用于将反正弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

本发明可广泛用于测量信号的相位及相位变化，并具有高效无盲区的特点。本发明是基于FPGA的高精度相位计设计，除前段信号调理电路及AD转换器外，所有运算均在FPGA内部完成。FPGA具有并行处理的优势，所以在高速数字处理方面具有不可比拟的优势。

附图说明：

图1是高效无盲区相位计及算法示意图。

图2是相位测量算法电路示意图。

具体实施方式

下面对高效无盲区相位计及算法的实施方式进行详细说明：

如图1所示，本发明实例的高效无盲区数字相位计，包括：低通模拟滤波器、AD转换器、相位测量算法电路及信号输出通信模块。其中，

所述低通模拟滤波器与所述的AD转换器相连，用于将待测信号Acos(Δωt+Δφ)的高频噪声滤除以提高待测信号的信噪比，得到待测模拟信号，发送至AD转换器；

所述AD转换器与所述相位测量算法电路相连，用于将待测模拟信号转化成待测数字信号；

所述相位测量算法电路用于测量所述待测数字信号的初始频率Δω，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与待测数字信号混频、滤波产生直流信号，再经反正弦和反余弦运算得到待测信号与正交信号的相位差Δφ。以及将相位差Δφ发送至所述的信号输出通信模块；所述数字相位计还包括信号输出通信模块，所述的信号输出通信模块与相位测量算法电路相连，用于将相位测量算法电路得到的待测信号与正交信号的相位差发送至计算机或其他设备。

如图2所示所述相位测量算法电路包括频率计、本地振荡器、第一乘法器、第二乘法器、幅值运算器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一除法器、第二除法器、反正弦运算器、反余弦运算器、频率反馈控制器、第一累加器和第二累加器。其中频率计与本地振荡器相连，本地振荡器分别与第一乘法器、第二乘法器和频率反馈控制器相连，第一乘法器、第一低通滤波器、第一除法器、反余弦运算器和第一累加器依次相连，第二乘法器、第二低通滤波器、第二除法器、反正弦运算器和第二累加器依次相连，反正弦运算器与频率反馈控制器相连。所述频率计用于对AD转换器发送的待测数字信号Acos(Δωt+Δφ)进行测量，得到待测数字信号的初始频率Δω，并将所述初始频率Δω反馈至本地振荡器；

所述本地振荡器用于根据所述初始频率Δω产生正交的正弦信号Bsin(Δωt)和余弦信号Bcos(Δωt)，将所述的余弦信号Bcos(Δωt)发送至第一乘法器，将所述的正弦信号Bsin(Δωt)发送至第二乘法器；

所述的第一乘法器用于将所述余弦信号Bcos(Δωt)与AD转换器发送的待测数字信号Acos(Δωt+Δφ)相乘得到并发送至第一低通滤波器及幅值运算器；

所述的第二乘法器用于将所述正弦信号Bsin(Δωt)与AD转换器发送的待测数字信号Acos(Δωt+Δφ)相乘得到并发送至第二低通滤波器；

所述幅值运算器用于计算所述第一乘法器发送的信号：的幅值信号分别发送至第一除法器和第二除法器；

所述第一低通滤波器用于将第一乘法器发送的信号滤波为第一直流信号并发送至第一除法器；

所述第二低通滤波器用于将第二乘法器发送的信号滤波为第二直流信号并发送至第二除法器；

所述第一除法器用于将所述第一直流信号与所述幅值信号相除得cos(Δφ)，并发送至反余弦运算器；

所述第二除法器用于将所述第二直流信号与所述幅值信号相除得sin(Δφ)，并发送至反正弦运算器；

所述反余弦运算器用于将第一除法器发送的信号cos(Δφ)进行反余弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号发送至第一累加器；

所述反正弦运算器用于将第二除法器发送的信号sin(Δφ)进行反正弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号分别发送至第二累加器及频率反馈控制器；

所述频率反馈控制器用于将反正弦运算器发送的相位差信号Δφ计算成频率差信号，反馈控制本地振荡器与待测信号实现相位与频率同步，使本地振荡器跟随待测信号变化；

所述第一累加器用于将反余弦运算器发送的信号Δφ进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

所述第二累加器用于将反正弦运算器发送的信号Δφ进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出：

在一个应用实例中：

模拟低通滤波器为mini circuits公司生产的LFCN-2.5+无源低通滤波器，截止频率为2.5MHz。

AD转换器是Analog Devices公司生产的AD9643，采样频率170MSPS，精度为14位。

相位测量运算电路为FPGA主板，采用的是较为成熟的Xilinx公司生产的KC705，FPGA芯片为Xilinx公司生产的XC7K325T-2FFG900C。

信号输出通信模块采用Xilinx公司生产的usb-uart模块，与计算机之间进行数据通讯。相应地，本发明实例实施的高效无盲区数字相位计及算法，包括：

步骤1，低通模拟滤波器将待测信号的高频噪声滤除以提高待测信号的信噪比，得到待测模拟信号，发送至AD转换器；

步骤2，AD将待测模拟信号转化成待测数字信号；

步骤3，相位测量算法电路测量所述待测数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与待测数字信号混频、滤波产生直流信号，再经反正弦和反余弦运算得到待测信号与正交信号的相位差Δφ，再将相位差Δφ发送至所述的信号输出通信模块。其中步骤3具体包括：

3.1所述频率计用于对AD转换器发送的待测数字信号进行测量，得到待测数字信号的初始频率，并将所述初始频率反馈至本地振荡器；

3.2所述本地振荡器用于根据所述初始频率产生正交的正弦和余弦信号，将所述的余弦信号发送至第一乘法器，将所述的正弦信号发送至第二乘法器；

3.3所述的第一乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第一低通滤波器及幅值运算器；

3.4所述的第二乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第二低通滤波器；

3.5所述幅值运算器用于计算所述第一乘法器发送的信号的幅值信号，分别发送至第一除法器和第二除法器；

3.6所述第一低通滤波器用于将第一乘法器发送的信号滤波为第一直流信号，并发送至第一除法器；所述第一除法器用于将所述第一直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反余弦运算器；

3.7所述第二低通滤波器用于将第二乘法器发送的信号滤波为第二直流信号，并发送至第二除法器；所述第二除法器用于将所述第二直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反正弦运算器；

3.8所述反余弦运算器用于将第一除法器发送的信号进行反余弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号发送至第一累加器；

3.9所述反正弦运算器用于将第二除法器发送的信号进行反正弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号分别发送至第二累加器及频率反馈控制器；

3.10所述频率反馈控制器用于将反正弦运算器发送的相位差信号计算成频率差信号，反馈控制本地振荡器与待测信号实现相位与频率同步，使本地振荡器跟随待测信号变化；

3.11所述第一累加器用于将反余弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

3.12所述第二累加器用于将反正弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

其中3.3和3.4并行进行，3.5、3.6和3.7并行进行，3.8、3.9和3.10并行进行，3.11和3.12并行进行。

另外，步骤3后本实例还包括：

步骤4，信号输出通信模块将待测信号与本地振荡器的正交信号的相位差发送至计算机及其他设备。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无盲区数字相位计装置，其特征在于包括低通模拟滤波器、AD转换器、相位测量算法电路及信号输出通信模块；

其中，所述低通模拟滤波器与所述的AD转换器相连，用于将待测信号的高频噪声滤除，以提高待测信号的信噪比，得到待测模拟信号，发送至AD转换器；

所述AD转换器与所述相位测量算法电路相连，用于将待测模拟信号转化成待测数字信号；

所述相位测量算法电路用于测量所述待测数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与待测数字信号混频、滤波产生直流信号，再经反正弦和反余弦运算得到待测信号与正交信号的相位差Δφ，以及将相位差Δφ发送至所述的信号输出通信模块；

所述数字相位计装置还包括信号输出通信模块，所述的信号输出通信模块与相位测量算法电路相连，用于将相位测量算法电路得到的待测信号与正交信号的相位差发送至计算机或其它设备。

2.根据权利要求1所述的一种无盲区数字相位计装置，其特征在于：

所述相位测量算法电路包括频率计、本地振荡器、第一乘法器、第二乘法器、幅值运算器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一除法器、第二除法器、反正弦运算器、反余弦运算器、频率反馈控制器、第一累加器和第二累加器；其中频率计与本地振荡器相连，本地振荡器分别与第一乘法器、第二乘法器和频率反馈控制器相连，第一乘法器、第一低通滤波器、第一除法器、反余弦运算器和第一累加器依次相连，第二乘法器、第二低通滤波器、第二除法器、反正弦运算器和第二累加器依次相连，反正弦运算器与频率反馈控制器相连；

所述频率计用于对AD转换器发送的待测数字信号进行测量，得到待测数字信号的初始频率，并将所述初始频率反馈至本地振荡器；

所述本地振荡器用于根据所述初始频率产生正交的正弦和余弦信号，将所述的余弦信号发送至第一乘法器，将所述的正弦信号发送至第二乘法器；

所述的第一乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第一低通滤波器及幅值运算器；

所述的第二乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第二低通滤波器；

所述幅值运算器用于计算所述第一乘法器发送的信号的幅值信号，分别发送至第一除法器和第二除法器；

所述第一低通滤波器用于将第一乘法器发送的信号滤波为第一直流信号，并发送至第一除法器；

所述第二低通滤波器用于将第二乘法器发送的信号滤波为第二直流信号，并发送至第二除法器；

所述第一除法器用于将所述第一直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反余弦运算器；

所述第二除法器用于将所述第二直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反正弦运算器；

所述反余弦运算器用于将第一除法器发送的信号进行反余弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号发送至第一累加器；

所述反正弦运算器用于将第二除法器发送的信号进行反正弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号分别发送至第二累加器及频率反馈控制器；

所述频率反馈控制器用于将反正弦运算器发送的相位差信号计算成频率差信号，反馈控制本地振荡器与待测信号实现相位与频率同步，使本地振荡器跟随待测信号变化；

所述第一累加器用于将反余弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

所述第二累加器用于将反正弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出。

3.一种无盲区数字相位计算法包括信号输出通信模块将相位测量运算电路得到的待测信号与本地振荡器生成的正交信号的相位差发送至计算机及其他设备。

4.根据权利要求3所述的一种无盲区数字相位计算法其特征在于：所述相位测量运算电路测量所述待测数字信号的初始频率，根据所述初始频率产生正交信号，将所述正交信号与待测数字信号混频、滤波为直流信号，再经反正弦和反余弦运算得到待测信号与本地振荡器产生的正交信号的相位差Δφ的步骤包括：

所述频率计用于对AD转换器发送的待测数字信号进行测量，得到待测数字信号的初始频率，并将所述初始频率反馈至本地振荡器；

所述本地振荡器用于根据所述初始频率产生正交的正弦和余弦信号，将所述的余弦信号发送至第一乘法器，将所述的正弦信号发送至第二乘法器；

所述的第一乘法器用于将所述余弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第一低通滤波器及幅值运算器；

所述的第二乘法器用于将所述正弦信号与AD转换器发送的待测数字信号相乘，并发送至第二低通滤波器；

所述幅值运算器用于计算所述第一乘法器发送的信号的幅值信号，分别发送至第一除法器和第二除法器；

所述第一低通滤波器用于将第一乘法器发送的信号滤波为第一直流信号，并发送至第一除法器；所述第一除法器用于将所述第一直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反余弦运算器；

所述第二低通滤波器用于将第二乘法器发送的信号滤波为第二直流信号，并发送至第二除法器；所述第二除法器用于将所述第二直流信号与所述幅值信号相除，并发送至反正弦运算器；

所述反余弦运算器用于将第一除法器发送的信号进行反余弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号发送至第一累加器；

所述反正弦运算器用于将第二除法器发送的信号进行反正弦运算，得到待测信号与本地振荡器输出的正交信号的相位差Δφ，并将信号分别发送至第二累加器及频率反馈控制器；

所述频率反馈控制器用于将反正弦运算器发送的相位差信号计算成频率差信号，反馈控制本地振荡器与待测信号实现相位与频率同步，使本地振荡器跟随待测信号变化；

所述第一累加器用于将反余弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出；

所述第二累加器用于将反正弦运算器发送的信号进行累加，从而实时得到待测信号的时变相位信号，并输出。