CN108519511A - 一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法 - Google Patents

一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法，先利用高速比较器对被测线性调频信号进行波形整形和电平变换，再将整形及变换后的数字方波信号输入现场可编程门阵列(FPGA)中进行计算和测量；在FPGA中，利用FPGA的片内锁相环对时钟信号进行时间插值，再通过计数器对数字方波信号和参考时钟信号计数，采用最小二乘法进行参数拟合，得到基本时间片区间内被测线性调频信号的平均频率值；然后根据一系列测量得到的平均频率值，再次通过最小二乘拟合的方式得到被测线性调频信号的瞬时频率表达式，从而计算扫频速率、最大频率、最小频率等参数。

Description

一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法
技术领域
本发明属于信号处理及信号测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法。
背景技术
线性频率调制(LFM)信号，也称为线性调频信号，是当代各种类型雷达中广泛使用的一种信号体制。线性调频信号是利用三角波或锯齿波对载波进行调制，使得产生信号频率随时间周期性线性变化的调制信号。线性调频信号是一种扩频调制信号，具有较大的带宽和时宽。采用线性调频信号的雷达也可以被称为脉冲压缩雷达，在保证较高分辨率的同时具有较大的有效探测范围，因此在高度测量、距离测量和速度测量等各种场合得到了大量的应用。在采用线性调频信号的雷达及其相关设备生产、研发、测试应用场合中，需要快速的对设备发出信号的载波频率进行测量，一方面判断设备工作是否正常，另一方面则可以根据测试需要产生相应的测试激励；此外，在信号跟踪、侦测以及电子对抗等应用场合，也需要对被测信号的频率特征进行捕获和测量。
传统的线性调频信号频率特征测量和估计方法，大多数是在频域采用数字信号处理的方式进行，其原理首先是通过模数转换器将待测量的信号进行高速采样和转换，再转到频域利用诸如傅里叶变换、小波变换或希尔伯特变换等数字信号处理的方式进行频率特征参数估计。这一类处理方法精度高，但是数据量大、计算速度慢、效率低，不能满足瞬时测试激励产生、实时动态响应等对处理时间要求较短的应用场合。因此，针对特征已知以及特征未知的线性调频信号，研究如何快速准确的进行频率测量，具有极其重要的理论价值和工程应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法，基于波形时域调理、计数时间插值、区间频率测量和扫频参数的拟合，从而快速准确的获取线性调频信号特征参数的测量值。
为实现上述发明目的，本发明一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、信号整形及变换
将被测线性调频信号输入到高速比较器，高速比较器将被测线性调频信号由模拟正弦波信号变换为数字方波信号fx，但被测线性调频信号的频率在变换前后保持不变，且电平幅度满足FPGA输入电平要求；
(2)、计数时间插值
使用多个锁相环对外部晶体振荡器输入至FPGA的基本时钟信号fc进行时间插值处理，生成k路频率为mfc的时钟信号，m为倍频数；
(3)、计数与存储
使用两组计数器进行计数，其中，第一组计数器标记为信号计数器，用于对fx进行计数；另一组计数器标记为时基计数器，由k个计数器和一个k输入并行加法器组成，k个计数器分别对多个锁相环产生的k路时钟信号进行计数，加法器对k个计数器的计数值进行求和运算；
在每个fx的上升沿到来时，将信号计数器的计数值x以及时基计数器中加法器的输出值y存放到先入先出(FIFO)存储器中；
(4)、区间频率测量
设定基本时间片(BTS)的时间长度为T，将FIFO存储器中的数据按BTS时间长度读出，再使用最小二乘法对信号计数器的计数值x和时基计数器中加法器的输出值y进行拟合，得到直线方程y＝sx+e，其中s为直线的斜率，e表示计数误差；fx在BTS区间T内的平均频率等于斜率s乘以时间插值时钟频率mkfc；
(5)、单调性判别
按照步骤(3)、(4)所述方法对fx进行连续测量，得到一系列BTS区间的平均频率值，然后对这些平均频率值进行单调性判别，记录具有相同单调性的平均频率值的数量N；
(6)、计算扫频速率
将当前具有一致单调性的N个平均频率值进行最小二乘拟合，得到直线方程f＝aT+b，该方程为被测线性调频信号的瞬时频率表达式，其中a是该直线的斜率，T是BTS的时间长度，b是被测线性调频信号的起始频率；那么被测线性调频信号的扫频速率为a除以T得到的商；
(7)、计算其它扫频参数
在具有一致单调性的N个平均频率值中，查找最大的平均频率值以及最小的平均频率值；
然后用最大的平均频率值与最小的平均频率值作差，得到被测线性调频信号的扫频带宽；用N乘以BTS区间的时间长度T得到扫频周期。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法，先利用高速比较器对被测线性调频信号进行波形整形和电平变换，再将整形及变换后的数字方波信号输入现场可编程门阵列(FPGA)中进行计算和测量；在FPGA中，利用FPGA的片内锁相环对时钟信号进行时间插值，再通过计数器对数字方波信号和参考时钟信号计数，采用最小二乘法进行参数拟合，得到基本时间片区间内被测线性调频信号的平均频率值；然后根据一系列测量得到的平均频率值，再次通过最小二乘拟合的方式得到被测线性调频信号的瞬时频率表达式，从而计算扫频速率、最大频率、最小频率等参数；这样相比较于传统基于数字信号处理的频域测量方法，本发明时域计数测量法在达到同样精度指标的条件下，所需要的硬件资源更少、电路结构更简单、处理速度更快。
附图说明
图1是本发明一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法原理示意图；
图2是本发明一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法工作流程图；
图3是本发明一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法逻辑功能框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法原理示意图。
在本实施例中，如图1所示，纵向虚线把被测线性调频信号划分为若干个固定宽度的基本时间片，利用时域计数的方法对每个基本时间片区间内的被测线性调频信号和参考时钟信号进行计数。根据被测线性调频信号和参考时钟所呈现的变化规律，利用最小二乘法进行拟合，得到如图1中横向短线条所示，代表该基本时间片的载波频率平均值。重复这一步骤，可以得到多个基本时间片的平均频率值。虽然测量得到的频率值是每个基本时间片的平均频率，并且存在测量误差，但是多个具有相同单调性的基本时间片频率测量值可以再次利用最小二乘法进行拟合，得到的倾斜直线就是被测线性调频信号的调制波形，该直线方程也可以称为瞬时频率表达式，方程的斜率就是被测线性调频信号的扫频速率。根据测量原理，基本时间片划分太大，用于扫频速率拟合的基本时间片样点数量降低，极值和扫频速率测量精度降低；而基本时间片划分太小，扫频速率拟合的样点数量增多，运算速度变慢。将单个被测信号周期划分为50-200个基本时间片，能够在测量时间和测量精度两者间取得平衡。
在本实施例中，我们结合图2和图3本发明一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
S1、信号整形及变换
如图3所示，本实施例采用了高速比较器对输入的被测线性调频信号进行波形和电平变换，将模拟正弦信号转换为满足FPGA输入电平要求的数字方波信号，然后将经过转换得到的数字方波信号fx送入FPGA。
S2、计数时间插值
使用多个锁相环对外部晶体振荡器输入至FPGA的基本时钟信号fc进行时间插值处理，生成k路频率为mfc的时钟信号，m为倍频数；
在本实施例中，如图3所示，多个锁相环采用两级结构方式，在第一级中采用一个锁相环，用于接收外部晶体振荡器输入至FPGA的10MHz基本时钟信号fc，并进行10倍的频率倍频，输出相位分别为0度、120度和240度的3路100MHz时钟信号到第二级锁相环；在第二级中，每一路信号在第二级锁相环中再次进行4倍频率倍频，并输出相位差为90度的4路400MHz信号。通过第一级的1个增强型锁相环(Enhanced PLL)和第二级的3个快速型锁相环(Fast PLL)将输入的10MHz基准时钟转换成为12路400MHz的时钟信号，相邻时钟的相位差为30度。
S3、计数与存储
使用两组计数器进行计数，第一组计数器标记为信号计数器，用于对数字方波信号fx进行计数；另一组计数器标记为时基计数器，每一路时钟信号分别连接到一个32位的时基计数器，12个时基计数器对时间插值后输出的12路时钟信号进行计数，并利用并行加法器对12个时钟信号计数值求和，这样通过时间插值和计数求和，等效计数时钟理论值为：12×400MHz＝4.8GHz，远远高于基本时钟信号fc和被测线性调频信号的频率，提高了计数的时间分辨率。
如图2所示，开始进行测量时，时基计数器在每个参考时钟信号上升沿的时候进行加1计数，并在每个fx上升沿到来的时候，将fx的计数值和参考时钟的计数值同时保存到FIFO存储器。
S4、区间频率测量
设定基本时间片(BTS)的时间长度为T，当前BTS结束时，将FIFO存储器中存放的该BTS时间内的n组计数值读出，再使用最小二乘法对n组计数值进行拟合，得到直线方程y＝sx+e，其中s为直线的斜率，e表示计数误差；直线斜率s的计算公式为：
其中，符号表示对“*”求平均值，CNTxi为信号计数器的第i组计数值xi，CNTyi为时基计数器中加法器的第i组输出值yi。
fx在BTS区间T内的平均频率等于斜率s乘以时间插值时钟频率mkfc，即计算得到的斜率s乘以等效计数时钟频率4.8GHz，乘积即为该BTS区间内的平均频率。
S5、单调性判别
按照步骤S3、S4所述方法对fx进行连续测量，得到一系列BTS区间的平均频率值，然后对这些平均频率值进行单调性判别，记录具有相同单调性的平均频率值的数量N，如果当前BTS区间T内的平均频率值与前一个BTS区间T内的平均频率值的单调性不一致，即表明fx频率拐点到来；
S6、计算扫频速率
将当前具有一致单调性的N个平均频率值进行最小二乘拟合，得到直线方程f＝aT+b，该方程为被测线性调频信号的瞬时频率表达式，其中a是该直线的斜率，T是BTS的时间长度，b是被测线性调频信号的起始频率；被测线性调频信号扫频速率为a除以T得到的商；
S7、计算其它扫频参数
在具有一致单调性的N个平均频率值中，查找最大的平均频率值以及最小的平均频率值；
然后用最大的平均频率值与最小的平均频率值作差，得到被测线性调频信号的扫频带宽；用N乘以BTS区间的时间长度T得到扫频周期。
本实施例还可以对数字方波信号fx连续进行多个调制周期的测量，利用多周期求平均的方式，可以进一步减少量化误差，提高测量精度。
实例
以起始频率60MHz，带宽80MHz，扫频周期50kHz的线性调频信号为例，将每个BTS划分为200ns，连续对100个BTS的频率进行测量，再对100个BTS的频率值样点进行最小二乘拟合，得到瞬时频率表达式为f＝799846T+59991827，拟合优度0.9998。根据瞬时频率表达式求得扫频速率为3.9993×1012Hz/s，最小频率59.992MHz，最大频率139.993MHz，扫频带宽80.001MHz，扫频周期49.99kHz，测量误差≤0.02％，能够满足快速准确频率特征参数测量的需要。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、信号整形及变换
将被测线性调频信号输入到高速比较器，高速比较器将被测线性调频信号由模拟正弦波信号变换为数字方波信号fx，但被测线性调频信号的频率在变换前后保持不变，且电平幅度满足FPGA输入电平要求；
(2)、计数时间插值
使用多个锁相环对外部晶体振荡器输入至FPGA的基本时钟信号fc进行时间插值处理，生成k路频率为mfc的时钟信号，m为倍频数；
(3)、计数与存储
使用两组计数器进行计数，其中，第一组计数器标记为信号计数器，用于对fx进行计数；另一组计数器标记为时基计数器器，由k个计数器和一个k输入并行加法器组成，k个计数器分别对多个锁相环产生的k路时钟信号进行计数，加法器对k个计数器的计数值进行求和运算；
在每个fx的上升沿到来时，将信号计数器的计数值x以及时基计数器中加法器的输出值y存放到先入先出(FIFO)存储器中；
(4)、区间频率测量
设定基本时间片(BTS)的时间长度为T，将FIFO存储器中的数据按BTS时间长度读出，再使用最小二乘法对信号计数器的计数值x和时基计数器中加法器的输出值y进行拟合，得到直线方程y＝sx+e，其中s为直线的斜率，e表示计数误差；fx在BTS区间T内的平均频率等于斜率s乘以时间插值时钟频率mkfc；
(5)、单调性判别
按照步骤(3)、(4)所述方法对fx进行连续测量，得到一系列BTS区间的平均频率值，然后对这些平均频率值进行单调性判别，记录具有相同单调性的平均频率值的数量N；
(6)、计算扫频速率
将当前具有一致单调性的N个平均频率值进行最小二乘拟合，得到直线方程f＝aT+b，该方程为被测线性调频信号的瞬时频率表达式，其中a是该直线的斜率，T是BTS的时间长度，b是被测线性调频信号的起始频率；那么被测线性调频信号的扫频速率为a除以T得到的商；
(7)、计算其它扫频参数
在具有一致单调性的N个平均频率值中，查找最大的平均频率值以及最小的平均频率值；
然后用最大的平均频率值与最小的平均频率值作差，得到被测线性调频信号的扫频带宽；用N乘以BTS区间的时间长度T得到扫频周期。
2.根据权利要求1所述的一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法，其特征在于，所述的多个锁相环采用两级结构方式，在第一级中采用一个锁相环，用于接收外部晶体振荡器输入至FPGA的基本时钟信号fc，并进行一次倍频，输出p路具有均匀相位差的倍频时钟信号；在第二级中采用p个锁相环，将第一级中每一路输出的倍频时钟信号分别使用一个锁相环进行频率二次倍频，使每一个锁相环再次输出q路具有均匀相位差的倍频时钟信号，从而共计生成k(k等于p乘以q)路频率为mfc的时钟信号。
3.根据权利要求1所述的一种线性调频信号频率特征参数的时域测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，直线斜率s的计算公式为：
其中，符号表示对“*”求平均值，n表示一个BTS区间内计数值的组数，CNTxi为信号计数器的第i组计数值xi，CNTyi为时基计数器中加法器的第i组输出值yi。
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