阅读说明：本技术 脉冲调制信号载波频率测量系统及方法 (System and method for measuring carrier frequency of pulse modulation signal ) 是由 樊光辉 韩立群 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种脉冲调制信号载波频率测量系统,包括前端电路、高速采集卡以及上位机,前端电路用于将被测信号和本地载波进行混频,并输出脉冲调制中频载波信号给高速采集卡；高速采集卡用于将采集的脉冲调制中频载波信号转换为数字信号,传输给上位机；上位机用于将采集到的数字信号进行基于过零判断和周期计数的频率测量算法。本发明将脉冲调制信号的载波频率测量放在上位机上实现,使得实现算法的装置整体架构更偏软件化,符合软件无线电的设计思路,简化硬件设计,使得硬件架构更加通用化,上位机软件算法设计更加灵活,优化信号频率测量过程中信号抖动噪声对测量结果的影响；利用周期测量法、过零检测、线性插值,提高频率测量的精度。(The invention provides a pulse modulation signal carrier frequency measuring system, which comprises a front-end circuit, a high-speed acquisition card and an upper computer, wherein the front-end circuit is used for mixing a measured signal with a local carrier and outputting a pulse modulation intermediate frequency carrier signal to the high-speed acquisition card; the high-speed acquisition card is used for converting the acquired pulse modulation intermediate frequency carrier signal into a digital signal and transmitting the digital signal to the upper computer; and the upper computer is used for carrying out a frequency measurement algorithm based on zero-crossing judgment and cycle counting on the acquired digital signals. The invention realizes the carrier frequency measurement of the pulse modulation signal on the upper computer, so that the whole structure of the device for realizing the algorithm is more software, accords with the design thought of software radio, simplifies the hardware design, makes the hardware structure more universal, has more flexible upper computer software algorithm design, and optimizes the influence of signal jitter noise on the measurement result in the signal frequency measurement process; the precision of frequency measurement is improved by utilizing a periodic measurement method, zero-crossing detection and linear interpolation.)

脉冲调制信号载波频率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及信号测试技术领域，具体地，涉及一种脉冲调制信号载波频率测量系统及方法。

背景技术

脉冲调制信号是雷达通信、电子对抗、机载应答器等电子设备中常见的一种信号形式，该信号通过长周期窄脉冲信号来控制载波信号的通断来实现脉冲调制。脉冲调制信号的载波频率测量是信号测试类仪器常见的一种功能。常见的频率测量方法有频率计数法、测周期法、过零检测法等。这些测量方法主要在硬件上进行实现，且每一种测量方法都有各自的优缺点，直接应用于脉冲调制信号的载波频率测量中具有测量精度不足，对信号噪声抖动敏感等缺点。

现有技术的问题：

1)利用硬件来实现测频算法需要设计专门的硬件电路，导致硬件电路设计复杂，硬件电路具有一定的专用性，升级改进困难；

2)常规测频、测周期计数法记录的是整数倍周期数量，影响最后计算出的频率结果准确度；

3)常规的过零判断灵活性不高，容易受到噪声、信号抖动等因素影响，出现过零点的误判，从而影响结果的准确性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种脉冲调制信号载波频率测量系统及方法。

根据本发明提供的一种脉冲调制信号载波频率测量系统，包括前端电路、高速采集卡以及上位机，其中：

前端电路用于将被测信号和本地载波进行混频，并输出脉冲调制中频载波信号给高速采集卡；

高速采集卡用于将采集的脉冲调制中频载波信号转换为数字信号，传输给上位机；

上位机用于将采集到的数字信号进行基于过零判断和周期计数的频率测量算法。

优选地，所述前端电路包括程控衰减电路、保护电路、中频调理放大电路，其中：

被测信号依次通过程控衰减电路、保护电路与本地载波进行混频，形成中频信号，中频信号通过中频调理放大电路放大后形成脉冲调制中频载波信号输出给高速采集卡。

优选地，所述高速采集卡的采集模式为电平触发模式。

优选地，所述高速采集卡采集到的信号为双极性单频连续正弦波信号。

根据本发明提供的一种脉冲调制信号载波频率测量方法，包括如下步骤：

前端电路调节步骤：被测信号经过前端电路，与本地载波混频，输出脉冲调制中频载波信号至高速采集卡；

信号采集步骤：高速采集卡对脉冲调制中频载波信号进行信号采集，并将采集的信号转换为数字信号传输给上位机；

信号处理步骤：上位机对将采集到的数字信号进行基于过零判断和周期计数的频率测量算法处理。

优选地，所述频率测量算法包括：

过零点检测步骤：对采集到的信号进行过零点检测判断；

计算记录步骤：计算并记录第一个和最后一个过零点，并计算出载波频率。

优选地，还包括取平均步骤：多次测量载波频率结果取平均值。

优选地，所述过零点检测步骤包括：

设采集到的信号为buf[k],1≤k≤N，N为本组采集数据总的点数，k为索引号，设信号采集的频率为fs；

从buf[k]的第一个数据buf[1]开始进行过零点遍历检测，当检测到数据满足条件buf[k]＜0，buf[k+1]≥0，buf[k+t]＞0时，判定为一个过零点，其中t≥2且t为整数。

优选地，计算并记录第一个和最后一个过零点分别为：

K1＝k1+buf[k1]/(buf[k1+1]-buf[k1])；

K2＝k2+buf[k2]/(buf[k2+1]-buf[k2])；

其中：k1为第一个过零点索引值，k2为最后一个过零点索引值。

优选地，计算出的载波频率freq为：freq＝fs*(CNT-1)/(K2-K1)，其中：CNT为采集数据长度内所有过零点的总数值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用混频技术、高速采样技术，将脉冲调制信号的载波频率测量放在上位机上实现，使得实现算法的装置整体架构更偏软件化，符合软件无线电的设计思路，简化硬件设计，使得硬件架构更加通用化，上位机软件算法设计更加灵活。

2、本发明能够优化信号频率测量过程中信号抖动噪声对测量结果的影响；

3本发明综合利用周期测量法、过零检测、线性插值，大大提高频率测量的精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为脉冲调制信号载波测量系统的整体系统图；

图2为信号采集过程示意图；

图3为过零点判断原理图；

图4为小数级索引计算原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，根据本发明提供的一种脉冲调制信号载波频率测量系统及方法，包括前端电路、高速采集卡以及上位机，前端电路用于将被测信号和本地载波进行混频，并输出脉冲调制中频载波信号给高速采集卡；高速采集卡用于将采集的脉冲调制中频载波信号转换为数字信号，传输给上位机；上位机用于将采集到的数字信号进行基于过零判断和周期计数的频率测量算法。前端电路包括程控衰减电路、保护电路、中频调理放大电路，被测信号依次通过程控衰减电路、保护电路与本地载波进行混频，形成中频信号，中频信号通过中频调理放大电路放大后形成脉冲调制中频载波信号输出给高速采集卡。

由于被测信号载波频率通常较高，因此在采样之前设置了前端电路，将高频载波与本地载波进行混频变换为低频的中频信号，前端电路中还设置了保护电路、中频调理放大电路等用于将信号调理到安全的合理的电平范围之内。前端电路输出的是较低频的脉冲调制中频载波信号。

脉冲调制中频载波信号输入到硬件高速采集卡信号输入端，高速采集卡的信号采集频率数倍于中频载波信号频率。采样模式为电平触发，当被触发之后，采集的信号长度不超过一个脉冲周期长度。因此，高速采集卡每次采集到的信号为双极性单频连续正弦波信号，转换为数字信号后，传输给上位机处理。信号采集过程见图2所示。

上位机对触发采集到的数字单频连续正弦波信号进行基于过零判断和周期计数的频率测量算法。假设采集到的信号为buf[k],1≤k≤N，N为本组采集数据总的点数，k为索引号。信号采集的频率为fs。算法具体步骤如下：

步骤1、过零点(整数级)检测步骤：

从buf[k]的第一个数据buf[1]开始进行过零点遍历检测。当检测到数据满足条件buf[k]＜0，buf[k+1]≥0，buf[k+t]＞0时，判定为一个过零点。这里t≥2，根据buf[k]和buf[k+1]两个值初步判断到了一个过零点，再利用buf[k+t]进行了过零点再次确认，提高了过零点判断的准确性。t的设置可以根据应用系统的噪声或信号抖动水平，噪声或信号抖动越大，可以将t在合理范围内值取越大，这一处理进一步提高了过零点判断的准确性。其原理见图3，该信号某些部位出现信号小幅抖动。观察两组4个连续点，前一组4个点中，如果只判断第1、第2个点，或者取t＝1判断连续3个点，则很明显均会出现了过零点误判。如果取t＝2，则在第一组4个点处不会出现误判，在第二组4个点则能准确判断出该过零点。

过零点搜索过程中，需要记录的数据有：第一个过零点索引k1值，buf[k1]和buf[k1+1]值；最后一个过零点索引k2值，buf[k2]和buf[k2+1]值；所采集数据长度内所有过零点的总数值CNT。

这里需要说明两点：

1、这里以零值为阈值进行判断只是举例的一种特殊值情况，实际应用设计算法时，可以根据需要设置其它阈值，进行过该阈值的次数判断，方法同上述过零点次数判断。

2、这里对于过阈值的判断采用了三个点，第三个点为重复确认作用。实际应用本算法思路时，可以根据实际情况再增加确认的次数。

步骤2、计算并记录第一个和最后一个过零点(小数级)分别为：

K1＝k1+buf[k1]/(buf[k1+1]-buf[k1])

K2＝k2+buf[k2]/(buf[k2+1]-buf[k2])；

该计算利用了x接近0时，sin(x)≈x的性质，并进行了线性计算得到小数级的过零点索引。这一处理很好地克服了常规测周期计数法只能记录整数倍信号周期带来的误差，有效提高频率计算结果的准确度。计算原理图见图4。

步骤3：计算出载波频率freq为：freq＝fs*(CNT-1)/(K2-K1)；

步骤4：必要时为进一步提高准确度，可将多次测量结果取平均：

freq＝(freq[1]+freq[2]+…freq[i]…+freq[M])/N，i为第i次采集测量的结果，共测量M次，1≤i≤M。

技术方案描述的算法计算步骤针对的测试对象可以是其它的信号类型，不仅限于脉冲调制信号，也可以是单频周期性的正弦信号，方波信号，三角波信号等。也可以作为本发明所述算法的具体实施例。

根据本发明提供的另一实施例，脉冲调制信号载波频率测量电路包括前端电路、高速采集电路以及DSPDSP或FPGA或ARM，其中：前端电路将高频脉冲调制信号转换为中频脉冲调制信号，在一定条件下，前端电路不是必须的；高速采集电路通过模数转换芯片将中频脉冲调制信号转换为数字中频脉冲调制信号并传输DSP或FPGA或ARM；DSP或FPGA或ARM根据采集到的数据进行如技术方案所述的载波频率的频率计算。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。