一种基于二次平均的低信噪比正弦信号高精度频率测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种频率测量方法，具体是一种基于二次平均的低信噪比正弦信号高 精度频率测量方法，属于测量与计量领域。
【背景技术】
[0002] 正弦信号的频率测量在重大的科学实验、与钟和振荡器相关的消费类产品中均有 广泛应用，是测量与计量领域的一个重要组成部分，长期W来，对低信噪比的正弦信号进行 高精度频率测量是一个难题。正弦信号的频率测量方法有很多。最常规的方法是利用比较 器将正弦信号变为方波信号，然后利用如比相法、量化延时法、多周期同步测频W及量化延 时与多周期同步测频综合法等方法进行测量，其测量相对精度可优于1X10-15,该些测量 方法均是在待测正弦信号的信噪比足够高的情况下进行，测量过程中仅仅考虑了方法误差 (如±1误差）和时基误差，未考虑正弦信号经过比较器而产生的触发误差影响。对实际工 程应用而言，受环境与系统自身影响，被测量的正弦信号中叠加了各种噪声，信号信噪比较 低；对该类信号的频率测量而言，常用的方法是；首先对信号进行模数转换，然后利用频谱 分析等现代信号处理手段进行测量，其测量精度受到采样率、采样长度等限制，且与算法耗 时有关，且算法实现复杂。随着人们在工程应用或科学研究中对频率的测量与计量精度要 求的提高，急需一种快速的、实现简单的、测量精度高的低信噪比正弦信号频率测量方法。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题在于，实际工程应用领域中，需要对低信噪比正弦信号 进行高精度频率测量，针对现有测量方法问题，提供一种基于二次平均的低信噪比正弦信 号高精度频率测量方法。
[0004] 本发明采取的技术方案为：
[0005] -种基于二次平均的低信噪比正弦信号高精度频率测量方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤1 ;将含噪声的正弦信号变为方波，并用连续的N个方波信号对标准频率信号 进行计数，通过计算得到单个方波信号的周期；
[0007] 步骤2 ;从第一个数据开始，对N个周期的前M=[^W]个数据求平均运算，得到前 M个数据的平均值：
[0008]
[0009] 步骤3;从第二个数据开始，计算M= [^#]个数据的平均值，依次类推，直到 从第N-M个数开始，计算M= [^#]个数据的平均值，得到第一次取平均运算序列，记为 { 了钟,('M+k-\)) 'k=h''N-M};
[0010] 步骤4 ;对第一次平均计算得到了N-M个数进行二次平均，得到最终计算结果： 「miil
[0012] 将2^取倒数，即可得到待测频率的最佳估计值为： 了1
[0013] fx=Y。
[0014] 所述步骤1中包括W下步骤：
[0015] 将正弦信号变为方波：
[0016] 利用迟滞比较器将低信号比频率为fy的正弦信号变为1TL方波信号，其周期为：
[0017] T'xi=T' ,+ ATii= 1，2，…，N
[0018]其中；T'd为含有噪声信号第i个周期的实际时间长度，Ty为频率信号fy的周 期，ATi为由噪声引起的第i个周期时间偏差；
[0019] 利用标准信号对方波信号进行量化：
[0020] 利用待测方波信号T'd对标准高频信号fs进行计数，得到第i一个方波信号对 高频信号t的计数个数：
[0021] M'xiMx±am;i= 1，2，…，N;
[002引其中；M'd为T'd时间范围内对f,的计数个数，M,为时间T,范围内对f,的计 数个数，AMi为时间偏差ATi的对f,的计数个数，利用计数个数乘W标准信号的周期 T',，得到待测含噪声信号的单个周期测量公式：
[0023]
[0024] 对T' d取倒数，可得到待测频率值f' X。
[00巧]一种基于二次平均的低信噪比正弦信号高精度频率测量方法，实现低信噪比情况 下正弦信号的高精度频率测量。
[0026] 本发明一种基于二次平均的低信噪比正弦信号高精度频率测量方法，技术效果如 下：
[0027] 1)、精度高：在工程领域，往往需要对信噪比较低的正弦信号进行高精度频率估 计，相对普通频率测量方法而言，本发明所述方法W二次平均为基础，利用所有的测量数据 进行频率估计，而普通方法仅仅用了一个数据进行频率估计，所W本发明所述方法可大大 提高频率估计精度。
[0028] 2)、速度快；实现本算法一共需要MX(N-M)次加法运算，N-M+1次除法运算，其中N 为待测信号的方波个数，符号[f]代表对f取整数，；假设方波个数为N= 1000， 则M= 500 ;设处理器执行一次乘法需要4uS，一次加法运算需要luS，则完成该算法仅需要 252mS，因此本发明所述方法所用时间少，能够快速对待测信号进行高精度频率估计。
[0029] 3)、易于实现；要实现本算法，仅需利用迟滞比较器将正弦信号变为方波信号，然 后利用单片机的定时器或利用FPGA设计计数器测量方波信号的周期T'd，最后利用本发 明所述算法实现即可。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明计数过程示意图。
[0031] 图2为本发明频率测量误差曲线。
[0032] 图3为本发明频率测量方法与与传统测量方法的误差对比图。
【具体实施方式】
[0033] -种基于二次平均的低信噪比正弦信号高精度频率测量方法，包括W下步骤：
[0034] 步骤一；将正弦信号变为方波：
[0035] 利用迟滞比较器将低信号比、频率为f；的正弦信号变为1TL方波信号，由于信号 s(t)中存在噪声n(t)，导致方波信号的周期为：
[0036]T'xi=Tx±ATii= 1，2，…，N
[0037] 其中；T'd为含有噪声信号第i个周期的实际时间长度，Ty为信号s(t)的周期， ATi为由噪声n(t)引起的第i个周期时间偏差。
[0038] 步骤二；利用标准信号对方波信号进行量化：
[0039] 利用待测方波信号T'd对标准信号fS进行计数，可得到第i一个方波信号对标 准信号计数个数为：
[0040]M'xi=Mx±AMii=l，2，…，N
[00川其中；M'd为信号T'd的计数个数，M,为待测信号周期T,的计数个数，AMi为 时间偏差ATi的计数个数，利用计数个数乘W标准信号的周期得到待测信号相应的 测量公式为：
[0042]
[0043] 对T'd取倒数，可得到待测频率值f'y，该是目前常用的频率测量方法。
[0044] 步骤从T'd开始，到T' 结束，计算待测信号前M个周期的平均值
[0045]
[0046] 其中，代表前M个周期的平均值。根据求平均值的^法则，得到的;^精度 比T'Jf高^M取臺XW的整