专利名称：一种稳态锁相误差为零的锁相系统及锁相方法
技术领域：
本发明是电子信息领域中广泛应用的锁相技术，它涉及到一种新的锁相理论，它 是采用了锁频输出信号倍频之后的信号为CAD的采样频率、然后用快速傅氏变换中特定 输出子滤波器(特定输出点输出信号就是锁相信号)的方法，称选择性快速傅利叶变换即 CFFT (Choose Fast Fourier Transform)，具体地说是一种稳态锁相误差为零的锁相系统及 锁相方法。
背景技术：
锁相技术已有八十年的历史，目前已成为一门广泛应用的学科，从模拟到数字，从 晶体管到大规模集成电路，发展很快，主要是研究实现方法。它们的基本电路如图1组成 鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)、和压控振荡器(VCO)。鉴相器是相位比较器，是输入信号与 压控输出信号进行比相，产生误差电压；环路滤波器是低通滤波，它滤除误差电压中的高频 分量及噪声，增加环路的稳定性；压控振荡器(VCO)是在误差电压的作用下改变频率和相 位，达到跟踪与锁定之目的。锁相是一个动态过程，有响应时间，捕获特性，稳态相位差等。数字锁相一种是数 字逻辑电路，另一类是数字信号处理。不管是那种其基本原理是一样，都是一个闭环回路， 产生的结果基本相同。复杂的数字锁相环，理论上稳态相位误差可近似为零，实际上是很困 难的。可是在许多情况下需要稳态相差为零。关于锁相环稳态误差定义为瞬态响应消失后，控制变量与设定值之间的偏差。理 论证明它与控制系统中的“积分器”数目有关，当环路频差为零时表明锁定，其相差Θ Oc= arc sinA co/k+2n π (η 为整数)(1)Δ ω是回路带宽K是回路增益系数，也就是说任何锁相总存在以上误差。为了达 到更高的要求电路会变得十分复杂，实现难度更大，因为不能超越理论公式(1)。本发明就是在这需要的背景下，提出的另一种新的锁相理论和工程上较易实现的 方法。在锁相技术学科中又增添了一种新的锁相理论和实施技术。
发明内容
本发明的目的是针对锁相环中，当环路频差为零时其稳态相差难以消除的问题， 提出一种稳态锁相误差为零的锁相系统及锁相方法。本发明的技术方案是一种稳态锁相误差为零的锁相系统，它包括一个m倍频器，用于对现有锁相环电路输出的锁定频率fx信号进行m倍频，得到 采样频率fs = mfx，其中2彡m彡N，N为正整数；一个A/D转换器，对现有锁相环电路的输入信号进行采样，采样频率为fs ；一个希尔伯特变换器H，用于将采样后的数字信号变换成复数信号；一个选择性快速傅里叶变换器CFFT，用于对N/m路子带滤波器进行选择得到该子带滤波器的输出信号，即对复数信号进行快速傅里叶变换，计算并选出快速傅里叶变换的 第N/m个输出点的值F(N/m)；和一个傅里叶逆变换器IFFT，用于对第N/m路的输出值F(N/m)进行反变换得到与 现有锁相环电路输入信号即待锁信号同相位或正交的输出信号。一种稳态锁相误差为零的锁相系统，它包括一个m倍频器，用于对现有锁相环电路输出的锁定频率fx信号进行m倍频，得到 采样频率fs = mfx，其中2彡m彡N，N为正整数；一个A/D转换器，对现有锁相环电路的输入信号进行采样，采样频率为fs ；一个希尔伯特变换器H，用于将采样后的数字信号变换成复数信号；一个傅里叶变换器FFT，用于对复数信号进行快速傅里叶变换，得到多路子带滤波 器的输出值；一个结果选择模块，用于取出第N/m个子带滤波器的输出信号即快速傅里叶变换 的第N/m个输出点的值F (N/m)；和一个傅里叶逆变换器IFFT，用于对第N/m路的输出值F(N/m)进行反变换得到与 现有锁相环电路输入信号即待锁信号同相位或正交的输出信号。一种基于稳态锁相误差为零的锁相系统的锁相方法，它包括以下步骤(a)、利用现有锁相环电路对输入信号即待锁信号的频率fx锁住；(b)、将其输出频率fx进行m次倍频，以fs = mfx作采样频率对待锁信号进行采 样；(c)、对采样后的数字信号进行希尔伯特变换得到复数信号；(d)、若采用选择性快速傅里叶变换器CFFT 则对复数信号进行选择性快速傅里 叶变换，选择第N/m路子带滤波器进行计算，得到第N/m个输出点的值F (N/m)；若采用傅里叶变换器FFT:则对复数信号进行快速傅里叶变换，得到多路子带滤 波器的输出值；再通过结果选择模块，取出第N/m个子带滤波器的输出信号F (N/m)；(e)、对第N/m路的输出值F(N/m)进行反变换得到与待锁信号同相位或正交的输 出信号。本发明还包括一个现有锁相环电路，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，对输 入信号即对锁信号进行自动跟踪，达到频率锁定状态。本发明的m倍频器中m = 2、4、8···2Ρ，Ρ为正整数。本发明的有益效果本发明利用快速傅里叶变换(FFT)中采样频率fs和采样点数N决定各子带滤波 器中心频率分布的自然规律，调整采样频率就会改变子带滤波器的带宽和中心频率的位 置，当采样频率fs是被锁信号频率fx的整数倍时，采样点数为N，则被锁信号一定落在第 N/m个子带滤波器中心频率处，当采样频率fs又有被锁信号频率fx而决定时，第N/m个子 带滤波器中心就是被锁信号频率的位置，该滤波器就是输入信号的专用匹配滤波器，其输 出信号的频率、相位就是被锁信号的频率、相位，不存在稳态误差。当采样频率fs是被锁信号频率fx的m倍时，只要算出第N/m个滤波器输出矢 量，则矢量的初相就是被锁信号的初相，不断滑动计算就不断输出被锁信号的相位，其功能 100%等同於锁相。
本发明是没有稳态锁相误差的锁相理论，是利用信号匹配滤波器作为信号分析和 复原的工具，由於信号通过与它完全匹配的滤波器之后，输出信号不产生相位迟后或超前， 所以其输出信号的相位就是输入信号的相位，反变换后信号得到复原。这种锁相用了 CFFT 技术，所以称为选择性快速傅利叶变换(Choose Fast FourieTransform)。只要用复数加减 法对第N/m个这一个匹配滤波器计算就能获得输入信号的相位。整体技术中m倍频和选取 第N/m个滤波器中的输出值是最关键。
图1是现有锁相环电路的基本框图。图2是本发明的原理框图之一。图3是本发明的原理框图之二。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图2所示，一种稳态锁相误差为零的锁相系统，它包括 一个m倍频器，用于对现有锁相环电路输出的锁定频率fx信号进行m倍频，得到 采样频率fs=mfX，其中2彡m彡N，N为正整数；一个A/D转换器，对现有锁相环电路的输入 信号进行采样，采样频率为fs ；—个希尔伯特变换器H，用于将采样后的数字信号变换成复 数信号(也可直接计算实数的CFFT/FFT，同样可求出相位但信噪比下降)；一个选择性快速 傅里叶变换器CFFT，用于对N/m路子带滤波器进行选择得到该子带滤波器的输出信号，即 对复数信号进行快速傅里叶变换，计算并选出快速傅里叶变换的第N/m个输出点的值F(N/ m)；和一个傅里叶逆变换器IFFT，用于对第N/m路的输出值F(N/m)进行反变换得到与现有 锁相环电路输入信号即待锁信号同相位或正交的输出信号。如图3所示，一种稳态锁相误差为零的锁相系统，它包括一个m倍频器，用于对现有锁相环电路输出的锁定频率fx信号进行m倍频，得到 采样频率fs = mfx，其中2彡m彡N，N为正整数；一个A/D转换器，对现有锁相环电路的输 入信号进行采样，采样频率为fs ；—个希尔伯特变换器H，用于将采样后的数字信号变换成 复数信号(也可直接计算实数的CFFT/FFT，同样可求出相位但信噪比下降)；一个傅里叶变 换器FFT，用于对复数信号进行快速傅里叶变换，得到多路子带滤波器的输出值；一个结果 选择模块，用于取出第N/m个子带滤波器的输出信号即快速傅里叶变换的第N/m个输出点 的值F(N/m)；和一个傅里叶逆变换器IFFT，用于对第N/m路的输出值F(N/m)进行反变换得 到与现有锁相环电路输入信号即待锁信号同相位或正交的输出信号。一种稳态锁相误差为零的锁相方法，它包括以下步骤(a)、利用现有锁相环电路对输入信号即待锁信号的频率fx锁住；(b)、将其输出频率fx进行m次倍频，以fs = mfx作采样频率对待锁信号进行采 样；(c)、对采样后的数字信号进行希尔伯特变换得到复数信号(也可直接计算实数 的CFFT/FFT，同样可求出相位但信噪比下降)；(d)、若采用选择性快速傅里叶变换器CFFT 则对复数信号进行选择性快速傅里叶变换，选择第N/m路子带滤波器进行计算，得到第N/m个输出点的值F (N/m)；若采用傅里叶变换器FFT:则对复数信号进行快速傅里叶变换，得到多路子带滤 波器的输出值；再通过结果选择模块，取出第N/m个子带滤波器的输出信号F (N/m)；(e)、对第N/m路的输出值F(N/m)进行反变换得到与待锁信号同相位或正交的输 出信号。本发明还包括一个现有锁相环电路，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，对输 入信号即对锁信号进行自动跟踪，达到频率锁定状态。本发明的m倍频器中m = 2、4、8···2Ρ，Ρ为正整数。具体实施时1、利用现有的锁相环将要被锁信号的频率fx锁住，将其输出频率进行m次倍频， 以fs = mfx作采样频率，采样周期Ts = 1/fs, m = fs/fx ；2、对CAD采样之后的数字信号进行“H”变换(希尔伯特变换)变成复数信号；3、利用复数数字信号，只对第F(N/m)个输出点进行的快速傅利叶计算，即用选 择性FFT(CFFT)，就得到该滤波器的输出信号，它等同於输入信号的频率、相位、且幅度最 大；、4、对第F(N/m)路输出进行反变换可得到与输入信号同相(取I(nTs))或正交(取 Q(nTs))的信号。本发明利用FFT输出N个点所对应各滤波器中心频率分布与采样频率之间的特殊 关系，这关系是FFT输出各点对应滤波器的4db带宽Af= 1/NTs = fs/N(2)而fx/Af = N/m(3)即fx落在第i = N/m个滤波器中，N/m是整数则fx正好在中心频率位置，形成“自 然匹配”，不存在动态跟踪。这是不产生相位误差的根源。第i =N/m路滤波器输出信号计 算公式
N-IF (N/m) =ΣΧ (nTs) e-j2nn/m(4)
n=0其中X(nTs)为输入信号X (t)在nTs时刻的采样值n = 0、l、2、3......(N-1)m = 2、4、8…2P，P 为正整数。N是采样点数或参与运算的点数(也称时间长度)。这种没有稳态锁相误差的算 法锁相理论，是利用信号匹配滤波器作为信号分析和复原的工具，由於信号通过与它完全 匹配的滤波器之后，输出信号不产生相位迟后或超前，所以其输出信号的相位就是输入信 号的相位，反变换后信号得到复原。这种锁相用了 CFFT技术，所以称为选择性快速傅利叶 变换(Choose Fast FourieTransform)。只要用复数加减法对第N/m个这一个匹配滤波器 计算就能获得输入信号的相位。可以省去复数乘法，减少许多工作量。结论当采样频率fs是被锁信号频率fx的m倍时，只要算出第N/m个滤波器输出 矢量，则矢量的初相就是被锁信号的初相，不断滑动计算就不断输出被锁信号的相位，其功 能100%等同於锁相。整体技术中m倍频和选取第N/m个滤波器中的输出值是最关键。
7
实施例一1，设定输入信号X(t)的频率为fx = 250kHz，幅度为a，初相为Φχ。m = 4，N = 8，输入信号分两路，一路到锁相环，另一路到A/D变换。第一路经锁相之后将其输出进入4 倍频器，得4fx = fs，作为采样信号；2，A/D输出为IMHz采样的数字信号，进行“H” (希尔伯特)变换成为复数信号；3，利用公式(3)求出N/m = 2，即2号滤波器的输出为
权利要求
一种稳态锁相误差为零的锁相系统，其特征是它包括一个m倍频器，用于对现有锁相环电路输出的锁定频率fx信号进行m倍频，得到采样频率fs=mfx，其中2≤m≤N，N为正整数；一个A/D转换器，对现有锁相环电路的输入信号进行采样，采样频率为fs；一个希尔伯特变换器H，用于将采样后的数字信号变换成复数信号；一个选择性快速傅里叶变换器CFFT，用于对N/m路子带滤波器进行选择得到该子带滤波器的输出信号，即对复数信号进行快速傅里叶变换，计算并选出快速傅里叶变换的第N/m个输出点的值F(N/m)；和一个傅里叶逆变换器IFFT，用于对第N/m路的输出值F(N/m)进行反变换得到与现有锁相环电路输入信号即待锁信号同相位或正交的输出信号。
2.根据权利要求1所述的稳态锁相误差为零的锁相系统，其特征是它还包括一个现有 锁相环电路，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，对输入信号即对待锁信号进行自动跟 踪，达到频率锁定状态。
3.根据权利要求1所述的稳态锁相误差为零的锁相系统，其特征是所述的m倍频器中 m=2、4、8...2p，P 为正整数。
4.一种稳态锁相误差为零的锁相系统，其特征是它包括一个m倍频器，用于对现有锁相环电路输出的锁定频率fx信号进行m倍频，得到采样 频率fs=mfx，其中2彡m彡N，N为正整数；一个A/D转换器，对现有锁相环电路的输入信号进行采样，采样频率为fs ； 一个希尔伯特变换器H，用于将采样后的数字信号变换成复数信号； 一个傅里叶变换器FFT，用于对复数信号进行快速傅里叶变换，得到多路子带滤波器的 输出值；一个结果选择模块，用于取出第N/m个子带滤波器的输出信号即快速傅里叶变换的第 N/m个输出点的值F (N/m)；和一个傅里叶逆变换器IFFT，用于对第N/m路的输出值F (N/m)进行反变换得到与现 有锁相环电路输入信号即待锁信号同相位或正交的输出信号。
5.根据权利要求4所述的稳态锁相误差为零的锁相系统，其特征是它还包括一个现有 锁相环电路，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，对输入信号即对待锁信号进行自动跟 踪，达到频率锁定状态。
6.根据权利要求4所述的稳态锁相误差为零的锁相系统，其特征是所述的m倍频器中 m=2、4、8...2p，P 为正整数。
7.一种基于权利要求1或4所述的的稳态锁相误差为零的锁相系统的锁相方法，其特 征是它包括以下步骤(a)、利用现有锁相环电路对输入信号即待锁信号的频率fx锁住；(b)、将其输出频率fx进行m次倍频，以fs=mfX作采样频率对待锁信号进行采样； (C)、对采样后的数字信号进行希尔伯特变换得到复数信号；(d)、若采用选择性快速傅里叶变换器CFFT 则对复数信号进行选择性快速傅里叶变 换，选择第N/m路子带滤波器进行计算，得到第N/m个输出点的值F (N/m)；若采用傅里叶变换器FFT 则对复数信号进行快速傅里叶变换，得到多路子带滤波器的输出值；再通过结果选择模块，取出第N/m个子带滤波器的输出信号F (N/m)；(e)、对第N/m路的输出值F (N/m)进行反变换得到与待锁信号同相位或正交的输出信号。
8.根据权利要求7所述的稳态锁相误差为零的锁相方法，其特征是它还包括一个现 有锁相环电路，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，对输入信号即对锁信号进行自动跟 踪，达到频率锁定状态。
9.根据权利要求7所述的稳态锁相误差为零的锁相方法，其特征是所述的m倍频器中 m=2、4、8...2p，P 为正整数。
全文摘要
一种稳态锁相误差为零的锁相系统及锁相方法，它是利用快速傅里叶变换(FFT)中采样频率fs和采样点数N决定各子带滤波器中心频率分布的自然规律，调整采样频率就会改变子带滤波器的带宽和中心频率的位置，当采样频率fs是被锁信号频率fx的整数倍时，采样点数为N，则被锁信号一定落在第N/m个子带滤波器中心频率处，当采样频率fs又有被锁信号频率fx而决定时，第N/m个子带滤波器中心就是被锁信号频率的位置，该滤波器就是输入信号的专用匹配滤波器，其输出信号的频率、相位就是被锁信号的频率、相位，不存在稳态误差。
文档编号H03L7/08GK101986568SQ20101051767
公开日2011年3月16日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者史田元, 胡蛇庆 申请人:江苏锦丰电子有限公司