频率估计装置的制作方法

1.本发明涉及微波频率测量技术领域，尤其涉及一种频率估计装置。


背景技术：

2.频率的精确估计是通信、雷达、声纳、电子对抗等领域信号处理中的一个重要问题。快速傅里叶变换(fft)算法被广泛用来获取信号的频率信息。通常直接从fft计算得到的频谱信息中，读取信号峰值功率所在的频率格点，就可以得到信号的频率值。但这种方法的频率估计精度取决于计算fft的时间窗口长度，受限于实际应用场景的应用要求和检测端的信号处理代价，通常窗口长度不能很长，导致fft 的频率格点精度往往较为粗糙，难以满足实用需求。为了提升基于fft 的频率估计精度，人们提出了多种高精度频率估计方法，得以在fft 频谱结果上进一步提升频率估计精度，例如多项式拟合、补零、内插快速傅立叶变换(ifft)、加权相位平均(wpa)、选带傅里叶变换 (zoomfft)等。尽管这些方法效果显著，但它们都是基于数字信号处理的，即针对已经数字量化的信号，在fft处理环节之后，进一步通过补充的算法得以提升信号频率的估计精度。这些算法的复杂度可能占用大量的计算资源，限制频率估计的时效性。因此，有必要提出一种在fft处理环节前端通过信号预处理来提升信号频率估计精度的方法。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种频率估计装置，能够在 fft处理环节前端通过预采样和多测量值平均来显著提升信号频率估计精度，同时这种装置能够兼容现有的基于fft的后处理高精度频率估计方法。
4.本发明的频率估计装置包括：频率梳产生单元、预采样单元和信号采集与处理单元；其中，所述频率梳产生单元用以产生预采样频率梳；所述预采样单元利用所述预采样频率梳对模拟域的待测信号进行预采样，得到预采样信号；所述预采样信号包括：位于所述预采样频率梳的各个奈奎斯特区的、所述待测信号的多个信号副本；所述信号采集与处理单元对所述预采样信号进行模数转换，对所述模数转换形成的数字域的预采样信号进行快速傅里叶变换，获得所述多个信号副本的频率测量值；所述信号采集与处理单元从所述奈奎斯特区中选取预设数量的奈奎斯特区，利用选取的每一奈奎斯特区的信号副本的频率测量值计算该信号副本对所述待测信号的频率测量值，并将选取的每一奈奎斯特区的信号副本对所述待测信号的频率测量值的平均值确定为所述待测信号的频率估计值。
5.所述信号采集与处理单元通过以下公式计算选取的任一奈奎斯特区的信号副本对所述待测信号的频率测量值：
6.在所述待测信号的频率f
in
位于第2n+1奈奎斯特区时：
7.当i为奇数时，
8.当i为偶数时，
9.在f
in
位于第2n+2奈奎斯特区时：
10.当i为奇数时，
11.当i为偶数时，
12.其中，n为非负整数，i为选取的任一奈奎斯特区的序号，f
inm，i
为选取的任一奈奎斯特区的信号副本对所述待测信号的频率测量值，f
m，i
为选取的任一奈奎斯特区的信号副本的频率测量值，fc为所述预采样频率梳的重复频率。
13.所述预设数量等于用以计算所述待测信号的频率估计值的信号副本的数量；每一信号副本的频率可表示为所述待测信号的频率和所述重复频率的线性组合表达式；以及，所述信号采集与处理单元所选取的任意两个奈奎斯特区的信号副本的频率满足：所述线性组合表达式中所述重复频率的系数之差不等于所述预设数量的整数倍。
14.所述重复频率与所述快速傅里叶变换的频率分辨率的比值的小数部分满足：等于所述预设数量的倒数。
15.所述信号采集与处理单元包括：模数转换器和信号处理模块；其中，所述模数转换器用以执行所述模数转换；所述信号处理模块用以确定所述待测信号的频率所在的奈奎斯特区序号，执行所述快速傅里叶变换，计算所选取的每一奈奎斯特区的信号副本对所述待测信号的频率测量值以及所述待测信号的频率估计值。
16.所述频率梳产生单元具有第一结构、第二结构或第三结构；在第一结构中，所述频率梳产生单元为光频梳产生器件，包括锁模激光器或者电光调制光频梳产生器件，所述预采样频率梳为光频梳；在第二结构中，所述频率梳产生单元为电频梳产生器件，包括非线性传输线或者阶跃恢复二极管，所述预采样频率梳为电频梳；在第三结构中，所述频率梳产生单元包括所述光频梳产生器件和第一光电探测器，所述预采样频率梳为电频梳。
17.在所述频率梳产生单元为第一结构时，所述预采样单元包括：电光调制器、光放大器、光滤波器和第二光电探测器；其中，所述电光调制器对所述待测信号进行预采样，所述光放大器、所述光滤波器和第二光电探测器用以处理预采样后的信号；在所述频率梳产生单元为第二结构或第三结构时，所述预采样单元包括用以对所述待测信号进行预采样的电混频器。
18.所述装置进一步包括连接所述预采样单元的第一信号调理单元、以及分别连接所述预采样单元和所述信号采集与处理单元的第二信号调理单元；其中，所述第一信号调理单元包括第一电滤波器、第一电放大器和第一电衰减器，用以处理所述待测信号，并将处理后的所述待测信号传输到所述预采样单元；所述第二信号调理单元包括第二电滤波器、第二电放大器和第二电衰减器，用以处理所述预采样信号，并将处理后的所述预采样信号传输到所述信号采集与处理单元。
19.所述信号采集与处理单元进一步用以：在计算出所述待测信号的频率估计值之后，使用预设的频率估计算法在计算出的所述待测信号的频率估计值的基础上进行进一步计算；其中，所述频率估计算法包括以下至少一种：多项式拟合、补零、内插快速傅立叶变
换、加权相位平均、选带傅里叶变换。
20.所述装置进一步包括：分别连接所述频率梳产生单元、所述预采样单元、所述信号采集与处理单元、第一信号调理单元和第二信号调理单元的控制单元；其中，所述控制单元用以：设定所述预采样频率梳的重复频率和功率，设定第一电滤波器、第一电放大器、第一电衰减器、第二电滤波器、第二电放大器和第二电衰减器的参数，设定所述预采样单元中各器件的参数，设定所述模数转换的采样率、所述快速傅里叶变换的计算点数和所述预设数量，为所述频率梳产生单元和所述信号采集与处理单元提供基准时钟频率。
21.实施本发明的频率估计装置，具有以下有益效果：利用具有特定重复频率的频率梳在模拟域对信号进行预采样，将待测信号扩展到多个预采样奈奎斯特区中。然后在数字域，提取预采样信号fft频谱中多个奈奎斯特区的信号副本频率值，通过简单的平均算法，进而实现信号频率估计精度的显著提升。
附图说明
22.图1是本发明实施例的频率估计装置的结构示意图；
23.图2是本发明实施例的预采样示意图；
24.图3是本发明实施例的一个测量误差示意图；
25.图4是本发明实施例的另一个测量误差示意图；
26.图5是本发明实施例的第一信号调理单元的结构示意图；
27.图6是本发明实施例的频率梳产生单元的结构示意图；
28.图7是本发明实施例的预采样单元的一个结构示意图；
29.图8是本发明实施例的预采样单元的另一个结构示意图；
30.图9是本发明实施例的信号采集与处理单元的结构示意图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明提出了一种基于预采样和多测量值平均的高精度频率估计装置，即利用具有特定重复频率的频率梳在模拟域对信号进行预采样，将待测信号扩展到多个预采样奈奎斯特区中，形成多个信号副本。然后在数字域，对预采样信号进行fft变换，并在fft频谱中提取多个奈奎斯特区中的信号副本的频率测量值，通过简单的频率平均算法，即可显著提升待测信号频率的估计精度。该装置的预采样过程和处理算法都非常简单和可靠，无需引入其它复杂的算法。此外，本发明装置作为一种代表性的信号处理手段，也兼容其它现有的基于fft的高精度频率估计算法。本发明的具体结构可参见图1，以下首先说明本发明的技术构思和原理。
33.对于基于fft(fast fourier transform，快速傅立叶变换)的频率测量系统，其采样率为fs，计算点数为x，则频率分辨率为f
res
＝fs/x，最大频率估计误差为f
res
/2。假设待测信号中心频率为f
in
，如图2所示，则可以表示为
34.f
in
＝(m+δ)f
res
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
35.其中m是正整数，δ是位于区间[0，1)的小数。在fft频谱中，信号频率测量值表示为
[0036]finm
＝m
×fres
+[δ]
×fres
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0037]
其中[
·
]表示就近取整。由公式(1)和(2)可以得到信号频率的测量误差
[0038]
δ＝f
inm-f
in
＝{[δ]-δ}f
res
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0039]
由于[δ]＝int(δ)+[rmod(δ)]，这里int(x)和rmod(x)分别表示x的整数部分和小数部分，因此公式(3)简化为
[0040]
δ＝{[rmod(δ)]-rmod(δ)}f
res
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0041]
显然，由于0≤δ＜1，所以-0.5＜δ≤0.5，所以原始信号的最大估计误差为f
res
/2，这是fft频率检测系统由于频谱分布存在离散性所造成的。
[0042]
如果用重复频率为fc＝(α+ε)f
res
的频率梳(如图2所示)对待测信号进行预采样，则采样后信号频谱如图2所示，该信号被复制到预采样频率梳的各个预采样奈奎斯特区中，即预采样频率梳的每个奈奎斯特区内都将包含待测信号的一个副本。若待测信号位于第n(n为非负整数)个梳齿和n+1个梳齿之间，即第2n+1或2n+2奈奎斯特区，则其经过预采样后，位于第i个预采样奈奎斯特区内信号副本的频率fi可表示为：
[0043]
(1)在信号f
in
位于第2n+1奈奎斯特区时：
[0044][0045]
或
[0046][0047]
(2)在信号f
in
位于第2n+2奈奎斯特区时：
[0048][0049]
或
[0050][0051]
这里fc＝(α+ε)f
res
是预采样频率梳的重复频率，nfc表示第n个梳齿的频率，α是正整数，ε是位于区间[0，1)的小数。在fft频谱中，频率值(5-1)～(5-4)的测量值f
m，i
表示为：
[0052]
(1)在信号f
in
位于第2n+1奈奎斯特区时：
[0053][0054]
或
[0055][0056]
(2)在信号f
in
位于第2n+2奈奎斯特区时：
[0057][0058]
或
[0059][0060][0061]
显然，如果已知待测信号的频率f
in
所在的奈奎斯特区，即已知临近预采样频率梳齿阶数n或n+1，并利用信号采集与处理单元获得位于第i个预采样奈奎斯特区的信号副本的频率测量值f
m，i
，则容易由该频率测量值通过公式(6-1)～(6-4)计算出待测信号的频率测量值f
inm，i
，即信号副本对待测信号的频率测量值。
[0062]
(1)在信号f
in
位于第2n+1奈奎斯特区时：
[0063][0064]
或
[0065][0066]
(2)在信号f
in
位于第2n+2奈奎斯特区时：
[0067][0068]
或
[0069][0070]
进而可推导得到待测信号的频率测量误差为：
[0071]
(1)在信号f
in
位于第2n+1奈奎斯特区时：
[0072][0073]
或
[0074][0075][0076]
(2)在信号f
in
位于第2n+2奈奎斯特区时：
[0077][0078]
或
[0079][0080]
显然，δi的表达式与δ类似，其值取决于δ和ε，取值范围为(-0.5，0.5]。不失一般性。对于一个频率稳定的待测信号，具有确定的δ，而预采样频率梳的重复频率是可变的，其
ε也是可设定的，且不同阶数梳齿的小数部分具有rmod(nε)性质。δi的取值与ε的关系如图3所示，在图 3中，δ取值为0.2f
res
，a.u.表示无量纲，δ
max
为δi的最大值。
[0081]
显然，依赖于不同的ε值，δi分布在整个(-0.5，0.5]区间，而 rmod(nε)的取值又可以覆盖整个[0，1)区间。因此，可以考虑依照当前的fft分辨率f
res
，设置一个特定的ε值，使ε
×
n＝1，n为预设数量，其为正整数，表示用以计算待测信号的频率估计值(即通过多测量值平均最终得到的待测信号频率值)所选取的信号副本的数量。通过采集待测信号位于n个不同预采样奈奎斯特区内的信号副本，获得它们的频率测量值f
m，i
(即每一信号副本对待测信号的频率测量值)，并进一步计算这些频率测量值的平均值，将可能有助于减小频率测量误差。具体分析过程如下。
[0082]
对于任意整数k和l，由于[rmod(δ-(n
±k±
ln)ε)]
‑ꢀ
rmod(δ-(n
±k±
ln)ε)＝[rmod(δ-(n
±
k)ε)]-rmod(δ
‑ꢀ
(n
±
k)ε)，所以在选择信号副本时，应当满足下述取值条件：任意两个信号副本的表达式(6-1)～(6-4)和(8-4)～(8-4)中，ε的系数之差不能是n 的整数倍，否则这两个信号副本的测量值是等价的，如此会影响测量精度。由于上述ε的系数即为fc的系数，也就是说，对于所选取的任意两个奈奎斯特区的信号副本的频率，其线性组合表达式中重复频率的系数之差不等于上述预设数量n的整数倍。
[0083]
鉴于预采样信号的fft频谱范围通常是有限的，一般从dc到一个有限的截止频率，主要包含预采样信号中低序数奈奎斯特区。因此，应当从这些奈奎斯特区中，选择满足上述取值条件的n个信号副本进行平均值计算。一种典型的平均值计算方式是在预采样信号fft频谱中，选取第1至第n个连续预采样奈奎斯特区信号副本，利用这些副本求得的待测信号的频率测量值，进一步平均计算待测信号频率。为简便起见，假设待测信号f
in
位于第2n+1个预采样奈奎斯特区 [nfc，(n+1/2)fc]内，n为偶数，预采样奈奎斯特区序数i∈[1，n]，则基于第1至第n个预采样奈奎斯特区信号副本的频率测量值平均值(即待测信号的频率估计值)为
[0084][0085]
公式(9)可以简化为
[0086][0087]
这里δa是测量平均值的误差，表示为
[0088][0089]
δ和δa与不同δ的取值关系如图4所示，其中ε＝0.1，ε
×
n＝1，为δa的最大值。可见δa比δ有显著的减小，取值范围从(-0.5，0.5] 减小到(-0.05，0.05]，也即频率估计精度提升了10倍。在上述预采样和平均值计算方法的基础上，还可以应用其它类型的基于fft的高精度频率估计算法，进一步地降低测量误差(即图4中的measurementderivation)。
[0090]
除了上述为了简便起见设定的条件外，对于待测信号f
in
位于任意预采样奈奎斯特区内，以及n为任意自然数，只要满足ε
×
n＝1条件，并且所选取用来计算待测信号频率平均值的多个信号副本中，任意两个信号副本的ε的系数之差不是n的整数倍，则都能够达到公式(11)提升待测信号频率估计精度的效果。例如利用n个连续奇数序数i的预采样奈奎斯特区信号副本计算待测信号频率平均值。
[0091]
根据以上技术构思，可以设计图1所示的频率估计装置。如图1 所示，本发明实施例的频率估计装置可以包括：频率梳产生单元、预采样单元和信号采集与处理单元。
[0092]
其中，频率梳产生单元与预采样单元连接，预采样单元与信号采集与处理单元连接。频率梳产生单元产生用于预采样的预采样频率梳，实际应用中，以上预采样频率梳可以是光频梳或者电频梳。频率梳产生单元可以采用任何能够满足预采样频率梳要求的产生方式，典型方式有光频梳产生器件(例如锁模激光器、电光调制光频梳产生器件等，可产生光频梳信号)、电频梳产生器件(例如非线性传输线、阶跃恢复二极管等，可产生电频梳信号)，还可以首先通过光频梳产生器件产生光频梳，再将光频梳输入光电检测器形成电频梳。预采样频率梳需要满足的基本要求是，可以特别设定的重复频率fc，梳齿间隔严格等于重复频率，频谱上梳齿具有较为平坦的功率分布。频率梳产生单元产生的预采样频率梳输入到预采样单元中，对待测信号进行预采样。
[0093]
预采样单元使用频率梳产生单元产生的预采样频率梳对模拟域的待测信号进行预采样，得到预采样信号。以上预采样信号可以包括：位于预采样频率梳的各奈奎斯特区的、待测信号的多个信号副本。图2 是本发明实施例的预采样示意图，如图2所示，a中示出了输入信号f
in
即待测信号。b中示出了预采样频率梳的频谱，重复频率fc的整数倍频率如0、fc、2fc、3fc……
为频率梳的梳齿。从频率为零的梳齿开始，相邻的梳齿之间存在左右两个奈奎斯特区，各奈奎斯特区的序号从1 开始递增，左奈奎斯特区的序号为奇数，右奈奎斯特区的序号为偶数。图2中的c示出了预采样结果，即预采样信号的频谱，预采样的原理是将待测信号与预采样频率梳相乘，从而使待测信号复制到预采样频率梳的各个预采样奈奎斯特区中，即预采样频率梳的每一奈奎斯特区中存在待测信号的一个信号副本。预采样单元的构成可以是任何满足预采样过程要求的器件，典型器件包括但不限于各类电光调制器(对应于光频梳)、电混频器(对应于电频梳)等。
[0094]
信号采集与处理单元对预采样单元输出的预采样信号进行模数转换，对模数转换形成的数字域的预采样信号进行快速傅里叶变换，从而获得多个信号副本的频率测量值。此后，信号采集与处理单元从预采样频率梳的奈奎斯特区中选取预设数量的奈奎斯特区，利用选取的每一奈奎斯特区的信号副本的频率测量值计算该信号副本对待测信号的频率测量值，最后将选取的每一奈奎斯特区的信号副本对待测信号的频率测量值的平均值确定为待测信号的频率估计值，从而实现待测信号频率的准确估计。
[0095]
实际应用中，在经fft得到各奈奎斯特区的信号副本之后，信号采集与处理单元首先需要选取数量为n(即预设数量)的信号副本用以后续计算。由前述公式5-1到5-4可知，每一信号副本的频率可表示为待测信号的频率和重复频率的线性组合表达式，则在以上选取过程中，所选取的任意两个奈奎斯特区的信号副本的频率需要满足：线性组合表达式中重复频率的系数之差不等于上述预设数量n的整数倍，只有这样，才能获得最高的测量精度，否则无法达到最佳效果。另外，如前述，重复频率fc与快速傅里叶变换的频率分辨率f
res
的比值的小数部分ε满足：等于预设数量n的倒数。
[0096]
这样，在选取出n个信号副本之后，可以利用前述公式7-1到7-4 来根据信号副本的频率测量值f
m，i
计算信号副本对待测信号的频率测量值f
inm，i
，即：
[0097]
在所述待测信号的频率f
in
位于第2n+1奈奎斯特区时：
[0098]
当i为奇数时，
[0099]
当i为偶数时，
[0100]
在f
in
位于第2n+2奈奎斯特区时：
[0101]
当i为奇数时，
[0102]
当i为偶数时，
[0103]
最后，可以根据前述公式9来计算待测信号的频率估计值，即计算所选取的每一奈奎斯特区的信号副本对待测信号的频率测量值的平均值，将其确定为待测信号的频率估计值。
[0104]
可选地，实际应用中，本发明实施例的频率估计装置还可以进一步包括第一信号调理单元和第二信号调理单元。其中，第一信号调理单元连接在待测信号的输入端口与预采样单元之间，可以对待测信号进行滤波、放大、衰减等信号处理，以有利于系统后续各个单元对信号的处理要求。第二信号调理单元连接在预采样单元与信号采集与处理单元之间，其作用类似于第一信号调理单元，用于对预采样单元输出的预采样信号进行滤波、放大、衰减等信号处理，以有利于信号采集与处理单元的采集和处理要求。
[0105]
具体应用中，本发明实施例的频率估计装置还可以进一步包括控制单元，用于对系统各单元进行总体控制，主要包括：设定和控制频率梳产生单元的频率梳重复频率、第一信号调理单元和第二信号调理单元的滤波、放大、衰减参数、预采样单元各器件参数、信号采集与处理单元的采样率、fft计算点数和高精度频率估计中副本所需数量 (即上述预设数量)等相关参数。在图1中，实线表示模拟链路，虚线表示控制链路，可以看到，控制单元与
频率梳产生单元、预采样单元、信号采集与处理单元、第一信号调理单元和第二信号调理单元通过控制链路连接。
[0106]
图5是本发明实施例的第一信号调理单元的结构示意图，如图5 所示，第一信号调理单元可以包括第一电滤波器、第一电放大器和第一电衰减器，用于分别对待测信号进行滤波、放大和衰减处理，第一信号调理单元还包括信号输入端口和信号输出端口。处理后的待测信号从信号输出端口传输到预采样单元。第二信号调理单元具有类似结构，其包括第二电滤波器、第二电放大器和第二电衰减器，用于处理预采样信号，并将处理后的预采样信号传输到信号采集与处理单元。第一信号调理单元和第二信号调理单元的具体构成、参数选择和连接关系可以根据实际需要调整。
[0107]
在本发明实施例中，以上频率梳产生单元可以利用任何能够产生重复频率并且满足预采样要求的频率梳产生方式。示例性地，频率梳具有第一结构、第二结构或第三结构。在第一结构中，频率梳产生单元为光频梳产生器件，包括锁模激光器或者电光调制光频梳产生器件，产生的预采样频率梳为光频梳。
[0108]
在第二结构中，频率梳产生单元为电频梳产生器件，产生的预采样频率梳为电频梳，电频梳产生器件包括非线性传输线或者阶跃恢复二极管，这些器件在具有所需频率梳重复频率的高功率点频信号激励下，可以产生所需重复频率的预采样电频梳。
[0109]
在第三结构中，频率梳产生单元包括以上光频梳产生器件和第一光电探测器，其结构如图6所示，产生的频率梳为电频梳信号。其中，该光频梳产生器件用于产生光频梳，第一光电探测器用于将光频梳转换为电频梳。以上光频梳产生器件可以使用锁模激光器或者电光调制光频梳产生器件等，第一光电探测器可以采用任何能够满足将光频梳信号转换为电频梳信号的光电探测器。
[0110]
较佳地，在频率梳产生单元为第一结构时，预采样单元可以包括：电光调制器、光放大器、光滤波器和第二光电探测器，还可以包括光频梳输入端口和信号输出端口，如图7所示。其中，电光调制器是必选器件，用于对输入的待测信号进行预采样，即，将待测信号调制到光频梳。电光调制器可以采用任何能够将待测信号上变频到预采样光频梳的电光调制器类型，包括但不限于强度调制器、偏振调制器、相位调制器等。光放大器、光滤波器为可选器件，分别用于信号放大和滤波，二器件的连接关系可以根据实际需要调整，是否使用、使用哪种类型器件以及使用哪种连接关系，取决于系统设计过程中对预采样单元输出的预采样信号的质量要求。第二光电探测器是必选的，可以采用任何能够满足将预采样信号从光域下变频到电域的光电探测器。
[0111]
在频率梳产生单元为第二结构或第三结构时，预采样单元包括用于对待测信号进行预采样的电混频器。如图8所示，预采样单元包括电混频器、信号输入端口、电频梳输入端口和信号输出端口。信号输入端口的作用是接收待测信号，电频梳输入端口的功能是接收预采样电频梳，信号输出端口的功能是输出预采样信号，电混频器的作用是将待测信号调制到电频梳上。电混频器可以是任何满足上述调制需求的电子器件。必要时，可以在电频梳输入端口和电混频器之间添加电放大器和电滤波器，目的是实现电频梳功率和梳齿数量的调控，以有利于待测信号的预采样。
[0112]
如图9所示，本发明实施例的信号采集与处理单元可以包括：模数转换器和信号处理模块，还包括信号输入端口和数据输出端口。其中，信号输入端口用于输入预采样信号，
数据输出端口用于输出计算到的待测信号的频率估计值，模数转换器用于执行预采样信号的前述模数转换，信号处理模块用于确定待测信号的频率所在的奈奎斯特区序号、执行fft以及计算待测信号的频率估计值。信号处理模块具有以下四种功能。
[0113]
频率粗估计：对待测信号进行频率粗判别，以确定待测信号位于预采样频率梳的哪个奈奎斯特区，也即确定前述公式7-1到7-4中的n 的具体数值以及f
in
是位于第2n+1奈奎斯特区还是第2n+2奈奎斯特区，如此后续可以使用公式7-1到7-4进行计算。实际应用中，可以对待测信号执行较少点数(例如128点)的fft变换或者使用频谱仪等仪器来实现频率粗估计。
[0114]
fft：计算预采样信号的fft功率谱。
[0115]
多信号频率估计：计算预采样信号功率谱的多个奈奎斯特区中信号副本的频率测量值以及信号副本对待测信号的频率测量值。
[0116]
频率平均：计算信号副本对待测信号的频率测量值的平均值，将其确定为待测信号的频率估计值。
[0117]
作为一个优选方案，信号处理模块除了上述四个功能外，还可以添加其它子功能，例如数字下变频、降采样、重采样等。特别地，信号处理模块可以进一步用于：在计算出待测信号的频率估计值之后，使用预设的频率估计算法在计算出的待测信号的频率估计值的基础上进行进一步计算，以进一步提高频率估计精度。其中，上述频率估计算法包括以下至少一种：多项式拟合、补零、内插快速傅立叶变换、加权相位平均、选带傅里叶变换。
[0118]
在本发明实施例中，频率估计装置可以进一步包括控制单元，其分别连接频率梳产生单元、预采样单元、信号采集与处理单元、第一信号调理单元和第二信号调理单元的控制单元，用于对系统进行总体控制。具体地，其可以用于设定预采样频率梳的重复频率和功率，设定第一电滤波器、第一电放大器、第一电衰减器、第二电滤波器、第二电放大器和第二电衰减器的参数，设定预采样单元中各器件的参数，设定模数转换的采样率、快速傅里叶变换的计算点数和上述预设数量，为频率梳产生单元和信号采集与处理单元提供基准时钟频率。
[0119]
综上所述，在本发明实施例的技术方案中，提出了一种基于预采样和多测量值平均的高精度频率估计装置，即利用具有特定重复频率的频率梳在模拟域对信号进行预采样，将待测信号扩展到多个预采样奈奎斯特区中。然后在数字域，提取预采样信号fft频谱中多个奈奎斯特区的信号副本的频率测量值，通过简单的平均算法，进而实现信号频率估计精度的显著提升。其中关键特征有两点：
[0120]
第一，利用具有特定重复频率的频率梳对待测信号进行预采样。预采样频率梳重复频率优选满足下列关系，即依照系统fft频谱分辨率f
res
，设置一个特定预采样重复频率值，使该重复频率的小数部分ε，满足ε
×
n＝1，其中n是预采样信号fft频谱中用以计算待测信号频率的信号副本数量(即以上预设数量)。
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第二，提取预采样信号fft频谱中位于多个预采样奈奎斯特区中的信号副本的频率测量值，并通过平均值计算得到待测信号的频率估计值。
[0122]
通过硬件上对待测信号的预采样处理和基于fft频谱数据的简单信号处理方法，实现信号频率的超分辨测量，解决当前基于硬件和算法层面在提升频率估计精度方面的主要问题。本发明装置的预采样过程和处理算法都非常简单和可靠，无需引入其它复杂的算
法。此外，本发明装置作为一种代表性的信号处理手段，也兼容其它现有的基于 fft的高精度频率估计算法。
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最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。