頻率匹配的原理及其硬件實(shí)現(xiàn)
摘 要：本文介紹了一種信號(hào)檢測(cè)的方法——頻率匹配,文中詳細(xì)地?cái)⑹隽祟l率匹配算法的原理,用Matlab從理論上證明了算法的正確性, 在此基礎(chǔ)上用可綜合的RTLVerilog模型描述了算法,通過(guò)對(duì)綜合后網(wǎng)表進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了頻率匹配算法硬件實(shí)現(xiàn)的可行性。最后,根據(jù)頻率匹配的原理,實(shí)現(xiàn)了一種高精度數(shù)字頻率檢測(cè)器,并給出了相關(guān)的精度值。
關(guān)鍵詞：信號(hào)檢測(cè);頻率匹配;Matlab;高精度頻率檢測(cè)器
圖 1 實(shí)現(xiàn)頻率匹配算法的結(jié)構(gòu)框圖
圖2 頻率匹配算法模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
前言
對(duì)于未知信號(hào),可以通過(guò)傅立葉變換來(lái)檢測(cè)信號(hào)中的頻譜分布情況。但是,從傅立葉變換的結(jié)果只能看出該信號(hào)中包含哪些頻率,而對(duì)于某頻率的幅度在時(shí)域的分布情況卻無(wú)從知曉,為了弄清楚某一頻率的幅度在時(shí)域的分布情況,可以通過(guò)頻率匹配來(lái)測(cè)定。同樣,如果知道某一信號(hào)中包含某一頻率,也可以通過(guò)頻率匹配將信號(hào)中該頻率的幅度所在的時(shí)域檢測(cè)出來(lái)。
所謂頻率匹配就是使用一種頻率的信號(hào)(以下稱之為匹配信號(hào))去與未知信號(hào)(以下稱之為被匹配信號(hào))進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。因?yàn)橄嚓P(guān)運(yùn)算可以用來(lái)檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)的相似性,而做相關(guān)運(yùn)算的目的就是將被匹配信號(hào)中與匹配信號(hào)頻率相同或相近的部分進(jìn)行放大,這樣就可以弄清楚與匹配信號(hào)頻率相同或相近的頻率在被匹配信號(hào)中的分布情況。匹配信號(hào)必須是一種單一頻率的信號(hào),因此最理想的匹配信號(hào)當(dāng)然就是三角函數(shù)。本文就以三角函數(shù)為例,敘述頻率匹配的原理和方法。
頻率匹配的實(shí)現(xiàn)方法
實(shí)際應(yīng)用中的信號(hào)通常是離散的,因此,本文只討論離散信號(hào)�？梢杂妙l率匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)離散信號(hào)的檢測(cè)、識(shí)別和提取。下面介紹離散信號(hào)頻率匹配的實(shí)現(xiàn)方法。
設(shè)被匹配離散信號(hào)為 X(m),其采樣頻率為 fs,取匹配離散信號(hào)為 和,離散信號(hào)的頻率匹配運(yùn)算如下：
(1)
(2)
(3)
其中 N 根據(jù)實(shí)際情況而定,通常取的整數(shù)倍。
通過(guò)匹配運(yùn)算得到的離散函數(shù) M(n),具有如下性質(zhì)：若 X(n) 在區(qū)間[n1,n2] 上的頻率為w,則 M(n) 在區(qū)間[n1,n2]上將出現(xiàn)峰值,即在區(qū)間[n1,n2] 內(nèi) M(n) 的值將明顯大于其它地方的值。
頻率匹配的 DSP 實(shí)現(xiàn)
下面簡(jiǎn)要地介紹頻率匹配的 DSP 實(shí)現(xiàn)方法,頻率匹配算法的主要部分是計(jì)算M1(n) 和M2(n) 。頻率匹配的 DSP 實(shí)現(xiàn)方法可以分成兩種：?jiǎn)尾蓸雍蛪K采樣。在單采樣模式中,每一個(gè)采樣周期內(nèi)只有一個(gè)采樣值到達(dá),在每一個(gè)采樣周期內(nèi)也只產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)輸出值。因此,單采樣實(shí)現(xiàn)的頻率匹配必須實(shí)時(shí)執(zhí)行。在塊采樣模式中,每一個(gè)塊周期內(nèi)有多個(gè)采樣值到達(dá),且每一個(gè)塊周期內(nèi)能產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)輸出值。塊采樣能夠根據(jù)實(shí)際需要,既可以很快也可以很慢地處理所有輸入采樣值。
在這里將使用塊采樣模式來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率匹配,為了節(jié)省存儲(chǔ)器和軟件開(kāi)銷,大多數(shù) DSP 硬件都可實(shí)現(xiàn)循環(huán)存儲(chǔ)器,此處的頻率匹配 DSP也使用循環(huán)緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于輸入的新的采樣值,采用新的采樣值進(jìn)入、老的采樣值溢出的方式,這樣可以節(jié)省軟件開(kāi)銷。頻率匹配的 DSP 實(shí)現(xiàn)需要 3 個(gè)循環(huán)緩沖器,用來(lái)分別存儲(chǔ) X(n)、sin(n) 和cos(n) 。其中 X(n) 在每一個(gè)塊周期內(nèi)需要接收多個(gè)采樣值,在新的采樣值進(jìn)入循環(huán)緩沖器時(shí),溢出老的采樣值。由于sin(n) 和cos(n) 是周期函數(shù),因此不需要在每個(gè)塊周期都向其循環(huán)緩
