基于LabVIEW的高精度频率测量算法研究

ｆ６１徐晓彤等．基于ＬａｂＶＩＥＷ的低频虚拟信号源设计．微计算 机信息。２００５，２１（５）
（ａ）普通算法误差曲线
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｅａｓｕｒｅ
Ａｌｇｏｒｉｔｈ ｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶ Ｉ ＥＷ
ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ，ＣＵＩ Ｊｉａｎ
（ＰＬ～Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍａｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００１０）
４频谱校正原理
在上述处理过程中。由于第一次测得的ｆｌ存在一 定的误差，使得由ｆｌ计算出的＃ｓａ也存在误差。另外． 采样点数的调整是按给定频率分辨率的整数倍计算 的．即髑只能按频率分辨率的整数倍变化．当频率测 量精度要求更高．而采样点数受到限制时．可以用能量 矩平衡的方法对测得的频率值进行校正。能量矩平衡 校正原理如图３所示。
报（自然科学版），２００１，１６（１）：ｌ～Ｐ７ ［４］Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＬａｂＶｌＥＷ ７ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｍｅａ－
ｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ＭａｎｎｕＭ
【５】侯国屏等．ＬａｂＶＩＥＷ ７．１编程与虚拟仪器设计．北京：清华 大学ｆｌ｛版社．２００１：３４６～３５０
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基于ＬａｂＶＩ ＥＷ的高精度频率测量算法研究
张杰
崔健
．
（解放军通信指挥学院二系，武汉４３００１０）
摘要：为提高频率测量精确度．提出一种自动调整采样参数与频谱校正相结合的频率测量算法。 该算法首先根据当前频率值调整采样点数。以满足整周期采样的要求，然后用能量矩４ｚ撞ｉ－ 法对谱线进行校正，可使测量精确度有较大的提高。
１ ＦＭＣＷ雷达频率检测电路的组成
ＦＭＣＷ雷达中频信号处理电路如图１所示。发射 信号与反射信号经混频器混频．其差频信号经信号调 理电路进行放大、滤波后送数据采集与Ｆ兀’处理电路， 计算机根据中频信号频率利用公式计算出距离（Ｒ）和速 度（Ｖ）。
图ｌ ＦＭＣＷ雷达中频信号处理电路
主要公式如下：
厶＝等岳，仁等舶，仁孚 船叽撬’堕，矿＝杀惭）
５ 实验结果
将校正公式在ＬａｂＶＩＥＷ语言环境下用ＮＩ一数据采 集卡进行了实际采集实验。输入信号在１０．８０ＫＨｚ范 嗣内以７００Ｈｚ为间隔取１００个频率点．用普通方法测 得的以标准差表示的相对误差曲线如图４（ａ）所示，相 对误差标准差为１．０３％．用自动调整柏与频谱校正相 结合的测最方法得到的相对误差曲线如图４（ｂ）所示，相 对误差标准差为０．０１％，实测结果表明．改进后的算法 可使频率测量精度提高１００倍以上．同时具有较好的 抗干扰能力。
其中：￡＋为ｉ角波上升段中频频率；ｆＩ一为ｉ角波下 降段中频频率；厶为目标运动时的多普勒频率；Ｃ为电 磁波传播速度：Ｔ为调制二角波周期；Ｂ为发射信号带 宽；入为发射信号波长；￡为发射信号中心频率。
由Ｒ、Ｖ式町以看出，只要实时测量出ｋ、￡一，即可 计算出Ｒ和Ｖ。
２ 虚拟仪器介绍
虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试系统。 虚拟仪器通过软件将计算机强大的计算处理能力和仪 器硬件的测量控制能力结合在一起．大大缩小了仪器 硬件的成本和体积。ＬａｂＶＩＥＷ（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｖｉｒｔｕａｌ ｌｎｓｔｒ－ ａｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ） 美国国家仪器公司开发的一种图 形化虚拟仪器编程语言．它具有丰富的函数库．可以完 成数据采集、分析、显示、存储等功能，利用ＬａｂＶＩＥＷ设 计的频率测量程序具有较大的灵活性和开放性．给 ＦＭＣＷ雷达的研究带来了极大的方便。
ｐ山＋ｐ归…印瓴邓函
作为一般表达式．令谱线组有效谱线为Ｎ。则上式
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现万代方计数算据机２０１０．０５
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可表示为：
Ⅳ
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∑Ｊ口Ｊ，＝ｐｏｆｏ＝∑．ｐ二
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ｌ＝Ｉ
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肛（∑ｐ√：）／（∑ｐ。）
ｔ＝ｌ
Ｉ＝Ｉ
在上式中，有边分子部分为各谐波分量的能量矩
（功率Ｐｉ与频率‘乘积）之和，分母是各次谐波功率之 和，分式比值则是校正后的ｆｏ．它代表ｒ谱线包络的能 量重心．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｅａｓｕｒｅ；ＦＭＣＷ Ｒａｄａｒ；，ＬａｂＶＩＥＷ；Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｌｅａｋａｇｅ；Ｅｎｅｒｇｙ Ｍｏｍｅｎｔ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ；
Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ
万方数据
现代计算机２０１０．０５
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（ｈ）ｉ＝ｌ 图２采样参数调整程序框图
圈３能量矩平衡原理图
ｐｌ。ｐ。足经ＦＦｒｒ分析得到的一组谱线，可以设想在 谱线组的反方向存在一个Ｐｏ，它等于谱线组能量之和， 位于实际信号频率ｆｏ处。假定ｐｏ乘以矗表示Ｐ。对频率 原点的能量矩．此能量矩应等于谱线组各分能量矩之 和．即：
关键词：频率测量；ＦＭＣＷ雷达；ＬａｂＶＩＥＷ；频率泄漏；能量矩平衡；校正
／／
０ 引言 在调频连续波（ＦＭＣＷ）雷达测量实践中，为得到
中频信号的频率ｍ，通常采用快速傅里叶变换（ＦＦｆｒ）的 方法将时间信号变成离散的频谱信号．然后根据峰值 谱线的位置确定频率值。而在数据采集环境下．采集电 路和被测信号一般不具备同步关系．采集到的是被截 断的离散信号。在对这种信号进行离散傅立叶变换时， 所得到的只是连续谱的一些离散值．在非整周期采样 条件下．谱线最大值的位置往往偏离频谱包络中心，从 而形成泄漏误差。
按此方法在ｋｂＶＩＥＷ环境Ｆ编写的图形化程序 如图２所示．将两次采集及ＦＦ．Ｉ＇处理过程置于Ｆｏｒ循 环框架内．Ｆ０ｒ循环计数端Ｅｌ Ｎ＝２．当重复端口ｉ＝０时。 执行第一次循环．以Ｉ｝Ｓ＝１０００、Ｆ。＝１ＭＨｚ进行第一次采 集和Ｆ盯变换，得到一个频率值ｆｌ。并将ｆｌ通过移位寄 存器传输到框架左端，ｉ＝ｌ时，ｅａｓｅ框架为Ｆａｌｓｅ。将ｆ１ 和Ｒ接人ｃａｓｅ框架．由框架内儿个节点完成对群ｓ的 修正运算．并以新的＃Ｓａ进行第二次数据采集和Ｆｆ－Ｉ． 得到频率值ｆ２，此时。已基本克服非整周期采样带来的 泄漏误差。
为克服频谱泄漏．本方案采用动态调整采样点数 的办法实现整周期采样。具体方法是：先按照距离分辨 率的最低要求（ＡＲ：ｌｍ）．根据调频连续波（ＦＭＣＷ）雷达 中频信号公式ｆＦ４ＢｗｒＣ（Ｂ为发射信号带宽取３００ＭＨｚ、 Ｔ为调制二三角波周期取２ｍｓ、Ｒ为距离测最范嗣取５。 １００ｍ、Ｃ为电磁波传播速度），计算出频率分辨率△ｆｌ＝ ｌＫＨｚ，再根据公式：幽＝吖桶（Ｆｓ为采样频率、朽为采样 点数）给ｍ采样频率Ｌ＝ｌＭＨｚ，计算出采样点数＃ｓ＝ １０００。用此参数先粗测一次频率值为ｆｌ，接下来进行以 下三步处理：①用Ｆ。除以ｆＩ，得到Ａ＝ＦＪｆ，（一个信号周 期包含的采样点数）：⑦用＃Ｓ除以Ａ，得到实际采集信 号的周期数Ｂ：③对Ｂ取整数并乘以Ａ，得到调整后的 采样点数＃ｓａ，以＃ｓａ、Ｆ。为新的采样参数进行第二次采 集并进行快速傅立叶变换得到最后的频率值ｆ２，此时， 已基本消除非整周期采样产牛的泄漏误差。
（ｂ）改进算法误差曲线
图４两种算法误差对比
参考文献 『１１庞浩等．应用Ｆ盯进行电力系统谐波分析的改进算法．中
国电机工程学报，２００３，２３（６）：５０—５４ 『２］Ｔ康。江利旗．离散频谱的能量霞心校正法．振动工程学
报，２００１．１４（３）：３５４—３５８ ｆ３１ｆｆ汀凯，丁康．在ＬａｂＶＩＥＷ中实现频谱校正．汕头大学学
３ 采样参数调整原理
ＦＭＣＷ雷达混频器输出的中频信号是被ｉ角波截
收稿日期：２０１０－０３－２９ 修稿日期：２０１０－０３－３１ 作者简介：张杰（１９７７一），男，河北石家庄人，硕士研究生，讲师，研究方向为计算机应用
万方数据
现代计算机２０１０．０５
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断的不连续信号．其频谱是具有一定主瓣宽度及多个 旁瓣的连续谱。在对信号进行离散傅靛叶变换时，所得 到的只是连续谱的一蠖离散值，为使离散傅立叶变换 结果和实际信号频率一致．应当保证在一个丁作周期 内采集到的中频信号是一个完整周期（或足信号周期 的整数倍）．否则会产生较大的测量误差。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅ，ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅａｓｕｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｆｉｒｓｔ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｎｕｍｂｅｒ ｂａｓｅｄ ｏFra Baidu bibliotek ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｏｒ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐｅｒｉｏｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ，ａｆｔｅｒｗａｒｄｓ，ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｕｌｅｓ，ＳＯ ａ８ ｔｏ ｇｅｔ ａ ｍｏｒｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅ．