專利名稱：快速相位計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號相位測量領(lǐng)域，是一種具有精確測量被測信號間的相位 差同時能提供各被測信號精確的瞬時相位值功能的快速相位計(jì)。
背景技術(shù)：
相位測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防、科研、生產(chǎn)、電力、機(jī)械工程應(yīng)用等各 個領(lǐng)域，且對相位測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展。相位測
量方案有多種脈沖填充計(jì)數(shù)法，將被測信號整成方波信號并形成輸出脈沖 序列的脈寬信號，以此控制閘門電路得到高頻脈沖的計(jì)數(shù)個數(shù)反映被測信號 之間的相位差；鑒相法，被測信號整形成方波信號經(jīng)異或門電路作鑒相處理， 再經(jīng)平滑濾波得到與相位差成正比的直流分量的幅值；另外還包括電壓表法 等。這些方法有其各自的適應(yīng)范圍，電路各不相同，需要專用的器件，硬件 成本高，給使用帶來很大的不便。另外現(xiàn)有相位測量方案無法給出各個被測 信號的精確的瞬時相位值。近年來隨著數(shù)字電子技術(shù)以及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 相位測量技術(shù)也逐漸向數(shù)字化方向發(fā)展。數(shù)字化相位測量方案具有硬件成本 低、靈活性強(qiáng)，精度高，通過改變核心算法能適應(yīng)于不同的測量對象。
本發(fā)明通過測量各被測信號的精確的瞬時相位，然后取差值即可得到被 測信號的相位差，而且可利用經(jīng)典的FFT算法完成相位測量。由于經(jīng)典的 FFT算法在計(jì)算被測信號頻語信息時因采樣頻率與被測信號頻率有偏差導(dǎo) 致計(jì)算的被測信號的相位信息不準(zhǔn)確，無法直接應(yīng)用。本發(fā)明中，被測信號 經(jīng)過采樣后，先經(jīng)過數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理然后進(jìn)行FFT計(jì)算，這時可得到被測 信號的瞬時相位值，從而最終得到相位差。本發(fā)明的所有計(jì)算均在數(shù)字域完 成，且利用經(jīng)典的FFT算法，計(jì)算簡單快速，便于使用高速的數(shù)字處理芯 片完成，有利于降低硬件復(fù)雜度，節(jié)約成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服現(xiàn)有設(shè)備的不足，提供一種快速相位計(jì)，被測信號1和被
測信號2經(jīng)采樣后，借助于數(shù)據(jù)冗余處理技術(shù)，將各自2N-1點(diǎn)數(shù)字序列壓 縮成對應(yīng)的N點(diǎn)數(shù)字序列然后經(jīng)FFT變換計(jì)算、鐠峰搜索及反正切計(jì)算得 到對應(yīng)被測信號1和被測信號2的精確的瞬時相位值，所得被測信號1和被 測信號2的瞬時相位值的差值即是被測信號間的相位差，所得被測信號1 和被測信號2的精確的瞬時相位值及其相位差經(jīng)顯示處理后顯示。本發(fā)明的 被測信號的適用范圍較廣，其上限取決于高速A/D釆樣芯片的性能，在整個 被測范圍中具有測試時間 一致性，克服了現(xiàn)有方法在測量低頻相位差時間較 長的缺點(diǎn)。借助于FFT技術(shù)，利于使用數(shù)字信號處理芯片實(shí)現(xiàn)相位差測量， 簡化了硬件復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)成本。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，提供了一種快速相位計(jì)，包括如下處理過程 步驟1、被測信號1和被測信號2輸入到相應(yīng)信號調(diào)理電路，幅度得到調(diào)理， 小的被測信號得到放大，大的被測信號得到衰減，信號的幅度被控制在高速A/D 采樣的滿幅度附近；
步驟2、高速A/D采樣在統(tǒng)一采樣控制下對被測信號1和被測信號2采樣 形成2N-1點(diǎn)數(shù)字信號序列1和2N-1點(diǎn)數(shù)字信號序列2，并輸入到各自的數(shù)據(jù) 緩沖區(qū)；
步驟3、被測信號1的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列和被測信號2的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列 分別通過數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理，轉(zhuǎn)化為被測信號1的N點(diǎn)數(shù)字序列和被測信號2的 N點(diǎn)數(shù)字序列；
步驟4、被測信號1的N點(diǎn)數(shù)字序列經(jīng)FFT變換得到包含被測信號1相位 信息的頻語數(shù)據(jù)，所得相位數(shù)據(jù)為被測信號1采樣的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列中間點(diǎn)對 應(yīng)的相位。同樣，被測信號2的N點(diǎn)數(shù)字序列經(jīng)FFT變換得到包含被測信號2 相位信息的頻譜數(shù)據(jù)，所得相位數(shù)據(jù)為被測信號2采樣的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列中間點(diǎn)對應(yīng)的相位；
步驟5、對被測信號1頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行譜峰搜索，得到被測信號l幅值最大 的譜，求其虛部與實(shí)部之比值再計(jì)算反正切得到被測信號1采樣的2N-1點(diǎn)數(shù)字 序列中間點(diǎn)對應(yīng)的精確的瞬時相位值。同樣，對被測信號2頻i瞽數(shù)據(jù)進(jìn)行語峰 搜索，得到被測信號2幅值最大的譜，求其虛部與實(shí)部之比值再計(jì)算反正切得 到被測信號2采樣的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列中間點(diǎn)對應(yīng)的精確的瞬時相位值；所得 被測信號1的瞬時相位值與被測信號2的瞬時相位值的差值即為被測信號1 與被測信號2之間的相位差。所得被測信號1的瞬時相位值、被測信號2的 瞬時相位值以及被測信號1與被測信號2的相位差經(jīng)顯示處理后顯示；
步驟6、所述步驟1到5中也包括只對被測信號1或#_測信號2處理，此 時可得到單個被測信號1或被測信號2的精確的瞬時相位值。
所述步驟2中的各高速A/D采樣的統(tǒng)一采樣控制包括采樣速率、開始采 樣及結(jié)束采樣均由系統(tǒng)統(tǒng)一控制。
所述步驟3中數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理將2N-1點(diǎn)數(shù)字序列經(jīng)加窗處理后以序列中 間點(diǎn)為中心兩邊疊加壓縮成N點(diǎn)數(shù)字序列。
所述步驟3到5中所有計(jì)算均在數(shù)字域完成，利用經(jīng)典的FFT算法， 便于利用快速的數(shù)字處理芯片實(shí)現(xiàn)。
由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明中被測信號經(jīng)信號調(diào)理后直接由高速A/D 采樣形成數(shù)字序列，方案中采用了數(shù)據(jù)冗余處理技術(shù)，通過FFT計(jì)算直接 測量被測信號1和^J!'J信號2的精確的瞬時相位值，/i人而方便地計(jì)算出相位 差。在技術(shù)方案中無須對被測信號作方波整形，這一點(diǎn)與現(xiàn)有相位測量方案 完全不一樣。本發(fā)明中的所有計(jì)算均在數(shù)字域通過軟件算法中完成，便于采 用高速的數(shù)字處理芯片實(shí)現(xiàn)，也有利于降低硬件復(fù)雜度和系統(tǒng)成本。
本發(fā)明與現(xiàn)有設(shè)備相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)除了能夠測量被測信號之間的相位差，還可以提供各被測信號的 精確的瞬時相位值。(2) 采用數(shù)據(jù)冗余處理技術(shù)，克服了直接FFT計(jì)算中因頻率偏差引起 的相位不準(zhǔn)的缺點(diǎn)，從而降低了對高速A/D采樣的采樣頻率的控制復(fù)雜度。(3) 采用數(shù)據(jù)冗余處理技術(shù)將2N-1點(diǎn)數(shù)字序列壓縮為N點(diǎn)數(shù)字序列， 降低了后續(xù)FFT變換所需的運(yùn)算量，且只需要較少的采樣數(shù)據(jù)就可獲得被 測信號精確的相位值及其相位差，從而實(shí)現(xiàn)高速、高精度的相位測量。(4) 本發(fā)明的計(jì)算量主要在數(shù)字域完成，便于使用數(shù)字信號處理芯片實(shí) 現(xiàn)。降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使得設(shè)備的制造成本處在允許范圍內(nèi)，便于采 用國內(nèi)外主流的芯片實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件可根據(jù)應(yīng)用測量的需要而更新。


圖1所示為執(zhí)行本發(fā)明的快速相位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2所示為被測信號1和被測信號2的相位差分析結(jié)果圖；圖3所示為帶有噪聲的被測信號1和被測信號2的相位差分析結(jié)果圖；具體實(shí)現(xiàn)方式本發(fā)明的基本思想是理論上傅里葉變換需要對無限長時域信號作變 換，這在物理實(shí)現(xiàn)中是難以做到的。實(shí)際應(yīng)用中離散傅里葉變換也只能針對 有限長數(shù)字序列，信號必須先經(jīng)過截?cái)唷Ｓ捎谛盘栐跁r域上的截?cái)嘈?yīng)、實(shí) 際信號之間存在著頻率偏差以及受到諧波或噪聲的干擾，通過FFT計(jì)算得到的被測信號的相位信息存在很大的誤差。在傳統(tǒng)的FFT頻譜分析中，只 有通過增加數(shù)字序列長度N來達(dá)到減小相位差測量誤差的目的，這樣會大 大增加FFT算法的運(yùn)算量，且效果不佳。在本發(fā)明中被測信號1和被測信 號2經(jīng)信號調(diào)理后，由高速A/D釆樣得到2N-1點(diǎn)包含被測信號相位信息的 數(shù)字序列，N為FFT算法執(zhí)行需要的長度，可預(yù)先設(shè)置。被測信號1和被 測信號2的采樣過程是并行處理的，且由系統(tǒng)統(tǒng)一控制。為了避免直接對有 限長采樣點(diǎn)數(shù)字序列作FFT運(yùn)算造成信號頻諳的能量泄漏從而產(chǎn)生相位誤 差，采取了先對2N-1點(diǎn)數(shù)字序列作數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理壓縮成N點(diǎn)數(shù)字序列，然后對N點(diǎn)數(shù)字序列進(jìn)行FFT運(yùn)算，這樣可得到被測信號非常精確的瞬時 相位值，從而計(jì)算出被測信號之間的相位差。本發(fā)明的快速相位計(jì)結(jié)構(gòu)示意 圖如圖1所示。下面通過具體實(shí)施示例詳細(xì)說明本發(fā)明的快速相位計(jì)的相位 差測量結(jié)果。如圖2所示為被測信號1和被測信號2的相位差分析結(jié)果圖，實(shí)施示例中被測信號1為1.0*cos(2TT*48,1*t+50.123*pi/180); 被測信號2為0.8*cos(2TT*48.rt+150.346*pi/180); 被測信號的頻率為48.1Hz，在實(shí)施示例中，取FFT的計(jì)算長度為N=512, 滿足采樣定理的要求，被測信號的采樣序列長為2N-1-1023個點(diǎn)。經(jīng)過數(shù) 據(jù)冗余預(yù)處理、FFT計(jì)算、鐠峰搜索以及反正切計(jì)算后得到的被測信號1 和被測信號2的瞬時相位值以及二者的相位差如下被測信號1的瞬時相位值50.123度；被測信號2的瞬時相位值150.346度；被測信號之間的相位差為-100.223度。 在沒有噪聲的條件下非常精確地測量出被測信號的相位差。如圖3所示為帶有噪聲的被測信號1和被測信號2的相位差分析結(jié)果 圖，實(shí)施示例中被測信號與圖2中相同被測信號1為1.0*cos(2TrM8.1*t+50.123*pi/180); 被測信號2為0.8*cos(2TT*48.1*t+150.346*pi/180);但每個被測信號中增加了高斯白噪聲，信噪比不低于15db。在實(shí)施示例中， 仍然取FFT的計(jì)算長度為N=512，滿足采樣定理的要求，被測信號的采樣 序列長為2N-1-1023個點(diǎn)。同樣經(jīng)過數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理、FFT計(jì)算、譜峰搜 索以及反正切計(jì)算后得到的被測信號1和被測信號2的瞬時相位值以及二者 的相位差如下被測信號1的瞬時相位值50.2064度； 被測信號2的瞬時相位值150.2815度；被測信號之間的相位差為-100.0751度，與理論值相差0.1479度。 數(shù)據(jù)顯示，在信噪比不低于15db下，測量的被測信號1與被測信號2之間 的相位差與理論上的相位差值的相對誤差約為0.15%,非常精確，能滿足實(shí) 際需要。
權(quán)利要求
1、一種快速相位計(jì)，包括如下處理過程步驟11、被測信號1和被測信號2輸入到相應(yīng)信號調(diào)理電路，幅度得到調(diào)理，小的被測信號得到放大，大的被測信號得到衰減，信號的幅度被控制在高速A/D采樣的滿幅度附近；步驟12、高速A/D采樣在統(tǒng)一采樣控制下對被測信號1和被測信號2采樣形成2N-1點(diǎn)數(shù)字信號序列1和2N-1點(diǎn)數(shù)字信號序列2，并輸入到各自的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；步驟13、被測信號1的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列和被測信號2的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列分別通過數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理，轉(zhuǎn)化為被測信號1的N點(diǎn)數(shù)字序列和被測信號2的N點(diǎn)數(shù)字序列；步驟14、被測信號1的N點(diǎn)數(shù)字序列經(jīng)FFT變換得到包含被測信號1相位信息的頻譜數(shù)據(jù)，所得相位數(shù)據(jù)為被測信號1采樣的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列中間點(diǎn)對應(yīng)的相位。同樣，被測信號2的N點(diǎn)數(shù)字序列經(jīng)FFT變換得到包含被測信號2相位信息的頻譜數(shù)據(jù)，所得相位數(shù)據(jù)為被測信號2采樣的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列中間點(diǎn)對應(yīng)的相位；步驟15、對被測信號1頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行譜峰搜索，得到被測信號1幅值最大的譜，求其虛部與實(shí)部之比值再計(jì)算反正切得到被測信號1采樣的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列中間點(diǎn)對應(yīng)的精確的瞬時相位值。同樣，對被測信號2頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行譜峰搜索，得到被測信號2幅值最大的譜，求其虛部與實(shí)部之比值再計(jì)算反正切得到被測信號2采樣的2N-1點(diǎn)數(shù)字序列中間點(diǎn)對應(yīng)的精確的瞬時相位值；所得被測信號1的瞬時相位值與被測信號2的瞬時相位值的差值即為被測信號1與被測信號2之間的相位差。所得被測信號1的瞬時相位值、被測信號2的瞬時相位值以及被測信號1與被測信號2的相位差經(jīng)顯示處理后顯示；步驟16、所述步驟11到15中也包括只對被測信號1或被測信號2處理，此時可得到單個被測信號1或被測信號2的精確的瞬時相位值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速相位計(jì)，其特征在于所述步驟12 中的各高速A/D采樣的統(tǒng)一采樣控制包括采樣速率、開始采樣及結(jié)束采樣均 由系統(tǒng)統(tǒng)一控制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速相位計(jì)，其特征在于，所述步驟13 中數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理將2N-1點(diǎn)數(shù)字序列經(jīng)加窗處理后以序列中間點(diǎn)為中心兩邊 疊加壓縮成N點(diǎn)數(shù)字序列。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速相位計(jì)，其特征在于，所述步驟13 到15中所有計(jì)算均在數(shù)字域完成，利用經(jīng)典的FFT算法，便于利用快速的 數(shù)字處理芯片實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及信號相位測量領(lǐng)域。該發(fā)明的快速相位計(jì)，被測信號1和被測信號2進(jìn)入相應(yīng)信號調(diào)理電路，首先對被測信號1和被測信號2的幅度進(jìn)行調(diào)理，高速A/D采樣在統(tǒng)一的采樣控制下對被測信號1和被測信號2采樣形成數(shù)字信號1和數(shù)字信號2，經(jīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)緩沖后，分別經(jīng)數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理、FFT變換、譜峰搜索及反正切計(jì)算等過程最終得到被測信號1和被測信號2的精確的瞬時相位數(shù)據(jù)，并計(jì)算被測信號間的相位差。本發(fā)明通過數(shù)據(jù)冗余預(yù)處理能提供被測信號之間相位差，同時可計(jì)算各自被測信號的精確的瞬時相位值，克服了現(xiàn)有相位計(jì)中不能提供被測信號的瞬時相位的缺點(diǎn)。
文檔編號G01R25/00GK101320060SQ20081011685
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日
發(fā)明者吳鑫山, 張其善, 王兆華, 王必勝 申請人:北京航大智慧科技有限公司