一种基于FPGA的数字相敏检波方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于FPGA的数字相敏检波方法及系统，属于信号处理技术领域。本发明专利技术通过FPGA生成与待检测信号同频的正弦方波信号和余弦方波信号，将正弦方波信号和余弦方波信号作为参考信号，与待检测信号分别做相关运算，将两路相关运算的结果进行求模处理，并将求模结果乘以一个系数，以此作为待检测信号的幅值，从而实现从待检测信号提取出有用信号的幅值。本发明专利技术将方波作为检波时的参考信号，与正弦波作为参考信号相比，不仅简化了控制，还提高了计算效率，且操作简单、容易实现。容易实现。容易实现。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的数字相敏检波方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种基于FPGA的数字相敏检波方法及系统，属于信号处理


技术介绍

[0002]在工程测量中，被测信号往往会被有源器件产生的高斯噪声、谐波噪声以及外界环境的随机噪声等各类噪声干扰或淹没，数字相敏检波算法能够很好地从强噪声中提取出有用信号的幅值、相位信息。因此，该方法被广泛应用于现有的信号检测系统。数字相敏检波主要采用高速ADC采集模拟正弦信号，与参考的数字正弦信号做相关，以数字方式实现相敏检波。数字相敏检波算法对谐波信号与有源器件引起的随机噪声具有很强的抑制能力，更高的精度，和更大的灵活性等优点，更适合微弱信号的检测。
[0003]在现有的数字相敏检波中往往利用与被测信号同频的正弦信号作为参考，通过对参考信号与被测信号进行信号处理，获得被测信号的幅度与相位信息。在FPGA实现中，正弦信号需要利用DA模块产生，操作复杂且不易控制，使得检波效率低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于FPGA的数字相敏检波方法及系统，以解决目前基于FPGA数字相敏检波存在的控制复杂、效率低的问题。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题而提供一种基于FPGA的数字相敏检波方法，该方法包括以下步骤：
[0006]1)利用FPGA产生一个用于待检测信号同频的正弦方波信号和余弦方波信号；
[0007]2)将生成的正弦方波信号和余弦方波信号分别与待检测信号进行相关运算；
[0008]3)将相关运算结果进行求模处理，并将求模处理结果乘以频率相关系数，该结果为待检测信号的幅度。
[0009]本专利技术通过FPGA生成与待检测信号同频的正弦方波信号和余弦方波信号，将正弦方波信号和余弦方波信号作为参考信号，与待检测信号分别做相关运算，将两路相关运算的结果进行求模处理，并将求模结果乘以一个系数，以此作为待检测信号的幅值，从而实现从待检测信号提取出有用信号的幅值。本专利技术将方波作为检波时的参考信号，与正弦波作为参考信号相比，不仅简化了控制，还提高了计算效率，且操作简单、容易实现。
[0010]进一步地，所述的频率相关系数与待检测信号的频率相关，一个确定的频率对应一个确定的频率相关系数。
[0011]进一步地，为了准确得到频率相关系数，所述的频率相关系数通过实验仿真得到，仿真过程如下：
[0012]A.生成一个与待测信号频率相同的基准方波信号，其中待测信号为不同频率的已知幅值的标准信号；
[0013]B.将待测信号与基准方波信号作互相关计算结果，根据互相关结果确定方波信号提取的幅度，将方波信号提取的幅度与待测信号的幅值进行比较得到频率相关系数。
[0014]进一步地，所述的正弦方波信号和余弦方波信号分别为：square(2πfn/N+π/2)和square2πfn/N，
[0015]其中f为频率，N为一个周期的采样点数。
[0016]本专利技术还提供了一种基于FPGA的数字相敏检波系统，该检波系统采用FPGA，包括方波生成模块、相关运算模块和求模处理模块；
[0017]所述方波生成模块用于产生一个用于待检测信号同频的正弦方波信号和余弦方波信号；
[0018]所述相关运算模块用于将方波生成模块生成的正弦方波信号和余弦方波信号分别与待检测信号进行相关运算；
[0019]所述求模处理模块用于将相关运算模块的运算结果进行求模处理，并将求模处理结果乘以频率相关系数，该结果为待检测信号的幅度。
[0020]本专利技术通过FPGA生成与待检测信号同频的正弦方波信号和余弦方波信号，将正弦方波信号和余弦方波信号作为参考信号，与待检测信号分别做相关运算，将两路相关运算的结果进行求模处理，并将求模结果乘以一个系数，以此作为待检测信号的幅值，从而实现从待检测信号提取出有用信号的幅值。本专利技术将方波作为检波时的参考信号，与正弦波作为参考信号相比，不仅简化了控制，还提高了计算效率，且操作简单、容易实现。
[0021]进一步地，所述的频率相关系数与待检测信号的频率相关，一个确定的频率对应一个确定的频率相关系数。
[0022]进一步地，为了准确得到频率相关系数，所述的频率相关系数通过试实验仿真得到，仿真过程如下：
[0023]A.生成一个与待测信号频率相同的基准方波信号，其中待测信号为不同频率的已知幅值的标准信号；
[0024]B.将待测信号与基准方波信号作互相关计算结果，根据互相关结果确定方波信号提取的幅度，将方波信号提取的幅度与待测信号的幅值进行比较得到频率相关系数。
[0025]所述的正弦方波信号和余弦方波信号分别为：square(2πfn/N+π/2)和square2πfn/N，
[0026]其中f为频率，N为一个周期的采样点数。
附图说明
[0027]图1是本专利技术基于FPGA的数字相敏检波方法的原理示意图；
[0028]图2是本专利技术基于FPGA的数字相敏检波方法的流程图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步地说明。
[0030]方法实施例
[0031]本专利技术的相敏检波方法首先通过FPGA生成与待检测信号同频的正弦方波信号和余弦方波信号，然后将正弦方波信号和余弦方波信号作为参考信号，与待检测信号分别做相关运算，最后将两路相关运算的结果进行求模处理，并将求模结果乘以一个系数，以此作为待检测信号的幅值，从而实现从待检测信号提取出有用信号的幅值。该方法的实现原理
如图1所示，流程如图2所示，具体实现过程如下。
[0032]1.利用FPGA生成方波信号。
[0033]目前的基于FPGA的相敏检波一般都是生成正弦信号作为参考信号，而利用FPGA生成正弦信号往往需要利用DA模块产生，DA模块操作复杂，不易控制。为此，本专利技术采用方波信号作为参考信号。与正弦波相比，FPGA在生成方波信号时只需要通过高电平控制即可，无需DA模块，大大简化了电路。本专利技术需要的方波信号与待检测信号的频率一致，由于方波信号可以看成是对正弦信或余弦信号整流得到。为此，本专利技术生成两路方波信号，一路是正弦方波信号，一路是余弦方波信号。
[0034]若待测信号为x(n)＝A sin(2πn/N+ψ)+v(n)，其中，A为待测信号幅度，N＝f/fs(f为信号频率，fs为采样频率)，ψ为相位，v(n)表示待测信号中携带的全部噪声。则生成的两路方波信号，信号分别为square(2πfn/N+π/2)和square2πfn/N。
[0035]2.进行相关处理。
[0036]经典的数字相敏检波原理推导过程：
[0037]将待测信号x(n)与正弦参考信号s(n)＝cos(wn)+j sin(wn)进行互相关运算，则运算结果为：
[0038][0039][0040]方波与正弦波做相关处理在数学上不易计算，可以把方波进行傅里叶级数展开：方波可以写成多次谐波和的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的数字相敏检波方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)利用FPGA产生一个用于待检测信号同频的正弦方波信号和余弦方波信号；2)将生成的正弦方波信号和余弦方波信号分别与待检测信号进行相关运算；3)将相关运算结果进行求模处理，并将求模处理结果乘以频率相关系数，该结果为待检测信号的幅度。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的数字相敏检波方法，其特征在于，所述的频率相关系数与待检测信号的频率相关，一个确定的频率对应一个确定的频率相关系数。3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的数字相敏检波方法，其特征在于，所述的频率相关系数通过实验仿真得到，仿真过程如下：A.生成一个与待测信号频率相同的基准方波信号，其中待测信号为不同频率的已知幅值的标准信号；B.将待测信号与基准方波信号作互相关计算结果，根据互相关结果确定方波信号提取的幅度，将方波信号提取的幅度与待测信号的幅值进行比较得到频率相关系数。4.根据权利要求1所述的基于PGA的数字相敏检波方法，其特征在于，所述的正弦方波信号和余弦方波信号分别为：square(2πfn/N+π/2)和square2πfn/N，其中f为频率，N为一个周期的采样点数。5.一种基于FPGA的数字相敏检波系统，其特征在于，该检波系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永刚，冉利民，李功强，李健伟，华新军，陈婵娟，赵景，吉倩倩，胡挺，王丹，白彬艳，杜娟，刘利敏，
申请(专利权)人：中石化石油工程技术服务有限公司中石化华北石油工程有限公司，
类型：发明
国别省市：