一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量方法及设备技术

本发明专利技术采用的技术方案是：一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量方法及设备，该方法包括以下步骤：对采集到的宽带正弦信号进行预处理；对预处理后的宽带正弦信号进行欠采样，找到频谱内只存在一个体现宽带正弦信号幅度的频带，形成欠采样的宽带正弦信号；计算欠采样的宽带正弦信号在功率谱密度内对应频带的能量，得到宽带正弦信号在时域上的幅度。本发明专利技术能够提高宽带正弦信号幅度检测精度和效率。能够提高宽带正弦信号幅度检测精度和效率。能够提高宽带正弦信号幅度检测精度和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量方法及设备


[0001]本专利技术属于数字信号处理
，具体涉及一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量方法及设备。

技术介绍

[0002]在信息传输和处理的领域中，正弦波信号占据了举足轻重的地位。通过对信号幅度的精确测量，可以获取到信号的能量信息、评估信号的质量，以及为系统性能的优化提供基础数据。因此，正弦信号幅度测量，被广泛应用于各个领域。如在电力系统中，电流和电压的幅度是决定电力传输效率和稳定性的重要因素。在无线通信系统中，信号的幅度可以提供关于信号传输距离和可能的干扰情况等重要信息。在数字通信中，通过对信号幅度的测量，计算信号在传输过程中的信噪比，便于制定出更有效的噪声抑制策略。在雷达和超声成像系统中，通过测量反射信号的幅度，探测未知物体的距离和位置信息。在医疗成像领域，超声波成像技术通过测量从人体内部反射回来的信号的幅度，生成对应的图像，这对于疾病的诊断和治疗都有着重要的意义。
[0003]综上所述，正弦波信号幅度的测量在多个领域中都有着重要的应用，这也为研究信号幅度测量提供了广阔的背景和应用前景。至今，得到广泛应用的正弦信号幅度测量方法如下：1. 基于实时采样的方法把模拟信号转换为数字信号。通过对数字信号进行傅里叶变换将信号从时域转换到频域，进而测量正弦信号的幅度。该方法基于采样定理，即采样频率至少需要达到待测信号频率的两倍，且测量精度随着采样频率的增加而增加。因此，该测量方法的硬件成本会随着测量方法的带宽增加而增加。
[0004]2. 基于精密检波电路测量信号幅度。其测量原理是将待测正弦信号调理电路，得到一个与ADC（模拟数字转换器）输入动态范围相匹配的正弦信号。该信号经二极管检波电路输出带幅度信息的直流信号。再通过ADC（模拟数字转换器）对直流信号进行采样，计算出原正弦信号的幅度。该测量方法的测量精度主要依赖于检波电路的输出信号电压和输入信号幅度的线性关系。而二极管检波能力受频率变化的影响大，频率越高，二极管检波误差越大，因此该方法的测量带宽有限。
[0005]3. 基于压缩感知理论的AIC（模拟信息转换）方法测量信号幅度。其原理主要是通过最小化重构误差的平方和来估计信号的幅度，先利用基于L1范数最小化的算法对信号进行稀疏表示，然后利用最小二乘法将重构的信号与采样信号进行比较，计算重构误差的平方和，最小化该误差函数来优化信号的重构，从而估计信号的幅度。但是该方案的软件计算量大，对硬件算力要求高，难以在更多的场合推广使用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了解决上述
技术介绍
存在的不足，提供一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量方法及设备，能够提高宽带正弦信号幅度检测精度和效率。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量方法，包括以下步骤：对采集到的宽带正弦信号进行预处理；对预处理后的宽带正弦信号进行欠采样，找到频谱内只存在一个体现宽度正弦信号幅度的频带，形成欠采样的宽带正弦信号；计算欠采样的宽度正弦信号在功率谱密度内对应频带的能量，得到宽带正弦信号在时域上的幅度。
[0008]上述技术方案中，还包括以下步骤：对采集到的宽带正弦信号的进行频率估计，得到相应的补偿规律；基于补偿规律对计算得到的宽带正弦信号在时域上的幅度进行频率补偿。
[0009]上述技术方案中，对采集到的宽带正弦信号进行预处理的过程包括：对宽带正弦信号进行放大或衰减、交流耦合、阻抗匹配及低通滤波；宽带正弦信号的放大或衰减用于将对采集到的宽带正弦信号的幅度与执行欠采样的设备的输入动态范围相匹配；交流耦合用于将采集到的宽带正弦信号中的直流成分变为0，使得宽带正弦信号能量只与幅度有关；阻抗匹配用于匹配采集到的宽带正弦信号和执行欠采样的设备的阻抗；低通滤波用于抑制采集到的宽带正弦信号高频端的噪声。
[0010]上述技术方案中，计算欠采样的宽度正弦信号在功率谱密度内对应频带的能量的过程包括：根据欠采样后的宽带正弦信号计算得到其相应的自相关函数；对求得的自相关函数进行傅立叶变换得到功率谱密度；基于功率谱密度确定功率最大值及其对应的频率；根据功率最大值确定全宽半高的频带宽度；将功率谱密度减去本底噪声的计算结果，在根据功率最大值对应的频率和频带宽度形成积分区间内，对频率进行积分，得到采集的宽带正弦信号在频域上的能量。
[0011]上述技术方案中，将采集的宽带正弦信号在频域上的能量通过帕斯瓦尔定理，计算得到正弦信号在时域上的幅度。
[0012]上述技术方案中，基于功率谱密度确定功率最大值及其对应的频率的过程包括：基于功率谱密度，通过遍历算法找到相应的功率最大值，再根据功率谱中提供的对应关系求得最大功率处的频率值。
[0013]上述技术方案中，根据功率最大值确定全宽半高的频带宽度的过程包括：基于功率谱密度的图像，确定功率最大值P
m
；基于功率谱密度的图像找到功率值为1/2P
m
的两个频率点；所述两个频率点的频率差值为全宽半高的频带宽度δf。
[0014]上述技术方案中，根据功率最大值对应的频率和频带宽度形成的积分区间的表达式为：f
m
±
δf;其中，f
m
为基于功率谱密度确定的功率最大值所对应的频率；δf为全宽半高的频带宽度。
[0015]上述技术方案中，采用低采样率的模拟数字转换器对预处理后的宽带正弦信号进行欠采样。
[0016]本专利技术还提供了一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量设备，包括信号预处理模块、AD采集模块、微控制器；信号预处理模块用于对采集到的宽带正弦信号进行预处理；AD采集模块用于对预处理后的宽带正弦信号进行欠采样，找到频谱内只存在一个体现宽度正弦信号幅度的频带，形成欠采样的宽带正弦信号；微控制器用于计算欠采样的宽度正弦信号在功率谱密度内对应频带的能量，得到宽带正弦信号在时域上的幅度。
[0017]本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量方法及装置，通过采用低采样率的ADC（模拟数字转换器）对信号进行欠采样后，结合谱分析理论算法对正弦信号幅值的测量，突破了奈奎斯特采样定理的束缚，采用低成本的硬件设计实现了宽带正弦信号幅度的精确测量。
[0018]进一步地，本专利技术通过频率估计得到的补偿规律，可以使设备在进行幅度测量时，根据对应的补偿规律，对本身该算法计算得到的幅度进行补偿，增加幅度测量的准确性。
[0019]进一步地，本专利技术通过在幅度测量流程中加入相应的信号预处理流程，便于设置测量方法及装置的量程，同时也能对信号进行相应的降噪处理，增强测量结果的准确度和适用度。
[0020]进一步地，本专利技术通过功率谱密度的计算先将宽带正弦信号在频域的能量算出来进而求解幅度，该流程对采集设备的硬件要求低，计算准确度高。
[0021]进一步地，本专利技术通过频域能量计算得到信号在时域的幅度，可以突破奈奎斯特采样定理的限制，利用低采样率对信号进行采样并恢复，对模拟数字本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于欠采样的宽带正弦信号幅度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：对采集到的宽带正弦信号进行预处理；对预处理后的宽带正弦信号进行欠采样，找到频谱内只存在一个体现宽度正弦信号幅度的频带，形成欠采样的宽带正弦信号；计算欠采样的宽度正弦信号在功率谱密度内对应频带的能量，得到宽带正弦信号在时域上的幅度。2.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：还包括以下步骤：对采集到的宽带正弦信号的进行频率估计，得到相应的补偿规律；基于补偿规律对计算得到的宽带正弦信号在时域上的幅度进行频率补偿。3.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：对采集到的宽带正弦信号进行预处理的过程包括：对宽带正弦信号进行放大或衰减、交流耦合、阻抗匹配及低通滤波；宽带正弦信号的放大或衰减用于将对采集到的宽带正弦信号的幅度与执行欠采样的设备的输入动态范围相匹配；交流耦合用于将采集到的宽带正弦信号中的直流成分变为0，使得宽带正弦信号能量只与幅度有关；阻抗匹配用于匹配采集到的宽带正弦信号和执行欠采样的设备的阻抗；低通滤波用于抑制采集到的宽带正弦信号高频端的噪声。4.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：计算欠采样的宽度正弦信号在功率谱密度内对应频带的能量的过程包括：根据欠采样后的宽带正弦信号计算得到其相应的自相关函数；对求得的自相关函数进行傅立叶变换得到功率谱密度；基于功率谱密度确定功率最大值及其对应的频率；根据功率最大值确定全宽半高的频带宽度；将功率谱密度减去本底噪声的计算结果，在根据功率最大值对应的频率和频带宽度形成积分区间内，对频率进行积分，得到采集的宽带正弦信号在频域上的能量。5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐旺旺，黄光明，王小宇，刘照远，黄倩文，
申请(专利权)人：华中师范大学，
类型：发明
国别省市：