專利名稱：一種高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)高精度的頻率信號(hào)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要對(duì)一些信號(hào)的頻率進(jìn)行估計(jì)，用于單頻率信號(hào)的檢測(cè)。例如在ITU-T制訂的V.34數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)單音信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)估計(jì)，并根據(jù)單音信號(hào)特征進(jìn)行信道線路探測(cè)。而在實(shí)際生活中，高精度的頻率估計(jì)方法可以應(yīng)用于鋼琴等按鍵樂器的調(diào)音等應(yīng)用中，對(duì)按鍵音采集后進(jìn)行頻率估計(jì)，輔助調(diào)音師進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)音。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明是一種高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)，所述頻率估計(jì)系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊，信號(hào)處理模塊，信號(hào)顯示和存儲(chǔ)模塊，配置模塊四個(gè)部分組成。信號(hào)采集模塊:主要實(shí)現(xiàn)單音信號(hào)的采集，支持模擬信號(hào)輸入采集和數(shù)字信號(hào)輸入采集兩種模式，將采集的數(shù)據(jù)傳送給信號(hào)處理模塊進(jìn)行頻率估計(jì)；
信號(hào)處理模塊:讀取信號(hào)采集模塊傳送的數(shù)據(jù)，根據(jù)配置模塊配置的信息進(jìn)行輸入信號(hào)的頻率估計(jì)，首先將輸入數(shù)字信號(hào)利用參考頻率進(jìn)行J和β兩個(gè)正交分量處理，并對(duì)正交分量I和β進(jìn)行低通濾波，然后求其一周期相位差；多次測(cè)量求其相位差的均值，進(jìn)而高精度的估計(jì)輸入單音頻率，并將估計(jì)的結(jié)果輸出到顯示和存儲(chǔ)模塊；
信號(hào)顯示和存儲(chǔ)模塊:用于存儲(chǔ)和顯示信號(hào)處理模塊輸出的頻率估計(jì)結(jié)果；
配置模塊:主要包括參考頻率設(shè)置和特定功能配置的功能。優(yōu)選的，所述采集數(shù)據(jù)的輸入，輸入接口包括模擬輸入接口和數(shù)字輸入接口兩種模式，模擬輸入接口接收來自線路上或麥克風(fēng)的單音信號(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字接口可直接接收數(shù)字線路上的數(shù)字信號(hào)，兩種模式的輸入通過多路選擇開關(guān)MUX進(jìn)行功能選擇，通過IO接口輸送給處理器。優(yōu)選的，所述頻率估計(jì)系統(tǒng)的處理步驟為，處理器在系統(tǒng)開始工作時(shí)首先讀取存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的配置信息，然后進(jìn)入相應(yīng)的信號(hào)處理模塊對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高精度頻率估計(jì)，處理器可以通過顯示接口輸出頻率估計(jì)結(jié)果，可以通過存儲(chǔ)接口輸送到存儲(chǔ)器。優(yōu)選的，所述配置模塊中，采用參考頻率設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參考頻率進(jìn)行高精度頻率估計(jì)；采用特定功能配置時(shí)，系統(tǒng)將主要對(duì)特定功能所要求的頻率進(jìn)行估計(jì)，其方法是對(duì)于輸入樣本將該組所有頻率依次用做參考頻率Λ，計(jì)算輸入單音與參考頻率之差￥，選輸入單音與參考頻率最小的-‘I估計(jì)輸入單音頻率。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)，具有以下有益的技術(shù)效果:
1.本發(fā)明的高精度頻率估計(jì)方法，理論上可以達(dá)到任意精度。2.采用數(shù)字方式頻率估計(jì)方法，需要較小的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度。3.與幅度無關(guān)的單音信號(hào)頻率估計(jì)方法，幅度變化不會(huì)影響頻率估計(jì)的精度。4.支持兩種頻率估計(jì)模式，包括單頻率估計(jì)方式和特定功能頻率估計(jì)模式(多頻率同時(shí)進(jìn)行估計(jì)模式);
5.支持模擬輸入和數(shù)字輸入兩種信號(hào)輸入。


圖1為本發(fā)明的一種高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)方案示意圖。圖2為本發(fā)明的一種高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)的硬件原理框圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。1.高精度的頻 率估計(jì)方法理論基礎(chǔ)
假設(shè)輸入的單音信號(hào)頻率為1，相位為#，幅值為^2，則輸入單音信號(hào)~||可以表示為公式1對(duì)~>2乘以互為正交的2個(gè)諧波信號(hào)得到J和g兩個(gè)正交分量(見公式2和公式3)，其中為進(jìn)行頻率估計(jì)的參考頻率，一般選取被測(cè)單音信號(hào)的理想頻率。對(duì)J和β進(jìn)行積化和差轉(zhuǎn)換，得到公式4、5、6，其中4f為輸入單音與參考頻率之差。對(duì)J和β正交分量進(jìn)行低通濾波處理，濾除高頻分量后,其輸出信號(hào).^/和％ /如公式7、8所示。取!-Mf,其中J是采樣周期,則低通濾波器輸出的正交分量信號(hào)表示為％/況和％/( ),即第η個(gè)采樣時(shí)刻的低通濾波器輸出的正交分量，表不為公式9、10。由^/M和表達(dá)式可知,第η個(gè)米樣時(shí)刻低通濾波器輸出信號(hào)的相位$2可以表不為公式11,由公式9和10推出^可以表不為公式12。根據(jù)公式11、12，可以計(jì)算相差一個(gè)周期T時(shí)間的濾波器相位差Ms,表示為公式13、14。在實(shí)際應(yīng)用中采用多次測(cè)量求平均值(數(shù)學(xué)期望)減少誤差的方法，利用公式14和公式15計(jì)算出鱗臓。聯(lián)立公式13和15，可以估計(jì)出輸入頻率和參考頻率應(yīng)之間的頻率差4f (見公式16)，進(jìn)而通過公式17估計(jì)輸入單音信號(hào)頻率由公式I 17可知，單音信號(hào)頻率/F的估計(jì)精度取決于I的精度，即取決于Mmm,而％_ 2取決于低通濾波器輸出信號(hào)的相位^的精度。由公式12可知，低通濾波器輸出信號(hào)的相位的精度取決于反正切函數(shù)的精度，理論上精度可以達(dá)到任意希望精度。在實(shí)際應(yīng)用過程中，采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行單音信號(hào)頻率估計(jì)，與FFT相比在空間復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度上具有以下優(yōu)勢(shì)。I)精度采用FFT方法，其頻率精度為為采樣頻率，_為采樣點(diǎn)數(shù))，當(dāng)▲取8000Hz時(shí)，頻
率分辨率要達(dá)到約1Hz，需要浞=8192，這將大大增加系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，降低實(shí)時(shí)性，而且IHz的精度并不高。選用公式I 17的方法，理論上可以達(dá)到任意高的精度，且對(duì)時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度影響不大。2)空間復(fù)雜度
采用FFT進(jìn)行頻率估計(jì)，需要存儲(chǔ)一定數(shù)量的輸入信號(hào)樣本。由于其估計(jì)精度為.，存儲(chǔ)的輸入信號(hào)樣本越多其估計(jì)精度越高。而采用公式I 17所述方法，僅需要存儲(chǔ)若干個(gè)間隔為T時(shí)間的樣本，即可以實(shí)現(xiàn)頻率估計(jì)，空間復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FFT方法。3)時(shí)間復(fù)雜度
采用#點(diǎn)的FFT方法，理論上需要個(gè)復(fù)數(shù)加運(yùn)算和復(fù)數(shù)乘運(yùn)算，為了提高頻率分辨率，增大N，將同時(shí)增加時(shí)間復(fù)雜度。采用公式I 17所述方法，如果選擇N階低通濾波器，其時(shí)間復(fù)雜度基本在100個(gè)乘加運(yùn)算以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FFT方法。
權(quán)利要求
1.一種高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率估計(jì)系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊，信號(hào)處理模塊，信號(hào)顯示和存儲(chǔ)模塊，配置模塊四個(gè)部分組成， 信號(hào)采集模塊:主要實(shí)現(xiàn)單音信號(hào)的采集，支持模擬信號(hào)輸入采集和數(shù)字信號(hào)輸入采集兩種模式，將采集的數(shù)據(jù)傳送給信號(hào)處理模塊進(jìn)行頻率估計(jì)； 信號(hào)處理模塊:讀取信號(hào)采集模塊傳送的數(shù)據(jù)，根據(jù)配置模塊配置的信息進(jìn)行輸入信號(hào)的頻率估計(jì)，首先將輸入數(shù)字信號(hào)利用參考頻率進(jìn)行J和β兩個(gè)正交分量處理，并對(duì)正交分量I和β進(jìn)行低通濾波，然后求其一周期相位差；多次測(cè)量求其相位差的均值，進(jìn)而高精度的估計(jì)輸入單音頻率，并將估計(jì)的結(jié)果輸出到顯示和存儲(chǔ)豐吳塊； 信號(hào)顯示和存儲(chǔ)模塊:用于存儲(chǔ)和顯示信號(hào)處理模塊輸出的頻率估計(jì)結(jié)果； 配置模塊:主要包括參考頻率設(shè)置和特定功能配置的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述采集數(shù)據(jù)的輸入接口包括模擬輸入接口和數(shù)字輸入接口兩種模式，模擬輸入接口接收來自線路上或麥克風(fēng)的單音信號(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字接口可直接接收數(shù)字線路上的數(shù)字信號(hào)，兩種模式的輸入通過多路選擇開關(guān)MUX進(jìn)行功能選擇，通過IO接口輸送給處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率估計(jì)系統(tǒng)的處理步驟為，處理器在系統(tǒng)開始工作時(shí)首先讀取存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的配置信息，然后進(jìn)入信號(hào)處理模塊對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào) 進(jìn)行頻率估計(jì)，處理器可以通過顯示接口輸出頻率估計(jì)結(jié)果，可以通過存儲(chǔ)接口存儲(chǔ)頻率估計(jì)結(jié)果到存儲(chǔ)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述配置模塊中，采用參考頻率設(shè)置時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參考頻率進(jìn)行頻率估計(jì)；采用特定功能配置時(shí)，系統(tǒng)將主要對(duì)特定功能所要求的頻率進(jìn)行估計(jì)，其方法是對(duì)于輸入樣本將該組所有頻率依次用做參考頻率辦計(jì)算輸入單音與各個(gè)參考頻率之差￥，選輸入單音與參考頻率最小的μ丨估計(jì)輸入單音頻率。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)，由信號(hào)采集模塊，信號(hào)處理模塊，信號(hào)顯示和存儲(chǔ)模塊，配置模塊四個(gè)部分組成，其中，信號(hào)處理模塊讀取信號(hào)采集模塊傳送的數(shù)據(jù)，根據(jù)配置模塊配置的信息按公式進(jìn)行輸入信號(hào)的頻率估計(jì)，首先將輸入數(shù)字信號(hào)利用參考頻率進(jìn)行和兩個(gè)正交分量處理，并對(duì)正交分量和進(jìn)行低通濾波，然后求其一周期相位差。多次測(cè)量求其相位差的均值，進(jìn)而高精度的估計(jì)輸入單音頻率，并將估計(jì)的結(jié)果輸出到顯示和存儲(chǔ)模塊。本發(fā)明的高精度的頻率估計(jì)系統(tǒng)，此數(shù)字方式頻率估計(jì)方法，只需較小的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，理論上可以達(dá)到任意精度。
文檔編號(hào)G01H17/00GK103234624SQ201210294949
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月20日
發(fā)明者胡劍凌, 邵雷, 郝業(yè) 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)