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一種高精度的頻率估計系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210294949.8

申請日:

2012.08.20

公開號:

CN103234624B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01H 17/00申請日:20120820|||公開
IPC分類號: G01H17/00 主分類號: G01H17/00
申請人: 蘇州大學
發明人: 胡劍凌; 邵雷; 郝業
地址: 215000 江蘇省蘇州市工業園區仁愛路199號
優先權:
專利代理機構: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200 代理人: 曹毅
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210294949.8

授權公告號:

103234624B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.07|||2013.09.04|||2013.08.07

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提出了一種高精度的頻率估計系統,由信號采集模塊,信號處理模塊,信號顯示和存儲模塊,配置模塊四個部分組成,其中,信號處理模塊讀取信號采集模塊傳送的數據,根據配置模塊配置的信息按公式進行輸入信號的頻率估計,首先將輸入數字信號利用參考頻率進行兩個正交分量處理,并對正交分量進行低通濾波,然后求其一周期相位差。多次測量求其相位差的均值,進而高精度的估計輸入單音頻率,并將估計的結果輸出到顯示和存儲模塊。本發明的高精度的頻率估計系統,此數字方式頻率估計方法,只需較小的時間復雜度和空間復雜度,理論上可以達到任意精度。

權利要求書

權利要求書
1.   一種高精度的頻率估計系統,其特征在于,所述頻率估計系統由信號采集模塊,信號處理模塊,信號顯示和存儲模塊,配置模塊四個部分組成,
信號采集模塊:主要實現單音信號的采集,支持模擬信號輸入采集和數字信號輸入采集兩種模式,將采集的數據傳送給信號處理模塊進行頻率估計;
信號處理模塊:讀取信號采集模塊傳送的數據,根據配置模塊配置的信息進行輸入信號的頻率估計,首先將輸入數字信號利用參考頻率進行                                               和兩個正交分量處理,并對正交分量和進行低通濾波,然后求其一周期相位差;多次測量求其相位差的均值,進而高精度的估計輸入單音頻率,并將估計的結果輸出到顯示和存儲模塊;
信號顯示和存儲模塊:用于存儲和顯示信號處理模塊輸出的頻率估計結果;
配置模塊:主要包括參考頻率設置和特定功能配置的功能。

2.   根據權利要求1所述的高精度的頻率估計系統,其特征在于,所述采集數據的輸入接口包括模擬輸入接口和數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的單音信號,經AD轉換后轉化為數字信號;數字接口可直接接收數字線路上的數字信號,兩種模式的輸入通過多路選擇開關MUX進行功能選擇,通過IO接口輸送給處理器。

3.   根據權利要求1所述的高精度的頻率估計系統,其特征在于,所述頻率估計系統的處理步驟為,處理器在系統開始工作時首先讀取存儲器中存儲的配置信息,然后進入信號處理模塊對輸入的數字信號進行頻率估計,處理器可以通過顯示接口輸出頻率估計結果,可以通過存儲接口存儲頻率估計結果到存儲器。

4.   根據權利要求1所述的高精度的頻率估計系統,其特征在于,所述配置模塊中,采用參考頻率設置時,系統根據設置的參考頻率進行頻率估計;采用特定功能配置時,系統將主要對特定功能所要求的頻率進行估計,其方法是對于輸入樣本將該組所有頻率依次用做參考頻率,計算輸入單音與各個參考頻率之差,選輸入單音與參考頻率最小的估計輸入單音頻率。
 

說明書

說明書 一種高精度的頻率估計系統
技術領域
本發明涉及一種用于估計高精度的頻率信號的系統。
 
背景技術
在實際應用中,常常需要對一些信號的頻率進行估計,用于單頻率信號的檢測。例如在ITU?T制訂的V.34數據傳輸協議的調制解調器應用時,需要對單音信號進行檢測估計,并根據單音信號特征進行信道線路探測。而在實際生活中,高精度的頻率估計方法可以應用于鋼琴等按鍵樂器的調音等應用中,對按鍵音采集后進行頻率估計,輔助調音師進行準確調音。
 
發明內容
為了解決上述問題,本發明提供一種高精度的頻率估計系統。
為實現上述發明目的,本發明所采用的技術方案是:
本發明是一種高精度的頻率估計系統,所述頻率估計系統由信號采集模塊,信號處理模塊,信號顯示和存儲模塊,配置模塊四個部分組成。
信號采集模塊:主要實現單音信號的采集,支持模擬信號輸入采集和數字信號輸入采集兩種模式,將采集的數據傳送給信號處理模塊進行頻率估計;
信號處理模塊:讀取信號采集模塊傳送的數據,根據配置模塊配置的信息進行輸入信號的頻率估計,首先將輸入數字信號利用參考頻率進行                                                和兩個正交分量處理,并對正交分量和進行低通濾波,然后求其一周期相位差;多次測量求其相位差的均值,進而高精度的估計輸入單音頻率,并將估計的結果輸出到顯示和存儲模塊;
信號顯示和存儲模塊:用于存儲和顯示信號處理模塊輸出的頻率估計結果;
配置模塊:主要包括參考頻率設置和特定功能配置的功能。
優選的,所述采集數據的輸入,輸入接口包括模擬輸入接口和數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的單音信號,經AD轉換后轉化為數字信號;數字接口可直接接收數字線路上的數字信號,兩種模式的輸入通過多路選擇開關MUX進行功能選擇,通過IO接口輸送給處理器。
優選的,所述頻率估計系統的處理步驟為,處理器在系統開始工作時首先讀取存儲器中存儲的配置信息,然后進入相應的信號處理模塊對輸入的數字信號進行高精度頻率估計,處理器可以通過顯示接口輸出頻率估計結果,可以通過存儲接口輸送到存儲器。
優選的,所述配置模塊中,采用參考頻率設置時,系統根據設置的參考頻率進行高精度頻率估計;采用特定功能配置時,系統將主要對特定功能所要求的頻率進行估計,其方法是對于輸入樣本將該組所有頻率依次用做參考頻率,計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估計輸入單音頻率。
相對于現有技術,本發明的高精度的頻率估計系統,具有以下有益的技術效果:
1.本發明的高精度頻率估計方法,理論上可以達到任意精度。
2.采用數字方式頻率估計方法,需要較小的時間復雜度和空間復雜度。
3.與幅度無關的單音信號頻率估計方法,幅度變化不會影響頻率估計的精度。
4.支持兩種頻率估計模式,包括單頻率估計方式和特定功能頻率估計模式(多頻率同時進行估計模式);
5.支持模擬輸入和數字輸入兩種信號輸入。
附圖說明
圖1為本發明的一種高精度的頻率估計系統的系統方案示意圖。
圖2為本發明的一種高精度的頻率估計系統的硬件原理框圖。
 
具體實施方式
以下結合附圖詳細描述本發明的高精度的頻率估計系統的體系結構,但不構成對本發明的限制。
1.高精度的頻率估計方法理論基礎
假設輸入的單音信號頻率為,相位為,幅值為,則輸入單音信號可以表示為公式1。對乘以互為正交的2個諧波信號得到和兩個正交分量(見公式2和公式3),其中為進行頻率估計的參考頻率,一般選取被測單音信號的理想頻率。對和進行積化和差轉換,得到公式4、5、6,其中為輸入單音與參考頻率之差。對和正交分量進行低通濾波處理,濾除高頻分量后,其輸出信號和如公式7、8所示。取,其中是采樣周期,則低通濾波器輸出的正交分量信號表示為和,即第n個采樣時刻的低通濾波器輸出的正交分量,表示為公式9、10。由和表達式可知,第n個采樣時刻低通濾波器輸出信號的相位可以表示為公式11,由公式9和10推出可以表示為公式12。根據公式11、12,可以計算相差一個周期T時間的濾波器相位差,表示為公式13、14。在實際應用中采用多次測量求平均值(數學期望)減少誤差的方法,利用公式14和公式15計算出。聯立公式13和15,可以估計出輸入頻率和參考頻率之間的頻率差(見公式16),進而通過公式17估計輸入單音信號頻率。
由公式1~17可知,單音信號頻率的估計精度取決于的精度,即取決于,而取決于低通濾波器輸出信號的相位的精度。由公式12可知,低通濾波器輸出信號的相位的精度取決于反正切函數的精度,理論上精度可以達到任意希望精度。
在實際應用過程中,采用數字信號進行單音信號頻率估計,與FFT相比在空間復雜度和時間復雜度上具有以下優勢。
1)精度
采用FFT方法,其頻率精度為(為采樣頻率,為采樣點數),當取8000Hz時,頻率分辨率要達到約1Hz,需要=8192,這將大大增加系統的時間復雜度和空間復雜度,降低實時性,而且1Hz的精度并不高。
選用公式1~17的方法,理論上可以達到任意高的精度,且對時間復雜度和空間復雜度影響不大。
2)空間復雜度
采用FFT進行頻率估計,需要存儲一定數量的輸入信號樣本。由于其估計精度為,存儲的輸入信號樣本越多其估計精度越高。
而采用公式1~17所述方法,僅需要存儲若干個間隔為T時間的樣本,即可以實現頻率估計,空間復雜度遠遠小于FFT方法。
3)時間復雜度
采用點的FFT方法,理論上需要個復數加運算和復數乘運算,為了提高頻率分辨率,增大N,將同時增加時間復雜度。
采用公式1~17所述方法,如果選擇N階低通濾波器,其時間復雜度基本在100個乘加運算以內,遠遠小于FFT方法。
                                   (1)
                                  (2)
                                  (3)
                        (4)
                        (5)
                                         (6)
                                     (7)
                                    (8)
                                (9)
                                  (10)
                                         (11)
                                       (12)
                   (13)
                    (14)
                                      (15)
                                        (16)
                                        (17)
2.一種高精度的頻率估計方法系統設計方案
為實現高精度的頻率估計,采用如圖1所示的系統設計方案。整個系統主要由信號采集模塊,信號處理模塊,信號顯示和存儲模塊,配置模塊四個部分組成。
1)信號采集模塊
主要實現單音信號的采集,支持模擬信號輸入采集和數字信號輸入采集兩種模式,將采集的數據傳送給信號處理模塊進行頻率估計。
2)信號處理模塊
信號處理模塊讀取信號采集模塊傳送的數據,根據配置模塊配置的信息按公式(1~17)的方式進行輸入信號的頻率估計,首先將輸入數字信號利用參考頻率進行和兩個正交分量(見公式2和公式3)處理,并對正交分量和進行低通濾波,然后求其一周期相位差。多次測量求其相位差的均值,進而高精度的估計輸入單音頻率,實現高精度的頻率估計,并將估計的結果輸出到顯示和存儲模塊。
3)信號顯示和存儲模塊
信號顯示和存儲模塊用于存儲和顯示信號處理模塊輸出的頻率估計結果,根據應用領域不同,該顯示和存儲模塊可以使用不同的形式。
4)配置模塊
配置模塊主要是對系統功能進行配置工作,主要包括參考頻率設置和特定功能配置。采用參考頻率設置時,系統根據設置的參考頻率進行高精度頻率估計。采用特定功能配置等功能時,系統將主要對特定功能所要求的頻率進行估計,其方法是對于輸入樣本將該組所有頻率依次用做參考頻率,計算各自的,選最小估計輸入單音頻率。用戶可以根據自己的需求進行特定功能配置。
3.一種高精度的頻率估計系統硬件設計方案
根據高精度頻率估計系統設計方案,采用圖2所示的硬件設計方案。輸入接口主要包括模擬輸入接口和數字輸入接口兩種模式,其中模擬輸入接口接收來自線路上或麥克風的單音信號,經AD轉化為數字信號,數字接口可以直接接收數字線路上的數字信號,兩種輸入模式可以通過多路選擇開關MUX進行功能選擇,通過IO接口輸送給處理器。處理器在系統開始工作時首先讀取存儲器中存儲的配置信息,然后進入信號處理模塊對輸入的數字信號進行高精度頻率估計,處理器可以通過顯示接口輸出頻率估計結果,可以通過存儲接口存儲估計結果到存儲器。用戶可以通過鍵盤和觸摸屏進行高精度頻率估計系統配置,配置信息存儲于系統的存儲器中。
4.一種高精度頻率估計系統的軟件設計方案
系統啟動后,軟件根據用戶輸入決定系統進入相應的處理模塊。當用戶選擇進入配置模式時,用戶可以選擇“單頻率估計模式”和“特定功能配置模式”兩種模式。當用戶選擇“單頻率估計模式”時,用戶輸入參考頻率或者從特定功能模式下存儲的頻率中選擇參考頻率(例如在鋼琴鍵音中選擇一個調音目標音,例如中央“dou”,用戶可以不知道該目標頻率的確切值,系統自動提取對應的頻率作為參考頻率),并存儲參考頻率到系統中。當用戶選擇“特定功能配置模式”時,用戶輸入一組參考頻率和對應標識信息(如鋼琴按鍵音與其頻率)并存儲于系統配置信息中,用戶可以根據實際應用配置多組特定功能,每次開始頻率估計時僅有一種特定功能起作用。當開始頻率估計時,如果是“單頻率估計模式”,將以用戶輸入的參考頻率進行高精度頻率估計。如果是“特定功能頻率估計模式”,將以該特定功能所配置一組頻率分別作為參考頻率對輸入信號進行頻率估計,根據配置的閾值信息輸出頻率估計信息。其方法是對于輸入單音將該組所有頻率依次用做參考頻率,計算各自的,選最小估計輸入單音頻率。用戶可以根據需要終止頻率估計。
上述實施例只是為了說明本發明的技術構思及特點,其目的是在于讓本領域內的普通技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施,并不能以此限制本發明的保護范圍。凡是根據本發明內容的實質所作出的等效的變化或修飾,都應涵蓋在本發明的保護范圍內。

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一種 高精度 頻率 估計 系統
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