基于虚拟仪器的频率测量软件系统设计

基于虚拟仪器的频率测量软件系统设计

       引 言

　　在内弹道雷达测速中，要完成弹丸的速度测量，根据多普勒测速原理，需要进行多普勒频率的估计测量，而频率估计也是信号参数估计中的经典问题。目前国内外已经提出了不少方法，主要有时域法、谱估计方法和时一频域法，其中时域法主要有数周期法和过零检测法两种，其主要缺点为测量精度低;而时一频域法主要有短时傅里叶变换、魏格纳一维尔分布等，但计算量一般较大，难以完成实时处理。

　　此外，随着虚拟仪器的发展，借助于其良好的人机界面和强大的信号处理功能，进行信号处理平台的构建也日益成为一种发展趋势。从本质上来说，虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，它强调"软件就是仪器"的概念，使用户能够根据自己的需要定义仪器功能，更好地组建自己所需的测试系统。它是按照信号的处理与采集(ADC)，数据的分析与处理(DSP)、结果的输出(DAC)及显示的结构模式来建立通用信号处理硬件平台，在这个通用信号处理硬件平台上，调用不同的测试软件就构成了不同功能的仪器[1]。基于此，本文利用虚拟仪器平台，结合功率谱估计和频率测量的组合测量方法，进行了信号频率测量系统的设计。

　　1频率测量方法

　　通常，由于有用信号与噪声的频谱特性不同，因此功率谱估计方法成为一种在噪声背景下提取有用信号(如正弦信号)的有效方法。鉴于此，在多普勒频率测量中，可以将采集的数据先进行功率谱分析，然后再通过频域测频的方法来完成多普勒频率的求取。在功率谱分析中可分为为经典谱估计和现代谱估计，经典谱估计方法的典型代表有周期图法、Welch法等;而现代谱估计方法的典型代表有AR模型法、MA模型法、ARMA模型法、熵谱法、最大似然法和特征分解法等。频域测频方法主要有能量重心法、谱峰搜索法等，通过选取不同的功率谱分析方法和频域测频方法的组合，均可达到测量信号频率的目的。

　　1.1 Welch功率谱估计

　　在经典功率谱估计巾，采用直接周期图法估计出的谱性能常常不好，主要表现在谱的起伏比较大，方差比较大。采用Welch法可以改善直接周期图法估计出谱的方差特性。它的基本思想是采用分段加窗的方法把一长度为N的数据XN(n)分成L段，每段长度为M，并允许每段数据有部分重叠，分别求出每一段的功率谱Pi(ω)，然后加以平均，得到平均后的功率谱，即：

　　根据概率统计理论可知：利用Welch法估计出的功率谱的方差大致是直接估计出的谱的方差的1/L，而且分段越多，方差越小，但是频率分辨率也越低，偏差变大。所以，在实际使用中要兼顾方差和分辨率的要求适当的选取L和M的值[2]。

　　1.2 AR模型法谱估计

　　AR模型法做功率谱估计的原理是：假定所分析的信号x(n)是由一个均方误差为的白噪声ω(n)激励线性移不变系统H(x)(即AR模型)所得到，则分析信号的功率谱估计为：

　　式中：

　　为输入序列的方差，n1、a2……、ap为待估参数[3-4]。