专利名称：一种高精度的频率估计系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于估计高精度的频率信号的系统。
背景技术：
在实际应用中，常常需要对一些信号的频率进行估计，用于单频率信号的检测。例如在ITU-T制订的V.34数据传输协议的调制解调器应用时，需要对单音信号进行检测估计，并根据单音信号特征进行信道线路探测。而在实际生活中，高精度的频率估计方法可以应用于钢琴等按键乐器的调音等应用中，对按键音采集后进行频率估计，辅助调音师进行准确调音。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种高精度的频率估计系统。为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是:
本发明是一种高精度的频率估计系统，所述频率估计系统由信号采集�？椋藕糯砟？椋藕畔允竞痛娲⒛？椋渲媚？樗母霾糠肿槌�。信号采集�？�:主要实现单音信号的采集，支持模拟信号输入采集和数字信号输入采集两种模式，将采集的数据传送给信号处理�？榻衅德使兰疲�
信号处理模块:读取信号采集�？榇偷氖荩菖渲媚？榕渲玫男畔⒔惺淙胄藕诺钠德使兰疲紫冉淙胧中藕爬貌慰计德式蠮和β两个正交分量处理，并对正交分量I和β进行低通滤波，然后求其一周期相位差；多次测量求其相位差的均值，进而高精度的估计输入单音频率，并将估计的结果输出到显示和存储�？椋�
信号显示和存储模块:用于存储和显示信号处理�？槭涑龅钠德使兰平峁�
配置�？�:主要包括参考频率设置和特定功能配置的功能。优选的，所述采集数据的输入，输入接口包括模拟输入接口和数字输入接口两种模式，模拟输入接口接收来自线路上或麦克风的单音信号，经AD转换后转化为数字信号；数字接口可直接接收数字线路上的数字信号，两种模式的输入通过多路选择开关MUX进行功能选择，通过IO接口输送给处理器。优选的，所述频率估计系统的处理步骤为，处理器在系统开始工作时首先读取存储器中存储的配置信息，然后进入相应的信号处理�？槎允淙氲氖中藕沤懈呔绕德使兰疲砥骺梢酝ü允窘涌谑涑銎德使兰平峁梢酝ü娲⒔涌谑渌偷酱娲⑵�。优选的，所述配置模块中，采用参考频率设置时，系统根据设置的参考频率进行高精度频率估计；采用特定功能配置时，系统将主要对特定功能所要求的频率进行估计，其方法是对于输入样本将该组所有频率依次用做参考频率Λ，计算输入单音与参考频率之差￥，选输入单音与参考频率最小的-‘I估计输入单音频率。相对于现有技术，本发明的高精度的频率估计系统，具有以下有益的技术效果:
1.本发明的高精度频率估计方法，理论上可以达到任意精度。2.采用数字方式频率估计方法，需要较小的时间复杂度和空间复杂度。3.与幅度无关的单音信号频率估计方法，幅度变化不会影响频率估计的精度。4.支持两种频率估计模式，包括单频率估计方式和特定功能频率估计模式(多频率同时进行估计模式);
5.支持模拟输入和数字输入两种信号输入。
图1为本发明的一种高精度的频率估计系统的系统方案示意图。图2为本发明的一种高精度的频率估计系统的硬件原理框图。
具体实施例方式以下结合附图详细描述本发明的高精度的频率估计系统的体系结构，但不构成对本发明的限制。1.高精度的频 率估计方法理论基础
假设输入的单音信号频率为1，相位为#，幅值为^2，则输入单音信号~||可以表示为公式1对~>2乘以互为正交的2个谐波信号得到J和g两个正交分量(见公式2和公式3)，其中为进行频率估计的参考频率，一般选取被测单音信号的理想频率。对J和β进行积化和差转换，得到公式4、5、6，其中4f为输入单音与参考频率之差。对J和β正交分量进行低通滤波处理，滤除高频分量后,其输出信号.^/和％ /如公式7、8所示。取!-Mf,其中J是采样周期,则低通滤波器输出的正交分量信号表示为％/况和％/( ),即第η个采样时刻的低通滤波器输出的正交分量，表不为公式9、10。由^/M和表达式可知,第η个米样时刻低通滤波器输出信号的相位$2可以表不为公式11,由公式9和10推出^可以表不为公式12。根据公式11、12，可以计算相差一个周期T时间的滤波器相位差Ms,表示为公式13、14。在实际应用中采用多次测量求平均值(数学期望)减少误差的方法，利用公式14和公式15计算出鱗臓。联立公式13和15，可以估计出输入频率和参考频率應之间的频率差4f (见公式16)，进而通过公式17估计输入单音信号频率由公式I 17可知，单音信号频率/F的估计精度取决于I的精度，即取决于Mmm,而％_ 2取决于低通滤波器输出信号的相位^的精度。由公式12可知，低通滤波器输出信号的相位的精度取决于反正切函数的精度，理论上精度可以达到任意希望精度。在实际应用过程中，采用数字信号进行单音信号频率估计，与FFT相比在空间复杂度和时间复杂度上具有以下优势。I)精度采用FFT方法，其频率精度为为采样频率，_为采样点数)，当▲取8000Hz时，频
率分辨率要达到约1Hz，需要浞=8192，这将大大增加系统的时间复杂度和空间复杂度，降低实时性，而且IHz的精度并不高。选用公式I 17的方法，理论上可以达到任意高的精度，且对时间复杂度和空间复杂度影响不大。2)空间复杂度
采用FFT进行频率估计，需要存储一定数量的输入信号样本。由于其估计精度为.，存储的输入信号样本越多其估计精度越高。而采用公式I 17所述方法，仅需要存储若干个间隔为T时间的样本，即可以实现频率估计，空间复杂度远远小于FFT方法。3)时间复杂度
采用#点的FFT方法，理论上需要个复数加运算和复数乘运算，为了提高频率分辨率，增大N，将同时增加时间复杂度。采用公式I 17所述方法，如果选择N阶低通滤波器，其时间复杂度基本在100个乘加运算以内，远远小于FFT方法。
权利要求
1.一种高精度的频率估计系统，其特征在于，所述频率估计系统由信号采集�？椋藕糯砟？椋藕畔允竞痛娲⒛？椋渲媚？樗母霾糠肿槌桑� 信号采集�？�:主要实现单音信号的采集，支持模拟信号输入采集和数字信号输入采集两种模式，将采集的数据传送给信号处理�？榻衅德使兰疲� 信号处理�？�:读取信号采集�？榇偷氖荩菖渲媚？榕渲玫男畔⒔惺淙胄藕诺钠德使兰疲紫冉淙胧中藕爬貌慰计德式蠮和β两个正交分量处理，并对正交分量I和β进行低通滤波，然后求其一周期相位差；多次测量求其相位差的均值，进而高精度的估计输入单音频率，并将估计的结果输出到显示和存储丰吴块； 信号显示和存储�？�:用于存储和显示信号处理�？槭涑龅钠德使兰平峁� 配置�？�:主要包括参考频率设置和特定功能配置的功能。
2.根据权利要求1所述的高精度的频率估计系统，其特征在于，所述采集数据的输入接口包括模拟输入接口和数字输入接口两种模式，模拟输入接口接收来自线路上或麦克风的单音信号，经AD转换后转化为数字信号；数字接口可直接接收数字线路上的数字信号，两种模式的输入通过多路选择开关MUX进行功能选择，通过IO接口输送给处理器。
3.根据权利要求1所述的高精度的频率估计系统，其特征在于，所述频率估计系统的处理步骤为，处理器在系统开始工作时首先读取存储器中存储的配置信息，然后进入信号处理�？槎允淙氲氖中藕� 进行频率估计，处理器可以通过显示接口输出频率估计结果，可以通过存储接口存储频率估计结果到存储器。
4.根据权利要求1所述的高精度的频率估计系统，其特征在于，所述配置�？橹校捎貌慰计德噬柚檬保低掣萆柚玫牟慰计德式衅德使兰疲徊捎锰囟üδ芘渲檬保低辰饕蕴囟üδ芩蟮钠德式泄兰疲浞椒ㄊ嵌杂谑淙胙窘米樗衅德室来斡米霾慰计德拾旒扑闶淙氲ヒ粲敫鞲霾慰计德手睿ぃ∈淙氲ヒ粲氩慰计德首钚〉摩特兰剖淙氲ヒ羝德省�
全文摘要
本发明提出了一种高精度的频率估计系统，由信号采集�？椋藕糯砟？椋藕畔允竞痛娲⒛？椋渲媚？樗母霾糠肿槌桑渲校藕糯砟？槎寥⌒藕挪杉？榇偷氖荩菖渲媚？榕渲玫男畔垂浇惺淙胄藕诺钠德使兰疲紫冉淙胧中藕爬貌慰计德式泻土礁稣环至看恚⒍哉环至亢徒械屯瞬ǎ缓笄笃湟恢芷谙辔徊�。多次测量求其相位差的均值，进而高精度的估计输入单音频率，并将估计的结果输出到显示和存储�？�。本发明的高精度的频率估计系统，此数字方式频率估计方法，只需较小的时间复杂度和空间复杂度，理论上可以达到任意精度。
文档编号G01H17/00GK103234624SQ201210294949
公开日2013年8月7日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者胡剑凌, 邵雷, 郝业 申请人:苏州大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
