（水声工程专业论文）用于相位测量的多通道信号采集和处理系统的设计.pdf

哙尔演工程大学硕十学位论文 a bs t r a c t p h a s ei n f o r m a t i o ni so n eo fa cs i g n a l st h r e ee l e m e n t s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，t h ep h a s em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o n p e n e t r a t e d i n t o m a n y d o m a i n sa n d d e p a r t m e n t s ，a n d m o r ea n dm o r e h i g h a c c u r a c yr e q u i r e m e n t s i nu n d e r w a t e ra c o u s t i ca r e a s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o m e a s u r e m e n tt h e p h a s eu n i f o r m i t y o ft h es a m ef r e q u e n c ys i g n a l sb e t w e e n d i f f e r e n tc h a n n e l s ，p h a s eu n i f o r m i t yd i r e c ti n f l u e n c ef o l l o w i n gs i g n a lp r o c e s s i n g r e s u l t 。 i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o ru s e st h ed s pa n df p g ac h i pa sf o u r - c h a n n e ld a t a a c q u i s i t i o na n ds i g n a l sp r o c e s s i n ge l e c t r i cc i r c u i t ，a n da p p l i e s i ti nt h ea c o u s t i c s i g n a lp h a s em e a s u r e m e n t b a s eo nt h o r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i sh o m ea n d a b r o a dv a r i e t yo fp h a s em e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h ep a p e rs e l e c t s 联可( f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ) a st h et h e o r yo fp h a s em e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h r o u g ht h ef 疆 a l g o r i t h me x t r a c t i o ns i g n a l sf u n d a m e n t a lw a v ep a r a m e t e r ，a n dt h e nt h es i g n a l s p h a s ea n g l ec a l lb ec a l c u l a t e d i n o r d e rt oi m p r o v et h i sm e t h o d se f f e c t i v e n e s ，t h e t h e s i su s e sm a t l a bs i g n a lp r o c e s s i n gt o o l sa sm t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o na n d e r r o ra n a l y s i s ，p r o v e dt h a t 鞭强t r a n s f o r mc a nd e r i v em o r ea c c u r a t es i g n a lp h a s e i n f o r m a t i o n s t u d yo na l la s p e c t so ft h ep h a s em e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n df i n a l l y a c c o r d i n gt op h a s e m e a s u r i n gs y s t e m sw o r kf l o w ，t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e d i n t o s i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e s ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t a - p r o c e s s i n g m o d u l e ，ak e y b o a r da n dl c dd i s p l a ym o d u l e t h ep h a s em e a s u r e m e n ts y s t e m se a c hs t r u c t u r ec e l l sf u n c t i o n sa n d i m p l e m e n t a t i o n sw e r ee x h a u s t i v e da n a l y s i si nt h i st h e s i s a sp h a s em e a s u r e m e n t r e s e a r c ha n dr e a l i z e s ，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9a n de m p 7 1 2 8a r eu s e da sc o r ep r o c e s s i n g a n dc o n t r o lu n i t t h es m a l ls i g n a lr e c e i v e db yh y d r o p h o n e ，a m p l i f i c a t i o na n d f i l t e r i n gb ys i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，t h e ng a t h e r sb ya d s 7 6 6 3 ，w h i c hs a m p l i n g r a t ew a sc o n t r o l l e dt h r o u g ht h es m a l lk e y b o a r d t h es i g n a lw a ss t o r a g e di nd s p ， a n dd s pc a r r i e so nf i r 、h 可d a t ac o m p u t i n g ，m e a s u r e dp h a s e ，t h er e s u l tu s e 哈尔滨工程大学颁士学伊论文 c p l dc o n t r o ll c dd i s p l a y ，n l ec p l dc o n t r o l l ss y s t e m sa dc o n v e r t i o n ，l c d d i s p l a y ，k e y b o a r dc o n t r o l ，a n dc o m m u n i c a t ew i t hd s p k e yw o r d s ：p h a s em e a s u r e m e n t ；d s p ；c p l d ；h w ；p h a s ed i f f e r e n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：嘞7 移譬 日期：如叩年3 月如日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 伯哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：嚆艺宅导师( 签字) ：豸刍i 彬 日期：伽，年2 月矽日弘唧年；月扣日 哈尔演下程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 目的和意义 相位信息是交流信号的三要素之一，稳位差是两个同频率黉期信号的相 位差值，是研究两个同频率交流信号之间关系的重要参数。随着科学技术的 发展，相位测量技术的应用已深入到许多领域和部门，如；电力部f j 、机械 部门、航空航天、地质勘探、海底资源等。正确使用相位测量技术可以解决 电气、电子及其它非电量测量的许多问题。例如： ( 1 ) 测量网络的传输特性只要测出幅频特性及相频特性，就可了解网 络的全部传输特性。 ( 2 ) i i | | | 量谐振频率根据谐振时其相位为零特性瑟可求窭其谐振频率。 ( 3 ) 测壁时延特性通过测量被测网络的相位，可得到被测网络的相时 延频率特性及群时廷频率特性。 ( 4 ) 测量和校正伺服系统伺服系统是自动控制的重要组成部分，因其 电动机、解调器等都设计成响应于同相信号，故它需要经常测量信号的相位。 ( 5 ) 测量距离和方向在相位导航系统中，接收机同时接受两个基本点 发射机传来的信号，每个信号的相位与发射机和接收机的距离成正比，故求 得相位差即可确定飞机及船舰所处的位置。 ( 6 ) 电压、电流间相位差及功率因数的测量等。 在水声互程领域，矢量水听器各通道相位一致性是水声信号处理十分关 注的问题，它直接影响信号处理算法的性能。矢量水听器可以同步、共点、 直接测量声场空间一点处声压和质点振速的若干正交分量。如果矢量水听器 相位一致性不好，而又没有校准，那么这将直接影响到后续的信号处理。针 对三维矢量水听器，研究相位一致性的测量方法以及研制相位一致性测量电 路，对矢量水听器的相位一致性进行快速校准具有实际意义。 哈尔滨t 程大学硕士学伊论文 i i i i ii h i ii i i i i i i i i i i 1 2 国内外研究历史和现状 现代相位测量技术的发展可分为三个阶段：第一阶段采用的测量方法有 李沙育法、阻抗法、和差法等，这些测量方法虽然简单，但精度较低；第三 阶段利用数字电路、徽处理器等来构成测量系统，使测量精度大大提高；第 三阶段充分利用计算机及智能化测试技术1 ，如采用基于l a b v i e w 平台的虚拟 仪器构成测试系统，从丽大大简化设计过程，增强功能，使彳导相应的产品精 度更高、功能更全。同时，随着各种新的算法、测量手段、设计方法和新的 器件的出现，相位测量技术在不断的改进和更新。 通常的测量方法是对两个输入信号进行调理，应用过零检测的方法便其 变成两个方波，然后对着两个方波进行比较得到检相脉冲，再用高频时钟脉 冲法去填充两个信号熊楣位差，扶丽实现信号楣位差的溺量强。 在测量精度要求比较高，尤其相位差相对比较小时，我们都必须提高计 数标准时钟脉冲的频率，这就增加了设计本身的难度，也提高了选用元器件 的要求。而在传统的测量方法中，当相位差的脉冲宽度小于计数脉冲宽度时， 相位差更是无法测量。因此，我们必须设计出一种新的测量方法来实现更高 精度相位差的测量。 总的来说在相位测量技术方面，美国一直处于领先地位，主要的研究机 构和公司有：n b s 、h p 、w d 。w 公司及d r a n e t z 实验室。另外，俄罗簸在 此领域也具有较高水平。 在国内，6 0 年代和7 0 年代是相位测量研究的黄金时代，有众多的研究所、 工厂和其他行业部门进行了相位测量技术的研究并取得了一定的成果。如国 家计量科学院、国防科工委第二计量研究所、电子部第十研究所、第十四研 究所等。它们的研究初步奠定了我国相位测量技术研究的基础，研制出了一 批专用和通用的相位测量产品。1 9 6 4 年，我国第一台相位测量仪器一7 s 2 型交流相位差计闻世，其极限误差为3 0 7 。1 9 7 9 年王2 胃，嚣家计量总局正式批 准进行相位量值传递。从8 0 年代开始，微处理机被广泛的应用于各个技术领 域，多种型号静电子褶位计相继投入市场，取代了以往的相位计。但总的说 来，我国的相位测量技术与发达国家相比尚有较大的差距，主要体现在产品 品种少，配套产品少，产品测试功能单一，仪器精度、数字化和麴动化程度 2 哈尔滨t 稷大学硕十学位论文 不高等。目前，国内生产商品化相位计的主要厂家仅有天津中环电子仪器公 司，相位计量机构是中国计量科学研究院和国防科工委( 2 0 0 8 年已取消) 。 目前，困内外提滋了改进相位测量精度豹方法，例如： ( 1 ) 采用专用数字处理芯片，如d s p 、f p g a 等，利用数字相关法、傅立 叶变换等方法来计算相位差，可大大提高测量糟度雕。 ( 2 ) 采用新器件及设计方法提高相位测量的精度及工作频率范围，如采 用基于l a b v i e w 平台的虚拟仪器构成测试系统。 ( 3 ) 采用新的算法进行相位测量嘲删。 当前，还没有专门用来测量单矢量水听器相位一致性的仪器，测量时往 往用双通道的相位计，测量时很不方便，精度也不是很好。本设计研制的用 于相位测量的四通道信号采集和处理系统，将极大地方便矢量水听器相位一 致性测量。 1 3 论文的主要内容 为了实现单矢量水昕器通道间的相位一致性的快速、准确测量，在认真 调研了当前圜内外相位测量系统的应用和发展现状后，本文首先对相位一致 性的测量方法进行理论分析翻算法的m a t l a b 仿真研究，在此基础上选取 f f r 算法这一高效的相位一致性测量方法作为硬件电路的测量算法。 传统的模拟、数字相位计在进行信号相位测量时，会因外部干扰源或本 身线路的原因产生各种各样的误差，严重影响了测量的精度。目前，采用软 件算法可获褥相位测量的高耩度，它的原理主要是通过运震一定的软件算法 来提取信号的相位信息来达到相位检测的目的，其中最常用的算法有傅立叶 变换法、最小二乘法和相关函数法。本文正是采用傅立时变换法的方法来完 成信号相位的检测。与模拟信号利用幅值测相的原理不同，傅立时变换法首 先通过a d 采样，用定的采样精度、采样频率和采样点数，将接收的信号 离散化，包括时闻上信号的离散和量化精度上的离散。这样就得到一组有限 的离散的采样点。然后，利用傅立叶变换得到一复数序列，从这一复数序列 的对应项求得其幅角。此幅蹙包含了关于接收信号的初相位疹的信息，从而 求得了初相位中。由于d f t ( 离散傅立叶变换) 所需运算量相当大，计算时间较 长，所以必须借助于f 蹦快速傅里时变换算法) 。 3 哈尔滨1 二器大学硕士学位论文 h 可算法基本思想是将较长序列的d f t 运算分解为较短序列的d f t 运算 的一种快速算法。它使d f t 的运算时间缩短了几个数量级，f f r 算法己经成 为现代信号处理的重要理论之一。但f f r 算法中存在着大量的乘加运算，运 算结构比较复杂，传统进行数字信号处理的手段存在耗时长的缺点，不太适 合实时的动态数据处理。 设计中选用d s p 来实现f f t 运算，数字信号处理器( d s p d i g i t a l s i g n a l p r o e e s s o r ) 是数字信号处理理论与超大规模集成电路( v l s i ) 技术 融合的结晶。由于它能够提供更好的性能价格比，更高的运算速度和算能力， 目前，d s p 技术已经广泛地应用于仪器仪表、通信、图像处理、频谱分析、 电机控制等领域，在推进信息处理数字化方面发挥着越来越大的作用。现代 d p s 芯片作为可编程超大规模集成( v l s i ) 器件，通过可下载的软件或固件来 实现字信号处理功能。 为满足在线检测的实时性要求，选用了1 r i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 作为本 系统的主c p u ，该芯片功耗低、性能高、董6 位定点速度为3 0 0 m p i s ，能在极 短的时间内完成各种计算，并通过串行总线把结果送到液晶显示器。课题设 计了相位测量的信号调理电路、数据采集电路、c p l d 控制电路、显示电路、 电源电路。 论文结构安排如下： 第1 章：绪论部分，介绍了国内外相位测量系统的发展现状，提出了本设 计的必要性，及设计中所运用的方法。 第2 章：深入分搴厅到星前为止测量相位的各静理论方法，重点研究基于 h 玎变换理论的相位测量方法，并用m a t l a b 进行仿真，理论论证了此方案 的可行性。 第3 章：用于相位测量的硬件电路部分的设计，涵盖了从芯片选择到硬件 调试。硬件部分包括：具有放大电路、增益控制和滤波功能的四通道模拟电 路板；由a d 7 6 6 3 、t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 、c p l d 组成的用于信号采集和处理的数字 电路板；电源电路以及键盘控制和液晶显示部分。 第霹章：系统的软件设计部分。主要是d s p 和c p 的软件开发编程戬及 对相位测量的算法编程。 4 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 第2 章相位测量方法简介 在对交流信号的相位测量中，测量方法又有模拟方法、数字方法可以采 用。模拟方法是先对多个相位差脉冲进行积分，然焉计算这多个相位差的宽 度，再取平均值求相位，这种方法有精度，但是电路复杂，而且对元器件 要求很高。丽数字方法具有精度高、速度快、频带宽和便于实时测量和实现 测量的自动化、智能化等特点，因此相位测量技术逐渐向数字亿发展。在相 位计数字化的发展过程中，基于“软件算法”测量手段逐渐体现出优势，它 把数字信号处理的理论雩| 入了相位测量幸，把对采样信号质量和福位检测电 路的要求转化为计算质量的要求，这种基于数字信号处理算法的相位计具有 很离的精度。为了达到对矢量水听器棱位测量的要求，以下对凡嵇典型的相 位测量方法进行分析。 2 1 李沙育图形法 一个基准信号已知频率相位，一个待测信号，在双踪示波器中进行波型 叠加，调整基准信号源，在示波器上显示出某种特殊图影，可以表示待测信 号与已知信号也就是基准信号源之间的频率相位关系，从而计算出被测信号 的频率和相位。这种方法使用的图形列表叫李沙育图形，方法叫李沙育图形 法。 假设测量两个同频率的正弦信号s 1 、s 2 的相位差。以s l 为x 轴，以s 2 为y 轴作图，若图形为一条过零点，斜率为l 的线段，则相位差为o 。若图 形为一条过零点，斜率为1 的线段，则相位差为万。若图形为椭圆，设该椭 圆交y 轴于点( 0 ，y ) ，椭圆y 向最大坐标为y 。，剿相位差为a r c s i n ( y y 。) 。将 s 1 、s 2 接示波器的x 输入端和y 输入端，可通过观测图形得到相位差。此 方法简单易行，仅仅篇双踪示波器即可测量。僵由于是入眼理察，仅仅是糨 略测量信号的相位差，难以保证测量精度，也不可能使测量自动化。 2 2 数值取样法 这种测量方法具有相当高的精度，它是利用同步采样技术获得两输入信 号瓣取样僮，经过对瞬间幅值的处理得到相位熊。其原理如下p 1 ： 哈尔演工程大学硕七学伊论文 设两个正弦信号为： 鞋l 章) 。u 妇s i n ( w t + 姣)0 - l u 2 0 ) 一u 2 。s i n ( w - t + 缈2 )( 2 * 2 ) 则 m 1p ) “2 g ) # u l m u 2 ms i n ( 獗+ 讫) s i n ( 耐+ 妒 ( 2 _ 3 ) 一u 嘏s 0 气一毂) 一f ，e o s ( 2 w t 姣+ 软) 、7 式中：u 。t 妄l 。u 2 。 公式( 2 - 3 ) 中，颈u 。s ( 翰一妒2 ) 在弼、驴2 确定时为常数，顼 瓯c o s ( 2 w t 赣+ 致) 是默如为频率的余弦信号，可见。u d t ) 与l , 1 2 # ) 的乘积 为正弦信号和一常数项的迭加，对其积分求平均值： 黟。瓤u 1 辜) u 2 ( o a t 2 瓤矽。c o s ( 纯一( p 2 ) 一u 。c o s ( 掀+ 魏+ 妒2 ) 】出 ( 2 - 4 ) = u 。c o s 1 一妒2 ) = u 。c o s 6 式( 2 4 ) 中，艿一吼一驴为黼，) 和嚣2 ) 之闻的栩位差。可见，c o s o ；u u 卅。 这种测量方法随誉采样点的增加，对于低频可以得到相当精确的结果， 蠢虽软件部分麓单，易于实现。毽是被测频率跳较高时，就需要高速a i d 数 据采集器件作为外部电路。且e l l 于采样频率过高，加之两路采样要严格同步， 所以如果爨用主控芯片酶酶应速度不够，则大大增翱了出错的概率。 2 3 过零鉴相法 过零鉴楣法是警前最常震鹣一辩稻位测量方法。相位差为妒的两个信号 u 1 和u 2 分别经过各自的放大滤波电路，送至相应的过零比较器变成方波， 再经微分著滤去正尖顼脉冲，得到分剃对应蘸个信号受向过零瞬阗蕊尖脉冲 例。鉴相器被这两组负脉冲所触发而产生对应这两个过零瞬间相位差的方脉 滓& ，原理匿妇垦2 。1 所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i l l l i l li i i i i i i i i i1 7i i i i 黼 刮i 面粤斗再磊j l 蓬l ；稳 i 器| 堕丑篓譬曼叵hi 甏2 1 过零鉴相原理圈 采用填充计数法，实现相位差值的数字化。即用周期为f 的时标脉冲分 别对& 、r 进行填充计数，则相位差： 妒= 等3 6 n 兰3 6 0 。| 3 6 0 。 ( 2 5 ) 鼯，r，暑， 式中卜被测信号周期； 一两个正弦信号过零点的时间差： 磁一时间间隔山内所填充的脉冲个数； n ，一时间间隔t 内所填充的脉冲个数。 过零鉴相法的关键首先是准确探测两个正弦信号基波分量的过零点；其 次是提高时标脉冲的频率或扩展计数器容量，以进一步提高时间的测量精度， 获取更高的梗谴差测量分辨率。 设a d 转换器的位数为n ，最大模拟输入量为u 删，则幅值的采样分辨 率为v 一( 2 一1 ) ，如图2 2 所示： p op n + 土 麟 一。 图2 2 采样点转换关系圈 在过零点附近，必然有电压满足： 一三急妣三1笔(2-221 21 6 ) “一2 矗一 ”7 于是，采样点最与最+ ，之间的数值为零，采样点最的数值大于零，采 样点最+ ，的数值小于霉( 或者采样点b 的数值小于零，采样点最+ ，的数值大于 零) ，在采样值最与咒+ ，点之间必然有一个信号真实过零点最，由于采样频 7 哈尔溟工程大学硕士掌使论文 率的限制，一般取信号真实过零点只为： 忍。( 最+ 最+ ，) 1 2 ( 2 - 7 ) 此种方法的优点是测量分辩率高、线性好、易数字化。僵由于谐波干扰 等其它一些误差因素，有时对测量结果的影响非常大；另外，在实际的电路 孛，峦于受限于实际毫子元件麴影嫡，在过零检测电路视线中我翻不可能做 到两路信号的实验特性完全相同，前端的信号调理电路和过零检测电路势必 带来方渡信号糖对于输入信号过零点的偏移，所得到两个方波信号翡摆位差 实际上是实际输入信号的相位麓和两路过零检测电路相位差的综合相差。在 设计中为了提高测量精度，所以必须提高充脉冲的频率。峦参考文献【l o 】可 知，郎使徽至00 1 。都很困难，这种方法国内相位测量采用的主要方法。 2 。4 基于鏖拟仪器技术的相位测量 虚拟仪器是一种以硬件功能软件化为基础，以计算机、软件和总线技术 在向其缝技术领域密集渗透的工程中，与测试技术、仪器接术密切结合，共 同孕育的一颈新技术q 。一套完整的虚拟仪器被抽象为各个功能模块，然席 将软件技术的模块化概念运用到功能模块的实现中来，提赢了各功能模块乃 至整个系统的开发效率，并且，由于具备了功能软件模块化的特征，西此保 证了系统的灵活性和开放性。 将硬 孛式数字相位量 孛辫f j 毫路、舷发器、计数器等硬件单元按照其功 能和结构设计成相应的软件模块，然后在主控模块中进行组装。主耍有软件 和硬件嚣部分：硬件部分完成信号预楚理和采集；软箨部分完成数据分析、 处理、显示、保存等功能。软件般情况下由图2 3 中几个模块组成。 主控模块 图2 3 虚拟仪器模块组戚 可以看出虚拟仪器是不能脱离计算机的，这就大大限制了基于虚拟仪器 测量相位的应用。 哈苍溅：1 挥大学礤士学位论文 2 5 相关法测相 相关甄数摇述既是信号本身熬某些特征( 鸯耀关函数) 或表征鼹个信号之 间的相似程度( 互相关函数) 。利用相关函数来分析信号的方法称之为相关分 折法。剩焉棚关分橱法可熬进行僖号特征的检测帮提取，互稳关函数还可以 消除随机噪声和干扰。相关分析已广泛应用在天文、仪器、通信、医学及 些墅像信号处理中，成为数字信号处理中一静非常实罱的技术。下瑟所述的 就魑利用两个正弦信号的互相关函数提取其相位信息。 相关函数法利用两同频正弦信号的延时为零时的互相关函数值与其相位 差的余弦篷成芷跣豹原理获得相位差。 2 5 1 根据豆相关蕊数的特性求出弧信号的相位差 根据两信号互相关函数r 脚p ) 不是偶函数，则尺删p ) 舞k ( 州) ，说明互 相关函数与两信号的相位差驴和时间延迟量f 有关，两氏( 鳓只与妒有关，基 于此可以求出t p ： 设x ( f ) 。a s i n ( a g ) ；y ( t ) 一b s i n ( 刎+ 伊) 。 其中：a ，b 分剐为嚣信号耀值；酗为信号频率；舻为两信号的褶谴差。 r w ) 的估计值为： 岛g ) = 亭f 并g 沙o + 芎) d t ( 2 - s ) 其中t 必信号周麓。 当r = 0 时； 岛 8 瓤蚴# z 舻 1 亭醢舢s i r l2 a g c o s 础+ j ( a b s i n a g c o s t o t s i n t ) 上式篇二项的积分为零，所以有： 疋 。亭f 么蠡s i n 2 程s 础一譬s 爹( 2 - 1 0 ) 由此可以求出两信号的相位差为： 9 哙尔滨工程大学硕士学位论文 够；a r c c 。s 2 r ，y ( 0 ) ( 2 - 1 1 ) a b 一， 2 5 2 受高斯白噪声干扰的信号相位差的提取 壶于噪声信号通常与有效信号相关性禳小，嚣丽该方法有穰好静噪声抑 制能力。 缓设两褥频率正弦信号受到嵩薪鸯噪声干撬。 x ( t ) = as i n ( r o t ) + 札 岁) 一b s i n ( a g + 擎2 ) + n ， 其中：。、。为高斯自噪声干扰。 则，鼹信号的互楣关函数鼹扛) 的佑计篷为； 岛 ) = 鬈x 沙( f + r 皿 2 瓤m s i n ( 埘) + 。瓣i n ( 彩o + f ) + 妒) 牛， d t 理想雩生况下噪声和信号不耀关，显嗓声之阕也不稆关，积分薏样褥到： 盖拶( o ) ；掣c o s 妒( 2 1 3 ) 伊=警(2-1arcros 4 ) 伊= 4 ) 量d 2 5 3 应用数字相美函数滏的特点 ( 王) 壹予离薪童噪声和赣鸯不相关，所苏应震数字藕关螽鼗法可渡有效 的抑制噪声干扰。但是对于相关性强的干扰信号和谐波干扰，数字相关函数 法在低售噪魄下，测量误差较大。 ( 2 ) 由于应用数字相关函数法，在理论推导上和信号的频率茏关，所以 对米知频率的信号可以进行相位差测量，适合高频正弦信号相位整的测量。 p ) 壶表达式可知：相位差受采样点n 的大小翡影响，采样点n 值越大， 测量越准确。 1 0 啥尔溱t 程大学礤士学位论文 ( 4 ) 由理论推导过程可知，应用数字相关酗数法具有局限性，它只能测 量正弦或余弦信号，对一般的藤期信号无法测量。 2 6 傅立叶变换法测相 俸立时变换是信号处理鲶耪基本变换，缀久驻寒童蔹凑于系统稳健 的理论分析，随着快速傅立叶变换( f f r ) 的出现，它才渐渐被用于实际系统的 相位溅量，僚过去的几十年中这种方法很少被采用，主要的原因是当时的计 算机系统的计算能力还比较薄弱拉麓。随着近年来微电子技术的飞速发展，特 别是专门用于数字信号处理的d s p 芯片和f p g a 芯片的出现，其数值的计算能 力远远超过主流p c 枫，有了这么强大豹计算工具，点数极多静斑琵也不会消 耗太多的时间。因此，利用傅立叶变换实现相位检测是种实用性很强的测 量方法。 2 6 1 基于d v r ( 离散傅立叶变换) 的测相原理 对于一个离散时闻序列：算( 嚣) ，终一1 , 2 ，3 。一1 ，其离散时闻傅立叶交换 ( d 骶呻为： x ( e 扣) 一x ( n ) e 触( 2 1 5 ) 石乃 因秀x ( e j 攀) 是甜翡连续嚣数，新戮实际应髑中秀了缆于计算扭进行数傻 计算，同常必须x 寸x ( e j 。) 进行离散化，即进行d f r ( 离散傅里叶变换) ： x 嵇) 。箩茗( n ) e - j ( 等潞 。薹z ( n ) c o s ( - 等k n ) 书咯娩梵瑚辫螂蹦( 2 - 1 6 ) ；r e x ) 】+ _ h 【x ) 】 为采样点；嚣为第拜个采样点；k 为谐波次数，km 磊，基牛王；厶为 基波频率；氕为采样频率。 则，基波信号的楣位： ”勰( 2 - 1 7 r e x ) 取h 7 哈尔滚下程大学硕士学使论文 i ! i i h ii i i 1 1 d f r 实际上是d t f t 在频域n 点等间隔进行抽样。x ( k ) 对应得圆周频 率为k 2 s r n ( 器信号频率为纸) 的复迁弦分壁。 可以看滋，通过倦里叶变羧提取基波参数，可以求出信号静相位角渊秘1 。 2 6 2 基于f h ( 快速傅立叶变换) 的算法分析 通过上节可以看出，对信号迸行d f i 变换可以求出其相位，但由于 d f t ，计算时阕较长，接此直接计算，其运算量为2 次复乘帮一王) 次复 加，当很大时，运算量就相当的大，从而严重影响数据的处理速度。为了 加快运算速度，借助予册( 快速傅里叶变换) 算法。嘴法之所以可使运算 效率得舅提离，就是幂| l 震了旋转墓子鹃对称牲和属期性，将长蓐列的d f r 分 解为短序列的d f t ，以短点数变换来实现长点数变换。例如：为偶数时， 先将点的d 疆分黧为嚣个n 2 点斡d f t ，使复数乘法减少一半；再将每个 2 点的d f t 分解为n 4 点的d f t ，使复数乘法又减少半，继续进行分解 可以大大的减少计算鬟。最小变换的点数称失基数，对于基数茭2 懿礴法， 它的最小变换是2 点d f t 。 这样在设计中就可以通过提取基波参数，实现对两路信号相位角的求取， 从两提高测量精度。 时间抽取的f f t ( d i t ) 算法原理如下： 假定亭y u x ( n 豹点数帮是2 的幂，按照时阕接取曩算法可将其分解为 偶序列和奇序列。 偶穿列：x 嘭，菇2 ) ，垂，。x ( n 一，郾蔓丞) m x ( z n ) ，嚣z 甑，僻，零一薹 奇序y u x ( 1 ) ，z ( 3 ) ，z ( 5 ) ，搿( 胛一1 ) 即菇2 ( ，z ) 一x ( 2 n + 1 ) ，n o ，l ，“、r 2 ) - 1 盖g ) ；芝善秘) 渺： e 糖s 售砂j s i n ( 鲁删( 2 q 8 ) k 一0 , 1 , 2 ，3 ，n - i 式孛形：= c o s 寺勉) - 多s i 珏( 等鳓) 代袭旋转爨予。 1 2 ( 尼) = , - 石t ( 2 ，z ) 彬+ x ( 2 n + 1 ) 形y 嚼n 2 - 1 ( 2 ”n 。) 盼2 n k kn 萎2 - 1 ( 喊 p 捞 令x ，积) * 薹z ( 知) 缈荔：，x ：( 死) = 薹z ( 2 狞+ ”彬荔，即x ，( 定) 和x ：( 良) 分 别为茗，积) 和菇：积) 的n 2 点的d f t 。则上式可变为： x ( k ) 一x ， ) + 矽x 2 ) ( 2 2 0 ) 由于z ， ) 和盖2 ) 的周期为n 2 ，则上式k 的范围为o 到2 1 ，计 算k ；n 2 到时一1 ，则利用蝶+ 胆一一嘭，可以得到： x ( k + 2 ) ；x l ( j ；：) 一碟并2 ( i ：)( 2 - 2 1 ) 从式( 3 ) 、 可以看出只要求出0 到2 一董区间盖， ) 和盖： ) 筋值，就 可以求出0 到n 一1 区间x ( k ) 的值。以同样的方式进一步抽取，就可以得到 4 点的d f t ，重复这个抽取过程，就可以实现基于2 - d f r - f f t 的碟形运 算，从而求出石取) ，这样就可以大大的减少运算量。 基于2 - d i t - f f t 的蝶形运算如图2 4 所示。设蝶形输入为x m - t 0 ) 和 x m - 1 ( 孽) ，输嬲为x 。( p ) 和x 。( 尊) ，则有： 石。( p ) mx 。- 1 ( p ) + z 。1 ( g ) w 葛( 2 - 2 2 ) x 。( 鸟) 一z 。，( p ) 一g m - 1 ( g ) w 葛( 2 - 2 3 ) x m 1 秭 瓠| x 搬 图2 4 蝶形运算原理 在基数为2 的辩誓中，设一2 掰，共有m 级运算，每级有n 2 个2 点r 誓蝶 形运算，因此，n 点h 可总共有( 2 ) l o g ：n 个蝶形运算。例如，在n 点h 叮 中，在n = 8 时，共需要3 缀，其信号流程图如2 5 所示： 哈尔演下鬻大学硬士学位论文 i 宣警i i ii i ii i i i i i ii i ，i i i 麓 图2 5n = 8 时的h 匹流程图 令x 馥) 的实部为r e x ( k ) 】，虚部为i i n 陋抟) 】，则，由采样得到的x ) ， 可以求出初相位： 劬。a r c t a n 卿( 2 - 2 4 ) ”撤端 ) 应用辩肾谱分析法测量信号的相位，具有传统方法不可比拟的优点： ( 1 ) 傅里叶变换是一种常用的信号处理算法，它的理论基础成熟，可用 资源丰富。 ( 2 ) 通过傅里叶变换可以只提取基波参数，因此谐波的存在并不影响基 波成分，所以谐波豁存在对应用这种方法溅量相位差凡乎没有影响。 ( 3 ) 对于噪声干扰，只有接近基波频率分量的噪声才会影响到基波的相 位，所以，f f t 法测堂耀位差肖一定的噪声抑制能力。 在对饪周期信号z 0 ) 在【o 阅内进行等闻隔采样，其离散付星叶变换 为： x ( 秽加) 一x ( ，z ) e 。渊 ( 2 - 2 5 ) 其中，这些信计菹与真氆悬有差别熬，误差的来源有以下凡个方面： ( 1 ) 混叠误差是当z 0 ) 中含有频率超过n 2 t 的分壁时，采样定理不满 是将造成弱。锋对蠹乏类误差鬻爝抗混叠滤波器来滤塞高频分量，也可适当激 醛 鼢 獬 橱 獬 啪 i i ) 0 4 2 嚣 1 5 3 7 m 蹴 地 黪 她 疆 m 瓣 哈尔溪t 稷大学碜士学使论文 i i i 警麓i i i i i i 高ii i i i i i i i i i i i i i i 1 i i i i ii i i 薯 高采样频率使采样定理得到满足。 ( 2 ) 栅栏效应用和式来近似付里叶级数的积分表达式将造成数值积分 误差，在对信号频谱进行等间隔采样时，采样点之间的频谱分量被漏掉。此 类误差也随采样频率的提高而减小，若采样间隔趋于零，即采样频率无限大 时，混叠误差和数值积分误差基本消失。 ( 3 ) 泄漏误差是由非整周期采样引起的，若1 t 与信号基频厂不是整倍 关系，爨l 在【0 咽内截取x 0 ) 并震期延拓蔼成的信号茗0 ) 将不等于原信号 x ( t ) ，并会造成波形间断，这样必然会使变换结果偏离真值，信号频谱中各 谱线之间相互影响，在真实谱线两侧其他基波整数倍频攀点上出现一些幅僮 较小的假谱，使得周期采样信号的相位在始端和终端不连续。从而使计算出 信号参数( 即频率、幅值和相位) 不准确，尤其是相位的误差很大，这就是所 谓的频谱澄漏现象。解决频谱泄漏通常有加密插值算法拜弼和采样同步两大类。 对数据加窗能有效地克服泄漏误差造成的幅值估计误差，但对相位估计 误差无直观的改善。 同步采样通过使采样频率和电网信号频率的严格同步，即采样频率是电 网信号频率的整数倍，来消除频谱泄漏误差，特蹦是相位售计误差，测量精 度较好，比较常用。 2 。6 3 基于f v r ( 快速傅立叶变换) 测相的仿真实现 对于单一频率的f f t 结果而言，一般情况下，在离散谱上会出现两条谱线， 只有当满足公式盆2 6 ) 斡条件时，在功率上正好对应于一条谱线瑟麓。 厂= n 。，( 2 2 6 ) ( 2 2 6 ) 式中，为信号频率，a u 为频率分辨率。假设a d i 搀采样频率为五， 作n 点的f f t ，则频率分辨率为： ， 。 琴t 号( 2 - 2 7 ) 如果功率谱最大懂出现在第r 1 个频率上，煲| 代入公式( 2 3 7 ) 得： ，一露掣：譬( 2 - 2 8 ) 1 s 哈尔滨工程大学硕七学饨论文 然后只需在幅度谱上取其相应的第1 1 个频谱值的实部r e 和虚部i n l ，按照 公式( 2 2 9 ) 计算就可以得到输入信号的初始相位。 拶呵1 ( 熟 ( 2 - 2 9 ) 用m a t l a b 软件进行仿真，仿真信号频率友i k h z ，以十倍采样率对其采样， 信号形式为： y = c o s ( 狲+ 6 溉1 8 0 ) ( 2 - 3 0 ) 仿真结果如图2 6 、2 7 、2 8 所示，其中图2 6 是信号波形，图2 7 是信号幅 频特性，图2 。8 是信号相频特性。 图2 6 仿真信号波形 okjl o1 o 蝴鼬0 勰s 0 0 0 蝴1 0 0 顿辜f ( ) 图2 。7f f t 变换后的幅频特性盐线 哈尔演：【穆大学硕士学位论文 嘲2 神4 尊辅6 瞒8l o t x 1 o 2 l o o o 1 0 0 06 t 0 0 081 0 0 1 频率( h z ) 图2 零戮疆变换后的相频特性蓝线 运行结果即所求出的初相位是5 9 8 3 4 9 。，可以看出研叮变换可以很好的 求撼信号的柱位信息。鉴于弼玎的优点，丽量d s p 芯片能够缀好的实现f f t 变 换，所以本设计选用f 兀、算法来实现对矢量水听器个通道间信号相位差的测 目 重o 2 7 本章小结 本章对相位差测量鲍理论方法进行了比较全面豹介绍，并说骥了它们的 优缺点，其中着重介绍了傅立叶变换法求信号相位，并对f f t 变换进行了仿 真，给出了仿真匿形，经过调研论证，发现雳f f r 变换法求信号的相位相对 其他方法来说还是具有一定优势的。并且随着信息技术的发展，数字信号处 理芯片得到了越来越广泛的应用，在d s p 芯片中实现h 碍算法并不是很困难， 萁技术成熟。可以看出基于d s p 芯片对信号傲f f t 求相使不失为一种好的方 法。下一章将对硬件电路的设计作详细的说明。 1 7 呤尔滨下程大学硬十学位论文 m i i i i i i n ni-lu l l - tl l l i i i) u u l i i i i i i 翠 第3 章系统硬件电路设计 本章为相位测量系统的硬件设计部分，本系统的硬件部分分为模拟部分 和数字部分，信号的前端调理瞧路郎力信号的模拟部分，其它皆为数字电路 部分。按照信号采集与处理的流程，本章比较详细地介绍了信号前端调理电 路、信号采集电路、c p l d 逻辑控制电路、d s p 信号处理电路、电源模块电 路等设计。 3 1 系统总体方案的设计 硬件系统的框图如图3 1 所示： l 调理电路 ： ， o 转 换 c p l d 逻辑控制网 | 块 | 1 一 图3 1 硬件电路系统框图 模拟电路部分( 帮信号调理电路) ：每个通道均有独立的调理电路，对内 矢量水听器接收到的四路( 质点振速x 、y 、z 方向和声压p 通道) 信号进行放 大、滤波处理。将接收到的凡西微伏以及几十毫伏的电压信号放大为几伏， 便于处理的信号，并且滤掉高频干扰。最前级是电压跟随电路，是为了同接 收换能器匹配。可控放大部分有2 x 、1 0 x 、2 0 x 、5 0 x 、1 0 0 x 五个档位。 数字电路部分：为实现对翻个通道信号的同步采样，本系统基于d s p 和 c p l d 为核心构建，每一通道都有一个独立的1 6 b i t 并行输出的a d 转换芯 片。c p l d 用于对各个a 固转换芯片的时序控制、遗址数据总线的分对控制； 采集到的信号通过1 6 b i t 并行总线分时传到d s p