基于虛擬儀器的頻率測量軟件系統研究與設計

　　引 言

　　在內彈道雷達測速中，要完成彈丸的速度測量，根據多普勒測速原理，需要進行多普勒頻率的估計測量，而頻率估計也是信號參數估計中的經典問題。目前國內外已經提出了不少方法，主要有時域法、譜估計方法和時一頻域法，其中時域法主要有數周期法和過零檢測法兩種，其主要缺點為測量精度低;而時一頻域法主要有短時傅里葉變換、魏格納一維爾分布等，但計算量一般較大，難以完成實時處理。

　　此外，隨著虛擬儀器的發展，借助于其良好的人機界面和強大的信號處理功能，進行信號處理平臺的構建也日益成為一種發展趨勢。從本質上來說，虛擬儀器是儀器技術與計算機技術深層次結合的產物，它強調"軟件就是儀器"的概念，使用戶能夠根據自己的需要定義儀器功能，更好地組建自己所需的測試系統。它是按照信號的處理與采集(ADC)，數據的分析與處理(DSP)、結果的輸出(DAC)及顯示的結構模式來建立通用信號處理硬件平臺，在這個通用信號處理硬件平臺上，調用不同的測試軟件就構成了不同功能的儀器[1]。基于此，本文利用虛擬儀器平臺，結合功率譜估計和頻率測量的組合測量方法，進行了信號頻率測量系統的設計。

　　1頻率測量方法

　　通常，由于有用信號與噪聲的頻譜特性不同，因此功率譜估計方法成為一種在噪聲背景下提取有用信號(如正弦信號)的有效方法。鑒于此，在多普勒頻率測量中，可以將采集的數據先進行功率譜分析，然后再通過頻域測頻的方法來完成多普勒頻率的求取。在功率譜分析中可分為為經典譜估計和現代譜估計，經典譜估計方法的典型代表有周期圖法、Welch法等;而現代譜估計方法的典型代表有AR模型法、MA模型法、ARMA模型法、熵譜法、最大似然法和特征分解法等。頻域測頻方法主要有能量重心法、譜峰搜索法等，通過選取不同的功率譜分析方法和頻域測頻方法的組合，均可達到測量信號頻率的目的。

　　1.1 Welch功率譜估計

　　在經典功率譜估計巾，采用直接周期圖法估計出的譜性能常常不好，主要表現在譜的起伏比較大，方差比較大。采用Welch法可以改善直接周期圖法估計出譜的方差特性。它的基本思想是采用分段加窗的方法把一長度為N的數據XN(n)分成L段，每段長度為M，并允許每段數據有部分重疊，分別求出每一段的功率譜Pi(ω)，然后加以平均，得到平均后的功率譜，即：

　　根據概率統計理論可知：利用Welch法估計出的功率譜的方差大致是直接估計出的譜的方差的1/L，而且分段越多，方差越小，但是頻率分辨率也越低，偏差變大。所以，在實際使用中要兼顧方差和分辨率的要求適當的選取L和M的值[2]。