[发明专利]一种基于多频数字锁相放大器的信号频率成分检测系统及FPGA实现方法

权利要求书

1.一种基于多频数字锁相放大器的信号频率成分检测系统，其特征在于，包括：

数据类型转换模块，用于将ADC采集的有符号整形数据类型的信号转换成单精度浮点型数据类型的信号；

信号预处理模块，用于对数据类型转换后的信号进行希尔伯特包络解调和FIR低通滤波的预处理；

参考信号产生模块，用于提供不同指定频率的正交正弦参考信号M和余弦参考信号N，以供多频数字锁相放大器模块使用；

多频数字锁相放大器模块，用于对初步的解调信号进一步解调并降噪，去除随机噪声的干扰，并合成重构信号作为输出信号。

2.根据权利要求1所述一种基于多频数字锁相放大器的信号频率成分检测系统，其特征在于，所述多频数字锁相放大器模块由多个数字锁相放大器和加法器组成，加法器采用加法树结构用于合成重构信号。

3.根据权利要求1所述一种基于多频数字锁相放大器的信号频率成分检测系统的FPGA实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)数据类型转换模块将ADC采集的有符号整形数据类型的信号转换成单精度浮点型数据类型的信号，保证了数据精度，便于后续模块的处理；

2)信号预处理模块对步骤1)中数据类型转换后的信号进行希尔伯特包络解调和FIR低通滤波的预处理，得到初步的解调信号；

3)参考信号产生模块采用DDS信号发生器产生不同指定频率的正交正弦参考信号M和余弦参考信号N，以供多频数字锁相放大器模块使用；

4)多频数字锁相放大器模块由多个数字锁相放大器和加法器组成，将步骤2)预处理得到初步的解调信号分多路并行输入到各个数字锁相放大器中进一步解调并降噪，去除随机噪声的干扰，得到输入信号中多个指定频率成分的幅值特征，并合成重构信号作为输出信号。

4.根据权利要求3所述的FPGA实现方法，其特征在于，步骤2)所述的希尔伯特包络解调在FPGA中以卷积运算的形式实现，避免了希尔伯特变换过程中的复数运算，便于在FPGA等硬件系统中实现。

5.根据权利要求3所述的FPGA实现方法，其特征在于，步骤3)所述的DDS信号发生器采用时钟信号的方式驱动，以系统时钟周期为步长，使得DDS信号发生器能够连续地调整输出信号频率，同时保证了输出信号不发生失真；并且在FPGA实现中直接使用DDS信号发生器同步产生两路正交周期信号，降低后续设计的移相压力。

6.根据权利要求3所述的FPGA实现方法，其特征在于，步骤4)所述每个数字锁相放大器包含以下步骤：

S1、将初步解调的信号分别与指定频率的正弦参考信号M和余弦参考信号N相乘，产生第一路信号P和第二路信号Q；

S2、对第一路信号P和第二路信号Q进行FIR低通滤波处理得到两路滤波后的信号；

S3、对两路滤波后的信号求平方和后再开方，得到指定频率成分的幅值；

S4、根据幅值构建指定频率成分的信号。

7.根据权利要求3所述的FPGA实现方法，其特征在于，所述的FIR低通滤波在FPGA中以摩尔型有限状态机的形式实现；运算过程为先寄存当前信号，乘系数后再进行累加。