李周利+李雯+劉鵬

摘 要： 對某基于MSP430F149的傳感器的低頻窄脈沖周期信號(hào)識(shí)別時(shí)，若依據(jù)采樣定律對該低頻信號(hào)確定的采樣率采樣則會(huì)漏掉該窄脈沖；若提高采樣率，頻域處理時(shí)點(diǎn)數(shù)又太多。為此時(shí)域采樣采用窗口內(nèi)高采樣率，對每個(gè)窗口用重采樣作為一個(gè)采樣點(diǎn)。采用快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，分析感興趣頻域范圍內(nèi)的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于MSP430F149的頻域識(shí)別方法，能準(zhǔn)確地識(shí)別出與接收器相匹配的傳感器信號(hào)，達(dá)到信號(hào)識(shí)別、排除干擾的目的。對其他需要處理低頻窄脈沖周期信號(hào)的應(yīng)用領(lǐng)域有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： MSP430F149； 窄脈沖； 周期信號(hào)； FFT； 信號(hào)識(shí)別

中圖分類號(hào)： TN919?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）22?0124?04

MSP430F149?based frequency domain identification method of low?frequency narrow?pulse periodic signal

LI Zhou?li， LI Wen， LIU Peng

（School of Electronic Engineering， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： As for a low?frequency narrow?pulse cycle signal recognition of the sensor based on MSP430F149， if the sampling frequency determined by the low frequency signal is sampled according to the sampling theorem， the narrow pulse will be missed， and if enhancing the sampling frequency， there are too many frequency domain processing points. Therefore， a high sampling frequency in the windows was used for time?domain sampling to resample each window to be a sampling point. The fast Fourier transform （FFT） is used to convert the time domain signal to the frequency domain signal and analyze the signal in the interested frequency domain ranges. The experimental results show that the MSP430F149?based identification method of frequency domain can accurately identify the sensor signal matched to the receiver and realize interference exclusion. It has a reference for other applications that need to deal with the low?frequency narrow?pulse periodic signal.

Keywords： MSP430F149； narrow pulse； periodic signal； FFT； signal recognition

0 引 言

微波開關(guān)是采用波束障礙原理，測量物位的智能傳感器。當(dāng)微波信號(hào)從發(fā)射調(diào)制模塊傳送到接收解調(diào)模塊，接收解調(diào)模塊對接收到的微波信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，然后傳輸給主控制模塊，主控制模塊識(shí)別接收解調(diào)模塊的解調(diào)信號(hào)的狀態(tài)并判斷微波束通道的暢通/阻斷，從而可以給PLC，DCS或SCADA系統(tǒng)提供控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)物位的監(jiān)測或直接控制電機(jī)等給料或停止供料[1]。微波開關(guān)的接收解調(diào)模塊的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

微波開關(guān)將接收到的微波信號(hào)解調(diào)出三種信號(hào)：微波幅值信號(hào)、高頻信號(hào)和低頻信號(hào)。其中，低頻信號(hào)為窄脈沖周期信號(hào)，頻率由三位撥碼開關(guān)控制分8級(jí)可調(diào)，可避免系統(tǒng)間相互干擾。所設(shè)計(jì)的低頻信號(hào)8級(jí)頻率如表1所示 [3]。微波開關(guān)對微波信號(hào)的時(shí)域分析法，是在微波束通路無障礙時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到無障礙時(shí)的微波幅值最大值、低頻頻率、高頻脈寬，分別稱為微波校準(zhǔn)幅值最大值、校準(zhǔn)低頻頻率、校準(zhǔn)高頻脈寬，由這三個(gè)校準(zhǔn)值得到三種信號(hào)的標(biāo)稱值。然后分別測量微波幅值、低頻頻率、高頻脈寬，將測量值分別與校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷微波幅值、微波低頻、微波高頻信號(hào)是否正常。由三個(gè)判決結(jié)果表決判斷微波束通路的暢通/阻斷，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的識(shí)別[4]。

當(dāng)只有一對微波開關(guān)時(shí)，時(shí)域分析方法可以準(zhǔn)確地測量出微波信號(hào)的幅值、低頻頻率和高頻頻率，識(shí)別微波信號(hào)。但工作現(xiàn)場比較近的范圍內(nèi)，通常會(huì)存在多對微波開關(guān)。對低頻頻率的測量產(chǎn)生影響，時(shí)域分析方法識(shí)別正確的傳感器信號(hào)就存在困難，擬對時(shí)域信號(hào)采樣，然后進(jìn)行快速傅里葉變換，在頻域識(shí)別出微波信號(hào)[5]。

圖1 微波開關(guān)的接收模塊結(jié)構(gòu)框圖

表1 分8級(jí)可調(diào)的低頻信號(hào)頻率

但是FFT 固有的頻率分辨率與計(jì)算量之間的矛盾，使這兩個(gè)參數(shù)必需選擇適當(dāng)。頻率分辨率表示頻譜中能夠分辨的兩個(gè)頻率分量的最小間隔，頻率間隔Δf 可用下式表示：

[Δf=fsN]

由上式可見，要提高FFT 的頻率分辨率， 只能通過以下兩種途徑來實(shí)現(xiàn)：

（1） 降低采樣頻率fs， 這會(huì)使頻率分析范圍縮小， 其降低的幅度受到采樣定律的限制；

（2） 需要增加分析的采樣點(diǎn)數(shù)N， 這意味著計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量和計(jì)算量大大增加， 由于實(shí)際系統(tǒng)軟、硬件方面的限制， 這樣做并不總是可行的?？梢钥闯鲆陨蟽煞N方法提高頻率分辨率的能力有限且靈活性差。

1 微波信號(hào)的特點(diǎn)

解調(diào)出的微波低頻頻率為38～52 Hz（分8級(jí)可調(diào)），幅值信號(hào)的最大幅值為1.7～2.9 V，高頻信號(hào)的頻率為21 kHz±1.05 kHz，用示波器測得的微波幅值信號(hào)與低頻信號(hào)時(shí)序圖如圖2所示。圖中微波信號(hào)頻率為38.32 Hz，周期為26.1 ms，脈寬約為300 μs，占空比為1.3%?？芍⒉ㄐ盘?hào)為低頻窄脈沖周期信號(hào)。

由表1可以看出，兩個(gè)頻率的最小間隔為2 Hz。即要求所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)對頻率的分辨率要優(yōu)于2 Hz。同時(shí)由于所用系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量限制，采樣點(diǎn)數(shù)N最大不能超過512點(diǎn)。

圖2 微波幅值信號(hào)與低頻信號(hào)時(shí)域圖

2 頻域分析方法

為了排除多個(gè)發(fā)射器所發(fā)射信號(hào)的干擾，采用FFT將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析，在所感興趣的30 Hz到60 Hz頻域范圍內(nèi)，分析是否有與校準(zhǔn)頻率相等的頻率信號(hào)存在，即可正確識(shí)別信號(hào)、排除干擾。

首先對時(shí)域信號(hào)采樣，由于微波信號(hào)為低頻窄脈沖周期信號(hào)，按照采樣定律確定的采樣頻率在時(shí)域采樣時(shí)會(huì)漏采該窄脈沖。為此采用窗口法，每16個(gè)點(diǎn)為一個(gè)窗口，在該窗口內(nèi)采用高采樣頻率，確保能采到該窄脈沖。對一個(gè)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)可以采用最大值法、二值比較法和平均值法等，為簡化使用匯編語言編程的程序，在一個(gè)窗口內(nèi)選擇平均值法，求得一個(gè)采樣點(diǎn)，即為二次采樣。16個(gè)數(shù)求和后，使用4次移位指令即可求得平均值。然后按上述方法編寫程序下載到微波開關(guān)硬件系統(tǒng)中[6]，即MSP430F149中，將單片機(jī)所得數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)，用上位機(jī)軟件查詢實(shí)時(shí)波形得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。針對微波數(shù)據(jù)的特點(diǎn)編寫Matlab程序，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得微波幅值信號(hào)波形，對其作傅里葉變換可得頻譜圖，由頻譜圖判斷是否有與校準(zhǔn)頻率相等的頻率信號(hào)存在，即可準(zhǔn)確識(shí)別信號(hào)、排除干擾。

頻率分辨率是指將兩個(gè)相鄰譜峰分開的能力。在實(shí)際應(yīng)用中是指分辨兩個(gè)不同頻率信號(hào)的最小間隔。頻率分辨率Δf=[fsN]（fs為采樣頻率，N為采樣點(diǎn)數(shù)）?？紤]到單片機(jī)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)量，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)不能過多。在采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，如果頻率分辨率過低，會(huì)漏采窄脈沖，難以分辨八級(jí)不同頻率信號(hào)；如果頻率分辨率過高，可以準(zhǔn)確分辨不同頻率信號(hào)，采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)需降低采樣頻率，降低采樣頻率則會(huì)漏采窄脈沖。采用上述窗口法，實(shí)現(xiàn)局部高采樣頻率，確保采到窄脈沖信號(hào)的同時(shí)，提高了頻率分辨率。

窄脈沖的脈寬約為340 μs，采樣定律要求采樣頻率大于等于原信號(hào)頻率的2倍，可得窗口內(nèi)采樣周期最大為170 μs，另一方面，微波低頻頻率為38～52 Hz（分8級(jí)可調(diào)），頻域分析中為了可以準(zhǔn)確區(qū)分8級(jí)頻率信號(hào)，取頻率分辨率應(yīng)小于[52 Hz-38 Hz7]=2 Hz。綜上，窗口內(nèi)采樣周期小于170 μs，頻率分辨率則應(yīng)大于2 Hz。

3 實(shí) 驗(yàn)

基于上述思想，將FFT的思想編寫程序，植入MSP430F149單片機(jī)中[7?8]。由于所用系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量限制，采樣點(diǎn)數(shù)N取128點(diǎn)。多次調(diào)整確定窗口內(nèi)采樣周期T1=156 μs，每32個(gè)點(diǎn)為1個(gè)窗口，在1個(gè)窗口內(nèi)用平均值法，求得一個(gè)采樣點(diǎn)，即為二次采樣，其采樣周期T2=32T1N=639 ms。而采樣頻率fs=204.8 Hz，頻率分辨率Δf=[fsN]=1.6 Hz。采樣結(jié)束后，對采樣點(diǎn)進(jìn)行頻域抽取法FFT，該算法的特點(diǎn)是輸入序列為自然順序，而輸出為倒序排列；特別是前一級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子剛好是后一級(jí)上一半蝶形計(jì)算的旋轉(zhuǎn)因子，且順序不變。而程序中旋轉(zhuǎn)因子的計(jì)算采用查表法。FFT結(jié)果分實(shí)部和虛部兩部分，由于輸出為倒序排列，將實(shí)部和虛部求平方和，用查表法對平方和進(jìn)行倒序，得到128點(diǎn)FFT頻域順序序列。由于所得值均為歸一化頻率，用查表法分別將其乘以頻率分辨率，結(jié)果即為相應(yīng)的頻率值。為了直接由單片機(jī)輸出頻率值，并判斷微波狀態(tài)是否正常，對感興趣范圍內(nèi)的頻率值進(jìn)行排序，找出較大的3個(gè)頻率值，分別與校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如果存在與校準(zhǔn)值相差±2 Hz的頻率值，則認(rèn)為微波低頻頻率正常。

3.1 單發(fā)射器實(shí)驗(yàn)

微波信號(hào)頻率f=38 Hz時(shí)，將單片機(jī)得到的頻域順序序列作圖，并展開20～40 h，即32～64 Hz部分，可得微波幅值信號(hào)頻域圖形及部分展開圖，分別如圖3所示，頻域波形的峰峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)為26 h，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制得低頻頻率為38 Hz。

圖3 微波信號(hào)頻域圖形及部分展開圖（38 Hz）

分別測量八級(jí)頻率可得相應(yīng)微波幅值信號(hào)頻域圖形的部分展開圖，分析各圖結(jié)果如表2所示。由表2可見，對低頻頻率識(shí)別的誤差，即測量值與校準(zhǔn)值的差值控制在±2 Hz。因此在只有一個(gè)發(fā)射器時(shí)，該方法可以較準(zhǔn)確地識(shí)別低頻窄脈沖微波信號(hào)。

表2 單發(fā)射器時(shí)頻率結(jié)果 Hz

3.2 多發(fā)射器情況下實(shí)驗(yàn)

（1） 存在兩個(gè)不同的發(fā)射器時(shí)，發(fā)射的低頻信號(hào)頻率分別為38 Hz，52 Hz，接收器的校準(zhǔn)低頻頻率為38 Hz，低頻頻率為52 Hz的微波信號(hào)則為干擾信號(hào)。微波幅值信號(hào)頻域圖形及部分展開圖，如圖4所示，頻域波形中縱坐標(biāo)較大的對應(yīng)的橫坐標(biāo)分別為27 h，35 h，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制得頻率分別為39 Hz，53 Hz，與校準(zhǔn)低頻頻率值比較可以識(shí)別信號(hào)，排除干擾。

圖4 微波信號(hào)頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，52 Hz）

（2） 存在三個(gè)不同的發(fā)射器時(shí)，發(fā)射的低頻信號(hào)頻率分別為38 Hz，46 Hz，52 Hz，接收器的校準(zhǔn)低頻頻率為38 Hz，低頻頻率為46 Hz，52 Hz的微波信號(hào)則為干擾信號(hào)。微波幅值信號(hào)頻域圖形的部分展開圖，如圖5所示，頻域波形中縱坐標(biāo)較大的對應(yīng)的橫坐標(biāo)分別為27 h，33 h，35 h，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制得頻率分別為39 Hz，51 Hz，53 Hz，與校準(zhǔn)低頻頻率值比較可以識(shí)別信號(hào)，排除干擾。

圖5 微波信號(hào)頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，46 Hz，52 Hz）

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該頻域分析方法中，頻率分辨率較高，對微波信號(hào)低頻頻率識(shí)別的誤差，即測量值與校準(zhǔn)值的差值控制在±2 Hz，可以較準(zhǔn)確地識(shí)別微波信號(hào)，同時(shí)可以準(zhǔn)確地區(qū)分原信號(hào)和干擾信號(hào)，達(dá)到了信號(hào)識(shí)別，排除干擾的目的。對其他需要處理低頻窄脈沖周期信號(hào)的應(yīng)用方面有一定的參考價(jià)值。顯然，僅用FFT方法頻率識(shí)別準(zhǔn)確性不高，必須綜合采用ZFFT[9]或MUSIC[10]等現(xiàn)代譜分析技術(shù)，才能進(jìn)一步提高頻率識(shí)別準(zhǔn)確性，這正是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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圖4 微波信號(hào)頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，52 Hz）

（2） 存在三個(gè)不同的發(fā)射器時(shí)，發(fā)射的低頻信號(hào)頻率分別為38 Hz，46 Hz，52 Hz，接收器的校準(zhǔn)低頻頻率為38 Hz，低頻頻率為46 Hz，52 Hz的微波信號(hào)則為干擾信號(hào)。微波幅值信號(hào)頻域圖形的部分展開圖，如圖5所示，頻域波形中縱坐標(biāo)較大的對應(yīng)的橫坐標(biāo)分別為27 h，33 h，35 h，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制得頻率分別為39 Hz，51 Hz，53 Hz，與校準(zhǔn)低頻頻率值比較可以識(shí)別信號(hào)，排除干擾。

圖5 微波信號(hào)頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，46 Hz，52 Hz）

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該頻域分析方法中，頻率分辨率較高，對微波信號(hào)低頻頻率識(shí)別的誤差，即測量值與校準(zhǔn)值的差值控制在±2 Hz，可以較準(zhǔn)確地識(shí)別微波信號(hào)，同時(shí)可以準(zhǔn)確地區(qū)分原信號(hào)和干擾信號(hào)，達(dá)到了信號(hào)識(shí)別，排除干擾的目的。對其他需要處理低頻窄脈沖周期信號(hào)的應(yīng)用方面有一定的參考價(jià)值。顯然，僅用FFT方法頻率識(shí)別準(zhǔn)確性不高，必須綜合采用ZFFT[9]或MUSIC[10]等現(xiàn)代譜分析技術(shù)，才能進(jìn)一步提高頻率識(shí)別準(zhǔn)確性，這正是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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圖4 微波信號(hào)頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，52 Hz）

（2） 存在三個(gè)不同的發(fā)射器時(shí)，發(fā)射的低頻信號(hào)頻率分別為38 Hz，46 Hz，52 Hz，接收器的校準(zhǔn)低頻頻率為38 Hz，低頻頻率為46 Hz，52 Hz的微波信號(hào)則為干擾信號(hào)。微波幅值信號(hào)頻域圖形的部分展開圖，如圖5所示，頻域波形中縱坐標(biāo)較大的對應(yīng)的橫坐標(biāo)分別為27 h，33 h，35 h，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制得頻率分別為39 Hz，51 Hz，53 Hz，與校準(zhǔn)低頻頻率值比較可以識(shí)別信號(hào)，排除干擾。

圖5 微波信號(hào)頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，46 Hz，52 Hz）

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該頻域分析方法中，頻率分辨率較高，對微波信號(hào)低頻頻率識(shí)別的誤差，即測量值與校準(zhǔn)值的差值控制在±2 Hz，可以較準(zhǔn)確地識(shí)別微波信號(hào)，同時(shí)可以準(zhǔn)確地區(qū)分原信號(hào)和干擾信號(hào)，達(dá)到了信號(hào)識(shí)別，排除干擾的目的。對其他需要處理低頻窄脈沖周期信號(hào)的應(yīng)用方面有一定的參考價(jià)值。顯然，僅用FFT方法頻率識(shí)別準(zhǔn)確性不高，必須綜合采用ZFFT[9]或MUSIC[10]等現(xiàn)代譜分析技術(shù)，才能進(jìn)一步提高頻率識(shí)別準(zhǔn)確性，這正是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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