基于MSP430F149的低頻窄脈沖周期信號頻域識別方法

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識別時，若依據采樣定律對該低頻信號確定的采樣率采樣則會漏掉該窄脈沖；若提高采樣率，頻域處理時點數又太多。為此時域采樣采用窗口內高采樣率，對每個窗口用重采樣作為一個采樣點。采用快速傅里葉變換（FFT）將時域信號轉換為頻域信號，分析感興趣頻域范圍內的信號。實驗結果表明基于MSP430F149的頻域識別方法，能準確地識別出與接收器相匹配的傳感器信號，達到信號識別、排除干擾的目的。對其他需要處理低頻窄脈沖周期信號的應用領域有一定的參考價值。

關鍵詞： MSP430F149； 窄脈沖； 周期信號； FFT； 信號識別

中圖分類號： TN919?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 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

微波開關是采用波束障礙原理，測量物位的智能傳感器。當微波信號從發射調制模塊傳送到接收解調模塊，接收解調模塊對接收到的微波信號進行濾波、放大，然后傳輸給主控制模塊，主控制模塊識別接收解調模塊的解調信號的狀態并判斷微波束通道的暢通/阻斷，從而可以給PLC，DCS或SCADA系統提供控制信號，實現物位的監測或直接控制電機等給料或停止供料[1]。微波開關的接收解調模塊的基本結構框圖如圖1所示[2]。

微波開關將接收到的微波信號解調出三種信號：微波幅值信號、高頻信號和低頻信號。其中，低頻信號為窄脈沖周期信號，頻率由三位撥碼開關控制分8級可調，可避免系統間相互干擾。所設計的低頻信號8級頻率如表1所示 [3]。微波開關對微波信號的時域分析法，是在微波束通路無障礙時進行校準，得到無障礙時的微波幅值最大值、低頻頻率、高頻脈寬，分別稱為微波校準幅值最大值、校準低頻頻率、校準高頻脈寬，由這三個校準值得到三種信號的標稱值。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值進行比較，判斷微波幅值、微波低頻、微波高頻信號是否正常。由三個判決結果表決判斷微波束通路的暢通/阻斷，實現微波信號的識別[4]。

當只有一對微波開關時，時域分析方法可以準確地測量出微波信號的幅值、低頻頻率和高頻頻率，識別微波信號。但工作現場比較近的范圍內，通常會存在多對微波開關。對低頻頻率的測量產生影響，時域分析方法識別正確的傳感器信號就存在困難，擬對時域信號采樣，然后進行快速傅里葉變換，在頻域識別出微波信號[5]。

圖1 微波開關的接收模塊結構框圖

表1 分8級可調的低頻信號頻率

但是FFT 固有的頻率分辨率與計算量之間的矛盾，使這兩個參數必需選擇適當。頻率分辨率表示頻譜中能夠分辨的兩個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現：

（1） 降低采樣頻率fs， 這會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數N， 這意味著計算機的存儲量和計算量大大增加， 由于實際系統軟、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 微波信號的特點

解調出的微波低頻頻率為38～52 Hz（分8級可調），幅值信號的最大幅值為1.7～2.9 V，高頻信號的頻率為21 kHz±1.05 kHz，用示波器測得的微波幅值信號與低頻信號時序圖如圖2所示。圖中微波信號頻率為38.32 Hz，周期為26.1 ms，脈寬約為300 μs，占空比為1.3%。可知微波信號為低頻窄脈沖周期信號。

由表1可以看出，兩個頻率的最小間隔為2 Hz。即要求所設計的測試系統對頻率的分辨率要優于2 Hz。同時由于所用系統的存儲容量限制，采樣點數N最大不能超過512點。

圖2 微波幅值信號與低頻信號時域圖

2 頻域分析方法

為了排除多個發射器所發射信號的干擾，采用FFT將時域信號轉換到頻域進行分析，在所感興趣的30 Hz到60 Hz頻域范圍內，分析是否有與校準頻率相等的頻率信號存在，即可正確識別信號、排除干擾。

首先對時域信號采樣，由于微波信號為低頻窄脈沖周期信號，按照采樣定律確定的采樣頻率在時域采樣時會漏采該窄脈沖。為此采用窗口法，每16個點為一個窗口，在該窗口內采用高采樣頻率，確保能采到該窄脈沖。對一個窗口內的數據可以采用最大值法、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，在一個窗口內選擇平均值法，求得一個采樣點，即為二次采樣。16個數求和后，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硬件系統中[6]，即MSP430F149中，將單片機所得數據回傳至上位機，用上位機軟件查詢實時波形得到相應數據。針對微波數據的特點編寫Matlab程序，對得到的數據進行處理，可得微波幅值信號波形，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頻率相等的頻率信號存在，即可準確識別信號、排除干擾。

頻率分辨率是指將兩個相鄰譜峰分開的能力。在實際應用中是指分辨兩個不同頻率信號的最小間隔。頻率分辨率Δf=[fsN]（fs為采樣頻率，N為采樣點數）?？紤]到單片機運算速度和存儲量，FFT點數不能過多。在采樣點數一定時，如果頻率分辨率過低，會漏采窄脈沖，難以分辨八級不同頻率信號；如果頻率分辨率過高，可以準確分辨不同頻率信號，采樣點數一定時需降低采樣頻率，降低采樣頻率則會漏采窄脈沖。采用上述窗口法，實現局部高采樣頻率，確保采到窄脈沖信號的同時，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頻率的2倍，可得窗口內采樣周期最大為170 μs，另一方面，微波低頻頻率為38～52 Hz（分8級可調），頻域分析中為了可以準確區分8級頻率信號，取頻率分辨率應小于[52 Hz-38 Hz7]=2 Hz。綜上，窗口內采樣周期小于170 μs，頻率分辨率則應大于2 Hz。

3 實 驗

基于上述思想，將FFT的思想編寫程序，植入MSP430F149單片機中[7?8]。由于所用系統的存儲容量限制，采樣點數N取128點。多次調整確定窗口內采樣周期T1=156 μs，每32個點為1個窗口，在1個窗口內用平均值法，求得一個采樣點，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。采樣結束后，對采樣點進行頻域抽取法FFT，該算法的特點是輸入序列為自然順序，而輸出為倒序排列；特別是前一級的旋轉因子剛好是后一級上一半蝶形計算的旋轉因子，且順序不變。而程序中旋轉因子的計算采用查表法。FFT結果分實部和虛部兩部分，由于輸出為倒序排列，將實部和虛部求平方和，用查表法對平方和進行倒序，得到128點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，結果即為相應的頻率值。為了直接由單片機輸出頻率值，并判斷微波狀態是否正常，對感興趣范圍內的頻率值進行排序，找出較大的3個頻率值，分別與校準值進行比較，如果存在與校準值相差±2 Hz的頻率值，則認為微波低頻頻率正常。

3.1 單發射器實驗

微波信號頻率f=38 Hz時，將單片機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的橫坐標為26 h，轉換為十進制得低頻頻率為38 Hz。

圖3 微波信號頻域圖形及部分展開圖（38 Hz）

分別測量八級頻率可得相應微波幅值信號頻域圖形的部分展開圖，分析各圖結果如表2所示。由表2可見，對低頻頻率識別的誤差，即測量值與校準值的差值控制在±2 Hz。因此在只有一個發射器時，該方法可以較準確地識別低頻窄脈沖微波信號。

表2 單發射器時頻率結果 Hz

3.2 多發射器情況下實驗

（1） 存在兩個不同的發射器時，發射的低頻信號頻率分別為38 Hz，52 Hz，接收器的校準低頻頻率為38 Hz，低頻頻率為52 Hz的微波信號則為干擾信號。微波幅值信號頻域圖形及部分展開圖，如圖4所示，頻域波形中縱坐標較大的對應的橫坐標分別為27 h，35 h，轉換為十進制得頻率分別為39 Hz，53 Hz，與校準低頻頻率值比較可以識別信號，排除干擾。

圖4 微波信號頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，52 Hz）

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

圖5 微波信號頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，46 Hz，52 Hz）

4 結 語

實驗結果表明，該頻域分析方法中，頻率分辨率較高，對微波信號低頻頻率識別的誤差，即測量值與校準值的差值控制在±2 Hz，可以較準確地識別微波信號，同時可以準確地區分原信號和干擾信號，達到了信號識別，排除干擾的目的。對其他需要處理低頻窄脈沖周期信號的應用方面有一定的參考價值。顯然，僅用FFT方法頻率識別準確性不高，必須綜合采用ZFFT[9]或MUSIC[10]等現代譜分析技術，才能進一步提高頻率識別準確性，這正是需要進一步研究的內容。

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圖4 微波信號頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，52 Hz）

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

圖5 微波信號頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，46 Hz，52 Hz）

4 結 語

實驗結果表明，該頻域分析方法中，頻率分辨率較高，對微波信號低頻頻率識別的誤差，即測量值與校準值的差值控制在±2 Hz，可以較準確地識別微波信號，同時可以準確地區分原信號和干擾信號，達到了信號識別，排除干擾的目的。對其他需要處理低頻窄脈沖周期信號的應用方面有一定的參考價值。顯然，僅用FFT方法頻率識別準確性不高，必須綜合采用ZFFT[9]或MUSIC[10]等現代譜分析技術，才能進一步提高頻率識別準確性，這正是需要進一步研究的內容。

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圖4 微波信號頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，52 Hz）

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

圖5 微波信號頻域圖形及部分展開圖（38 Hz，46 Hz，52 Hz）

4 結 語

實驗結果表明，該頻域分析方法中，頻率分辨率較高，對微波信號低頻頻率識別的誤差，即測量值與校準值的差值控制在±2 Hz，可以較準確地識別微波信號，同時可以準確地區分原信號和干擾信號，達到了信號識別，排除干擾的目的。對其他需要處理低頻窄脈沖周期信號的應用方面有一定的參考價值。顯然，僅用FFT方法頻率識別準確性不高，必須綜合采用ZFFT[9]或MUSIC[10]等現代譜分析技術，才能進一步提高頻率識別準確性，這正是需要進一步研究的內容。

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